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    1 项目的提出

    火电厂锅炉燃烧优化是火电厂安全、节能和减排的关键所在。传统随锅炉配置的烟温探针（左右各一套），由于只能在启动投粉初期1小时内、烟温<539℃情况下工作，且长达8~9米的烟温探针进出高温炉膛极易损坏（目前大多巳损坏）。长期以来由于没有一种可靠、准确、并能从启动开始全负荷范围内监控炉膛出口烟温的系统，以致造成锅炉频频出现事故。例如，炉膛出口烟气温度高（>DT-50℃）导致严重结焦、掉渣事故；火焰偏斜导致水冷壁一侧磨损、结焦，以及过热蒸汽左右偏差大、管壁超温事故等。同时，也使锅炉优化燃烧失去直接监控和判别依据。

    2009年5月，神华浙江国华浙能发电公司会同国华电力研究院技术研究中心经过调查研究，考虑到PyroMetrix声波测温系统在国外已有不少成功的应用，最终决定在宁海电厂6号锅炉（1000MW）上试安装炉膛烟气声波测温系统。

    2 声波测温系统原理

    声波测量温度是基于测量声波发射和接收间的时间差，在知道两点距离的情况下，确定声音速度，从而按下列公式计算出温度。

    基本公式：
    式中：
    T -绝对温度
    R -气体常数
    r -定压定容下比热之比
    C -声速

                      
                                        图1 声波测温系统原理图

    3 声波测温系统的组成

    3.1 高强度、前沿刚劲的声波发生器（ASG）

    En e r t e c h n i x 公司开发的气动声波发生器能发出高强度（>170dB）的声波，测量距离达30米，声波前沿刚劲陡峭(<50μs)， 温度测量范围广(-18℃~1926℃)，测量准确度达到±1%。
   
    3.2 精密小型接收器（ASR）

    接收器只需在水冷壁管间的鳍片上开直径12mm小孔就可以监听发生器发来的声波，安装方便。

    3.3 多接收器处理技术

    一个声波发生器发出的声波可以有多个接收器同时监听，一个控制平台可采用多达16个发生器和接收器，比起一个发生器对一个接收器的系统来说，不仅简化了系统，更重要的是大大减少了锅炉上安装发生器必须在水冷壁弯管开孔带来的麻烦。

    3.4 通过特殊算法计算炉膛温度场

    图2为典型的2个声波发生器ASG，6个声波接收器ASR，锅炉炉膛温度测量系统配置图。

                            
                                      图2 典型的炉膛温度测量系统配置图

    测温系统声波发生器（ASG）、声波接收器（ASR）、信号处理控制器（SPC）配置及DCS画面示意图分别如图3所示。通过测量得到8个通道上烟气的平均温度，再经计算机特殊算法处理得到炉膛温度场分布，并在DCS显示器上呈现出来，指导运行人员调整优化燃烧。

                              
                                            图3 炉膛温度区域图

    3.5 高灵敏度检测泄漏

    接收器接收炉膛内部各种声波，通过声波强度与持续时间的对比筛选，可以方便地将炉管泄漏声音和别的噪音（例如吹灰）区别出来，及时发出炉管泄漏报警，使该系统同时还具有检测炉管泄漏的功能。

    4 声波测温系统的配置

    根据1000MW超超临界塔式锅炉炉膛布置和沿炉膛高度烟气温度分布情况确定配置二层测温系统。

    第一层布置在标高67米处，测量炉膛出口烟气温度分布，以防止启动时升温太快和冲转前温度太高而烧坏再热器，正常运行时防止温度太高，屏过等受热面结焦；控制适当的火焰高度和减温喷水量；防止火焰偏斜带来的一系列危害。

    第二层布置在标高51米处（第五层燃烧器至下排过燃风口间）。该层是炉膛燃烧最高温区，大约在1400℃~1500℃间，飞灰处于熔化状态，也是最容易生成的地区（烟温达到1482℃以上时， 生成量将以指数级快速增加）。监视火焰偏斜防止水冷壁结焦，防止局部过热，减少生成。

    每一层声波测温系统的信号处理计算机输出11个4~20mA信号（其中5个区域温度信号，6个炉管泄漏检测信号）到DCS，并在DCS操作员站监控画面上显示，如图4所示。

                             
                                      图4 声波测温系统与DCS信号连接系统图

    5 声波测温系统运行情况

    5.1 运行效果

    系统投入运行后，为锅炉运行和管理人员提供了大量锅炉炉膛燃烧工况和烟气温度分布数据。图5至图7是从DCS上拷贝下来的部分曲线和画面。

                        
                                          图5 锅炉启动时温度曲线（上层）

                      
                                          图6 负荷降低时温度曲线（上层）

                      
                                          图7 组跳机时的温度曲线（下层）

    从应用情况可以得出下列结论：

    （1）声波测温系统与温度探针间相差10℃~20℃（温度探针只能在投煤粉后1小时启动过程中工作，当烟温达到539℃时必须马上退出）。

    （2）声波测温系统能在启动、停止和负荷变化全过程中投运，显示的各层和各区域温度均正确随负荷变化。满负荷时显示的炉膛出口处烟气温度值，有助于运行人员根据实际煤种DT数值，预防炉膛出口屏过结焦。

    （3）同一层五个区域间温度偏差随负荷增大而增大。启动前、点油期间以及甩负荷熄火后，五个区域温度趋于一致，符合燃烧实际。

    5.2 问题和改进

    宁海电厂6号炉共装设两层声波测温系统，上层（炉膛出口层）系统一年来运行一直正常，下层（51米标高）系统由于初期缺乏经验出现过一些机械安装问题（如脏物进入电磁阀造成漏气），以及接收器安装位置选择不当离吹灰器太近，导致多个耳机震动膜被高温灰粒损坏。这些问题均已及时解决。

    6 总结

    一年实践证明炉膛声波测温系统技术先进、可靠性好，可以满足实际运行的需要。宁海电厂在国内首次成功解决了为锅炉提供能在全负荷范围内长期连续测量炉膛出口烟温的装置，炉膛声波测温系统在宁海电厂1000MW超超临界锅炉上得到成功应用。

    李刚（1981-）
    男，山东临沂人，高级工程师，2005年毕业于东北电力大学自动化专业，主要从事火电厂自动化技术研究、调试和运行维护方面的工作，现任神华浙江国华浙能发电公司（宁海电厂）安技部热控专责工程师。

    摘自《自动化博览》2011年第二期