1、聲波測溫方法的近期發展George Kychakoff,Ph.D.Peter Ariessohn,Ph.D.President Senior Engineering AdvisorCombustion Specials,Inc Weyerhaeuser CompanyMaple Valley,WashingtonTacoma,WashingtonSteve DeGroot Greg HayesRegional Sales Manager Senior EngineerStock Equipment Company Western ResourcesChagrin Falls,OhioJeffe

2、ryEnergyCenters,Kansas1概述本文描述了為控制燃燒與排放提供精確可靠溫度測量的聲波測溫技術的近期發展。本文回顧了傳統的溫度測量方法，并專門討論了使用聲波測溫取得的數據對鍋爐的設計和性能進行評估的實際應用經驗。現代電力生產需采用新的技術保持競爭力，降低排放以適應發電成本。電價調整和環保要求等因素的變化，這些需求推動先進控制系統的進一步研發以支持電廠運營的進步。這些先進控制方法需要獲得各種工況下鍋爐內部的詳細信息以使這些先進控制方法產生最佳效果。爐膛內溫度場的分布是控制爐內物理和化學過程的一個關鍵參數。聲波測溫技術的進步為大型高噪聲的鍋爐提供了可靠的爐膛煙氣溫度測量，產生用于實

3、時運行控制的即時溫度場分布數據，減少事故停機，并避免產生過量。這些數據可支持鍋爐調整和燃燒器優化程序以改善電廠運行。這種方法也可以作為很好的獲取經驗數據的工具為優化設計以及使用不同煤種的鍋爐的特性提供指導。2引言美國超過半數的大型鍋爐為適應排放要求采用了燃燒改造技術。例如低氮燃燒器，過燃空氣噴射器，煙氣再燃系統。鍋爐調整和燃燒優化程序等以減少的生成。但所有這些采用不同方式以減少排放的技術都要依賴對爐膛煙氣溫度的測量。3溫度測量的重要性溫度是描述熱力過程的重要基本參數之一，也是涉及電廠安全、控制和效率的重要考察因素。溫度不僅只是燃燒過程的產物，也是過程效率的指標，并直接影響爐內的多個物理和化學過

4、程。對于電廠鍋爐，爐膛內和其后部的溫度測量都很重要。對整個爐膛煙氣溫度的控制可對減少排放，控制灰特性，改善整體效率，防止受熱面損傷等多方面產生效益。尾部煙道的溫度測量可用于控制積灰，保持清潔。也可以給燃燒過程優化系統提供實時數據使后燃燒系統發揮作用以減少和的生成。當前絕大多數的優化程序使用計算機模型集成了近似計算生成溫度：但不幸的是，這些估算是基于理論關系并沒經過實測值檢驗因而可導致上百度的偏差。盡管溫度測量是很容易理解的科學知識，爐膛燃燒區域的高溫和惡劣環境阻礙了可靠的連續在線溫度監測技術的發展。過去，使用傳統技術對爐膛和燃燒區域進行溫度測量存在可靠性和準確性的問題，妨礙了系統對熱傳遞與燃燒

5、效率的精確控制。電站鍋爐爐膛傳統的溫度測量技術不外乎兩類：物理接觸式如抽吸溫度表，非接觸式如光譜法與聲波法。4接觸式溫度測量如果需要測量爐膛內動態煙氣的溫度，最實用的方式是通過陶瓷輻射擋板抽取一些煙氣使之流入抽吸式溫度表中的熱電偶接點（也叫快速熱電偶或HVT探頭）。理論上這種方法應該提供可靠和精確的溫度測量。但實際上，此儀表的響應很慢，同時燃煤鍋爐爐膛中灰分的阻隔和熱沖擊對隔離裝置的損傷造成了嚴重的問題。由于隔離裝置需定期更換，這意味著僅將此種探頭做為連續監視和趨勢分析是不可行的。爐膛溫度分布不均并隨時間改變，這會導致所測溫度數據的不確定性，因為測量是分隔的。使用這種方式測量爐膛某一整層平面的

