基于RFID的锅炉炉膛出口烟气温度智能监测系统

牛百芳，董功利，陈文鑫

1.中国华电集团有限公司安徽分公司，安徽合肥，230022；2.安徽华电宿州发电有限公司，安徽宿州，234000

0 引言

对现阶段大多数的火力发电厂的控制系统配置情况进行分析可以看出，以蒸汽参数监测为核心的仪表设备相对完善，但是关于烟气监测的相关配置仍处于较低水平[1]。对于锅炉系统而言，烟气排放也是一种重要的能量交换形式，因此，要实现锅炉的可靠和经济运行的目的，对烟气的参数进行高精度控制是十分必要的[2]。对烟气系统进行分析可以发现，辐射换热和对流换热区的分界点是炉膛出口结构，因此，该炉膛出口的温度也成为衡量能量平衡状态的重要技术参数之一[3]。大型电站锅炉运行会遇到很多问题和困扰，包括但不限于炉膛顶部产生结焦结渣；过热器、再热器超温，引发过热器、再热器管的氧化皮、超温爆管和管材失效[4]；过热蒸汽或再热蒸气温度偏差过大，造成汽温偏低或增加减温水效用，影响发电系统经济性[5]；排烟温度低，造成水平烟道结露、酸性腐蚀；排烟温度升高，排烟损失增大，热效率降低；炉膛燃烧温度偏低，造成飞灰可燃物偏高；炉膛温度偏高，氮氧化物排放量增加。以上述问题为基础，对炉膛出口温度进行合理控制是最为有效的措施之一[6]。在此基础上，以保证烟气的正常流动为基础、确保换热器正常工作为前提，对炉膛出口烟温进行监测成为备受关注的研究热点。

基于此，本文设计了一种基于RFID的锅炉炉膛出口烟气温度智能监测系统，以此实现对炉膛出口烟温的有效获取，为锅炉实际管理工作的开展提供帮助。

1 硬件设计

1.1 测温仪设计

作为一种遥感式炉膛专用测温仪器，炉膛测温仪在实际应用过程中表现出的最突出的特点就是安装简便，并且具有较高的可靠性。在结构上，其最核心的构件主要分为两部分，分别为遥感式红外测温仪传感器和红外薄膜电路，二者按照IP65防护标准集成在钢制冷却套结构内[7]。也正是因为炉膛测温仪的这种结构设置，使得其可以直接安装在露天环境下，并能够实现长期稳定运行。利用炉膛测温仪对炉膛进行测温时，对应的工作环境具有高温特点[8]，为了保障其能够在线连续稳定运行，需要在现场提供一个压缩空气源，通过对仪器进行冷却和吹扫，降低其表面温度[9]。不仅如此，针对恶劣的现场环境，炉膛测温仪配置了空气过滤系统，实现对空气中干扰因素的过滤，对应的超温保护系统也可以降低在温度异常情况下设备故障的概率。本文选用的炉膛测温仪是基于遥感式气体远红外测量机制设计的，因此对温度的测量误差仅为1.0%。表1为炉膛测温仪具体的运行参数信息。

表1 炉膛测温仪指标参数信息

结合上述的配置，炉膛测温仪可以实现对锅炉炉膛出口烟气温度的精准获取，保障系统监测结果的可靠性[10]。

1.2 RFID读写器设计

本文设计的锅炉炉膛出口烟气温度智能监测系统是以RFID技术为支撑实现的，因此对RFID读写器进行合理设计是极为关键的。本文采用基于高性能超高频芯片设计的NRS-DSM01超高频RFID读写器作为系统的硬件装置，其可以同时支持5G NSA和SA模式以及DFOTA*、VoLTE （可选）和VoNR* （可选）多种功能，保障设计的锅炉炉膛出口烟气温度智能监测系统能够适应不同环境的应用需求。对NRS-DSM01的配置进行分析，其内置了丰富的网络协议，并且集成了包含PCle、USB、SDIO、UART、SPI、I2C、I2S以及GPIOs的丰富外设接口，这样在极大程度上拓展了其在温度智能监测系统中的应用场景。表2为其功能模块的参数配置。

表2 NRS-DSM01 功能模块参数配置信息

结合表2所示的参数配置，NRS-DSM01支持PoE和非PoE设备的任何混合，由于其短路、过载和高压保护功能，系统中的其他设备可以得到很好保护。对于不符合8023at/af标准的设备（传统的无线接入点或网络摄像机），通过辅以以太网nellinet网络解决方案的PcE分配器也可以保障其稳定性。作为PoE扩展器使用时，由于千兆交换机的POE直通技术扩展了PcE连接，这个多功能设备将PcE源和设备之间的距离从100米增加到200米，提高其在不同锅炉环境中的适应性。

2 软件设计

2.1 基于RFID的锅炉热力分析

要实现对锅炉炉膛出口烟气温度的智能监测，准确分析锅炉的热力情况是十分必要的，因此，本文借助RFID读写器中获取的数据信息，实现对锅炉热力状态的精准分析。一般情况下，锅炉主要是通过屏式过热器装置实现对炉膛出口烟温调节控制的，因此，本文在对锅炉热力进行分析时，充分考虑了屏式过热器与烟气传热的规律，采用反推的方式对屏底区域的温度参数进行计算，具体的计算方式可以表示为：

