声学测温技术在电站锅炉中的应用研究

李志勇，沈国清

(1.元宝山发电有限责任公司，内蒙古 赤峰 024070；2.华北电力大学，北京 102206)

声学测温技术在电站锅炉中的应用研究

李志勇1，沈国清2

(1.元宝山发电有限责任公司，内蒙古 赤峰 024070；2.华北电力大学，北京 102206)

为了实现炉膛温度场实时在线监测，首次在国内某电厂600 MW机组锅炉上进行了多路径声学测温系统的安装调试。结果表明：基于相位变换加权的互相关算法，可以有效去除冷态条件下炉膛强混响影响，准确得出声波飞渡时延估计值；验证了该系统的稳定性和可靠性；声学测温系统将电站锅炉的燃烧情况可视化，有助于确保锅炉的安全经济运行。

声学测温；锅炉；温度场；相位变换；互相关算法

0 引言

电站锅炉的燃烧状态对锅炉的安全运行、优化燃烧以及节约能耗等具有重要意义。但由于炉膛内的湍流、高温、腐蚀等复杂恶劣工况，目前尚未有很好的方法能够准确测量炉膛高温区域的温度场信息。现场常用的火焰电视可以直接观察喷嘴的着火情况，但仅提供了定性信息(火焰有无、火色信息)，没有定量信息(温度情况)。炉膛烟温探针仅能在启动过程中监视炉膛出口烟温，防止过热器干烧，并在超过一定温度时自动退出，不能进行全负荷工况监视，且容易损坏。

基于声波的温度测量技术具有非接触、对测量对象无干扰等优点，能够实现锅炉燃烧的实时在线监测。国内外学者针对该项技术进行了大量的理论论证和试验研究，取得了很大进展，其中包括时间延迟估计、重建算法研究等。下面介绍在杨祥良等学者提出的单路径声学高温计试验成功的基础上，首次在国内某配备风扇磨煤机的600 MW机组直流锅炉上安装多路径声学测温系统。该系统经试验调试，积累了大量的测量数据，为传统的高温测量领域提供了新技术。

1 声学测温原理

理论上，声学测温所需装置就是一个安装在炉墙一侧的声波发射器和安装在另一侧的接收器，如图1所示。声波发射器发出一个声波脉冲，被声波接收器检测到，由于2者之间的距离是已知并且是固定的，故可计算出声波脉冲传播路径上的平均温度。声波在烟气里的传播速度取决于烟气的温度，它们的关系为

式中：ν是声波在介质中的传播速度；R是气体常数；γ是气体的绝热指数；M是气体摩尔质量；T是气体温度。

图1 单路径声学测温原理示意

2 系统简介

国内某600 MW机组大修时，在其锅炉上进行多路径声学测温系统的安装和调试。该机组锅炉是从原联邦德国引进的，额定蒸发量1 832 t/h,过热蒸汽压力18.6 MPa，过热蒸汽温度545 ℃，此次试验在水冷壁上开孔。根据锅炉布置总图，结合现场考察，确定测点的安装高度为折焰角下方，电梯8.5层。前期进行了水冷壁切割、弯管、开孔等工作，左、右、前、后墙各3个测点，一共12个测点，24条测温路径。图2为声学测温系统安装示意，其中黑色实心圆点表示声源端，白色空心圆点表示接收端。从就地测点直接敷设电缆到主控室电子间的控制柜。

图2 声学测温系统安装示意

声学测温系统的就地测点主要由声波发生器、声波接收传感器、声波导管、定期吹扫装置等部分组成。

系统软件分为参数设置模块、数据采集模块、TOF(Time Of Flight，声波飞渡时间)计算模块、重建算法模块、温度场显示模块和数据保存模块等。所有功能都在后台自动完成，运行时只需直接观看炉膛温度场显示画面即可。图3为软件模块示意。

图3 软件模块示意

3 冷态调试

在冷态条件下，测量24条声学路径上的声波飞渡时间，对24条声学路径的长度进行标定。由于锅炉炉膛是一个封闭的空间声场，具有强混响，基于普通互相关的时延算法无法得出满意的结果。经过大量试验，基于相位变换加权的互相关算法可以有效消除混响影响，准确得出声波飞渡时间。

