為控制燃燒和排放提供改進(jìn)溫度測(cè)量的聲波測(cè)溫方法的近期發(fā)展

1、聲波測(cè)溫方法的近期發(fā)展George Kychakoff,Ph.D.Peter Ariessohn,Ph.D.President Senior Engineering AdvisorCombustion Specials,Inc Weyerhaeuser CompanyMaple Valley,WashingtonTacoma,WashingtonSteve DeGroot Greg HayesRegional Sales Manager Senior EngineerStock Equipment Company Western ResourcesChagrin Falls,OhioJeffe

2、ryEnergyCenters,Kansas1概述本文描述了為控制燃燒與排放提供精確可靠溫度測(cè)量的聲波測(cè)溫技術(shù)的近期發(fā)展。本文回顧了傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法，并專門討論了使用聲波測(cè)溫取得的數(shù)據(jù)對(duì)鍋爐的設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行評(píng)估的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)代電力生產(chǎn)需采用新的技術(shù)保持競(jìng)爭(zhēng)力，降低排放以適應(yīng)發(fā)電成本。電價(jià)調(diào)整和環(huán)保要求等因素的變化，這些需求推動(dòng)先進(jìn)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研發(fā)以支持電廠運(yùn)營(yíng)的進(jìn)步。這些先進(jìn)控制方法需要獲得各種工況下鍋爐內(nèi)部的詳細(xì)信息以使這些先進(jìn)控制方法產(chǎn)生最佳效果。爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)的分布是控制爐內(nèi)物理和化學(xué)過程的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。聲波測(cè)溫技術(shù)的進(jìn)步為大型高噪聲的鍋爐提供了可靠的爐膛煙氣溫度測(cè)量，產(chǎn)生用于實(shí)

3、時(shí)運(yùn)行控制的即時(shí)溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，減少事故停機(jī)，并避免產(chǎn)生過量。這些數(shù)據(jù)可支持鍋爐調(diào)整和燃燒器優(yōu)化程序以改善電廠運(yùn)行。這種方法也可以作為很好的獲取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的工具為優(yōu)化設(shè)計(jì)以及使用不同煤種的鍋爐的特性提供指導(dǎo)。2引言美國(guó)超過半數(shù)的大型鍋爐為適應(yīng)排放要求采用了燃燒改造技術(shù)。例如低氮燃燒器，過燃空氣噴射器，煙氣再燃系統(tǒng)。鍋爐調(diào)整和燃燒優(yōu)化程序等以減少的生成。但所有這些采用不同方式以減少排放的技術(shù)都要依賴對(duì)爐膛煙氣溫度的測(cè)量。3溫度測(cè)量的重要性溫度是描述熱力過程的重要基本參數(shù)之一，也是涉及電廠安全、控制和效率的重要考察因素。溫度不僅只是燃燒過程的產(chǎn)物，也是過程效率的指標(biāo)，并直接影響爐內(nèi)的多個(gè)物理和化學(xué)過

4、程。對(duì)于電廠鍋爐，爐膛內(nèi)和其后部的溫度測(cè)量都很重要。對(duì)整個(gè)爐膛煙氣溫度的控制可對(duì)減少排放，控制灰特性，改善整體效率，防止受熱面損傷等多方面產(chǎn)生效益。尾部煙道的溫度測(cè)量可用于控制積灰，保持清潔。也可以給燃燒過程優(yōu)化系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)使后燃燒系統(tǒng)發(fā)揮作用以減少和的生成。當(dāng)前絕大多數(shù)的優(yōu)化程序使用計(jì)算機(jī)模型集成了近似計(jì)算生成溫度：但不幸的是，這些估算是基于理論關(guān)系并沒經(jīng)過實(shí)測(cè)值檢驗(yàn)因而可導(dǎo)致上百度的偏差。盡管溫度測(cè)量是很容易理解的科學(xué)知識(shí)，爐膛燃燒區(qū)域的高溫和惡劣環(huán)境阻礙了可靠的連續(xù)在線溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。過去，使用傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)爐膛和燃燒區(qū)域進(jìn)行溫度測(cè)量存在可靠性和準(zhǔn)確性的問題，妨礙了系統(tǒng)對(duì)熱傳遞與燃燒

