爐膛溫度測(cè)量技術(shù)的重大突破

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1、 鍋爐爐膛溫度測(cè)量技術(shù)的重大突破 侯子良 (過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)中心 北京 100011) [摘要] 本文闡述了鍋爐爐膛溫度(場(chǎng))測(cè)量的重要性,分析了傳統(tǒng)爐膛溫度測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn),以及由此導(dǎo)致目前爐膛溫度測(cè)量基本上還處于空白的現(xiàn)狀。作者與有關(guān)專家一起,經(jīng)過(guò)一年多的調(diào)查研究,包括實(shí)地考察,在文中向讀者詳細(xì)介紹了國(guó)際上最新推向市場(chǎng)的先進(jìn)爐膛聲波測(cè)溫系統(tǒng),作者認(rèn)為,這是火電廠極其重要而有難度很大的一種熱工測(cè)量技術(shù)的重大突破,它的推廣應(yīng)用必將對(duì)我國(guó)電站鍋爐安全、節(jié)能和減排產(chǎn)生重大影響。 [關(guān)鍵詞] 爐膛 聲波測(cè)溫系統(tǒng) 高強(qiáng)度聲波發(fā)生器 多接收器技術(shù) 爐管泄漏檢測(cè) 1、鍋爐爐

2、膛溫度(場(chǎng))測(cè)量的重要性 火電廠鍋爐燃燒優(yōu)化是火電廠安全、節(jié)能和減排的關(guān)鍵所在。長(zhǎng)期來(lái)沒(méi)有一種可靠和準(zhǔn)確的測(cè)量爐膛溫度(場(chǎng))的手段,使優(yōu)化燃燒失去直接監(jiān)控和判別的依據(jù)。爐膛溫度(場(chǎng))測(cè)量的重要性表現(xiàn)為: 1)監(jiān)控爐膛出口溫度 ◇防止出口溫度過(guò)高導(dǎo)致過(guò)熱器結(jié)焦和管壁超溫 ◇防止啟動(dòng)時(shí)出口溫度升高太快和燒壞處于無(wú)蒸汽流過(guò)的再熱器管(干燒) ◇監(jiān)控出口溫度判別水冷壁吸熱情況優(yōu)化吹灰控制 ◇控制不同負(fù)荷下的合理爐膛出口溫度,合理分配輻射熱和對(duì)流熱的比例,減少過(guò)熱器和再熱器的噴水量,提高回?zé)嵝剩ɡ纾簩?duì)于300MW機(jī)組,再熱器噴水每減少10t/h,煤耗降低約

3、1.91g/kwh)。 2)矯正燃燒不均衡 ◇及時(shí)發(fā)現(xiàn)和矯正兩側(cè)煙溫、汽溫的偏差 ◇防止煙氣偏向一側(cè)導(dǎo)致該側(cè)水冷壁磨損、結(jié)焦 ◇防止燃燒偏斜導(dǎo)致汽包水位兩側(cè)嚴(yán)重偏差,發(fā)生重大事故(據(jù)調(diào)查,燃燒偏斜有時(shí)可導(dǎo)致汽包水位左右側(cè)實(shí)際偏差達(dá)100-200mm) ◇防止局部過(guò)熱而流渣 3)提高燃燒效率 ◇優(yōu)化風(fēng)煤比,將過(guò)量空氣系數(shù)降低至合理范圍內(nèi) 推薦精選 ◇均衡各側(cè)(角)燃燒器的風(fēng)量分配 ◇控制火焰中心高度,使煤粉在爐膛內(nèi)充分燃盡,又確保合理的熱量分配 ◇為優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)提供更直接判據(jù),使優(yōu)化系統(tǒng)更具可操作性

4、4)降低污染物排放 ◇防止出現(xiàn)局部火焰過(guò)熱,降低NOX生成(當(dāng)局部火焰溫度達(dá)到1482℃時(shí),NOX生成將成指數(shù)級(jí)增加) ◇對(duì)于配置有脫硝裝置的鍋爐,由于煙氣中NOX含量降低,可大大降低脫硝裝置運(yùn)行費(fèi)用 2、傳統(tǒng)爐膛溫度測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀和缺點(diǎn) 正因?yàn)闋t膛溫度測(cè)量如此重要,長(zhǎng)期來(lái)人們進(jìn)行了大量研究,開(kāi)發(fā)出了各種不同原理的測(cè)量裝置,但由于其固有的缺點(diǎn),應(yīng)用情況一直不佳,甚至大部分鍋爐上至今仍是一個(gè)空白,使鍋爐燃燒監(jiān)控失去了一個(gè)重要依據(jù)。 傳統(tǒng)爐膛溫度測(cè)量裝置主要有接觸式(伸縮式溫度計(jì))和非接觸式兩類,而非接觸式常見(jiàn)有輻射式溫度計(jì)和光譜圖象檢測(cè)系統(tǒng),這些技術(shù)存在的缺點(diǎn)是