发射端和接收端2通道的信号模型为

式中：s(n)为信号；n1(n)和n2(n)为噪声；D为2通道间的时间延迟；A为衰减系数。

基于相位变换加权的互相关函数为

式中：τ为2信号之间的时间延迟，Ψ12为频域处理的加权函数，Ψ12=1/|Gx1x2(f)|；F为傅里叶变换；F-1为傅里叶逆变换。

加权后的互相关函数为

式中：Gx1x2(f)为信号1和2互功率谱。

设定好声源的发生信号、音量、采样率及傅里叶分析点数等参数，在炉膛里测得当地声速ν=350 m/s，炉膛冷态温度T=296 K，测量标定出冷态下24条路径上TOF值及路径长度(见表1)，为热态调试做好准备。

表1 冷态下24条路径上TOF值及路径长度

4 热态调试和运行

锅炉启动后，声学测温系统运行良好。24条测温路径均能正确显示温度数据，并能够实时重建二维温度场，为运行人员及时了解炉膛的燃烧情况提供了有效工具。

为了重建二维温度场，将欲重建的二维截面区域离散化，即把整个重建区域划分为n=4×3=12个非重叠的像素区域。图4为该炉膛的截面布置。

图4 炉膛截面布置

为了方便表示，令温度函数

引进线性算子Ri，当它应用于温度函数f(x，y)时有Rif(x，y)，代表f(x，y)沿第i条射线路径的线积分，即声波传播时间τi，则

式(6)中，wij在数值上等于第i条射线经过第j个像素的长度。

这样，经过1个周期的声波收发测量过程，便得到1个线性方程组

式中：n为重建区域划分的像素总数，共计12个；m为穿过条射线温度场截面的声波测量路径总数，共计13条；wij为权因子，它的大小反映了第j个像素对第i条测量路径的贡献；每个方程右端的τi成为第i号测量路径上的声波飞渡时间；左端的和式称为伪射线和，将方程组(7)用矩阵表示为

然后对该连续算子方程的逆问题求解，利用Tikhonov正则化方法重建后的温度场及锅炉截面的温度场等温线如图5所示，燃烧强度如图6所示。

图5 锅炉截面的温度场等温线

图6 温度场燃烧强度显示

5 结论

由图6可以看到，该时刻锅炉燃烧不稳定，炉膛中央出现3个明显峰值，前墙处出现偏烧。

根据系统重建的温度场数据，声学测温系统为系统监控锅炉燃烧提供了可视化图像，可以准确判断该截面上的火焰中心位置，有助于运行人员实时调整燃烧，防止火焰中心偏移，确保锅炉的安全经济运行。

(1) 国内自主研发的声学测温系统首次在国内某600 MW机组锅炉上安装和调试，并取得成功。通过试验获得大量宝贵数据，为今后在大型机组锅炉上的投运积累了经验。

(2) 基于相位变换加权的互相关算法，可以有效去除冷态条件下炉膛的强混响影响，准确得出大空间下声波飞渡时延估计值。

(3) 12个测点形成的24条测温路径均能正确显示温度数据。通过级数展开法结合Tikhonov 正则化方法，重建得到该炉膛截面的二维温度场，可以准确判断该截面上的火焰中心位置。

(4) 声学测温系统为传统的高温测量领域提供了新技术，将电站锅炉的燃烧情况可视化，对锅炉的安全运行、优化燃烧、节约能耗等具有重要意义。

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10 汪裕杰．炉膛火焰工业电视监视系统的改造[J]．电力安全技术，2011，13(1)：40-42.

2017年1—2月电力工业运行简况

1—2月，全国电力供需总体宽松。全社会用电量增速同比提高，第二产业用电保持较快增长；工业和制造业用电量累计增速同比提高；黑色和有色金属冶炼行业用电快速增长，带动四大高载能行业用电增速同比提高；发电量增速同比提高，水电发电量同比下降；除水电外，其他类型设备平均利用小时同比增加；全国跨区、跨省送出电量同比增加；新增发电生产能力同比减少，水电和风电新增能力同比增加。

（来源:中国电力企业联合会网站 2017-03-17）

2016-11-04。

李志勇(1974—)，男，高级工程师，主要从事电厂热工检修管理及电厂热工检测及控制原理研究工作，email：cfflzyg0883@163. com。

沈国清(1980—)，男，副教授，主要从事能源动力与机械工程教学及电站锅炉声学测量研究工作。