5、效率的精確控制。電站鍋爐爐膛傳統(tǒng)的溫度測(cè)量技術(shù)不外乎兩類：物理接觸式如抽吸溫度表，非接觸式如光譜法與聲波法。4接觸式溫度測(cè)量如果需要測(cè)量爐膛內(nèi)動(dòng)態(tài)煙氣的溫度，最實(shí)用的方式是通過陶瓷輻射擋板抽取一些煙氣使之流入抽吸式溫度表中的熱電偶接點(diǎn)（也叫快速熱電偶或HVT探頭）。理論上這種方法應(yīng)該提供可靠和精確的溫度測(cè)量。但實(shí)際上，此儀表的響應(yīng)很慢，同時(shí)燃煤鍋爐爐膛中灰分的阻隔和熱沖擊對(duì)隔離裝置的損傷造成了嚴(yán)重的問題。由于隔離裝置需定期更換，這意味著僅將此種探頭做為連續(xù)監(jiān)視和趨勢(shì)分析是不可行的。爐膛溫度分布不均并隨時(shí)間改變，這會(huì)導(dǎo)致所測(cè)溫度數(shù)據(jù)的不確定性，因?yàn)闇y(cè)量是分隔的。使用這種方式測(cè)量爐膛某一整層平面的

6、溫度需要數(shù)小時(shí)，這期間爐膛運(yùn)行狀況的改變會(huì)導(dǎo)致溫度大幅變化。對(duì)于現(xiàn)代大型燃煤蒸汽鍋爐，HVT探頭的實(shí)際長(zhǎng)度限度約為30英尺（九米）。即使這樣，探頭很笨重，一般需要兩個(gè)人才能移動(dòng)，需要較大的開口和無障礙物的伸縮空間。為解決此問題很多電廠需使用自動(dòng)伸縮設(shè)備，但不管是手動(dòng)還是自動(dòng)，其可用度有限并且相對(duì)昂貴。有些電廠，爐膛溫度采用爐膛對(duì)流區(qū)的熱電偶讀數(shù)，經(jīng)熱傳遞分析得到的。這種非直接測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn)是它采用分析假定方式推導(dǎo)出的溫度值。另外，這種方式不可能得出爐膛二維平面溫度分布信息。這種方法還需在對(duì)流屏區(qū)域安裝多個(gè)使用壽命相對(duì)較短的熱電偶。并且傳熱分析需要精確確定每個(gè)單一回路的蒸汽流量與溫度。5非接觸方

7、式接觸式測(cè)量的局限性和困難促進(jìn)了各種非接觸法實(shí)時(shí)測(cè)量爐膛煙氣溫度方法的開發(fā)與應(yīng)用。這種方法多數(shù)基于對(duì)爐膛煙氣及飛灰的熱輻射的測(cè)量。6輻射式溫度計(jì)輻射式溫度計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用了多年，它測(cè)量目標(biāo)的亮度（光學(xué)式）或部分電磁輻射波段（輻射式）。光學(xué)高溫計(jì)對(duì)準(zhǔn)熱表面，得到目標(biāo)亮度，將它與儀器中的校正源亮度比較而測(cè)定溫度，當(dāng)進(jìn)行精確校正的話，光學(xué)高溫計(jì)可以在1500以上非常好的測(cè)量。然而，由于干凈煙氣的輻射不在可見光范圍內(nèi)，因而限制它應(yīng)用于煙氣的溫度測(cè)量。大家熟知的輻射式溫度計(jì)是紅外溫度計(jì)，它測(cè)量某個(gè)表面或區(qū)域散發(fā)的紅外線強(qiáng)度。如果被測(cè)目標(biāo)是均勻的黑體（全吸收）表面，那么根據(jù)布朗克黑體輻射定律，在給定

8、波長(zhǎng)條件下，輻射強(qiáng)度隨表面溫度而變化，因此，測(cè)量輻射強(qiáng)度就可以確定其溫度。如果吸收率（等于輻射率）低于統(tǒng)一體，那么其表面輻射強(qiáng)度將低于黑體，此時(shí)，如果知道輻射率，我們?nèi)钥梢跃_的推斷出溫度，由于現(xiàn)場(chǎng)具體條件是不同的，因此，大多數(shù)輻射高溫計(jì)上均配置輻射率調(diào)整裝置，用戶可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。當(dāng)遇到非不透明物體時(shí)，例如爐膛煙氣，紅外高溫計(jì)測(cè)溫就變得非常復(fù)雜了。在這種情況下，輻射率不僅取決去被測(cè)輻射物體的特性，還取決于輻射高溫計(jì)視線距離。結(jié)果是，紅外檢測(cè)儀檢測(cè)到的輻射量取決于三維輻射空間，從而限制其在爐膛環(huán)境下的溫度測(cè)量。電磁輻射的吸收和輻射決定了高溫計(jì)內(nèi)的輻射強(qiáng)度，它遵循下列公式：-溫度和波長(zhǎng)的布朗克

