炉膛出口烟气测温装置的分析与比较

宋秋艳

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

炉膛出口烟气测温装置的分析与比较

宋秋艳

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

本文就炉膛出口烟温测量装置为立足点，结合近年来测温装置的使用情况及其发展趋势，分析了现有传统的测温装置存在的优势和弊端，新兴的红外和声波测温的原理及其各自的特点，提出了解决锅炉能够在全负荷范围内长期连续测量炉膛出口烟温装置困难问题的方案。

炉膛烟温；全负荷连续测量；烟温探针；红外测温系统；声波测温系统。

1 炉膛烟气测温的重要性

火电厂锅炉燃烧调整对锅炉安全、经济运行十分关键，而燃烧调整试验时需要监测一系列参数，但其中一个非常关键的直接反应燃烧火焰的参数就是炉膛烟气温度，特别是炉膛出口烟气温度。半个世纪以来，炉膛烟气在线测温技术久攻不克，成为工程设计和技术标准中的空白，以下是工程实际出现的问题：

(1) 炉膛出口烟温高(>DT-50℃)导致严重结焦、掉渣事故。

(2) 火焰偏斜导致水冷壁一侧磨损、结焦，以及过热蒸汽左右偏差大、管壁超温事故。

(3) 启动时炉膛出口烟温升高太快，干烧再热器，造成高温蠕变，潜伏着爆管隐患。

(4) 启动和低负荷时，风煤配合不佳，燃烧不稳，炉膛上部爆燃，烟温快速升高导致汽温失控，被迫打闸停机。

(5) 由于长期没有反映燃烧的关键参数炉膛烟温，使优化燃烧失去直接监控和判别依据。

基于以上问题中吸取的教训，炉膛烟气测温是实现火电厂安全运行的重要手段之一，必须采用准确、实时的测量方式。

2 几种测量方法的比较分析

2.1 传统测量方法

众所周知，传统的火电厂设计方法中，随锅炉指定配供烟温探针(左右各一套)作为测量炉膛出口烟温的手段。烟温探针是一种将热电偶送入炉膛或烟道，监测烟气温度的机电设备。热电偶固定在探针的头部。在烟气中作伸缩运动，可实现就地、远程自动操作。主要用于锅炉启动期间监测炉膛出口处的烟气温度，防止再热器管子烧坏。也可以作为辅助控制工具测量锅炉低负荷运行时的烟气温度。工作时由气动或电动推进器推动探针前进。装在探针内的热电偶被送进炉膛，热电偶将测得的温度显示在集控室的仪表盘上，位置转换系统同时将热电偶进入炉膛的距离显示在集控室相应的仪表上。在运行过程中也可以在任意位置手动控制探针的进、退、停。当测得炉温达到设定值时，发出报警并退回探针。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，所以测量精度较高。但是，温度探针只能在启动投粉初期1小时内、烟温<539℃情况下工作，且8m～9m长的烟温探针进出高温炉膛极易损坏(大部分锅炉的烟温探针均已损坏)，所以不能满足锅炉运行全过程监测的需要，不利于锅炉燃烧优化。特别是当前，各个发电集团的电厂由于煤种多变纷纷在开展煤种适应性试验研究和运行监控管理的情况下，能在全负荷范围内炉膛出口烟温测量尤为重要了。

2.2 红外在线测温

红外在线测温是基于远红外探测器的原理。当煤炭、天然气或重油在锅炉中燃烧之后，都会产生CO2气体。CO2在高温之下会产生红外线辐射。红外眼具有红外线滤波器，只允许CO2所产生的红外线通过。红外眼的薄膜电热元件对于CO2产生的红外线光谱产生感应，从而测量出C02的气体温度。 烟温检测器可安装于燃烧器上方、大屏底部、炉膛出口烟窗以及尾部烟道入口。相对于传统烟温探针的方法，红外在线测温有以下优点：

(1) 红外眼是静止设备，减少了运动机械故障的可能性。如果沿炉膛宽度方向安装两台的话，则还可以测定和监视炉膛两侧的烟气温度偏差。

(2) 传统探针方法只能在通过检测尾部烟道入口处的烟气温度来间接推断火焰中心是否偏斜，现在可以直接由安装在燃烧器上方的沿炉膛宽度方向的两台红外眼来测量和监视。 对于四角切圆燃烧(如ABB-CE的设计)来说，这就是监视火球中心的位置。对于对冲燃烧(如B&W和Foster Wheeler的设计)来说，是为了保持分割墙两边炉膛中烟气温度的平衡。

