（工程热物理专业论文）炉膛火焰温度场可视化测量研究及应用.pdf

浙江大学硕 士 学位论 文 摘要 y 0 3 3 3 1 3 9 热物理量的测量，尤其是火焰温度场测量对于电站锅炉控制和燃烧诊断具有 极为重要的意义。目前，日益严格的环境保护标准要求减少电站锅炉的燃烧污染 排放，而只有优化炉内燃烧工况，才能有效控制污染量，同时，燃烧工况的优化 还可以满足电厂经济性运行的要求。本文就是要开发一种用于炉内燃烧火焰温度 场测量的、简便有效的系统，用于指导燃烧状况的调整。 。c c o 摄像机的出现和计算机数字图像处理技术的发展为开发种新型的基于 火焰图像的温度场测量方法提供了可能。本文以普通彩色c c d 作为图像传感器， 基于彩色c c d 的光学特性和辐射特性以及炉内弥散介质的辐射特性，通过获取火 焰图像的r 、g 、b 三色数据，建立了一种不需参考点的火焰投影温度场三色测量 法。 在获取二维投影温度场的基础之上，我们进而希望获得火焰的三维温度信 息。考虑到计算的便利性及便于将来工业推广应用，我们将三维温度场测量简化 为测量火焰二维断面温度场。在实验室中，我们进行了测量实验，并由此研制了 一套火焰监测系统，该系统在电厂的实际应用中运行良好，所得结果较好地反映 了炉膛火焰温度分布，值得工业推广应用。厂 本文所提出的方法作为一种新型燃烧诊断和测量的方法，它既能向运行人员 提供实时的炉内燃烧图像，又能监测燃烧火焰温度的分布，因此这种方法对于指 导燃烧状况的调整有着重要的意义，它必将随相关学科的发展以及工程应用的需 要而不断发展完善。 关键词：温度场测量面阵c c d 图像处理投影温度场断面温度场 浙 江大 学硕 士 擘位论文 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to ft h e r m op h y s i c a lq u a n t i t y , e s p e c i a l l yo ff l a m et e m p e r a t u r ef i e l di s i m p o r t a n t t ot h ec o m b u s t i o nc o n t r o la n dd i a g n o s i si np o w e rp l a n tf u l t l a c e a tp r e s e n t ， t h es t r i c te n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nr u l e sd e m a n dt h er e d u c t i o no f b y - p r o d u c to f t h e f o s s i lf u e lf l a m e i ft h ec o m b u s t i o ni a s i d eaf z l l - n a c ec o u l db eo p t i m i z e d t h ea n l o u u t s o f p o l l u t i o np r o d u c e d w o u l db er e d u c e ds i g n i f i c a n t l y , a n dt h er e q u i r e m e n to f r t m n i n g w i t hl o wc o s tw o u l db ea c h i e v e d t h et h e s i si sa i m e dt od e v e l o pas i m p l ea n d e f f e c t i v es y s t e mu s e dt om e a s r r ef l a m et e m p e r a t u r ef i e l di naf u l t t a c et og u i d et h e a d j u s t m e n t o fc o m b u s t i o n ， c c dc a m e r aa n dc o m p u t e r i m a g ep r o c e s st e c h n i q u e i su s e dt o d e v e l o p n e w t e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y u s i n gc o i n l l l o n l yc o l o rc c d a si m a g e s e n s o r b a s i n go nc c d so p t i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s p e r s i o nm e d i u m sr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c si n s i d eb o i l e r , p r o c e s s i n gf l a m ei m a g e sr ，g ，bt h r e e c o l o rd a t a ，w e d e v e l o pam e a s u r e m e u tm