1系統(tǒng)概述
目前為止,鍋爐爐膛中燃燒的火焰情況對于運(yùn)行人員仍然是"黑匣子"一樣的存在。當(dāng)爐膛中的燃料在燃燒過程中出現(xiàn)火焰中心偏斜、火焰刷墻等現(xiàn)象,偏離優(yōu)化燃燒工況時(shí),依靠現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)(包括定性監(jiān)測的火焰監(jiān)視器、有限的爐膛出口煙溫測點(diǎn)、過熱器/再熱器壁溫測點(diǎn)及其他鍋爐運(yùn)行參數(shù)等）并不能有效識別,無法采取相應(yīng)的燃燒調(diào)整和控制措施克服,易導(dǎo)致水冷壁結(jié)焦、爆管,過熱器超溫、爆管等降低鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的故障和事故。
本系統(tǒng)是一種全新的測量系統(tǒng),能夠提供以前從未測量過的參數(shù)一爐膛燃燒時(shí)的溫度分布,可對鍋爐燃燒狀態(tài)進(jìn)行定量、可視化、實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測,及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良的燃燒工況,通過對一/二次風(fēng)量的配比調(diào)節(jié)、燃燒器的組合調(diào)整等措施,消除燃燒調(diào)節(jié)不合理導(dǎo)致的不良燃燒狀態(tài),實(shí)現(xiàn)平衡及優(yōu)化燃燒,減少燃料量的投放,降低N03及飛灰等的排放,延長機(jī)組使用壽命,從而達(dá)到節(jié)能降耗,減少污染物排放,提高鍋爐運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性的目的。
2聲波測溫原理及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
2.2聲波測溫原理
(1）單路徑平均溫度測量:聲波在氣體中傳播速度的二次方與其傳輸路徑的氣體溫度成正比。
聲波測溫系統(tǒng)基于介質(zhì)中的聲音傳播速度與介質(zhì)溫度的相關(guān)公式,通過精確測量聲波從發(fā)射到遠(yuǎn)處接收的時(shí)間差以及發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的距離,就可以得到這兩點(diǎn)之間介質(zhì)的平均溫度。準(zhǔn)確和穩(wěn)定測量聲波飛渡時(shí)間是確保測量精確度和測量魯棒性(穩(wěn)定性)的關(guān)鍵。
(2)多路徑平均溫度測量:在裝設(shè)一定數(shù)量的發(fā)射器和接收器后就可得到多路徑溫度,通過重構(gòu)算法就可得到區(qū)域平均溫度。
(3)溫度場重建:根據(jù)24條聲波路徑溫度,采用基于高斯函數(shù)與正則化法的溫度場重建算法及層析成像技術(shù),實(shí)現(xiàn)在較少溫度投影條件下的溫度場重建,并在顯示器上實(shí)時(shí)在線顯示溫度分布狀態(tài)和其他相關(guān)信息。
2.2系統(tǒng)硬件
本系統(tǒng)由8套聲波發(fā)射/接收傳感組件、8套前置放大裝置、1個(gè)過程控制單元、1個(gè)中央控制單元組成。8套聲波發(fā)射/接收傳感組件安裝于鍋爐四壁的同一平面上,不同側(cè)的2個(gè)傳感器之間共形成24條聲波路徑,提供給中央控制單元進(jìn)行溫度場運(yùn)算和顯示。聲波測溫系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示,核心硬件主要有:
(1)發(fā)聲系統(tǒng)。這部分由文丘里管、波導(dǎo)管、波導(dǎo)管延伸及相應(yīng)附件組成。文丘里管通過壓縮空氣發(fā)出強(qiáng)度為126=d、特定帶寬的白噪聲,經(jīng)波導(dǎo)管耦合放大后送入爐膛作為本系統(tǒng)的聲波信號源。
(2)聲波傳感器。這部分采用由特殊腔體結(jié)構(gòu)以及聲學(xué)振子、特制的壓電陶瓷堆制成的微音傳感器。聲波傳感器工作溫度范圍-20B400～,動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍≥100k℃H。
(3)前置放大器。對于發(fā)聲端和接收端傳感器接收到的聲波信號,都能使其輸出形式由電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,并具有信號放大功能,然后傳送至過程控制單元進(jìn)行處理。
