新型烟气温度测量仪在火电厂锅炉炉膛测温中的应用研究

尚昆波 林森 滕林辉 朱祥君 宫贺冉 李丹 程仕刚

摘要：炉膛高温区欠缺必须的温度测点，运行监盘人员只能依靠别的运行参数间接性细致观察掌握炉膛温度。因为间接性体现参数不形象化，炉膛温度无法准确体现，运行监盘人员无法有效了解锅炉炉膛内部燃烧情况。当锅炉反映参数（如汽压和汽温等）出现异常，运行人员才会根据参数的异常情况进行相应的调整。由于锅内参数反应迟缓，造成运行人员的调整滞后。这种调整模式，对锅炉的燃烧经济性、受热面超温、设备可靠性产生不利影响。此外，锅炉系统的设计中涉及到烟气侧和蒸汽侧的能量平衡，温度参数是表征能量交换情况的重要参数和判断依据。在锅炉能量交换的关键点设置温度测点，是非常必要的。

关键词：炉膛；烟气温度测量仪；红外测温仪  

在火电厂燃烧控制中，锅炉炉膛火焰温度对于锅炉的安全经济运行具有极为重要的意义。对于锅炉炉内温度的检测，国内外相关专家提出了多种检测方法，但是尚未建立准确有效的炉膛火焰温度检测手段。炉膛烟气温度过高会导致锅炉过热器结焦事故，严重时使过热器处出现堆渣，减小甚至堵塞过热器各管屏之间的空隙，使炉膛负压升高，锅炉无法满负荷运行。烟道内受热面支撑件如果长期在高温环境下运行，会出现变形、烧损现象，将造成管屏间距及组成管屏的各管管间距发生变化，形成烟气走廊，产生烟气温度偏差。炉膛烟气温度偏差过大表征炉内燃烧火焰中心出现偏斜，会导致水冷壁一侧磨损、结焦。烟气温度较高处的受热管热负荷升高，蒸汽温度升高，受热管得不到及时冷却，管壁温度有可能超过金属的允许工作温度而引起过热，此时管子的蠕胀速度加快，使用寿命降低，严重时引起爆管。

一、研究背景

对电站燃煤机组而言，炉内温度是反映燃烧过程的重要参数，对于锅炉控制和燃烧诊断具有极为重要的意义。锅炉炉膛温度过高会造成炉膛结焦、炉管爆裂、炉膛爆炸等运行事故，对锅炉的正常运行产生极大的安全隐患；反之，炉膛温度过低，则会造成烟气温度过低，再热器和过热器的出口温度偏低，达不到汽轮机正常运行时的要求，降低了整个机组的运行效率。此外，根据锅炉炉内温度分布情况，有助于调节送煤和送风量等控制因素，保证燃料完全、彻底的燃烧，提高锅炉运行的经济性。所以，准确安全地测量炉内火焰温度对提高火电燃煤机组安全性和经济性至关重要。炉膛内燃烧情况非常复杂，火焰温度不仅与送风量、负荷量、燃煤量、投煤层选择有关，还与燃料细度、燃料化学成分和炉内气压系数等因素有关，所以，探究这些因素对炉膛温度的影响程度，对寻求最优控制策略、降低锅炉燃烧损率和减小环境污染等方面都有重要意义。但是面对炉膛内复杂多变的燃烧环境，传统的温度测量技术已经无法满足对锅炉燃烧精确控制的需求，无法及时地反映整个炉内的燃烧状况，也就很难使控制人员及时采取相应措施进行控制。现代的电厂工业炉温测量要求实时性和安全性，传统的测量方法显然已经不再适用，现代非接触测温法应运而生，其中红外测温法发展尤为迅速，并在工业现场得到了广泛应用。

二、炉膛烟气温度测量方法

根据不同的测量原理，利用物体某些物理化学性质（热电性、电阻率、光谱特性等）与温度间的相互关系，发展了不同形式的测量技术。从目前应用最广泛的热电偶测温法到近几年兴起的红外光谱测温法，基于数字图像处理技术的光学辐射法、基于声学理论的炉膛测温技术等，均在实际应用中取得了一定的成果，但均存在不同的局限性。

1、烟气温度探针测量方法。传统的火电厂设计方法中，随锅炉指定配供烟气温度探针（左右各１套）作为测量炉膛烟气温度的手段。烟气温度探针主要用于锅炉启动期间监测炉膛烟气温度，防止再热器管子烧坏，也可作为辅助控制工具测量锅炉低负荷运行时的烟气温度。烟气温度探针的热电偶直接与被测对象接触，具有不受中间介质影响、测量精度较高的优点；但存在易损坏，不能全过程监测烟气温度，不能测量水平烟道沿深度和高度方向的烟气温度等问题。而且这种测量方式仅简单补偿了环境温度，并未考虑热电偶周围因冷壁辐射引起的测量值偏低问题，只能表征烟气温度变化趋势和速率；当测量值较高时，热电偶向周围冷壁辐射热量较大，不能准确表征烟气的真实温度。

