鍋爐用紅外測溫儀保護裝置的設計

任建立

（山西德潤翔電力科技有限公司，山西 晉中 030600）

引言

火電廠鍋爐燃燒調整對鍋爐安全、經濟運行十分關鍵，而表征爐膛燃燒和熱交換工況的重要參數是爐膛的火焰（煙氣）溫度分布，特別是爐膛出口煙氣溫度。目前一般使用鎧裝熱電偶進行溫度測量，基本可以實現對爐膛煙氣溫度彎化趨勢的檢測[1]。

鍋爐內部燃燒工況復雜，由于煤粉細度、風煤比、煤粉質量等因素的影響，熱電偶鎧裝鋼管前端會有結焦，影響熱電偶的測量精度。其次，熱電偶長期工作在高溫環境中，受熱風剪切及自重影響，使其彎曲。當需要更換時，無法直接從測溫孔中拔出。因此，許多火電廠引入非接觸紅外測溫儀來替代熱電偶，所以，必須設計好保護裝置，從而保護紅外測溫儀，以便其長久使用[2]。

1 系統總體介紹

三維CAD技術的核心，是通過建模直觀地展示機械結構，并進行性能分析。本機械結構采用Autodesk Inventor Professional 2016進行設計，該軟件是一套全面的設計工具，簡化了復雜三維模型的創建，可專注于設計的功能實現[3-5]。

鍋爐用紅外測溫儀，是一款高性能溫度測量儀器，采用雙色測溫方法，即通過目標物體輻射的兩個紅外波段的能量比值來確定被測物體的溫度，可克服傳輸介質有灰塵、煙霧、水汽，視場局部遮擋和測量距離變化造成的輻射能量衰減而引起的測量誤差，特別適用于相對惡劣的測溫環境，但是紅外測溫儀的正常使用溫度小于60℃。

多個紅外測溫儀可以組成一個完整的測溫系統，測溫儀的數量根據鍋爐的大小以及電廠的要求，具體情況具體分析。然而，一個完整的測溫系統，必須有一套完整的冷卻系統，常規的冷卻方式有水冷卻和風冷卻。

水冷卻是通過給測溫儀加裝保護裝置，并且在保護裝置上增加一定的水流動的空間，從而達到冷卻降溫的目的。但是，由于電廠鍋爐旁邊空間狹窄，部分區域僅能通過一個人，而水冷卻需要增加水循環設備，占用一定的空間，在周圍溫度高的情況下，水冷卻效果就會降低，因此，水冷卻的方式在此項目上不適合。風冷卻是通過壓縮氣體對需要冷卻的部分進行吹風，冷卻效果取決于風壓和風量。壓縮氣體可以直接取電廠的吹灰氣體或儀表用氣，只需要在出口端增加過濾減壓閥，就可以達到冷卻的目的[6-7]。

紅外測溫儀安裝的鍋爐的爐壁上，爐壁需要開孔，確保紅外線能夠照射到爐內火焰，由于爐壁內外溫差較大，再加上爐內煤粉的流動，就導致開孔處的鋼管上會結焦，時間長了就會堵塞測量孔，導致紅外測溫儀不能很好地測得溫度，嚴重的時候得不到測量溫度。但是，本裝置增加的風冷卻系統，可以持續地往孔里吹風，通過實驗，發現這種方法可以有效地解決該問題。

當鍋爐附近局部溫度達到60℃以上時，機械保護裝置不僅要保護紅外測溫儀，也必須采取有效措施降低溫度，因此，一般情況下采取風冷措施。

2 系統硬件設計

整個統由四大部分組成：水冷壁、密封盒、冷卻固定套和測溫儀保護裝置組成，詳見下頁表1，下頁圖1為系統總圖。

由于冷卻固定套管徑為50 mm，而相鄰水冷壁之間間隙較小，難以放下，所以，必須讓管，即通過改變一根管子的路徑，實現更大的空間。密封盒和水冷壁進行焊接，防卡灰塵從爐內進行爐外，達到密封效果。

表1 系統零部件明細表

圖1 系統總圖

測溫儀保護裝置詳見圖2。該裝置由防堵套、套管、調節裝置、法蘭盤和保護套五大部分組成。

圖2 測溫儀保護裝置

防堵套采用特殊的結構設計，防止鍋爐內部灰塵進入套管及保護套中，從而保護紅外測溫儀。因為防堵套在前端，離鍋爐火焰較近，因此材質采用0Cr25Ni20，該材質具有良好的耐高溫性，溫度超過800℃時，開始軟化，許用應力開始持續降低，最高使用溫度1 200℃。因鎳和鉻含量高，具有良好耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫性能，在高溫下有高的強度和蠕變強度。其前端含有M45*2的螺紋，通過旋轉防堵套，可以調節總體長度，更具有普通性，而且，防堵套在長期高溫的環境中易損壞，因此，防堵套可拆卸便于更換，具有更好的替代性，節約成本[8]。

調節裝置的作用是調節紅外測溫儀光路，使紅外測溫儀能夠采集到足夠的輻射能量，保證測量結果的準確。其方法是通過調節M5的螺栓，調整前后兩個法蘭間隙的大小，使其前后兩個導管同心，調整合適后，將螺母M5反向旋緊，防止松動。

如圖3所示，套管和密封盒焊接，固定保護套，序2加冷卻風，給序1降溫。

圖3 套管

保護套外形詳見圖4。將紅外測溫儀置于保護套內，旋緊螺母，即可固定測溫儀，達到防止機械損傷的目的。序4接冷卻風，可以達到兩個目的，一是給測溫儀降溫，二是使左側套管內部有微弱的風壓，到達防堵套時，風形成一定的旋風，從而更有效地防止灰塵進入。

圖4 保護套

3 硬件電路設計

火電廠設備多，磨煤機等產生的噪聲很大，空氣中粉塵密度也比較大，因此，紅外測溫儀在這種環境下必須有一個穩定可靠的硬件系統，硬件電路包括電源電路和通訊電路兩部分。紅外測溫系統的控制器選用SIEMENS200系列的PLC。

3.1 電源電路

需要為紅外測溫儀提供24 V的工作電壓。

3.2 通訊電路

通訊系統是完成信息傳輸的過程，是紅外測溫系統的重要組成部分。電廠鍋爐附近，環境糙雜，空氣中含有很大的煤粉、煤灰以及其他物質，因此，對整個系統的性能要求就很高，包括通訊系統。通訊系統由RS232轉光纖和單片機等組成，單片機的作用是采取每個測量數據，最后把數據通過光纖傳給PLC。

4 結語

本文通過對紅外測溫儀保護裝置的設計，解決了在實際中紅外測溫儀易損壞的特點，采用該設計結構，增加冷卻風吹掃，可以更好地保護紅外測溫儀，延長其使用壽命，減少現場維護量。該機械保護裝置的使用壽命可以達到30年，從而更好地為電廠節約資源[9-10]。