(4)過程控制單元。這部分由電源轉(zhuǎn)換電路、信號預(yù)處理電路、發(fā)聲控制電路、中央處理電路組成,作用如下:一是對聲波傳感器采集的聲波信號同時(shí)進(jìn)行放大、衰減和帶通濾波處理:二是可設(shè)置聲波路徑對應(yīng)關(guān)系,按照配置好的聲波路徑對應(yīng)關(guān)系依次控制發(fā)聲裝置進(jìn)行發(fā)聲,同步采集發(fā)聲端和接收端聲波傳感器采集到的聲波信號,進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,計(jì)算路徑平均溫度,發(fā)送給中央控制單元進(jìn)行溫度場重建運(yùn)算和成像顯示。
(5）中央處理單元。這部分由專業(yè)工業(yè)計(jì)算機(jī)和FTMS-2018溫度場軟件組成,作用如下:接收過程控制單元路徑溫度,進(jìn)行溫度場重建并計(jì)算區(qū)域均溫等,將溫度場數(shù)據(jù)發(fā)送給DCS進(jìn)行顯示和燃燒優(yōu)化調(diào)整。
圖1聲波測溫系統(tǒng)拓?fù)鋱D
2.3系統(tǒng)軟件
FTMS軟件功能簡介:根據(jù)路徑溫度,通過FTMS軟件重建二維溫度場,實(shí)時(shí)顯示爐膛內(nèi)溫度分布圖,記錄和回放歷史溫度分布變化。具體包括溫度分布等溫線圖、溫度分布區(qū)域均溫、路徑溫度、路徑或區(qū)域溫度趨勢圖、溫度統(tǒng)計(jì)分析、爐管泄漏信息監(jiān)測等。
軟件模塊如下:
(1）等溫線顯示。實(shí)時(shí)顯示爐膛平面溫度場分布情況及等溫線,直觀展示燃燒情況。等溫線間隔/條數(shù)可任意設(shè)置,可顯示實(shí)時(shí)溫度分布和回放歷史溫度分布,還可顯示平面任一點(diǎn)溫度值。
(2）區(qū)域均溫。計(jì)算并顯示用戶自定義矩形區(qū)域平均溫度,并將計(jì)算的區(qū)域均溫發(fā)送給DCS。最多可設(shè)置24個(gè)區(qū)域,區(qū)域設(shè)定靈活。
(3）路徑溫度。顯示當(dāng)前接收到的路徑平均溫度值,用于判斷傳感器工作狀態(tài)。
(4）溫度趨勢。記錄并顯示所有路徑或區(qū)域溫度趨勢曲線實(shí)時(shí)顯示當(dāng)天選定的8塊區(qū)域或8條路徑溫度趨勢曲線,回放顯示選定日期的8塊區(qū)域或8條路徑溫度趨勢曲線。
(5）溫度統(tǒng)計(jì)。可以任意設(shè)定時(shí)間間隔,統(tǒng)計(jì)區(qū)域或路徑溫度的平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、變化率、超溫累計(jì)時(shí)間等信息實(shí)時(shí)顯示當(dāng)天的統(tǒng)計(jì)信息,顯示選定時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)信息。
(6）爐管泄漏信息監(jiān)測。通過接收傳感器對爐內(nèi)噪聲的監(jiān)測,識別非正常背景噪聲,繪制噪聲曲線,判斷爐內(nèi)是否有泄漏發(fā)生。實(shí)時(shí)顯示當(dāng)天選定的傳感器監(jiān)測噪聲曲線,回放顯示選定日期的傳感器監(jiān)測噪聲曲線。
聲波測溫系統(tǒng)信號處理計(jì)算機(jī)自帶顯示器,可顯示以下畫面:各條路徑平均溫度值、爐膛斷面16個(gè)區(qū)域溫度值、爐膛等溫?cái)嗝鏈囟?D彩色圖像。
聲波測溫系統(tǒng)除了在信號處理計(jì)算機(jī)上顯示以上畫面外,同時(shí)可以通過4～20mA信號將爐膛斷面的多個(gè)區(qū)域溫度信號傳輸?shù)紻CS,并在其操作員站上顯示。
2.4配置及實(shí)施方案
在爐膛出口、屏式過熱器下的2m左右高度(精確尺寸待用戶提供鍋爐圖紙最終確定）,測量爐膛出口斷面溫度分布。系統(tǒng)能從鍋爐啟動(dòng)開始,全負(fù)荷范圍內(nèi)監(jiān)控鍋爐爐膛出口煙氣溫度場。啟動(dòng)階段可以控制屏過前煙溫不要升得太快,防止干燒而損壞再熱器,同時(shí),通過觀察溫度場穩(wěn)定性確認(rèn)是否存在啟動(dòng)初期風(fēng)量太大,導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)而潛在滅火的可能性。正常運(yùn)行特別是煤質(zhì)變化時(shí)控制火焰高度,保證爐膛出口溫度在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi),確保燃燒經(jīng)濟(jì)性,滿足運(yùn)行優(yōu)化、節(jié)能減排要求:同時(shí)監(jiān)視火焰偏斜情況,以免導(dǎo)致一側(cè)火冷壁結(jié)焦。