e t h o do ff l a m ep r o j e c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l dw i t h o u tu s i n g r e f e r e n c et e m p e r a t u r e p o i n t t og e t3 dt e m p e r a t u r ef i e l di sm o r ei m p o r t a n tt h a n2 dt e m p e r a t u r ef i e l di nb o i l e t b u ti ti sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t e3 - dt e m p e r a t u r ef i e l dd i r e c t l y w ju s eas i m p l i f i e d m e t h o dt om e a s u r es e c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d w e x p e r i m e n tu s i n gt h i sm e t h o da n d m a n u f a c t u r eas e to ff l a m em o n i t o rs y s t e ml a t e r t h i s s y s t e m w o r k sw i t h o u t b r e a k d o w na n dt h eo u t p u td a t ar e f l e c tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ff l a m ew e l l a san e w d i a g n o s t i ca n dm e a s u r i n gt o o lt h a tc o u l dn o to n l yv i e wt h ef l a m eb u ta l s o m e a s u r et h et e m p e r a t u r ef i e l do fc o m b u s t i o nf l a m e ，t h eb e n e f i t sw o u l db ep o s i t i v e l y s i g n i f i c a n t i tw o e l l dp r o v i d ei n f o r m a t i o nt h a tw o u l da s s i s tw i t ht h eo p t i m i z a t i o no f c o m b u s t i o ni nb o i l e r s k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r e f i e l dm e a s u r e m e n t ，c c d c a m e r a ，i m a g ep r o c e s s ， p r o j e c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d ， s e c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d 浙 江大 学硕 士 学位论文 绪论 l 能源研究的重要性 从原始社会人类的刀耕火种发展到今天的信息化社会，人们始终离不开能 源，能源是人类社会发展的物质基础。国民经济的发展以及个人收入增加因而引 起的生活水平提高和物质消费需求结构的交化，都可以在能源需求变化上表现出 来。由于世界经济的不断发展，世界能源消费总量呈现出指数增长趋势， 1 9 6 0 - 1 9 7 5 年1 5 年间的世界能源消费总量相当于1 9 0 0 - 1 9 6 0 年6 0 年间的能源消 费量的总和。中国从1 9 7 6 到1 9 9 0 年1 5 年间，在经济飞速发展的同时，能源产 量也由5 0 3 4 亿吨标准煤增加到1 0 3 9 2 亿吨标准煤，产量翻了一番，预计到2 0 0 0 年，我国的一次能源需求将在2 0 亿吨标准煤以上，大力发展能源等基础产业建 设将为国民经济的持续稳定增长提供坚实的基础，而提高一次能源的生产和利用 水平，在能源消费增长的同时保护人类自身生存环境质量已经成为人类的共识。 在世界总体能源结构中，以燃烧方式提供能源的矿物燃料所占比例达到了 7 3 9 8 5 处于绝对主导地位，成为能源利用的主要来源，其中煤炭占据了重 要地位，有鉴于此，西方各主要工业发达国家在积极开发核能、太阳能等新能源 的同时，对常规能源_ j 巢炭的应用研究投入了大量的人力物力，如美国政府于 1 9 8 6 年提出的洁净煤技术计划、日本于1 9 7 4 年制订的新能源技术的开发规划 一阳光计划以及1 9 9 3 年成立的洁净煤中心、欧共体制定的兆卡计划，负责开发 研究先进煤燃烧方式的规划、管理、协调与推广实施，洁净煤技术已成为国际高 技术竞争的一个重要领域。 