6、溫度需要數小時，這期間爐膛運行狀況的改變會導致溫度大幅變化。對于現代大型燃煤蒸汽鍋爐，HVT探頭的實際長度限度約為30英尺（九米）。即使這樣，探頭很笨重，一般需要兩個人才能移動，需要較大的開口和無障礙物的伸縮空間。為解決此問題很多電廠需使用自動伸縮設備，但不管是手動還是自動，其可用度有限并且相對昂貴。有些電廠，爐膛溫度采用爐膛對流區的熱電偶讀數，經熱傳遞分析得到的。這種非直接測量技術的缺點是它采用分析假定方式推導出的溫度值。另外，這種方式不可能得出爐膛二維平面溫度分布信息。這種方法還需在對流屏區域安裝多個使用壽命相對較短的熱電偶。并且傳熱分析需要精確確定每個單一回路的蒸汽流量與溫度。5非接觸方

7、式接觸式測量的局限性和困難促進了各種非接觸法實時測量爐膛煙氣溫度方法的開發與應用。這種方法多數基于對爐膛煙氣及飛灰的熱輻射的測量。6輻射式溫度計輻射式溫度計在工業領域中廣泛應用了多年，它測量目標的亮度（光學式）或部分電磁輻射波段（輻射式）。光學高溫計對準熱表面，得到目標亮度，將它與儀器中的校正源亮度比較而測定溫度，當進行精確校正的話，光學高溫計可以在1500以上非常好的測量。然而，由于干凈煙氣的輻射不在可見光范圍內，因而限制它應用于煙氣的溫度測量。大家熟知的輻射式溫度計是紅外溫度計，它測量某個表面或區域散發的紅外線強度。如果被測目標是均勻的黑體（全吸收）表面，那么根據布朗克黑體輻射定律，在給定

8、波長條件下，輻射強度隨表面溫度而變化，因此，測量輻射強度就可以確定其溫度。如果吸收率（等于輻射率）低于統一體，那么其表面輻射強度將低于黑體，此時，如果知道輻射率，我們仍可以精確的推斷出溫度，由于現場具體條件是不同的，因此，大多數輻射高溫計上均配置輻射率調整裝置，用戶可根據實際情況調整。當遇到非不透明物體時，例如爐膛煙氣，紅外高溫計測溫就變得非常復雜了。在這種情況下，輻射率不僅取決去被測輻射物體的特性，還取決于輻射高溫計視線距離。結果是，紅外檢測儀檢測到的輻射量取決于三維輻射空間，從而限制其在爐膛環境下的溫度測量。電磁輻射的吸收和輻射決定了高溫計內的輻射強度，它遵循下列公式：-溫度和波長的布朗克

9、函數-吸收系數-距離這是一個非線性關系，爐膛內離表計近的區域的輻射對高溫計測溫影響更大。在一個均勻加熱的爐內這不是一個問題，然而在燃煤爐膛內任何情況溫度分布都是不均勻的。例如，爐膛爐墻周邊溫度要比中心區域溫度低幾百度（Khalil，1976）。此外，熱煙氣的輻射特性也與熱固體是不同的，它不輻射連續的輻射光譜，而是根據它的分子成分和濃度輻射的光譜是離散的。這些輻射光發生特定的吸收/輻射波段內，它的輻射吸收強度取決于壓力和溫度，這些因素導致不同的輻射率和不同的穿透深度（Klausen,1996）。例如，在燃煤鍋爐中，主要的煙氣成分是三個波段，它們的穿透距離不同，從幾英寸到超出100英尺。然而紅外輻

