声学测温基本原理及其在锅炉炉膛温度中的应用

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　　声学测温基本原理

　　众所周知，声波在介质中的传指速度随介质温度的变化而变化。在声波测距系统中，声速的变化被当作误差，并且须得到纠正，但在声学测温技术中，正是利用声速的变化来测量温度的。

　　声学测量方法的原理很简单。理论上讲，声学测温所需的装置就是一个安装在炉墙一侧的声波发射器与接收器和安装在另一侧的接收器。发射器发出一定频带的噪声信号，被接收器检测到，利用相关分析算法计算声波的传播时间。由于两者之间的距离是已知井且固定的，可以计算出声波脉冲传播路径上的平均温度，其原理如图1所示。

　　图1 单路径声学测温示意图

　　1. 波动方程

　　图2 波动示意

　　根据波动学理论，当平面波动沿x轴方向传播时，波动方程的推导过程为(如图2所示)：设煤质密度为ρ，则这段煤质的质量为为ρdx。设煤质中正应力T，则这段煤质的左面将受到左方煤质施加的作用力T(特殊情况下即为声压P)。右面将受到右方煤质的作用力为：

　　因此，如果这段煤质的振动位移为ξ，振速为μ，则这段煤质的运动方程为：

　　即

　　2. 声速C和温度T之间的关系
　　由于声学原理可知，工业炉内介质可视为无限大、各向同性、均匀、无衰减的流体，声波只有纵波的形式存在。在这种情况下，声应力即声压P(所谓声压就是叠加在流体静压上的由声波引起的交变压强)。在声压作用下，长度为dx的煤体体积v产生变化为dv，因面积不变，故体积的相对变化为dv/v，实际上相当于厚度相对变化dξ/ξ。设煤质的体积弹性模量为B，则根据B的定义：

　　由于P=T，则(2)式化为：

　　上式即为流林煤质中纵波平面方程。又由波动理论可知，沿x轴正向或负向传播的波动方程为：

　　由(3)(4)式得：

　　对于理想气体，把声波的传播看成快速绝热过程，则根据绝热过程方程：PV等于恒量，可得到：

　　其中P为静压，γ为定压比热和定容比热的比值。

　　再根据理想气体状态方程PV=M/m·RT，可得出气体中声速C和温度T之间的函数关系式：

　　其中，R为理想气体普适常数，m为气体分子量，T为气体绝对温度，γ为特定气体在定压定容下的系数，C为某种气体中声波的速度，Z为某种特定气体为一常数，对烟道混合气体为19.08。

　　又由运动学关系式C=d/t，可得声学测温法的基本计算公式：

　　其中，d为发射/接收器两点之间的距离，t为声波在两传感器之间的传播时间。

　　图3 声波测温原理图，图片来源于华北电力大学

　　由于声波发射器和接收器这两点之间的距离是可准确检测的常数，则测定声波的传播时间就可以计算出传播路线的气体平均温度。为算出气体的平均温度，可将上述公式写成：

　　式中，T为气体温度，d为发射/接收器两点之间的距离，t为传播时间。

　　在锅炉炉膛温度测量中的应用

　　早在1873年，Mara就第一次提出了利用声学方法来确定气体介质的温度。直到20世纪70年代初，声学测温技术才作为一门新兴的科学枝术正式被提出。到了80年代该技术才得到深入的研究和发展，主要的奠基人是美国内华达大学的John A Kleppe教授。他在前人的基础上，做了大量的总结和创新工作。

　　到了90年代初期，声学测温系统在国外已经被开发成了产品，并商业化。被应用到燃煤、燃油火力发电厂、垃圾焚烧炉、化学用品回收锅炉，水泥回转窑等工业的热力过程控制中。在英国，德国，意大利，日本，韩国也受到极大的重视。

　　加拿大CSI集团公司据此原理研究开发出了名为Boilerwatch的锅炉炉膛温度实时监控系统。该系统可以设计成测量8条单一线路上的平均温度或按阵列编排的多达24条路线来测量温度的分布。所测得的数据可以直接输入场内的分散控制系统(DCS)或输入计算机供数据显示和提取，也可通过DCS向运行人员提供温度-时间曲线，利用一种专用软件(TNS-WIN)令计算机画出空间温度分布形态或提供其他的数据显示方式。

　　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设计了一套基于声波传感器的高温测量系统(电声系统)，在实验室炉上进行了实验，得出一些有价值的结论：

　　· 声波在炉膛烟气中的衰减与烟气中的CO2浓度、声波的频率成正比;
　　· 高温烟气中声波频率越高，声波衰减越大，温度越高，声波的衰减也越大;
　　· 炉膛烟气温度越高声波飞行速度越快;
　　· 从测量精度和衰减两方面考虑声发生/接收器的频率应在12KHz以内;
　　· 声波高温计的测量结果与抽气式热电偶测量结果相差±5%;
　　· 用最小二乘法可实现炉膛温度场的重建。

