声学测温系统在200 MW电站锅炉中的应用研究

安连锁, 李庚生, 沈国清, 张世平, 冯 强, 王 然

(华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206)

电站锅炉的燃烧状态对锅炉的安全运行、优化燃烧以及节能降耗等具有重要意义.但由于炉膛内的湍流、高温、腐蚀等复杂恶劣工况,目前尚未有很好的方法能够测量并准确地给出炉膛高温区域的温度场信息[1].现场常用的火焰电视可以直接观察喷嘴的着火情况,但仅提供了定性的火焰有/无和一定的火色信息,没有定量的温度信息.而炉膛烟温探针仅在启动过程中监视炉膛出口烟温,防止过热器干烧,超过一定温度后自动退出,不能进行全负荷工况监视,且易于损坏.

基于声波的温度测量技术具有非接触、对测量对象无干扰等优点,能够实现锅炉燃烧的实时在线监测[2].国内外学者针对该项技术进行了大量的理论和试验研究,取得了很大进展,其中包括时间延迟估计、重建算法研究等[3-8].笔者在杨祥良等[9]的单路径声学高温计试验成功的基础上,研发出多路径声学测温系统,并首次在国内某200 MW机组的锅炉上进行安装和调试,获得了大量宝贵的数据,为传统的高温测量领域提供了新技术.

1 声学测温原理

理论上讲,声学测温所需的装置就是一个安装在炉墙一侧的声波发射器和安装在另一侧的接收器,见图1.发射器发出一个声波脉冲,被接收器检测到,由于两者之间的距离是已知并且是固定的,可以很方便地计算出声波脉冲传播路径上的平均温度.声波在烟气里的传播速度取决于烟气的温度,它们的关系如下:

式中:v是声音在介质中的传播速度;R是气体常数;γ是气体的绝热指数;M是气体摩尔质量;T是气体温度.

图1 单路径声学测温原理示意图Fig.1 Principle drawing of one-path acoustic pyrometer

2 系统介绍

在国内某200 MW机组大修的时段,在其锅炉上进行了多路径声学测温系统的安装和调试.该机组锅炉是由北京巴威公司生产的超高压、一次中间再热单炉膛自然循环锅炉,型号为B&W-670/13.7-M.该锅炉采用前后墙对冲燃烧方式,配置了24只标准的双调风 EL-DRB型旋流燃烧器,分4层布置.此次试验安装本着利用左墙和右墙上原有的观火孔或短吹孔,不在水冷壁上打眼的原则.根据锅炉布置总图,结合现场考察,确定测点的安装高度为折焰角下方29.8 m平台处.利用预留的短式吹灰器孔,左墙2个、右墙 2个、前墙1、后墙 1个,一共布置6个测点,13条测温路径.图2为声学测温系统安装示意图.6个就地测点直接敷设电缆到主控室电子间的控制柜.

图2 声学测温系统安装示意图Fig.2 Installation diag ram of acoustic pyrometer system

声学测温系统的就地测点主要由声波发生器、声波接收传感器、声波导管和定期吹扫装置等部分组成,就地测点实物图见图3.

图3 就地测点实物图Fig.3 Photo of an acoustic pyrometer installed on site

系统软件分为参数设置模块、数据采集模块、声波飞渡时间(Time of Flight,TOF)计算模块、重建算法模块、温度场显示模块和数据保存模块等.所有功能都在后台自动完成,运行时只需直接观看炉膛温度场显示画面即可.图4为软件模块示意图.

图4 软件模块示意图Fig.4 Schematic diag ram of the software module

3 基于相位变换加权互相关算法的冷态调试

首先在冷态条件下,测量13条声学路径上的声波飞渡时间,对13条声学路径的长度进行了标定.由于锅炉炉膛是一个封闭的空间声场,具有强混响,基于普通互相关的时延算法无法得出满意的结果.经过大量试验,基于相位变换加权的互相关算法可以有效消除混响影响,准确得出声波飞渡时间.

