FPW法測(cè)量330 MW循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度及輻射率

楊豪駿,　楊　斌,　何　淵,　蔡小舒

(1.上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海 200093；

2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

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FPW法測(cè)量330 MW循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度及輻射率

楊豪駿1,2,楊斌1,2,何淵1,2,蔡小舒1,2

(1.上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測(cè)量研究所，上海 200093；

2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

摘要：基于快速尋峰法(Fast Searching Peak Wavelength，F(xiàn)PW)原理，研制了水冷光纖探針，對(duì)某臺(tái)330 MW循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)不同高度位置的火焰溫度及輻射率進(jìn)行了測(cè)量，并采用FPW法處理測(cè)量數(shù)據(jù)，得到了不同測(cè)量位置的火焰溫度和輻射率.結(jié)果表明：在FPW法測(cè)量中，可以用煤粉燃燒火焰溫度模型，所得到的循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度的最大偏差小于6%；火焰溫度和輻射率隨爐膛高度的增加而降低；與煤粉鍋爐相比，循環(huán)流化床鍋爐的火焰溫度低，輻射率高，輻射換熱能力強(qiáng).

關(guān)鍵詞：快速尋峰法； 火焰溫度； 輻射率； 維恩定律； 循環(huán)流化床； 稀相區(qū)

快速尋峰法(Fast searching Peak Wavelength，F(xiàn)PW)是在光纖光譜法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種快速火焰溫度測(cè)量方法，它能夠在經(jīng)黑體爐等已知溫度的高溫物體標(biāo)定得到峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系后，直接根據(jù)光譜儀測(cè)得的火焰相對(duì)輻射光譜峰值波長(zhǎng)得到火焰溫度.筆者采用FPW法對(duì)某臺(tái)330 MW循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)火焰進(jìn)行測(cè)量，得到其火焰溫度,并比較分析了煤粉爐火焰輻射率與循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)火焰輻射率的不同對(duì)燃燒溫度和輻射換熱的影響.

1FPW法溫度測(cè)量原理

FPW法是一種基于維恩定律及普朗克定律發(fā)展而來(lái)的快速測(cè)溫方法.維恩定律指出，在一定溫度下，黑體或灰體的溫度與輻射本領(lǐng)最大值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)(即峰值波長(zhǎng))λm的乘積為一常數(shù)，即λm×T=const，式中const=0.002 897 m·K，稱為維恩常量，因此可以根據(jù)λm計(jì)算出溫度T.圖1給出了維恩定律中峰值波長(zhǎng)λm與溫度的關(guān)系，其中橫坐標(biāo)為輻射波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為單位體積火焰輻射能量.

圖1　維恩定律中峰值波長(zhǎng)λm與溫度的關(guān)系

然而維恩定律的λm在溫度低于2 000 K時(shí)位于紅外波段，采用硅材料的CCD(CMOS)光纖光譜儀只能測(cè)量200~1 100 nm的光譜，無(wú)法測(cè)到溫度低于2 000 K的火焰輻射光譜的峰值.且根據(jù)CCD(CMOS)陣列的光譜特性，測(cè)得的輻射光譜不是火焰輻射的真實(shí)光譜，而是帶有CCD光譜特性和光纖光譜特性的相對(duì)光譜.圖2給出了采用光纖光譜儀測(cè)得的黑體爐不同溫度下的相對(duì)輻射光譜，以及根據(jù)普朗克定理得到的黑體爐在同溫度下的實(shí)際輻射光譜(右側(cè)上翹譜線).從圖2可以看出，光纖光譜儀測(cè)得的相對(duì)輻射光譜與同溫度下的實(shí)際輻射光譜有很大不同.受CCD(CMOS)光譜響應(yīng)特性的影響，光纖光譜儀測(cè)得的輻射光譜存在一個(gè)最大值，在某個(gè)波長(zhǎng)輻射光譜相對(duì)強(qiáng)度達(dá)到最大值，然后逐漸減小，到1 100 nm達(dá)到0.從圖2還可以看到，當(dāng)溫度從835 ℃升高到935 ℃時(shí)，峰值波長(zhǎng)逐步向短波長(zhǎng)移動(dòng)，符合維恩定律的規(guī)律.因此認(rèn)為有可能利用該信息進(jìn)行火焰溫度的快速測(cè)量.

