聲學測溫技術在電站鍋爐中的應用研究

李志勇，沈國清

(1.元寶山發電有限責任公司，內蒙古 赤峰 024070；2.華北電力大學，北京 102206)

聲學測溫技術在電站鍋爐中的應用研究

李志勇1，沈國清2

(1.元寶山發電有限責任公司，內蒙古 赤峰 024070；2.華北電力大學，北京 102206)

為了實現爐膛溫度場實時在線監測，首次在國內某電廠600 MW機組鍋爐上進行了多路徑聲學測溫系統的安裝調試。結果表明：基于相位變換加權的互相關算法，可以有效去除冷態條件下爐膛強混響影響，準確得出聲波飛渡時延估計值；驗證了該系統的穩定性和可靠性；聲學測溫系統將電站鍋爐的燃燒情況可視化，有助于確保鍋爐的安全經濟運行。

聲學測溫；鍋爐；溫度場；相位變換；互相關算法

0 引言

電站鍋爐的燃燒狀態對鍋爐的安全運行、優化燃燒以及節約能耗等具有重要意義。但由于爐膛內的湍流、高溫、腐蝕等復雜惡劣工況，目前尚未有很好的方法能夠準確測量爐膛高溫區域的溫度場信息。現場常用的火焰電視可以直接觀察噴嘴的著火情況，但僅提供了定性信息(火焰有無、火色信息)，沒有定量信息(溫度情況)。爐膛煙溫探針僅能在啟動過程中監視爐膛出口煙溫，防止過熱器干燒，并在超過一定溫度時自動退出，不能進行全負荷工況監視，且容易損壞。

基于聲波的溫度測量技術具有非接觸、對測量對象無干擾等優點，能夠實現鍋爐燃燒的實時在線監測。國內外學者針對該項技術進行了大量的理論論證和試驗研究，取得了很大進展，其中包括時間延遲估計、重建算法研究等。下面介紹在楊祥良等學者提出的單路徑聲學高溫計試驗成功的基礎上，首次在國內某配備風扇磨煤機的600 MW機組直流鍋爐上安裝多路徑聲學測溫系統。該系統經試驗調試，積累了大量的測量數據，為傳統的高溫測量領域提供了新技術。

1 聲學測溫原理

理論上，聲學測溫所需裝置就是一個安裝在爐墻一側的聲波發射器和安裝在另一側的接收器，如圖1所示。聲波發射器發出一個聲波脈沖，被聲波接收器檢測到，由于2者之間的距離是已知并且是固定的，故可計算出聲波脈沖傳播路徑上的平均溫度。聲波在煙氣里的傳播速度取決于煙氣的溫度，它們的關系為

式中：ν是聲波在介質中的傳播速度；R是氣體常數；γ是氣體的絕熱指數；M是氣體摩爾質量；T是氣體溫度。

圖1 單路徑聲學測溫原理示意

2 系統簡介

國內某600 MW機組大修時，在其鍋爐上進行多路徑聲學測溫系統的安裝和調試。該機組鍋爐是從原聯邦德國引進的，額定蒸發量1 832 t/h,過熱蒸汽壓力18.6?MPa，過熱蒸汽溫度545?℃，此次試驗在水冷壁上開孔。根據鍋爐布置總圖，結合現場考察，確定測點的安裝高度為折焰角下方，電梯8.5層。前期進行了水冷壁切割、彎管、開孔等工作，左、右、前、后墻各3個測點，一共12個測點，24條測溫路徑。圖2為聲學測溫系統安裝示意，其中黑色實心圓點表示聲源端，白色空心圓點表示接收端。從就地測點直接敷設電纜到主控室電子間的控制柜。

圖2 聲學測溫系統安裝示意

聲學測溫系統的就地測點主要由聲波發生器、聲波接收傳感器、聲波導管、定期吹掃裝置等部分組成。

系統軟件分為參數設置模塊、數據采集模塊、TOF(Time?Of?Flight，聲波飛渡時間)計算模塊、重建算法模塊、溫度場顯示模塊和數據保存模塊等。所有功能都在后臺自動完成，運行時只需直接觀看爐膛溫度場顯示畫面即可。圖3為軟件模塊示意。

圖3 軟件模塊示意

3 冷態調試

在冷態條件下，測量24條聲學路徑上的聲波飛渡時間，對24條聲學路徑的長度進行標定。由于鍋爐爐膛是一個封閉的空間聲場，具有強混響，基于普通互相關的時延算法無法得出滿意的結果。經過大量試驗，基于相位變換加權的互相關算法可以有效消除混響影響，準確得出聲波飛渡時間。