表1 1我国一次能源的消费结构 我国1 9 9 2 年煤炭的探明储量已达9 6 6 76 亿吨，占世界总量的3 0 ，可开采 量达1 1 4 5 亿吨，由于我国特有的能源储量结构，煤在我国一次能源消费中占据 的主导地位更显突出，由表1 - 2 可看出，在未来3 0 5 0 年内，我国一次能源生 浙江大学硕 士 学位 论文 产、消费以煤炭为主的格局不会改变，因此，我国十分重视煤炭的洁净开发和洁 净利用，并将洁净煤技术的发展计划列入了中国2 1 世纪议程。 一次能源的储量结构决定了现代社会的动力来源主要来自于煤及其它矿物 燃料的燃烧所释放出的能量，因此，燃烧过程对于人类社会具有非常重要的意 义。火和电是人类文化发展史上的两座丰碑，而煤燃烧横跨火与电两个方面，其 重要性不言自明。目前我国已经成为世界能源生产和消费大国，拥有世界第三大 能源系统，每年约有8 4 的煤炭直接用于燃烧，其中用于发电的比例正在逐步 提高，1 9 9 0 年全国发电用煤占煤炭产量的2 5 ，1 9 9 2 年煤电转换比例即提高到 占原煤产量的3 0 0 , 6 。目前我国人均占有发电量仅为世界水平的四分之一，与一 些发达国家的差距则更大，为满足国民经济持续稳定增长和人民生活用电比例提 高，电力工业必须以高于国民经济增长的速度发展，因此，1 9 9 1 2 0 0 0 年我国年 平均净增装机容量1 5 0 0 万千瓦，2 0 0 1 2 0 1 2 年将净增装机容量2 8 0 0 万千瓦。燃 煤发电在能源转换中的作用日趋突出。但是，我国煤炭资源具有难选煤多、高灰、 高硫煤比重大的特点，大部分原煤灰份在2 5 左右，商品煤平均灰分达2 08 ， 且原煤中约1 2 8 7 0 , 6 的煤含硫超过2 ，导致大量高灰份和高硫份的煤直接用于燃 烧，给环境造成了巨大的负担。能源的开发和利用，特别是基于化石燃料的能源 开发与利用，己给人类赖以生存的环境构成了严重威胁。地区环境和全球环境问 题越来越受到国际社会的关注，环境保护问题已成为制约未来能源工业发展的重 要因素，研究高效、低污染的燃烧过程对节约能源和保护环境均具有重大意义。 2 热物理量测量的意义 为了满足不断增长的能源需求以及达到改善人类自身生存环境的目的，最近 几十年来，研究者们努力开发、改进各种高效、低污染的能源转换方式。在清洁、 高效的新能源技术研究取得突破性进展以前，对传统的煤燃烧过程进行深入研 究，利用现有的廉价原料，达到提高能源转换效率和降低污染物排放的效果，是 一个比较现实的途径。其中有两个主要的研究方向，一个方向是将目前广泛采用 的煤粉锅炉燃烧技术向高参数、大容量方向发展，以期提高发电效率，同时研究 降低、抑制污染物排放、提高生产安全的措施；另一方向是开发新型的高效低污 染燃烧技术，循环流化床由于具有燃烧效率高、污染物排放低、能够与燃气轮机 组成联合循环发电技术进一步提高效率，并能在煤气化、废弃物焚烧等方面得到 应用，因而近年来得到了迅速的发展。为了燃烧技术的发展以及保证应用这些技 术的燃烧设备的安全运行，需要我们研究各种测试手段，对燃烧过程的关键参数 进行测量，对各种燃烧过程进行深入研究。 温度测量是热物理量测量中的个重要参数。温度是物体分子运动平均动能 浙 江走 学硕 士 学 位论文 大小的标志，它表示了物体的冷热程度。温度的测量虽然是一门古老的科学，但 是由于热的传播有多种形式，以及被测量对象的复杂性和多样性，温度的测量远 比电量、质量的测量困难得多，误差也大得多。 近年来，我国在燃烧理论基础研究和新型燃烧技术研究方面做了大量工作， 对我国电站锅炉燃烧状况的改善起到了重要作用。然而国内对同样重要的燃烧监 测技术的基础研究却重视不足，导致目前锅炉燃烧监控和灭火保护系统的技术主 要依赖于进口。从工业应用的角度出发，开发颏的热物理量测量方法，对燃烧过 程的参数进行定量化，对于燃烧过程研究具有重要意义：另一方面。在燃烧设备 的运行过程中，采用有效的测试手段，可以给运行监控人员提供数据，为燃烧调 整提供依据，为大型燃烧设备的安全运行提供可靠的保障。作为试验研究所必须 的工具，一种新的测量技术和方法的出现，可以解决一系列相关的研究问题，甚 至可以开拓一个全新的研究领域，测量方法研究对于理论研究和生产实践都有重 要的经济意义和社会效益。 3 本文的研究内容及研究意义 本文主要围绕开发种基于c c d 摄像机及光辐射图像处理技术以实现煤粉 燃烧火焰可视化并进行温度场测量的火焰监测系统。c c d 工业摄像机的出现和 计算机数字图像处理技术的迅速发展为开发一种新型的基于火焰图像的温度场 测量方法提供了可能。这种方法由探测器、信号采集系统及图像处理软件三部分 组成，完成了从火焰图像摄取到温度场反演计算的全过程，最终显示在显示器上 的计算结果，将提供运行人员参考，以指导燃烧状况的调整。这项技术是目前工 业火焰监视电视的功能升级，它必将随火电机组容量的不断提高和环保标准的日 益严格而不断发展完善。 