圖2　黑體爐中峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系

根據(jù)該現(xiàn)象發(fā)展的FPW法通過(guò)尋找光纖光譜儀測(cè)量火焰發(fā)射的相對(duì)輻射光譜峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，根據(jù)不同的火焰類型建立峰值波長(zhǎng)與溫度關(guān)系模型，即可得到火焰的溫度[13].

對(duì)于電站鍋爐的煤粉火焰，經(jīng)研究得到如下關(guān)系式：

(1)

式中：λ為光纖光譜儀測(cè)得的火焰相對(duì)輻射光譜中的波長(zhǎng).

2循環(huán)流化床鍋爐工況簡(jiǎn)介

采用FPW法對(duì)某臺(tái)330 MW循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)的火焰進(jìn)行測(cè)量，得到火焰的輻射率和溫度.圖3為該循環(huán)流化床鍋爐的測(cè)量位置示意圖，共布置有5個(gè)測(cè)量位置：第5層(25.1 m)2個(gè)，分別在左爐墻的L5和前墻的F5；第6層(32.9 m)1個(gè)，即左爐墻的L6；第7層(38.4 m)2個(gè)，分別在左爐墻的L7和前墻的F7.這3個(gè)測(cè)量層均位于循環(huán)流化床鍋爐的稀相區(qū).實(shí)驗(yàn)一共分為3個(gè)工況，工況1負(fù)荷為270 MW，工況2負(fù)荷為331 MW，工況3負(fù)荷為328 MW.

圖4(a)給出了火焰溫度測(cè)量系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由測(cè)量探針、光纖、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成.由于爐膛內(nèi)溫度為1 000 ℃左右的高溫，為保證測(cè)量探針可靠工作，防止高溫?fù)p壞光纖和光學(xué)元件，探針采用如圖4(b)所示的循環(huán)水冷結(jié)構(gòu)，包括不銹鋼探針外管、不銹鋼光纖內(nèi)管、耐高溫光纖、冷卻水進(jìn)出口接頭等.光纖采用OPTRAN POLYIMIDE WF系列耐高溫聚酰亞胺涂層光纖，最高工作溫度可達(dá)400 ℃.冷卻水從探針尾部不銹鋼光纖內(nèi)管流入，在端部流出進(jìn)入外管，然后從探針尾部流出，此結(jié)構(gòu)保證了光纖能在常溫下工作.光纖接收火焰的輻射后，將光信號(hào)傳輸?shù)焦饫w光譜儀，計(jì)算機(jī)對(duì)光譜進(jìn)行分析后得到火焰的溫度和輻射率.

(a) 鍋爐不同層高測(cè)量位置

(b) 爐膛內(nèi)測(cè)點(diǎn)距離示意圖

(a) 鍋爐火焰溫度測(cè)量系統(tǒng)示意圖

(b) 水冷探針示意圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)探針?lè)謩e插入各個(gè)測(cè)量位置，在每個(gè)測(cè)量位置分別測(cè)量距爐膛水冷壁6個(gè)不同距離的火焰，以獲得不同爐膛深度火焰的溫度和輻射率.6個(gè)測(cè)點(diǎn)距離水冷壁的距離分別為0 cm、5 cm、10 cm、20 cm、50 cm和70 cm.詳細(xì)工況參數(shù)見(jiàn)表1.

3循環(huán)流化床鍋爐火焰輻射率和溫度測(cè)量

維恩定理的適用條件是黑體或灰體.在黑體或灰體的條件下，光纖光譜儀測(cè)得的火焰輻射光譜的峰值波長(zhǎng)與溫度間的關(guān)系是線性變化的，但如果火焰輻射率不符合灰體條件，而是峰值波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，則該關(guān)系不再是線性關(guān)系.因此，需要先研究循環(huán)流化床鍋爐火焰輻射率函數(shù).筆者采用文獻(xiàn)[14]提出的火焰輻射光譜測(cè)量火焰輻射率的方法測(cè)量循環(huán)流化床鍋爐火焰的輻射率.圖5為工況2時(shí)，在L7和L5層第4測(cè)點(diǎn)測(cè)得的火焰輻射率函數(shù).圖6為工況1時(shí)，在L7和L5層第2測(cè)點(diǎn)測(cè)得的火焰輻射率函數(shù).

