董孝龙
身份证号码23012819881030****，黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：作为电站锅炉的重要设备，其燃烧工况的稳定性直接影响锅炉的热效率。燃烧器壁上存在复杂的热力传热过程。由于炉膛辐射热强烈，燃烧器出口壁温过高，燃烧器喷嘴变形，等离子点火装置无法投入运行，威胁锅炉安全运行。为了实时有效地监测燃烧器壁温，提出了一种在线燃烧器壁温监测传感器。基于一维热传导原理，建立了传感器的物理模型和热传导过程的数学模型。通过数值模拟与现场实测结果相结合，分析传感器棒各测点的温度变化关系，拟合传感器各位置温度变化的回归方程，从而达到从远热源区间接测量燃烧器壁温的目的，为燃烧器壁温监测提供了一种新方法。
关键词：燃烧器壁温；传感器；一维导热；数值模拟；在线监测
引言
火电机组作为电网的主要电源，关系到电力安全生产和电网稳定。大容量火电机组的技术进步和自动化水平的提高对电力工业的发展和国家资源的合理利用具有重要意义。随着现代高速计算机和高效计算方法的出现，建立电站锅炉生产过程模型并进行数值模拟计算是可行的。通过仿真获得的丰富信息对锅炉的高效生产和稳定运行具有重要的指导作用。
现代电站主要通过接触式测量和非接触式测量[4-5]来监测锅炉受热面和燃烧器壁的温度，如膨胀温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、光学温度计、红外温度计、声学测温装置等。热电偶作为锅炉受热面温度测量最常用的测温元件，具有精度高、热容量小、使用方便、结构简单等特点，广泛应用于锅炉各部件的温度监测。然而，复杂而苛刻的炉膛火焰燃烧区域使热电偶容易燃烧，故障率变高。其存在机械抗冲击性能差、结构复杂、体积大、测温时间滞后等缺陷，限制了其应用范围。红外测温装置的核心部件是红外探头[6]，由光学机构和光电检测机构组成。光电探头将红外辐射能量转换成精确的温度信号。由于燃烧器附近的煤粉和飞灰颗粒，光辐射的穿透变弱，光谱变长，这影响了红外探头在温度测量中的精度。声学测温是一种用于锅炉监测的高精度测温方法[7]，但其高成本限制了其在锅炉各部分温度监测中的应用。目前，接触式和非接触式电站锅炉的温度监测方法存在诸多不足，因此建立一种新的燃烧器壁温预测模型[8]对锅炉自动控制具有重要意义。
针对650MW超临界电站锅炉等离子燃烧器壁温测量点超温且故障频繁的问题，提出了一种基于一维热传导的壁温在线传感器模型。表面包裹绝缘材料(忽略径向热传导)的金属棒埋在带有等离子点火装置的燃烧器炉壁内，一端截面(热端)与燃烧器内壁面平行。压电晶体温度探头以一定距离嵌入金属棒中，温度探头测量金属棒上每个位置的温度。通过分析金属棒上的温度变化规律，计算出远离高温区的测温点温度与热端温度的对应关系。燃烧器内壁表面的温度由传感器测量的棒内段热端的温度代替，传感器用实际热电偶测量的温度进行校准。因此，可以通过传感器的冷端温度来估计燃烧器的内壁温度，在实际的锅炉运行和控制中达到保护测温设备和解决测温滞后的目的。
1模型的建立
1.1物理模型
对物理模型做出合理的假设:
1)保温材料包裹在测温棒上，热量沿轴向传递，因此假设传热过程为一维热传导模型；
2)同一位置，铁棒径向温度均匀；
3)燃烧器的工况近似视为不同的稳定状态；
4)测量棒的物理参数为温度的单值函数，密度假设为常数。
1.2数学模型
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1.3模拟参数
以铜和铁传感器棒为例，它们都被视为温度的单值函数。非常物理参数的导热系数λ和对流传热系数H与温度的关系如下
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自然对流换热系数h是温度的单值函数，当表面温度小于573K（300℃）时，通过拟合对流换热系数与温度的对应关系得到h=9.3+0.058t。
2数学模型的实测验证
2.1测量平台
模型现场验证:以铁传感器测杆验证为例。测温探头的埋设位置取燃烧器壁筒的一段，九个测温探头埋设在传感器测量杆上，其热端埋设在燃烧器壁内。每个测温点与燃烧器壁的距离分别为0、4厘米、8厘米、12厘米、16厘米、20厘米、24厘米、36厘米和48厘米。热电偶埋在测量杆热端的同一轴向位置，直接测量燃烧器管壁的内表面温度，然后校正测量杆热端的温度。
