CN2926838Y - 电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了属于火焰温度场的在线监测装置的一种电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置。该装置是在锅炉炉膛或烟道截面周边上布置多个声波发射器和接收器，并连接信号放大器和控制器，形成一个多路径的温度测量分布。这个多路径分布包括锅炉截面的平面区域上两侧、前后和对角之间的所有测量路径。利用炉膛内烟气的物理特性记录可测温度，通过CT重建算法和计算机就可以建立这个平面上的二维温度分布图。不受辐射的影响，具有非接触测量、高准确性、实时连续监测的特点。根据实时温度监测数据，控制炉内SOx、NOx吸收剂喷射区域温度，优化炉内脱硫、脱硝反应，降低SOx、NOx排放。

Description

电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置

技术领域

本实用新型属于火焰温度场的在线监测装置，特别涉及一种电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置。

背景技术

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。以住在电厂锅炉燃烧调整试验中，曾经使用抽气式高温热电偶、高速热探针等抗高温温度计对炉膛中的高温烟气温度逐点测量来获取运行中实际的温度场数据，但受热元件材料高温性能的限制，只能做短时间测量，且现场就地操作量大、同时性差，无法实现实时在线监测。最近，我国的一些大型火力发电厂采用全炉膛看火电视装置，运行人员可以直接观察火焰图像，从一些火焰特征判断当前的燃烧状态。但这种装置太直观，具有很大的局限性，不能提供定量的温度信息，不能给出详细的热力参数，容易掩盖一些细节问题，并且存在人为的主观判断。目前，国内尚未有一种能够实现炉膛温度场的实时在线监测，给出定量温度信息的装置面市。

发明内容

本实用新型的目的在于克服传统的炉膛火焰温度测量的缺点，提供了一种运行稳定可靠、测量准确迅速的电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置。

实现本实用新型目的的具体方案是：在炉膛截面两边对称安装声源，气动声源通过电磁阀连接声信号发射器和声信号接收器；声信号接收器经传送电缆连接到信号放大器，信号放大器再与控制柜的输入端连接，控制柜的输出端第一路通过网线和计算机连接；第二路连接至电站集散控制系统DCS；第三路接电源；

所述声源为气动声源空气压缩机或选用电动声源，当采用气动声源时，其压缩空气的压力为8～10个大气压；当采用电动声源时，声信号频率选择为声压级大于120dB，频率范围为1KHz～10KHz的扫频信号。

所述声信号发射器包括喷嘴和声波导管。

所述接收声信号的传声器为增强型麦克。

所述控制柜的组成由多通道高速数据采集卡、嵌入式微处理器、I/O电路和存储介质单元组成。嵌入式微处理器有两个工作，一是按照设定的程序通过I/O电路来控制电磁阀的通断，实现对声源的控制；二是对多通道高速数据采集卡的数据进行互相关分析得到声波飞渡时间值，并计算出每条测量路径上的平均温度，然后写入存储介质，并与控制室和电站集散控制系统通讯。这两个工作是同时进行的。

所述经信号放大器放大的电信号，经过A/D卡转换为数字信号，再通过互相关分析得出声波飞渡时间，最后经计算机和CT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，实现炉膛火焰二维温度场的实时在线监测，可以及时判断锅炉的燃烧情况，并加以调节和控制。

本实用新型的有益效果是利用炉膛内烟气的物理特性记录可测温度，不受辐射的影响，具有非接触测量、高准确性、实时连续监测的特点。根据实时温度监测数据，控制炉内SOx、NOx吸收剂喷射区域温度，优化炉内脱硫、脱硝反应，降低SOx、NOx排放。

附图说明

图1为单路径测温装置图。

图2为八通道测温装置图。

图3为八个声波发生和接收器形成24条路径分布示意图。

图4为控制柜工作原理框图。

具体实施方法

本实用新型在于克服传统的炉膛火焰温度测量的缺点而提供了一种运行稳定可靠、测量准确迅速的电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置。在图1所示的单路径测温装置图中，在炉膛1截面两边对称安装声源11，声源11通过电磁阀2连接声信号发射器4；锥形声波导管6，声信号接收器3经传送电缆连接到信号放大器5，信号放大器5再与控制柜10的输入端连接，控制柜10的输出端的第一路通过网线9和计算机7连接；第二路连接至电站集散控制系统(DistributedContorl System，DCS)8；第三路接电源。

