电站锅炉炉膛温度测量技术发展

王东风,刘 千

（华北电力大学自动化系，河北 保定 071003）

电站锅炉炉膛温度测量技术发展

王东风,刘 千

（华北电力大学自动化系，河北 保定 071003）

该文介绍热电偶测温、CO2红外光谱测温、光纤测温、辐射能测温、声波测温等温度测量方法的原理及其所存在的问题，分析一种基于激光吸收光谱的炉膛测温技术及其系统构成。在某电厂的应用表明，基于激光吸收光谱的测温系统能够对炉膛温度场进行比较精确的测量。测量结果可指导操作人员通过调节相应的二次风门开度等手段来调整锅炉燃烧，使煤粉在炉膛内燃烧均匀，温度场居中分布，从而有效地提高锅炉燃烧效率。

炉膛温度；温度场重建；测量方法

0 引 言

温度信号的测量和校准，在诸多行业中具有重要的地位和作用，一直是备受相关科技工作者关注的领域[1-5]。

炉膛温度场测量是电站锅炉燃烧中的一个极其重要的问题，它是炉膛燃烧状态稳定与否最直接的反映。通过对它的精确测量，可以实现对锅炉燃烧状态的判断、预测和诊断，控制燃料在炉膛内部合理、充分地燃烧，确保温度场在炉膛内部均匀分布。对炉膛温度场测量方法的研究一直是锅炉燃烧领域的热点问题，学者们基于物理和化学性质与温度的关系，发展了多种形式的测量技术，从热电偶测温法、红外光谱测温法、光纤测温法，到基于数字图像处理技术的光学辐射法、基于声学理论的炉膛测温技术等，都取得了一定的成果，但同时也具有一定的局限性。

通过监测炉膛燃烧器区域附近烟气温度，能够有助于识别和消除由于燃烧器故障导致的燃烧异常现象。通过监测炉内烟气温度和火焰分布，可以调整一、二次风的大小和燃烧器摆角，优化风煤比，使煤粉处于经济燃烧状态。根据对燃烧器区域温度的测量，可以调整燃烧器的平衡角度，控制整个炉膛火焰中心位置，防止火焰直接冲刷水冷壁，减少水冷壁的

应力磨损，改善水循环。可以调节燃尽风来控制炉内煤粉燃烧，控制炉膛主燃烧区域的温度，减少热力型NOx生成。

本文综述了几类温度测量方法的原理及其所存在的问题和不足，分析了一种基于激光吸收光谱的炉膛测温技术、系统构成以及初步应用。

1 锅炉炉膛温度测量方法的发展现状

基于物体的某些物理化学性质（几何尺寸、热电性、电阻率、荧光性和光谱特性等）与温度间的关系，形成了众多的温度测量方法。它们在实际应用中都取得了一定的成果，有效地监测了锅炉燃烧时的炉膛温度，为控制锅炉稳定燃烧、提高锅炉燃烧效率、提供保障起到了一定的作用[4]。

1.1 热电偶测温

热电偶是基于塞贝克效应原理进行工作的。在测量炉膛温度时把测量端伸入到炉膛中，当测量端与烟气处于热平衡状态时，测量端的温度就是被测点的温度。热电偶结构简单，测温范围大，互换性好。但是由于受到感温元件耐温性能的限制，只能做短时间的测量。由于热电偶的探针是通过开孔伸入炉膛，比较笨重，易变形卡涩，故障率高且就地操作费时费力。目前，热电偶主要是在锅炉进行热态特性试验时或者处于初始燃烧状态时，指导锅炉送粉与送风，当锅炉正常稳定运行时，一般只选择锅炉个别关键部位进行检测。

1.2 红外光谱测温

利用红外光谱测温法测量炉膛温度，实际上就是测量炉膛中一定波长范围内某一气体的辐射能量，然后根据公式求出烟气的温度，得到炉膛温度场。由于在锅炉燃烧过程中会产生很多气体，成分十分复杂且存在着大气干扰和吸收，为了准确测量烟气的温度，选择窄带红外光谱成为必然。CO2是化石燃料燃烧后的共有产物，并且其红外光谱波长范围比较窄，因此红外光谱测温仪大都是采用带有特殊设计的红外滤色镜的薄膜热电堆，滤除其他波长的红外能量，通过接收高温CO2气体的红外光谱辐射能进行分析[6]，以得到烟气温度。此类产品是基于高温CO2气体的光谱分析，因此对所测环境的CO2浓度有一定要求，浓度过低之处测量误差较大，加之多个测温探头之间数据不能联合处理，目前该类产品一般仅用于替代炉膛烟温探针进行炉膛出口烟气温度的测量。

