基于單路徑聲學測溫系統的試驗與研究

何曉亮

(赤峰市特種設備檢驗所,內蒙古自治區赤峰024000)

基于單路徑聲學測溫系統的試驗與研究

何曉亮

(赤峰市特種設備檢驗所,內蒙古自治區赤峰024000)

利用單路徑聲學測量技術,對鍋爐爐內溫度場進行測量。研發了適用電站鍋爐的聲波高溫計,經冷態和熱態試驗后,已運行于某型300 MW機組。通過長期運行,驗證了測溫系統的穩定性和可靠性。作為非接觸式測量系統,可不受外部條件的影響,適應于各種高溫和多塵的惡劣工況,實現了實時在線測量。

鍋爐;溫度;測量;單路徑聲學;計量;研發;試驗

0 概 述

在燃煤機組中,鍋爐的爐膛溫度是機組運行時非常重要的參數。爐膛的溫度表征了燃燒過程,也反映了燃燒設備的運行工況。測控爐溫,可為機組的運行提供操作依據。如果燃燒工況不合理,將造成鍋爐的燃燒不均勻、火焰中心偏斜、火焰刷墻,可能會導致爐膛結焦、爐膛爆炸等事故。在鍋爐燃燒過程中,爐膛內的流場具有瞬態變化、隨機湍流等特征。因此,給爐膛溫度的在線測量帶來困難。

1 聲學測溫技術原理

爐內溫度場的測量,對于鍋爐運行狀態的診斷和控制具有重要意義。目前,國內無法直接測量爐膛溫度場、爐膛出口煙氣溫度和對流受熱面高溫段的煙氣溫度。應用聲學測溫技術,作為非接觸式溫度測量技術,不受外部條件的影響,適應各種高溫、腐蝕、多塵等惡劣工況,可實時在線測量所需測點處的溫度。

聲學測溫的原理,是基于聲波的傳播速度直接隨介質溫度而變化。由熱力學中氣體方程和聲學中的聲波波動方程,可得聲波傳播速度和介質溫度的關系式:

式(1)中,C—聲音在介質中的傳播速度;R—氣體常數;k—氣體的絕熱指數;M—氣體分子量;T—氣體溫度。

由此計算方程,在己知聲波傳播速度的條件下,可方便地獲得介質的溫度。聲學測溫的原理,如圖1所示。

圖1 聲學測溫的原理圖

2 測量系統的組成

單路徑聲學測溫系統由聲波發生器、聲波接收傳感器、聲波導管、信號輸入/輸出裝置、信號調理器、接線盒、主機等部分組成。測溫系統的布置,如圖2所示。

圖2 單路徑聲學測溫系統的布置

電站鍋爐具有較大空間,運行時的噪聲較強。為了滿足聲學測量環境的要求,將測量系統的聲信號頻率定為1.5~10 k Hz,聲壓級在126 d B以上。選用電動式聲源,聲波導管采用了強指向性的錐形號筒。

3 單路徑聲學高溫計的試驗和研究

單路徑聲學測溫系統,已安裝在國內某電廠2號鍋爐,隨后進行了調試。安裝時,利用左墻和右墻上原有的觀火孔,不用在水冷壁上打新孔。測量爐膛出口煙氣溫度的2個觀火孔,在屏式過熱器的下方。

3.1 冷態調試

測溫系統安裝后,首先進行了冷態調試。爐膛的內部寬度為14 m,加上爐墻壁厚和法蘭接管長度,實際測量路徑的長度為14.9 m。經運行,測溫器的狀態較為穩定,白晝的測量溫度約為25℃,夜間的測量溫度約為17℃,與便攜式溫度計的測量結果相一致。

