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鍋爐爐膛溫度場測量技術(shù)

文檔作者：曾庭華馬斌文檔來源：廣東省電力試驗(yàn)研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月12日
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第12卷第1期
1999年2月
睦越 叫童
GUANGD0 G 恥c玎l(xiāng) C P0WER
卞 ．12No．1
Feb．1999
鍋爐爐膛溫度場測量技術(shù)
叢 卜I
(e-東省電 究 ■ 510 南) ／
摘要介紹了當(dāng)前世界上最先進(jìn)的兩種鍋爐爐膛溫度場的測量方法，即聲學(xué)高溫剝量法和基于
圖像處理的溫度場測量法，并進(jìn)行了分析和討論。
關(guān)鍵詞鍋爐溫度測量
鍋爐燃燒的基本要求在于建立和保持穩(wěn)定的燃
燒火焰，在典型的四角切圓燃燒鍋爐中，燃燒工況
組織不合理造成的四角燃燒不均勻、火焰中心偏
斜、火焰刷墻等是導(dǎo)致爐膛結(jié)焦、爐管爆破、爐膛
滅火、爐膛爆炸等運(yùn)行事故的重要原因。因此，電
站燃煤鍋爐燃燒診斷具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。但由
于我國電站燃煤煤質(zhì)和煤種經(jīng)常變動(dòng)，參數(shù)整定困
難，另外，工業(yè)燃燒過程自身具有瞬態(tài)變化、隨機(jī)
湍流、設(shè)備尺寸龐大、環(huán)境惡劣等特征，給有關(guān)熱
物理量場參數(shù)的在線測量帶來了困難，難以獲得描
述實(shí)際燃燒過程的熱物理量場參數(shù)，特別是溫度分
布的測量很困難，這樣導(dǎo)致燃燒調(diào)整得不到可靠的
依據(jù)，燃燒最優(yōu)化運(yùn)行無法實(shí)現(xiàn)。目前這已成為提
高大型燃燒設(shè)備安全性和經(jīng)濟(jì)性的瓶頸。
因此，在工程應(yīng)用方面，尋找一種簡便、快捷
的方法進(jìn)行溫度場的測量顯得尤為重要。傳統(tǒng)的伸
入式測量方法，例如用熱電偶或水冷式抽氣熱電偶
來測量，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，一般它們僅限于在短時(shí)的試驗(yàn)
中應(yīng)用。近年來國內(nèi)外在高溫火焰溫度測量方面研
究較多的是激光CT技術(shù)、全息技術(shù)，但由于大型
燃燒設(shè)備中的含塵火焰大光學(xué)厚度特征，以及這類
技術(shù)所需的裝置昂貴、安裝精度高、操作困難等原
因，目前國內(nèi)外尚未見其實(shí)際用于工業(yè)性煤粉火焰
的多相流測量中。本文介紹了當(dāng)前世界上最先進(jìn)的
兩種鍋爐爐膛溫度場的測量方法，即聲學(xué)高溫測量
法和基于圖像處理的溫度場測量法，包括其原理及
應(yīng)用，并進(jìn)行了分析和討論。
1 聲學(xué)高溫測量原理’
聲波在氣體混合物內(nèi)的傳播速度是絕對(duì)溫度的
第一函數(shù)，在較小的程度上氣體組分也是其函數(shù)。
在大多數(shù)應(yīng)用條件下，氣體的組分和它們的相對(duì)含
量是已知的而且在很小范圍內(nèi)變化，因此沿聲波從
聲源到接受器的路線上的平均溫度可以先測量聲波
的“飛行時(shí)間” (即從聲源到聲接受器所需的時(shí)
間)，然后根據(jù)已知的該兩點(diǎn)之間的距離，算出煙
氣的溫度。
從爐膛一邊以壓縮空氣為動(dòng)力發(fā)出一個(gè)寬頻帶
聲學(xué)信號(hào)，該信號(hào)被位于對(duì)面的一個(gè)接收傳感器所
檢測到，從發(fā)聲到檢測經(jīng)歷的時(shí)間即聲波的“飛行
時(shí)間”，它被用來計(jì)算充滿在該兩點(diǎn)之間的煙氣平
均溫度。聲學(xué)高溫計(jì)的基本原理可用下面的公式來
表示：
W =d／t= 而
式中w—— 在某種氣體中的聲速，nl／s；
d——聲波傳播距離，m；
￡—— 聲波飛行時(shí)間，s；
r——特定氣體在定壓定容下的系數(shù)；
