锅炉炉膛温度场测量技术研究现状与发展趋势探讨

胡主宽

（广东省计量科学研究院，广东 广州 510405）

0 引 言

炉膛温度场是锅炉燃烧过程中需要监测的重要参数，直接关系到锅炉的燃烧安全与效率，影响污染物的生成和排放量。若控制系统无法准确获得实时燃烧状态，不能有效控制燃料、送风量等参数，将可能导致锅炉炉内温度场不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙等，不仅会导致锅炉热效率极大降低、产生大量污染物和噪声，甚至可能出现爆炉等严重后果。因此，准确测量温度场对判断、预测和诊断锅炉燃烧状态具有重要意义，有利于控制燃料在炉膛内部合理燃烧，确保锅炉安全、高效运行。然而，锅炉的燃烧是很复杂的热交换过程，燃烧工况很不稳定，并且炉膛燃烧空间大、温度高、腐蚀性强，对准确测量三维空间温度分布带来极大困难。本文主要针对当前国内外较先进的几种炉膛温度场测量技术的基本原理、技术特点展开分析，阐述这些技术的国内外研究现状，并对锅炉炉膛温度场的测量技术的发展趋势进行探讨。

1 锅炉炉膛温度场测量技术研究现状

锅炉炉膛温度测量包括接触式与非接触式方法。接触式测温方法是应用最早的一种，如热电偶等，感温元件放置于温度场中，虽然测温准确性较高，但由于锅炉燃烧是脉动的，难以达到热平衡，并且由于感温元件的耐热性、燃烧的腐蚀性等，该方法只能做短时间测量，并且只能实现单点或局部测量，难以对整个炉膛进行实时在线测量。非接触式测温方法测量元件不与介质直接接触，不会破坏被测介质的温度场，同时传热惯性小，因此更适用于锅炉燃烧这种快速变化且很不稳定的热力过程的温度测量，是近年来国内外学者研究的热点问题。基于非接触式的锅炉炉膛温度场测量方法主要包括声学法与光学法，下面将重点分析这两种方法。

1.1 声学法炉膛温度场测量技术研究现状

声学测温技术研究较早，在20世纪70年代初被提出后，1983年由英国电力局首次应用于炉膛温度场测量，标志着声学测温技术的诞生，随后逐渐形成商业化的产品，广泛应用于锅炉、发电厂等工业生产领域的热工控制系统[1]。声学测温法主要是利用声波在介质传播时，由于温度作用引起声速或声频率变化，通过热力学气体状态方程，求解得到温度。对于特定组分的烟气，且声波传播距离已知的情况下，测量声波传播时间即可求得声波穿越路径上的平均温度，通过建立多组的发射接收器，再利用重建算法就可以得到整个温度场。温度的测量误差和声波传播时间测量误差的平方成正比[2]，因此，声学测温技术的难点在于声波传播时间的测量以及温度场的重建，而为了提高测量准确性，还要综合考虑声波频率、气体组分的影响等，国内外学者对这些问题开展了大量的研究工作。

声学测温法在国外研究起步较早，并且已开发出了成形的商业产品，如美国SEI公司的生产的Biolerwatch、英国GODEL公司生产的PyroSonic II等，同时，日本、德国、韩国等也相继有产品推向市场。日本学者在1986年对声波在燃烧锅炉中的衰减特性开展研究，认为12kHz声波频率为适于炉膛温度场测量的声源频率[3]。1996年，意大利的Mauro B等[4]通过在锅炉横断面布置多组声波探头测量声波传播时间，得到每条路径上的温度，并利用数值模拟与层析热成像技术重建二维温度场，为二维温度场重建进行了有益探讨。1997年，英国的Young K J等[5]分析了燃烧烟气不同的燃料混和比、氧化剂组成类型对声学测量的影响，并通过修正因子调整，从而使由于忽略这些因素而导致的系统误差＜2%。2000年，日本学者针对火焰温度场梯度导致声波传播的弯曲效应，提出最小二乘法与迭代方法相结合的办法重建温度场，提高了测量的准确性[6]。

国内对声学测温技术在锅炉的应用研究起步较晚，到20世纪末才有相关报道，1999年，文献[7]讨论了接触式与非接触式测温方法在炉膛温度场测量的应用，认为声学测温法与基于火焰图像处理的测温法具有较好的前景。目前国内的研究机构主要是东北大学、华中科技大学、华北电力大学、浙江大学等。其中东北大学研究的主要方向是炉膛温度场的重建，如采用二维傅里叶函数展开法、弯曲路径、高斯函数与正则化法等重建算法，对我国炉膛温度场测量提供了较好的理论基础。华北电力大学团队则从测温技术涉及的声源特性、声波传播时间、温度场重建等关键技术进行了较深入的研究。如文献[8]通过对炉膛噪声信号进行频谱分析和统计，指出炉膛噪声是以中心频率为250~1000Hz的低频燃烧噪声为主的类高斯噪声，提出一种基于高阶累积量的互相关时延估计方法，提高声波传播时间测量的准确性。文献[9]则采用互相关函数与级数展开法解决了声播传播时间的准确测量和二维温度场的重建，温度值的平均误差＜7%。文献[10]则根据光学Fermat原理与数学变分方法建立声波传播路径的数学模型，得到声波在非均匀温度场的实际路径，并进而修正了温度场，提高了二维温度场的准确性。

