（测试计量技术及仪器专业论文）温度场测量重建技术的研究及其在空预器测温中的应用.pdf

摘要 摘要 空气预热器的漏风问题严重影响着机组运行的安全性和经济性，是目前锅炉运行中亟待解决的 重要问题之一。目前仍缺乏空预器漏风的有效检测方法，往往由运行人员根据经验来判断空预器是 否正常运行，存在不可靠性。空预器内烟气温度及其分布状况直接反映了空预器运行的稳定性和经 济性，因而可以通过分析这一物理量的变化来判断空预器的运行状况。本文从传统的热电偶热电阻 测温法和新兴的声学温度场测量法入手，研究了空预器内烟气的温度分布规律和空预器温度场的重 建算法。 依据锅炉尾部烟道烟气的特点，论文选取声学温度场测量方法作为空预器温度场测量的首选方 法，并详细阐述了该方法的基本原理、应用优势和目前存在的问题。在研究和比较各种声学温度场 重建算法的基础上，本文采用比较可行的基于抛物线模型的重建算法，绘制出空预器重建温度场的 三维图和等温线图。通过计算机仿真实验可以发现，采用基于抛物线模型的声学温度场重建算法可 以得到较高精度的重建温度场三维立体图和二维等温线图，说明了该算法用于检验空预器漏风问题 的可行性。 鉴于声学测温法在实际应用中还存在噪声干扰、声波折射等问题，本文采用传统的热电偶热电 阻测温法对空预器进行测温实验，并对实验得到的数据进行了误差检验和处理、空预器温度分布函 数的二元回归分析、空预器温度分布图的拟合。实验结果表明，一方面，回归分析的结果为基于抛 物线模型的声学温度场重建算法提供了理论依据；另一方面，根据热电偶热电阻点阵式测温方法得 到的温度数据，能够拟合出比较满意的空预器实时温度场三维立体图和二维等温线图，通过比较和 分析该实时温度场分布图与空预器正常运行时的模拟温度场分布图，可以判断空预器可能的漏风区 域。 论文探讨了v b 与m a t l a b 的混合编程方法、应用程序与e x c e l 报表的连接方法，并针对热电 偶热电阻点阵式场温测量方法、声学温度场测量方法各自的特点，分别开发出了一套测量软件。该 软件集合了数据采集与处理、图形显示等功能，能够定时采集温度测量数据或声波飞渡时间测量数 据、计算和拟合实时温度数据、显示空预器温度分布图，可直接对空预器的运行情况作出及时判断， 解决空预器的漏风检测问题，具有较好的应用价值。 关键词：空气预热器，温度场，测温方法，声学测温，热电偶，热电阻，v b ，m a t l a b ，混合编 程 a b s t r a c t a b s t r a c t a i rp r e - h e a t e r s l e a k a g es e r i o u s l ya f f e c t st h eo p e r a t i o no fp o w e rp l a n t si ns e c u r i t ya n de c o n o m y , w h i c hi so n eo ft h ei m p o r t a n ta n du r g e n tp r o b l e m si nb o i l e r s o p e r a t i o n c u r r e n t l y , d u et ol a c ko fe f f e c t i v e d e t e c t i o nm e t h o d so fa i rp r e - h e a t e r s l e a k a g e ，t h es t a f fu s u a l l yd e t e r m i n ew h e t h e rt h ea i rp r e h e a t e r o p e r a t e sn o r m a l l yo rn o ta c c o r d i n gt o t h e i r e x p e r i e n c e ，w h i c hi sa p p a r e n t l yv e r yu n r e l i a b l e t h e t e m p e r a t u r eo ff l u eg a si n a i rp r e h e a t e r sd i r e c t l yr e f l e c t st h es t a b i l i t ya n de c o n o m yo fa i rp r e - h e a t e r s ， t h e r e f o r ew ec a nj u d g et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n so fa i rp r e - h e a t e r st h r o u g ha n a l y z i n gt h i sp h y s i c a lq u a n t i t y c h a n g e s t a r t i n gf r o mt h et r a d i t i o n a lt h e r m o c o u p l e t h e r m a lr e s i s t a n c et h e r m o m e t r ym e t h o da n dt h el a t e s t a c o u s t i ct h e r m o m e t r ym