飞灰辐射特性与表面温度关联的实验研究

朱润孺，王 昕，袁 野，张易阳，李庚达，黄 云

(1．中国科学院过程工程研究所 多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190； 2．国电新能源技术研究院有限公司，北京 102209； 3．华能长江环保科技有限公司，北京 100031； 4．清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)

随着我国环保需求的提高，煤电发展进入逆境，这使得燃煤电站稳定运行变得更为重要[1]。此外，能源结构变化[2]、用电需求变化、风和光电并网等因素导致的火电灵活性问题，进一步加大了火电稳定运行的难度。“锅炉四管”(水冷壁、过热器、再热器和省煤器及联箱)泄露、爆破是危害火电锅炉运行的常见问题[3-5]。锅炉水冷壁、过热器和省煤器等换热设备的表面长期暴露在高温(600～1 600 K)、高尘(20～50 g/m3)的烟气环境中，表面积灰问题严重。这些换热设备换热管表面积灰不仅会降低其换热效率[6]，而且可能造成高温磨损及腐蚀[7-10]，从而降低设备可靠性和安全性[11-12]。为了克服这一问题，有必要对积灰表面温度进行研究分析。

光学法作为非接触式测量的一种，具有原位、实时和获取信息丰富等优点，近年来发展迅速。激光光学法和辐射法[13]是炉内光学测温中较为成熟的技术，前者的代表——可调谐激光吸收光谱技术Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(TDLAS)不仅可以实时获取高分辨率的温度信息，还可以获得燃烧场的组分含量信息。但该方法初投资较高，且对于发射和接收端的安装要求高，易受炉体震动等因素的影响，因此国内成功应用案例还较少。而辐射法仅需要布置电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)等探测元件就可以获取所需的辐射信号，安装较简单且成本较低，增加了其可行性，但国内该方法多用于炉膛内测温，还未应用到过热器换热管管壁温度的测量。而在国外，如STEAG能源服务有限公司的SR：BCM智能吹灰系统就添加了相应的光学模块来提高吹灰策略的准确度[14]，相关系统已应用于莱茵集团NeurathBoA电厂的F级和G级机组上，机组容量为1 100 MW。但需要指出的是，该系统仅对形貌进行了在线观测，并没有对温度进行测量，国内类似的智能吹灰辅助系统亦如此。

基于此，笔者提出了一种基于高温内窥镜的辐射光谱积灰状态监测系统，并利用新型高频振荡单分散煤粉给粉器结合多元扩散火焰燃烧器技术对3种常见炉型的飞灰的辐射温度关系进行了实验研究。

1 积灰状态监测系统

图1给出了一种基于辐射光谱的锅炉换热管壁积灰状态监测系统示意图。该系统主要由高温内窥镜、CCD和光谱仪等组成。高温内窥镜能够获取所需的原位光学信号；CCD通过接收光学信号，得到积灰层的温度(双色法或三色法)和形貌信息；采用光谱仪对信号进行光谱分析，可获取积灰的组分信息。该系统旨在通过高温内窥镜的光学观测直接获取换热管管壁积灰状态，一方面可获得包括积灰厚度、形貌及分布等直观的物理特征，另一方面通过对光学信号进行分析，还可获得管屏积灰表面温度分布等重要信息。通过将这些直接的监测信息与水侧的间接监测信息相结合，使得制定更精细的吹灰策略成为可能，这不但可以在减小能耗的前提下保证机组运行安全稳定，而且可以提高锅炉系统对宽负荷的适应性。为了实现该系统的温度测量功能，需要对CCD相机响应信号值和飞灰温度值进行标定。

图1 基于辐射光谱的锅炉换热管壁积灰状态监测系统

2 标定实验

采用辐射法得到固体表面温度，需要确定相机响应信号、被测物体辐射信号和被测物体温度值三者的关系。具体理论基础及标定系统见文献[15]。

图2给出了相机红、绿、蓝3个频道的动力学响应特性。由图2可知，相机3个频道接受的信号强度随着曝光时间的增加而增强，直至饱和后信号强度保持恒定。后续实验将在图2中的线性区间内进行，以保证测量的准确性。