本文研究熏点在于温度测量，温度测量对生产、科研和日常生活中都有着重 要意义，这是由于它具有以下四方面的特点： 1 普遍性温度测量是一门应用极广的技术，无论在现代工业赖以生存和发展 的能源动力工程中，还是在诸如大规模集成电路、航天技术等新兴技术领域 中，或是在与人们日常生活有着密切关系的食品、空调等行业中，这门技术 都发挥着巨大的作用； 2 基础性温度测量不仅为切与热有关的实验和生产监测提供基本参数，而 且由于温度测量牵涉到多学科、多领域的知识，因此对它的研究反过来也促 进了其它学科的深入研究； 3 经济性温度测量技术为节约能源、提高设备热效率和发掘新材料等众多领 域带来了巨大的效益； 浙 江大 学硕 士 学 位论文 4 开拓性随着计算机的出现和发展，研究者们通过各种假设，己从理论上建 立起各种热物理模型，对工业设备运行的实际过程进行模拟计算，取得了可 喜的成就 意义而言 认知程度 辅相成的 但是，任何假设和理论的可信度都需要通过实验来确认，从这个 以温度测量为基础的热工测试技术的进度决定了对热物理过程的 建立一种新的测试技术与对热物理过程理论上得到新的认识是相 就能源电力工业而言，随着我国国民经济的发展，对电力的需求量越来越 大。电网的容量不断增大，人民生活用电的比重不断提高，为了满足生产和生活 的电力需求，同时也为了提高能源转换效率、降低污染物排放，因此，机组的安 全性、经济性问题显得特别突出。但由于目前对于煤粉燃烧过程认识还不够深 入，锅炉炉膛设计的热力计算主要依靠一些半经验的描述方法或小型试验台架的 试验结果进行外推，必然会引起设计偏差，存在诸如大容量机组锅炉炉膛出口烟 温偏差等比较普遍的问题。另外，电网的峰谷差不断扩大，要求不仅仅是中小型 机组，2 0 0 m w 、3 0 0 m w 的主力机组也将参与调峰运行，而当煤粉锅炉在低负荷 运行时，由于炉膛燃烧热负荷低，煤粉着火延迟，燃烧容易出现不稳定等问题， 这给燃烧调整和控制提出了更加苛刻的要求。因此，锅炉燃烧监测与诊断对电站 锅炉具有重要的现实意义。 4 浙 江大 学硕 士 学位论 文 第一章火焰温度场测量方法综述 l 火焰温度场测量方法研究的重要性及困难性 在能源电力工业之中，燃煤发电是一次能源转换的主要方式，随着我国电网 容量的增大和人民生活用电比重的提高，对电力的需求越来越大，为了满足生产 和生活的电力需求，同时也为了提高能源转换效率、降低污染物排放，机组容量 以及运行参数不断提高，机组的安全性问题显得特别突出。这主要表现于：随着 我国大容量高参数机组的不断建造、投产，机组结构越来越复杂，需要监测和控 制的参数也越来越多，对运行人员提出了更高的要求；再者，随着锅炉尺寸的增 大，以往的模化试验己不可能，由于目前对于煤粉燃烧过程认识还不够深入，锅 炉炉膛设计的热力计算都是基于一些半经验的描述方法或小型试验台架的试验 结果进行外推，必然引起设计偏差，而锅炉容量增大，影响因素众多、工作环境 恶劣、作为调整可靠依据的测试手段的缺乏又导致炉内燃烧调整的困难，如大容 量机组锅炉炉膛出口烟温偏差是一个比较普遍的问题；当机组非计划停机时，不 仅会给电厂自身带来经济损失，而且会给国民经济生产带来无法估量的损失。另 外，电网的峰谷差不断扩大，要求不仅仅是中小型机组，2 0 0 m w 、3 0 0 m w 的主 力机组也将参与调峰运行，火电机组低负荷运行时的调峰能力主要取决于锅炉， 煤粉锅炉在低负荷运行时，由于炉膛燃烧热负荷低，煤粉着火延迟，而我国电厂 锅炉用煤长期以来存在燃用煤种和设计煤种不符，易结渣煤多，煤质不稳定、变 化范围大、用煤混杂和总体趋势上的煤质下降等问题，带来了着火困难、燃烧不 稳定以及污染物排放高、容易出现灭火放炮等问题，给燃烧调整和控制提出了更 加苛刻的要求。 对于电站而言，锅炉燃烧的基本要求在于建立和保持稳定的燃烧火焰，当锅 炉突然熄火时，如果不能及早发现和控制，就有可能发生严重的炉膛爆炸事故。 为了实现火焰燃烧控制系统的自动化运行，我们必须选取一个乃至数个能够表征 燃烧过程的具有可操作性的物理参数，用来及时反映燃烧设备的运行工况，为运 行人员提供操作依据，并为热工自动化装置准确及时地提供反馈信号。近年来， 我国电厂设备和运行的自动化水平不断提高，然而火焰监控实现真正的自动化已 成了电厂自动化的瓶颈。对燃烧过程的参数进行定量化，是自动控制的要求，也 是电厂减员增效、实现无人值班的重要途径。在煤粉火焰燃烧系统中，火焰温度 是一个重要的控制参量，一方面，燃煤火焰的温度能够快速反映炉内过程的变化 情况，由于我国电厂用煤的不稳定性、燃料入炉量以及配风的自发扰动，通过燃 浙江大学硕 士 学位 论 文 料在炉内燃烧时释放出能量和热交换过程，迅速反映为温度信息。因此。采用火 焰温度场参数作为控制参量，将会比目前以汽压变化作为锅炉入炉燃料的控制参 量有较强的优越性，因为从燃料量扰动到引起燃烧放热的变化，通过壁面吸热反 映到蒸汽出口压力是一个纯延迟、大滞后的环节，即使采用一些附加参量和加速 算法也无法回避这个大滞后特性。另一方面，火焰温度场参数能直接反映炉内燃 烧运行组织的优劣。燃烧火焰温度场的瞬态变化直接体现燃烧过程的稳定性；而 截面温度场分布能够作为在我国应用广泛的四角燃烧方式切圆调整的直接判 据；同时，温度场分布与燃烧效率、气体污染物排放以及炉膛出口未燃尽碳损失 都有重要关系，而方便可靠的温度场获取技术的开发和应用，将为燃烧过程机理 以及相关的污染物排放规律研究提供可靠的第一手资料。由此可见，先进有效的 火焰温度场参数测量方法对于深入研究煤粉燃烧过程具有十分重大的科学意义 和实用价值。 然而，煤粉燃烧是一个复杂的多相反应过程，燃烧过程脉动异常强烈，燃烧 过程中伴随着连续不断进行的传热、传质及化学反应过程，不断发生着碳和碳 氢化合物与氧的离解、复合，不断地产生二氧化碳、水蒸汽等气体产物并释放出 热量，基于煤粉燃烧过程的这种强烈的不平衡过程特征，要求所采取的温度场测 量方法要有足够高的响应速度来跟踪燃烧过程的变化；其次，锅炉燃烧系统内温 度可达1 4 0 0 1 6 0 0 。