3.2 熱態試驗

熱態試驗時,聲學測溫系統的運行遇到一些干擾,如爐內燃燒時發出的噪聲、爐膛動力場對測溫系統的影響,還有積灰嚴重等問題。經研究后,完善了聲學測溫系統。通過數月試運行,該聲學測溫系統保持了良好的工作狀態,沒有再出現其它問題和故障。測溫系統每間隔5 s,保存1個測溫數據,每小時約有720個溫度數據。圖3是某小時內的測溫曲線圖。由圖3可知,鍋爐熱態運行時,該時間段的測溫結果約為1 050℃,有1個溫度數據為負值,明顯是瞬態跳躍值,應剔除。

圖3 某小時內的測溫曲線

4 數據分析

4.1 熱電偶測溫與聲學測溫的比較

在6小時的熱電偶測量實驗中,測得爐膛中部的平均溫度為1 050~1 100℃。用聲學測溫系統,每小時測得的平均溫度分別為1 013.4℃、1 041.7℃、1 011℃、1 000.8℃、992.3℃、1 010.9℃,比熱電偶的測量結果約低50~80℃。這個測量結果與預期值相一致,因為水冷壁的吸熱量較大,水冷壁附近的溫度僅為200~800℃。聲學測量系統所測得的溫度,是整條路徑上的平均溫度,所以,聲學測溫的數據比爐膛中心溫度約低70℃。測得的溫度曲線,如圖4所示。受被測兩端低溫區域的影響,聲學測溫和熱電偶測溫的相對誤差,約在2%之內。

圖4 整條路徑上溫度的分布情況

4.2 爐膛溫度與負荷及主蒸汽流量的關系

為了便于研究,選取了機組負荷變化較大的時段,觀察聲學測溫結果與機組負荷之間的規律。在此時段,機組負荷從285.975 MW變化至147.276 MW,負荷的波動較大。為了便于統計,將每小時內所測的爐膛溫度、機組負荷、主蒸汽流量等數據取平均值,運行15小時后,共得到15組數據,如表1所示。

表1 爐膛溫度與機組負荷及主蒸汽流量的平均數據(15h)

根據表1的數據,繪制出的曲線,如圖5所示。從圖5可知,當機組高負荷運行時,聲學測溫系統測得的爐膛溫度為1 090℃,當機組低負荷運行時,聲學測溫系統測得的爐膛溫度為970℃,且測得的爐膛溫度曲線和負荷曲線相當吻合。

圖5 某時段內所測運行參數的波動曲線

5 結 語

目前,電站鍋爐采用的爐膛煙溫探針的測溫范圍較小,僅為了防止鍋爐點火時的超溫才啟用,當爐溫超過500℃后,自動退出,平時不啟用。爐膛煙溫探針的體積較大,長度達6 m,采用傳統的電動機構伸出和回縮。聲學高溫計的體積小,投資少,可實時在線監測爐膛的煙氣溫度,并可根據需求安裝在不同位置。聲學測溫的技術優勢,展現了廣闊的應用前景。

[1]邵富群,吳建云.聲學法復雜溫度場的重組測量[J].控制與決策, 1999.14(2):120-124.

[2]馮俊凱,沈幼庭.鍋爐原理及計算[M].北京:科技出版社.1992.

Test and Study on Temperature Measurement System Based on the Single Path Acoustic Measurement

HE Xiao-liang
(Chifeng Special Equipment Quality Safe Inspection Institute,Chifeng 024000,Inner Mongolia,China)

In this paper,the method of measuring the temperature field in the boiler by using the single path acoustic measurement technique is presented.After cold and hot test,a suitable acoustic pyrometer in the power plant boiler of was installed on a 300 MW boiler in a power plant.Stability and reliability of the temperature measurement system have been proved by long period operation.As a non-contact measurement system,which can not be affected by external conditions,and adapt to variety harsh environment for high temperature,to achieve real-time online measurement.

boiler;temperature;single path;acoustic;measurement;study;test

TK284.9

A

1672-0210(2017)02-0045-03

2016-08-29

何曉亮(1980-),碩士研究生,工程師,就職于赤峰市特種設備檢驗所,從事壓力容器的安全性能檢驗和鍋爐能效測試等工作。