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锅炉炉膛温度场测量技术

文档作者：曾庭华马斌文档来源：广东省电力试验研究所		点击数：	更新时间： 2024年06月12日
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第12卷第1期
1999年2月
睦越 叫童
GUANGD0 G 耻c玎l C P0WER
卞 ．12No．1
Feb．1999
锅炉炉膛温度场测量技术
丛 卜I
(e-东省电 究 ■ 510 南) ／
摘要介绍了当前世界上最先进的两种锅炉炉膛温度场的测量方法，即声学高温剥量法和基于
图像处理的温度场测量法，并进行了分析和讨论。
关键词锅炉温度测量
锅炉燃烧的基本要求在于建立和保持稳定的燃
烧火焰，在典型的四角切圆燃烧锅炉中，燃烧工况
组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏
斜、火焰刷墙等是导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛
灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因。因此，电
站燃煤锅炉燃烧诊断具有很重要的现实意义。但由
于我国电站燃煤煤质和煤种经常变动，参数整定困
难，另外，工业燃烧过程自身具有瞬态变化、随机
湍流、设备尺寸庞大、环境恶劣等特征，给有关热
物理量场参数的在线测量带来了困难，难以获得描
述实际燃烧过程的热物理量场参数，特别是温度分
布的测量很困难，这样导致燃烧调整得不到可靠的
依据，燃烧最优化运行无法实现。目前这已成为提
高大型燃烧设备安全性和经济性的瓶颈。
因此，在工程应用方面，寻找一种简便、快捷
的方法进行温度场的测量显得尤为重要。传统的伸
入式测量方法，例如用热电偶或水冷式抽气热电偶
来测量，费力费时，一般它们仅限于在短时的试验
中应用。近年来国内外在高温火焰温度测量方面研
究较多的是激光CT技术、全息技术，但由于大型
燃烧设备中的含尘火焰大光学厚度特征，以及这类
技术所需的装置昂贵、安装精度高、操作困难等原
因，目前国内外尚未见其实际用于工业性煤粉火焰
的多相流测量中。本文介绍了当前世界上最先进的
两种锅炉炉膛温度场的测量方法，即声学高温测量
法和基于图像处理的温度场测量法，包括其原理及
应用，并进行了分析和讨论。
1 声学高温测量原理’
声波在气体混合物内的传播速度是绝对温度的
第一函数，在较小的程度上气体组分也是其函数。
在大多数应用条件下，气体的组分和它们的相对含
量是已知的而且在很小范围内变化，因此沿声波从
声源到接受器的路线上的平均温度可以先测量声波
的“飞行时间” (即从声源到声接受器所需的时
间)，然后根据已知的该两点之间的距离，算出烟
气的温度。
从炉膛一边以压缩空气为动力发出一个宽频带
声学信号，该信号被位于对面的一个接收传感器所
检测到，从发声到检测经历的时间即声波的“飞行
时间”，它被用来计算充满在该两点之间的烟气平
均温度。声学高温计的基本原理可用下面的公式来
表示：
W =d／t= 而
式中w—— 在某种气体中的声速，nl／s；
d——声波传播距离，m；
￡—— 声波飞行时间，s；
r——特定气体在定压定容下的系数；
R— — 气体常数，8．314 J／(tool·K)；
一绝对温度，K：
M一气体分子量，kg／mol。
由于声波发射器和接收器这两点之间的距离是
已知的常数，测定声波的飞行时间就可算出沿飞行
路线的气体平均温度。
为算得气体温度，可将上述公式写成：
见加拿大塞斯埃(csI)公司资料：BOILERWATCTq 3lAP H声学高温测量系统(技术规格及说明)。
维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 曾庭华等：锅炉炉膛温度场测量技术
T： (d／Br) ×10 —273．16
式中 一气体温度，℃ ；
— — 距离，In；
B—— rR／M ，声学常数；
r 行时间，Ins。
