飛灰輻射特性與表面溫度關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)研究

朱潤孺，王 昕，袁 野，張易陽，李庚達(dá)，黃 云

(1．中國科學(xué)院過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190； 2．國電新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209； 3．華能長江環(huán)保科技有限公司，北京 100031； 4．清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084)

隨著我國環(huán)保需求的提高，煤電發(fā)展進(jìn)入逆境，這使得燃煤電站穩(wěn)定運(yùn)行變得更為重要[1]。此外，能源結(jié)構(gòu)變化[2]、用電需求變化、風(fēng)和光電并網(wǎng)等因素導(dǎo)致的火電靈活性問題，進(jìn)一步加大了火電穩(wěn)定運(yùn)行的難度?！板仩t四管”(水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器及聯(lián)箱)泄露、爆破是危害火電鍋爐運(yùn)行的常見問題[3-5]。鍋爐水冷壁、過熱器和省煤器等換熱設(shè)備的表面長期暴露在高溫(600～1 600 K)、高塵(20～50 g/m3)的煙氣環(huán)境中，表面積灰問題嚴(yán)重。這些換熱設(shè)備換熱管表面積灰不僅會降低其換熱效率[6]，而且可能造成高溫磨損及腐蝕[7-10]，從而降低設(shè)備可靠性和安全性[11-12]。為了克服這一問題，有必要對積灰表面溫度進(jìn)行研究分析。

光學(xué)法作為非接觸式測量的一種，具有原位、實(shí)時(shí)和獲取信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速。激光光學(xué)法和輻射法[13]是爐內(nèi)光學(xué)測溫中較為成熟的技術(shù)，前者的代表——可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(TDLAS)不僅可以實(shí)時(shí)獲取高分辨率的溫度信息，還可以獲得燃燒場的組分含量信息。但該方法初投資較高，且對于發(fā)射和接收端的安裝要求高，易受爐體震動等因素的影響，因此國內(nèi)成功應(yīng)用案例還較少。而輻射法僅需要布置電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)等探測元件就可以獲取所需的輻射信號，安裝較簡單且成本較低，增加了其可行性，但國內(nèi)該方法多用于爐膛內(nèi)測溫，還未應(yīng)用到過熱器換熱管管壁溫度的測量。而在國外，如STEAG能源服務(wù)有限公司的SR：BCM智能吹灰系統(tǒng)就添加了相應(yīng)的光學(xué)模塊來提高吹灰策略的準(zhǔn)確度[14]，相關(guān)系統(tǒng)已應(yīng)用于萊茵集團(tuán)NeurathBoA電廠的F級和G級機(jī)組上，機(jī)組容量為1 100 MW。但需要指出的是，該系統(tǒng)僅對形貌進(jìn)行了在線觀測，并沒有對溫度進(jìn)行測量，國內(nèi)類似的智能吹灰輔助系統(tǒng)亦如此。

基于此，筆者提出了一種基于高溫內(nèi)窺鏡的輻射光譜積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并利用新型高頻振蕩單分散煤粉給粉器結(jié)合多元擴(kuò)散火焰燃燒器技術(shù)對3種常見爐型的飛灰的輻射溫度關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

圖1給出了一種基于輻射光譜的鍋爐換熱管壁積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)主要由高溫內(nèi)窺鏡、CCD和光譜儀等組成。高溫內(nèi)窺鏡能夠獲取所需的原位光學(xué)信號；CCD通過接收光學(xué)信號，得到積灰層的溫度(雙色法或三色法)和形貌信息；采用光譜儀對信號進(jìn)行光譜分析，可獲取積灰的組分信息。該系統(tǒng)旨在通過高溫內(nèi)窺鏡的光學(xué)觀測直接獲取換熱管管壁積灰狀態(tài)，一方面可獲得包括積灰厚度、形貌及分布等直觀的物理特征，另一方面通過對光學(xué)信號進(jìn)行分析，還可獲得管屏積灰表面溫度分布等重要信息。通過將這些直接的監(jiān)測信息與水側(cè)的間接監(jiān)測信息相結(jié)合，使得制定更精細(xì)的吹灰策略成為可能，這不但可以在減小能耗的前提下保證機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定，而且可以提高鍋爐系統(tǒng)對寬負(fù)荷的適應(yīng)性。為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的溫度測量功能，需要對CCD相機(jī)響應(yīng)信號值和飛灰溫度值進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 基于輻射光譜的鍋爐換熱管壁積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

采用輻射法得到固體表面溫度，需要確定相機(jī)響應(yīng)信號、被測物體輻射信號和被測物體溫度值三者的關(guān)系。具體理論基礎(chǔ)及標(biāo)定系統(tǒng)見文獻(xiàn)[15]。

圖2給出了相機(jī)紅、綠、藍(lán)3個頻道的動力學(xué)響應(yīng)特性。由圖2可知，相機(jī)3個頻道接受的信號強(qiáng)度隨著曝光時(shí)間的增加而增強(qiáng)，直至飽和后信號強(qiáng)度保持恒定。后續(xù)實(shí)驗(yàn)將在圖2中的線性區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，以保證測量的準(zhǔn)確性。

圖2 相機(jī)頻道信號強(qiáng)度隨曝光時(shí)間的變化Fig.2 Changes in the camera channel signal with exposure time

