1 項目的提出

    火電廠鍋爐燃燒優化是火電廠安全、節能和減排的關鍵所在。傳統隨鍋爐配置的煙溫探針（左右各一套），由于只能在啟動投粉初期1小時內、煙溫<539℃情況下工作，且長達8~9米的煙溫探針進出高溫爐膛極易損壞（目前大多巳損壞）。長期以來由于沒有一種可靠、準確、并能從啟動開始全負荷范圍內監控爐膛出口煙溫的系統，以致造成鍋爐頻頻出現事故。例如，爐膛出口煙氣溫度高（>DT-50℃）導致嚴重結焦、掉渣事故；火焰偏斜導致水冷壁一側磨損、結焦，以及過熱蒸汽左右偏差大、管壁超溫事故等。同時，也使鍋爐優化燃燒失去直接監控和判別依據。

    2009年5月，神華浙江國華浙能發電公司會同國華電力研究院技術研究中心經過調查研究，考慮到PyroMetrix聲波測溫系統在國外已有不少成功的應用，最終決定在寧海電廠6號鍋爐（1000MW）上試安裝爐膛煙氣聲波測溫系統。

    2 聲波測溫系統原理

    聲波測量溫度是基于測量聲波發射和接收間的時間差，在知道兩點距離的情況下，確定聲音速度，從而按下列公式計算出溫度。

    基本公式：
    式中：
    T -絕對溫度
    R -氣體常數
    r -定壓定容下比熱之比
    C -聲速

                      
                                        圖1 聲波測溫系統原理圖

    3 聲波測溫系統的組成

    3.1 高強度、前沿剛勁的聲波發生器（ASG）

    En e r t e c h n i x 公司開發的氣動聲波發生器能發出高強度（>170dB）的聲波，測量距離達30米，聲波前沿剛勁陡峭(<50μs)， 溫度測量范圍廣(-18℃~1926℃)，測量準確度達到±1%。
   
    3.2 精密小型接收器（ASR）

    接收器只需在水冷壁管間的鰭片上開直徑12mm小孔就可以監聽發生器發來的聲波，安裝方便。

    3.3 多接收器處理技術

    一個聲波發生器發出的聲波可以有多個接收器同時監聽，一個控制平臺可采用多達16個發生器和接收器，比起一個發生器對一個接收器的系統來說，不僅簡化了系統，更重要的是大大減少了鍋爐上安裝發生器必須在水冷壁彎管開孔帶來的麻煩。

    3.4 通過特殊算法計算爐膛溫度場

    圖2為典型的2個聲波發生器ASG，6個聲波接收器ASR，鍋爐爐膛溫度測量系統配置圖。

                            
                                      圖2 典型的爐膛溫度測量系統配置圖

    測溫系統聲波發生器（ASG）、聲波接收器（ASR）、信號處理控制器（SPC）配置及DCS畫面示意圖分別如圖3所示。通過測量得到8個通道上煙氣的平均溫度，再經計算機特殊算法處理得到爐膛溫度場分布，并在DCS顯示器上呈現出來，指導運行人員調整優化燃燒。

                              
                                            圖3 爐膛溫度區域圖

    3.5 高靈敏度檢測泄漏

    接收器接收爐膛內部各種聲波，通過聲波強度與持續時間的對比篩選，可以方便地將爐管泄漏聲音和別的噪音（例如吹灰）區別出來，及時發出爐管泄漏報警，使該系統同時還具有檢測爐管泄漏的功能。

    4 聲波測溫系統的配置

    根據1000MW超超臨界塔式鍋爐爐膛布置和沿爐膛高度煙氣溫度分布情況確定配置二層測溫系統。

    第一層布置在標高67米處，測量爐膛出口煙氣溫度分布，以防止啟動時升溫太快和沖轉前溫度太高而燒壞再熱器，正常運行時防止溫度太高，屏過等受熱面結焦；控制適當的火焰高度和減溫噴水量；防止火焰偏斜帶來的一系列危害。

    第二層布置在標高51米處（第五層燃燒器至下排過燃風口間）。該層是爐膛燃燒最高溫區，大約在1400℃~1500℃間，飛灰處于熔化狀態，也是最容易生成的地區（煙溫達到1482℃以上時， 生成量將以指數級快速增加）。監視火焰偏斜防止水冷壁結焦，防止局部過熱，減少生成。

    每一層聲波測溫系統的信號處理計算機輸出11個4~20mA信號（其中5個區域溫度信號，6個爐管泄漏檢測信號）到DCS，并在DCS操作員站監控畫面上顯示，如圖4所示。

                             
                                      圖4 聲波測溫系統與DCS信號連接系統圖

    5 聲波測溫系統運行情況

    5.1 運行效果

    系統投入運行后，為鍋爐運行和管理人員提供了大量鍋爐爐膛燃燒工況和煙氣溫度分布數據。圖5至圖7是從DCS上拷貝下來的部分曲線和畫面。

                        
                                          圖5 鍋爐啟動時溫度曲線（上層）

                      
                                          圖6 負荷降低時溫度曲線（上層）

                      
                                          圖7 組跳機時的溫度曲線（下層）

    從應用情況可以得出下列結論：

    （1）聲波測溫系統與溫度探針間相差10℃~20℃（溫度探針只能在投煤粉后1小時啟動過程中工作，當煙溫達到539℃時必須馬上退出）。

    （2）聲波測溫系統能在啟動、停止和負荷變化全過程中投運，顯示的各層和各區域溫度均正確隨負荷變化。滿負荷時顯示的爐膛出口處煙氣溫度值，有助于運行人員根據實際煤種DT數值，預防爐膛出口屏過結焦。

    （3）同一層五個區域間溫度偏差隨負荷增大而增大。啟動前、點油期間以及甩負荷熄火后，五個區域溫度趨于一致，符合燃燒實際。

    5.2 問題和改進

    寧海電廠6號爐共裝設兩層聲波測溫系統，上層（爐膛出口層）系統一年來運行一直正常，下層（51米標高）系統由于初期缺乏經驗出現過一些機械安裝問題（如臟物進入電磁閥造成漏氣），以及接收器安裝位置選擇不當離吹灰器太近，導致多個耳機震動膜被高溫灰粒損壞。這些問題均已及時解決。

    6 總結

    一年實踐證明爐膛聲波測溫系統技術先進、可靠性好，可以滿足實際運行的需要。寧海電廠在國內首次成功解決了為鍋爐提供能在全負荷范圍內長期連續測量爐膛出口煙溫的裝置，爐膛聲波測溫系統在寧海電廠1000MW超超臨界鍋爐上得到成功應用。

    李剛（1981-）
    男，山東臨沂人，高級工程師，2005年畢業于東北電力大學自動化專業，主要從事火電廠自動化技術研究、調試和運行維護方面的工作，現任神華浙江國華浙能發電公司（寧海電廠）安技部熱控專責工程師。

    摘自《自動化博覽》2011年第二期