9、函數(shù)-吸收系數(shù)-距離這是一個(gè)非線性關(guān)系，爐膛內(nèi)離表計(jì)近的區(qū)域的輻射對(duì)高溫計(jì)測(cè)溫影響更大。在一個(gè)均勻加熱的爐內(nèi)這不是一個(gè)問題，然而在燃煤爐膛內(nèi)任何情況溫度分布都是不均勻的。例如，爐膛爐墻周邊溫度要比中心區(qū)域溫度低幾百度（Khalil，1976）。此外，熱煙氣的輻射特性也與熱固體是不同的，它不輻射連續(xù)的輻射光譜，而是根據(jù)它的分子成分和濃度輻射的光譜是離散的。這些輻射光發(fā)生特定的吸收/輻射波段內(nèi)，它的輻射吸收強(qiáng)度取決于壓力和溫度，這些因素導(dǎo)致不同的輻射率和不同的穿透深度（Klausen,1996）。例如，在燃煤鍋爐中，主要的煙氣成分是三個(gè)波段，它們的穿透距離不同，從幾英寸到超出100英尺。然而紅外輻

10、射高溫計(jì)無法提供濾波器使其僅僅測(cè)量其中一個(gè)波段，而波段的選擇決定了穿透深度和測(cè)量有效性。此外，無論是輻射率和穿透深度將因爐膛溫度和濃度改變而改變，這種不確定性和限制條件阻礙了紅外高溫計(jì)在大型公用事業(yè)鍋爐的爐膛煙氣測(cè)溫上的廣泛應(yīng)用。7飛灰顆粒輻射光譜測(cè)量有一類通過爐膛煙氣中懸浮飛灰顆粒發(fā)射的可見光來測(cè)量溫度的輻射式溫度表。通過選用合適的波段，這種儀表可避免傳統(tǒng)類型輻射式測(cè)量的誤差和不確定性。但它需要飛灰顆粒與燃?xì)夥植季鶆蚣斑_(dá)到可測(cè)量的一定的濃度。這種表有一個(gè)采光管收集飛灰顆粒發(fā)出的輻射并將其傳導(dǎo)至光導(dǎo)纖維上，之后轉(zhuǎn)發(fā)到有過濾波段裝置的圖像探測(cè)區(qū)上。圖像探測(cè)器生成與采集到的輻射成比例的信號(hào)，經(jīng)放大

11、和數(shù)字的處理后提供給微處理器。微處理器采用合適的計(jì)算程序得出該處飛灰的溫度。由于煙氣中飛灰濃度及其輻射微弱的因素導(dǎo)致這種測(cè)量的平均時(shí)間至少為60秒鐘，且在1800ºF（982）以上溫度時(shí)不能使用（在溫度范圍的下面區(qū)域內(nèi)還可能增加紅外波段的輻射，這同樣會(huì)產(chǎn)生上面敘述過的紅外高溫計(jì)的那些限制）。儀表的視角不可以被焦或積灰和爐內(nèi)其他障礙物所阻擋。飛灰光譜溫度表是精密光學(xué)儀器，其前端鏡頭需保護(hù)并盡力維護(hù)保養(yǎng)。8聲波溫度表眾所周知聲音的傳播速度直接隨介質(zhì)溫度而變化，聲速的變化可反應(yīng)出介質(zhì)溫度的變化。此關(guān)系基于通用氣體定律：這里：是壓力，是密度，是特定通用氣體常數(shù)，是溫度，另外聲速與壓力和密度的