如采用接触测温方式，所使用的测温介质要能承受高温 环境，还要求能够经受长期运行的考验，必须对燃烧全过程进行时间序列测试， 以揭示过程物理量的时间特性，并为自动控制系统提供定量的依据；另外，电站 锅炉的炉膛都具有尺寸较大的特点，采用接触式测量存在布点的困难，而非接触 测量方式往往不能得到特定点的温度参数，而只能得到沿程平均的“投影值”或 某区域的总体反应值；对于电站锅炉炉膛火焰这样大型的测温对象，三维温度场 测量要综合考虑测量方法、测量点的分布及安装、设备成本及运行成本、算法的 实时性、系统的维护工作量等问题，目前还较少见诸文献报导，因此有必要引入 新的测量手段进行开发研究。本章首先介绍一下在燃烧领域中应用过的温度场测 量方法。 2 火焰温度场测量方法综述 各种测温方法是基于物体的某些物理化学性质与温度有一定的关系，例如物 体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等都与物体的温度有关。当温 度不同时，以上这些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这些参数的变化， 就可间接地知道被测物体的温度。鉴于温度参数对于火焰燃烧过程的重要性，测 温方法的研究一直是燃烧领域的热点问题，研究者基于物体这些物理化学性质与 6 浙 江 大学硕 士 学位论文 温度的关系，结合科学技术的新成果，经过长期不懈的努力，开发了型式繁多的 温度测量方法及其相应的测量装置，图2 一l 按常用的分类方法对温度测量方法进 行了分类下面将对目前已在火焰温度测量中得到应用的主要测温方法进行介 绍。 图1 - 1 温度测量方法的分类 法 3 接触式测温方法 接触式测温方法的感温元件直接置于被测温度场( 或介质) 中，不受火焰的黑 度、热物性参数等因素影响，具有测量精度高、使用方便的优点。在发展非接触 式测温方法时，经常利用接触式测温法不受烟气成分影响、测量精度高的特点作 为温度标定的重要手段。在高温火焰测量中，主要应用传统的热电偶测温法以及 近年来发展起来的黑体腔式热辐射高温计。 但是，接触式测温方法也有其局限性。对于煤粉火焰这样具有瞬态脉动特性 的测量对象，从严格意义上来说，接触测温不能作为真正的温度场测量手段。我 们知道，接触法得到的是某个局部位置的温度信号，如果要得到整个燃烧空间的 场信号，必须在燃烧空间内进行合理的布点，并且根据相应的方法( 如采用插值 法等) 获得对燃烧温度场的近似。但是，布点过多会引起系统维护费用过高以及 水冷壁开孔、让管等问题。因此，实际应用时往往只在锅炉热态特性实验中，利 用测枪进行一次较全面的多点测量，而在锅炉正常运行时，选择锅炉的关键部位 进行温度测量或控制。 雠雠雠雠 单双多全去 一 法雌她驹懿毪 糊_薹|觥斟隙例 浙 江大 学硕 士 学位论文 3 1 热电偶测温法 辫 、 t o 如 毋 b 一， 图1 - 2 热电偶测温原理 热电偶测温法由热电偶、电测仪表和连接导线组成测温仪器，是最常用的接 触测温方法。热电偶用两种不同导体( 或半导体) 组成闭合回路，两个接点分别处 于不同温度环境中时，回路就会产生电动势，称为热电势，通过标定可以用来测 量温度( 图3 2 ) 。它被广泛用来测量1 0 0 1 6 0 0 范围内的温度，用特殊材料制成 的热电偶还可以测量更高或更低的温度。从原理上说热电偶测温有较高的准确度 和复现性，同时能把温度信号转变成电信号，便于信号的远传、实现多点切换以 及便于接入自动控制系统；装置简单，易于操作及维护；测量时不必知道被测火 焰中所含的气体组分热力学参数及辐射性态，因此，目前广泛应用于煤粉燃烧的 工业生产和科学研究领域中。 热电偶测温方法在现场工业应用时，由于现场环境比较恶劣，要求有一定的 机械强度和抗震动冲击性能，因此往往使用较粗直径的热电偶丝，并加装保护套 管，导致对被测流场结构的干扰。由于热电偶是通过与测温点局部达成热平衡来 进行测温的，因此往往具有滞后效应，不能胜任脉动强烈部位的温度测量，有时 所使用热电偶的金属材料如铂、铂铑等金属有时会给燃烧过程产生催化作用，引 起的测温误差甚至高达2 0 0 3 0 0 c ：火焰对热电偶丝的辐射以及热电偶对壁面 的热辐射也会引起测温误差；另外，平衡测温使测量的动态响应较慢，限制了热 电偶测温法的使用场合。 3 2 热电阻测温法 热电阻测温法是利用电阻体的电阻随温度的变化而变化这一特性来实现测 温的目的。它由热电阻、显示仪表和连接导线组成温度计，热电阻由电阻体、绝 缘管和保护套管等主要部件组成。电阻体有导体的和半导体的两种。电阻温度计 的特点是准确度高，在中低温下( 5 0 0 y ：以下) 测温，它的输出信号比热电偶的 要大得多，故灵敏度高。但它一般用来测量2 0 0 - + 5 0 0 * c 之间的温度，在特殊情 8 浙 江大 学 硕士 学 位论 文 况下，可测至1 k 左右的低温( 碳电阻温度计) ：高温可测到1 0 0 0 。c 。 3 3 黑体腔式热辐射高温计 黑体腔式热辐射高温计，亦称接触式光纤高温计，是近十几年来随着光纤技 术发展起来的一种新型的接触测温方式。它是通过选择耐温可达1 9 0 0 2 0 0 0 。