爐膛出口煙氣測(cè)溫裝置的分析與比較

宋秋艷

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

爐膛出口煙氣測(cè)溫裝置的分析與比較

宋秋艷

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

本文就爐膛出口煙溫測(cè)量裝置為立足點(diǎn)，結(jié)合近年來(lái)測(cè)溫裝置的使用情況及其發(fā)展趨勢(shì)，分析了現(xiàn)有傳統(tǒng)的測(cè)溫裝置存在的優(yōu)勢(shì)和弊端，新興的紅外和聲波測(cè)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(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量爐膛出口煙溫裝置困難問(wèn)題的方案。

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

1 爐膛煙氣測(cè)溫的重要性

火電廠鍋爐燃燒調(diào)整對(duì)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(shí)需要監(jiān)測(cè)一系列參數(shù)，但其中一個(gè)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(gè)世紀(jì)以來(lái)，爐膛煙氣在線測(cè)溫技術(shù)久攻不克，成為工程設(shè)計(jì)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(wèn)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(guò)熱蒸汽左右偏差大、管壁超溫事故。

(3) 啟動(dòng)時(shí)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(dòng)和低負(fù)荷時(shí)，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(zhǎng)期沒(méi)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(wèn)題中吸取的教訓(xùn)，爐膛煙氣測(cè)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(shí)的測(cè)量方式。

2 幾種測(cè)量方法的比較分析

2.1 傳統(tǒng)測(cè)量方法

眾所周知，傳統(tǒng)的火電廠設(shè)計(jì)方法中，隨鍋爐指定配供煙溫探針(左右各一套)作為測(cè)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(cè)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(dòng)，可實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程自動(dòng)操作。主要用于鍋爐啟動(dòng)期間監(jiān)測(cè)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(cè)量鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的煙氣溫度。工作時(shí)由氣動(dòng)或電動(dòng)推進(jìn)器推動(dòng)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(cè)得的溫度顯示在集控室的儀表盤(pán)上，位置轉(zhuǎn)換系統(tǒng)同時(shí)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(guò)程中也可以在任意位置手動(dòng)控制探針的進(jìn)、退、停。當(dāng)測(cè)得爐溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警并退回探針。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，所以測(cè)量精度較高。但是，溫度探針只能在啟動(dòng)投粉初期1小時(shí)內(nèi)、煙溫<539℃情況下工作，且8m～9m長(zhǎng)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(guò)程監(jiān)測(cè)的需要，不利于鍋爐燃燒優(yōu)化。特別是當(dāng)前，各個(gè)發(fā)電集團(tuán)的電廠由于煤種多變紛紛在開(kāi)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(cè)量尤為重要了。

2.2 紅外在線測(cè)溫

紅外在線測(cè)溫是基于遠(yuǎn)紅外探測(cè)器的原理。當(dāng)煤炭、天然氣或重油在鍋爐中燃燒之后，都會(huì)產(chǎn)生CO2氣體。CO2在高溫之下會(huì)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(guò)。紅外眼的薄膜電熱元件對(duì)于CO2產(chǎn)生的紅外線光譜產(chǎn)生感應(yīng)，從而測(cè)量出C02的氣體溫度。 煙溫檢測(cè)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(duì)于傳統(tǒng)煙溫探針的方法，紅外在線測(cè)溫有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

(2) 傳統(tǒng)探針?lè)椒ㄖ荒茉谕ㄟ^(guò)檢測(cè)尾部煙道入口處的煙氣溫度來(lái)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(tái)紅外眼來(lái)測(cè)量和監(jiān)視。 對(duì)于四角切圓燃燒(如ABB-CE的設(shè)計(jì))來(lái)說(shuō)，這就是監(jiān)視火球中心的位置。對(duì)于對(duì)沖燃燒(如B&W和Foster Wheeler的設(shè)計(jì))來(lái)說(shuō)，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(guò)熱爆管。

(4) 在鍋爐的啟動(dòng)階段，使用紅外眼檢測(cè)爐膛的煙氣溫度，將其記錄下來(lái)，與過(guò)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)A，過(guò)了A點(diǎn)之后，過(guò)熱器出口蒸汽溫度開(kāi)始下降。此時(shí)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(dòng)時(shí)就根據(jù)煙氣溫度的測(cè)量來(lái)確定何時(shí)開(kāi)始投入吹灰器。當(dāng)不用這個(gè)辦法時(shí)，運(yùn)行人員是發(fā)現(xiàn)汽溫降低時(shí)多投燃料以升高汽溫。此時(shí)將會(huì)造成過(guò)熱器受熱面積灰過(guò)多，煙氣溫度升高，導(dǎo)致結(jié)渣的傾向。

圖1 過(guò)熱器出口蒸汽溫度趨勢(shì)圖

但紅外在線測(cè)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(zhǎng)和穿透力等不確定，從而導(dǎo)致被測(cè)區(qū)域不確定，測(cè)量誤差比較大。

2.3 聲波在線測(cè)溫

聲波測(cè)量溫度是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的較為先進(jìn)的一種爐膛測(cè)溫方式，它既具備紅外測(cè)溫的上述各種優(yōu)點(diǎn)，又避免了紅外測(cè)溫測(cè)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(cè)溫是基于測(cè)量聲波發(fā)射和接收間的時(shí)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(jì)算出溫度。

式中：T為絕對(duì)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(cè)溫的系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2，聲波測(cè)溫的系統(tǒng)組成見(jiàn)圖3。

圖2 聲波測(cè)溫系統(tǒng)原理圖

圖3 聲波測(cè)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(guò)程中衰減而漏聽(tīng)，造成測(cè)量錯(cuò)誤。對(duì)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(cè)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(dòng)時(shí)，聲波測(cè)溫均可取代爐膛出口煙溫探針，還可省去大面積鋼平臺(tái)，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(shí)必須馬上退出，只能在鍋爐啟動(dòng)時(shí)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(shì)在必行。本文推薦聲波測(cè)溫方式，在測(cè)量精度方面相對(duì)紅外測(cè)溫裝置優(yōu)勢(shì)比較明顯。但聲波測(cè)溫裝置價(jià)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(cè)溫裝置在安裝時(shí)特別需要注意接收器的位置，最好在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)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(dòng)膜被高溫灰粒損壞，從而影響測(cè)量效果。

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

[2]李剛．爐膛聲波測(cè)溫系統(tǒng)在寧海電廠1000MW 超超臨界鍋爐上應(yīng)用[J]．自動(dòng)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。