R— — 氣體常數(shù)，8．314 J／(tool·K)；
一絕對(duì)溫度，K：
M一氣體分子量，kg／mol。
由于聲波發(fā)射器和接收器這兩點(diǎn)之間的距離是
已知的常數(shù)，測定聲波的飛行時(shí)間就可算出沿飛行
路線的氣體平均溫度。
為算得氣體溫度，可將上述公式寫成：
見加拿大塞斯埃(csI)公司資料：BOILERWATCTq 3lAP H聲學(xué)高溫測量系統(tǒng)(技術(shù)規(guī)格及說明)。
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第1期 曾庭華等：鍋爐爐膛溫度場測量技術(shù)
T： (d／Br) ×10 —273．16
式中 一氣體溫度，℃ ；
— — 距離，In；
B—— rR／M ，聲學(xué)常數(shù)；
r 行時(shí)間，Ins。
加拿大CSI集團(tuán)公司據(jù)此原理研究開發(fā)出了名
為t30ILERWATCH的鍋爐爐膛溫度場實(shí)時(shí)監(jiān)測系
統(tǒng)，該系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成測量8條單一路線上的平均
溫度或按陣列編排的多達(dá)24條路線來測量溫度的
分布。B0ILERWATCH測得的溫度數(shù)據(jù)可以直接
輸人廠內(nèi)的分散控制系統(tǒng)(DCS)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
(DAS)或輸人計(jì)算機(jī)供數(shù)據(jù)顯示和提取 可通過
DCS來向運(yùn)行人員提供溫度一時(shí)問曲線，或在一
臺(tái)裝有CSI公司的TMs__wIN軟件的計(jì)算機(jī)屏幕
上顯示出來．也可以通過TMS～WIN軟件令計(jì)算
機(jī)畫出空間溫度分布形態(tài)或提供其它的數(shù)據(jù)顯示
2 基于圖像處理的溫度場測量原理 _『
該方法的溫度測量基于Plank輻射定律，在煤
粉燃燒火焰輻射的波長范圍400～750 rm 及溫度
范圍3 000 K以下，Plank輻射定律可由Wien輻射
定律取代：
E (T)：(C1以 )exp(一C2／&amp;amp;T)~( T)
式中，E (T)為火焰輻射能，￡( ，T)為輻射
率， 為波長，c】、c2為常數(shù)。如果在兩個(gè)波長 】
和 2下同時(shí)測量到同一點(diǎn)發(fā)出的單色輻射能E
(T)和E (T)，則根據(jù)兩者的比值即可計(jì)算出該點(diǎn)
的溫度：
(1以，一1／；4 )
一
lnE^1(T)／E (T)一1n(￡^1／￡啦)一5ln( 2／ 1)
一個(gè)典型的彩色CCD (Charge Coupled De—
vices，電荷藕合器件)攝像機(jī)測溫系統(tǒng)中．火焰的
圖像通過攝像機(jī)和圖像卡后，以數(shù)字的形式儲(chǔ)存在
計(jì)算機(jī)內(nèi)。彩色CCD的任務(wù)是把人射光分解為波
長分別為700 rllll、546．1 ILITI、435．8 rllll的紅、
綠、藍(lán)三基色，因而火焰圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)際上是
三色圖像，利用其中的兩個(gè)顏色的圖像，根據(jù)上述
比色法測溫原理，就可以進(jìn)行溫度場計(jì)算。
同其它非接觸式測溫方法一樣，該方法所測得
的溫度場是三維空問溫度在二維平面上的疊加，要
想得到爐內(nèi)真實(shí)的 維溫度場 需進(jìn)行三維溫度場
重建。方法有二：一是基于(_r (Computer To—
mography，計(jì)算機(jī)層析成像)技術(shù)，從不同方向所
攝取的多幅二維輻射圖像中識(shí)別同一截面，按火焰
輻射衰減的先驗(yàn)理論反演內(nèi)部溫度場；二是基于爐
內(nèi)輻射理論的重建，數(shù)值模擬技術(shù)可以給出爐內(nèi)燃
燒過程各個(gè)參量在爐內(nèi)三維分布的定性可靠的結(jié)
果，而爐內(nèi)輻射圖像則反映爐膛輻射能傳遞在
ccD照像機(jī)上的累積效應(yīng)，將二者結(jié)合起來，則
