声波气体温度测量技术在600 MW燃煤锅炉上的应用

李海浩，李明，王钢锋

(华能国际电力开发公司铜川照金电厂，陕西 铜川 727100)

0 引言

华能国际电力开发公司铜川照金电厂(以下简称华能铜川电厂)Ⅰ期工程2×600 MW机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司采用美国ABB-CE燃烧工程公司引进技术设计和制造的HG-2070/17.5-YM9型锅炉，采用等离子点火启动方式，为亚临界参数、一次中间再热、控制循环、四角切向燃烧方式、单炉膛平衡通风、固态干式排渣、露天布置、全钢构架的∏形汽包炉。锅炉以最大连续负荷(B-MCR)工况为设计参数，最大连续蒸发量为2 070 t/h，过热器、再热器蒸汽出口温度为541 ℃，给水温度为283.4 ℃。

华能铜川电厂#1锅炉声波气体温度测量系统于2011年10月技术改造完成后开始投入使用，2011年11月18日，西安热工研究院有限公司对该测量系统进行了性能验收试验，得出了该系统具有较高测量精度的结论，模拟显示温度和实测结果接近，相对误差在±1.31%。

1 声波气体温度测量技术原理

声波气体温度测量系统的基本原理是基于声波在气体介质中的传播速度，建立气体组分和绝对温度的函数，气体中的声速按照一个温度的函数变化，使其受到声路气体成分的影响。这些关系采用下面的等式来描述。

(1)

式中：c为气体里的声速，m/s；d为声波传播的距离，m；t为声波传播的时间，s；r为气体比热，在常压下气体的比热是一个常数；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为热力学温度，K；M为气体摩尔质量，kg/mol。

把一个声源(发射器)安装在炉子或锅炉的一边，把麦克风(接收器)安装在对边，一个声音信号就能够被发射器发送，接收器探测。因为在发射器和接收器之间的距离是已知并固定的，通过测量声音信号的传播时间就可以计算出发射器和接收器之间路径的气体平均温度。

应用下面的等式，温度也可以用摄氏温度来表达。

tC=(d/Bt)2×106-273.16 ，

(2)

2 声波气体温度测量系统就地安装位置

在#1锅炉炉膛被测面标高49.1 m处， 安装8个声波传感器(4个发射接收器，2个发射器和2个接收器)，这样，在整个测量平面内共形成22条声波传播路径。

在烟道过热器后标高62.3 m处，安装2个声波传感器并设置1条路径(1个发射器1个接收器)，形成1条路径用于监测温度(灰分程度)。在锅炉燃烧区标高58.2 m处，同样安装2个声波传感器并设置1条路径(1个发射器1个接收器)，以监测温度作为基准温度，通过模型计算，即可确定积灰程度。 现场声波传感器布置情况如图1所示。

图1 现场声波传感器布置图

系统运行后，按设定的程序，在一个检测周期内顺序启、闭各个声波发射接收器，信号经放大器进入分组控制单元(PCU)处理后得到每条路径声波传播时间。

PCU将每个路径温度信息通过RS-422端口传输到TMSIS-4000专用工业计算机，由TMS-2000专用工业计算机为运行人员提供温度场等温线图、路径图、炉管泄漏图、区块图以及时间趋势图等直观化的信息。

3 声波气体温度测量系统在生产中的应用

3.1 在锅炉点火启动过程中的应用

(1)在锅炉点火启动过程中，可以参照声波气体温度测量系统测出的炉膛出口温度，通过燃烧调整，控制锅炉温升速度在合理范围内，同时在机组并网前控制炉膛出口温度不超过538 ℃，防止再热器干烧损坏。

(2)在锅炉点火启动过程中，根据声波气体温度测量系统的实际情况，观察炉膛出口温度，在炉膛出口烟温达到500 ℃以上及省煤器后烟温达到270 ℃以上方可投入第2台磨煤机运行，以防止第2台磨煤机投入运行后燃烧不完全而发生锅炉爆燃或尾部烟道再燃烧事故。

(3)在锅炉点火启动过程中，炉膛出口温度应逐步上升，若声波气体温度测量系统测试出炉膛出口温度忽高忽低、温度场变化剧烈的情况，此时要结合炉膛负压、汽包水位等重要参数来判断锅炉燃烧是否正常，并通过调整燃煤量大小、二次小风门开度、磨煤机风煤比、氧量大小等参数来改善炉膛出口温度不稳定的状况，炉膛出口烟温显示状况如图2所示，图2中横坐标表示时刻，纵坐标表示摄氏温度。

