李志勇，沈國(guó)清

(1.元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024070；2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)在電站鍋爐中的應(yīng)用研究

李志勇1，沈國(guó)清2

(1.元寶山發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024070；2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

為了實(shí)現(xiàn)爐膛溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，首次在國(guó)內(nèi)某電廠600 MW機(jī)組鍋爐上進(jìn)行了多路徑聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的安裝調(diào)試。結(jié)果表明：基于相位變換加權(quán)的互相關(guān)算法，可以有效去除冷態(tài)條件下?tīng)t膛強(qiáng)混響影響，準(zhǔn)確得出聲波飛渡時(shí)延估計(jì)值；驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)將電站鍋爐的燃燒情況可視化，有助于確保鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

聲學(xué)測(cè)溫；鍋爐；溫度場(chǎng)；相位變換；互相關(guān)算法

0 引言

電站鍋爐的燃燒狀態(tài)對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行、優(yōu)化燃燒以及節(jié)約能耗等具有重要意義。但由于爐膛內(nèi)的湍流、高溫、腐蝕等復(fù)雜惡劣工況，目前尚未有很好的方法能夠準(zhǔn)確測(cè)量爐膛高溫區(qū)域的溫度場(chǎng)信息。現(xiàn)場(chǎng)常用的火焰電視可以直接觀察噴嘴的著火情況，但僅提供了定性信息(火焰有無(wú)、火色信息)，沒(méi)有定量信息(溫度情況)。爐膛煙溫探針僅能在啟動(dòng)過(guò)程中監(jiān)視爐膛出口煙溫，防止過(guò)熱器干燒，并在超過(guò)一定溫度時(shí)自動(dòng)退出，不能進(jìn)行全負(fù)荷工況監(jiān)視，且容易損壞。

基于聲波的溫度測(cè)量技術(shù)具有非接觸、對(duì)測(cè)量對(duì)象無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐燃燒的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量的理論論證和試驗(yàn)研究，取得了很大進(jìn)展，其中包括時(shí)間延遲估計(jì)、重建算法研究等。下面介紹在楊祥良等學(xué)者提出的單路徑聲學(xué)高溫計(jì)試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，首次在國(guó)內(nèi)某配備風(fēng)扇磨煤機(jī)的600 MW機(jī)組直流鍋爐上安裝多路徑聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)調(diào)試，積累了大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，為傳統(tǒng)的高溫測(cè)量領(lǐng)域提供了新技術(shù)。

1 聲學(xué)測(cè)溫原理

理論上，聲學(xué)測(cè)溫所需裝置就是一個(gè)安裝在爐墻一側(cè)的聲波發(fā)射器和安裝在另一側(cè)的接收器，如圖1所示。聲波發(fā)射器發(fā)出一個(gè)聲波脈沖，被聲波接收器檢測(cè)到，由于2者之間的距離是已知并且是固定的，故可計(jì)算出聲波脈沖傳播路徑上的平均溫度。聲波在煙氣里的傳播速度取決于煙氣的溫度，它們的關(guān)系為

式中：ν是聲波在介質(zhì)中的傳播速度；R是氣體常數(shù)；γ是氣體的絕熱指數(shù)；M是氣體摩爾質(zhì)量；T是氣體溫度。

圖1 單路徑聲學(xué)測(cè)溫原理示意

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)某600 MW機(jī)組大修時(shí)，在其鍋爐上進(jìn)行多路徑聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的安裝和調(diào)試。該機(jī)組鍋爐是從原聯(lián)邦德國(guó)引進(jìn)的，額定蒸發(fā)量1 832 t/h,過(guò)熱蒸汽壓力18.6?MPa，過(guò)熱蒸汽溫度545?℃，此次試驗(yàn)在水冷壁上開(kāi)孔。根據(jù)鍋爐布置總圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察，確定測(cè)點(diǎn)的安裝高度為折焰角下方，電梯8.5層。前期進(jìn)行了水冷壁切割、彎管、開(kāi)孔等工作，左、右、前、后墻各3個(gè)測(cè)點(diǎn)，一共12個(gè)測(cè)點(diǎn)，24條測(cè)溫路徑。圖2為聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)安裝示意，其中黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示聲源端，白色空心圓點(diǎn)表示接收端。從就地測(cè)點(diǎn)直接敷設(shè)電纜到主控室電子間的控制柜。