5、: 1)接觸式(伸縮式溫度計(jì)) 目前300MW及以上機(jī)組的鍋爐均配供有價(jià)格昂貴的測(cè)量爐膛出口煙氣溫度的伸縮式溫度計(jì),但由于探針深入爐膛很長(zhǎng),笨重、易變形卡澀,故障率高,因此,許多電廠實(shí)際上已停用。此外,探針受耐溫限制,一般僅在鍋爐啟動(dòng)時(shí)伸入爐膛測(cè)量出口煙氣溫度,當(dāng)煙溫達(dá)到一定值時(shí),必須馬上退出爐膛,因此,其允許使用溫度范圍和作用也有限。 2)輻射式溫度計(jì) 眾所周知爐膛煙氣輻射大多不在可見(jiàn)光范圍內(nèi),因此,目前常見(jiàn)的輻射式溫度計(jì)主要是紅外式溫度計(jì),它測(cè)量表面或區(qū)域的紅外光強(qiáng)度。由于爐膛煙氣是氣態(tài)發(fā)光,溫度分布不均勻,成分不固定,再加上飛灰顆粒輻射的存在,因此,組成的光譜波

6、長(zhǎng)和穿透力等不確定,從而導(dǎo)致被測(cè)區(qū)域不確定,測(cè)量誤差大。由于上述缺點(diǎn)影響了輻射式溫度計(jì)在鍋爐爐膛煙氣溫度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。 3)飛灰顆粒輻射光譜測(cè)量 這類溫度測(cè)量系統(tǒng)是利用圖像檢測(cè)爐膛煙氣中主要是飛灰顆粒輻射的可見(jiàn)光(包栝一定波長(zhǎng)紅外光,以提高溫度測(cè)量上限),經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行極其復(fù)雜的圖象處理,從而得到爐膛內(nèi)煙氣的溫度分布。由于受飛灰顆粒成分濃度和分布的影響,鏡頭污染以及復(fù)雜圖象處理算法等影響,測(cè)量誤差大 推薦精選 ;被測(cè)量區(qū)域也存在很大的不確定性。加上采光系統(tǒng)復(fù)雜,結(jié)焦或積灰使鏡頭保養(yǎng)困難,可靠性差,價(jià)格昂貴。從而使這類系統(tǒng)在爐膛煙溫測(cè)量的工程實(shí)際應(yīng)用中受到限制。 3、當(dāng)代

7、最新?tīng)t膛測(cè)溫技術(shù)----聲波測(cè)溫系統(tǒng) 1)聲波測(cè)溫技術(shù)的基本原理 早在上世紀(jì)八十年代末,美國(guó)和日本專家就聲波測(cè)量爐膛煙氣溫度進(jìn)行了研究。聲波測(cè)量的原理是基于聲音的傳播速度直接隨介質(zhì)溫度而變化。 根據(jù)通用氣體方程有下列關(guān)系式: p=ρRT------------------------------(1) p---壓力 ρ---密度 R---通用氣體常數(shù) T---絕對(duì)溫度 而聲速與壓力、密度和定壓定容下的比熱有下列關(guān)系式: C2=rp/ρ------------------------------(2) C---

8、聲速 r----定壓定容狀態(tài)下的比熱 從以上兩個(gè)關(guān)系式可以導(dǎo)出聲波測(cè)溫系統(tǒng)的下列基本關(guān)系式: T=()C2----------------------------(3) T=()()2------------------------(4) 式中: △t---聲波傳播時(shí)間 △l ---聲波傳播距離 推薦精選 圖1為聲波測(cè)溫系統(tǒng)的原理圖 1266℃

9、 圖1 為聲波測(cè)溫系統(tǒng)的原理圖 從(4)式可知,聲波測(cè)溫系統(tǒng)的誤差主要來(lái)自三個(gè)方面: a)聲波測(cè)溫系數(shù)()的影響 眾所周知,煙氣成份、含塵量以及流速均對(duì)測(cè)溫系數(shù)有影響。對(duì)于石化系統(tǒng)的焦化加熱爐,由于該系數(shù)變化而導(dǎo)致測(cè)溫誤差有時(shí)可超過(guò)1%。但是,對(duì)于電站鍋爐,測(cè)溫系數(shù)對(duì)測(cè)溫的相對(duì)影響不大。 b)聲波傳播距離的測(cè)量誤差 聲波從發(fā)生器到接受器間的距離,必須精確測(cè)量以防止產(chǎn)生誤差。此外,由于鍋爐熱態(tài)膨脹會(huì)改變聲波傳播距離,從而導(dǎo)致附加誤差,因此,當(dāng)差異較大時(shí)也必須進(jìn)行修正。 c)聲波