图2 相机频道信号强度随曝光时间的变化Fig.2 Changes in the camera channel signal with exposure time

2.1 RGB三色法实验

图3给出了高温飞灰辐射测温实验系统示意图。实验系统由多元扩散火焰燃烧系统、热电偶测温、高温内窥镜系统和相机等四部分组成。其中，Hencken燃烧器中气体燃烧产生热源，提供了维持飞灰温度所需要的能量。通过控制燃烧器所用载气、氧化剂和还原剂的配比，燃烧器所能提供的环境工况为700～1 000 ℃。光学信号由单反相机的CCD采集。首先通过热电偶的测温结果对相机频道信号比值进行标定；然后基于所得的标定结果，测量经单分散给粉系统给出的高温飞灰温度值。

图3 实验系统示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental system

2.2 实验材料

选用实际工业过程的3种飞灰进行研究，其X射线光谱分析(XRF)结果如表1所示，测试设备型号为PANalytical B.V.-AXIOS。从表1可以看出，3种飞灰的主要组成元素均为O、Si、Al和Ca，这4种元素的质量分数之和均在85%以上，但三者的碱土金属和碱金属含量区别较大。实验飞灰的累积粒径分布如图4所示，测试设备型号为Beckman Coulter LS 13 320。由图4可知，3种飞灰的粒径区别明显，其中飞灰C的粒径最细，中径为19.09 μm，飞灰B和飞灰A的中径分别为21.9 μm和37.7 μm。

表1 飞灰的元素分析结果

图4 粒径累积分布曲线Fig.4 Cumulative particle size distribution curve

2.3 结果与讨论

2.3.1 标定实验

基于相机红、绿、蓝3个频道响应信号有辐射强度之间的关系，结合热电偶测温及对应相机频道数据，标定后的各频道信号比值与温度的关系曲线见图5。由图5可知，绿/蓝及红/蓝两频道的信号比值均随着温度的升高而增加。在1 000～1 200 K时频道信号比值线性较好，绿/蓝信号比值由0.34增加到4.46，而红/蓝信号比值则由0.82增加到4.43。

(a) 绿/蓝信号比值

(b) 红/蓝信号比值图5 频道信号比值与温度的关系Fig.5 Relationship between channel signal ratio and temperature

2.3.2 飞灰测温实验

图6给出了基于图5拟合曲线的飞灰温度测量结果，图中每个数据点均对应于图5中一个热电偶测量点，详细对应关系由表2给出。结合图6和表2可知，整体而言，3种飞灰基本上能达到与烟气温度相近的温度，这与实际工业过程相似。飞灰A的温度值与热电偶温度差别较小，平均误差约为1.08%(绿/蓝)和4.28%(红/蓝)，而飞灰B和飞灰C的温度值与热电偶温度差别均大于飞灰A。针对不同的温度值，当热电偶温度在1 000 K左右时，热电偶温度与飞灰温度结果差别不大，但随着温度的升高，二者的差别逐渐增大。不同飞灰的温度变化范围不同，飞灰A的变化较小，而其他2种飞灰变化明显。以红/蓝频道结果为例，飞灰C在热电偶温度1 185 K工况时的温度误差为13.48%，较1 056 K时变化了9.29%，而飞灰A在类似温度范围(1 145 K→1 035 K)内的误差变化仅为4.54%。这可能是由于不同飞灰理化性质上的区别造成的，因为飞灰在燃烧器上方的导热和辐射特性都会随着其理化性质的改变而改变。对于不同的信号频道而言，采用绿/蓝频道时，温度测量误差明显要小于红/蓝频道，2种频道组合的误差平均值分别为3.60%和7.25%。造成这种现象的原因除上述提及的理化性质外，也与滤光片和相机的光学响应参数有关。

(a) 绿/蓝信号比值

(b) 红/蓝信号比值图6 飞灰温度测量结果Fig.6 Temperature measurement results of fly ash

表2 实验温度值Tab.2 The experimental temperature values

3 结 论

(1) 采用所提出的基于高温内窥镜的辐射光谱积灰状态监测系统，不但可以得到积灰的实时物理特征，还可以通过对光学信号进行分析获得积灰表面温度分布等重要信息。

(2) 结合标定和测量的实验结果可知，不同飞灰理化性质上的区别使得飞灰的辐射-温度关联区别明显。与飞灰B和飞灰C相比，飞灰A的温度值与热电偶温度差别较小，其平均误差约为1.08%(绿/蓝)和4.28%(红/蓝)。此外，频道选择也会显著影响结果的准确性，采用绿/蓝频道时，温度测量误差明显小于红/蓝频道，2种频道组合的误差平均值分别为3.60%和7.25%。因此，系统实际应用前应进行完善的实验室标定，考虑飞灰组分和频道选择等因素的修正，以获取更为精确的结果。