为控制燃烧和排放提供改进温度测量的声波测温方法的近期发展

1、声波测温方法的近期发展George Kychakoff,Ph.D.Peter Ariessohn,Ph.D.President Senior Engineering AdvisorCombustion Specials,Inc Weyerhaeuser CompanyMaple Valley,WashingtonTacoma,WashingtonSteve DeGroot Greg HayesRegional Sales Manager Senior EngineerStock Equipment Company Western ResourcesChagrin Falls,OhioJeffe

2、ryEnergyCenters,Kansas1概述本文描述了为控制燃烧与排放提供精确可靠温度测量的声波测温技术的近期发展。本文回顾了传统的温度测量方法，并专门讨论了使用声波测温取得的数据对锅炉的设计和性能进行评估的实际应用经验。现代电力生产需采用新的技术保持竞争力，降低排放以适应发电成本。电价调整和环保要求等因素的变化，这些需求推动先进控制系统的进一步研发以支持电厂运营的进步。这些先进控制方法需要获得各种工况下锅炉内部的详细信息以使这些先进控制方法产生最佳效果。炉膛内温度场的分布是控制炉内物理和化学过程的一个关键参数。声波测温技术的进步为大型高噪声的锅炉提供了可靠的炉膛烟气温度测量，产生用于实

3、时运行控制的即时温度场分布数据，减少事故停机，并避免产生过量。这些数据可支持锅炉调整和燃烧器优化程序以改善电厂运行。这种方法也可以作为很好的获取经验数据的工具为优化设计以及使用不同煤种的锅炉的特性提供指导。2引言美国超过半数的大型锅炉为适应排放要求采用了燃烧改造技术。例如低氮燃烧器，过燃空气喷射器，烟气再燃系统。锅炉调整和燃烧优化程序等以减少的生成。但所有这些采用不同方式以减少排放的技术都要依赖对炉膛烟气温度的测量。3温度测量的重要性温度是描述热力过程的重要基本参数之一，也是涉及电厂安全、控制和效率的重要考察因素。温度不仅只是燃烧过程的产物，也是过程效率的指标，并直接影响炉内的多个物理和化学过

4、程。对于电厂锅炉，炉膛内和其后部的温度测量都很重要。对整个炉膛烟气温度的控制可对减少排放，控制灰特性，改善整体效率，防止受热面损伤等多方面产生效益。尾部烟道的温度测量可用于控制积灰，保持清洁。也可以给燃烧过程优化系统提供实时数据使后燃烧系统发挥作用以减少和的生成。当前绝大多数的优化程序使用计算机模型集成了近似计算生成温度：但不幸的是，这些估算是基于理论关系并没经过实测值检验因而可导致上百度的偏差。尽管温度测量是很容易理解的科学知识，炉膛燃烧区域的高温和恶劣环境阻碍了可靠的连续在线温度监测技术的发展。过去，使用传统技术对炉膛和燃烧区域进行温度测量存在可靠性和准确性的问题，妨碍了系统对热传递与燃烧

5、效率的精确控制。电站锅炉炉膛传统的温度测量技术不外乎两类：物理接触式如抽吸温度表，非接触式如光谱法与声波法。4接触式温度测量如果需要测量炉膛内动态烟气的温度，最实用的方式是通过陶瓷辐射挡板抽取一些烟气使之流入抽吸式温度表中的热电偶接点（也叫快速热电偶或HVT探头）。理论上这种方法应该提供可靠和精确的温度测量。但实际上，此仪表的响应很慢，同时燃煤锅炉炉膛中灰分的阻隔和热冲击对隔离装置的损伤造成了严重的问题。由于隔离装置需定期更换，这意味着仅将此种探头做为连续监视和趋势分析是不可行的。炉膛温度分布不均并随时间改变，这会导致所测温度数据的不确定性，因为测量是分隔的。使用这种方式测量炉膛某一整层平面的

6、温度需要数小时，这期间炉膛运行状况的改变会导致温度大幅变化。对于现代大型燃煤蒸汽锅炉，HVT探头的实际长度限度约为30英尺（九米）。即使这样，探头很笨重，一般需要两个人才能移动，需要较大的开口和无障碍物的伸缩空间。为解决此问题很多电厂需使用自动伸缩设备，但不管是手动还是自动，其可用度有限并且相对昂贵。有些电厂，炉膛温度采用炉膛对流区的热电偶读数，经热传递分析得到的。这种非直接测量技术的缺点是它采用分析假定方式推导出的温度值。另外，这种方式不可能得出炉膛二维平面温度分布信息。这种方法还需在对流屏区域安装多个使用寿命相对较短的热电偶。并且传热分析需要精确确定每个单一回路的蒸汽流量与温度。5非接触方