2.2测量验证结果的分析
测温程序给初值，使热端温度400℃(673K)、500℃(773K)、600℃(873K)、环境温度300K，当L=48cm的铁测杆上各测温点达到稳态时，模拟温度分布在变化趋势上与现场实测温度分布相似，但在某一特定测温点仍有差异。
2.3误差分析
以873K的工况为例，对测铁杆上测温点的测量值和模拟值进行误差分析，通过计算两者之间的相对误差来反映模拟值与实验值的偏差，如下式所示。
δ=Δ/β×100%
其中δ为实际相对误差；δ是绝对误差；β是真值(测量值)。其中δ = ∣ L0-β ∣，L0为模拟值。
从表中数据可以看出，该工况下测点的实测值与模拟值的相对误差小于0.5%，热端其他673K和773K工况下的实际相对误差小于1%。由于温度基数较大，模拟值与实测值的相对误差较小，因此实测值验证了数学模型的合理性。
3数值模拟结果分析
本文以150K的温度范围为例，将铁传感杆热端温度从1300K提高到1450K后，测点在L=4cm、L=8cm、L=18cm、L=24cm、L=36cm、L=48cm处的温度变化曲线，当曲线斜率为0时，温度达到平衡。设t=f(τ)为测点温度与时间的关系
用Origin拟合曲线，以L=8cm的温度曲线为例，得到拟合结果。(R-Square)达到0.9997，因此拟合精度高，能够满足计算需要。
热端升至150K(此时热端温度升至1450K)后，各测温点的稳态温度与其位置的对应关系拟合为:
t =-11.19 x+1391.76(13)
同样的方法，当热端温度为1300K，整个测杆达到稳态时，热端温度分别升高50K、80K、100K、200K、300K，重复上述求解过程，得到不同热端条件下测杆上的温度分布。
利用MATLAB对热端稳态温度t和测温点稳态温度t以及测温点稳态温度t和测温点位置x进行拟合，得到复合函数关系：
t=f(x)
T=ξ(t)
方程如下：
t1=-10.39x+1309
t2=-11.08x+1363
t3=-11.50x+1396
t4=-11.77x+1418
当热端温度为1300K、1350K、1380K、1400K、1500K、1600K6时，测杆上各测温点达到稳态后，不同节点位置x(测温点)与对应节点稳态温度t之间的回归方程如下所示。
t1 = 1.014t+19.16；T2 = 1.033t+35.42；T3 = 1.058t+47.44；T4 = 1.090吨+53.47；T5 = 1.134t+51.17；T6 = 1.192t+37.40；T7 = 1.529t-124.2；T8=2.489t-712.8同一测温点不同热端温度达到稳态后的热端温度t与测温点温度t的回归方程如上式所示。传感器各位置达到稳态后，利用测温点的稳态温度获得热端温度，不同测温点相互校准，可以进一步修正热端温度监测，提高测温精度。
以上回归方程是在一些典型工况下计算的，需要在更多工况下进一步完善。
4结束语
传感器棒传热过程的数值分析为温度传感器的实际应用提供了理论支持。回归方程丰富了锅炉温度监测专家库。
壁温监测传感器可以解决测温滞后的缺点，第一时间给出燃烧器燃烧状况的信息，为锅炉的自动化和智能化控制提供了一种新的方法。
传感器模型应用于实际生产过程中，可以有效保护测温设备，避免被炉膛火焰的强辐射灼伤。
参考文献
［1］张静.超超临界锅炉高温受热面壁温数值模拟研究［D］.北京：华北电力大学，2018.
［2］杨祥良.基于声波测温技术的电站锅炉受热面污染监测研究［D］.北京：华北电力大学，2010.
［3］武晓俊，孙刚，杨琦.等离子燃烧器筒壁温超温研究［J］.山西电力，2014（2）：47-49.
［4］陈钦，杨权，舒茂龙.1000MW超超临界锅炉声波测温技术的特点及应用［J］.华电技术，2011，33（3）：5-7.
［5］张永福.直流煤粉燃烧器壁温分布的数学模型［J］.中国电机工程学报，2000（2）：86-89.
［6］巩时尚，张少冲，张博，等.电站锅炉等离子燃烧器中心壁温超温研究［J］.电力勘测设计，2019（6）：1-6.