圖2 聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)安裝示意

聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)的就地測(cè)點(diǎn)主要由聲波發(fā)生器、聲波接收傳感器、聲波導(dǎo)管、定期吹掃裝置等部分組成。

系統(tǒng)軟件分為參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、TOF(Time?Of?Flight，聲波飛渡時(shí)間)計(jì)算模塊、重建算法模塊、溫度場(chǎng)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊等。所有功能都在后臺(tái)自動(dòng)完成，運(yùn)行時(shí)只需直接觀看爐膛溫度場(chǎng)顯示畫(huà)面即可。圖3為軟件模塊示意。

圖3 軟件模塊示意

3 冷態(tài)調(diào)試

在冷態(tài)條件下，測(cè)量24條聲學(xué)路徑上的聲波飛渡時(shí)間，對(duì)24條聲學(xué)路徑的長(zhǎng)度進(jìn)行標(biāo)定。由于鍋爐爐膛是一個(gè)封閉的空間聲場(chǎng)，具有強(qiáng)混響，基于普通互相關(guān)的時(shí)延算法無(wú)法得出滿意的結(jié)果。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，基于相位變換加權(quán)的互相關(guān)算法可以有效消除混響影響，準(zhǔn)確得出聲波飛渡時(shí)間。

發(fā)射端和接收端2通道的信號(hào)模型為

式中：s(n)為信號(hào)；n1(n)和n2(n)為噪聲；D為2通道間的時(shí)間延遲；A為衰減系數(shù)。

基于相位變換加權(quán)的互相關(guān)函數(shù)為

式中：τ為2信號(hào)之間的時(shí)間延遲，Ψ12為頻域處理的加權(quán)函數(shù)，Ψ12=1/|Gx1x2(f)|；F為傅里葉變換；F-1為傅里葉逆變換。

加權(quán)后的互相關(guān)函數(shù)為

式中：Gx1x2(f)為信號(hào)1和2互功率譜。

設(shè)定好聲源的發(fā)生信號(hào)、音量、采樣率及傅里葉分析點(diǎn)數(shù)等參數(shù)，在爐膛里測(cè)得當(dāng)?shù)芈曀佴?350?m/s，爐膛冷態(tài)溫度T=296?K，測(cè)量標(biāo)定出冷態(tài)下24條路徑上TOF值及路徑長(zhǎng)度(見(jiàn)表1)，為熱態(tài)調(diào)試做好準(zhǔn)備。

表1 冷態(tài)下24條路徑上TOF值及路徑長(zhǎng)度

4 熱態(tài)調(diào)試和運(yùn)行

鍋爐啟動(dòng)后，聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)行良好。24條測(cè)溫路徑均能正確顯示溫度數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崟r(shí)重建二維溫度場(chǎng)，為運(yùn)行人員及時(shí)了解爐膛的燃燒情況提供了有效工具。

為了重建二維溫度場(chǎng)，將欲重建的二維截面區(qū)域離散化，即把整個(gè)重建區(qū)域劃分為n=4×3=12個(gè)非重疊的像素區(qū)域。圖4為該爐膛的截面布置。

圖4 爐膛截面布置

為了方便表示，令溫度函數(shù)

引進(jìn)線性算子Ri，當(dāng)它應(yīng)用于溫度函數(shù)f(x，y)時(shí)有Rif(x，y)，代表f(x，y)沿第i條射線路徑的線積分，即聲波傳播時(shí)間τi，則

