FPW法测量330 MW循环流化床锅炉火焰温度及辐射率

杨豪骏,　杨　斌,　何　渊,　蔡小舒

(1.上海理工大学 颗粒与两相流测量研究所，上海 200093；

2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093)



FPW法测量330 MW循环流化床锅炉火焰温度及辐射率

杨豪骏1,2,杨斌1,2,何渊1,2,蔡小舒1,2

(1.上海理工大学 颗粒与两相流测量研究所，上海 200093；

2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093)

摘要：基于快速寻峰法(Fast Searching Peak Wavelength，FPW)原理，研制了水冷光纤探针，对某台330 MW循环流化床锅炉稀相区不同高度位置的火焰温度及辐射率进行了测量，并采用FPW法处理测量数据，得到了不同测量位置的火焰温度和辐射率.结果表明：在FPW法测量中，可以用煤粉燃烧火焰温度模型，所得到的循环流化床锅炉火焰温度的最大偏差小于6%；火焰温度和辐射率随炉膛高度的增加而降低；与煤粉锅炉相比，循环流化床锅炉的火焰温度低，辐射率高，辐射换热能力强.

关键词：快速寻峰法； 火焰温度； 辐射率； 维恩定律； 循环流化床； 稀相区

快速寻峰法(Fast searching Peak Wavelength，FPW)是在光纤光谱法基础上发展起来的一种快速火焰温度测量方法，它能够在经黑体炉等已知温度的高温物体标定得到峰值波长与温度的关系后，直接根据光谱仪测得的火焰相对辐射光谱峰值波长得到火焰温度.笔者采用FPW法对某台330 MW循环流化床锅炉稀相区火焰进行测量，得到其火焰温度,并比较分析了煤粉炉火焰辐射率与循环流化床锅炉稀相区火焰辐射率的不同对燃烧温度和辐射换热的影响.

1FPW法温度测量原理

FPW法是一种基于维恩定律及普朗克定律发展而来的快速测温方法.维恩定律指出，在一定温度下，黑体或灰体的温度与辐射本领最大值对应波长(即峰值波长)λm的乘积为一常数，即λm×T=const，式中const=0.002 897 m·K，称为维恩常量，因此可以根据λm计算出温度T.图1给出了维恩定律中峰值波长λm与温度的关系，其中横坐标为辐射波长，纵坐标为单位体积火焰辐射能量.

图1　维恩定律中峰值波长λm与温度的关系

然而维恩定律的λm在温度低于2 000 K时位于红外波段，采用硅材料的CCD(CMOS)光纤光谱仪只能测量200~1 100 nm的光谱，无法测到温度低于2 000 K的火焰辐射光谱的峰值.且根据CCD(CMOS)阵列的光谱特性，测得的辐射光谱不是火焰辐射的真实光谱，而是带有CCD光谱特性和光纤光谱特性的相对光谱.图2给出了采用光纤光谱仪测得的黑体炉不同温度下的相对辐射光谱，以及根据普朗克定理得到的黑体炉在同温度下的实际辐射光谱(右侧上翘谱线).从图2可以看出，光纤光谱仪测得的相对辐射光谱与同温度下的实际辐射光谱有很大不同.受CCD(CMOS)光谱响应特性的影响，光纤光谱仪测得的辐射光谱存在一个最大值，在某个波长辐射光谱相对强度达到最大值，然后逐渐减小，到1 100 nm达到0.从图2还可以看到，当温度从835 ℃升高到935 ℃时，峰值波长逐步向短波长移动，符合维恩定律的规律.因此认为有可能利用该信息进行火焰温度的快速测量.

图2　黑体炉中峰值波长随温度的变化关系

根据该现象发展的FPW法通过寻找光纤光谱仪测量火焰发射的相对辐射光谱峰值对应的波长，根据不同的火焰类型建立峰值波长与温度关系模型，即可得到火焰的温度[13].

对于电站锅炉的煤粉火焰，经研究得到如下关系式：

(1)

式中：λ为光纤光谱仪测得的火焰相对辐射光谱中的波长.

