利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的系统及方法

摘要

本发明利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的系统及方法属于利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的系统及方法；解决该技术问题采用的技术方案为：利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的系统，包括中央控制器、双色红外测温仪、电厂监控计算机和温度场重建工控机；所述双色红外测温仪的数量至少为四个，安装在锅炉炉膛炉壁上；所述双色红外测温仪的信号输出端通过导线与中央控制器相连，所述中央控制器的信号输出端分别与电厂监控计算机和温度场重建工控机相连；本发明安装应用于电站锅炉。

说明书

技术领域

本发明利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的系统及方法属于利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场技术领域。

背景技术

锅炉的炉膛温度场能直接反映锅炉内部各个位置的燃烧温度情况，是锅炉运行时非常重要的参数，一方面可以根据炉膛温度场确定炉内是否发生火焰中心偏斜，火焰刷墙等问题，可以及时调控防止锅炉热效率降低，产生噪声或爆炉等现象的发生，另一方面，炉膛温度场还可以为锅炉的污染物治理提供可靠的数据依据，配合脱硫脱硝技术可以有效降低污染物排放，同时还能节省化学药剂的使用，极大的节约成本。

目前采用传统的热电偶测温的方式难以对炉膛温度场进行长期的实时在线监测，而非接触式的红外测温装置具备响应速度快，运行温度，测量数据准确，运行稳定可靠等特点，因此可以采用多组红外测温装置测量炉内多个测量点后还原温度场；但是大家在应用该方法时普遍忽视了一个问题，由于红外测温仪得到的温度值与接收到的辐射能量成正相关，而且气体具有穿透性，在测温仪的光路上，一条线上的辐射都会被接收到，因此红外测温仪读数并不能简单看做是空间中某一点的温度，它是光路上一条直线各点温度的综合反映。因次将红外测温仪的读数直接作为一个点的温度来构建的温度场准确度是无法保障的。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，解决的技术问题为：提供一种利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的系统及方法；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的系统，包括中央控制器、双色红外测温仪、电厂监控计算机和温度场重建工控机；

所述双色红外测温仪的数量至少为四个，安装在锅炉炉膛炉壁上；

所述双色红外测温仪的信号输出端通过导线与中央控制器相连，所述中央控制器的信号输出端分别与电厂监控计算机和温度场重建工控机相连。

所述双色红外测温仪包括套管、套管法兰盘、气源接口、走线孔、外壳、法兰盘；

所述套管伸入锅炉炉膛炉壁的开孔中并焊接固定，所述套管的延伸端端面与锅炉炉膛炉壁内壁齐平，套管的另一端设置有套管法兰盘，所述双色红外测温仪设置在外壳的内部，所述外壳的延伸端设置有法兰盘，所述法兰盘与套管法兰盘通过螺栓连接固定；

所述气源接口与测温气源相连，所述双色红外测温仪的电源线与信号线通过走线孔与外部电源及中央控制器相连。

所述双色红外测温仪的数量为20个，其中10个双色红外测温仪设置在锅炉折焰角下方1-2米垂直于锅炉轴线的一个截面上，另外10个双色红外测温仪设置在锅炉折焰角下方6-8米垂直于锅炉轴线的一个截面上；

所述一个截面上设置的各双色红外测温仪位置为，设置在锅炉短边炉壁上的双色红外测温仪距离长边的距离a为短边边长的1/3，锅炉短边炉壁上设置的双色红外测温仪的数量为两个；

设置在锅炉长边炉壁上的双色红外测温仪距离一侧短边的距离b为长边边长的1/9-1/8，距离另一侧短边的距离d为长边边长的1/5-1/4，设置在锅炉长边炉壁上的双色红外测温仪相互之间的距离c为长边边长的1/3，锅炉长边炉壁上设置的双色红外测温仪的数量为三个，两条相对的锅炉长边炉壁上设置的双色红外测温仪相互交错布置。

所述中央控制器与双色红外测温仪的供电电源为24V直流电源；

所述双色红外测温仪与中央控制器连接的线缆，中央控制器与温度场重建工控机连接的线缆均为RS485工业控制总线，所述中央控制器通过以太网通信总线与电厂监控计算机相连。