e t h o d , t h i sp a p e rs t u d y st h ed i s c i p l i n eo fa i rp r e h e a t e r s t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n a n dt h er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mo fa i rp r e h e a t e r s t e m p e r a t u r ef i e l d i na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l u eg a so nt h er e a ro ft h eb o i l e r , t h i sp a p e rs e l e c t s a c o u s t i ct h e r m o m e t r ym e t h o da st h ef i r s tm e a s u r e m e n tm e t h o do fa i rp r e - h e a t e r s t e m p e r a t u r ef i e l da n d d e s c r i b e si t st h eb a s i cp r i n c i p l e s ，a p p l i c a t i o na d v a n t a g e sa n de x i s t i n gp r o b l e m si nd e t a i l a tt h eb a s i so f s t u d y i n gv a r i e t yo fa c o u s t i ct e m p e r a t u r ef i e l d sr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m , t h i sp a p e ra d o p t sp a r a b o l am o d e l r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mw h i c hi sm o r ef e a s i b l e ，d r a w i n go u ta i rp r e - h e a t e rr e c o n s t r u c t i o nt e m p e r a t u r e f i e l d st h r e e - d i m e n s i o n a li m a g ea n di s o t h e r mi m a g e t h er e s u l to fc o m p u t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i n d i c a t 髂t h 巩w em a yo b t a i na c o u s t i cr e c o n s u u c t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d st h r e e - d i m e n s i o n a li m a g ea n d i s o t h e r mi m a g ew i t hh i g hp r e c i s i o nt h r o u g hu s i n gt h ep a r a b o l i cm o d e lr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m , t h u st h i s a l g o r i t h m sf e a s i b i l i t yi np r e - h e a t e r s l e a k a g ed e t e c t i o ni sv e r i f i e d i nv i e wo ft h a ta c o u s t i ct h e r m o m e t r ym e t h o da l s oe x i s t ss o m ep r o b l e m si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , s u c h a sn o i s ea n da c o u s t i cr e f r a c t i o n ，t h i sp a p e ru s e st r a d i t i o n a lt h e r m o c o u p l e t h e r m a lr e s i s t a n c ei n a i r p r e - h e a t e r s t e m p e r a t u r em e 邪u r e m e n te x p e r i m e n t , a n d d oe 玎o r s e x a m i n a t i o na n dp r o c e s s i n g ，a i r p r e - h e a t