7、式接触式测量的局限性和困难促进了各种非接触法实时测量炉膛烟气温度方法的开发与应用。这种方法多数基于对炉膛烟气及飞灰的热辐射的测量。6辐射式温度计辐射式温度计在工业领域中广泛应用了多年，它测量目标的亮度（光学式）或部分电磁辐射波段（辐射式）。光学高温计对准热表面，得到目标亮度，将它与仪器中的校正源亮度比较而测定温度，当进行精确校正的话，光学高温计可以在1500以上非常好的测量。然而，由于干净烟气的辐射不在可见光范围内，因而限制它应用于烟气的温度测量。大家熟知的辐射式温度计是红外温度计，它测量某个表面或区域散发的红外线强度。如果被测目标是均匀的黑体（全吸收）表面，那么根据布朗克黑体辐射定律，在给定

8、波长条件下，辐射强度随表面温度而变化，因此，测量辐射强度就可以确定其温度。如果吸收率（等于辐射率）低于统一体，那么其表面辐射强度将低于黑体，此时，如果知道辐射率，我们仍可以精确的推断出温度，由于现场具体条件是不同的，因此，大多数辐射高温计上均配置辐射率调整装置，用户可根据实际情况调整。当遇到非不透明物体时，例如炉膛烟气，红外高温计测温就变得非常复杂了。在这种情况下，辐射率不仅取决去被测辐射物体的特性，还取决于辐射高温计视线距离。结果是，红外检测仪检测到的辐射量取决于三维辐射空间，从而限制其在炉膛环境下的温度测量。电磁辐射的吸收和辐射决定了高温计内的辐射强度，它遵循下列公式：-温度和波长的布朗克

9、函数-吸收系数-距离这是一个非线性关系，炉膛内离表计近的区域的辐射对高温计测温影响更大。在一个均匀加热的炉内这不是一个问题，然而在燃煤炉膛内任何情况温度分布都是不均匀的。例如，炉膛炉墙周边温度要比中心区域温度低几百度（Khalil，1976）。此外，热烟气的辐射特性也与热固体是不同的，它不辐射连续的辐射光谱，而是根据它的分子成分和浓度辐射的光谱是离散的。这些辐射光发生特定的吸收/辐射波段内，它的辐射吸收强度取决于压力和温度，这些因素导致不同的辐射率和不同的穿透深度（Klausen,1996）。例如，在燃煤锅炉中，主要的烟气成分是三个波段，它们的穿透距离不同，从几英寸到超出100英尺。然而红外辐

10、射高温计无法提供滤波器使其仅仅测量其中一个波段，而波段的选择决定了穿透深度和测量有效性。此外，无论是辐射率和穿透深度将因炉膛温度和浓度改变而改变，这种不确定性和限制条件阻碍了红外高温计在大型公用事业锅炉的炉膛烟气测温上的广泛应用。7飞灰颗粒辐射光谱测量有一类通过炉膛烟气中悬浮飞灰颗粒发射的可见光来测量温度的辐射式温度表。通过选用合适的波段，这种仪表可避免传统类型辐射式测量的误差和不确定性。但它需要飞灰颗粒与燃气分布均匀及达到可测量的一定的浓度。这种表有一个采光管收集飞灰颗粒发出的辐射并将其传导至光导纤维上，之后转发到有过滤波段装置的图像探测区上。图像探测器生成与采集到的辐射成比例的信号，经放大

11、和数字的处理后提供给微处理器。微处理器采用合适的计算程序得出该处飞灰的温度。由于烟气中飞灰浓度及其辐射微弱的因素导致这种测量的平均时间至少为60秒钟，且在1800ºF（982）以上温度时不能使用（在温度范围的下面区域内还可能增加红外波段的辐射，这同样会产生上面叙述过的红外高温计的那些限制）。仪表的视角不可以被焦或积灰和炉内其他障碍物所阻挡。飞灰光谱温度表是精密光学仪器，其前端镜头需保护并尽力维护保养。8声波温度表众所周知声音的传播速度直接随介质温度而变化，声速的变化可反应出介质温度的变化。此关系基于通用气体定律：这里：是压力，是密度，是特定通用气体常数，是温度，另外声速与压力和密度的

12、关系为：此处：是声速，是定压定容状态下的比热。结合这两个关系式可导出：这就是声速和温度之间的基本关系。理论上，所需要的是在某一时刻由发送器发出声波，并由接收器在已知的距离上测量声速并计算温度。这种方法相比传统的接触式和辐射式温度计有以下重要优点：（）这是一种可提供实时测量数据的非接触方法；（）它提供了整个声波传播路线上的综合温度信息；（）它可达到很好的精度和准确性；（）它的精确度不受辐射等不确定因素影响。从应用角度讲，其过程和原理更具挑战性，特别是在测量大型电站锅炉的炉膛烟气温度方面。例如，一个可控的高强度声源来克服炉膛环境噪音的影响。还有，必须使用可靠的信号探测技术以获得精细准确的时间路径测

