科研成果

电站锅炉炉膛温度场声学在线监测系统

发布时间:2015-12-23 11:57


概述

在大型火力发电厂锅炉中,炉内温度场的分布是反映燃烧过程的重要参数,直接影响到煤粉的着火、燃尽以及锅炉的安全性,对于锅炉控制和诊断具有极为重要的意义。

到目前为止,国内尚未有一种方法能够实现炉膛温度场的实时在线监测,给出定量温度信息。而电站锅炉温度场声学在线监测系统填补了这一领域的空白。和热电偶、炉膛火焰电视等相比,声学测量有着传统测温方法无可比拟的优势:

1)作为非接触式温度测量技术,不受外部条件的影响,适应各种高温、腐蚀、多尘的恶劣环境的温度测量。

2)能够给出整个炉膛温度场各部分的具体分布值,提供准确的温度数据。

3)能够对炉膛温度场进行连续测量,实时监测,能够根据客户要求通过系统管理软件对声学测温系统进行参数设定和中断处理,实现远程控制。

系统简介

本系统综合了锅炉、声学、电子、计算机、数字信号处理、机械等多门学科。通过在炉膛截面安装气动声源,发射特定的声信号,用增强型传声器接收声信号,并将其转换为电信号(电流),通过电缆传送到集中控制柜,经过A/D卡转换为数字信号,再通过小波滤波和互相关分析等方法得出声波飞渡时间,最后通过计算机和重建软件能够准确给出炉膛截面上的二维温度场分布信息,包括温度场立体显示图和等温线图等,实现炉膛火焰二维温度场的实时在线监测,及时判断锅炉的燃烧情况,并加以调节和控制。这对提高燃烧效率及锅炉优化运行,避免事故发生,减小环境污染等方面都有重要意义。

本系统是基于声波在气体中的传播速度与气体温度之间的关系构成的。系统通过精确测定声波信号在气体中穿过已知距离所需要的时间,就可以确定由声波发生器到接收器之间直线路径上的平均气体温度。

在锅炉炉膛或烟道截面周边布置8个声波发射器和接收器,形成一个多路径的温度测量分布,如图1所示。按照设定的程序,在一个检测周期顺序启闭各个声波收发器,通过测量每条路径上的温度平均值后,再利用重建算法就可以建立这个平面上的二维温度场分布。目前我们的重建算法有基于级数展开法、傅里叶正则化、高斯函数和迭代技术相结合等方法等。

系统结构

声波测温系统的硬件系统主要包括:声源发生系统、声信号接收系统、声波导管、数据采集系统、信号调理系统、声源控制系统、主机及显示等。

1)声源发生系统。

声源发生系统是能量转换装置,是本系统的重要组成部分。在工作介质经声波发生器后,发生器将进行稳压、提速、放大后调制出高强声波。工作参数须根据锅炉的具体情况进行调整,才能达到最优的工作状态。同时由于燃烧噪声的影响,声源发出的声波要有足够的强度,即满足一定的信噪比,确保声波在传播到接收器时能量不至于完全被噪声“淹没”。本系统设计的压缩声波驱动器具有功率大、频率范围可调等优点。

2)声信号接收系统。

声信号接收系统是用来接收发自声波发射器的声频信号,对频率响应、环境温度、现场的电磁干扰有一定的要求。系统使用的增强型声波传感器具有灵敏度高、使用寿命长等优点。为了避免炉膛内高温烟气的辐射换热,传感器封装在不锈钢外壳中。

3)声波导管。

声波导管连接声波发生器与炉体。声波发生器调制的声波在这里被放大并导入炉体。一方面,用来减弱热传导,起到保护作用。另一方面,合理声波导管有利于声学阻抗的匹配。

4)数据采集系统。

数据采集系统用来实现对声学信号的实时采集。该系统是一个多功能、完备有效的管理程序,支持系统操作、调整和维护。可以安装在任何一台基于Windows操作系统的台式电脑或笔记本电脑上,提供一个完整的人机界面。我们利用“模块化”的编程思想将此软件系统分为:参数设置模块,数据采集模块,示波模块,声波发射控制模块,滤波模块,声波飞渡时间计算模块,温度场可视化模块,历史温度趋势显示模块

1)实时监测温度读数和系统状态,包括:路径平均温度的数字读数、连续且不断更新的温度变化趋势图、路径和系统的状态显示。

2)温度数据自动存储并且可随时调取温度-时间曲线图。

3)声波发射信号和接收信号的实时波形显示。

4)内置测试函数可以进行系统维护和自动解决故障。

5)自动收集并记录运行数据,以便进行运行性能分析和调整。


1  系统组成与示意图

系统工作原理

该系统为独立系统,不影响机组任何设备的运行。声波测点利用锅炉现有的观火孔及短吹预留孔,不对锅炉本体有任何的破坏。监测系统的核心是一台监测微机,所有的测量数据和信号最终都汇集到监测微机,由监测微机上加载的软件系统进行计算和处理。系统主要由声波发生器,声波导管,声波接收器,信号调理器,信号输入输出装置,主机以及接线等部分组成。声源采用电动声源。电动声源技术已经成熟,能提供足够的声压级。为了承受高温,声波传感器采用特制的驻极体式传声器。针对锅炉实际情况,选用不同的声波导管,声波导管起到隔热、隔离燃烧副产物和保护传声器的作用。系统工作流程为:监测软件系统发出数字声波信号,经过声卡转换为模拟信号,再经过功率放大器放大,驱动扬声器发出测温声波信号。传声器将收到的声波信号转换为电压信号,经信号调理器后,被主机中安装的数字采集卡采集,所采数据被主机中系统软件调用,经运算后得到烟气温度分布。

系统功能

1)基于声学技术的单路径测温系统可以实现炉膛烟温探针替代,防止炉膛结渣;

2)炉膛出口层的“平面温度”测量;

3)燃烧器上部层的“平面温度”测量;

4)声波助燃,有助于氮减排;

5)实时显示噪声曲线,判断是否有泄漏发生,实现水冷壁局部泄露定位。

系统应用

电站锅炉温度场声学在线监测系统及相关技术已获得国家专利,具有独立自主知识产权,并在多家电厂成功应用。以国内某台在役主力燃煤300MW机组为例,电站锅炉温度场声学在线监测系统成功应用到该机组的锅炉综合监测与控制中,大大提高机组运行的安全性,预计每年可以获得数百万的收益,具体体现在以下几个方面:

1)利用温度场信息,优化燃烧方式,提高燃烧效率,降低发电煤耗;

2)实时监测锅炉受热面灰污污染,由原有的定期吹灰实现按需吹灰,节省大量吹灰成本;

3)防止炉管磨损,每年节省换管费用;

4)减少因爆管造成检修而带来的经济损失;

5)取代现有的炉膛烟温探针和四管泄漏检测系统,节省维护费用。

联系方式

联系人:沈国清副教授

电话:010-61772366

Emailshenguoqing@ncepu.edu.cn

地址:北京市昌平区回龙观镇北农路2号华北电力大学

邮编:102206


中心概况 | 研究机构 | 中试基地 | 成员单位 | 技术培训 | 期刊杂志 | 火电联盟 | 新闻资讯 |

京ICP备13012303号 京公网安备11010802012176
Copyright © 2002-2011 DEDECMS. 织梦科技 版权所有