何晓亮

(赤峰市特种设备检验所,内蒙古自治区赤峰024000)

基于单路径声学测温系统的试验与研究

何晓亮

(赤峰市特种设备检验所,内蒙古自治区赤峰024000)

利用单路径声学测量技术,对锅炉炉内温度场进行测量。研发了适用电站锅炉的声波高温计,经冷态和热态试验后,已运行于某型300 MW机组。通过长期运行,验证了测温系统的稳定性和可靠性。作为非接触式测量系统,可不受外部条件的影响,适应于各种高温和多尘的恶劣工况,实现了实时在线测量。

锅炉;温度;测量;单路径声学;计量;研发;试验

0 概 述

在燃煤机组中,锅炉的炉膛温度是机组运行时非常重要的参数。炉膛的温度表征了燃烧过程,也反映了燃烧设备的运行工况。测控炉温,可为机组的运行提供操作依据。如果燃烧工况不合理,将造成锅炉的燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙,可能会导致炉膛结焦、炉膛爆炸等事故。在锅炉燃烧过程中,炉膛内的流场具有瞬态变化、随机湍流等特征。因此,给炉膛温度的在线测量带来困难。

1 声学测温技术原理

炉内温度场的测量,对于锅炉运行状态的诊断和控制具有重要意义。目前,国内无法直接测量炉膛温度场、炉膛出口烟气温度和对流受热面高温段的烟气温度。应用声学测温技术,作为非接触式温度测量技术,不受外部条件的影响,适应各种高温、腐蚀、多尘等恶劣工况,可实时在线测量所需测点处的温度。

声学测温的原理,是基于声波的传播速度直接随介质温度而变化。由热力学中气体方程和声学中的声波波动方程,可得声波传播速度和介质温度的关系式:

式(1)中,C—声音在介质中的传播速度;R—气体常数;k—气体的绝热指数;M—气体分子量;T—气体温度。

由此计算方程,在己知声波传播速度的条件下,可方便地获得介质的温度。声学测温的原理,如图1所示。

图1 声学测温的原理图

2 测量系统的组成

单路径声学测温系统由声波发生器、声波接收传感器、声波导管、信号输入/输出装置、信号调理器、接线盒、主机等部分组成。测温系统的布置,如图2所示。

图2 单路径声学测温系统的布置

电站锅炉具有较大空间,运行时的噪声较强。为了满足声学测量环境的要求,将测量系统的声信号频率定为1.5~10 k Hz,声压级在126 d B以上。选用电动式声源,声波导管采用了强指向性的锥形号筒。

3 单路径声学高温计的试验和研究

单路径声学测温系统,已安装在国内某电厂2号锅炉,随后进行了调试。安装时,利用左墙和右墙上原有的观火孔,不用在水冷壁上打新孔。测量炉膛出口烟气温度的2个观火孔,在屏式过热器的下方。

3.1 冷态调试

测温系统安装后,首先进行了冷态调试。炉膛的内部宽度为14 m,加上炉墙壁厚和法兰接管长度,实际测量路径的长度为14.9 m。经运行,测温器的状态较为稳定,白昼的测量温度约为25℃,夜间的测量温度约为17℃,与便携式温度计的测量结果相一致。

3.2 热态试验

热态试验时,声学测温系统的运行遇到一些干扰,如炉内燃烧时发出的噪声、炉膛动力场对测温系统的影响,还有积灰严重等问题。经研究后,完善了声学测温系统。通过数月试运行,该声学测温系统保持了良好的工作状态,没有再出现其它问题和故障。测温系统每间隔5 s,保存1个测温数据,每小时约有720个温度数据。图3是某小时内的测温曲线图。由图3可知,锅炉热态运行时,该时间段的测温结果约为1 050℃,有1个温度数据为负值,明显是瞬态跳跃值,应剔除。

图3 某小时内的测温曲线

4 数据分析

4.1 热电偶测温与声学测温的比较

在6小时的热电偶测量实验中,测得炉膛中部的平均温度为1 050~1 100℃。用声学测温系统,每小时测得的平均温度分别为1 013.4℃、1 041.7℃、1 011℃、1 000.8℃、992.3℃、1 010.9℃,比热电偶的测量结果约低50~80℃。这个测量结果与预期值相一致,因为水冷壁的吸热量较大,水冷壁附近的温度仅为200~800℃。声学测量系统所测得的温度,是整条路径上的平均温度,所以,声学测温的数据比炉膛中心温度约低70℃。测得的温度曲线,如图4所示。受被测两端低温区域的影响,声学测温和热电偶测温的相对误差,约在2%之内。

图4 整条路径上温度的分布情况

4.2 炉膛温度与负荷及主蒸汽流量的关系

为了便于研究,选取了机组负荷变化较大的时段,观察声学测温结果与机组负荷之间的规律。在此时段,机组负荷从285.975 MW变化至147.276 MW,负荷的波动较大。为了便于统计,将每小时内所测的炉膛温度、机组负荷、主蒸汽流量等数据取平均值,运行15小时后,共得到15组数据,如表1所示。

表1 炉膛温度与机组负荷及主蒸汽流量的平均数据(15h)

根据表1的数据,绘制出的曲线,如图5所示。从图5可知,当机组高负荷运行时,声学测温系统测得的炉膛温度为1 090℃,当机组低负荷运行时,声学测温系统测得的炉膛温度为970℃,且测得的炉膛温度曲线和负荷曲线相当吻合。

图5 某时段内所测运行参数的波动曲线

5 结 语

目前,电站锅炉采用的炉膛烟温探针的测温范围较小,仅为了防止锅炉点火时的超温才启用,当炉温超过500℃后,自动退出,平时不启用。炉膛烟温探针的体积较大,长度达6 m,采用传统的电动机构伸出和回缩。声学高温计的体积小,投资少,可实时在线监测炉膛的烟气温度,并可根据需求安装在不同位置。声学测温的技术优势,展现了广阔的应用前景。

[1]邵富群,吴建云.声学法复杂温度场的重组测量[J].控制与决策, 1999.14(2):120-124.

[2]冯俊凯,沈幼庭.锅炉原理及计算[M].北京:科技出版社.1992.

Test and Study on Temperature Measurement System Based on the Single Path Acoustic Measurement

HE Xiao-liang
(Chifeng Special Equipment Quality Safe Inspection Institute,Chifeng 024000,Inner Mongolia,China)

In this paper,the method of measuring the temperature field in the boiler by using the single path acoustic measurement technique is presented.After cold and hot test,a suitable acoustic pyrometer in the power plant boiler of was installed on a 300 MW boiler in a power plant.Stability and reliability of the temperature measurement system have been proved by long period operation.As a non-contact measurement system,which can not be affected by external conditions,and adapt to variety harsh environment for high temperature,to achieve real-time online measurement.

boiler;temperature;single path;acoustic;measurement;study;test

TK284.9

A

1672-0210(2017)02-0045-03

2016-08-29

何晓亮(1980-),硕士研究生,工程师,就职于赤峰市特种设备检验所,从事压力容器的安全性能检验和锅炉能效测试等工作。