图2 炉膛出口烟温显示状况

(4)在锅炉点火启动过程中，通过声波气体温度测量系统观察炉膛火焰中心的位置，若发现火焰中心偏斜，此时可能会出现某个角燃烧不好或灭火，要通过磨煤机出口火检强度、等离子图像或就地观火孔来检查燃烧情况，以此判断燃烧器某个角燃烧不好或灭火。若检查发现某个角燃烧不好要分析查找原因，检查等离子电流、载体风压、二次小风门等参数控制是否合适并做出相应的调整，以改善燃烧状况。若检查发现某个角灭火，短时处理后仍不正常时，锅炉要立即灭火，待查明原因，炉膛重新吹扫后再进行点火启动，以防止发生锅炉爆燃和尾部烟道再燃烧事故，炉膛火焰中心显示状况如图3所示。

图3 炉膛火焰中心显示状况

3.2 在机组正常运行中的应用

(1)可以根据背景噪声曲线判别炉内是否有泄漏发生。若发现噪声曲线波动较大，立即就地检查，以此判断炉内是否出现“四管”泄漏情况，背景噪声曲线状况如图4所示，图4中横坐标表示时刻，纵坐标表示噪度。

图4 背景噪声曲线

(2)在正常情况下，炉膛出口温度为1 100～1 450 ℃。若声波气体温度测量系统显示炉膛出口温度低于1 100 ℃，要结合炉膛负压、磨煤机火检强度等参数情况来判断锅炉是否出现燃烧不稳定的情况；若等温线显示炉膛出口温度高于1 450 ℃，要结合过/再热蒸汽减温水量大小、排烟温度、炉膛吹灰时渣量大小等参数来判断炉膛内部是否出现结焦或着火推迟火焰中心偏高等情况。

(3)通过燃烧调整，降低炉膛火焰中心高度，控制炉膛出口温度低于1 400 ℃，可有效减少热力型NOx的生成量。

(4)在正常情况下，声波气体温度测量系统显示的炉膛火焰中心位置在中间。若显示火焰中心位置偏斜时，要检查燃烧器4个角的摆角是否一致；检查各角的二次小风开度是否一致，是否出现卡涩异常；检查磨煤机出口煤阀是否出现误关情况；检查磨煤机出口煤粉管是否出现堵塞现象。通过上述参数分析查找火焰中心位置偏斜的原因，应针对性地进行处理。

(5)通过分析过热器分隔屏和后屏之间的温度测点23，24的变化趋势，可随时掌握炉内的结焦程度，合理安排锅炉吹灰，温度测点23，24的显示情况如图5所示。

图5 温度测点23，24的显示情况

(6)随着检修后锅炉运行时间的延长，声波气体温度测量系统显示的炉膛出口火焰中心位置逐渐偏斜，由于磨煤机出口4根煤粉管可调缩孔磨损，火焰中心逐渐偏斜的原因可能是一次风速不平衡，此时需要进行一次风速调平工作。

(7)当机组出现负荷低、煤质差或低负荷断煤而造成隔层燃烧时，要通过声波气体温度测量系统观察炉膛出口温度的变化情况，如果显示炉膛出口温度大幅降低，在炉膛负压波动较大及磨煤机火检信号强度降低较大时，要及时采取锅炉稳燃措施，防止燃烧不稳灭火。

4 运行中遇到的问题及解决方法

(1)该系统在投入使用初期，频繁出现测量温度显示异常(温度显示为1 500～2 000 ℃或炉膛火焰中心异常偏斜)，检查发现就地测量装置探头处结焦堵塞严重。2012年7月，对每个探头就地加装空气炮定期吹扫后该问题基本消除，加装空气炮的情况如图6所示。

图6 就地加装的空气炮

(2)声波气体温度测量系统测出的数据未引入机组分散控制系统(DCS)，无法将炉膛出口温度、锅炉氧量、二次风门开度、各磨煤机煤量大小等曲线组合在一起进行分析总结，以便得出各个参数变化后对整个燃烧工况的影响，以追求更高的锅炉燃烧效率。此项工作目前还没有开展，还需要后续引入。

5 结束语

综上所述，利用前瞻性的高新科学技术手段，采用了锅炉声波气体温度测量系统，为锅炉运行工作提供了可靠直观的调节依据。此项工作在国内电厂首次尝试并取得了初步的成效，积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1]Q/HNTD-102.03—2012 华能国际电力开发公司铜川照金电厂集控运行规程[S].