發射端和接收端2通道的信號模型為

式中：s(n)為信號；n1(n)和n2(n)為噪聲；D為2通道間的時間延遲；A為衰減系數。

基于相位變換加權的互相關函數為

式中：τ為2信號之間的時間延遲，Ψ12為頻域處理的加權函數，Ψ12=1/|Gx1x2(f)|；F為傅里葉變換；F-1為傅里葉逆變換。

加權后的互相關函數為

式中：Gx1x2(f)為信號1和2互功率譜。

設定好聲源的發生信號、音量、采樣率及傅里葉分析點數等參數，在爐膛里測得當地聲速ν=350?m/s，爐膛冷態溫度T=296?K，測量標定出冷態下24條路徑上TOF值及路徑長度(見表1)，為熱態調試做好準備。

表1 冷態下24條路徑上TOF值及路徑長度

4 熱態調試和運行

鍋爐啟動后，聲學測溫系統運行良好。24條測溫路徑均能正確顯示溫度數據，并能夠實時重建二維溫度場，為運行人員及時了解爐膛的燃燒情況提供了有效工具。

為了重建二維溫度場，將欲重建的二維截面區域離散化，即把整個重建區域劃分為n=4×3=12個非重疊的像素區域。圖4為該爐膛的截面布置。

圖4 爐膛截面布置

為了方便表示，令溫度函數

引進線性算子Ri，當它應用于溫度函數f(x，y)時有Rif(x，y)，代表f(x，y)沿第i條射線路徑的線積分，即聲波傳播時間τi，則

式(6)中，wij在數值上等于第i條射線經過第j個像素的長度。

這樣，經過1個周期的聲波收發測量過程，便得到1個線性方程組

式中：n為重建區域劃分的像素總數，共計12個；m為穿過條射線溫度場截面的聲波測量路徑總數，共計13條；wij為權因子，它的大小反映了第j個像素對第i條測量路徑的貢獻；每個方程右端的τi成為第i號測量路徑上的聲波飛渡時間；左端的和式稱為偽射線和，將方程組(7)用矩陣表示為

然后對該連續算子方程的逆問題求解，利用Tikhonov正則化方法重建后的溫度場及鍋爐截面的溫度場等溫線如圖5所示，燃燒強度如圖6所示。

圖5 鍋爐截面的溫度場等溫線

圖6 溫度場燃燒強度顯示

5 結論

由圖6可以看到，該時刻鍋爐燃燒不穩定，爐膛中央出現3個明顯峰值，前墻處出現偏燒。

根據系統重建的溫度場數據，聲學測溫系統為系統監控鍋爐燃燒提供了可視化圖像，可以準確判斷該截面上的火焰中心位置，有助于運行人員實時調整燃燒，防止火焰中心偏移，確保鍋爐的安全經濟運行。

(1)?國內自主研發的聲學測溫系統首次在國內某600?MW機組鍋爐上安裝和調試，并取得成功。通過試驗獲得大量寶貴數據，為今后在大型機組鍋爐上的投運積累了經驗。

(2)?基于相位變換加權的互相關算法，可以有效去除冷態條件下爐膛的強混響影響，準確得出大空間下聲波飛渡時延估計值。

(3)?12個測點形成的24條測溫路徑均能正確顯示溫度數據。通過級數展開法結合Tikhonov?正則化方法，重建得到該爐膛截面的二維溫度場，可以準確判斷該截面上的火焰中心位置。

(4)?聲學測溫系統為傳統的高溫測量領域提供了新技術，將電站鍋爐的燃燒情況可視化，對鍋爐的安全運行、優化燃燒、節約能耗等具有重要意義。

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2017年1—2月電力工業運行簡況

1—2月，全國電力供需總體寬松。全社會用電量增速同比提高，第二產業用電保持較快增長；工業和制造業用電量累計增速同比提高；黑色和有色金屬冶煉行業用電快速增長，帶動四大高載能行業用電增速同比提高；發電量增速同比提高，水電發電量同比下降；除水電外，其他類型設備平均利用小時同比增加；全國跨區、跨省送出電量同比增加；新增發電生產能力同比減少，水電和風電新增能力同比增加。

（來源:中國電力企業聯合會網站?2017-03-17）

2016-11-04。

李志勇(1974—)，男，高級工程師，主要從事電廠熱工檢修管理及電廠熱工檢測及控制原理研究工作，email：cfflzyg0883@163. com。

沈國清(1980—)，男，副教授，主要從事能源動力與機械工程教學及電站鍋爐聲學測量研究工作。