式(6)中，wij在數(shù)值上等于第i條射線經(jīng)過(guò)第j個(gè)像素的長(zhǎng)度。

這樣，經(jīng)過(guò)1個(gè)周期的聲波收發(fā)測(cè)量過(guò)程，便得到1個(gè)線性方程組

式中：n為重建區(qū)域劃分的像素總數(shù)，共計(jì)12個(gè)；m為穿過(guò)條射線溫度場(chǎng)截面的聲波測(cè)量路徑總數(shù)，共計(jì)13條；wij為權(quán)因子，它的大小反映了第j個(gè)像素對(duì)第i條測(cè)量路徑的貢獻(xiàn)；每個(gè)方程右端的τi成為第i號(hào)測(cè)量路徑上的聲波飛渡時(shí)間；左端的和式稱為偽射線和，將方程組(7)用矩陣表示為

然后對(duì)該連續(xù)算子方程的逆問(wèn)題求解，利用Tikhonov正則化方法重建后的溫度場(chǎng)及鍋爐截面的溫度場(chǎng)等溫線如圖5所示，燃燒強(qiáng)度如圖6所示。

圖5 鍋爐截面的溫度場(chǎng)等溫線

圖6 溫度場(chǎng)燃燒強(qiáng)度顯示

5 結(jié)論

由圖6可以看到，該時(shí)刻鍋爐燃燒不穩(wěn)定，爐膛中央出現(xiàn)3個(gè)明顯峰值，前墻處出現(xiàn)偏燒。

根據(jù)系統(tǒng)重建的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)為系統(tǒng)監(jiān)控鍋爐燃燒提供了可視化圖像，可以準(zhǔn)確判斷該截面上的火焰中心位置，有助于運(yùn)行人員實(shí)時(shí)調(diào)整燃燒，防止火焰中心偏移，確保鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(1)?國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)首次在國(guó)內(nèi)某600?MW機(jī)組鍋爐上安裝和調(diào)試，并取得成功。通過(guò)試驗(yàn)獲得大量寶貴數(shù)據(jù)，為今后在大型機(jī)組鍋爐上的投運(yùn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

(2)?基于相位變換加權(quán)的互相關(guān)算法，可以有效去除冷態(tài)條件下?tīng)t膛的強(qiáng)混響影響，準(zhǔn)確得出大空間下聲波飛渡時(shí)延估計(jì)值。

(3)?12個(gè)測(cè)點(diǎn)形成的24條測(cè)溫路徑均能正確顯示溫度數(shù)據(jù)。通過(guò)級(jí)數(shù)展開(kāi)法結(jié)合Tikhonov?正則化方法，重建得到該爐膛截面的二維溫度場(chǎng)，可以準(zhǔn)確判斷該截面上的火焰中心位置。

(4)?聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)為傳統(tǒng)的高溫測(cè)量領(lǐng)域提供了新技術(shù)，將電站鍋爐的燃燒情況可視化，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行、優(yōu)化燃燒、節(jié)約能耗等具有重要意義。

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2017年1—2月電力工業(yè)運(yùn)行簡(jiǎn)況

1—2月，全國(guó)電力供需總體寬松。全社會(huì)用電量增速同比提高，第二產(chǎn)業(yè)用電保持較快增長(zhǎng)；工業(yè)和制造業(yè)用電量累計(jì)增速同比提高；黑色和有色金屬冶煉行業(yè)用電快速增長(zhǎng)，帶動(dòng)四大高載能行業(yè)用電增速同比提高；發(fā)電量增速同比提高，水電發(fā)電量同比下降；除水電外，其他類(lèi)型設(shè)備平均利用小時(shí)同比增加；全國(guó)跨區(qū)、跨省送出電量同比增加；新增發(fā)電生產(chǎn)能力同比減少，水電和風(fēng)電新增能力同比增加。

（來(lái)源:中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)網(wǎng)站?2017-03-17）

2016-11-04。

李志勇(1974—)，男，高級(jí)工程師，主要從事電廠熱工檢修管理及電廠熱工檢測(cè)及控制原理研究工作，email：cfflzyg0883@163. com。

沈國(guó)清(1980—)，男，副教授，主要從事能源動(dòng)力與機(jī)械工程教學(xué)及電站鍋爐聲學(xué)測(cè)量研究工作。