10、傳播時(shí)間的測(cè)量誤差 大型鍋爐爐膛內(nèi)聲波從發(fā)生器到接受器的傳播時(shí)間在10-30ms間,為了減少傳播時(shí)間測(cè)量誤差必須要求發(fā)生器發(fā)出的聲波前沿陡峭,在50us以內(nèi),并且計(jì)算機(jī)應(yīng)能快速采集到。 2)聲波測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 聲波測(cè)溫技術(shù)與傳統(tǒng)爐膛測(cè)溫技術(shù)相比有下列明顯優(yōu)點(diǎn): ◇精確度高,不受輻射等不確定因素的影響,其精確度可以達(dá)到±1%。 ◇測(cè)量溫度范圍廣,在鍋爐全負(fù)荷范圍內(nèi)均可使用 ◇測(cè)量空間不受限,不僅可以測(cè)量平均溫度,還可以確定爐膛溫度場(chǎng)分布 推薦精選 ◇測(cè)量靈敏度高,實(shí)時(shí)性好 ◇可維護(hù)性好 3)聲波測(cè)溫技術(shù)工程應(yīng)用的重大突破 聲波測(cè)

11、溫技術(shù)進(jìn)入鍋爐上成功應(yīng)用需要克服一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn),這大約經(jīng)歷了二十多年的努力。目前,美國(guó)Enertechnix公司開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)成功解決了工程應(yīng)用方面的一系列難點(diǎn),推出的PyroMetrix聲波測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在美國(guó)、印度和韓國(guó)等國(guó)家的電廠。 圖2為PyroMetrix聲波測(cè)溫系統(tǒng)框圖 圖2 PyroMetrix聲波測(cè)溫系統(tǒng)框圖 PyroMetrix聲波測(cè)溫系統(tǒng)主要有下列核心技術(shù): a)高強(qiáng)度、前沿剛勁的聲波發(fā)生器(ASG) Enertechnix公司開(kāi)發(fā)的氣動(dòng)聲波發(fā)生器能發(fā)出高強(qiáng)度 (>17

12、0dB)的聲波,測(cè)量距離達(dá)30米,聲波前沿剛勁陡峭(<50us), 溫度測(cè)量范圍廣(-18~1926℃),測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到±1%。 b)精密小型接收器(ASR) 接收器只需在水冷壁管間的鰭片上開(kāi)¢12.7mm小孔就可以監(jiān)聽(tīng)發(fā)生器發(fā)來(lái)的聲波,安裝方便。 推薦精選 c)多接收器處理技術(shù) 一個(gè)聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波可以有多個(gè)接收器同時(shí)監(jiān)聽(tīng),一個(gè)控制平臺(tái)可采用多達(dá)16個(gè)發(fā)生器和接受器,比起一個(gè)發(fā)生器對(duì)一個(gè)接受器的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng),更重要的是大大減少了鍋爐上安裝發(fā)生器必須在水冷壁彎管開(kāi)孔帶來(lái)的麻煩。 d)通過(guò)特殊算法計(jì)算爐膛溫度場(chǎng) 圖3為典型的2個(gè)ASG,6個(gè)ASR,鍋爐爐膛溫度測(cè)

13、量系統(tǒng)配置圖。 圖3 典型的爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)配置圖(2xASG,6xASR) 通過(guò)測(cè)量得到8個(gè)通道上煙氣的平均溫度,再經(jīng)計(jì)算機(jī)特殊算法處理得到爐膛溫度場(chǎng)分布(圖4),并在DCS顯示器上呈現(xiàn)出來(lái),指導(dǎo)運(yùn)行人員操作。 圖4 爐膛溫度場(chǎng)分布圖 推薦精選 必要時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)三維空間的溫度場(chǎng)測(cè)量和顯示(圖5) 圖5 爐膛溫度場(chǎng)三維空間

14、分布圖 e)高靈敏度檢測(cè)泄漏 接收器接收爐膛內(nèi)部各種聲波(圖6),通過(guò)聲波強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間的對(duì)比篩選,可以方便地將爐管泄漏聲音和別的噪音(例如吹灰)區(qū)別出來(lái),及時(shí)發(fā)出爐管泄漏報(bào)警,使該系統(tǒng)同時(shí)還具有檢測(cè)爐管泄漏的功能。 聲 波強(qiáng)度 吹 灰 檢測(cè)到泄漏 時(shí)間 間隔 聲波強(qiáng)度門(mén)檻 時(shí)間 圖6 泄漏檢測(cè) 推薦精選 4、結(jié)束語(yǔ) 繼鍋爐汽包水位測(cè)量技術(shù)在我國(guó)取得重大突破,并成功應(yīng)用于我國(guó)上百臺(tái)鍋爐上后,鍋爐爐膛聲波測(cè)溫技術(shù)在國(guó)際上成功應(yīng)用是當(dāng)前國(guó)際上火電廠極其重要而有難度很大的熱工測(cè)量技術(shù)的又一個(gè)重大突破。作者相信聲波測(cè)溫系統(tǒng)在我國(guó)火電廠的成功應(yīng)用必將對(duì)火電廠安全、節(jié)能和減排產(chǎn)生重大影響。 作者簡(jiǎn)介:侯子良(1935-),男,上海人,長(zhǎng)期從事火電廠熱工自動(dòng)化行業(yè)管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)、咨詢及網(wǎng)站等工作。Email:zlhou@, Tel:010-51197023 (注:可編輯下載,若有不當(dāng)之處,請(qǐng)指正,謝謝!) 推薦精選

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