加拿大CSI集团公司据此原理研究开发出了名
为t30ILERWATCH的锅炉炉膛温度场实时监测系
统，该系统可以设计成测量8条单一路线上的平均
温度或按阵列编排的多达24条路线来测量温度的
分布。B0ILERWATCH测得的温度数据可以直接
输人厂内的分散控制系统(DCS)、数据采集系统
(DAS)或输人计算机供数据显示和提取 可通过
DCS来向运行人员提供温度一时问曲线，或在一
台装有CSI公司的TMs__wIN软件的计算机屏幕
上显示出来．也可以通过TMS～WIN软件令计算
机画出空间温度分布形态或提供其它的数据显示
2 基于图像处理的温度场测量原理 _『
该方法的温度测量基于Plank辐射定律，在煤
粉燃烧火焰辐射的波长范围400～750 rm 及温度
范围3 000 K以下，Plank辐射定律可由Wien辐射
定律取代：
E (T)：(C1以 )exp(一C2／&amp;amp;T)~( T)
式中，E (T)为火焰辐射能，￡( ，T)为辐射
率， 为波长，c】、c2为常数。如果在两个波长 】
和 2下同时测量到同一点发出的单色辐射能E
(T)和E (T)，则根据两者的比值即可计算出该点
的温度：
(1以，一1／；4 )
一
lnE^1(T)／E (T)一1n(￡^1／￡啦)一5ln( 2／ 1)
一个典型的彩色CCD (Charge Coupled De—
vices，电荷藕合器件)摄像机测温系统中．火焰的
图像通过摄像机和图像卡后，以数字的形式储存在
计算机内。彩色CCD的任务是把人射光分解为波
长分别为700 rllll、546．1 ILITI、435．8 rllll的红、
绿、蓝三基色，因而火焰图像在计算机内实际上是
三色图像，利用其中的两个颜色的图像，根据上述
比色法测温原理，就可以进行温度场计算。
同其它非接触式测温方法一样，该方法所测得
的温度场是三维空问温度在二维平面上的叠加，要
想得到炉内真实的 维温度场 需进行三维温度场
重建。方法有二：一是基于(_r (Computer To—
mography，计算机层析成像)技术，从不同方向所
摄取的多幅二维辐射图像中识别同一截面，按火焰
辐射衰减的先验理论反演内部温度场；二是基于炉
内辐射理论的重建，数值模拟技术可以给出炉内燃
烧过程各个参量在炉内三维分布的定性可靠的结
果，而炉内辐射图像则反映炉膛辐射能传递在
ccD照像机上的累积效应，将二者结合起来，则
可从二维辐射图像中重建出炉内三维温度分布。将
炉膛内体积分成M 个微元体，壁面分成N个微元
面。假设：在微元面和微元体内温度均匀，辐射减
弱系数取同一值。利用能量守衡关系求出炉内燃烧
放热量分布．通过燃烧过程数值模拟结合炉内火焰
图像给出的炉内不同位置气体及煤粉颗粒浓度及其
燃烬度的分布，进而确定炉内介质的辐射特性参数
分布，将其代人到二维辐射图像同炉内三维温度分
布的关系式(光通量计算式)中，更新炉膛燃烧三
维温度分布，循环进行，直到收敛。这样，壕后不
仅得到炉膛燃烧三维温度分布，还可得到与介质辐
射特性参数相关的热物理量。这个结果比现行的数
值计算结果更可靠．因为计算的边界条件是辐射图
像所含的大量反映瞬时燃烧过程的辐射信息，不同
时刻的重建结果将具有时间分辨特性，这是传统的
数值模拟所不具有的。
3 应用
温度测量系统可以作为全炉膛火焰的监测设
备，也可将其安装于燃烧器、出口烟窗等锅炉重要
区域作为单元监测设备 知道了在炉内某一平面上
的烟温和位置的关系可以为运行和设计人员提供一
个有用的工具来提高效率、降低排放量以及减少维
修费用。表l列出了锅炉炉膛温度场的几种常见的
应用
4 分析与讨论
声学高温测量系统直接测得的是某一条路径上
的平均温度，t30IU RwATCH提供这单一路线的
测量并声称有许多应用和好处，但这种平均温度不
能反映某一点的实际温度水平。真正有价值的是阵
列编排多达24条路线温度分布的测量，它可以比
较快速准确地拟合某一重要平面 (如燃烧器区
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50 广东电力 第12卷