可從二維輻射圖像中重建出爐內(nèi)三維溫度分布。將
爐膛內(nèi)體積分成M 個(gè)微元體，壁面分成N個(gè)微元
面。假設(shè)：在微元面和微元體內(nèi)溫度均勻，輻射減
弱系數(shù)取同一值。利用能量守衡關(guān)系求出爐內(nèi)燃燒
放熱量分布．通過燃燒過程數(shù)值模擬結(jié)合爐內(nèi)火焰
圖像給出的爐內(nèi)不同位置氣體及煤粉顆粒濃度及其
燃燼度的分布，進(jìn)而確定爐內(nèi)介質(zhì)的輻射特性參數(shù)
分布，將其代人到二維輻射圖像同爐內(nèi)三維溫度分
布的關(guān)系式(光通量計(jì)算式)中，更新爐膛燃燒三
維溫度分布，循環(huán)進(jìn)行，直到收斂。這樣，壕后不
僅得到爐膛燃燒三維溫度分布，還可得到與介質(zhì)輻
射特性參數(shù)相關(guān)的熱物理量。這個(gè)結(jié)果比現(xiàn)行的數(shù)
值計(jì)算結(jié)果更可靠．因?yàn)橛?jì)算的邊界條件是輻射圖
像所含的大量反映瞬時(shí)燃燒過程的輻射信息，不同
時(shí)刻的重建結(jié)果將具有時(shí)間分辨特性，這是傳統(tǒng)的
數(shù)值模擬所不具有的。
3 應(yīng)用
溫度測量系統(tǒng)可以作為全爐膛火焰的監(jiān)測設(shè)
備，也可將其安裝于燃燒器、出口煙窗等鍋爐重要
區(qū)域作為單元監(jiān)測設(shè)備 知道了在爐內(nèi)某一平面上
的煙溫和位置的關(guān)系可以為運(yùn)行和設(shè)計(jì)人員提供一
個(gè)有用的工具來提高效率、降低排放量以及減少維
修費(fèi)用。表l列出了鍋爐爐膛溫度場的幾種常見的
應(yīng)用
4 分析與討論
聲學(xué)高溫測量系統(tǒng)直接測得的是某一條路徑上
的平均溫度，t30IU RwATCH提供這單一路線的
測量并聲稱有許多應(yīng)用和好處，但這種平均溫度不
能反映某一點(diǎn)的實(shí)際溫度水平。真正有價(jià)值的是陣
列編排多達(dá)24條路線溫度分布的測量，它可以比
較快速準(zhǔn)確地?cái)M合某一重要平面 (如燃燒器區(qū)
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50 廣東電力 第12卷
監(jiān)視有無火焰直接沖刷水猙壁管的現(xiàn)象
識(shí)別有無低溫區(qū)據(jù)以識(shí)別堵塞的或工作不
正常的燃燒器。從而改善其空氣／燃燒比蜘
監(jiān)視四角噴燃爐膛等溫線圖形以發(fā)現(xiàn)偏斜
的火球
在爐膛出口平面規(guī)定的區(qū)域進(jìn)行溫度自動(dòng)
測量，作為吸收劑控制的輸^信號(hào)
控制吹藏器的操作，爿斷畦藏器是否失散
或處于非最佳運(yùn)行方式
事故追憶
可據(jù)以調(diào)整火焰位置以避免直接沖刷水猙壁管，避免水猙壁管的損壞：改善爐水循環(huán)井
提高運(yùn)行效率。
改善噴袖或燃燒分配、混合和爐水循環(huán)，改善熱力分配和運(yùn)行教率
改變火焰控制方式以提高效率、減少水持壁管的應(yīng)力、延長使用壽命井降低熱耗：此外．
還匏幫助發(fā)現(xiàn)工作不正常的燃燒器
可以實(shí)施噴^系統(tǒng)的fl動(dòng)控翩，只在可被接受的溫度范圈內(nèi)噴射，以優(yōu)化噴射嫂果。最
大限度降低Nq／s 的排放，防止浪費(fèi)化學(xué)藥品和動(dòng)力
僅在需要時(shí)使用歡藏器．減少蒸氣或空氣蕁的消耗；經(jīng)常保持受熱面的潔凈，減步因受
熱面沾污，每 渣，蟈道阻力增加而限制出力，以及進(jìn)、引風(fēng)機(jī)教有足夠靜壓頭來克服流通
阻力
將爐內(nèi)燃燒狀況記錄下來，可作為檔案提供事敲調(diào)查使用
域)的溫度場分布(繪一溫度分布圖典型的時(shí)間為
72 s)，對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行燃燒診斷有重要實(shí)用意義。
但目前爐內(nèi)三維空間的溫度分布尚不能獲得+理論
上可行，實(shí)際上要想得到爐膛空間的溫度分布首先
得在鍋爐上下布置眾多的聲發(fā)生器和接收器，而現(xiàn)