e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n b i n a r yr e g r e s s i o na n a l y s i sa n da i rp r e - h e a t e rt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni m a g e s f i t t i n g 、析t 1 1t h e s ee x p e r i m e n td a t a s t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a t o nt h eo n eh a n d , t h e r e s u l to fr e g r e s s i o na n a l y s i sp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i so ft h ep a r a b o l i cm o d e lr e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m ；o nt h eo t h e rh a n d , b a s e do nt h em e a s u r e m e n td a m so ft h e r m o c o u p l e t h e r m a lr e s i s t a n c e ，w e c a nf i to u tr e l a t i v e l ys a t i s f a c t o r yr e a l t i m et e m p e r a t u r ef i e l d st h r e e - d i m e n s i o n a li m a g ea n di s o t h e r mi m a g e o fa i r p r e h e a t e r s ，a i rp r e h e a t e r s p o s s i b l el e a k a g er e g i o nc a nb ed e t e r m i n e dt h r o u g hc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n gt h i sr e a l - t i m et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ni m a g ew i t ht h ea n a l o g yt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n i m a g ew h e na i rp r e - h e a t e ro p e r a t e sn o r m a l l y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em i x i n gp r o g r a mm e t h o do fv ba n dm a t l a b ，t h ec o n n e c t i o nm e t h o do f a p p l i c a t i o np r o g r a m m ea n de x c e lr e p o r t , a n dd e v e l o p e sas e to fm e a s u r e m e n ts o f t w a r ef o rt h e r m o c o u p l e t h e r m a lr e s i s t a n c ed o t - m a t r i xt h e r m o m e t r ym e t h o da n da c o u s t i ct h e r m o m e t r ym e t h o dr e s p e c t i v e l y c o l l e c t i n gt h ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，g r a p h i c a ld i s p l a ya n ds oo n ，t h i ss o f t w a r ei s a b l et og a t h e rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n td a t a so rt i m eo fa c o u s t i cf l i g h t ，c o m p u t a t ea n dt h ef i to u tt h e r e a l t i m et e m p e r a t u r ed a t a sa n dd e m o n s t r a t ea i rp r e - h e a t e r s t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni m a g e ，t h u sa i r p r e h e a t e r s o p