宋秋艷

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095)

爐膛出口煙氣測溫裝置的分析與比較

宋秋艷

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095)

本文就爐膛出口煙溫測量裝置為立足點(diǎn)，結(jié)合近年來測溫裝置的使用情況及其發(fā)展趨勢，分析了現(xiàn)有傳統(tǒng)的測溫裝置存在的優(yōu)勢和弊端，新興的紅外和聲波測溫的原理及其各自的特點(diǎn)，提出了解決鍋爐能夠在全負(fù)荷范圍內(nèi)長期連續(xù)測量爐膛出口煙溫裝置困難問題的方案。

爐膛煙溫；全負(fù)荷連續(xù)測量；煙溫探針；紅外測溫系統(tǒng)；聲波測溫系統(tǒng)。

1 爐膛煙氣測溫的重要性

火電廠鍋爐燃燒調(diào)整對鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行十分關(guān)鍵，而燃燒調(diào)整試驗(yàn)時需要監(jiān)測一系列參數(shù)，但其中一個非常關(guān)鍵的直接反應(yīng)燃燒火焰的參數(shù)就是爐膛煙氣溫度，特別是爐膛出口煙氣溫度。半個世紀(jì)以來，爐膛煙氣在線測溫技術(shù)久攻不克，成為工程設(shè)計和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的空白，以下是工程實(shí)際出現(xiàn)的問題：

(1) 爐膛出口煙溫高(>DT-50℃)導(dǎo)致嚴(yán)重結(jié)焦、掉渣事故。

(2) 火焰偏斜導(dǎo)致水冷壁一側(cè)磨損、結(jié)焦，以及過熱蒸汽左右偏差大、管壁超溫事故。

(3) 啟動時爐膛出口煙溫升高太快，干燒再熱器，造成高溫蠕變，潛伏著爆管隱患。

(4) 啟動和低負(fù)荷時，風(fēng)煤配合不佳，燃燒不穩(wěn)，爐膛上部爆燃，煙溫快速升高導(dǎo)致汽溫失控，被迫打閘停機(jī)。

(5) 由于長期沒有反映燃燒的關(guān)鍵參數(shù)爐膛煙溫，使優(yōu)化燃燒失去直接監(jiān)控和判別依據(jù)。

基于以上問題中吸取的教訓(xùn)，爐膛煙氣測溫是實(shí)現(xiàn)火電廠安全運(yùn)行的重要手段之一，必須采用準(zhǔn)確、實(shí)時的測量方式。

2 幾種測量方法的比較分析

2.1 傳統(tǒng)測量方法

眾所周知，傳統(tǒng)的火電廠設(shè)計方法中，隨鍋爐指定配供煙溫探針(左右各一套)作為測量爐膛出口煙溫的手段。煙溫探針是一種將熱電偶送入爐膛或煙道，監(jiān)測煙氣溫度的機(jī)電設(shè)備。熱電偶固定在探針的頭部。在煙氣中作伸縮運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程自動操作。主要用于鍋爐啟動期間監(jiān)測爐膛出口處的煙氣溫度，防止再熱器管子燒壞。也可以作為輔助控制工具測量鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時的煙氣溫度。工作時由氣動或電動推進(jìn)器推動探針前進(jìn)。裝在探針內(nèi)的熱電偶被送進(jìn)爐膛，熱電偶將測得的溫度顯示在集控室的儀表盤上，位置轉(zhuǎn)換系統(tǒng)同時將熱電偶進(jìn)入爐膛的距離顯示在集控室相應(yīng)的儀表上。在運(yùn)行過程中也可以在任意位置手動控制探針的進(jìn)、退、停。當(dāng)測得爐溫達(dá)到設(shè)定值時，發(fā)出報警并退回探針。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，所以測量精度較高。但是，溫度探針只能在啟動投粉初期1小時內(nèi)、煙溫<539℃情況下工作，且8m～9m長的煙溫探針進(jìn)出高溫爐膛極易損壞(大部分鍋爐的煙溫探針均已損壞)，所以不能滿足鍋爐運(yùn)行全過程監(jiān)測的需要，不利于鍋爐燃燒優(yōu)化。特別是當(dāng)前，各個發(fā)電集團(tuán)的電廠由于煤種多變紛紛在開展煤種適應(yīng)性試驗(yàn)研究和運(yùn)行監(jiān)控管理的情況下，能在全負(fù)荷范圍內(nèi)爐膛出口煙溫測量尤為重要了。

2.2 紅外在線測溫

紅外在線測溫是基于遠(yuǎn)紅外探測器的原理。當(dāng)煤炭、天然氣或重油在鍋爐中燃燒之后，都會產(chǎn)生CO2氣體。CO2在高溫之下會產(chǎn)生紅外線輻射。紅外眼具有紅外線濾波器，只允許CO2所產(chǎn)生的紅外線通過。紅外眼的薄膜電熱元件對于CO2產(chǎn)生的紅外線光譜產(chǎn)生感應(yīng)，從而測量出C02的氣體溫度。 煙溫檢測器可安裝于燃燒器上方、大屏底部、爐膛出口煙窗以及尾部煙道入口。相對于傳統(tǒng)煙溫探針的方法，紅外在線測溫有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 紅外眼是靜止設(shè)備，減少了運(yùn)動機(jī)械故障的可能性。如果沿爐膛寬度方向安裝兩臺的話，則還可以測定和監(jiān)視爐膛兩側(cè)的煙氣溫度偏差。

