锅炉炉膛声学与红外耦合测温系统的研究

渠晓军　崔旭阳,2　吕沁阳　金　　苏铁熊　马理强

(中北大学朔州校区1，山西 朔州　036000；天津大学机械工程学院2，天津　300072 )

锅炉炉膛声学与红外耦合测温系统的研究

渠晓军1崔旭阳1,2吕沁阳1金1苏铁熊1马理强1

(中北大学朔州校区1，山西 朔州036000；天津大学机械工程学院2，天津300072 )

摘要：目前，以声学测温与红外测温两种测温方法单一构建的温度场监测系统，无法达到工程预期的精度要求。为此，通过对声学及红外测温的基本理论进行研究，利用数学建模得到Area-X耦合函数，并构建由数值收集、信号转化、信号拟合等模块组成的声学与红外耦合测温的监测系统。构建的温度场监测系统能够有机结合声学测温与红外测温两者在测温方面的优势，进一步提高对锅炉炉膛温度场实时在线测控的精确度。

关键词：测温技术红外测温声学测温函数建模温度场重建系统构建耦合实时监测电站

Temperature field reconstructionSystem constructionCouplingReal-time monitoringPower station

0引言

现代大型燃煤电站锅炉中，锅炉炉膛温度场分布的精确求解和可视化对于实现电厂低污染排放、有效并安全运行、揭示燃烧过程的现象、反映燃烧的实质和规律都有着重要的价值和科学意义[1-2]。现有可行的测温方法主要分为接触式和非接触式两种。接触式测温以热电偶为主，但由于其元件存在易受干扰、寿命短、只能测量单点温度等缺陷，难以满足现代工程的要求。以声学法、红外法和散射光谱法等为代表的非接触式测温法，以其测量范围广、安全性高等特点，逐渐成为现代炉膛测温的主要手段。本文尝试探寻一种基于红外测温法和声学法二者耦合的测温方法，并研制一种声学与红外耦合测温的实时监测系统[3]，实现对测温的优化。

1红外与声学温度测量技术的现状分析

1.1现有测量炉膛温度分布的技术分析

随着对锅炉炉膛测量温度技术需求的持续提高，温度测量技术也不断改进。测量技术发展至今，不仅有技术较为成熟的直接接触测温法，还有以声学测温等为代表的非接触测温法[4]。直接接触测温法应用最早，该方法将测温设备布置在温度场中进行测量，但其测温周期不宜过长，难以实现对整个炉膛的在线监控测温[5]。而非直接接触测温方法，在测量的过程中不与炉膛内燃料进行接触，因此对被测物的温度分布影响很小，在锅炉燃烧这种快速变化且不恒定的热力过程中，温度测量的精度更高。

1.2红外测温技术的发展动态

红外测温以热力学第三定律为理论基础，通过红外光波本身具备的强温度效应来捕捉被测物体的辐射，并且运用红外光波的基本定律，将这些辐射转换为便于观察与研究分析的数据。这种方法具有反应速度快、测量温度宽、监视温度场整体分布的优点[6]，也具有成本高、抗干扰能力弱、无标准可依等缺点[7]。当前，应用红外手段进行温度测量已成为测温方法应用领域的一个热点，得到了有效的实践。

1.3声学测温技术的发展动态

声学测温是当前锅炉测温手段中较为常用的一种非接触式温度测量技术。其主要原理是通过在炉膛两侧设置声波发射器和接收器，在测量路径已确定的情况下，已知声速即可测得测量路径上的平均速度，从而算出其平均温度[8]。这种方法具有探测范围大、性价比高以及可以将炉内的温度场信息实时可视化的优点，但同时它也有易受强噪声影响以及只能测量二维温度场的缺陷。当前，声学测温法在国际上已经得到了许多研究机构和电力企业的关注，有着很大的发展前景[9]。

1.4两者耦合的理论基础及应用性分析

通过分析红外测温和声学测温各自的优缺点，得出两者的优势可以互补的结论，具体分析如表1所示。

表1　炉内温度测量技术指标分析表

基于表1的对比和分析，锅炉炉膛的声学测温技术和红外CT测温技术的耦合测温技术在以下几个方面是可行的。①在安装性价比、测量过渡时间、测量温度及空间范围等方面,两者可实现优势互补，从而得出更加精确实时的炉膛温度。②在测量中，两者都要实现温度场的建立。虽然红外CT法难以实现三维温度场的重建，但通过声学法的重建可以弥补这一缺陷。③两者测温基理不同，红外CT的电磁波和声学的机械波互不干扰，可同时实现对温度场的测量。