e r a t i o nc o n d i t i o n sc o u l db ep r o m p t l yj u d g e da n da i rp r e - h e a t e r s l e a k a g ed e t e c t i o np r o b l e m i ss o l v e d , s oi tm a yh a v eag o o da p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：a i rp r e - h e a t e r ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，m e a s u r e m e n tm e t h o d ，a c o u s t i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ， t h e r m o c o u p l e ，t h e r m a lr e s i s t a n c e ，v b ，m a t l a b ，m i x i n gp r o g r a m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：二阻e t 期：二竺丑必 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垒堕导师签名：e t 期：_ 二- 蔓 第一章绪论 第一章绪论 1 1 空预器温度场测量的研究背景和意义 燃煤电站锅炉均在锅炉尾部烟道设置空气预热器，利用锅炉出口烟气的余热，加热锅炉燃烧所 需空气。空气预热器通过回收锅炉出口烟气的热量，降低了排烟温度；同时，由于空气被预热，提 高了燃料与空气的初始温度，强化了燃料的着火和燃烧过程，减少了燃料的不完全燃烧损失，从而 提高了锅炉效率；此外，空气预热器还提高了炉膛内烟气温度，强化了炉内辐射换热，使得锅炉的 效率进一步得到提耐。 图1 1 空预器结构示意图 如图1 1 所示，由炉膛排出的高温烟气，首先经过省煤器加热进入锅炉的给水，然后进入空预 器加热由送风机送来的冷空气，最后经过降温的烟气由烟囱排出。 随着机组向大容量发展，目前国内大中型电站锅炉( 2 0 0 m w 及以上机组) 通常采用传热面密 度高、结构紧凑、钢耗少、容易布置的回转式空气预热器作为尾部换热设备。尤其是3 0 0 m w 以上 机组，均使用了回转式空气预热器【2 】。 周向 轴向 图2 回转式空气预热器结构示意图 回转式空气预热器是一种转动机构，主要有由筒形转子和外壳组成，如图2 所示。其中，转子 是运动部件，外壳是静止部件，动静部件之间总要留有一定间隙，这种设计原理与结构上的不足， 东南大学硕士学位论文 造成了其最显著的缺陷存在漏风量。空气预热器同时处于锅炉系统中烟气的进口和出口，空气 侧压力高，烟气侧压力低 3 1 ，二者之间的压力差会造成空气通过空气预热器漏入烟气侧。空气预热 器烟道漏风严重，将会造成送风机、引风机的电耗增加。当漏风超过送风机的负荷能力时，会使燃 烧风量不足，导致锅炉的机械不完全燃烧损失和化学不完全燃烧损失增加，严重时会导致一次风的 送粉能力下降，降低机组出力；当漏风超过引风机的负荷能力时，会使炉膛负压维持不住，迫使锅 炉降负荷运行。除此之外，一方面，空气通过空气预热器漏入烟气侧后，会造成排烟温度下降，并 有可能带来严重的低温腐蚀，到达一定程度后会造成叶轮积灰，进而影响机组的正常运行；另一方 面，空气预热器的漏风使得锅炉排烟过剩空气系数增大，在负荷不变的情况下排烟温度就会降低， 排烟容积就会增大，由于排烟容积增大所引起的热量损失增加量比排烟温度下降所引起的热量损失 降低量要多，所以总体的效果是排烟热损失加大，锅炉热效率降低。据文献记载，3 0 0m w 的机组 空气预热器的漏风率每增加1 ，将使机组煤耗增加o 1 6 6 9 k w h 【4 】。总之，空气预热器的漏风 问题影响着机组的经济性和正常运行，造成了能源浪费。 近年来，通过对一大批存在漏风问题的回转式空预器的检测和分析发现，转子热端蘑菇状变形、 转子水平度不达标、密封片磨损、低温腐蚀、堵灰严重和设备管理不完善等是漏风率超标的主要原 因【5 】。据此，有关工程技术人员提出了一系列降低空预器漏风率的措施，如减小转子热态变形所造 成的间隙、减小材料腐蚀、清除灰堵、转子双密封改造、密封间隙自动控制等【l 】。实践表明，在已 知空预器是否漏风和漏风区域的前提下，有针对性地采取上述措施的一种或几种，可有效控制空预 器的漏风问题。然而，目前国内对空气预热器的漏风检测方法的研究甚少。 在测量控制过程中，需要选取一些能够及时响应过程物理量参数变化的量来反映设备运行的状 况，而空预器内高温烟气的温度直接体现了空预器运行的具体情况，因此研究空预器内实时温度的 分布有着重要的意义和作用。 锅炉燃烧稳定和空预器运行正常时，依据空预器内实测温度数据绘制出空预器的温度分布图， 包括某一平面上的三维温度场和二维等温线，再将之与理想的空预器内温度分布图作比较和分析， 可以判断空预器是否漏风以及可能的漏风区域。 