2.1 RGB三色法實(shí)驗(yàn)

圖3給出了高溫飛灰輻射測溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由多元擴(kuò)散火焰燃燒系統(tǒng)、熱電偶測溫、高溫內(nèi)窺鏡系統(tǒng)和相機(jī)等四部分組成。其中，Hencken燃燒器中氣體燃燒產(chǎn)生熱源，提供了維持飛灰溫度所需要的能量。通過控制燃燒器所用載氣、氧化劑和還原劑的配比，燃燒器所能提供的環(huán)境工況為700～1 000 ℃。光學(xué)信號由單反相機(jī)的CCD采集。首先通過熱電偶的測溫結(jié)果對相機(jī)頻道信號比值進(jìn)行標(biāo)定；然后基于所得的標(biāo)定結(jié)果，測量經(jīng)單分散給粉系統(tǒng)給出的高溫飛灰溫度值。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

選用實(shí)際工業(yè)過程的3種飛灰進(jìn)行研究，其X射線光譜分析(XRF)結(jié)果如表1所示，測試設(shè)備型號為PANalytical B.V.-AXIOS。從表1可以看出，3種飛灰的主要組成元素均為O、Si、Al和Ca，這4種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和均在85%以上，但三者的堿土金屬和堿金屬含量區(qū)別較大。實(shí)驗(yàn)飛灰的累積粒徑分布如圖4所示，測試設(shè)備型號為Beckman Coulter LS 13 320。由圖4可知，3種飛灰的粒徑區(qū)別明顯，其中飛灰C的粒徑最細(xì)，中徑為19.09 μm，飛灰B和飛灰A的中徑分別為21.9 μm和37.7 μm。

表1 飛灰的元素分析結(jié)果

圖4 粒徑累積分布曲線Fig.4 Cumulative particle size distribution curve

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

基于相機(jī)紅、綠、藍(lán)3個頻道響應(yīng)信號有輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)合熱電偶測溫及對應(yīng)相機(jī)頻道數(shù)據(jù)，標(biāo)定后的各頻道信號比值與溫度的關(guān)系曲線見圖5。由圖5可知，綠/藍(lán)及紅/藍(lán)兩頻道的信號比值均隨著溫度的升高而增加。在1 000～1 200 K時(shí)頻道信號比值線性較好，綠/藍(lán)信號比值由0.34增加到4.46，而紅/藍(lán)信號比值則由0.82增加到4.43。

(a) 綠/藍(lán)信號比值

(b) 紅/藍(lán)信號比值圖5 頻道信號比值與溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between channel signal ratio and temperature

2.3.2 飛灰測溫實(shí)驗(yàn)

圖6給出了基于圖5擬合曲線的飛灰溫度測量結(jié)果，圖中每個數(shù)據(jù)點(diǎn)均對應(yīng)于圖5中一個熱電偶測量點(diǎn)，詳細(xì)對應(yīng)關(guān)系由表2給出。結(jié)合圖6和表2可知，整體而言，3種飛灰基本上能達(dá)到與煙氣溫度相近的溫度，這與實(shí)際工業(yè)過程相似。飛灰A的溫度值與熱電偶溫度差別較小，平均誤差約為1.08%(綠/藍(lán))和4.28%(紅/藍(lán))，而飛灰B和飛灰C的溫度值與熱電偶溫度差別均大于飛灰A。針對不同的溫度值，當(dāng)熱電偶溫度在1 000 K左右時(shí)，熱電偶溫度與飛灰溫度結(jié)果差別不大，但隨著溫度的升高，二者的差別逐漸增大。不同飛灰的溫度變化范圍不同，飛灰A的變化較小，而其他2種飛灰變化明顯。以紅/藍(lán)頻道結(jié)果為例，飛灰C在熱電偶溫度1 185 K工況時(shí)的溫度誤差為13.48%，較1 056 K時(shí)變化了9.29%，而飛灰A在類似溫度范圍(1 145 K→1 035 K)內(nèi)的誤差變化僅為4.54%。這可能是由于不同飛灰理化性質(zhì)上的區(qū)別造成的，因?yàn)轱w灰在燃燒器上方的導(dǎo)熱和輻射特性都會隨著其理化性質(zhì)的改變而改變。對于不同的信號頻道而言，采用綠/藍(lán)頻道時(shí)，溫度測量誤差明顯要小于紅/藍(lán)頻道，2種頻道組合的誤差平均值分別為3.60%和7.25%。造成這種現(xiàn)象的原因除上述提及的理化性質(zhì)外，也與濾光片和相機(jī)的光學(xué)響應(yīng)參數(shù)有關(guān)。

(a) 綠/藍(lán)信號比值

(b) 紅/藍(lán)信號比值圖6 飛灰溫度測量結(jié)果Fig.6 Temperature measurement results of fly ash

表2 實(shí)驗(yàn)溫度值Tab.2 The experimental temperature values

3 結(jié) 論

(1) 采用所提出的基于高溫內(nèi)窺鏡的輻射光譜積灰狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，不但可以得到積灰的實(shí)時(shí)物理特征，還可以通過對光學(xué)信號進(jìn)行分析獲得積灰表面溫度分布等重要信息。

(2) 結(jié)合標(biāo)定和測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同飛灰理化性質(zhì)上的區(qū)別使得飛灰的輻射-溫度關(guān)聯(lián)區(qū)別明顯。與飛灰B和飛灰C相比，飛灰A的溫度值與熱電偶溫度差別較小，其平均誤差約為1.08%(綠/藍(lán))和4.28%(紅/藍(lán))。此外，頻道選擇也會顯著影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用綠/藍(lán)頻道時(shí)，溫度測量誤差明顯小于紅/藍(lán)頻道，2種頻道組合的誤差平均值分別為3.60%和7.25%。因此，系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用前應(yīng)進(jìn)行完善的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，考慮飛灰組分和頻道選擇等因素的修正，以獲取更為精確的結(jié)果。