在的聲發(fā)生器和接收器尺寸較大，需爐墻開孔也
大，這對(duì)燃燒有一定的影響；另外，爐內(nèi)燃燒復(fù)
雜，各種氣體組分相差懸殊，要精確地求解溫度場
需考慮的因素很多，這是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作+需進(jìn)
一步研究。
眾所周知，鍋爐的內(nèi)部經(jīng)常會(huì)被飛灰、煙炱或
融渣沾污，因此它們需要經(jīng)常用常知的“吹灰器”
來吹凈。吹灰器通常用蒸汽、壓縮空氣或高強(qiáng)度的
聲波來清潔受熱面，所有種類的吹灰器都會(huì)發(fā)出高
聲頻的噪聲，它會(huì)干擾聲學(xué)高溫計(jì)的工作。所以
BOIu皿wA11：H必須在吹灰器停用時(shí)使用，而且
只有在背景噪聲很低時(shí)才投人，這就限制了系統(tǒng)的
應(yīng)用。因此今后聲學(xué)高溫計(jì)應(yīng)當(dāng)致力于以下三方面
的研究：一是盡量減少發(fā)生器和接收器的尺寸，使
得它們對(duì)燃燒的影響最小；二是加強(qiáng)爐內(nèi)燃燒狀況
的研究，提高測量精度并爭取得到爐內(nèi)三維溫度場
的分布；三是增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力的研究，減低背
景噪音的影響。
采用數(shù)字化攝像裝置所測得的溫度場實(shí)質(zhì)上是
三維空問溫度在二維平而上的某種累積效應(yīng)，要想
得到爐內(nèi)真實(shí)的三維溫度場，需進(jìn)行三維溫度場重
建。研究表明，攝像鏡頭及圖像傳感器對(duì)燃燒介質(zhì)
輻射能的探測能力在10 m內(nèi)，即圖像傳感器對(duì)lO
m外的輻射已不敏感了。初步分析表明：若①爐內(nèi)
空間需要求解溫度值的點(diǎn)至少被兩個(gè)攝像機(jī)觀察
到；② 任何一個(gè)攝像機(jī)的任意一個(gè)用來建立一個(gè)方
程的像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的該爐膛空間內(nèi)成直線的三維各
點(diǎn)均滿足① 的條件，則可建立起有解的方程組，求
解溫度場的分布。這樣對(duì)大型爐膛若要重建溫度場
將增加許多困難。
在建立二維輻射圖像和三維輻射能量(溫度)
分布的數(shù)學(xué)關(guān)系式時(shí)，需考慮的因素很多，如固體
顆粒的散射對(duì)輻射能的影響，爐內(nèi)介質(zhì)衰減系數(shù)的
影響等等，但目前都將其忽略或假定是均勻的，無
疑給溫度場重建帶來較大誤差。實(shí)際上爐內(nèi)介質(zhì)的
衰減系數(shù)由于顆粒的組成、濃度分布、溫度等不相
同，導(dǎo)致輻射衰減系數(shù)相差很大，比如燃燒器區(qū)域
達(dá)到0．6m～ ，而接近爐膛出口則只有O．2mI1左
右，因此今后將加強(qiáng)這方面的研究，進(jìn)一步完善該
方法。另外系統(tǒng)硬件本身的測量誤差、鏡頭沾污等
各種因素也當(dāng)考慮。
總的看，聲學(xué)高溫測量方法已經(jīng)成熟并已有商
業(yè)化應(yīng)用(如130ILERWATCH系統(tǒng))，特別是對(duì)
二維溫度場的測量有重大實(shí)用價(jià)值。基于圖像處理
的溫度場測量方法現(xiàn)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，未有工業(yè)
應(yīng)用，但無疑具有廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)
1 周懷春，婁新生，等爐艟火焰溫度場圖像處理試驗(yàn)研究．中
國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1995，15 (5)}295~299
2 王飛，薛飛，等運(yùn)用彩色CCD測量火焰程度場的試驗(yàn)研究及
誤差分析熱盹動(dòng)力工程，1998，13 (2)：81～
(收稿日期：1998．09．03)

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