1.3 光纤测温

光纤测温法是以光纤作为传递温度信息的载体，是随着光纤技术发展起来的一种测温方法。它是通过选择耐温可达2000 K的蓝宝石单晶光纤作为基体，在其端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体腔，将其伸入高温火焰中，黑体腔会和火焰达成局部热平衡，且通过光纤将辐射能量传送给光电检测系统，利用双色测温方法或者单波长测温法进而可以测量出被测火焰温度[7]。光纤温度计具有测温上限高、精度高、动态响应快等优势。

1.4 辐射测温

电站锅炉炉膛中发生的燃烧过程伴随着强烈的辐射能传递过程,温度测量一般基于普朗克辐射定律。在一个典型的彩色CCD摄像头测温系统中，火焰的图像通过摄像头摄取并且经过像素处理后，以数字的形式存储在计算机内，根据比色法测温原理[8]，就可以进行炉膛中单点的温度计算。

随着计算机技术的进步，基于数字图像处理的测温技术得到了迅速发展。如英国格林尼治大学的阎勇教授与中科院工程热物理所合作，采用CCD摄像头基于双色法火焰监测系统能够实时定量测量火焰温度场分布[9]。葡萄牙的Correia等将火焰辐射的吸收度考虑到传统的CT算法中，提高了测量的准确性[10]。清华大学吴占松教授，建立了火焰亮度和火焰温度之间的关系[11]，提出了一种适应非对称火焰三维温度分布测量的重构算法[12]。上海交通大学的徐伟勇教授将图像处理技术和光纤传像技术应用于锅炉火焰检测当中，试制了国内第一台智能型锅炉燃烧器火焰检测装置[13]。东南大学的王式民教授提出了“全炉膛灭火”加“全炉膛火焰图像证实”的共同判别来确认炉内熄火[14]，提出了用于重建火焰三维温度场的光学分层成像的理论方法。华中科技大学的周怀春教授等提出了基于图像处理及辐射传热逆问题求解的二维炉膛温度场重建方法[15]，对“W”型火焰锅炉炉膛温度场的可视化进行了实验研究[16]，模拟研究了温度场重建方法，并开展了利用正则化方法，采用迭代的手段完成炉膛中二维温度场与辐射参数的同时重建、三维温度场在线检测与分析的实验研究[17]。浙江大学岑可法院士领导的课题组，提出了采用双色法从彩色火焰图像中计算火焰温度图像的方法，其后采用基于区域重建的方法，利用CCD摄像头进行了火焰三维温度场和浓度场的同时重建研究[18]，探讨了温度场和浓度场对火焰辐射图像的影响，研究了火焰辐射吸收系数与粒子浓度的关系，给出了温度场和浓度场同时重建的控制方程[19]，完成了在不稳定火焰中排烟温度与体积分布的同时估计[20]。

基于数字图像处理的测温技术基本上都是在实验室条件下进行设计和验证的，在不考虑误差的理

想情况下可以相当精确地重建出温度场。从目前对炉膛火焰图像处理的研究来看，火焰图像处理技术具有广阔的发展前景，但是在温度场三维重建以及温度场在线测量等方面此技术还有许多需要改进和完善的地方。

1.5 声波测温

随着新型检测技术的发展，声学测温法在近些年得到了很大的发展，利用烟气的物理特性记录可测温度，不受辐射的影响，而且测量是瞬时的，没有温度漂移。基于声波在气体介质中的传播速度是该气体介质绝对温度的单值函数。当煤粉在锅炉炉膛中稳定燃烧时，气体的组分和他们相对量是已知的而且在很小范围内变化，因此通过测出声波在介质中的飞行时间，声波发射端和接收端之间的距离，就可以算出声波在介质中的传播速度，进而可以得出气体介质的温度。

在同一时刻，通过声波发射端和接收端进行测量得到不同路径上的数据，经过相应算法处理便可以重建出炉膛在声波路径二维平面上的温度场。国内外对声学测温法在锅炉炉膛燃烧中的应用进行了广泛的研究。国外的学者研究较早[21]，开发了基于该原理的多款测温产品，具有代表性的有美国Enertechnix公司开发的PyroMetrix声波测温系统和美国SEI公司开发的BoilerWatch声波测温系统。对于声学测温来讲，声波飞渡时间的精确测量和炉膛截面温度场的重建是最为关键的技术。国内的研究主要集中在高校等科研机构[22-24]，华北电力大学的安连锁教授[25]通过基于信号互相关分析和基于代数重建的算法有效地解决了声波飞渡时间的测量和炉膛温度场重建的问题。沈阳航空工业学院的田丰等[26]做了优化温度场重建算法的研究工作，并且在燃煤锅炉炉膛现场进行了许多详尽而丰富的相关冷态实验，取得了不错的效果。