所述声源为气动声源空气压缩机或选用电动声源，当采用电动声源时，声信号频率选择为声压级大于120dB，频率范围为1KHz～10KHz的扫频信号；当采用气动声源时，其压缩空气的压力为8～10个大气压。

所述声信号发射器包括喷嘴和锥形声波导管。

所述声信号接收器为增强型麦克。

下面结合附图对本实用新型的结构原理及工作原理作进一步详细说明。

参见图1，空气压缩机11中装有8～10个大气压的压缩空气，当控制柜10发出打开电磁阀2的控制信号，高压空气由喷嘴4高速喷射而出，产生强烈的喷射声信号，通过锥形声波导管，被右边增强型麦克3检测到，麦克3将声信号转换为电压信号，并通过信号放大器5放大，被控制柜10中的多通道数据采集卡得到。通过右边麦克的声信号继续传播，通过炉膛1后，被左边麦克检测到，左边麦克将声信号转换为电压信号，并被信号放大器5放大后，送入控制柜10中的多通道数据采集卡。控制柜中的处理控制单元将两个通道的信号进行互相关分析，得出两个麦克之间的声波传播时间，进而计算出两个麦克之间的平均温度，通过网线传送到集控室的电脑中，并显示出温度值。

参见图2，在炉膛的截面布置八个声波发生和接收器(声波发生器和接受器是一体的)。形成24条路径分布(如图3所示)(除去同一炉墙上两个测点之间的路径)，参见图3。控制柜10按照设定的程序顺序控制8个电磁阀2的通断，形成一个测量周期，得到24条路径上的平均温度，并送入电脑，通过专用的温度场CT重建软件绘制出整个二维截面上的温度分布图。每个测量周期的时间大约为2分钟。这样每个测量周期结束后便得出了新的温度场分布，实现了整个炉膛截面的火焰温度实时在线监测。

图4所示为控制柜工作原理框图。该控制柜的组成由多通道高速数据采集卡、嵌入式微处理器、I/O电路和存储介质等单元组成。首先由多通道高速数据采集卡采集炉膛内的声波传输数据，经过A/D卡转换为数字信号，输送至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器一是对多通道高速数据采集卡的数据进行互相关分析得到声波飞渡时间值并计算出每条测量路径上的平均温度，然后写入存储介质，并与控制室PC和电站集散控制系统DCS通讯。二是按照设定的程序通过I/O电路来控制电磁阀的通断，实现对声源的控制；

最后经计算机和CT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，这两个工作是同时进行的。

整套系统在电站锅炉中有着极其广泛的应用：

(1)可根据炉内温度场实时监测的结果及时调整燃烧器平衡，控制火焰中心位置。防止火焰直接冲刷水冷壁，减小水冷壁的应力和磨损，改善水循环(特别是对四角喷燃炉)。同时还能帮助识别燃烧器的非正常工况，如堵粉、下粉不匀等。

(2)根据实时的烟气温度监测值和火焰分布，调整、优化风、煤比或多种燃料分配比例，提高燃烧的经济性。

(3)根据实时温度监测数据，控制炉内SOx、NOx吸收剂喷射区域温度，优化炉内脱硫、脱硝反应，降低SOx、NOx排放。

本实用新型的工作原理如下：

(1)单路径测温原理

由热力学中气体方程和声学中的声波波动方程推导出声波传播速度和介质温度的关系如下，

$c=\sqrt{\frac{\mathrm{\γR}}{m}T}=Z\sqrt{T}$

其中c——声波在介质中的传播速度，m/s；

R——理想气体普适常数，J/mol·k；

γ——气体的绝热指数(定压比热容与定容比热容之比值)；

T——气体温度，k；

m——气体分子量，kg/mol。

对于给定的气体混合物， $Z=\sqrt{\frac{\mathrm{\γR}}{m}}$ 为一常数，声波在其中的传播速度取决于气体的温度^[5]。在实际应用中，炉膛两侧分别安装声波发射器和接受器，由于两者之间的距离D是固定的已知常数，则可以通过测定声波的飞行时间t，来确定声波在传播路径上的平均速度：