所述中央控制器使用的控制器型号为S7-200。

利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的方法，包括下列步骤：

第一步：利用燃烧理论与红外热辐射原理，建立红外测温仪温度读数值与所测温度方向上不同位置温度值之间的数据关系模型y=f(α,β,θ,x,t），其中：y表示测温仪读数，α表示锅炉类型，β表示负荷，θ表示额定参数，x表示光路上位置坐标，t表示对应位置温度；

利用红外测温仪读数值与热电偶在该方向不同位置测量得到的温度数据，不断调整所述关系模型的相关参数，最后得出符合实际状况的红外测温仪读数与所测方向不同位置实际温度数值之间的关系模型；

第二步：利用红外测温仪在电站锅炉内的同一平面多个方向与位置进行测量，利用第一步建立的模型，获取所测方向上不同位置温度值；利用数据关联相关算法计算得出所测平面上大量点的温度数据，确定平面二维温度的分布情况，得到利用多个红外测温仪温度读数值所建立的平面二维温度场，进而得到所测平面上任一位置的温度数值的模型与算法；

第三步：在电站锅炉内的另一平面上，重复第二步的工作，确定该平面的二维温度分布场，并利用梯度法建立整个电站锅炉三维立体温度分布场，进而得到所测电站锅炉炉膛内任一点温度数值的模型与算法；

第四步：在电站锅炉内部两个不同高度的平面上，分别安装至少四个红外测温仪，采集到红外测温仪所测数值后，利用上述算法模型，得出电站锅炉炉膛内各个点的温度数据；

第五步：将计算得出的温度数值，考虑炉膛实际情况，将计算得到的温度数值乘以相关修正系数，最终得到电站锅炉炉膛各点的实际温度。

本发明相对于现有技术具备以下有益效果：

1、简单地将红外测温仪温度作为炉膛内某一点的温度是不准确的，本发明基于燃烧理论与红外辐射原理建立了红外测温仪读数与所测方向不同位置实际温度数值之间的关系模型，并通过大量实地测量数据验证了其真实性，相较于原技术数据准确性得到了改善；

2、本发明在锅炉长边炉壁上设置的测温点交错布置，可以减少锅炉开孔，在保证建立温度场准确性的同时减小了整个测温系统对锅炉正常运行的影响；

3、本发明通过在锅炉炉壁上设置多个测量点，进行合理的温度场分区，可以方便工程上进行控制；

4、本发明通过设置中央控制器和温度场重建工控机可以在数据采集与处理过程中提高效率，采用双CPU工作可以缩短温度场更新周期，提高监控的实时性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明双色红外测温仪的结构示意图；

图3为本发明双色红外测温仪在锅炉炉膛内设置状态图；

图4为本发明建立电站锅炉温度场方法的流程图；

图中：1为中央控制器、2为双色红外测温仪、3为锅炉炉膛炉壁、4为电厂监控计算机、5为温度场重建工控机、6为套管、7为套管法兰盘、8为气源接口、9为走线孔、10为外壳、11为法兰盘。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的系统，包括中央控制器1、双色红外测温仪2、电厂监控计算机4和温度场重建工控机5；

所述双色红外测温仪2的数量至少为四个，安装在锅炉炉膛炉壁3上；

所述双色红外测温仪2的信号输出端通过导线与中央控制器1相连，所述中央控制器1的信号输出端分别与电厂监控计算机4和温度场重建工控机5相连。

所述双色红外测温仪2包括套管6、套管法兰盘7、气源接口8、走线孔9、外壳10、法兰盘11；

所述套管6伸入锅炉炉膛炉壁3的开孔中并焊接固定，所述套管6的延伸端端面与锅炉炉膛炉壁3内壁齐平，套管6的另一端设置有套管法兰盘7，所述双色红外测温仪2设置在外壳10的内部，所述外壳10的延伸端设置有法兰盘11，所述法兰盘11与套管法兰盘7通过螺栓连接固定；

所述气源接口8与测温气源相连，所述双色红外测温仪2的电源线与信号线通过走线孔9与外部电源及中央控制器1相连。

所述双色红外测温仪2的数量为20个，其中10个双色红外测温仪2设置在锅炉折焰角下方1-2米垂直于锅炉轴线的一个截面上，另外10个双色红外测温仪2设置在锅炉折焰角下方6-8米垂直于锅炉轴线的一个截面上；

所述一个截面上设置的各双色红外测温仪2位置为，设置在锅炉短边炉壁上的双色红外测温仪2距离长边的距离a为短边边长的1/3，锅炉短边炉壁上设置的双色红外测温仪2的数量为两个；