2循环流化床锅炉工况简介

采用FPW法对某台330 MW循环流化床锅炉稀相区的火焰进行测量，得到火焰的辐射率和温度.图3为该循环流化床锅炉的测量位置示意图，共布置有5个测量位置：第5层(25.1 m)2个，分别在左炉墙的L5和前墙的F5；第6层(32.9 m)1个，即左炉墙的L6；第7层(38.4 m)2个，分别在左炉墙的L7和前墙的F7.这3个测量层均位于循环流化床锅炉的稀相区.实验一共分为3个工况，工况1负荷为270 MW，工况2负荷为331 MW，工况3负荷为328 MW.

图4(a)给出了火焰温度测量系统示意图，该系统由测量探针、光纤、光纤光谱仪和计算机等构成.由于炉膛内温度为1 000 ℃左右的高温，为保证测量探针可靠工作，防止高温损坏光纤和光学元件，探针采用如图4(b)所示的循环水冷结构，包括不锈钢探针外管、不锈钢光纤内管、耐高温光纤、冷却水进出口接头等.光纤采用OPTRAN POLYIMIDE WF系列耐高温聚酰亚胺涂层光纤，最高工作温度可达400 ℃.冷却水从探针尾部不锈钢光纤内管流入，在端部流出进入外管，然后从探针尾部流出，此结构保证了光纤能在常温下工作.光纤接收火焰的辐射后，将光信号传输到光纤光谱仪，计算机对光谱进行分析后得到火焰的温度和辐射率.

(a) 锅炉不同层高测量位置

(b) 炉膛内测点距离示意图

(a) 锅炉火焰温度测量系统示意图

(b) 水冷探针示意图

实验时探针分别插入各个测量位置，在每个测量位置分别测量距炉膛水冷壁6个不同距离的火焰，以获得不同炉膛深度火焰的温度和辐射率.6个测点距离水冷壁的距离分别为0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、50 cm和70 cm.详细工况参数见表1.

3循环流化床锅炉火焰辐射率和温度测量

维恩定理的适用条件是黑体或灰体.在黑体或灰体的条件下，光纤光谱仪测得的火焰辐射光谱的峰值波长与温度间的关系是线性变化的，但如果火焰辐射率不符合灰体条件，而是峰值波长和温度的函数，则该关系不再是线性关系.因此，需要先研究循环流化床锅炉火焰辐射率函数.笔者采用文献[14]提出的火焰辐射光谱测量火焰辐射率的方法测量循环流化床锅炉火焰的辐射率.图5为工况2时，在L7和L5层第4测点测得的火焰辐射率函数.图6为工况1时，在L7和L5层第2测点测得的火焰辐射率函数.

表1　实验工况参数汇总

(a) L7层第4测点火焰辐射率

(b) L5层第4测点火焰辐射率

从图5和图6可以看出，测得的火焰辐射率不仅在不同测点时有所不同，而且随波长的变化也都不是常数，即循环流化床锅炉火焰并不是灰体.研究表明，对于连续辐射和可见光区带状辐射的物体，辐射率变化的规律总可以用波长和温度的多项式函数来表示[15].在实际应用中，若测量波段选在近红外和可见光范围，辐射率函数呈单调变化，其函数形式为：

(a) L5层第2测点火焰辐射率

(b) L7层第2测点火焰辐射率

(2)

式中：α0，α1，…，αn为拟合系数.

将图5(a)测得的火焰辐射率随波长的变化曲线进行多项式拟合可得：

lnε=7.808-0.020 8λ-1.125×10-5λ2

(3)

式(3)拟合函数与原函数的对比如图7所示.从图7和式(3)可以看出，虽然循环流化床锅炉火焰辐射率的对数是波长的二次函数，但其在该波长范围内的变化并不大，辐射率的平均值与辐射率原函数的最大偏差为8.5%，分别在波长700 nm和1 000 nm处.也就是说如果将该火焰作为灰体火焰处理，采用FPW法测得的火焰温度与用光谱法测得的火焰温度产生的最大偏差不会超过8.5%.

表2给出了采用FPW法由煤粉锅炉火焰辐射率函数式(1)得到的循环流化床锅炉火焰温度与光谱法测得的火焰温度的结果比较，并给出了火焰的平均辐射率.从表2可以看出，采用式(1)得到的FPW法火焰温度模型用于循环流化床锅炉火焰温度的测量最大偏差在6%以内，这表明煤粉火焰温度的FPW法火焰温度模型同样可以用于循环流化床锅炉火焰温度的测量.