总的来说，声学测温法在锅炉炉膛温度场的测量中已经得到应用，并且已经有相关的产品，但还存在一些问题需要解决、完善，如声波传播路径由于温度梯度、烟气流动导致的弯曲效应，以及燃烧的背景噪声等，影响了测量的准确性。同时为提高重建精度，获得三维温度场，还需要安装较多声波发射与接收器，给施工带来较大困难，也限制了这项技术的进一步发展。

1.2 光学法炉膛温度场测量技术研究现状

光学测温法主要包括激光光谱法与光学辐射法。激光光谱法可进一步分为散射光谱法与干涉法，其中以激光喇曼散射测温法、可调谐二极管激光吸收光谱技术运用最为广泛，基本原理是根据粒子数分布与温度有关的玻耳兹曼方程。国内外学者对激光光谱法测温技术在炉膛温度场测量的应用做了相关研究[11-13]，但由于该方法每次只能测量1个点的数据，并且需要大功率的激光光源，导致测量装置复杂、价格昂贵等，这些不足限制了其在工业现场的应用。光学辐射法是另一种光学测温法，其基本原理为全辐射体的辐射出射度与其温度有单值函数关系，可由普朗克公式表达。光学辐射法主要包括红外测温法、火焰辐射图像法等。红外测温法的基本原理是基于某个红外光谱，通常是高温CO2光谱分析法，通过获得燃烧过程中产生的CO2的温度，再利用公式求出烟气的温度[14]。由于在锅炉燃烧过程中产生气体的成分十分复杂，且存在着大量噪声和干扰，为了准确测量烟气的温度，通常要求CO2体积分数≥10%，否则测量误差较大[15]。由于红外测温法也是单点测量，难以进行温度场重建，故一般仅用于炉膛出口烟气温度的测量。

火焰辐射图像法可分为单色法、双色法和三色法。单色法基本原理是在CCD摄像机前加一个滤波片，得到单波长下的火焰辐射图像，并利用热电偶实测炉内某点的燃烧温度作为参考温度，进而计算火焰的二维温度场。双色法则获得两个波长的火焰辐射图像，采用比色法求得温度场，无须参考温度，但装置较复杂。三色法则根据彩色CCD分光特性，得到RGB 3个基色的亮度信号，选取其中2个即可根据双色法原理求温度场，不需额外增加分光系统，实现简单，但是计算过程有一定的测量误差，需进行适量的修正。

火焰辐射图像法在国外的研究起步较早，尤其是在工业化程度较高的发达国家中，如日本、美国、德国、英国等。1985年，日本三菱公司就利用OPTIS光学影像系统对炉膛二维温度场进行监测[16]。1990年，日本日立公司通过监测火焰图像得到温度分布，进而控制煤的供给速度、空气流速和其他化学成分的配比等，使CO2的排放量减少了约10%[17]。2001年，葡萄牙的Correia等[18]为提高测量的准确性，在重建三维温度场时，考虑了火焰辐射的吸收度，提高了模型的准确性，可实现轴对称或非轴对称的火焰温度重建，其测量不确定度＜±10%。2005年，日本Nagoya大学的Tago等[19]采用双色测温法同时对温度与发射率分布进行重建，并比较了采用宽带宽与窄带宽的光学滤波器的区别，认为窄带宽优于宽带宽滤波器。2012年，美国的Teri等[20]采用彩色CCD获取燃烧图像，并选取红、蓝两色作为双波长比色测温法对二维温度场进行测量，在150kW锅炉上分别对不同体积分数比的O2与CO2进行对比实验，当O2/CO2从0.59到0.13时，温度从2183K下降到2022K。2013年，英国肯特大学的Hossain等[21]采用2个摄像头8个成像光纤同时采集了8个方向的火焰二维燃烧图像，并利用光学层析技术与双色法重建了炉膛三维温度与发射率分布，测量数据与实测结果相差≤9%。