监视有无火焰直接冲刷水狰壁管的现象
识别有无低温区据以识别堵塞的或工作不
正常的燃烧器。从而改善其空气／燃烧比蜘
监视四角喷燃炉膛等温线图形以发现偏斜
的火球
在炉膛出口平面规定的区域进行温度自动
测量，作为吸收剂控制的输^信号
控制吹藏器的操作，爿断畦藏器是否失散
或处于非最佳运行方式
事故追忆
可据以调整火焰位置以避免直接冲刷水狰壁管，避免水狰壁管的损坏：改善炉水循环井
提高运行效率。
改善喷袖或燃烧分配、混合和炉水循环，改善热力分配和运行教率
改变火焰控制方式以提高效率、减少水持壁管的应力、延长使用寿命井降低热耗：此外．
还匏帮助发现工作不正常的燃烧器
可以实施喷^系统的fl动控翩，只在可被接受的温度范圈内喷射，以优化喷射嫂果。最
大限度降低Nq／s 的排放，防止浪费化学药品和动力
仅在需要时使用欢藏器．减少蒸气或空气荨的消耗；经常保持受热面的洁净，减步因受
热面沾污，每 渣，蝈道阻力增加而限制出力，以及进、引风机教有足够静压头来克服流通
阻力
将炉内燃烧状况记录下来，可作为档案提供事敲调查使用
域)的温度场分布(绘一温度分布图典型的时间为
72 s)，对运行人员进行燃烧诊断有重要实用意义。
但目前炉内三维空间的温度分布尚不能获得+理论
上可行，实际上要想得到炉膛空间的温度分布首先
得在锅炉上下布置众多的声发生器和接收器，而现
在的声发生器和接收器尺寸较大，需炉墙开孔也
大，这对燃烧有一定的影响；另外，炉内燃烧复
杂，各种气体组分相差悬殊，要精确地求解温度场
需考虑的因素很多，这是一项很复杂的工作+需进
一步研究。
众所周知，锅炉的内部经常会被飞灰、烟炱或
融渣沾污，因此它们需要经常用常知的“吹灰器”
来吹净。吹灰器通常用蒸汽、压缩空气或高强度的
声波来清洁受热面，所有种类的吹灰器都会发出高
声频的噪声，它会干扰声学高温计的工作。所以
BOIu皿wA11：H必须在吹灰器停用时使用，而且
只有在背景噪声很低时才投人，这就限制了系统的
应用。因此今后声学高温计应当致力于以下三方面
的研究：一是尽量减少发生器和接收器的尺寸，使
得它们对燃烧的影响最小；二是加强炉内燃烧状况
的研究，提高测量精度并争取得到炉内三维温度场
的分布；三是增强系统抗干扰能力的研究，减低背
景噪音的影响。
采用数字化摄像装置所测得的温度场实质上是
三维空问温度在二维平而上的某种累积效应，要想
得到炉内真实的三维温度场，需进行三维温度场重
建。研究表明，摄像镜头及图像传感器对燃烧介质
辐射能的探测能力在10 m内，即图像传感器对lO
m外的辐射已不敏感了。初步分析表明：若①炉内
空间需要求解温度值的点至少被两个摄像机观察
到；② 任何一个摄像机的任意一个用来建立一个方
程的像素点所对应的该炉膛空间内成直线的三维各
点均满足① 的条件，则可建立起有解的方程组，求
解温度场的分布。这样对大型炉膛若要重建温度场
将增加许多困难。
在建立二维辐射图像和三维辐射能量(温度)
分布的数学关系式时，需考虑的因素很多，如固体
颗粒的散射对辐射能的影响，炉内介质衰减系数的
影响等等，但目前都将其忽略或假定是均匀的，无
疑给温度场重建带来较大误差。实际上炉内介质的
衰减系数由于颗粒的组成、浓度分布、温度等不相
同，导致辐射衰减系数相差很大，比如燃烧器区域
达到0．6m～ ，而接近炉膛出口则只有O．2mI1左
右，因此今后将加强这方面的研究，进一步完善该
方法。另外系统硬件本身的测量误差、镜头沾污等
各种因素也当考虑。
总的看，声学高温测量方法已经成熟并已有商
业化应用(如130ILERWATCH系统)，特别是对
二维温度场的测量有重大实用价值。基于图像处理
的温度场测量方法现仍处于实验室阶段，未有工业
应用，但无疑具有广阔的前景。
参考文献
1 周怀春，娄新生，等炉艟火焰温度场图像处理试验研究．中
国电机工程学报，1995，15 (5)}295~299
2 王飞，薛飞，等运用彩色CCD测量火焰程度场的试验研究及
误差分析热盹动力工程，1998，13 (2)：81～
(收稿日期：1998．09．03)

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