10、射高溫計無法提供濾波器使其僅僅測量其中一個波段，而波段的選擇決定了穿透深度和測量有效性。此外，無論是輻射率和穿透深度將因爐膛溫度和濃度改變而改變，這種不確定性和限制條件阻礙了紅外高溫計在大型公用事業鍋爐的爐膛煙氣測溫上的廣泛應用。7飛灰顆粒輻射光譜測量有一類通過爐膛煙氣中懸浮飛灰顆粒發射的可見光來測量溫度的輻射式溫度表。通過選用合適的波段，這種儀表可避免傳統類型輻射式測量的誤差和不確定性。但它需要飛灰顆粒與燃氣分布均勻及達到可測量的一定的濃度。這種表有一個采光管收集飛灰顆粒發出的輻射并將其傳導至光導纖維上，之后轉發到有過濾波段裝置的圖像探測區上。圖像探測器生成與采集到的輻射成比例的信號，經放大

11、和數字的處理后提供給微處理器。微處理器采用合適的計算程序得出該處飛灰的溫度。由于煙氣中飛灰濃度及其輻射微弱的因素導致這種測量的平均時間至少為60秒鐘，且在1800ºF（982）以上溫度時不能使用（在溫度范圍的下面區域內還可能增加紅外波段的輻射，這同樣會產生上面敘述過的紅外高溫計的那些限制）。儀表的視角不可以被焦或積灰和爐內其他障礙物所阻擋。飛灰光譜溫度表是精密光學儀器，其前端鏡頭需保護并盡力維護保養。8聲波溫度表眾所周知聲音的傳播速度直接隨介質溫度而變化，聲速的變化可反應出介質溫度的變化。此關系基于通用氣體定律：這里：是壓力，是密度，是特定通用氣體常數，是溫度，另外聲速與壓力和密度的

12、關系為：此處：是聲速，是定壓定容狀態下的比熱。結合這兩個關系式可導出：這就是聲速和溫度之間的基本關系。理論上，所需要的是在某一時刻由發送器發出聲波，并由接收器在已知的距離上測量聲速并計算溫度。這種方法相比傳統的接觸式和輻射式溫度計有以下重要優點：（）這是一種可提供實時測量數據的非接觸方法；（）它提供了整個聲波傳播路線上的綜合溫度信息；（）它可達到很好的精度和準確性；（）它的精確度不受輻射等不確定因素影響。從應用角度講，其過程和原理更具挑戰性，特別是在測量大型電站鍋爐的爐膛煙氣溫度方面。例如，一個可控的高強度聲源來克服爐膛環境噪音的影響。還有，必須使用可靠的信號探測技術以獲得精細準確的時間路徑測

13、量。另外，必須考慮熱梯度、煙氣成分變化對聲波常數rR的影響，和鍋爐膨脹造成的路徑長度的變化等因素（Kleppe,1989）。聲波測溫開創性的起始發展是由上世紀80年代初期英國中央電力局（Green,1983）及1988年在美國進行的EPRI/CEGB初期聯合試驗開始的。之后開始出現許多應用實例，測量誤差的研究和通過工藝改進來提高精度（Muzio，1989）。例如，微處理器的應用大大提高了計時測量精度，進一步研究開始進入各種化石燃料聲學常數的定量（Young,1998）。現代聲波高溫計測溫范圍可達到03500（181926），精確度優于±2%（Elliot, 1991）。上世紀九十年代

14、中期，由于微處理器的應用，交互式關聯技術的發展以及熱成像方法的應用，聲波高溫計已經得到重大發展。雖然這些改進展示了聲波高溫計潛在的應用前景，但是，在大型公用事業鍋爐中推向市場的聲波高溫計均遭到了背景噪聲的干擾問題，它限制了測量通道的長度，以及在檢測信號時需要與吹灰器操作相協調。9聲波溫度測量的近期進展阻礙聲波溫度測量方法在大型電站鍋爐上廣泛商業化使用的主要技術挑戰是如何可靠地產生了強大的能不受嚴重的爐內背景噪聲干擾的可探測聲波信號。最近，高強度前沿剛勁的氣動聲波發生器和先進的信號探測算法的研制成功極大地解決了這個問題。這種具有專利技術的聲波發生器（Combustion Specialists,