2红外与声学耦合测温系统的构建

依据我国火电厂现有的温度场监测系统的基本构架，构建了如图1所示的声学与红外耦合测温的温度场实时监测系统。该系统主要分为数值收集、信号转化、信号拟合、信号显示四个部分。整个系统的工作路径采用“2+1”的形式，即传统的声电、光电信号链条以及信号拟合、输出路径。其中Area-X 信号拟合器作为整个系统的核心部件，主要对声、光信号引起的电信号进行拟合，并将坏值反馈至收集模块进行调整。

图1　声学红外耦合测温系统示意图

2.1系统数值收集模块分析

数值收集模块原理如图2所示。其中，声学探测器用来收集以声学为基础测量的炉膛温度数据，红外探测仪用来收集以光学为基础测量的炉膛温度的数据。将收集到的数据进行耦合，并送入下一个系统模块。

图2　耦合系统数值收集模块原理图

将通过红外测温的元件布置于炉膛的四角处，得到两条测温路径；将通过声学测温的装置布置于测量面每条线的中点位置，得到六条测温路径，如图3所示。

图3　测温器布置与测温路径解析图

2.2系统信号转化模块分析

信号转化模块的电路分析如图4所示。在图4(a)所示声电转换等效电路中，声学电路与电学电路需要通过一个耦合器进行连接，完成声学与电学信号之间的相互转化。在图4(b)所示的光电转化电路中，通过一系列传感器和集成运算放大电路来实现信号的转化，使信号收集模块所收集到的数据转变为电信号，进而有利于在耦合系统中进行处理[10]。

图4　信号转化模块的电路图

2.3系统耦合模块分析

2.3.1声学测温模块分析

系统通过安装在对称炉墙面上的声波发射器和接收器构成的声学装置，进行有效的测温；通过布置在炉内的接收器，接收由发射器发出的信号并输出。测量的每条路径长度是确定的，通过以下测量温度的公式，可以快速、有效地得出各条测量路径上的平均温度[11]。

(1)

单条路径的温度近似函数为：

T(lk)=Ak(lk)2+Bklk+Ck

(2)

式中:k为被测路径编号,k∈(1,6)。

通过计算机仿真，采用线性插值方法重建二维温度场，得到图3测量点所在研究水平面的温度分布关系函数式：

(3)

2.3.2红外测温模块分析

考虑到锅炉炉膛中复杂的燃烧条件，将红外区的波段作为测量的光谱波段[12]。红外测温利用普朗克辐射定律的原理测量燃烧过程的温度。在炉膛燃烧条件之下，普朗克公式可由维恩公式代替[13]：

(4)

式中：Eλ(T)为火焰辐射能；c1、c2为常数；λ为波长；

ε(λ,T)为辐射率。得到单点温度函数如下：

(5)

基于平方反比法的基理，模拟出某一平面的温度场，得出红外测量点温度之间的相关关系函数为[14]：

(6)

2.3.3测温耦合函数Area-X的拟合

将炉膛内侧测温区划分为A、B区域，如图5所示。

图5　温度测量区域分块解析图

依据前文得出的声学测温和红外测温的温度关系式进行数学建模，拟合出在两者共同测量的结果下，温度场Area-X耦合函数：

(7)

(8)

式(8)所示的数学模型是指通过将声学测温法和红外测温法进行耦合计算测量点的温度模型，同时该模型对于测量点的定义有一定区别。

当温度测量点位于area-B时，其测温特征是：由于红外不能测量炉膛中心的温度，所以温度表达式声学所占计算拟合系数的比例更大。当温度测量点位于area-A时，其测温特征是：由于红外所测精度更高，所以温度表达式中红外所占计算拟合系数的比例更大。