13、量。另外，必须考虑热梯度、烟气成分变化对声波常数rR的影响，和锅炉膨胀造成的路径长度的变化等因素（Kleppe,1989）。声波测温开创性的起始发展是由上世纪80年代初期英国中央电力局（Green,1983）及1988年在美国进行的EPRI/CEGB初期联合试验开始的。之后开始出现许多应用实例，测量误差的研究和通过工艺改进来提高精度（Muzio，1989）。例如，微处理器的应用大大提高了计时测量精度，进一步研究开始进入各种化石燃料声学常数的定量（Young,1998）。现代声波高温计测温范围可达到03500（181926），精确度优于±2%（Elliot, 1991）。上世纪九十年代

14、中期，由于微处理器的应用，交互式关联技术的发展以及热成像方法的应用，声波高温计已经得到重大发展。虽然这些改进展示了声波高温计潜在的应用前景，但是，在大型公用事业锅炉中推向市场的声波高温计均遭到了背景噪声的干扰问题，它限制了测量通道的长度，以及在检测信号时需要与吹灰器操作相协调。9声波温度测量的近期进展阻碍声波温度测量方法在大型电站锅炉上广泛商业化使用的主要技术挑战是如何可靠地产生了强大的能不受严重的炉内背景噪声干扰的可探测声波信号。最近，高强度前沿刚劲的气动声波发生器和先进的信号探测算法的研制成功极大地解决了这个问题。这种具有专利技术的声波发生器（Combustion Specialists,

15、Inc开发）已应用于AccuTEMP声波高温计（Stock Equipment Company,2000）,它可产生高能声波（170dB），产生的声波有刚劲的前沿，由发生器向四周发射。即使在相对大的噪声下，仍可以在03500ºF（-181926）范围内达到±1%测量精度。新的声源可在100英尺（30米）宽的炉膛内和吹灰器范围内测量炉膛烟气温度，这在以前是不可能的。它也可以使用长距离管道40英尺（12米）把声波传导到希望测量的地点，比如锅炉鼻部，这样可以通过风箱或绕过障碍物实施测温而不影响测量结果。高能声波也允许使用更小更精密的接收器，可以方便地在锅炉水冷壁管鳍片上开一个1/

16、2英寸（）尺寸的槽内穿过炉壁安装，这就大大节约了安装成本。10炉膛检测与过程控制声波温度计可以连续实时地监视炉膛温度空间的瞬时变化。它们可以用来在锅炉启动时进行监视防止超温导致的炉膛对流区域管壁的变形和损坏。最近在中西部燃用PRB煤的一座锅炉上安装了声波温度计测量炉膛出口温度以反映机组负荷。运行人员注意到在起动期间指示出超温状况而温度探针HVT却没有反应。对过热器的检查发现它在启动期间遭到了大规模损伤。如果将声波温度计纳入启动程序就会避免维修损伤的费用。在很多应用项目中采用一个声波发生器和三个接收器的配置方案，这已能提供足够的信息确保在起动和正常运行期间监视炉膛出口温度。根据具体需求，其他的系

17、统配置很容易达到以实现众多的控制方案。例如，切圆燃烧分割炉膛可以采用同样的控制方案简单地在需要地方布置发生器和接收器。一个控制平台可采用多达16个发生器和接收器使此系统不仅能监视炉膛出口温度而且可监视火球的集中度。该系统的灵敏度也足够以测量由于燃烧器改变倾角导致的炉膛出口温度的变化，也可用于检测水冷壁泄漏，并发生报警。由于炉膛出口烟气温度是表现炉膛内部热传递质量的一个重要指标，所以它是锅炉控制系统的一个重要参数。每个锅炉都设计成在某一具体温度下可达到最优化的热传递分布。但是由于煤质、锅炉负荷、积灰和其他过程参数的变化使锅炉的燃烧特性在运行过程中连续变化，对炉膛出口烟气温度的连续在线测量使得运行

18、人员可监视炉膛的变化趋势并采取措施防止不该发生的状况产生。例如，水冷壁下部的积灰仅在需要时才有必要开启吹扫设备清除。这可以防止由于过度使用吹扫设备对管壁造成的磨蚀。通过在相应的生热区域设置接收器，声波温度计可以监视并警报由于过高的火焰温度导致过量的生成。在温度高于2700（1482）时的生成以指数级增加，控制炉膛温度低于放热设计限值对于减少排放至关重要。将炉膛温度和生成限制在期望的限值内也对燃后的排放控制系统产生影响。例如，反应剂的用量是与炉膛内的生成量直接相关的。另外，燃后排污技术的效率和效果也取决于维持运行温度在一定的范围内。如果用于原始设计评估，声波温度计可用来确定最佳的反应剂喷射点以确保这些排污控制系统的最佳效率（Power,1989;Gaikwad,1997）。在线炉膛出口温度测量使得燃烧和清扫控制系统可以采用先进的神经元网络和智能吹灰系统。这些系统有能力根据炉膛状况采取动态调节以减少排放并改善电厂性能。当使用类似PRB的劣质煤时，监视炉膛出口烟气