基于光纖光柵技術的水冷壁溫度變化周期識別與預測

摘 要：隨著中國“3060”雙碳戰略的推進，確保煤粉穩定點火和燃燒對于煤電行業由基礎負荷電源向調節型電源轉型至關重要。而其中一個核心問題是如何有效地監測和控制水冷壁的溫度。針對燃煤質量多變、機組頻繁調峰以及超臨界汽水特性等復雜性帶來的挑戰，文章通過在鍋爐水冷壁縱橫布置大量溫度測點，構建全面的多點測溫系統，以直觀地監測水冷壁的溫度變化。該方法不僅能提供關于水冷壁整體溫度的詳盡數據，還能有效支持鍋爐燃燒過程的控制和調節，從而提高電站鍋爐的安全性和經濟性。通過廣泛、多點的溫度監測，可以實時監測和記錄水冷壁的溫度變化，及時發現并解決水冷壁橫向裂紋、高溫腐蝕等問題，為優化鍋爐運行參數提供依據。

關鍵詞：光纖光柵技術；水冷壁；鍋爐燃燒；溫度監測；周期識別

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）14-0117-04

Identification and Prediction of Water-cooled Wall Temperature Variation Period Based on Fiber Grating Technology

WANG Ying1， ZOU Yan2， FANG Jiuwen1， WANG Bin1， LIU Hongxia1

（1.Tianjin Guoneng Jinneng Binhai Thermal Power Co.， Ltd.， Tianjin 300453， China;

2.Firefly Creation （Tianjin） Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300459， China）

Abstract： With the promotion of Chinese“3060”dual carbon strategy， ensuring stable ignition and combustion of coal powder is crucial for the transformation of the coal-fired power industry from basic load power sources to regulated power sources. One of the core issues is how to effectively monitor and control the temperature of the water-cooled wall. In response to the challenges posed by the complexity of variable coal quality， frequent peak shaving of units， and supercritical steam water characteristics， this paper constructs a comprehensive multi-point temperature measurement system by arranging a large number of temperature measurement points vertically and horizontally on the boiler water-cooled wall to intuitively monitor the temperature changes of the water-cooled wall. This method not only provides detailed data on the overall temperature of the water-cooled wall， but also effectively supports the control and regulation of the boiler combustion process， thereby improving the safety and economy of power plant boilers. Through extensive and multi-point temperature monitoring， real-time monitoring and recording of temperature changes in the water-cooled wall can be achieved， and problems such as transverse cracks and high-temperature corrosion of the water-cooled wall can be detected and solved in a timely manner， providing a basis for optimizing boiler operating parameters.

Keywords： fiber grating technology; water-cooled wall; boiler combustion; temperature monitoring; period identification

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.024

0 引 言

煤電行業作為重要的能源供應部門，正面臨著由傳統基礎負荷電源向更靈活的調節型電源轉型的挑戰。此轉型的成功實施，關鍵在于保障煤粉的穩定點火和燃燒，從而確保電力供應的穩定性和效率。在此過程中，鍋爐的溫度控制尤為重要，尤其是水冷壁的溫度監測，它是保證鍋爐安全運行和有效調節的基石[1]。然而，當前超臨界機組常面臨由于燃煤質量波動、機組頻繁調峰及超臨界汽水特性復雜性引起的水冷壁橫向裂紋、高溫腐蝕和超溫爆管等問題。這些問題不僅威脅著機組的安全運行，也影響著經濟效益。現有的水冷壁溫度測量方法，如傳統的單點接觸式熱電偶，由于其測量點有限，無法提供全面的水冷壁溫度信息，更不能滿足動態連續測量的需求。因此，開發一種能夠全面、連續監測水冷壁溫度的技術，對于提升鍋爐的安全性和經濟性至關重要[2-3]。

1 光纖光柵的基本原理和類型

光纖光柵（Fiber Bragg Grating， FBG）傳感器技術是一種基于光波在光纖介質中的傳播特性來進行精確測量的方法。其核心機制依賴于光纖內部的周期性折射率變化，該變化通過紫外線（UV）照射等手段在光纖芯中產生[4]。當入射光波長與光柵的布拉格波長相匹配時，滿足布拉格反射條件，特定波長的光將被反射，而其他波長的光則無阻礙地通過。FBG的這一波長選擇性反射特性使其能夠作為一個高精度的傳感器，尤其是對于應變和溫度的變化異常敏感，因為這些物理量的變化會導致光柵參數，包括周期和折射率，發生微小變動，從而引起反射波長的移動[5]。