c 的蓝宝石单晶光纤作为基体材料，在其端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体腔，当黑 体腔伸入高温火焰中时，在火焰局部达成热平衡后，黑体腔内产生自发热辐射， 通过光纤耦合器经普通石荚光纤将辐射能传送到检测系统，利用双色测温方法测 量出当地温度。这种方法结合了接触测温和非接触测温法的优点，具有不存在光 学窗口被玷污和不受背景杂光干扰、易于操作的特点，与热电偶测温方式相比， 具有测温上限高、精度高、动态响应快的优势，拓宽了接触式测温方式在高温领 域的应用范围，具有良好的应用前景。 4 非接触式测温方法 非接触式测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温 度场和流场，同时感受传热惯性很小，因此可用于测量不稳定热力过程的温度， 其测量上限不受材料性质的影响，可测诸如火焰等高温。但对于现场火焰温度测 量，非接触式测量方法需开设光学窗口，窗口的透过率经常由于局部污染而造成 不均匀地减弱，这增加了火焰温度测量的困难。 非接触式测量方法分为两大类，一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参数 再求解温度场，目前最典型的是采用声学手段的声波法；另一类是利用高温火焰 的辐射特性通过光学法来测量温度场。下面介绍几种常用于科研和工程中的非接 触式测温法。 4 1 声波法 目前，采用声波作用介质来测量温度主要有声音传播速率法( 简称声速法) 和频率变化两种方法。该方法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引起 的速率或频率变化来求解温度或温度场。其中声速法已在锅炉燃烧测量中得到实 际应用。声速法测温的原理如图1 - 3 示。 对于理想气体，声速a 与气体温度t r 存在以下关系： 日= 艘弓m ( 1 - 1 ) 式中： k ： 气体的比热比 r ： 普适气体常数 浙江大学硕 士 学 位论文 m ： 气体的平均摩尔质量 图1 - 3 声速测量法系统原理图 因此，只要测得声源发出的声波通过火焰的速度a ，便可由式( 1 1 ) 计算得到 火焰的温度t 。图1 3 中左边的声脉冲发射器在控制单元的控制下定时发射声脉 冲，与此同时。控制单元的计时器开始计时，当声脉冲经过已知路程的火焰到达 右边的声脉冲检测器时，计时停止，这样就可得到声脉冲经过火焰的时间，从而 得到声音在火焰中的传播速度，进而获得火焰温度。当然，这样获得的火焰温度 不是某一个点的温度值，只能是声脉冲所穿过的路径上的温度的平均值，难以确 定确切位置，对于煤粉锅炉这样存在较大温度差异的大型燃烧对象，要想得到截 面或三维空间燃烧温度场，必须在一个层面内装设多对声传感器，通过特定的算 法才能重建温度场。 如图1 - 4 ，这是美国堪萨斯电力电灯公司( k p l ) 的l a w r e n c e 能源中心的5 号机组上所安装的这类声学高温计( a c o u s t i c p y r o m e t r y ) ，该机组为4 0 0 m w 切圆四 角燃烧煤粉炉，在锅炉的两侧墙各装有3 对声传感器，在前墙安装有1 对声传感 器。1 9 8 8 年7 月在5 号炉上进行了为期两周的实验，对声学高温计首次作出了 独立的评价，实验结果表明声学高温计与抽气热电偶测得的数据相当致。图 1 5 是基于数学重叠法( m a t h e m a t i c a ld e c o n v o l u t i o n ) 获得的炉膛出口水平断面二 维温度场，但文中没有给出算法的具体内容。 声学高温计作为一种使用方便的炉内温度场实时监测工具，在大型锅炉的断 面温度测量和炉膛结渣等故障诊断方面已经表现出良好的前景。但是，我们也应 注意到：首先，声学高温计的测温原理是基于理想气体的，而煤粉炉中的含尘火 焰并非严格遵守由理想气体导出的( 1 ，1 ) 式，对于颗粒浓度、粒度分布以及煤种 变化的影响必须通过大量的实验研究回归出计算关系式；其次，精确地确定烟气 的各热力参数，如燃气组份、比热等，对于温度的准确测定十分重要，但事实上 烟气的热力状态参数难以事先确定。这导致了测量结果的误差；再者，当烟气中 1 0 浙 江大 学 硕 士 学位 论文 温度或速度存在突变区域时，采用声波法得到的将是沿程平均后的结 图1 - 4 美国k p l 公司l a w r e n c e 能源中心5 号机组声学高温计 声传感器布置和测线图 代曩xa i 们i m 图1 - 5 声学高温计测得的炉膛出口水平断面二维温度等值线 果，显然这难以体现出这种突变；再次，煤粉燃烧炉内不可避免地会存在一些由 煤粉射流、湍动燃烧、煤粉爆燃和燃烧器及管束震动引起的燃烧背景噪声，这对 浙 江 大学硕 士 学位论文 测量会产生干扰，如何选择合适的声波频率，减少背景噪声的干扰，是在研究开 发和应用时必须加以考虑的问题；最后，在锅炉水冷壁壁面附近和四个角的测量 线难以布置，测量线在壁面处难以形成交叉，同时，在壁面的声波易受水冷壁形 成的容腔影响，导致边壁区测温的困难，象加拿大塞斯埃公司提供的演示软件包 中，燃烧器边壁上的温度分布都足相等的，这与实际情况有较大出入，而在四角 切圆燃烧煤粉锅炉中，边壁区的温度分布对于煤粉射流切圆分布诊断、结渣预报 等燃烧诊断具有重要意义，削弱了测量结果的参考意义。