通过以上分析可知，一方面，目前尚未有针对空预器漏风的有效检测方法，工作人员往往根据 经验来判断空预器是否正常运行并采取相应措施，这样不但对操作人员要求较高，判断的标准难以 界定，而且工作量大，实时性差；另一方面，根据计算机仿真实验可知，若我们能获得空预器的实 时温度分布，不但能够据此来判断空预器是否工作正常，还可以对空预器工作异常的区域进行跟踪 和检测。 基于这样的现状，本论文将空预器漏风的检测问题与其温度场的测量与重建结合起来，研究并 探讨如何利用现有的测温方法得到空预器的实时温度分布，然后将之与理想的温度分布作比较和分 析，以判断空预器是否漏风及其漏风区域，从而为解决空预器的漏风问题提供理论依据。 1 2 温度场测量技术在国内外研究和应用的现状 温度场即温度分布，是确定设备状态的重要参数。判断空预器运行正常与否，首先需要获得空 预器的温度分布。空预器温度场测量属于场测量问题，传统测温方法一般均无法适用。 辐射测温技术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 低了测量的精度；基于数值图像处理的测温对象检测，其采用的内窥式c c d 摄像头由于长期在高 温、粉尘和熔渣等现场恶劣环境下工作，分辨率下降，易产生“偷看”问题1 6 。 传统的热电偶热电阻测温元件使用起来简单方便，能够较准确地获取“点”温度数据，目前被 普遍而广泛地应用于空预器内温度的逐点瞬态测量。然而，由于设置的测点数目有限、获取的测量 数据较少、缺乏相关的数据处理软件和所采用的重建算法精度较低等原因，目前尚未见到有国内外 学者能够较为满意地解决由热电偶热电阻测得的“点”温度数据直接得到整个空预器的温度场分布 图这一问题。基于这样的现状，本文将研究如何将“点”测温转换为“面”测温的问题，根据热电 2 第章绪论 偶热电阻测得的若干离散点的实时温度数据拟合出空预器的实时温度场分布图，进而推断空预器的 运行状况。 除了热电偶热电阻场温测量方法之外，本文还将重点研究声学温度场测量方法。这种新兴的测 温技术在上世纪七十年代才正式被提出，于八十年代得到了深入的研究和发展。到了九十年代初期， 声学测温系统在国外被开发成产品并迅速商业化，被应用于电站锅炉、水泥回转窑、延迟炼焦器等 工业热力过程控制中。声学测温方法具有温度测量精度高、测温范围广、测量对象空间范围大、可 实现实时连续测量、维护方便等优点，可以实现整个空预器温度场的测量。当然，在实际应用中可 以发现，声学测温法还存在噪声干扰、声波折射等一系列问题，第二章将对这方面的问题和相应的 解决方案进行详细阐述。 以下简要介绍一下目前声学测温技术在中国和世界其他各国的研究和应用状况【9 10 1 2 1 硼。 美国内华达大学的j o h nak l e p p e 在前人的基础上基本完善了声学测高温的理论，不但推出了奠 定声学测温技术基石的专著( e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fa c o u s t i c s ，还参与研究并开发了一 套可在各种恶劣的、嘈杂的工业环境中进行精确、反复测量的声学高温测量系统。该系统以压缩空 气经波导管内孔板产生5 0 0 2 0 0 0 h z 的宽频带波作为系统的声源，以耐腐蚀镍合金钢制成的压电式传 感器接收发射单元的声信号，具有以下功能：( 1 ) 可获得某一测量路径上的平均温度。( 2 ) 可实现 实时温度场的显示。分析实验结果可知，温度测量上限可达1 9 2 7 ，最大的实际相对误差小于1 5 ， 表明温度场的重建精度较高。( 3 ) 可显示所定义空间区域内气体的平均温度。系统能够在显示区域 范围内任意地定义出1 6 个长方形区域，并且自动地计算出每一区域的平均温度值。区域的定义具有 很大的灵活性，可在任意的位置定义，并且2 个区域可以不相连，也可以相互重叠。( 4 ) 可显示声波 路径上介质温度随时间变化的趋势图，即每条路径上的介质温度随时间变化的趋势，可以从所给定 的刻度范围内选用一个最佳的刻度用于显示，每次测量相隔的时间也可以为2 h 、4 h 、8 h 、1 2 h 不等。 美国电力研究院和英国发电委员会使用该声学高温测量系统对电站锅炉进行了炉膛燃烧诊断和测温 实验，结果表明声学高温计的测量结果基本与抽气型热电偶所得结果一致，而声学高温计在实时性、 可维护性上明显优于抽气型热电偶，在准确度上更是辐射高温计所无法比拟的。随后，声学高温测 量系统被推向市场，并被预言为一种新型的加热炉诊断工具及科研开发工具。另外，位于美国内华 达州的s i e 公司也是世界上研究声学测温产品的领头羊，他们以声学测高温的理论为技术支持，开发 和研制了一种命名为b i o l e r w a t c h 的系列产品，用来监测大型火力发电厂的锅炉温度场分布，在不少 电厂做了大量试验，得到了很满意的数据和结果。目前，他们的产品生产和销售己国际化。 日本岐阜大学的w a k a i 试验小组，提出了声波在不均匀温度场内传播的折射问题不容忽视，即声 波的“弯曲效应”，证实了传统的声学测温技术依靠声波在温度场中的直线传播存在着较大误差，并 从理论上研究了由于温度梯度对声波传播路径的影响所产生的测量误差。他们利用最小二乘法及迭 代技术来重建温度场，一定程度上消除或弥补了声波折射的影响，声学测温的准确性和精度得到进 一步的提高。