“W”型电站锅炉炉膛声波测温网格划分研究

2022-12-12廖运波刘金生

化工自动化及仪表 2022年6期

廖运波刘金生曾科杨剑饶进周平郑茂

（1.中国华电集团有限公司四川分公司；2.深圳东方锅炉控制有限公司；3.四川华电珙县发电有限公司；4.四川润德机电设备有限公司）

电站锅炉的燃烧状况检测对于确保系统稳定运行、提高燃烧效率具有重要意义，而炉内温度分布变化直接反映炉膛的实际燃烧情况［1］。“W”型锅炉炉膛具有大长宽比的几何特性，对炉内温度场的测量带来困难。在实际运行中，“W”型锅炉在炉膛长度方向上容易出现温度偏差，造成锅炉两侧燃烧不平衡、结焦及NOx生成量高等问题。如何采用一种更为直观的测量系统对炉内温度分布进行实时、准确的监测，保障锅炉的优化燃烧和安全、高效运行，成为需要迫切解决的问题［2］。

声学测温法［3］是一种非接触式的测温技术，具有非侵入、测温范围广、适用于大尺度空间测量及不受辐射影响等优点，克服了传统接触式物理测温方法的缺点，是极具发展前景的温度分布可视化测量技术。该方法通过推导波动方程，建立声波传播速度与被测介质温度之间的单值函数关系。当声波“透射”被测介质后，测量飞渡时间数据，再通过求解逆问题获取声波传播速度，最终实现温度分布测量［4，5］。工业炉温度场监测是该技术的典型应用，目前也在研究将该技术应用于管道内液体、粮仓等温度的测量［6］。

1 声学测温原理

声学测温是基于声音的传播速度随介质温度而变化的原理。该方法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引起的速率变化来求解温度和温度场。声波传播速度c和介质温度的关系［7，8］如下：

式中 c——声波在炉膛温度场内的传播速度，m/s；

d——两个声波收发装置之间的距离，m；

m——气体的摩尔质量，kg/mol；

R——理想气体常数，取8.314 J/（mol·K）；

T——介质的绝对温度，K；

Z——当气体组成确定后，可以将γ、R、m整合为一个参数Z表示，空气环境下Z一般为20.05；

γ——特定气体介质的定压比热容和定容比热容之比；

Δt——声波在两个收发装置之间的飞渡时间，s。

在所需测量炉膛截面四周炉壁上布置一定数量的声波发生器和接收器（图1），一个发生器发出声波后，其余接收器检测声波，通过对声波信号同步高速采样，测量收到的声波信号和原始声波信号的时间差，即声波在传播路径上的飞渡时间，根据声波在炉膛路径上的传播速度，利用声波在烟气中的传播速度与温度的物理学关系，计算出声波传播路径上的平均温度。

图1 声波收发装置布置示意图

经过测量得到每条温度路径上的平均温度，再经过温度场还原算法得到温度场分布图，在上位机上显示出来，并传输给DCS和燃烧优化系统。

2 测点分布方案、温度场重建方法及评价指标

2.1 测点分布方案

根据某电厂600 MW“W”型锅炉炉膛的实际尺寸（宽×深=32.120 m×9.960 m），在炉膛前后墙及A、B侧墙对称布置12个声波发生与接收器测点，如图2所示。

图2 网格划分

2.2 温度场重建方法

FUMIO I和MASAYASU S 提出最小二乘法（LSM）温度场重建算法，并将其运用到声学法研究炉膛温度测量系统当中［9］。 LSM重建法因原理直观，计算简单，是应用最为广泛的声学温度场重建算法［10，11］。采用LSM法需要将待测区域划分成若干网格状小区域，并假定每个网格内温度是相同的，再根据网格温度计算出待测区域的温度场分布。因此，网格区域的合理划分对LSM温度场重建至关重要。根据声波测点的布置方式，共有52条飞渡穿越线，结合炉膛尺寸和LSM算法的要求将其划分成6×4的温度网格，共计24个。具体网格划分如图2所示。

2.3 误差评价方法

参考炉膛32.120 m×9.960 m的尺寸比例，利用软件生成一已知单峰标准温度场（温度像素点3 225×1 000）。仿真环境设气体常数为恒定值，干扰噪声为0，温度场如图3所示。根据炉膛声波测点位置和形成飞渡声线穿越的路径，可获得该路径在单峰标准温度场上对应位置的投影，对该投影线上每个点的温度计算出标准场下每条飞渡线的飞渡时间。在图3中可以看到声波收发器2与3形成的飞渡路径在标准温度场中的投影，标准温度场上每个温度像素点可等效看作1个温度小网格，飞渡线穿过的每个小网格的温度已知即可求出该小网格中的声速，进而求出声波穿越该小网格的时间，对飞渡路径2-3上的所有网格时间进行积分就可得到路径2-3的飞渡时间。由此可以求得所有路径的飞渡时间，将该飞渡时间作为复原网格划分算法的已知飞渡时间。

图3 预设温度标准场及飞渡线投影线示意图

采用非均匀划分和均匀划分两种方法进行网格划分，将划分出来的网格按比例在图3预设标准温度场上进行投影，对每个投影网格内的温度点进行平均值计算得到标准场中的网格标准温度，得到的两种网格的标准区域温度（单位：℃）示意图如图4所示，具体数值如图5所示。

图4 网格划分标准区域温度示意图

图5 网格划分标准区域温度数据（单位：℃）

对两种划分方法重建结果使用最大相对误差Rmax、平均相对误差Rave及网格区域温度误差Rh来评价网格划分的优劣［12］。计算公式如下：

式中 M——温度区域所划分的网格总数；

RT（i）——重建温度场中的网格温度；

T（i）——温度场中第i个网格中心点的温度值。

3 计算结果

3.1 网格非均匀划分

网格非均匀划分重建区温度数据如图6所示。

图6 网格非均匀划分重建区域温度数据（单位：℃）

网格非均匀划分重建区域温度与预设标准区域的温度差值如图7所示。

图7 网格非均匀划分重建区域与预设标准区域的温度差值（单位：℃）

根据式（5）计算所得的网格区域温度误差Rh如图8所示。

图8 网格非均匀划分重建区域温度误差Rh

根据式（3）、（4）计算非均匀划分的Rmax=8.04%，Rave=2.04%。

3.2 网格均匀划分

网格均匀划分重建区温度数据如图9所示。

图9 网格均匀划分重建区域温度数据（单位：℃）

网格均匀划分重建区域温度与预设标准区域的温度差值如图10所示。

图10 网格均匀划分重建区域与预设标准区域的温度差值（单位：℃）

根据式（5）计算的网格区域温度误差Rh如图 11所示。

图11 网格非均匀划分重建区域温度误差Rh

根据式（3）、（4）计算网格均匀划分的Rmax=4.73%，Rave=1.57%。

3.3 两种网格划分方法对比

根据图7与图10、图8与图11绘制的两种网格划分方式差值与Rh值对比曲线如图12、13所示。

图12 两种网格划分方式差值对比

从上述图表分析可以得出，网格非均匀划分的平均差值为-17.04 ℃，平均误差Rave为2.04%，最大误差Rmax为8.04%；网格均匀划分的平均差值为-14.30 ℃，平均误差Rave为1.57%，最大误差Rmax为4.73%。网格均匀划分比非均匀划分，平均差值降低2.66 ℃，平均误差降低0.47%，最大误差降低3.27%。