12、關(guān)系為：此處：是聲速，是定壓定容狀態(tài)下的比熱。結(jié)合這兩個(gè)關(guān)系式可導(dǎo)出：這就是聲速和溫度之間的基本關(guān)系。理論上，所需要的是在某一時(shí)刻由發(fā)送器發(fā)出聲波，并由接收器在已知的距離上測(cè)量聲速并計(jì)算溫度。這種方法相比傳統(tǒng)的接觸式和輻射式溫度計(jì)有以下重要優(yōu)點(diǎn)：（）這是一種可提供實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的非接觸方法；（）它提供了整個(gè)聲波傳播路線上的綜合溫度信息；（）它可達(dá)到很好的精度和準(zhǔn)確性；（）它的精確度不受輻射等不確定因素影響。從應(yīng)用角度講，其過程和原理更具挑戰(zhàn)性，特別是在測(cè)量大型電站鍋爐的爐膛煙氣溫度方面。例如，一個(gè)可控的高強(qiáng)度聲源來克服爐膛環(huán)境噪音的影響。還有，必須使用可靠的信號(hào)探測(cè)技術(shù)以獲得精細(xì)準(zhǔn)確的時(shí)間路徑測(cè)

13、量。另外，必須考慮熱梯度、煙氣成分變化對(duì)聲波常數(shù)rR的影響，和鍋爐膨脹造成的路徑長(zhǎng)度的變化等因素（Kleppe,1989）。聲波測(cè)溫開創(chuàng)性的起始發(fā)展是由上世紀(jì)80年代初期英國(guó)中央電力局（Green,1983）及1988年在美國(guó)進(jìn)行的EPRI/CEGB初期聯(lián)合試驗(yàn)開始的。之后開始出現(xiàn)許多應(yīng)用實(shí)例，測(cè)量誤差的研究和通過工藝改進(jìn)來提高精度（Muzio，1989）。例如，微處理器的應(yīng)用大大提高了計(jì)時(shí)測(cè)量精度，進(jìn)一步研究開始進(jìn)入各種化石燃料聲學(xué)常數(shù)的定量（Young,1998）?，F(xiàn)代聲波高溫計(jì)測(cè)溫范圍可達(dá)到03500（181926），精確度優(yōu)于±2%（Elliot, 1991）。上世紀(jì)九十年代

14、中期，由于微處理器的應(yīng)用，交互式關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展以及熱成像方法的應(yīng)用，聲波高溫計(jì)已經(jīng)得到重大發(fā)展。雖然這些改進(jìn)展示了聲波高溫計(jì)潛在的應(yīng)用前景，但是，在大型公用事業(yè)鍋爐中推向市場(chǎng)的聲波高溫計(jì)均遭到了背景噪聲的干擾問題，它限制了測(cè)量通道的長(zhǎng)度，以及在檢測(cè)信號(hào)時(shí)需要與吹灰器操作相協(xié)調(diào)。9聲波溫度測(cè)量的近期進(jìn)展阻礙聲波溫度測(cè)量方法在大型電站鍋爐上廣泛商業(yè)化使用的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是如何可靠地產(chǎn)生了強(qiáng)大的能不受嚴(yán)重的爐內(nèi)背景噪聲干擾的可探測(cè)聲波信號(hào)。最近，高強(qiáng)度前沿剛勁的氣動(dòng)聲波發(fā)生器和先進(jìn)的信號(hào)探測(cè)算法的研制成功極大地解決了這個(gè)問題。這種具有專利技術(shù)的聲波發(fā)生器（Combustion Specialists,

15、Inc開發(fā)）已應(yīng)用于AccuTEMP聲波高溫計(jì)（Stock Equipment Company,2000）,它可產(chǎn)生高能聲波（170dB），產(chǎn)生的聲波有剛勁的前沿，由發(fā)生器向四周發(fā)射。即使在相對(duì)大的噪聲下，仍可以在03500ºF（-181926）范圍內(nèi)達(dá)到±1%測(cè)量精度。新的聲源可在100英尺（30米）寬的爐膛內(nèi)和吹灰器范圍內(nèi)測(cè)量爐膛煙氣溫度，這在以前是不可能的。它也可以使用長(zhǎng)距離管道40英尺（12米）把聲波傳導(dǎo)到希望測(cè)量的地點(diǎn)，比如鍋爐鼻部，這樣可以通過風(fēng)箱或繞過障礙物實(shí)施測(cè)溫而不影響測(cè)量結(jié)果。高能聲波也允許使用更小更精密的接收器，可以方便地在鍋爐水冷壁管鰭片上開一個(gè)1/