另外，日本东京电力技术研究所的伊腾文夫，三菱重工长崎研究所的坂井正康对燃煤 锅炉中声波的衰减特性等进行了基础研究，并给出了比较合适的声学高温计频率范围。研究结果表 明：( 1 ) 声波在炉内煤气中的衰减与煤气中的二氧化碳浓度、声波频率、煤气温度成正比；( 2 ) 从 精度和衰减两方面考虑声发射接收器的频率应在1 2 k h z 以内：( 3 ) 当测量数据较少时，用最小二乘 法重建温度场断面温度分布较合适：( 4 ) 重建精度和抽气式热电偶的测量结果相差5 ，用声波进 行炉内温度分布的测量是可行的，并提出今后应改进声学传感器的耐热性。 英国德贝郡的c o d e l 国际有限公司是一家专门设计和生产监测燃烧过程和大气污染排放物的高 科技产品的公司，该公司与谢菲尔德大学合作，于1 9 9 9 年也成功推出了名为p y r o s o n i ci i 的声学测 温装置并投放市场。另外，英国的kjy o n g 等对各种引起声学“常数”变化的因素及其对测量结果 的影响程度做了深入细致的研究，得出一系列有价值的结论。 意大利比萨大学的e m a n u e l es l a e m o 等人成功研制出一套发射一接收单元为电声系统的声学高温 计并申请了专利，还对声学测温技术的x 线断层热力图像处理和重建算法等问题做了比较深入的探 讨，具有一定的代表性。 此外，德国的萨尔不吕肯大学、加拿大的塞斯埃公司都相继开发出了声学高温测试系统，并己 3 东南大学硕士学位论文 成功应用于各种负荷的电站锅炉温度场检测。在韩国，声学测温技术也受到极大的重视，并得到了 很快的发展，也有相关的产品面向市场。 总之，国外对用声学测温法确定炉内温度场的研究已经非常充分，纷纷开发出了相应的产品并 被广泛应用。同时，经过不断的研究与开发，利用声学测温法测量大型管道中的气体和烟囱中的废 气流量的装置也在商业上得以成功应用。此外，声波测温技术还可以用来测量房间内的温度分布， 如大型会议室和剧场内的温度监测和调节等。 而在我国，对于声学测温技术的研究起步较晚，直到上世纪末，才有人提出了声学测高温技术， 但大多是对国外研究的简单介绍和报道，具体的相关研究和资料很少。目前国内见报道的仅东北大 学信息科学与工程学院邵富群教授的研究小组在声学测量系统和重建算法上进行了初步的探讨，他 们论述了利用声学传感器获得测量数据，并在此基础上利用傅立叶正则算法对温度场分布进行重建 的温度场测量方法，给出了该方法的测量原理及计算机仿真结剁1 4 】。因此，声学测温技术在国内有 着很大研究价值和市场潜力。而且，新型声学测温系统的研制将填补我国在该项研究上的空白，缩 小我国在高温气体温度场测量方面与世界先进水平的差距。 1 3 本论文的研究内容 本论文分为6 章，主要进行空预器内温度分布规律的探讨和空预器温度场测量重建技术的应用 研究。研究的内容及拟实现的目标如下： l 、研究声学法温度场测量的重建技术 利用声学测温法获得声波飞渡时间的实时测量数据，在充分研究声学温度场各种重建算法的基 础上，采用一种精度较高的重建算法对声学温度场进行重建，然后借助工程数学软件m a t l a b 绘 制空预器温度场的三维图和等温线图，再将之与理想的空预器温度分布图作比较和分析，即可掌握 空预器的运行状况并对工作异常的区域进行跟踪和检测。主要任务包括：( 1 ) 分析各种温度场检测 方法的优劣，阐述声学温度场检测技术的基本原理；( 2 ) 确立由声波在各传播路径上的飞渡时间测 量值获取对应的温度值的算法；( 3 ) 研究空预器的温度分布规律，选取某一典型断面分析其具体的 温度分布情况；( 4 ) 运用m a t l a b 软件对空预器的温度分布进行拟合；( 5 ) 将以上结果与理想的 空预器温度分布图作比较，并对重建结果进行误差分析，验证该方案的正确性和可行性。 2 、研究由点测温转换为面测温的问题 鉴于声学测温法在实际应用中还存在噪声干扰、声波折射等问题，要想获得精确的声波飞渡时 间进行空预器温度场的重建尚有一定的难度，在此还将研究如何借助m a t l a b 、v b 、e x c e l 等软 件，对用熟电偶热电阻测得的若干离散点的实时温度数据进行拟合，分析空预器内温度的分布规律， 这样不仅可以为空预器温度场的重建算法提供理论依据，还可以根据各条烟气测量通道的拟合曲线 和实时温度分布拟合图推断空预器的运行状况。 3 、开发两套应用软件 分析热电偶热电阻测温法和声学温度场测量法各自的特点，制定预计实现的的软件功能，利用 m a t l a b 、v b 等软件开发出两套空预器的实时温度场分布显示软件，实现定时采集空预器的温度 数据或声波飞渡时间测量数据、对实时数据进行处理与拟合、显示空预器实时温度分布图等功能。 1 4 本章小结 空气预热器漏风的检测方法是目前锅炉燃烧中亟待解决的重要问题。本章阐述了空预器温度场 测量的背景和意义，指出了分析和处理空预器中烟气温度的测量结果对于判断空预器运行状况的可 行性与必要性。另外，本章还介绍了声学法空预器温度场测量的研究现状，分析了传统测温法的不 足和新兴的声学非接触测温法的优点，并对本论文的研究内容做了概述。 4 第二章温度场测量方法的分析与比较 第二章温度场测量方法的分析与比较 2 1 几种常用的高温气体测温法 各种测温方法都是基于物体的某些物理化学性质与温度之间一定的关系，例如物体的几何尺寸、 颜色、电导率、熟电势和辐射强度等都与物体的温度有关【l5 1 ，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，就可间接的知道被测物体的温度。 