表1　實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)匯總

(a) L7層第4測(cè)點(diǎn)火焰輻射率

(b) L5層第4測(cè)點(diǎn)火焰輻射率

從圖5和圖6可以看出，測(cè)得的火焰輻射率不僅在不同測(cè)點(diǎn)時(shí)有所不同，而且隨波長(zhǎng)的變化也都不是常數(shù)，即循環(huán)流化床鍋爐火焰并不是灰體.研究表明，對(duì)于連續(xù)輻射和可見(jiàn)光區(qū)帶狀輻射的物體，輻射率變化的規(guī)律總可以用波長(zhǎng)和溫度的多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)表示[15].在實(shí)際應(yīng)用中，若測(cè)量波段選在近紅外和可見(jiàn)光范圍，輻射率函數(shù)呈單調(diào)變化，其函數(shù)形式為：

(a) L5層第2測(cè)點(diǎn)火焰輻射率

(b) L7層第2測(cè)點(diǎn)火焰輻射率

(2)

式中：α0，α1，…，αn為擬合系數(shù).

將圖5(a)測(cè)得的火焰輻射率隨波長(zhǎng)的變化曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合可得：

lnε=7.808-0.020 8λ-1.125×10-5λ2

(3)

式(3)擬合函數(shù)與原函數(shù)的對(duì)比如圖7所示.從圖7和式(3)可以看出，雖然循環(huán)流化床鍋爐火焰輻射率的對(duì)數(shù)是波長(zhǎng)的二次函數(shù)，但其在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的變化并不大，輻射率的平均值與輻射率原函數(shù)的最大偏差為8.5%，分別在波長(zhǎng)700 nm和1 000 nm處.也就是說(shuō)如果將該火焰作為灰體火焰處理，采用FPW法測(cè)得的火焰溫度與用光譜法測(cè)得的火焰溫度產(chǎn)生的最大偏差不會(huì)超過(guò)8.5%.

表2給出了采用FPW法由煤粉鍋爐火焰輻射率函數(shù)式(1)得到的循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度與光譜法測(cè)得的火焰溫度的結(jié)果比較，并給出了火焰的平均輻射率.從表2可以看出，采用式(1)得到的FPW法火焰溫度模型用于循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度的測(cè)量最大偏差在6%以內(nèi)，這表明煤粉火焰溫度的FPW法火焰溫度模型同樣可以用于循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度的測(cè)量.

圖7　測(cè)得的輻射率原函數(shù)與擬合函數(shù)的對(duì)比

實(shí)驗(yàn)工況平均輻射率平均輻射率誤差/%FPW法測(cè)得的火焰溫度/℃光譜法測(cè)得的火焰溫度/℃溫度偏差/%工況1,L5-21)0.504.57103010875.53工況1,L7-22)0.184.65104410934.69工況2,L5-43)0.553.23110211504.35工況2,L7-44)0.383.70105311044.84工況3,L5-40.524.41104010894.71工況3,L7-40.404.17100810504.17

注：1)L5-2表示L5層第2測(cè)點(diǎn)；2)L7-2表示L7層第2測(cè)點(diǎn)；3)L5-4表示L5層第4測(cè)點(diǎn)；4)L7-4表示L7層第4測(cè)點(diǎn).

由圖5和表2可知，331 MW時(shí)循環(huán)流化床鍋爐中內(nèi)火焰平均輻射率L5層為0.55，L7層為0.38.研究表明，火焰在光譜測(cè)量波段的輻射主要由炭黑顆粒及飛灰產(chǎn)生，而平均輻射率的差異是由于L7層相對(duì)于L5層處于更高的位置，此處已基本是高溫?zé)煔?，炭黑顆粒和飛灰的濃度較低，導(dǎo)致L7層的火焰平均輻射率要低于L5層的火焰平均輻射率.