由此可见，要把声速高 温计发展成为精确、适用性强的测温手段，还有许多实际问题需要解决。 4 2 谱线反转法 谱线反转法是一种己在实验室中长期使用的光学测温方法。我们以其中最常 见的钠线反转法为例，该方法是在被测火焰中均匀地加入微量钠盐，钠的燃烧蒸 气会发射出两条黄色d 谱线，波长为5 8 9 0 r i m 和5 8 9 6 n m 。当具有连续光谱的明 亮背景光源( 或参考光源) 的光线穿过含钠蒸气时，根据克希荷夫定律可知，当 t o t ，时，在谱镜上 所观察到的是暗线光谱，只有在参考光源的亮度温度与火焰温度相同时，钠谱线 是不可见的。调整参考光源的t 。使钠谱线由亮变暗或由暗变亮直至钠谱线消失 即可测出火焰温度。 图l 一6 火焰温度的谱线反转法测量装置示意图 钠谱线反转法的主要优点是方法直观、装置简便易行，另外测量过程中不涉 及火焰的吸收率和发射率，它的主要不足之处是谱线反转判定容易引起人为测量 误差，一次温度测量需要反复调节参考光源的亮度温度，试验量大，难以适应瞬 态火焰温度的测最，只适用于小型稳态火焰温度的测量。 4 3 采用激光的光学测温方法 激光技术的出现和发展开辟了火焰温度测量的新领域，经过短短十几年时 1 2 浙 江大 学 硕士 学 位论文 间，取得了令人瞩目的成就，先后开发成功多种火焰温度的激光光谱测量及诊断 技术，其中，基于激光的喇曼散射的测温方法运用最广。 图1 - 7 典型物质的瑞利和喇曼光谱图 ( 横坐标用频率的倒数即波数表示) 当一束频率为vo 的单色光入射到火焰介质上时，除了产生频率不变的r a y l e i g h 散射或m i e 散射外，有一小部分散射光还会发生频率变化，变为频率vo vn 的新光信号( 如图1 7 ) ，我们称之为喇曼( r 矗m a n ) 效应，其散射强度虽然较小( 通 常，r a y l e i g h 散射的光强只有入射光强的1o - 3 ，而强喇曼散射的光强又只有 r a y l e i g h 散射的1 0 3 ) ，但与散射方向无关，其中小于入射频率的称为斯托克斯 ( s t o k e s ) 光，大于入射频率的称为反斯托克斯光。这种频率发生改变的光散射， 称之为喇曼散射，而vn 称为喇曼频移。根据分子光谱学的原理，喇曼散射是由 于光子和分子间的非弹性碰撞而产生的能级跃迁的结果，因为不同的分子具有各 自所特有的能级，因此，每种气体组分的喇曼光谱可由入射光的频率和散射分子 的组分唯一确定，因此喇曼光谱在燃烧介质温度及气体组分浓度的测量中得到了 广泛的应用，下面介绍几种典型的喇曼散射的测温方法： 自发喇曼散射光谱测试法 自发喇曼散射光谱( s p o n t a n e o u sr k i t l a ns p e c t r o s c o p y ) ，简称s r s ，是最早用 于燃烧诊断的激光光谱方法之一，测量装置如图1 - 8 所示。 根据统计热力学的知识，当气体处于热平衡条件时，分子的数量n i 与其所 处的能级h v i 之间的关系应符合b o l t z m a n n 分布定律： h ”i n ；= e 一。e k t ( 1 2 ) 式中q ：幂常数 k ： b o l t z m a n n 常数，( j k 1 ) 1 3 浙江大 学 硕 士 学 位论文 i ： 下标，表示所处的能级数 图1 - 8 激光s r s 火焰温度测试装置示意图 因为所测得的光强正比于分子数n i ，因而也是气体温度的函数，因此可从 分析得到的喇曼光谱的变化中获得温度参数。目前s r s 光谱已被成功地应用于 非发光火焰的温度测量。但是，自发喇曼散射测温在实施中的一个主要困难在于 喇曼散射的有效光强太弱，而且向四周散射，导致光收集效率太低，容易受到背 景辐射的干扰，难以应用于发光火焰的测量 相干反斯托克斯喇曼散射光谱法测试法 在出现了频率连续可调的燃料激光器后，发展了一种受激喇曼散射技术相 干反斯托克斯喇曼散射光谱法( c o h e r e n ta n t i s t o c k e sr a l n o _ ns p e c t r o s c o p y ) ，简称 c a r s 法，它使接收到的有效光散射信号的强度比自发喇曼数射提高好几个数量 级，使测量的精度大大提高。c a r s 实质是一个非线性的四波混频过程，需要两 个激光光源，其中一个的频率是可调的，其光束称之为s t o k e s 光束。具有固定 频率的激光器的光束( 波数为 1 ) 称为泵浦光束，被分成两条光束，以夹角2 c t 入 射，s t o k e s 光束( 波数为 ) 以0 角入射( 图1 9 ) ，调节s t o k e s 光束的频率，使两 频率等于之差等于采样区内的某种气体成分的喇曼频移可m ，即下式成立时 v l 一爷2 = v m ( 1 3 ) 三束光与气体相互作用会产生一束相干的反斯托克斯喇曼光束： 审3 = v 1 + “v m ( 1 4 ) c a r s 散射光束是类似激光那样的相干光，具有确定的发射方向，可以全部 被接收，能有效地排除非相干背景光的干扰，因而在发光火焰的温度测量中具有 突出的优越性，特别是能够进行含有较高浓度颗粒的两相流火焰的温度诊断，因 此，近年来c a r s 光谱诊断技术在热物理测量领域中受到广泛重视和发展。