发射端和接收端两通道的信号模型为:

式中:s(n)为信号;n1(n)和n2(n)为噪声信号;D为两通道间的时间延迟;A为衰减系数.

基于相位变换加权的互相关函数为:

式中:τ为两信号之间的时间延迟;ψ12为频域处理的加权函数,为傅里叶变换;F-1为傅里叶逆变换.

加权后的互相关函数为:

式中:Gx1x2(f)为信号1和信号2互功率谱.

设定好声源的发生信号、音量、采样率及傅里叶分析点数等参数,在炉膛里测得当地声速v=350 m/s,炉膛冷态温度T=296 K,测得的声波飞渡时间见表1,为热态调试做好准备.

表1 冷态下13条路径上TOF值Tab.1 Time of flight through 13 paths at cold state

4 热态调试和运行

锅炉点火后,声学测温系统运行良好.13条测温路径均能正确显示温度数据,并能够实时重建二维温度场,为运行人员及时了解炉膛的燃烧情况提供了有效工具.图5为该机组带180 MW负荷时,第6测温路径某时段测得的数据图.由于设定每1 min为1个测量周期,4 h里共测得240个温度数据.温度值基本在1 000～1 100℃之间,平均温度为1 055℃.

图5 第6测温路径测得的240个温度数据图Fig.5 Historic temperature data for the 6th path measured in a four-hour period

为了重建二维温度场,将欲重建的二维截面区域离散化[10],把整个重建区域划分为N=4×3=12个非重叠的像素区域.图6为该炉膛的截面布置图.

图6 炉膛截面布置图Fig.6 A rrangement of measurement points on the cross section of furnace

式中:wij在数值上等于第i条射线经过第j个像素的长度.

这样,经过一个周期的声波收发测量过程,便得到一个线性方程组

式中:n为重建区域划分的像素总数;m为穿过条射线温度场截面的声波测量路径总数;wij为权因子,它的大小反映了第j个像素对第i条测量路径的贡献;每个方程右端的τi成为第i号测量路径上的声波飞渡时间;左端的和式称为伪射线和,将方程组用矩阵表示为

然后利用Tikhonov正则化方法对该连续算子方程的逆问题求解.重建后的温度场及锅炉截面的燃烧强度图见图7,图8为温度场三维显示图.

图7 锅炉截面的燃烧强度图Fig.7 Two dimensional display of temperature field

由图7可以看出,该炉膛截面的前后墙温度偏高,中心温度偏低,这和该锅炉前后墙对冲布置的燃烧方式相吻合.可见声学测温系统可以准确判断该截面上的火焰中心位置,证明了温度场实时监测的准确性,有助于运行人员实时调整燃烧,防止火焰中心偏移,确保锅炉的安全经济运行.

由于测点个数的限制,6个测点仅仅能形成13条测量路径.如果增加测点,例如典型的8个测点布置(前后左右墙各布置2个测点)就可以形成24条测量路径,将会进一步增大温度场的分辨率.

图8 温度场三维显示图Fig.8 T hree dimensional display of temperature field

5 结 论

(1)国内自主研发的声学测温系统首次在国内某200 MW机组锅炉上安装和调试并取得成功,获得了大量宝贵数据,为今后在大型机组锅炉上的投运积累了经验.

(2)基于相位变换加权的互相关算法可以有效去除冷态条件下炉膛的强混响影响,准确得出声波飞渡时延估计值.

(3)6个测点形成的13条测温路径均能正确显示温度数据.通过级数展开法结合 Tikhonov正则化方法重建得到该炉膛截面的二维温度场,前后墙温度偏高,中心温度偏低,和该锅炉的前后墙对冲的燃烧方式相吻合,可以准确判断该截面上的火焰中心位置.

(4)声学测温系统为传统的高温测量领域提供了新技术,将电站锅炉的燃烧情况可视化,对锅炉的安全运行、优化燃烧、节能降耗等具有重要意义.

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