從表2還可以看出，工況1時(shí)L5層的火焰平均輻射率稍小于工況2時(shí)L5層的火焰平均輻射率，但是L7層的火焰平均輻射率0.18要遠(yuǎn)低于工況2時(shí)的火焰平均輻射率0.38，綜合表1，分析可能的原因是工況1相對(duì)于工況2風(fēng)量下降，導(dǎo)致炭黑顆粒和飛灰濃度在該區(qū)域下降，造成火焰平均輻射率降低.而L5層處于燃燒區(qū)上部，炭黑顆粒和飛灰的濃度變化不大，所以在2個(gè)工況下火焰平均輻射率變化不大.表3給出了各工況下各層的火焰平均輻射率.

圖8給出了工況3下測(cè)得的火焰溫度隨循環(huán)流化床鍋爐高度的變化規(guī)律.從圖8可以看出，同一工況下測(cè)量位置越高，爐膛火焰溫度越低，在第7層測(cè)量位置，火焰溫度低于1 000 ℃.由于探針插入的深度遠(yuǎn)小于爐膛的半徑，因此不同深度的測(cè)量結(jié)果基本相同.圖9給出了工況3下F7層6個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的火焰溫度.

表3　各負(fù)荷下各測(cè)量層的平均輻射率

圖8　工況3下不同高度位置的火焰溫度

圖9　工況3下F7層6個(gè)測(cè)點(diǎn)的火焰溫度

表4給出了在不同工況下各測(cè)量層所測(cè)得的火焰溫度平均值匯總.從表4可以看出，工況1下不同測(cè)量位置測(cè)得的火焰溫度基本相同，但從表3可知它們的平均輻射率差別很大.其原因還有待分析，可能與鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān).在滿負(fù)荷工況下，從第5層~第7層火焰溫度逐步下降.且工況3下的火焰溫度要稍低于工況2下的火焰溫度.

表4不同工況下各測(cè)量層的火焰溫度平均值

Tab.4Average flame temperature at different measuring positions under various conditions

℃

4循環(huán)流化床鍋爐與煤粉鍋爐的火焰輻射率和溫度的比較

在循環(huán)流化床鍋爐中火焰換熱分3種形式：爐內(nèi)三原子氣體在紅外波段對(duì)爐膛壁面的熱輻射，床層的燃料沸騰燃燒時(shí)對(duì)下層埋管的熱傳導(dǎo)與輻射以及上層火焰炭黑顆粒和飛灰對(duì)水冷壁的熱輻射.相比之下，煤粉鍋爐爐膛火焰的換熱形式主要是爐內(nèi)燃燒的高溫煤粉顆粒以及三原子氣體對(duì)爐膛水冷壁的熱輻射.根據(jù)熱輻射定律：

(4)

式中：W為單位表面積單位時(shí)間輻射總能量；σ是斯忒潘玻耳茲曼常量.

從式(4)可知，火焰的輻射換熱能力不僅與溫度有關(guān)，還與火焰的輻射率有關(guān).循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)火焰的輻射換熱類似于煤粉鍋爐的火焰輻射換熱.表5給出了在330 MW和350 MW煤粉鍋爐上測(cè)得的可見(jiàn)光和近紅外波段火焰平均輻射率和溫度,其中輻射換熱量是利用式(4)計(jì)算得到的火焰輻射換熱量.因?yàn)樵阱仩t爐膛中，火焰中固體顆粒的輻射占火焰輻射的很大比例，三原子氣體在紅外波段的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，但式(4)沒(méi)有考慮氣體在遠(yuǎn)紅外波段的不連續(xù)輻射，所以根據(jù)測(cè)得的火焰輻射率計(jì)算得到的火焰輻射換熱量比實(shí)際輻射換熱量偏小.

表5循環(huán)流化床鍋爐和煤粉鍋爐火焰在

可見(jiàn)光和近紅外波段的輻射換熱量

Tab.5Heat transfer in visible and near infrared band between CFB and coal-fired boiler

鍋爐溫度/℃平均輻射率輻射換熱量/(kW·m-2)331MW循環(huán)流化床鍋爐350MW煤粉鍋爐330MW煤粉鍋爐11000.510103.410670.38069.69920.44064.012050.31284.512890.23278.412360.29085.413030.18063.114200.12455.413760.20786.9