但 是c a r s 测量法存在诸如：整套试验装置的价格昂贵：c a r s 信号对很多因素有 非线性依赖关系，信号处理相当困难，测温精度有待进一步提高；c a r s 的效率 1 4 浙 江大 学 硕士 学 位论文 随激光功率的增大而迅速增加，但大功率的入射激光对光学元件有破坏性的危 险；不适应于吸收性太强的火焰温度测量等等缺点，并且它只能测量单点温度， 这限制了其应用的范围。 图1 - 9c a r s 测温的四波混频过程 除了以上介绍的基于喇曼散射的的激光光谱测试方法以外，光学测温方法还 有激光相移全息测温技术、全息干涉法、激光散斑测温法、纹影法( 或m o i r e 法、 云纹法1 等方法，所有这些测量方法都具有测量装置复杂、需要附加外光源等共 同点，限制了其在工业现场的应用，而且光学测量窗口的开设容易受到燃烧介质 的污染，使其难于在现场实施。 4 4 红外发射吸收c t 法 该方法采用c t 技术实现温度测量。c t 技术是基于投影重建的原理，它不 仅已在医学领域得到了广泛应用，而且在工业诊断中也发挥了极大的作用。利用 光学c t 方法测量火焰温度分布，被测量的量可以是介质折射率，也可以是辐射 强度。利用介质的发射、吸收特性与温度的关系进行温度测量是一种较为普遍的 方法，考虑到水分、气态燃烧产物的辐射和吸收区，测量的光谱波段常选择红外 区，因此该方法被称红外发射一吸收c t 法。据许多文献中报道，利用这种方法 在碳黑火焰的实验室研究中已获得了较好的测量结果，其主要优点在于试验应用 较为简单，数据处理也并不复杂，所得温度值对介质的参数并不敏感。此外，该 方法还常用于实验室中的小型燃气火焰测温，许多研究者将火焰简化为轴对称， 因此燃烧介质被划分为一系列的同心圆，其内部的发射系数通过代数重建的方法 导出，而内部吸收系数则通过带或不带参考光源的辐射强度计算获得。 4 5 辐射测温方法 全辐射体( 黑体) 的辐射出射度与其温度有单值函数关系，因此测量全辐射 体的辐射出射度就可知道其温度。辐射测温的原理是来自于辐射能量分布的 浙江大 学 硕士 学 住论文 p l a n c k 辐射定律，对于黑体： e b t 卜砾i 南面面( 1 - 5 ) 式中： eb ( 九，t ) 理想黑体在波长为x 、温度为t 时的单色辐射强度 c 1 、c ，分别为第一和第二p l a n c k 常数 c 1 = 37 4 1x 1 0 一”( w n l2 ) c2 = 1 4 3 8 7 9 1 0 - 2 ( m k ) 1 0 4 w ( 眦2 神 图1 1 0 黑体、灰体和实际物体的单色辐射比较 上式从理论上来说，不论高低都是适用的，但计算时很不方便。在温度低于 3 0 0 0 k 、波长较短的可见光范围内，p l a r t c k 定律往往可用w i e n 公式代替，计算 表明，两者的计算误差小于1 。、v i e n 公式表述如下： e b ( 九，t ) = c l 九一e x p ( 一c 2 九t ) ( 1 6 ) 上述的p l a n c k 定律是针对理想黑体提出来的，理想黑体具有下列两个特性： ( 1 ) 黑体可以吸收任何波长和任意方向上的所有投射辐射，即黑体是完全吸收体 也是完全辐射体；( 3 ) 在确定的温度下，黑体发射辐射能的能力最大。然而，实 际物体与黑体的单色辐射强度之间有差别，我们可以用物体的单色辐射率( 本文 中也将其称为黑度) e ( 九，t ) 来表征实际物体和理想黑体的在各个波长处的辐射 能力的区别： ( 九，t ) = 器 式中： ( 1 7 ) 浙 江 大 学 硕 士 学 位论文 e ( t ) 实际物体在波长为x 、温度为t 时的单色辐射强度 一般情况下，e ( ，t ) 是波长 、温度t 的函数，在工程上为了简化辐射计 算，引入了灰体的概念，灰体的辐射性质不随波长而变化，只与温度有关，这样 简化给工程计算带来了很多方便。这样实际物体的单色辐射强度就表示为： 目无n2 而蒜添 。培 利用p l a n e k 定律，针对不同的测量对象，开发了单色法、双色法( 比色法) 和 多色法等测温技术。 1 单色法 由p l a n c k 定律或w i e n 公式可知，物体在某一波长下的辐射强度与温度有单 值关系，因此只要选取合适的波长 ，通过仪器检测出相应的辐射能，即可算出 温度t ，这就是单色辐射测温的工作原理。由于无法预先知道物体的黑度，在测 量时，往往采用亮度温度t 的概念，如果物体在波长为 、温度为t 时的辐射 亮度与温度为t b 的黑体的辐射亮度相等，则称t 为物体在波长为凡时的亮度温 度。由w i e n 公式： e 6 = c 。z e x p ( 一c2 , t r6 ) ( 1 - 9 ) e = 以l 五e x p ( 一c2 , i t ) ( 1 - 1 0 ) 由e = e “，可得单色法的测温公式： t = ( 击1 ns + 知“ ( 1 - 1 1 ) 6 由于具有非接触测温法的响应快、不干扰测量对象的优点，单色测温得到了 广泛的应用，特别是近年来电子技术的发展，热象仪的出现为单色测温法提供了 一种方便的场测量手段，然而单色法测温需要知道测量对象的黑度，对于介质吸 收性较强的燃烧系统，黑度较难确定，降低了测量的精确度。 2 比色法 由于单色辐射率e (