15、Inc開發）已應用于AccuTEMP聲波高溫計（Stock Equipment Company,2000）,它可產生高能聲波（170dB），產生的聲波有剛勁的前沿，由發生器向四周發射。即使在相對大的噪聲下，仍可以在03500ºF（-181926）范圍內達到±1%測量精度。新的聲源可在100英尺（30米）寬的爐膛內和吹灰器范圍內測量爐膛煙氣溫度，這在以前是不可能的。它也可以使用長距離管道40英尺（12米）把聲波傳導到希望測量的地點，比如鍋爐鼻部，這樣可以通過風箱或繞過障礙物實施測溫而不影響測量結果。高能聲波也允許使用更小更精密的接收器，可以方便地在鍋爐水冷壁管鰭片上開一個1/

16、2英寸（）尺寸的槽內穿過爐壁安裝，這就大大節約了安裝成本。10爐膛檢測與過程控制聲波溫度計可以連續實時地監視爐膛溫度空間的瞬時變化。它們可以用來在鍋爐啟動時進行監視防止超溫導致的爐膛對流區域管壁的變形和損壞。最近在中西部燃用PRB煤的一座鍋爐上安裝了聲波溫度計測量爐膛出口溫度以反映機組負荷。運行人員注意到在起動期間指示出超溫狀況而溫度探針HVT卻沒有反應。對過熱器的檢查發現它在啟動期間遭到了大規模損傷。如果將聲波溫度計納入啟動程序就會避免維修損傷的費用。在很多應用項目中采用一個聲波發生器和三個接收器的配置方案，這已能提供足夠的信息確保在起動和正常運行期間監視爐膛出口溫度。根據具體需求，其他的系

17、統配置很容易達到以實現眾多的控制方案。例如，切圓燃燒分割爐膛可以采用同樣的控制方案簡單地在需要地方布置發生器和接收器。一個控制平臺可采用多達16個發生器和接收器使此系統不僅能監視爐膛出口溫度而且可監視火球的集中度。該系統的靈敏度也足夠以測量由于燃燒器改變傾角導致的爐膛出口溫度的變化，也可用于檢測水冷壁泄漏，并發生報警。由于爐膛出口煙氣溫度是表現爐膛內部熱傳遞質量的一個重要指標，所以它是鍋爐控制系統的一個重要參數。每個鍋爐都設計成在某一具體溫度下可達到最優化的熱傳遞分布。但是由于煤質、鍋爐負荷、積灰和其他過程參數的變化使鍋爐的燃燒特性在運行過程中連續變化，對爐膛出口煙氣溫度的連續在線測量使得運行

18、人員可監視爐膛的變化趨勢并采取措施防止不該發生的狀況產生。例如，水冷壁下部的積灰僅在需要時才有必要開啟吹掃設備清除。這可以防止由于過度使用吹掃設備對管壁造成的磨蝕。通過在相應的生熱區域設置接收器，聲波溫度計可以監視并警報由于過高的火焰溫度導致過量的生成。在溫度高于2700（1482）時的生成以指數級增加，控制爐膛溫度低于放熱設計限值對于減少排放至關重要。將爐膛溫度和生成限制在期望的限值內也對燃后的排放控制系統產生影響。例如，反應劑的用量是與爐膛內的生成量直接相關的。另外，燃后排污技術的效率和效果也取決于維持運行溫度在一定的范圍內。如果用于原始設計評估，聲波溫度計可用來確定最佳的反應劑噴射點以確保這些排污控制系統的最佳效率（Power,1989;Gaikwad,1997）。在線爐膛出口溫度測量使得燃燒和清掃控制系統可以采用先進的神經元網絡和智能吹灰系統。這些系統有能力根據爐膛狀況采取動態調節以減少排放并改善電廠性能。當使用類似PRB的劣質煤時，監視爐膛出口煙氣