张建立　杨栋

摘要：介绍了利用声波测量锅炉炉膛温度、建立全截面温度场的原理及实施方法，经试验验证，基于互相关函数法能较好地测量声波飞渡时间，并且试验数据十分稳定，将温度场作燃烧可视化成像处理，直观监控锅炉炉膛燃烧状况，确定了利用声波测量锅炉炉膛内温度技术的可行性。

关键词：声波测温;互相关函数;声波飞渡时间;燃烧可视化

中图分类号：TK311    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）02-0057-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.016

1    系统概述

目前为止，锅炉炉膛中燃烧的火焰情况对于运行人员仍然是“黑匣子”一样的存在。当炉膛中的燃料在燃烧过程中出现火焰中心偏斜、火焰刷墙等现象，偏离优化燃烧工况时，依靠现有的监测技术（包括定性监测的火焰监视器、有限的炉膛出口烟温测点、过热器/再热器壁温测点及其他锅炉运行参数等）并不能有效识别，无法采取相应的燃烧调整和控制措施克服，易导致水冷壁结焦、爆管，过热器超温、爆管等降低锅炉运行经济性的故障和事故[1]。

本系统是一种全新的测量系统，能够提供以前从未测量过的参数——炉膛燃烧时的温度分布，可对锅炉燃烧状态进行定量、可视化、实时在线的监测，及时发现不良的燃烧工况，通过对一/二次风量的配比调节、燃烧器的组合调整等措施，消除燃烧调节不合理导致的不良燃烧状态，实现平衡及优化燃烧，减少燃料量的投放，降低NOx及飞灰等的排放，延长机组使用寿命，从而达到节能降耗，减少污染物排放，提高锅炉运行效率及经济性的目的。

2    声波测温原理及系统软硬件设计

2.1    声波测温原理

（1）单路径平均温度测量：声波在气体中传播速度的二次方与其传输路径的气体温度成正比。

声波测温系统基于介质中的声音传播速度与介质温度的相关公式，通过精确测量声波从发射到远处接收的时间差以及发射点和接收点之间的距离，就可以得到这两点之间介质的平均温度。准确和稳定测量声波飞渡时间是确保测量精确度和测量鲁棒性（稳定性）的关键。

（2）多路径平均温度测量：在装设一定数量的发射器和接收器后就可得到多路径温度，通过重构算法就可得到区域平均温度。

（3）温度场重建：根据24条声波路径温度，采用基于高斯函数与正则化法的温度场重建算法及层析成像技术，实现在较少温度投影条件下的温度场重建，并在显示器上实时在线显示温度分布状态和其他相关信息。

2.2    系统硬件

本系统由8套声波发射/接收传感组件、8套前置放大装置、1个过程控制单元、1个中央控制单元组成。8套声波发射/接收传感组件安装于锅炉四壁的同一平面上，不同侧的2个传感器之间共形成24条声波路径，提供给中央控制单元进行温度场运算和显示。声波测温系统拓扑图如图1所示，核心硬件主要有：

（1）发声系统。这部分由文丘里管、波导管、波导管延伸及相应附件组成。文丘里管通过压缩空气发出强度为126 dB、特定带宽的白噪声，经波导管耦合放大后送入炉膛作为本系统的声波信号源。

（2）声波传感器。这部分采用由特殊腔体结构以及声学振子、特制的压电陶瓷堆制成的微音传感器。声波传感器工作温度范围-20～400 ℃，动态响应范围≥100 kHz。

（3）前置放大器。对于发声端和接收端传感器接收到的声波信号，都能使其输出形式由电荷信号转换为电压信号，并具有信号放大功能，然后传送至过程控制单元进行处理。

（4）过程控制单元。这部分由电源转换电路、信号预处理电路、发声控制电路、中央处理电路组成，作用如下：一是对声波传感器采集的声波信号同时进行放大、衰减和带通滤波处理;二是可设置声波路径对应关系，按照配置好的声波路径对应关系依次控制发声装置进行发声，同步采集发声端和接收端声波传感器采集到的声波信号，进行互相关运算，计算路径平均温度，发送给中央控制单元进行温度场重建运算和成像显示。

（5）中央处理单元。这部分由专业工业计算机和FTMS-2018温度场软件组成，作用如下：接收过程控制单元路徑温度，进行温度场重建并计算区域均温等，将温度场数据发送给DCS进行显示和燃烧优化调整。

2.3    系统软件

FTMS软件功能简介：根据路径温度，通过FTMS软件重建二维温度场，实时显示炉膛内温度分布图，记录和回放历史温度分布变化。具体包括温度分布等温线图、温度分布区域均温、路径温度、路径或区域温度趋势图、温度统计分析、炉管泄漏信息监测等。

软件模块如下：

（1）等温线显示。实时显示炉膛平面温度场分布情况及等温线，直观展示燃烧情况。等温线间隔/条数可任意设置，可显示实时温度分布和回放历史温度分布，还可显示平面任一点温度值。

（2）区域均温。计算并显示用户自定义矩形区域平均温度，并将计算的区域均温发送给DCS。最多可设置24个区域，区域设定灵活。

（3）路径温度。显示当前接收到的路径平均温度值，用于判断传感器工作状态。

（4）温度趋势。记录并显示所有路径或区域温度趋势曲线。实时显示当天选定的8块区域或8条路径温度趋势曲线，回放显示选定日期的8块区域或8条路径温度趋势曲线。

（5）温度统计。可以任意设定时间间隔，统计区域或路径温度的平均值、最大值、最小值、标准差、变化率、超温累计时间等信息。实时显示当天的统计信息，显示选定时间段的统计信息。