$c=\frac{D}{t}=Z\sqrt{T}$

根据上式，可以得出声波传播路径上介质的平均温度：

$T=\frac{D^2}{B{\mathrm{\τ}}^2}\·{10}^6-273.16$

其中D——发射装置和接受装置之间的距离，m；

τ——声波飞渡时间，ms；

B——声音常数，m²/(s²·K)；

T——路径上的平均温度，℃。

(2)多路径实现二维温度分布测量

在锅炉炉膛或烟道截面周边上布置多个(如4～16)声波发射器和接收器，来形成一个多路径的温度测量分布。这个多路径分布包括锅炉截面的平面区域上两侧、前后和对角之间的所有测量路径。有了这样的多路径分布，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，通过测量声波沿每条路径的飞渡时间，得到若干组声波飞行时间值，通过CT重建算法和计算机就可以建立这个平面上的二维温度分布图。

(3)利用互相关分析求取声波飞渡时间

在信号检测与估计技术中，我们可以通过互相关函数来判断两个信号的相似程度。通过互相关函数的峰值检测来求取信号的时间延迟估计是一种常用方法。分别用x₁(t)，x₂(t+τ)表示两个传声器的接收信号，τ表示时间延迟。时域上两信号之间的互相关函数为：

$R_{12}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{x}_1\left(t\right)x_2(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

由Wiener-Khinchin定理可知，信号的相关函数和功率谱密度函数是互为傅立叶变换的。因此可先用FFT计算出两信号之间的互功率谱密度，再对互功率谱密度作FFT逆变换。这样既可以简化计算量，又可以在频域上通过加权函数对噪声进行白化处理，减小误差。表达式如下：

R₁₂(τ)＝F^-1[ψ₁₂F(x₁)^*F(x₂)]

其中，F表示傅立叶变换；*表示共轭；F^-1表示傅立叶逆变换；ψ₁₂表示频域处理的加权函数。

上述声源采用气动声源时，压缩空气的压力为8～10个大气压，利用气体喷射噪声作为声信号，具有较宽的频率范围，类似于白噪声的频率特性。利用电磁阀的通断来控制声信号的开关。声源也可以选用电动声源，当采用电动声源时，声信号频率选择为声压级大于120dB，频率范围为1KHz～10KHz的扫频信号。

上述声波接收器采用增强型压电式麦克。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。

上述采用锥形声波导管来连接声波发生器与炉体。声波发生器调制的声波在声波导管中被放大并导入炉体。一方面，可以减弱热传导，起到保护声波发生器的作用。另一方面，锥形声波导管有利于声学阻抗的匹配，使得声波能量得到尽可能大的传播。

所述声波时间延迟估计采用相关分析方法，可以得到准确的声波传播时间数据。

所述二维温度场的重建算法采用迭代的代数重建CT算法，并且对于由声学数据反演温度场的逆问题采用正则化方法。

Claims (6)

1.一种电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置，其特征在于，在炉膛截面两边对称安装声源，声源通过电磁阀连接声信号发射器，增强型传声器和声信号接收器；声信号接收器经传送电缆连接到信号放大器，信号放大器再与控制柜的输入端连接，控制柜的输出端第一路通过网线和计算机连接；第二路连接至电站集散控制系统DCS，第三路接电源。

2.根据权利要求1所述电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置，其特征在于，所述声源为气动声源空气压缩机或选用电动声源，当采用气动声源时，其压缩空气的压力为8～10个大气压；当采用电动声源时，声信号频率选择为声压级大于120dB，频率范围为1KHz～10KHz的扫频信号。

3.根据权利要求1所述电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置，其特征在于，所述声信号发射器包括喷嘴和锥形声波导管。

4.根据权利要求1所述电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置，其特征在于，声波接收器采用增强型压电式麦克，并封装在不锈钢外壳中。

5.根据权利要求1所述电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置，其特征在于，所述控制柜的组成由多通道高速数据采集卡、嵌入式微处理器、I/O电路和存储介质组成。

6.根据权利要求1所述电站锅炉炉膛火焰声学在线监测装置，其特征在于，在锅炉炉膛或烟道截面周边上布置8个声波发射器和接收器，包括锅炉截面的平面区域上两侧、前后和对角之间的所有24条测量路径。

Images