其中，γ1表示锅炉屏底区域的温度参数，T0表示理论燃烧温度参数，m表示炉膛火焰中心位置系数，M表示燃料消耗量，Q表示炉内燃烧单位燃料对应的热量参数，a表示炉膛的黑度参数，λ表示炉内的平均热有效系数，s表示炉墙的总面积。其中，式（1）中的变量参数来源均为RFID读写器。按照上述所示的方式，实现对屏底区域温度参数的分析，为后续的监测提供基础。

2.2 锅炉炉膛出口烟气温度监测

在计算出屏底区域温度参数后，结合烟气温焓表，确定对应的烟气焓参数，也就是屏式过热器出口的烟焓参数。考虑到屏区受热面位于炉膛上方，以辐射式的机制为基础，用较简单的零元模型对炉膛出口烟温进行分析，其计算方式可以表示为：

其中，T1表示炉膛出口烟温参数，K表示出口烟焓系数，η表示炉膛向屏后受热面的热量辐射系数，φ表示屏入口对出口的角系数，ξ表示炉膛平均热负荷参数。按照这样的方式，结合屏区吸收的烟气焓，实现对烟气温度的精准监测。

3 系统测试

3.1 测试环境

本文开展测试的锅炉设备为某330MW机组的组成部分之一，具体的锅炉型号为WGZ1100/17.45-5，对锅炉运行模式进行分析，其具有典型的亚临界参数属性，采用一次再热机制，借助自然循环汽包的形式，按照固态排渣的方式实现运行。对锅炉的布置情况进行分析，其采用了单炉膛Ⅱ型布置机制，对应的燃烧方式为四角切向燃烧，制粉系统采用了双进双出机制，借助钢球磨正压直吹方式实现。再热汽温的调节借助尾部烟气挡板实现，过热汽温的控制机制利用了喷水减温机制。不仅如此，分别布置了分隔屏和后屏结构在炉膛上方，高温过热器和高温再热器的作用是为了避免出现烟温异常情况，具体的安装部位为折焰角及水平烟道。利用低温再热器、低温过热器以及省煤器对前烟道和后烟道的温度进行调节，同时设置了回转式三分仓空气预热器装置在省煤器和低温过热器下方。烟煤为锅炉当前的主要燃料，对应的发热量为20320kJ/kg。在对锅炉的具体运行参数进行统计阶段，分别考虑了BMCR（Boiler Maximum Continue Rate，锅炉最大连续蒸发量）工况下锅炉的实际运行情况，以及BRL（Boiler Rated Load，锅炉额定出力）工况下理想的运行参数，得到的数据结果如表3所示。

表3 不同工况下锅炉具体运行参数设置情况

以表3所示的数据以及测试环境锅炉的配置情况为基础，分别采用本文设计系统以及文献[4]和文献[5]系统对锅炉炉膛出口烟气温度进行监测，对比分析不同系统的监测效果。

3.2 测试结果与分析

结合上述的测试环境，分别统计了不同监测方法对于锅炉炉膛出口烟气温度监测结果与实际温度之间的关系，得到的数据结果如图1所示。

图1 不同系统监测结果对比图

结合图1中的测试结果对不同监测系统的监测效果进行分析可以看出，其均与实际的锅炉炉膛出口烟气温度存在不同程度的偏差，但是对具体的温度曲线进行对比可以发现，在可靠性方面存在明显差异。在文献[4]系统的测试结果中，在8∶00时间段和16∶00时间段均出现了监测结果明显低于实际锅炉炉膛出口烟气温度的情况，对应的偏差程度分别达到了4.0℃和4.2℃，不仅如此，部分时段的监测结果也呈现出了高于实际锅炉炉膛出口烟气温度的情况，但具体的偏差相对较低，其整体监测结果与实际温度曲线进行对比，可以看出该系统虽然大多数情况下的监测结果具有较高的可靠性，但是在稳定性方面存在进一步提升的空间。在文献[5]系统的测试结果中，虽然整体监测数据并未与实际锅炉炉膛出口烟气温度存在较大偏差，但是具体的精度明显相对偏低，始终未能实现与实际温度的高度拟合。相比之下，在本文设计系统的测试结果中，对于锅炉炉膛出口烟气温度的监测结果与实际温度曲线具有较高的拟合度，不仅未出现明显的偏差，且始终保持着较高的一致性。综合上述结果以及对于数据的分析可以得出结论，本文设计的基于RFID的锅炉炉膛出口烟气温度智能监测系统可以实现对烟温的准确获取，具有良好的实际应用效果。

4 结语

本文提出基于RFID的锅炉炉膛出口烟气温度智能监测系统设计研究，实现了对炉膛出口烟温的准确获取，借助获取的数据信息，可以准确反映锅炉的运行状态，作为反映锅炉燃烧状态和能量交换的重要参数、锅炉系统优化控制的过程参数，以及吹灰局部优化的控制参数。除此之外，结合监测到的温度数据，可以实现对锅炉结焦结渣情况的有效控制，通过控制炉膛出口烟温，达到有效降低结焦结渣现象发生概率的目的。最后，根据监测到的温度数据可以在一定程度上降低氮氧化物的排出量。一旦出现温度过高的情况，运行人员可以及时地采取措施降低温度，从而减少氮氧化物的生成。