（6）炉管泄漏信息监测。通过接收传感器对炉内噪声的监测，识别非正常背景噪声，绘制噪声曲线，判断炉内是否有泄漏发生。实时显示当天选定的传感器监测噪声曲线，回放显示选定日期的传感器监测噪声曲线。

声波测温系统信号处理计算机自带显示器，可显示以下画面：各条路径平均温度值、炉膛断面16个区域温度值、炉膛等温断面温度2D彩色图像。

声波测温系统除了在信号处理计算机上显示以上画面外，同时可以通过4～20 mA信号将炉膛断面的多个区域温度信号传输到DCS，并在其操作员站上显示。

2.4    配置及实施方案

在炉膛出口、屏式过热器下的2 m左右高度（精确尺寸待用户提供锅炉图纸最终确定），测量炉膛出口断面温度分布。系统能从锅炉启动开始，全负荷范围内监控锅炉炉膛出口烟气温度场。启动阶段可以控制屏过前烟温不要升得太快，防止干烧而损坏再热器，同时，通过观察温度场稳定性确认是否存在启动初期风量太大，导致燃烧不稳而潜在灭火的可能性。正常运行特别是煤质变化时控制火焰高度，保证炉膛出口温度在设计要求范围内，确保燃烧经济性，满足运行优化、节能减排要求;同时监视火焰偏斜情况，以免导致一侧火冷壁结焦。

声波测温系统配置不少于2个声波发生器ASG、不少于8个声波接收器ASR（图2）和1台信号处理计算机SPCW，测得炉膛断面16个区域的温度值（图3），运行人员可清晰地观察断面温度值分布。另外，还可以通过VGA视频延长器，将彩色图像接到操作员站或大屏幕上，以便随时观测温度情况。

3    声波测温系统的作用及经济效益

3.1    系统的重要作用

（1）监控炉膛出口温度。防止炉膛出口温度过高导致过热器结焦和管壁超温;防止启动时炉膛出口温度升高太快烧坏尚无蒸汽流过的再热器管（干烧）;监控炉膛出口温度，判别水冷壁吸热情况，实现优化吹灰控制;控制不同负荷下的炉膛出口温度，合理分配辐射热和对流热的比例，减少过热器和再热器的喷水量，提高回热效率[例如对于300 MW机组，再热器喷水每减少10 t/h，煤耗降低约1.91 g/（kW·h）]。

（2）矫正燃烧不均衡。及时发现和矫正两侧烟温、汽温的偏差;防止烟气偏向一侧，导致该侧水冷壁磨损、结焦;防止局部过热而流渣。

（3）提高燃烧效率。优化风/粉比，将过量空气系数降低至合理范围内;均衡各侧（角）燃烧器的风量分配;控制火焰中心高度，使煤粉在炉膛内充分燃尽，确保合理的热量分配;为优化燃烧控制系统提供更直接的判据，使优化系统更具可操作性。

（4）降低污染物排放。防止出现局部火焰过热，降低NOx生成（当局部火焰温度达到1 482 ℃时，NOx生成将呈指数级增加）;对于配置有脱硝装置的锅炉，由于烟气中NOx含量降低，可大大降低脱硝装置的运行费用。

（5）保障锅炉安全运行。可避免燃烧工况组织不合理造成的火焰中心偏斜、火焰刷墙等情况，以免发生炉膛结焦、灭火、爆炸以及爆管等运行事故。

3.2    经济效益

本系统投运后，机组运行经济性得到提高，预计锅炉燃烧效率提高至少0.1%，水冷壁及过热器壁温不均匀度下降20%;大幅减少甚至避免了锅炉受热面超温及高温腐蚀等问题，降低了受热面超温或高温腐蚀引起的爆管等不安全事件的发生率，大大提高了锅炉运行可靠性;同时可延长检修周期而带来效益，锅炉本体平均检修周期预计延长半年以上。

3.3    社会效益

该技术是计算机、声学、信息处理技术、图像处理技术相结合的综合产物，其應用必将有力推动我国锅炉安全监测与节能减排技术的发展，使技术迅速变为生产力，并带动相关学科人才的培养和发展，因而具有重要的社会效益。

3.4    环境效益

本项目在锅炉燃烧优化控制、安全运行、提高生产效率、节约能源、寻求最优燃烧方式及最优控制策略、减少环境污染等方面都具有重要意义。

4    结语

综上所述，声波测温系统已在国内众多电厂进行了与温度探针的实际对比验证，实践表明，偏差在7～14 ℃范围内，其完全可以取代温度探针。通过监控炉膛出口温度，判别水冷壁吸热情况及局部火焰过热、炉膛出口火焰偏斜情况，进行燃烧效果评价。同时，可取代只能在启动时使用的温度探针，从启动开始，全过程监控锅炉炉膛出口烟温，确保锅炉燃烧安全，实现运行优化、节能减排。

[参考文献]

[1] 陈钦，杨权，舒茂龙.1 000 MW超超临界锅炉声波测温技术的特点及应用[J].华电技术，2011，33（3）：5-7.

收稿日期：2021-10-21

作者简介：张建立（1987—），男，山东烟台人，硕士研究生，工程师，从事电力生产工作。