(2) 傳統(tǒng)探針方法只能在通過檢測尾部煙道入口處的煙氣溫度來間接推斷火焰中心是否偏斜，現(xiàn)在可以直接由安裝在燃燒器上方的沿爐膛寬度方向的兩臺紅外眼來測量和監(jiān)視。 對于四角切圓燃燒(如ABB-CE的設(shè)計)來說，這就是監(jiān)視火球中心的位置。對于對沖燃燒(如B&W和Foster Wheeler的設(shè)計)來說，是為了保持分割墻兩邊爐膛中煙氣溫度的平衡。

(3) 可以監(jiān)視最高煙氣溫度，一是避免發(fā)生結(jié)渣，二是防止水冷壁過熱爆管。

(4) 在鍋爐的啟動階段，使用紅外眼檢測爐膛的煙氣溫度，將其記錄下來，與過熱器出口的蒸汽溫度的記錄曲線進(jìn)行比較。在圖1中可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽溫度曲線有個轉(zhuǎn)折點(diǎn)A，過了A點(diǎn)之后，過熱器出口蒸汽溫度開始下降。此時就應(yīng)該投入吹灰器。與A點(diǎn)所相應(yīng)的煙氣溫度曲線上的是B點(diǎn)。下次鍋爐啟動時就根據(jù)煙氣溫度的測量來確定何時開始投入吹灰器。當(dāng)不用這個辦法時，運(yùn)行人員是發(fā)現(xiàn)汽溫降低時多投燃料以升高汽溫。此時將會造成過熱器受熱面積灰過多，煙氣溫度升高，導(dǎo)致結(jié)渣的傾向。

圖1 過熱器出口蒸汽溫度趨勢圖

但紅外在線測溫也存在其局限性，由于爐膛煙氣是氣態(tài)發(fā)光，溫度分布不均勻，成分不固定，再加上飛灰顆粒輻射的存在，因此，組成的光譜波長和穿透力等不確定，從而導(dǎo)致被測區(qū)域不確定，測量誤差比較大。

2.3 聲波在線測溫

聲波測量溫度是近年來發(fā)展起來的較為先進(jìn)的一種爐膛測溫方式，它既具備紅外測溫的上述各種優(yōu)點(diǎn)，又避免了紅外測溫測量誤差大的缺點(diǎn)，所以受到各方面的廣泛關(guān)注。爐膛聲波在線測溫是基于測量聲波發(fā)射和接收間的時間差，在知道兩點(diǎn)距離的情況下，確定聲音速度，從而按公式(1)計算出溫度。

式中：T為絕對溫度；R為氣體常數(shù)；r為定壓定容下比熱之比；C為聲速。

聲波測溫的系統(tǒng)原理見圖2，聲波測溫的系統(tǒng)組成見圖3。

圖2 聲波測溫系統(tǒng)原理圖

圖3 聲波測溫系統(tǒng)組成示意圖

聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波要有足夠強(qiáng)度(＞170dB)，防止傳播過程中衰減而漏聽，造成測量錯誤。對于300MW及以上容量鍋爐，聲波發(fā)生器的工作氣源壓力必須大于25bar。

聲波測溫可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的配置方案，現(xiàn)在可以應(yīng)用的主要有爐膛單層、爐膛雙層兩種方案。

這兩種方案中，鍋爐啟動時，聲波測溫均可取代爐膛出口煙溫探針，還可省去大面積鋼平臺，也可以在全負(fù)荷范圍內(nèi)，監(jiān)控爐膛出口煙溫及其左右偏差。 但方案一投資較少，而方案二可以了解較多信息，更全面的監(jiān)控爐膛出口煙溫，以利于進(jìn)一步燃燒優(yōu)化 。

3 結(jié)論

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的溫度探針在煙溫達(dá)到539℃時必須馬上退出，只能在鍋爐啟動時監(jiān)視爐膛升溫使用，已不能滿足現(xiàn)今火電廠鍋爐燃燒優(yōu)化的需要。為了鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，全負(fù)荷范圍內(nèi)的爐膛煙溫監(jiān)控勢在必行。本文推薦聲波測溫方式，在測量精度方面相對紅外測溫裝置優(yōu)勢比較明顯。但聲波測溫裝置價格較高，也一定程度上影響了它的普遍應(yīng)用。值得一提的是，聲波測溫裝置在安裝時特別需要注意接收器的位置，最好在設(shè)計聯(lián)絡(luò)會上與鍋爐廠及吹灰器廠家協(xié)調(diào)，避免與吹灰器得距離太近，而導(dǎo)致耳機(jī)震動膜被高溫灰粒損壞，從而影響測量效果。

[1]譚小平．鍋爐爐膛出口煙溫對鍋爐性能的影響[J].鍋爐制造，2005，(02).

[2]李剛．爐膛聲波測溫系統(tǒng)在寧海電廠1000MW 超超臨界鍋爐上應(yīng)用[J]．自動化博覽，2011，(02).

[3]曾祥玉，陳保東，南卓．爐膛出口煙溫與鍋爐成本[J]．節(jié)能技術(shù)，2007，(05).

Analysis and Comparisons of Furnace Outlet Flue Gas Temperature Measuring Device

SONG Qiu-yan
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China)

This paper using furnace outlet fl ue gas temperature measuring device as foothold, combined with the use of temperature measuring device and its development trend, analyzes the existing traditional temperature measurement device existing advantages and disadvantages, the principle and characteristics of new infrared and acoustic temperature measurement, and puts forward some solutions to the dif fi cult problems for the powerplant that boiler outlet fl ue gas temperature can be measured in full load range and in long-term continuous scope.

furnace temperature; whole load measurement; infrared pyrometer; acoustic pyrometer.

TM621

B

1671-9913(2013)02-0051-03

2013-01-10

宋秋艷(1980- )，女，山東濟(jì)南人，工程師，儀表與控制、熱控主設(shè)人。