1 項(xiàng)目的提出

    火電廠鍋爐燃燒優(yōu)化是火電廠安全、節(jié)能和減排的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)隨鍋爐配置的煙溫探針（左右各一套），由于只能在啟動(dòng)投粉初期1小時(shí)內(nèi)、煙溫<539℃情況下工作，且長(zhǎng)達(dá)8~9米的煙溫探針進(jìn)出高溫爐膛極易損壞（目前大多巳損壞）。長(zhǎng)期以來(lái)由于沒(méi)有一種可靠、準(zhǔn)確、并能從啟動(dòng)開始全負(fù)荷范圍內(nèi)監(jiān)控爐膛出口煙溫的系統(tǒng)，以致造成鍋爐頻頻出現(xiàn)事故。例如，爐膛出口煙氣溫度高（>DT-50℃）導(dǎo)致嚴(yán)重結(jié)焦、掉渣事故；火焰偏斜導(dǎo)致水冷壁一側(cè)磨損、結(jié)焦，以及過(guò)熱蒸汽左右偏差大、管壁超溫事故等。同時(shí)，也使鍋爐優(yōu)化燃燒失去直接監(jiān)控和判別依據(jù)。

    2009年5月，神華浙江國(guó)華浙能發(fā)電公司會(huì)同國(guó)華電力研究院技術(shù)研究中心經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，考慮到PyroMetrix聲波測(cè)溫系統(tǒng)在國(guó)外已有不少成功的應(yīng)用，最終決定在寧海電廠6號(hào)鍋爐（1000MW）上試安裝爐膛煙氣聲波測(cè)溫系統(tǒng)。

    2 聲波測(cè)溫系統(tǒng)原理

    聲波測(cè)量溫度是基于測(cè)量聲波發(fā)射和接收間的時(shí)間差，在知道兩點(diǎn)距離的情況下，確定聲音速度，從而按下列公式計(jì)算出溫度。

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

                      
                                        圖1 聲波測(cè)溫系統(tǒng)原理圖

    3 聲波測(cè)溫系統(tǒng)的組成

    3.1 高強(qiáng)度、前沿剛勁的聲波發(fā)生器（ASG）

    En e r t e c h n i x 公司開發(fā)的氣動(dòng)聲波發(fā)生器能發(fā)出高強(qiáng)度（>170dB）的聲波，測(cè)量距離達(dá)30米，聲波前沿剛勁陡峭(<50μs)， 溫度測(cè)量范圍廣(-18℃~1926℃)，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)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(jiān)聽發(fā)生器發(fā)來(lái)的聲波，安裝方便。

    3.3 多接收器處理技術(shù)

    一個(gè)聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波可以有多個(gè)接收器同時(shí)監(jiān)聽，一個(gè)控制平臺(tái)可采用多達(dá)16個(gè)發(fā)生器和接收器，比起一個(gè)發(fā)生器對(duì)一個(gè)接收器的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，更重要的是大大減少了鍋爐上安裝發(fā)生器必須在水冷壁彎管開孔帶來(lái)的麻煩。

    3.4 通過(guò)特殊算法計(jì)算爐膛溫度場(chǎng)

    圖2為典型的2個(gè)聲波發(fā)生器ASG，6個(gè)聲波接收器ASR，鍋爐爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)配置圖。

                            
                                      圖2 典型的爐膛溫度測(cè)量系統(tǒng)配置圖

    測(cè)溫系統(tǒng)聲波發(fā)生器（ASG）、聲波接收器（ASR）、信號(hào)處理控制器（SPC）配置及DCS畫面示意圖分別如圖3所示。通過(guò)測(cè)量得到8個(gè)通道上煙氣的平均溫度，再經(jīng)計(jì)算機(jī)特殊算法處理得到爐膛溫度場(chǎng)分布，并在DCS顯示器上呈現(xiàn)出來(lái)，指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)整優(yōu)化燃燒。

                              
                                            圖3 爐膛溫度區(qū)域圖

    3.5 高靈敏度檢測(cè)泄漏

    接收器接收爐膛內(nèi)部各種聲波，通過(guò)聲波強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間的對(duì)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(qū)別出來(lái)，及時(shí)發(fā)出爐管泄漏報(bào)警，使該系統(tǒng)同時(shí)還具有檢測(cè)爐管泄漏的功能。