從表5可以看出，在可見(jiàn)光和近紅外波段煤粉鍋爐的火焰平均輻射率低于循環(huán)流化床鍋爐的火焰平均輻射率，尤其是在330 MW煤粉鍋爐測(cè)得的火焰平均輻射率最低，但其溫度最高，循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度低于煤粉鍋爐，但其輻射換熱能力并不低.如當(dāng)350 MW煤粉鍋爐額定負(fù)荷時(shí)的火焰溫度為1 205 ℃，平均輻射率為0.312，輻射換熱量低于循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度為1 100 ℃時(shí)的輻射換熱量，僅是其81.7%.而330 MW煤粉鍋爐在火焰溫度1 420 ℃時(shí)的輻射換熱量也還是低于循環(huán)流化床鍋爐火焰在992 ℃時(shí)的輻射換熱量，僅為其86.6%.在燃燒過(guò)程中，熱力型NOx的產(chǎn)生條件是爐內(nèi)火焰溫度達(dá)到1 000 ℃以上.因此，如果提高煤粉鍋爐的火焰平均輻射率，輔之以煤粉在較低溫度下穩(wěn)定燃燒的措施，將是減少煤粉鍋爐NOx排放量的一個(gè)有效途徑.

5結(jié)論

(1) 循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)火焰輻射率的對(duì)數(shù)是波長(zhǎng)的二次函數(shù)，但隨波長(zhǎng)變化的幅度不大，其平均值與輻射率原函數(shù)的最大偏差為8.5%；在測(cè)量火焰溫度時(shí)，可以用平均輻射率代替輻射率函數(shù)，將火焰作為灰體處理.

(2) 循環(huán)流化床鍋爐火焰和煤粉鍋爐火焰類似，在FPW法測(cè)量中，可以采用煤粉燃燒火焰溫度模型，所得到的循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度的最大偏差小于6%.

(3) 在循環(huán)流化床鍋爐額定負(fù)荷工況下，隨著測(cè)點(diǎn)位置高度的增加，火焰平均輻射率和溫度均下降.但在工況1時(shí)，隨測(cè)點(diǎn)位置高度的增加，火焰平均輻射率下降，溫度則基本相同.在爐膛近壁面不同位置，火焰溫度變化不大，基本均勻.

(4) 在可見(jiàn)光和近紅外波段煤粉鍋爐的火焰平均輻射率低于循環(huán)流化床鍋爐的火焰平均輻射率，當(dāng)要求相同輻射換熱量時(shí)，煤粉鍋爐需要的火焰溫度相比循環(huán)流化床鍋爐火焰溫度高.因此，在采取穩(wěn)定燃燒的措施下，提高煤粉鍋爐火焰輻射率，降低煤粉火焰溫度是減少熱力型NOx產(chǎn)生的有效途徑之一.

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Measurement of Flame Temperature and Emissivity in a 330 MW CFB Boiler by FPW Method

YANGHaojun1,2,YANGBin1,2,HEYuan1,2,CAIXiaoshu1,2

(1. Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China)

Abstract：Based on the principle of fast searching peak wavelength (FPW) method, a water-cooled optical fiber probe was developed to measure the flame temperature and emissivity at different positions in dilute zone of a 330 MW circulating fluidized bed (CFB) boiler, after which the data were processed by FPW method, and subsequently the flame temperature and emissivity at different positions were acquired. Results show that in FPW measurement, the maximum error of flame temperature in CFB boiler would be less than 6%, if the model of coal-fired boiler is adopted for the flame temperature measurement of CFB boiler; both the flame temperature and emissivity reduce with the rise of furnace height; compared with coal-fired boiler, the CFB boiler has a lower flame temperature, higher emissivity and stronger capability in radiation heat transfer.

Key words：FPW; flame temperature; emissivity; Wien's law; CFB; dilute zone

文章編號(hào)：1674-7607(2016)02-0123-07

中圖分類號(hào)：TK31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470.30

作者簡(jiǎn)介：楊豪駿(1991-)，男，上海人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹧嫒紵c診斷．蔡小舒(通信作者)，男，博士生導(dǎo)師，電話(Tel.)：021-55275059；E-mail：usst_caixs@163.com.

基金項(xiàng)目：上海市科委科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(13DZ2260900)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器設(shè)備專項(xiàng)資助項(xiàng)目(51327803)

收稿日期：2015-03-02

修訂日期：2015-07-10