聲波測溫系統(tǒng)配置不少于2個(gè)聲波發(fā)生器ASG、不少于8個(gè)聲波接收器ASR(圖2）和1臺信號處理計(jì)算機(jī)SPCw,測得爐膛斷面16個(gè)區(qū)域的溫度值(圖3）,運(yùn)行人員可清晰地觀察斷面溫度值分布。另外,還可以通過VGA視頻延長器,將彩色圖像接到操作員站或大屏幕上,以便隨時(shí)觀測溫度情況。
圖2聲波測溫系統(tǒng)布置圖
圖3爐膛斷面16個(gè)區(qū)域溫度顯示
3聲波測溫系統(tǒng)的作用及經(jīng)濟(jì)效益
3.1系統(tǒng)的重要作用
(1）監(jiān)控爐膛出口溫度。防止?fàn)t膛出口溫度過高導(dǎo)致過熱器結(jié)焦和管壁超溫:防止啟動(dòng)時(shí)爐膛出口溫度升高太快燒壞尚無蒸汽流過的再熱器管(干燒）:監(jiān)控爐膛出口溫度,判別水冷壁吸熱情況,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化吹灰控制:控制不同負(fù)荷下的爐膛出口溫度,合理分配輻射熱和對流熱的比例,減少過熱器和再熱器的噴水量,提高回?zé)嵝蔥例如對于300Mw機(jī)組,再熱器噴水每減少10t/h,煤耗降低約1.91g/(kw)h）]。
(2）矯正燃燒不均衡。及時(shí)發(fā)現(xiàn)和矯正兩側(cè)煙溫、汽溫的偏差;防止煙氣偏向一側(cè),導(dǎo)致該側(cè)水冷壁磨損、結(jié)焦;防止局部過熱而流渣。
(3）提高燃燒效率。優(yōu)化風(fēng)/粉比,將過量空氣系數(shù)降低至合理范圍內(nèi):均衡各側(cè)(角）燃燒器的風(fēng)量分配:控制火焰中心高度,使煤粉在爐膛內(nèi)充分燃盡,確保合理的熱量分配;為優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)提供更直接的判據(jù),使優(yōu)化系統(tǒng)更具可操作性。
(4）降低污染物排放。防止出現(xiàn)局部火焰過熱,降低N0X生成(當(dāng)局部火焰溫度達(dá)到1482℃時(shí),N0X生成將呈指數(shù)級增加）;對于配置有脫硝裝置的鍋爐,由于煙氣中N0X含量降低,可大大降低脫硝裝置的運(yùn)行費(fèi)用。
(5）保障鍋爐安全運(yùn)行。可避免燃燒工況組織不合理造成的火焰中心偏斜、火焰刷墻等情況,以免發(fā)生爐膛結(jié)焦、滅火、爆炸以及爆管等運(yùn)行事故。
3.2經(jīng)濟(jì)效益
本系統(tǒng)投運(yùn)后,機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到提高,預(yù)計(jì)鍋爐燃燒效率提高至少0.1%,水冷壁及過熱器壁溫不均勻度下降20%;大幅減少甚至避免了鍋爐受熱面超溫及高溫腐蝕等問題,降低了受熱面超溫或高溫腐蝕引起的爆管等不安全事件的發(fā)生率,大大提高了鍋爐運(yùn)行可靠性;同時(shí)可延長檢修周期而帶來效益,鍋爐本體平均檢修周期預(yù)計(jì)延長半年以上。
3.3社會(huì)效益
該技術(shù)是計(jì)算機(jī)、聲學(xué)、信息處理技術(shù)、圖像處理技術(shù)相結(jié)合的綜合產(chǎn)物,其應(yīng)用必將有力推動(dòng)我國鍋爐安全監(jiān)測與節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展,使技術(shù)迅速變?yōu)樯a(chǎn)力,并帶動(dòng)相關(guān)學(xué)科人才的培養(yǎng)和發(fā)展,因而具有重要的社會(huì)效益。
3.4環(huán)境效益
本項(xiàng)目在鍋爐燃燒優(yōu)化控制、安全運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、尋求最優(yōu)燃燒方式及最優(yōu)控制策略、減少環(huán)境污染等方面都具有重要意義。
4結(jié)語
綜上所述,聲波測溫系統(tǒng)已在國內(nèi)眾多電廠進(jìn)行了與溫度探針的實(shí)際對比驗(yàn)證,實(shí)踐表明,偏差在7～14℃范圍內(nèi),其完全可以取代溫度探針。通過監(jiān)控爐膛出口溫度,判別水冷壁吸熱情況及局部火焰過熱、爐膛出口火焰偏斜情況,進(jìn)行燃燒效果評價(jià)。同時(shí),可取代只能在啟動(dòng)時(shí)使用的溫度探針,從啟動(dòng)開始,全過程監(jiān)控鍋爐爐膛出口煙溫,確保鍋爐燃燒安全,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化、節(jié)能減排。