16、2英寸（）尺寸的槽內(nèi)穿過爐壁安裝，這就大大節(jié)約了安裝成本。10爐膛檢測(cè)與過程控制聲波溫度計(jì)可以連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)視爐膛溫度空間的瞬時(shí)變化。它們可以用來在鍋爐啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行監(jiān)視防止超溫導(dǎo)致的爐膛對(duì)流區(qū)域管壁的變形和損壞。最近在中西部燃用PRB煤的一座鍋爐上安裝了聲波溫度計(jì)測(cè)量爐膛出口溫度以反映機(jī)組負(fù)荷。運(yùn)行人員注意到在起動(dòng)期間指示出超溫狀況而溫度探針HVT卻沒有反應(yīng)。對(duì)過熱器的檢查發(fā)現(xiàn)它在啟動(dòng)期間遭到了大規(guī)模損傷。如果將聲波溫度計(jì)納入啟動(dòng)程序就會(huì)避免維修損傷的費(fèi)用。在很多應(yīng)用項(xiàng)目中采用一個(gè)聲波發(fā)生器和三個(gè)接收器的配置方案，這已能提供足夠的信息確保在起動(dòng)和正常運(yùn)行期間監(jiān)視爐膛出口溫度。根據(jù)具體需求，其他的系

17、統(tǒng)配置很容易達(dá)到以實(shí)現(xiàn)眾多的控制方案。例如，切圓燃燒分割爐膛可以采用同樣的控制方案簡(jiǎn)單地在需要地方布置發(fā)生器和接收器。一個(gè)控制平臺(tái)可采用多達(dá)16個(gè)發(fā)生器和接收器使此系統(tǒng)不僅能監(jiān)視爐膛出口溫度而且可監(jiān)視火球的集中度。該系統(tǒng)的靈敏度也足夠以測(cè)量由于燃燒器改變傾角導(dǎo)致的爐膛出口溫度的變化，也可用于檢測(cè)水冷壁泄漏，并發(fā)生報(bào)警。由于爐膛出口煙氣溫度是表現(xiàn)爐膛內(nèi)部熱傳遞質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，所以它是鍋爐控制系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)。每個(gè)鍋爐都設(shè)計(jì)成在某一具體溫度下可達(dá)到最優(yōu)化的熱傳遞分布。但是由于煤質(zhì)、鍋爐負(fù)荷、積灰和其他過程參數(shù)的變化使鍋爐的燃燒特性在運(yùn)行過程中連續(xù)變化，對(duì)爐膛出口煙氣溫度的連續(xù)在線測(cè)量使得運(yùn)行

18、人員可監(jiān)視爐膛的變化趨勢(shì)并采取措施防止不該發(fā)生的狀況產(chǎn)生。例如，水冷壁下部的積灰僅在需要時(shí)才有必要開啟吹掃設(shè)備清除。這可以防止由于過度使用吹掃設(shè)備對(duì)管壁造成的磨蝕。通過在相應(yīng)的生熱區(qū)域設(shè)置接收器，聲波溫度計(jì)可以監(jiān)視并警報(bào)由于過高的火焰溫度導(dǎo)致過量的生成。在溫度高于2700（1482）時(shí)的生成以指數(shù)級(jí)增加，控制爐膛溫度低于放熱設(shè)計(jì)限值對(duì)于減少排放至關(guān)重要。將爐膛溫度和生成限制在期望的限值內(nèi)也對(duì)燃后的排放控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。例如，反應(yīng)劑的用量是與爐膛內(nèi)的生成量直接相關(guān)的。另外，燃后排污技術(shù)的效率和效果也取決于維持運(yùn)行溫度在一定的范圍內(nèi)。如果用于原始設(shè)計(jì)評(píng)估，聲波溫度計(jì)可用來確定最佳的反應(yīng)劑噴射點(diǎn)以確保這些排污控制系統(tǒng)的最佳效率（Power,1989;Gaikwad,1997）。在線爐膛出口溫度測(cè)量使得燃燒和清掃控制系統(tǒng)可以采用先進(jìn)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和智能吹灰系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有能力根據(jù)爐膛狀況采取動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以減少排放并改善電廠性能。當(dāng)使用類似PRB的劣質(zhì)煤時(shí)，監(jiān)視爐膛出口煙氣