近年来，国内外研究人员根据锅炉高温烟气的成分和特点，结合科学技术的新成果，都在研究 适用于锅炉的炉膛燃烧室或其他高温烟道的温度场测量方法及其相应的测量装置。以下将对目前己 在锅炉烟气的温度测量中得到应用的几种测温方法进行介绍。 总的来说，温度测量方法可以分为两大类：接触式测温、非接触式测温。 2 1 1 接触式测温法 接触式测温方法是一种利用测温元件与被测对象直接接触，经过换热后两者温度相等的原理的 测量方法，比较简单和直观。然而，这种测温方法也存在明显的缺点。首先，由于测量元件直接与 被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差；其次，该方 法是基于热力学第零定律，即处于同一热平衡状态下的系统具有一个数值相等的状态参数温度， 所以要等待测温元件和被测对象处于热平衡状态时才能进行测量，然而受到被测对象特性及传热方 式的影响，有的测温元件不能和被测对象充分接触，也无法达到充分的热平衡，这就使得测温元件 和被测对象温度不一致，从而导致测量的动态误差比较大；再次，在接触过程中，若被测介质具有 腐蚀性，测温元件的工作寿命就会相对缩短，测量准确度也会相应降低【l 引。因此，在测量精度要求 较高或被测介质具有腐蚀性等场合下，接触式测温方法的使用会受到限制。 常用的接触式测温仪表主要有膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶以及热电阻四种。其中， 膨胀式温度计和压力式温度计测量精度较低，量程和使用范围有限，而热电阻测温上限低，不能用 于5 0 0 以上的高温测量。在高温领域的接触式测量中，一般采用热电偶测温方法。 热电偶测温方法是由热电偶、电测仪表和连接导线组成的测温仪器，是目前测温领域中应用最 广泛的温度检测元件之一。它的工作原理是基于赛贝克( s e e b a c k ) 效应，即两种不同成分的均质导 体形成回路，当两端存在温差时回路中会产生电流，那么两端之间就会存在赛贝克热电势。该热电 势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关，因此可以通过 对其标定来测量温度。在实际使用中，为了使参比端远离电源并保持温度稳定，还需要对热电偶进 行冷端温度补偿。 热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，测温范围广，测量精度较高，便于远距离、 多点、集中测量和自动控制【l6 】。常用的热电偶从一5 0 + 1 6 0 0 均可连续测量，某些用特殊材料制成 的热电偶最低可测n - 2 7 0 ( 如镍铬一金铁) ，最高可达+ 2 7 6 0 ( 如钨一铼) ，可见热电偶适用温度范 围很广。另外，热电偶还具有响应速度快、构造简单、使用方便、承受热和机械冲击能力强等特点， 因此常用于高温、振动冲击大等恶劣环境。 然而。热电偶的信号输出灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响， 因此不适合测量微小的温度变化。此外，对于高温和磨蚀性很强的炉内燃烧环境，使用热电偶进行 “点”测温还存在以下几个问题【1 3 】：( 1 ) 热电偶测温是一种接触式测量，与燃烧火焰直接接触，必 然影响燃烧过程及内部流畅，而且热电偶必须在与温度场达平衡状态时才能准确地显示温度场的实 际温度，由于炉膛内燃烧火焰的脉动十分剧烈，热电偶和所测量的火焰难以达到平衡，所以其测量 误差较大：( 2 ) 高温热电偶通常采用铂铑热电偶，在高温下铂会发生催化现象，内部材料也经常发 生熔焊，这些都会导致错误的测量读数，因此不适合进行持续的高温测量；( 3 ) 在炉膛环境中，热 5 东南大学硕士学位论文 电偶在很短的时间内就被烧坏，几乎天天需要更换，即使在不锈钢套管中的使用寿命也只有2 3 天，而且零部件更换价格高，更换起来麻烦费时。 2 1 2 非接触式测温法 非接触式测温方法是通过热辐射原理来测量温度的。全辐射体( 黑体) 的辐射出射度与其温度 有单值函数关系，因此测量黑体的辐射出射度就可知道其温度。利用这种方法测量温度时，温度敏 感元件不需与被测介质接触，故称之为非接触式测温方法。由于是非接触，非接触式测温不会破坏 被测介质的温度场，具有测温范围广、不受测温上限的限制、响应速度快、灵敏度高、分辨率强等 特点，在被测物体为运动物体时尤为适用【1 31 6 1 。非接触式测温能在接触测温不能使用的场合下使用， 能够较好地实现对腐蚀性较强等不可接触对象的温度测量。但是受到物体的发射率、测量距离、烟 尘和水气等外界因素的影响，非接触式测温的测量误差较大，因此测量精度不高。下面介绍几种常 用非接触式温度测量方法的原理和优缺点【6 7 8 ”1 6 1 7 】。 1 、光学高温计 由普朗克定律可知，在某一波长下，物体的光谱辐射出射度是温度的单值函数，而且光谱辐射 出射度的增长速度较温度升高的速度快得多。因此测量出物体在某一波长下的光谱辐射出射度，就 可以较准确地确定其温度，这就是光学高温计测温的基本原理。 