但是锅炉炉膛温度场声学测量是一个跨学科的研究项目，需要复杂和细致的研究分析，尽管取得了一定的成果，但是还存在不少问题。典型的问题比如：由于计算的时候都是将声波在炉膛中传播路径按照直线进行处理，而实际上由于炉内烟气温度梯度的存在以及烟气的流动，声波在炉内并不是严格按照直线的方向传播，因此必须考虑声波在温度场传播中由于折射导致的弯曲效应问题，找到减小甚至消除折射带来误差的方法。

2 基于激光光谱的炉膛温度测量

基于激光光谱的测温技术是一种较新的温度测量技术，具有测量准确、反应速度快、非接触的特点。激光光谱测温技术其核心是可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS），对于非均匀分布的流场，通过设计多光路测量系统，将TDLAS与图像重建技术相结合来得到被测区域的内部信息，即确切的空间分布情况，可以实现温度二维分布测量[27-28]。基于激光光谱的炉膛参数检测技术只需要待测气体的一条特征谱线[29]，在谱线的选择方面要尽量避免其他气体谱线的干扰。

国内外学者对利用TDLAS技术实现气体温度测量做了大量的研究工作，Beer等人介绍了TDLAS技术测量的原理[30]，提出了Beer-Lambert原理。Gouldin等人利用反演算法改善了测量区域边界处浓度分布不均的场重建问题[31]。李宁等人在进行气体浓度温度二维分布重建研究时，采用时分复用技术[32]来减少投影光路布置数量，增加气体吸收测量信息，并且结合遗传算法和模拟退火算法，建立了燃烧环境下H2O浓度温度二维分布模型[33]。鲍伟义等人针对气体检测时谐波谱线发送畸变的问题，提出了在波长调制过程中采用同步平抑幅度调制的方法来消除谱线畸变。刘文清等人对激光直接吸收光谱中的吸光度和吸光度积分反演算法进行了研究，运用了分段多项式基线拟合方法来消除激光器光强波动的影响，再利用非线性拟合算法进行线形拟合来获取积分吸光度[34]。宋俊玲等人采用时分复用技术，利用代数迭代算法实现了燃烧温度场和浓度场的二维分布重建[35]。但是多数研究主要局限在试验研究阶段，将基于激光吸收光谱的测温技术运用于电站锅炉炉膛测温中还需要很多研究工作。

3 基于激光光谱的炉膛温度测量应用实例

美国佐炉科技公司与斯坦福大学高温气体动力学实验室联合开发的ZoloBOSS激光测量系统就是基于激光光谱测温原理而研制的。通过在美国、韩国多家电站中的应用，效果显著，能够准确而快速地测量炉膛温度场，从而有效地指导锅炉燃烧优化，提高锅炉燃烧效率。在国内的一台680MW机组燃煤锅炉上进行了激光光谱炉膛温度场测量与重建实验研究。ZoloBOSS激光测量系统由6×6的光栅组成，共有12条光路穿越燃烧区域，将炉膛内测量平面划分为若干个测量区域。

在温度场重建的试验过程中，为了更加准确直观地表征炉膛二维温度场信息，首先进行炉膛的基准试验，目的是保证准确的炉膛燃烧区域状态。在锅炉运行过程中，通过系统测量炉膛温度，采用相应的温度场重建算法得到炉膛二维截面处的温度场情况如图1所示，可以看出火焰中心位置偏向左墙。

试验人员根据摸索的控制规则调整二次风门开度，最终使得火焰中心向炉膛右墙偏移的同时稍稍向前墙移动。通过调整之后测量的温度场看出，火焰中心被调整至炉膛中部，火焰均匀地充满炉膛。调整后的温度场重建图像如图2所示。

4 结束语

一种能够准确获取炉膛温度的测量系统，对指导锅炉燃烧具有重要意义。随着对复杂热力系统认知的加深，新型检测技术如声学测温以及激光测温的出现，将会更加准确地测量电站锅炉炉膛的温度，为实施锅炉燃烧优化技术带来机遇，在保护环境的同时，切实提高火力发电企业的经济效益。

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Development of measuring technique for furnace temperature in power plant boilers

WANG Dong-feng，LIU Qian
（Department of Automation，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

Several commonly-used temperature measuring methods（including thermocouple，CO2infrared spectrum measurement，optical fiber thermometric system，infrared radiation temperature measurement，and acoustic temperature measurement）and their advantages and disadvantages were summarized.A kind of boiler furnace temperature measuring technology based on laser absorption spectroscopy was introduced.The measuring structure of the system was presented.The application shows that the temperature field in a boiler furnace can be precisely measured by the temperature measurement system，which can guide the operation engineer to regulate secondary air to achieve equilibrium combustion.As a result，boiler combustion efficiency will be increased.

furnace temperature；temperature field reconstruction；measurement method

TK323；TK22；TH811；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)03-0008-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.003

2013-10-14；

：2013-12-16

中央高校基本科研业务费专项（11MG49）

王东风（1971-），男，教授，博士，主要从事热工测量与热工控制研究。