2、红外光谱测量方法。煤炭、天然气或重油在锅炉中燃烧之后均会产生CO2气体，CO2 在高温下会产生红外线辐射。利用红外光谱测温法测量炉膛温度，即测量炉膛中高温CO2气体的红外光谱辐射，然后对其进行分析，根据公式求出烟气温度，得到炉膛温度场。由于该方法是基于高温CO2气体的光谱分析，因此对所测环境的CO2浓度有一定要求，加上烟气温度分布不均匀、存在飞灰颗粒辐射等不利条件的影响，其测量误差较大。

三、火电厂锅炉炉膛测温

1、烟气温度测量仪。DVSN-S70-1 的新式炉膛烟温红外线测试仪。该仪器具备安装操作方便、使用便捷等优点。遥感技术红外线温度计传感器和红外塑料薄膜电路集成在牢固的钢制制冷套内，合乎 IP65防护标准，可以从事室外条件下组装并长期运行，只给予压缩气体源或风冷系统，对该红外线测试仪开展冷却，该测试仪可以从高温环境中连续运行。此外，该红外线测试仪配备了空气过滤系统和温度保护系统（可选择），对恶劣的现场环境的适应性很强。炉膛测温仪是一种遥感式气体远红外温度测量仪器，特有的专利技术可以测量炉膛烟气中所含的二氧化碳辐射出的红外线的能量得到烟气温度，在电站锅炉和民用锅炉的燃烧产物中发现典型的 10% ～ 12% 的二氧化碳气体浓度，可以满足远红外线辐射测温仪检测温度的界限值要求，温度测量误差为 1%。DVSN-S70-1 炉膛烟气温度红外测量仪是一种新型的可以替代传统热电偶或烟温探针精确检测炉膛烟气温度的仪器。具有连续、实时、精确、可靠、非接触、响应时间快、使用安全、寿命长、可测空间烟气温度等特点，该测试仪带有保护冷却套，可以用法兰安装在锅炉的任何孔、门，设备轻巧，安装方便；特殊设计的空气冷却及吹扫系统，可以保证设备在高温环境下可靠稳定工作，并有效防止结焦；专门设计的快速清焦系统在需要时可以便捷处理结焦。用户接入时，只需提供压缩空气和两线制的屏蔽信号电缆。

2、应用效果。（1）锅炉运行状态重要的反应参数。可以作为锅炉燃烧状态和能量交换的重要反应参数；可以作为锅炉系统优化控制的过程参数，可以作为吹灰局部优化的控制参数。（2）结焦结渣控制。熔融的煤灰冷却凝固在水冷壁或管壁上就形成了结焦，可以将炉膛出口烟温控制在煤灰的熔融、软化温度以下，使干燥的煤灰不能黏附在换热管上，有效地避免结焦结渣现象的发生。（3）降低氮氧化物。通过监测炉膛出口烟温，如果发现温度过高，运行人员可以及时地采取措施降低温度，从而减少氮氧化物的生成。（4）吹灰和智能吹灰控制。为了确保烟气的正常的流动性和换热器的正常运转，务必吹灰除粉煤灰。运行人员也可以根据炉膛出口烟温数值开展包含吹灰时长、吹灰次序等吹灰器投停等在内的自动控制，还可以督促实际操作人员开展手动式吹灰控制。比如，炉膛出口烟温超出原设计值后，炉膛及顶部烟道积灰比较严重，运行人员应对炉膛、烟道及受热面进行吹灰工作；炉膛出口烟温小于原设计值后则不需要对炉膛、烟道及受热面经行吹扫。炉膛过多的吹扫工作会浪费较多的蒸汽，同时影响机组的经济性，还会造成再热器吹灰装置的浸蚀难题。根据监测炉膛出口的烟温，就可以知道吹灰装置的规范使用。（5）降低烟温偏差。出口断面左 / 右温度偏差较大时，调整送风，降低左 / 右烟气温度偏差（测温系统采用双测点，左右对称安装方式）。

炉膛烟气温度遥感红外线检测仪，其构成主要是由红外传感器、电控通讯系统、冷却保护系统、吹扫与防结焦系统、快速清焦系统等组成。传感器的红外光谱分析回应预置为特定检测二氧化碳气体光谱仪，在温度场里的二氧化碳气体被加热到特殊温度范畴，传感器能够实时测量二氧化碳气体平均温度最高或最低温度。

参考文献：

[1] 胡主宽. 锅炉炉膛温度场测量技术研究现状与发展趋势探讨 [J]. 应用能源技术，2021(02):30-34.

[2] 胡主宽 . 锅炉炉膛温度场测量技术研究现状与发展趋势探讨 [J].中国测试 ,2019,41(04):5-9.

[3] 袁益超，刘聿 拯，陈之航. 电站锅炉炉膛温度分布测量仪的研制 [J]. 计量学报 ,2020(02):57-63.