　　并提出为适应现场测量需要，今后应改进声学传感器的耐热性，该研究为日木声学法炉膛温度测量系统的研究奠定了基础。

　　美国电力研究院(EPRI)和英国发电委员会(CEG)资助使用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的实验。结果表明声学高温计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、可维护性上要明显优于抽气型电热偶。而辐射高温计在准确度上是无法与其匹敌的。他们预言：声学高温计将成为一种新型的锅炉诊断工具及科研开发工具并随后向市场推出产品。

　　日本Gifu大学的Kazunori Wakai等人开发出基于声波传感器的垃圾处理炉炉膛温度测量系统(电声系统)，通过对垃圾处理炉炉膛温度测量和控制提高燃烧效率，降低污染物排放，但系统没有详细报道。

　　美国Nevada大学的J.A.Kleppe等人研究开发了声学高温测量系统，据称系统在各种恶劣的、嘈杂的工业环境中可以精确、反复的测量(主要应用在电站锅炉)。所用发生-接收单元为气声系统。既声发生-接收单元的发生部分以压缩空气(工业用气)经波导管内孔板产生500-2000Hz的宽频带声波，作为系统的声源。接收部分是用耐腐蚀镍基合金钢制成的压电式传感器，用来接收发生单元的声波信号。

　　同时成立科学工程仪器公司SEI(Scientific engineering Instruments)专门从事声学高温计的研究与应用，并在多个国家设有分公司。在中国也曾有其代销处，但根据调研结果由于该系统安装复杂，需铺设专门的管道，声波发生/接收单元尺寸较大，给现场实际安装带来困难，且售价较高等原因在国内一直没有用户。

　　意大利Pisa大学的Mauro Bramanti等人成功研制出一套声学高温计叫(电声系统)，通过信号发生器产生一个频率为1.8K的正弦信号，井由微处理器控制门电路产生一个6.6m的脉冲，经放大后由扬声器发出，在介质中传播一定时间后被麦克风接收，再经过放大，滤波，A/D转换、峰值检测等过程，最后由处理器计算出传播时间，送存储、显示。

　　日本电力技未研究所开发了声学高温测量系统(电声系统)。声波发生/接收器采用同一样单元结构，通过控制声波发生/接收器的切换顺序，测量锅炉某一“典型层面”的声波飞行时间作为投影数据，用最小二乘法重建该“典型层面”的二维温度场图像。

　　为增加声波发生效率和接收效果，声波发生器采用喇叭形结构，接收器采用容性麦克。声波发生器和接收器通过锅炉看火孔等经波导管安装在炉壁外侧，以使声波发生器/接收器远离热源提高系统的耐热性。该系统在日本武丰市火力发电站1号锅炉上进行了实验，得到与热电偶基术相同的测试结果，结果表明：

　　(1) 在低温段声波高温计测量结果与热电偶基本一致，但随着温度升高，声波高温计测量结果高于热电偶测量结果，主要原因是受看火孔数量及位置限制，所安装的声波发生/接收单元较少，所测量的声波飞行时间投影数据少，且传感器位置分布不对称：

　　(2) 测量误差随声波传播路径的长度和锅炉负荷的增加而有所增大。

　　德国University of Saarland开发了声学高温测试系统，并应用于230MW及750MW电站锅炉温度场检测，给出了测量系统的基本结构，现场实时测试数据及温度场重建图像。

　　日本日立公司今田典幸等开发了基于声波的电站锅炉炉膛温度场检测系统(电声系统)。实际应用在工业小型集中供暖锅炉炉内温度场的测量，造纸厂回收锅炉及发电厂1000MW世界最大锅炉出口处气体温度的测量，井推出基于声波传感器的大型管道内烟气流速测量系统，控制污染物排放。

　　佐伯正裕对炉腔内声波飞行时间的测量方法进行了一定的研究。提出通过向炉膛发不同频率的正弦波，测量各种频率下输入信号和稳定状态时接收信号之间的相位差，测量声波飞行时间的方法，在实验室模拟环境下进行了实验。实验中采用频率分别为1.5kHz和2kHz的正弦波信号，背景噪声用录音机录制工业锅炉内的实际燃烧噪声。

　　华北电力大学的张晓东、高波、宋之平采用扫频声源通过仿真分析和实验的方法对无背景噪声和有背景噪声情况下，声波飞行时间的测量进行了研究。研究结果表明，在有背景噪声的情况下，如果背景噪声高于接收端信号的水平，则随着背景噪声的增大测量结果的偏差迅速增大，井导致多次测量结果不稳定，不能达到测温的目的。

　　图4 电站锅炉炉膛温度在线监测系统，图片来源于华北电力大学

　　本文摘录整理自东北电力大学林瑞平撰写的《声学测温系统的研究和设计》。