光学高温计具有结构简单、实用方便、响应快、测温范围广的特点，是发展最早、应用最广的 非接触式测温元件，常用于7 0 0 3 2 0 0 范围内的工业测温。 光学高温计曾被用来测量炉内温度场，但应用后发现存在以下问题：( 1 ) 光学高温计通过测量 一种特定烟气成分的温度近似得到总的烟气温度，但是由于烟气存在多种成分，所以无论选择哪一 种烟气成分，都不能代表燃烧烟气的温度；( 2 ) 光学高温计仅可以在现场读数，给测量和操作带来 极大不便；( 3 ) 光学高温计的镜头容易脏污，电路元件有相对的最低温度限制，而且为了保证测量 结果相对的准确性，需要不断地重新校准；( 4 ) 光学高温计和被测物体之间的灰尘、烟雾、二氧化 碳等气体对辐射有吸收作用，因而会造成测量误差，测量的精确度比热电偶要低。 2 、辐射温度计 辐射温度计是根据全辐射体的辐射定律制作的温度计。由全辐射定律可知，全辐射体的辐射出 射度与其热力学温度的四次方呈正比。值得注意的是，该热力学温度称为被测物体的辐射温度，若 被测物体为非全辐射体，则该热力学温度与被测物体的实际温度不同。 辐射温度计具有输出信号大、灵敏度高、准确度高、不干扰测量对象的优点，测温范围也较广， 在4 0 0 - - 2 0 0 0 c 之间。 在辐射温度计测温中，要想获得被测物体的实际温度，除了需要测量被测物体的辐射温度外， 还需要知道被测物体的发射率，而这一特征参数会随着物体的化学成分、表面状态、温度和辐射条 件的不同而不同。对于介质吸收性较强的燃烧系统，发射率更加难以准确确定，这就降低了测量的 精确度，是辐射温度计一个较显著的缺点。 3 、光纤高温计 光纤高温计是基于黑体辐射的原理开发出来的一种新型高温测量仪器，主要由黑体腔光纤传感 器、光电转换器和数字温度显示表三部分组成。在耐温高达1 9 0 0 2 0 0 0 的蓝宝石单晶光纤的端部 涂覆铱等金属薄膜构成黑体辐射腔，利用该黑体腔可以感受被测物体的温度并发射辐射光波。光纤 耦合器接收到辐射光波后，通过传输光纤将辐射能传送至光电转换器进行检测，最后再由数字温度 显示表显示出温度值。 光纤高温计具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测温上限高、动态响应快、可远距离传输、性能稳定、 价格低廉的特点，而且结合了接触测温和非接触测温法的优点，不仅提高了接触式测温的测量上限， 延长了使用寿命，还克服了非接触式测温误差较大的缺点，具有较好的应用前景。 4 、全炉膛看火电视装置 目前，全炉膛看火电视装置在我国的大型火力发电厂中得到普遍应用。运行人员通过该装置， 可以直接观察炉膛内火焰图像，根据火焰特征判断当前炉内的燃烧状态。 6 第二章温度场测量方法的分析与比较 全炉膛看火电视装置非常直观，通过观察火焰的颜色和亮度就可判断大致的燃烧情况。 然而，全炉膛看火电视在得到广泛应用的同时，也暴露出一些缺点。这种装置不能提供定量的 温度信息和详细的热力参数，也不能联入自动控制系统，具有较大的局限性，并且在判断过程中存 在人为的主观因素。 5 、基于图像处理的温度场测量 基于图像处理的温度场测量方法是利用电荷耦合器件( c c d ) 摄取燃烧室内某个时刻的瞬时火焰 图像，然后借助于光学理论和计算机图像处理技术，计算出整个燃烧室内部的温度分布。 在不考虑误差的理想情况下，基于图像处理的温度场测量可以比较精确地重建出温度场，而且 c c d 图像传感器体积小、重量轻、功耗低、可靠性高，因此得到迅速发展。 但是在实际应用中发现，基于图像处理的温度场测量方法还存在以下几个问题：( 1 ) 长期在高 温粉尘和熔渣等现场恶劣环境下连续工作，c c d 摄像头寿命短、维修频率高；( 2 ) c c d 摄像头的分辨 率不高，易产生的“偷看”现象；( 3 ) 小视角的检测镜头难以随时对准漂移的火焰区。 6 、声学测温法 声学测温法是利用声波在气体介质中传播时的速率或频率变化与气体温度有函数关系来求解温 度或温度场。目前，采用声波作为介质来测量温度的方法主要有声速法和声频法两种。 作为新兴的测温技术，声学测温法具有测温范围广( 零下- - - 2 0 0 0 ) 、测量对象空间范围大( 可 达数十米) 、测量精度高、不受辐射影响、没有漂移、可实现在线监测等特点。应用该测温方法最大 的优势在于通过构建若干条测温路径可以直接得到整个测量空间的温度场分布。 然而，在声学测温法的实际应用中，还存在噪声的干扰、声波在非均匀温度场中的折射、声波 收发器尺寸偏大等一系列问题，这些因素都会影响到声波飞渡时间的精确测量。近来，随着各国学 者对声学测温技术的重视和不断深入、细致的研究，这些问题正逐步得到突破和解决。 2 2 空预器温度场测量方法的研究和分析 以上介绍的几种常用高温气体测温法，除了全炉膛看火电视装置和基于图像处理的温度场测量 之外，其他方法都可应用于空预器温度场的测量。 锅炉尾部烟道虽然烟气成分复杂，而且是不断变化的，但气体组分对于声波传播速度的影响较 小【8 】，所以在实际应用中只要给出烟气组成的近似值，就可以利用声波传播速度的变化来测量温度。 声学测温法利用烟气的物理特性记录可测温度，且具有众多传统的测温方法无可比拟的优点，可作 为实现空预器温度场测量的首选方法。 另外，由于声学测温法在实际应用中还存在噪声干扰、声波折射等不容忽视的问题，要想