1000 MW超超临界锅炉声波测温技术的特点及应用

陈钦，杨权，舒茂龙

(浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁波 315612)

0 引言

火力发电厂锅炉燃烧优化是火电厂安全、节能和减排的关键所在。越来越多的大型机组采用了燃烧改造技术(如低氮燃烧器、过燃空气喷射器、浓淡分离技术等)，以保证机组经济、安全、稳定运行，减少NOx的产生，达到环保要求。但长期以来，没有一种可靠和准确的测量炉膛温度(场)的手段，使优化燃烧失去直接监控和判别的依据。温度是描述热力过程的重要基本参数之一，是涉及电厂安全、控制和效率的重要因素。对电站锅炉内部温度场进行监视和控制，可防止炉膛出口温度过高导致过热器结焦和管壁超温;矫正燃烧不均衡，及时发现和调整两侧烟温、汽温的偏差;优化风煤比，提高燃烧效率，防止锅炉局部过热;减少NOx排放，控制灰的特性，改善整体效率。

1 炉膛测温技术

炉膛内部燃烧检测对于机组的安全性和经济性有着十分重要的作用。传统的炉膛温度测量装置主要有接触式(伸缩式温度计)和非接触式2类，而非接触式测量装置常见的有辐射式温度计和光谱图像检测系统。但这些技术由于技术不成熟或成本等原因，妨碍了系统对热传递与燃烧效率的精确控制，在实际应用中难以推广。

声波测温技术为大型、高噪声锅炉提供了可靠的炉膛烟气温度测量。早在20世纪80年代，美国和英国专家就对声波测量炉膛烟气温度技术进行了研究。目前，美国Enertechnix公司推出的PyroMetrix声波测温系统成功解决了工程应用方面的一系列难点，已经广泛应用于美国、印度和韩国等多个国家的电厂。

国华宁海电厂二期2×1000 MW机组采用的是上海锅炉厂有限公司引进Alstom－Power公司Boiler Gmbh技术生产的SG3091/27.56－M54X型超超临界参数变压运行螺旋管圈直流锅炉，单炉膛单切圆燃烧、全悬吊结构、塔式布置。在国内，宁海电厂率先在1000MW超超临界塔式炉上使用炉膛声波测温技术并成功应用，这对该项技术在大容量、高参数机组特别是1000MW机组上的推广使用具有重要意义。

2 声波测温技术及系统构成

2.1 声波测温技术原理

声波测温是一种基于声速和声音传播介质密度之间关系的非接触测量方法。声速随着传播介质温度的变化而变化，声速的改变可以直接提供介质温度的测量结果［1］(图1为声波测温系统的原理图)，这种关系是基于理想气体定律

式中:p为压力;ρ为密度;R为通用气体常数;T为温度。

图1 声波测温系统原理图

在上述关系中，声速和定压定容比有下列关系

式中:v为声速;c为定压定容状态下的比热容。综合以上2个关系式可以得到

这是声速和温度之间的基本关系式。

理论上，温度测量的所有要求就是在特定时间产生一个声波，接收器在知道距离的情况下测得声波到达时间，确定声音速度并且计算出温度。

声波测温技术与传统炉膛测温技术相比有下列5 项优点［2］:

(1)精度高，不受辐射等不确定因素的影响，其精度可以达到±1%。

(2)测量温度范围广，在锅炉全负荷范围内均可使用。

(3)测量空间不受限，不仅可以测量平均温度，还可以确定炉膛温度场分布。

(4)测量灵敏度高，实时性好。

(5)可维护性较好。

2.2 PyroMetrix声波测温系统组成

国华宁海电厂二期1 000 MW超超临界锅炉采用美国Enertechnix公司开发的PyroMetrix声波测温系统。PyroMetrix声波测温系统由声波发生器(ASG)、触发器(AST)、声波接收器(ASR)、微机处理器(SPC)等重要部件组成。其通过声波发生器(ASG)将压力为0.6 MPa的仪用气压缩成3.0 MPa的高压气体，形成一股强烈、高速的声波，触发AST动作的同时，发射到炉膛内，由声波接收器(ASR)接收高速声波，记录发射和接收声波的时间，通过SPC内部逻辑技术，得出该声波轨迹内一个平均温度，系统框图如图2所示。