    4 聲波測(cè)溫系統(tǒng)的配置

    根據(jù)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(cè)溫系統(tǒng)。

    第一層布置在標(biāo)高67米處，測(cè)量爐膛出口煙氣溫度分布，以防止啟動(dòng)時(shí)升溫太快和沖轉(zhuǎn)前溫度太高而燒壞再熱器，正常運(yùn)行時(shí)防止溫度太高，屏過(guò)等受熱面結(jié)焦；控制適當(dāng)?shù)幕鹧娓叨群蜏p溫噴水量；防止火焰偏斜帶來(lái)的一系列危害。

    第二層布置在標(biāo)高51米處（第五層燃燒器至下排過(guò)燃風(fēng)口間）。該層是爐膛燃燒最高溫區(qū)，大約在1400℃~1500℃間，飛灰處于熔化狀態(tài)，也是最容易生成的地區(qū)（煙溫達(dá)到1482℃以上時(shí)， 生成量將以指數(shù)級(jí)快速增加）。監(jiān)視火焰偏斜防止水冷壁結(jié)焦，防止局部過(guò)熱，減少生成。

    每一層聲波測(cè)溫系統(tǒng)的信號(hào)處理計(jì)算機(jī)輸出11個(gè)4~20mA信號(hào)（其中5個(gè)區(qū)域溫度信號(hào)，6個(gè)爐管泄漏檢測(cè)信號(hào)）到DCS，并在DCS操作員站監(jiān)控畫面上顯示，如圖4所示。

                             
                                      圖4 聲波測(cè)溫系統(tǒng)與DCS信號(hào)連接系統(tǒng)圖

    5 聲波測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)行情況

    5.1 運(yùn)行效果

    系統(tǒng)投入運(yùn)行后，為鍋爐運(yùn)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(shù)據(jù)。圖5至圖7是從DCS上拷貝下來(lái)的部分曲線和畫面。

                        
                                          圖5 鍋爐啟動(dòng)時(shí)溫度曲線（上層）

                      
                                          圖6 負(fù)荷降低時(shí)溫度曲線（上層）

                      
                                          圖7 組跳機(jī)時(shí)的溫度曲線（下層）

    從應(yīng)用情況可以得出下列結(jié)論：

    （1）聲波測(cè)溫系統(tǒng)與溫度探針間相差10℃~20℃（溫度探針只能在投煤粉后1小時(shí)啟動(dòng)過(guò)程中工作，當(dāng)煙溫達(dá)到539℃時(shí)必須馬上退出）。

    （2）聲波測(cè)溫系統(tǒng)能在啟動(dòng)、停止和負(fù)荷變化全過(guò)程中投運(yùn)，顯示的各層和各區(qū)域溫度均正確隨負(fù)荷變化。滿負(fù)荷時(shí)顯示的爐膛出口處煙氣溫度值，有助于運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際煤種DT數(shù)值，預(yù)防爐膛出口屏過(guò)結(jié)焦。

    （3）同一層五個(gè)區(qū)域間溫度偏差隨負(fù)荷增大而增大。啟動(dòng)前、點(diǎn)油期間以及甩負(fù)荷熄火后，五個(gè)區(qū)域溫度趨于一致，符合燃燒實(shí)際。

    5.2 問(wèn)題和改進(jìn)

    寧海電廠6號(hào)爐共裝設(shè)兩層聲波測(cè)溫系統(tǒng)，上層（爐膛出口層）系統(tǒng)一年來(lái)運(yùn)行一直正常，下層（51米標(biāo)高）系統(tǒng)由于初期缺乏經(jīng)驗(yàn)出現(xiàn)過(guò)一些機(jī)械安裝問(wèn)題（如臟物進(jìn)入電磁閥造成漏氣），以及接收器安裝位置選擇不當(dāng)離吹灰器太近，導(dǎo)致多個(gè)耳機(jī)震動(dòng)膜被高溫灰粒損壞。這些問(wèn)題均已及時(shí)解決。

    6 總結(jié)

    一年實(shí)踐證明爐膛聲波測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、可靠性好，可以滿足實(shí)際運(yùn)行的需要。寧海電廠在國(guó)內(nèi)首次成功解決了為鍋爐提供能在全負(fù)荷范圍內(nèi)長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量爐膛出口煙溫的裝置，爐膛聲波測(cè)溫系統(tǒng)在寧海電廠1000MW超超臨界鍋爐上得到成功應(yīng)用。

    李剛（1981-）
    男，山東臨沂人，高級(jí)工程師，2005年畢業(yè)于東北電力大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，主要從事火電廠自動(dòng)化技術(shù)研究、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)方面的工作，現(xiàn)任神華浙江國(guó)華浙能發(fā)電公司（寧海電廠）安技部熱控專責(zé)工程師。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第二期