设置在锅炉长边炉壁上的双色红外测温仪2距离一侧短边的距离b为长边边长的1/9-1/8，距离另一侧短边的距离d为长边边长的1/5-1/4，设置在锅炉长边炉壁上的双色红外测温仪2相互之间的距离c为长边边长的1/3，锅炉长边炉壁上设置的双色红外测温仪2的数量为三个，两条相对的锅炉长边炉壁上设置的双色红外测温仪2相互交错布置。

所述中央控制器1与双色红外测温仪2的供电电源为24V直流电源；

所述双色红外测温仪2与中央控制器1连接的线缆，中央控制器1与温度场重建工控机5连接的线缆均为RS485工业控制总线，所述中央控制器1通过以太网通信总线与电厂监控计算机4相连。

所述中央控制器1使用的控制器型号为S7-200。

利用气体红外辐射叠加特性建立电站锅炉温度场的方法，包括下列步骤：

第一步：利用燃烧理论与红外热辐射原理，建立红外测温仪温度读数值与所测温度方向上不同位置温度值之间的数据关系模型y=f(α,β,θ,x,t），其中：y表示测温仪读数，α表示锅炉类型，β表示负荷，θ表示额定参数，x表示光路上位置坐标，t表示对应位置温度；

利用红外测温仪读数值与热电偶在该方向不同位置测量得到的温度数据，不断调整所述关系模型的相关参数，最后得出符合实际状况的红外测温仪读数与所测方向不同位置实际温度数值之间的关系模型；

第二步：利用红外测温仪在电站锅炉内的同一平面多个方向与位置进行测量，利用第一步建立的模型，获取所测方向上不同位置温度值；利用数据关联相关算法计算得出所测平面上大量点的温度数据，确定平面二维温度的分布情况，得到利用多个红外测温仪温度读数值所建立的平面二维温度场，进而得到所测平面上任一位置的温度数值的模型与算法；

第三步：在电站锅炉内的另一平面上，重复第二步的工作，确定该平面的二维温度分布场，并利用梯度法建立整个电站锅炉三维立体温度分布场，进而得到所测电站锅炉炉膛内任一点温度数值的模型与算法；

第四步：在电站锅炉内部两个不同高度的平面上，分别安装至少四个红外测温仪，采集到红外测温仪所测数值后，利用上述算法模型，得出电站锅炉炉膛内各个点的温度数据；

第五步：将计算得出的温度数值，考虑炉膛实际情况，将计算得到的温度数值乘以相关修正系数，最终得到电站锅炉炉膛各点的实际温度。

本发明采用双色红外原理的测温仪因为其测量结果取决于两个波段的辐射功率之比，可以有效减少因能量衰减而引起的温度测量误差，特别适合在电锅炉炉内等恶劣环境中使用；在进行测温前，需要将所有双色红外测温仪2固定在待检测锅炉炉壁上，根据实际需要，设置在锅炉炉壁上的双色红外测温仪2需满足一定的排列要求，才能保证在尽量少开孔的前提下，对温度场做到最大还原；设置完毕后，可将所有测温仪开启并进入测温状态，整个工作过程中测温仪将各点所测温度实时传回中央控制器1，设置的中央控制器1主要负责做数据采集、转码、打包、传输等工作，温度场重建工控机5主要进行数据运算、温度场和区域温度显示等核心工作，这两个部分同时运行，分工合作可以有效缩短温度场的更新周期。

在数据输出的传输过程中，中央控制器1将测温数据同时打包一份传输至电厂监控计算机，工作人员可通过设置的显示屏实时了解整个系统的工作情况。

建立温度场的目的是为了给工程实践提供依据，等温线图更多的作用在于形象化地表达炉内温度情况，测得炉内相应位置的温度是最终的目的，可以根据等温线所展现的温度场分布对锅炉内部进行分区处理，并得出炉内各区域内的平均温度，方便工程上调用数据，整个过程可以在温度场重建工控机5配置的温度场还原软件中实现。

在建立电站锅炉温度场的方法中，根据算法模型得出电站锅炉炉膛内各个点的温度数据后，需要考虑炉膛实际情况如燃煤种类，烟灰系数等因素，将温度数据乘以相关修正系数，才可以得到实际温度；本发明还可以根据工程需要对电锅炉炉膛进行温度分区，计算各分区的平均温度并在上位机显示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。