(3) 可以监视最高烟气温度，一是避免发生结渣，二是防止水冷壁过热爆管。

(4) 在锅炉的启动阶段，使用红外眼检测炉膛的烟气温度，将其记录下来，与过热器出口的蒸汽温度的记录曲线进行比较。在图1中可以发现，蒸汽温度曲线有个转折点A，过了A点之后，过热器出口蒸汽温度开始下降。此时就应该投入吹灰器。与A点所相应的烟气温度曲线上的是B点。下次锅炉启动时就根据烟气温度的测量来确定何时开始投入吹灰器。当不用这个办法时，运行人员是发现汽温降低时多投燃料以升高汽温。此时将会造成过热器受热面积灰过多，烟气温度升高，导致结渣的倾向。

图1 过热器出口蒸汽温度趋势图

但红外在线测温也存在其局限性，由于炉膛烟气是气态发光，温度分布不均匀，成分不固定，再加上飞灰颗粒辐射的存在，因此，组成的光谱波长和穿透力等不确定，从而导致被测区域不确定，测量误差比较大。

2.3 声波在线测温

声波测量温度是近年来发展起来的较为先进的一种炉膛测温方式，它既具备红外测温的上述各种优点，又避免了红外测温测量误差大的缺点，所以受到各方面的广泛关注。炉膛声波在线测温是基于测量声波发射和接收间的时间差，在知道两点距离的情况下，确定声音速度，从而按公式(1)计算出温度。

式中：T为绝对温度；R为气体常数；r为定压定容下比热之比；C为声速。

声波测温的系统原理见图2，声波测温的系统组成见图3。

图2 声波测温系统原理图

图3 声波测温系统组成示意图

声波发生器发出的声波要有足够强度(＞170dB)，防止传播过程中衰减而漏听，造成测量错误。对于300MW及以上容量锅炉，声波发生器的工作气源压力必须大于25bar。

声波测温可根据需要选择相应的配置方案，现在可以应用的主要有炉膛单层、炉膛双层两种方案。

这两种方案中，锅炉启动时，声波测温均可取代炉膛出口烟温探针，还可省去大面积钢平台，也可以在全负荷范围内，监控炉膛出口烟温及其左右偏差。 但方案一投资较少，而方案二可以了解较多信息，更全面的监控炉膛出口烟温，以利于进一步燃烧优化 。

3 结论

因为传统的温度探针在烟温达到539℃时必须马上退出，只能在锅炉启动时监视炉膛升温使用，已不能满足现今火电厂锅炉燃烧优化的需要。为了锅炉的安全和经济运行，全负荷范围内的炉膛烟温监控势在必行。本文推荐声波测温方式，在测量精度方面相对红外测温装置优势比较明显。但声波测温装置价格较高，也一定程度上影响了它的普遍应用。值得一提的是，声波测温装置在安装时特别需要注意接收器的位置，最好在设计联络会上与锅炉厂及吹灰器厂家协调，避免与吹灰器得距离太近，而导致耳机震动膜被高温灰粒损坏，从而影响测量效果。

[1]谭小平．锅炉炉膛出口烟温对锅炉性能的影响[J].锅炉制造，2005，(02).

[2]李刚．炉膛声波测温系统在宁海电厂1000MW 超超临界锅炉上应用[J]．自动化博览，2011，(02).

[3]曾祥玉，陈保东，南卓．炉膛出口烟温与锅炉成本[J]．节能技术，2007，(05).

Analysis and Comparisons of Furnace Outlet Flue Gas Temperature Measuring Device

SONG Qiu-yan
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China)

This paper using furnace outlet fl ue gas temperature measuring device as foothold, combined with the use of temperature measuring device and its development trend, analyzes the existing traditional temperature measurement device existing advantages and disadvantages, the principle and characteristics of new infrared and acoustic temperature measurement, and puts forward some solutions to the dif fi cult problems for the powerplant that boiler outlet fl ue gas temperature can be measured in full load range and in long-term continuous scope.

furnace temperature; whole load measurement; infrared pyrometer; acoustic pyrometer.

TM621

B

1671-9913(2013)02-0051-03

2013-01-10

宋秋艳(1980- )，女，山东济南人，工程师，仪表与控制、热控主设人。