2.4系统显示输出模块分析

将声学测温和红外测温耦合的测温系统所得到的数据进行收集、转化、拟合，接入计算机后输入电厂炉膛温度监测系统，从而实时监测炉膛的温度分布[15]。

3耦合系统的优势分析

对于测量结果而言，该耦合系统可以提高测量精度。由于该系统的布置旨在对不同炉膛区域采取不同的耦合系数，即声学测量和红外测量所占测温数据的百分比不同，因此能更精确地实现锅炉炉膛温度场的监测。对于不同的测量范围，本文提出的耦合系统可以对整个炉膛区域实现全方位立体化的监测；所拟合的相关函数关系式是基于声学和红外独立测量所采用的温度函数关系得到的，更能适应炉膛各处不同温度区域的温度计算。相比单一构建声学或者红外的监测系统，该耦合系统既可以实现温度场的实时监测，同时又节省了一部分设备安装和后续维护所需的经费。

4结束语

在锅炉燃烧过程中，温度在线监测技术的有效利用直接关系到锅炉燃烧效率，以及燃烧过程中释放污染物的成分和含量的多少。测量温度场的精确度，将对研究、预测和诊断锅炉燃烧状态产生影响。本文探讨了将声学和红外的测温原理方程进行有效结合的技术发展情况，分析总结两者在测温方面的耦合优势，通过减小误差实现对锅炉炉膛温度场的实时监控显示。

参考文献

[1]FRANCOISB,SAKHAROVS,DROITC,etal.Wirelesstemperaturemeasurementsabove500°Cusingsurfaceacousticwavesensors[J].ProcediaEngineering,2012(47):1227-1230.

[2] 刘尧平.炉膛断面温度场在线检测及再热器超温研究[D].江苏:华中科技大学,2004(3):251.

[3] 王毅.电站锅炉炉膛出口烟气温度在线检测系统的研究[D].北京：华北电力大学，2011:816.

[4] 程闪.基于近红外比色测温技术对炉内温度全视场检测系统的研究[D].合肥：安徽大学，2008：6.

[5] 李翔，张亮.CCD技术在发动机温度场测试中的应用研究[J].航空兵器，2012(2):33-36.

[6] 姚学军.红外测温原理与测温技术[J].中国仪器仪表，1999(1):10-11.

[7] 杭庆彪，陈乐，刘瑞祥.红外辐射相对温度测量法的新研究[J].红外技术，2009(6)：315-316.

[8] 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，2010:16.

[9] 安连锁,沈国清,张波,等.电站锅炉中声学测温的试验研究[J].电站系统工程，2007(2)：23-25.

[10]GREENBERGAR,SHOJAIESS,KRANTZWB,etal.Useofinfraredthermographyfortemperaturemeasurementduringevaporativecastingofthinpolymericfilms[J].JournalofMembraneScience,1995,107(3):249-261.

[11]沈国清.声学法重建炉内温度场的算法研究[J].锅炉技术，2005(6)：53.

[12]李军,刘梅东,曾亦可，等.非接触式红外测温的研究[J].压电与声光，2001(3)：203.

[13]王华伟.基于红外热成像的温度场测量关键技术研究[D].西安：中国科学院西安光学精密机械研究所，2013:7-9.

[14]李勇.基于红外测温的炉内温度场重构方法初步研究[D].北京：华北电力大学，2009:1-3.

[15]岑可法．锅炉燃烧实验研究方法及测量技术[M]．北京：水利电力出版社，1987:30-32.

Study on the Coupling Temperature Measurement System Based on Acoustic and Infrared Methods for Boiler Furnace

Abstract：At present, the temperature field monitoring system, which is constructed by combining acoustic temperature measurement method and infrared temperature measurement method, cannot reach the expected requirement of accuracy for the project. Therefore, through researching the basic theories of acoustic and infrared temperature measurement, the Area-X coupling function is obtained by using mathematical modeling method, and the acoustic/infrared coupling temperature measurement and monitoring system is constructed, the system consists of data collection, signal conversion, and signal fitting modules, etc. The constructed temperature field detection system organically combines the advantages of acoustic temperature measurement and infrared temperature measurement, and further improves the degree of precision of real-time on-line measurement and control for temperature field of boiler furnace.

Keywords:Temperature measurement technologyInfrared temperature measurementAcoustic temperature measurementFunction modeling

中图分类号：TH-3;TP27

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606008

山西省科技攻关基金资助项目(编号：20140321022-02);

朔州市科技攻关基金资助项目(编号：2013-33-38)；

朔州市科技攻关基金资助项目(编号：2013-33-40)。

修改稿收到日期：2016-04-13。

第一作者渠晓军(1993-)，男，现为中北大学能源与动力工程专业在读本科生；主要从事能源与动力方向的研究。