图7　测得的辐射率原函数与拟合函数的对比

实验工况平均辐射率平均辐射率误差/%FPW法测得的火焰温度/℃光谱法测得的火焰温度/℃温度偏差/%工况1,L5-21)0.504.57103010875.53工况1,L7-22)0.184.65104410934.69工况2,L5-43)0.553.23110211504.35工况2,L7-44)0.383.70105311044.84工况3,L5-40.524.41104010894.71工况3,L7-40.404.17100810504.17

注：1)L5-2表示L5层第2测点；2)L7-2表示L7层第2测点；3)L5-4表示L5层第4测点；4)L7-4表示L7层第4测点.

由图5和表2可知，331 MW时循环流化床锅炉中内火焰平均辐射率L5层为0.55，L7层为0.38.研究表明，火焰在光谱测量波段的辐射主要由炭黑颗粒及飞灰产生，而平均辐射率的差异是由于L7层相对于L5层处于更高的位置，此处已基本是高温烟气，炭黑颗粒和飞灰的浓度较低，导致L7层的火焰平均辐射率要低于L5层的火焰平均辐射率.

从表2还可以看出，工况1时L5层的火焰平均辐射率稍小于工况2时L5层的火焰平均辐射率，但是L7层的火焰平均辐射率0.18要远低于工况2时的火焰平均辐射率0.38，综合表1，分析可能的原因是工况1相对于工况2风量下降，导致炭黑颗粒和飞灰浓度在该区域下降，造成火焰平均辐射率降低.而L5层处于燃烧区上部，炭黑颗粒和飞灰的浓度变化不大，所以在2个工况下火焰平均辐射率变化不大.表3给出了各工况下各层的火焰平均辐射率.

图8给出了工况3下测得的火焰温度随循环流化床锅炉高度的变化规律.从图8可以看出，同一工况下测量位置越高，炉膛火焰温度越低，在第7层测量位置，火焰温度低于1 000 ℃.由于探针插入的深度远小于炉膛的半径，因此不同深度的测量结果基本相同.图9给出了工况3下F7层6个测点所测得的火焰温度.

表3　各负荷下各测量层的平均辐射率

图8　工况3下不同高度位置的火焰温度

图9　工况3下F7层6个测点的火焰温度

表4给出了在不同工况下各测量层所测得的火焰温度平均值汇总.从表4可以看出，工况1下不同测量位置测得的火焰温度基本相同，但从表3可知它们的平均辐射率差别很大.其原因还有待分析，可能与锅炉的运行状态有关.在满负荷工况下，从第5层~第7层火焰温度逐步下降.且工况3下的火焰温度要稍低于工况2下的火焰温度.

表4不同工况下各测量层的火焰温度平均值

Tab.4Average flame temperature at different measuring positions under various conditions

℃

4循环流化床锅炉与煤粉锅炉的火焰辐射率和温度的比较

在循环流化床锅炉中火焰换热分3种形式：炉内三原子气体在红外波段对炉膛壁面的热辐射，床层的燃料沸腾燃烧时对下层埋管的热传导与辐射以及上层火焰炭黑颗粒和飞灰对水冷壁的热辐射.相比之下，煤粉锅炉炉膛火焰的换热形式主要是炉内燃烧的高温煤粉颗粒以及三原子气体对炉膛水冷壁的热辐射.根据热辐射定律：

(4)

式中：W为单位表面积单位时间辐射总能量；σ是斯忒潘玻耳兹曼常量.

从式(4)可知，火焰的辐射换热能力不仅与温度有关，还与火焰的辐射率有关.循环流化床锅炉稀相区火焰的辐射换热类似于煤粉锅炉的火焰辐射换热.表5给出了在330 MW和350 MW煤粉锅炉上测得的可见光和近红外波段火焰平均辐射率和温度,其中辐射换热量是利用式(4)计算得到的火焰辐射换热量.因为在锅炉炉膛中，火焰中固体颗粒的辐射占火焰辐射的很大比例，三原子气体在红外波段的贡献相对较小，但式(4)没有考虑气体在远红外波段的不连续辐射，所以根据测得的火焰辐射率计算得到的火焰辐射换热量比实际辐射换热量偏小.