存在多種FBG類型以適應不同的應用需求，其中，均勻光纖光柵提供單一波長的精確反射；啁啾光纖光柵允許一個范圍的波長被反射；相位位移光纖光柵通過引入相位跳變，實現復雜的反射波形設計；傾斜光纖光柵擴展了傳感功能到光纖的包層；而長周期光纖光柵（LPG）則專用于芯模與包層模的耦合；多波長光纖光柵在單一光纖中實現多點或多參數測量[6]。FBG技術以其高靈敏度、免疫電磁干擾、微小尺寸及遠程測量能力，在諸如結構健康監測、航空航天、生物醫學以及能源等領域得到了廣泛應用，是現代傳感技術領域的一個重要分支。

2 工作原理和關鍵組件

鍋爐水冷壁系統，作為熱能轉換的關鍵組件，在運行過程中，給水通過下降管道被送入這些水冷壁管中，在高溫燃燒產物的作用下，水吸收熱量轉化為飽和蒸汽。此轉換過程不僅涉及能量的吸收，也涉及熱力學中相變的基本原理，即在恒壓條件下水在吸熱過程中發生沸騰并轉變為蒸汽的現象。水冷壁管的設計與布置是確保熱交換效率和熱負荷分布均勻性的關鍵因素，對鍋爐的整體熱效率和運行安全性具有直接影響。通過精確的溫度和壓力控制，水冷壁系統能夠穩定鍋爐內部的熱環境，確保能量以最高效率轉換，同時防止結構材料超溫損壞，維持鍋爐的長期安全運行[7-8]。

鍋爐水冷壁系統的核心構成包括一系列密集排布的水冷壁管道，通常由耐高溫材料制成，這些管道在燃燒室內形成一個閉合的循環水路。系統中的關鍵組件還包括供水管道、分配器、集合器及循環泵。供水管道負責將水源輸送到分配器，后者將水均勻分配到各個水冷壁管道。在高溫氣流的作用下，水吸熱并沿管道向上流動，熱量轉換過程中的蒸汽與水的混合物通過集合器收集，并最終匯入蒸汽鼓中。循環泵則確保水流在水冷壁系統中持續流動，支持連續的熱量吸收與傳遞。

3 FBG技術在水冷壁溫度檢測中的優勢

光纖光柵技術在水冷壁溫度檢測方面具有顯著的優勢。其高溫度敏感度和精確測量能力，確保了對水冷壁溫度變化的準確監測，支持鍋爐燃燒過程的控制和調節。抗電磁干擾性和遠程監測能力提高了監測系統的可靠性和靈活性。多點測量和低維護需求降低了系統的復雜性和成本，并確保了長期穩定性和運行安全性[9]。

3.1 高溫度敏感度與精確測量

光纖光柵傳感器以其高分辨率和極高的溫度敏感度而著稱，能夠提供極為精確的溫度測量。利用光纖光柵傳感器中的光纖布拉格光柵（FBG）技術，通過對光波長細微變化的監測，可以準確反映水冷壁表面的溫度差異。這種高精度的溫度測量對于實現鍋爐效率的最優化以及預防由過熱引起的設備損害具有關鍵意義。因此，光纖光柵技術可以確保能量的有效利用，并幫助維護鍋爐的結構完整性。

3.2 抗電磁干擾性與遠程監測能力

光纖光柵技術具有出色的抗電磁干擾（EMI）能力，不受周圍工業環境中電磁噪聲的影響，尤其在電磁干擾較大的工業環境中具有重要價值。光纖光柵傳感器的穩定性保證了在各種復雜環境下數據的可靠性。此外，由于光纖光柵傳感器可以實現數千米之外的遠程數據讀取，因此可以在中央控制室內實時監測鍋爐的狀態。這一特性提高了監測系統的靈活性和操作安全性[10]。

3.3 多點測量與低維護需求

光纖光柵傳感器能夠通過單一光纖實現多點溫度測量，從而實現對整個水冷壁系統的全面溫度監控，無須使用多個獨立的傳感器。這種集成性降低了系統的復雜性和相關成本。此外，光纖本身具有抗化學腐蝕性和耐高溫特性，使得光纖光柵傳感器具有長期穩定性，減少了維護成本和維護工作頻率。這一特性尤其適用于連續生產的工業環境，確保了持續的生產效率和安全性。

4 水冷壁溫度變化周期識別與預測方法

4.1 案例介紹

天津國能津能濱海熱電有限公司位于天津市濱海新區，建設有2臺350 MW發電機組，總裝機700 MW。鍋爐為北京巴威鍋爐廠生產的型號為B&WB-1136/25.4-M超臨界鍋爐。項目針對#2鍋爐水冷壁光柵光纖多點溫度傳感監測系統的供貨、安裝、調試，驗收、評價、研究創新等服務，并基于對機組一定時間段具有代表性連續運行及測量數據的分析，對鍋爐正常運行時水冷壁溫度變化進行研究，結合運行的各種指標參數，了解鍋爐在不同運行條件下水冷壁壁溫分布及熱負荷分布規律，最終達到對水冷壁內汽水狀態進行分析，為鍋爐運行的安全經濟性提供技術支持。