图2 PyroMetrix声波测温系统框图

国华宁海电厂二期#6锅炉上安装有2层声波测温系统，每层系统独立，互不影响。上层安装在67 m，下层安装在51 m。声波测温系统分现场部分和集控室电子间部分。

每套系统组成主要包括2个声波发生器(ASG)和6个声波接收器(ASR)。2套系统共用1个微机处理器(SPC)。测量系统配置如图3所示。

通过测量得到8个通道上烟气的平均温度，再经计算机特殊算法处理得到炉膛温度场分布(如图4所示)并在分散控制系统(DCS)显示器上显示出来，指导运行人员操作。

另外，该系统通过声波强度与持续时间的对比筛选，可方便地将炉管泄漏声音和别的噪音(如吹灰)区别出来，及时发出炉管泄漏报警，在分散控制系统(DCS)画面上显示(如图5所示)，使该系统兼具检测炉管泄漏的功能。

图3 炉膛温度测量系统配置图

3 应用特点及常见问题分析

3.1 应用特点

PyroMetrix声波测温系统克服了1000 MW超超临界锅炉内部噪声大、灰度大等恶劣工作环境，运行1年多来，对机组安全、稳定运行，特别是燃烧调整起了重要的作用。该系统拥有以下3项核心技术:

(1)高强度、前沿刚劲的声波发生器(ASG)。Enertechnix公司开发的气动声波发生器能发出高强度(＞170dB)的声波，测量距离达30m，声波前沿刚劲陡峭(＜50 μs)，温度测量范围广(－18～1 926℃)，测量准确度达到±1%。

(2)小型精密接收器(ASR)。接收器只需在水冷壁管间的鳍片上开ø12.7 mm小孔就可以监听发生器发来的声波，安装方便。

(3)多接收器处理技术。1个声波发生器发出的声波可以有多个接收器同时监听，1个控制平台可采用16个发生器和接收器，比起1个发生器对应1个接收器的系统来说，不仅简化了系统，更重要的是大大减少了锅炉上安装发生器必须在水冷壁弯管开孔带来的麻烦。

此外，该系统在监测显示方面有多种表现方法。除DCS温度场显示外，还可以在微机上显示区域参数(Zone View)、路径参数(Path View)，进行2D和3D数据显示，给炉内温度数据分析提供了很多便利。

3.2 常见问题分析

PyroMetrix声波测温系统在国华宁海电厂投用1年以来，总体运行正常，但还存在一些问题和故障。

(1)触发器信号衰弱。检查触发器管路是否松动或堵塞、ASG控制阀是否全开、听筒安装是否正常、控制箱是否远离振动源以及超大噪音源。

(2)没有吹灰时锅炉噪音很大。若噪声持续，检查炉膛是否泄漏，确保听筒安装正确、在ASR附近无密封泄漏及ASR吹扫仪用气压力低于14.0kPa。

(3)信号强度不足。确保信号有一个清晰的路径，没有任何物理阻挡(包括水冷壁管子)，确保听筒没有被灰尘堵塞。

(4)温度错误。检查是否存在泄漏或吹灰等异常情况，声波路径长度设置是否正确。

运行1年来，该声波测温系统的日常缺陷率较低，但需要进行定期维护(如定期更换消耗品等)，以提高整套系统的运行稳定性。

尽管声波测温技术能够准确测量出炉膛燃烧温度场的数据，但由于是新技术，在实际运行中对机组运行指导不够。因此，需要加强培训，转变机组运行人员传统运行操作方式，使其敢于使用先进技术监控炉内燃烧过程，保证机组安全、经济、稳定运行。

4 结论

(1)采用微处理器、先进计算软件和高能声源的声波测温系统，能可靠地测量大型高噪音锅炉炉膛烟气温度，提供瞬时温度分布数据，用于实时控制炉内燃烧过程、防止被迫停机以及减少NOx的生成，对火电厂安全、节能和减排具有重要意义。

(2)PyroMetrix声波测温系统在1 000 MW超超临界机组上首次应用，投运1年来总体性能良好，为检测炉内燃烧过程提供了可靠依据，促进了声波测温技术在大容量、高参数机组上的应用。

(3)对于声波测温技术的应用，需要加大相关培训力度，改变机组运行人员传统运行操作方式，保证机组安全、经济、稳定运行。

［1］杨祥良.基于声波测温技术的电站锅炉受热面污染监测研究［D］.北京:华北电力大学，2010.

［2］陆磐谷.声波测温技术在大型焦化加热炉温度场监测系统上的应用［J］.石油化工设备技术，2008，29(1):7－12.