表5循环流化床锅炉和煤粉锅炉火焰在

可见光和近红外波段的辐射换热量

Tab.5Heat transfer in visible and near infrared band between CFB and coal-fired boiler

锅炉温度/℃平均辐射率辐射换热量/(kW·m-2)331MW循环流化床锅炉350MW煤粉锅炉330MW煤粉锅炉11000.510103.410670.38069.69920.44064.012050.31284.512890.23278.412360.29085.413030.18063.114200.12455.413760.20786.9

从表5可以看出，在可见光和近红外波段煤粉锅炉的火焰平均辐射率低于循环流化床锅炉的火焰平均辐射率，尤其是在330 MW煤粉锅炉测得的火焰平均辐射率最低，但其温度最高，循环流化床锅炉火焰温度低于煤粉锅炉，但其辐射换热能力并不低.如当350 MW煤粉锅炉额定负荷时的火焰温度为1 205 ℃，平均辐射率为0.312，辐射换热量低于循环流化床锅炉火焰温度为1 100 ℃时的辐射换热量，仅是其81.7%.而330 MW煤粉锅炉在火焰温度1 420 ℃时的辐射换热量也还是低于循环流化床锅炉火焰在992 ℃时的辐射换热量，仅为其86.6%.在燃烧过程中，热力型NOx的产生条件是炉内火焰温度达到1 000 ℃以上.因此，如果提高煤粉锅炉的火焰平均辐射率，辅之以煤粉在较低温度下稳定燃烧的措施，将是减少煤粉锅炉NOx排放量的一个有效途径.

5结论

(1) 循环流化床锅炉稀相区火焰辐射率的对数是波长的二次函数，但随波长变化的幅度不大，其平均值与辐射率原函数的最大偏差为8.5%；在测量火焰温度时，可以用平均辐射率代替辐射率函数，将火焰作为灰体处理.

(2) 循环流化床锅炉火焰和煤粉锅炉火焰类似，在FPW法测量中，可以采用煤粉燃烧火焰温度模型，所得到的循环流化床锅炉火焰温度的最大偏差小于6%.

(3) 在循环流化床锅炉额定负荷工况下，随着测点位置高度的增加，火焰平均辐射率和温度均下降.但在工况1时，随测点位置高度的增加，火焰平均辐射率下降，温度则基本相同.在炉膛近壁面不同位置，火焰温度变化不大，基本均匀.

(4) 在可见光和近红外波段煤粉锅炉的火焰平均辐射率低于循环流化床锅炉的火焰平均辐射率，当要求相同辐射换热量时，煤粉锅炉需要的火焰温度相比循环流化床锅炉火焰温度高.因此，在采取稳定燃烧的措施下，提高煤粉锅炉火焰辐射率，降低煤粉火焰温度是减少热力型NOx产生的有效途径之一.

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Measurement of Flame Temperature and Emissivity in a 330 MW CFB Boiler by FPW Method

YANGHaojun1,2,YANGBin1,2,HEYuan1,2,CAIXiaoshu1,2

(1. Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China)

Abstract：Based on the principle of fast searching peak wavelength (FPW) method, a water-cooled optical fiber probe was developed to measure the flame temperature and emissivity at different positions in dilute zone of a 330 MW circulating fluidized bed (CFB) boiler, after which the data were processed by FPW method, and subsequently the flame temperature and emissivity at different positions were acquired. Results show that in FPW measurement, the maximum error of flame temperature in CFB boiler would be less than 6%, if the model of coal-fired boiler is adopted for the flame temperature measurement of CFB boiler; both the flame temperature and emissivity reduce with the rise of furnace height; compared with coal-fired boiler, the CFB boiler has a lower flame temperature, higher emissivity and stronger capability in radiation heat transfer.

Key words：FPW; flame temperature; emissivity; Wien's law; CFB; dilute zone

文章编号：1674-7607(2016)02-0123-07

中图分类号：TK31

文献标志码：A学科分类号：470.30

作者简介：杨豪骏(1991-)，男，上海人，硕士研究生，研究方向为火焰燃烧与诊断．蔡小舒(通信作者)，男，博士生导师，电话(Tel.)：021-55275059；E-mail：usst_caixs@163.com.

基金项目：上海市科委科研计划资助项目(13DZ2260900)；国家自然科学基金重大科研仪器设备专项资助项目(51327803)

收稿日期：2015-03-02

修订日期：2015-07-10