4.2 溫度信號提取

4.2.1 信號點位分布

如圖1所示，詳細標出240個測點在水冷壁上的分布，并標注出標高和間隔信息。

4.2.2 點位安裝

在實施鍋爐水冷壁上的點位安裝與調試過程中，需遵循一系列嚴謹的步驟，以確保系統的準確性和可靠性。首先，進行詳細的工程規劃和點位設計，這涉及根據鍋爐的運行特性和熱負荷分布，精確地選擇傳感器的安裝位置。其次，是對所需設備和材料的準備，包括傳感器、光纖、安裝工具，以及安全設備。安裝過程中，特別注意將傳感器固定在預定位置，同時謹慎地進行光纖的布線，避免因過度彎曲或拉伸造成損害[11]。

安裝后，需要對系統進行細致的連接和配置工作，包括將光纖與數據采集設備連接，并對系統參數進行適當設置。接下來是關鍵的系統測試階段，包括對傳感器功能的測試和系統校準，以確保數據的準確性和傳感器的響應靈敏度。試運行環節對于評估系統在實際工作條件下的表現至關重要，這一階段可能需要對系統性能進行微調，以達到最優工作狀態。

完成試運行和調整后，對操作人員進行專業培訓，確保他們能夠熟練操作系統并進行日常維護。最后，將系統正式投入使用，并實施定期的系統監控和維護程序，以保證其長期穩定運行。此整體過程要求高度的技術專業性和細致的工作態度，是確保鍋爐水冷壁溫度監測系統高效、準確運行的基礎。

4.3 數據收集與分析

4.3.1 現場數據收集

收集溫度數據，包括每個測點在不同時間的溫度讀數，如圖2所示。

4.3.2 數據對比

光纖測溫技術基于光學原理，采用光纖傳感器能夠實時采集和傳輸光信號，在溫度變化發生時可以迅速反應并提供準確的測量結果。與聲波測溫相比，光纖測溫具有更高的時間分辨率和測量精度。通過在光纖上引入光柵或其他散射結構，可以實現對光纖長度范圍內多個位置的溫度測量。同時，利用光纖測溫技術對環境干擾和電磁干擾較好的抗擾性，提供較為穩定和準確的測量結果。

對比華光天銳的SRA-D分布式光纖傳感測溫器和傳統的BWY-803A（TH）是傳統溫感器，結果如表1所示。

通過對比聲波測溫結果與光纖測溫結果，分析數據間的一致性和差異性，發現，傳統傳感器響應時間明顯滯后光纖傳感測溫器，光纖測溫敏感度高；高溫測溫時溫度測量的準確度和穩定性更好。

將收集到的數據使用信號處理算法對數據進行濾波、降噪和平滑處理，以消除干擾和噪聲。然后，從處理后的數據中提取出溫度變化的特征，如振幅、頻率、波形等。利用統計學方法確定溫度變化的周期性，對提取到的特征參數進行模式識別和建模，使用監督學習算法來訓練模型，從而預測溫度變化的周期。最后，根據已經識別出的溫度周期，通過歷史數據進行趨勢和周期性的擬合進行溫度周期的預測。

因多點鍋爐溫度監測系統實時監測數據，文章無法全部展示，僅提供如圖3所示的6月3日下午2—5點所有測點溫度隨時間波動情況，可見右下角波動明顯，左下角曲線比較亂，后墻相對平穩，和聲波測溫圖像基本一致。

4.4 實驗數據分析

采集真實工況下的水冷壁溫度數據，并將數據應用于所提出的方法中進行識別與預測。可以實時檢測水冷壁管壁的溫度升降溫度變化和對金屬管壁損傷情況。并結合電廠溫度數據及運行數據進行數據分析預測從而指導運行調整，通過溫度數據的進一步研究和二次開發參與機組協調控制從而實現水冷壁健康狀態監測。

5 結 論

綜上所述，本研究通過在鍋爐水冷壁布置數百個溫度測點，構建了一個全面的多點測溫系統，以直觀反映水冷壁內部的工質變化。通過獲取燃燒的大數據，為水冷壁的健康狀態監測提供了有效的數據支持。水冷壁光柵光纖多點溫度傳感技術通過布置光柵光纖傳感器、采集數據、處理數據、識別周期和預測溫度變化，實現了對高溫環境下溫度變化周期的監測與預測，為工業生產過程提供了重要的溫度監測手段。這一技術的應用不僅提高了鍋爐的運行安全性，還為未來電站鍋爐的高效運行提供了重要的技術支撐。未來可以進一步優化算法和傳感器布置方式，提高溫度變化周期的預測精度，并在實際工業設備中應用。

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作者簡介：王穎（1980.11—），女，漢族，天津人，高級工程師，本科，研究方向：電廠金屬材料失效分析與壽命評估。

收稿日期：2023-12-08