在国内，也有大量关于火焰辐射图像法应用于锅炉炉膛温度场测量的研究，主要的研究机构有清华大学、华中科技大学、中国科学院、浙江大学等。1988年，清华大学徐雁等[22]应用单波长辐射图像法测量火焰温度，并通过黑体炉进行标定，得出二维温度场分布，又建立了火焰亮度和火焰温度之间的关系，提出了一种适用于非对称火焰三维温度分布测量的重构算法。中国科学院工程热物理研究所对双色法测温系统作了大量的理论研究与实验工作，其火焰监测系统能够实时定量监测火焰温度场的分布，并在一个500kW锅炉中得到应用[23]。浙江大学团队对双色法与彩色CCD辐射测温法进行了较全面的研究，包括二维温度测量、三维重建技术及误差校正方法等。王飞等[24]提出了从火焰彩色图像计算温度的方法，其后基于区域重建的方法，开展火焰烟黑三维温度场与浓度场的同时重建研究。刘冬等[25]开展了火焰温度场与浓度场的重建研究，通过温度场与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法。在校正算法上，卫成业等[26]对彩色CCD测量火焰温度场的误差来源进行分析，指出CCD的分光特性窄带宽的假设、火焰辐射的灰体假设等都将导致误差，并推导出修正后的测温公式。1995年，华中科技大学周怀春等[27]利用单色法测量炉膛温度场，通过在镜头前加装单色滤光片获取单波长图像，利用火焰图像中某一点辐射能和参考点温度的比值计算该点温度值，通过热电偶获得参考点温度。随后又提出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，对W型火焰锅炉炉膛温度场的可视化进行了实验研究，并利用正则化与迭代方法实现炉膛中二维温度场与辐射参数的同时重建[28]。近年来还运用便携式图像处理系统，对燃煤锅炉的粒子辐射特性与温度分布进行预测，其结果与红外测温计的实测数据相差＜4%，重建的二维温度场可较好地反映锅炉的燃烧状况[29]。上海交通大学的徐伟勇等[30]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，试制了智能型锅炉燃烧器火焰检测装置。

从上述国内外研究现状可以看出，火焰辐射图像测温法是一种较有应用潜力的非接触式测温方法，除了可直观看到实时图像，还可对燃烧状况进行实时监测，已经得到较为深入的研究，并取得了初步的成果，为火焰辐射图像测温法在锅炉炉膛温度场测量中的应用奠定了良好的理论基础，但还存在一些问题，如三维温度场重建、假设条件较多引入误差、摄像头动态范围较小等。

2 炉膛温度场测量技术对比与发展趋势

锅炉炉膛温度场测量技术包括接触式与非接触式，而非接触式又可分为声学法与光学法，下面将在研究现状分析的基础上，通过比较各种测温方法的技术特点、应用情况等，总结探讨锅炉炉膛温度场测量技术的发展趋势。

表1 锅炉炉膛温度场测量技术对比表

表1为锅炉炉膛温度场测量技术对比表，可以看出，接触式测温技术需将感温元件放置于温度场中，由于感温元件的耐热性、易被损毁等原因，只能做短时间测量，并且只能实现单点或局部测量，难以实现整个炉膛温度的实时监测，其研究与应用较少。非接触式方法中，激光光谱法需要精密、大功率的光学装置，难以实现在吸收性强、噪声大的炉膛火焰温度测量，同时也是单点测量，难以实现三维重建，这些都限制了其在火焰温度场测量领域的应用发展。声学法测温技术研究起步较早，也有相应的产品应用，可实现在线测量，但也是单点测量，虽然可通过多个发射接收探头实现二维温度场测量，但由于成本、锅炉尺寸大等原因，基本上难以实现三维温度场测量。火焰辐射图像法是近年来非接触式测温技术中研究较多的一种，可实现在线、可视化测量，通过多角度二维温度场图像与重建算法可实现三维温度场重建，并且还能实现多参数同时测量。尽管火焰辐射图像法要实现上述的功能还有待进一步研究，同时还存在重建算法复杂、准确性不高、影响因素多等不足，但是随着研究的不断深入，该技术还是有较大的应用潜力。

从上述的比较分析可以看出，对于具有尺寸大、噪声大、工作环境恶劣等特征的锅炉炉膛，其温度场测量技术的主要发展趋势是：1）测量手段将从传统的接触式单点、非实时向非接触式的在线可视化实时监测方向发展；2）测量参数从单一的温度测量向多维、多参数（温度、粒子浓度、辐射参数等）同时测量方向发展；3）测量技术从当前应用较多、可实现二维温度场重建的声学法向可实现三维、可视化、多参数同时测量的、较有应用潜力的火焰辐射图像法发展。

3 结束语

锅炉燃烧过程监测直接关系到锅炉的燃烧安全性和燃烧效率，影响污染物的生成和排放，准确测量温度场对判断、预测和诊断锅炉燃烧状态具有重要意义。本文阐述了接触式与非接触式测温法的技术特点，重点研究了声学法与光学辐射图像法在锅炉炉膛温度场测量的国内外研究现状。通过测量点、三维重建、多参数测量等指标对比分析了这些测温技术的优缺点；探讨总结了锅炉炉膛温度场测量技术的发展趋势，指出锅炉炉膛温度场测量将从传统的接触式单点、短时监测向非接触式的在线实时监测方向发展，测量参数从单一的温度测量向多维、多参数同时测量方向发展。同时，随着研究的不断深入，火焰辐射图像法将是更适用于锅炉炉膛温度场测量的较有应用潜力的方法。

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