工业锅炉温度场检测技术综述

工业锅炉温度场检测技术综述

作者：孙光雄 李佳琦

来源：《中国科技博览》2017年第32期

[摘 要]温度场检测在工业燃烧或加热过程中具有重要的意义，然而由于工业燃烧过程自身的复杂性、燃烧设备尺寸庞大，炉内为上千度的高温气体等原因，利用传统的热电偶、热电阻测温技术都很难实现整个温度场的准确测量，辐射测温作为一种新的测温技术，由于其具有温度测量精度高，非接触式，测温范围广，测量对象空间范围大，可达数十米，实时连续测量，维护方便等优点，必将在工业锅炉温度场的检测中起到越来越重要的作用。 [关键词]非接触；锅炉；热电偶；辐射测温；温度场

中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01 1.概述

工业炉炉内温度场的分布特性直接影响着煤粉的着火点、燃尽以及锅炉的安全性。长期以来，其设计运行都依据实验所得的经验公式，或者直接对模型和实物进行现场试验。但是，随着大型锅炉的发展，其容量愈来愈大，炉膛尺寸也越来越大，因而很难在现场实际测量到所需要的温度值，更难找出炉内温度场的分布规律。

因此，在工程应用方面，寻找一种简便、快捷的方法进行温度场的测量显得尤为重要，这对提高燃烧效率及锅炉的生产效率，提高产品质量、节约能源、炉子热工过程的模化及结构设计的优化、寻求最佳热制度及最优控制策略，降低金属烧损率及减小环境污染等方面都有重要意义。而实现温度场的实时在线测量更是使设备时刻处于最佳状态下运行的重要前提。 2.温度场测量方法

传统的工业炉内温度测量方法主要分为两大类：接触式测量、非接触式测量。 2.1 接触式测量

热电偶是目前测温领域中应用最广泛的温度测量元件。它与其它温度传感器相比具有以下突出特点：

1）能测量较高的温度，常用的热电偶能长期的用来测量-180～2800℃的温度。 2）热电偶把温度信号转换成电压信号，测量方便，且便于远距离传递，有利于集中控制。

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3）结构简单，准确可靠，性能稳定，维护方便。 4）热容量和热惯性都很小，能用于快速测量。 2.2 非接触式测量

接触式测温方法是利用测温传感器与被测对象直接接触，且大多数情况下要使测温元件和对象处于热平衡状态下进行测量，同时还会破坏被测量温场，因此，在某些场合下，接触式测温方法的使用受到限制。 2.2.1 光学高温计

基于热辐射原理的光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式测温元件。它的结构简单，实用方便，测温范围广，在一般条件下，可满足工业测温的要求。使用光学温度计测量工业炉内介质温度，由于炉内换热方式和过程的复杂性，使得辐射率、黑度系数以及光路中的辐射吸收皆无法确定。这就使得测量结果与实际温度值之间产生较大的差距。 2.2.2 红外温度计

自可见光到红外辐射的波段是基于热辐射原理的测温仪表的工作波段。随着红外探测器及电子技术的发展，测温仪器的工作波段已多处在红外区，即红外测温仪表。它有如下优点： （1）、测温响应速度快，一般为0.5s； （2）、测温灵敏度高，可分辨0.1℃ （3）、测温范围宽，为-50～3500℃

尽管红外测温仪表有如此众多的优点，但由于其工艺复杂、制造困难，成本较高，加上使用中存在问题（例如考虑辐射率的修正、光路中的吸收、光学系统的沾染等问题），因此在我国还没有得到推广应用。

2.2.3 基于图像处理的温度场测量

一个典型的彩色CCD（Charge Coupled Devices，电荷耦合器件）摄象机测温系统中，火焰的图像通过摄象机和图像卡后，以数字的形式贮存在计算机内。彩色CCD的任务是把入射光分解为波长分别为700nm，546.1nm，435.8nm的红、绿、蓝三基色，因而火焰图像在计算机内实际上是三色图像，利用其中两个颜色的图像，根据上述比色法测温原理，就可以进行温度场计算。

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同其它非接触式测温方法一样，该方法所测得的温度场是三维空间温度在二维平面上的叠加。由于这种测量方法比较复杂，局限于小型火焰的温度测量和燃烧诊断。 3.温度场重建方法

近年来，国内外不少学者利用热成象技术，计算机图象处理技术、光学层析技术等手段来判断工业炉内火焰的燃烧状况和温度分布水平，并取得一定的进展。 3.1 热成象技术

它是测温自动检测技术与红外技术综合应用的一个重要方面。热成象仪主要工作在红外波段，它利用红外扫描原理来测量物体温度及热状态的一种仪器。通过红外光学系统，实现对被测目标的分割扫描，并把分割后目标源所发出的红外辐射信号聚焦器的光敏面上，它借助红外探测器，实现光电转换，把从目标本身发射和反射出的按空间分布的红外辐射信号（热图像）转换成按时间分布的电信号。经过电信号的处理，由显象管显示成按空间分布的可见光图像（可以是黑白的或利用伪彩色技术的彩色的图像；或者经过模数转换，由微处理机进行数字信号的处理及数字显示等。

3.2 CT（Computer Tomography，计算机层析成像）技术

从不同方向摄取的多幅二维辐射图像中识别同一截面，按火焰辐射衰减的先验理论反演内部温度场。

3.3 基于炉内辐射理论的重建

数值模拟技术可以给出炉内燃烧过程各个参量在炉内三维分布的定性可靠的结果，而炉内辐射图像则反映炉膛辐射能传递在CCD照相机上的累积效应，将二者结合起来，则可从二维辐射图像中重建出炉内三维温度场分布。采用数字化摄像装置多测得的温度场实质上是三维空间温度场在二维平面上的某种累积效应，要想得到炉内真实的三维温度场，需进行三维温度场重建。

3.4 基于声学测温理论的重建

声学测温仪表作为一种新型的非接触仪表具有测量精度高，非插入式，测量范围广（零下-2300K），测量范围空间大（可达数十米），实时连续测量，维护方便等优点。利用声波测量气体温度时，通常是以声波在媒质中的传播速度与温度的相关性为基础。在理想气体中，声速的平方与气体的热力学温度成正比。在声学高温测量方法中，测量两声学传感器之间声波的传播时间TOF，以及两者间的距离L，由此可推算出该传播路径上的平均速度v=L/TOF。再根据速度与温度的关系，便可求出二维温度场T（x，y）分布。

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声学测温技术由于其自身的特点，在工业炉温度场检测方面显得比其它方法更为优越，随着材料科学、信息处理技术、微电子技术和计算机技术的高速发展，声学法检测技术作为一种过程参数在线实时检测手段，必将在工业炉温度场在线实时检测中起到越来越重要的作用。 参考文献

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[2] 王飞，薛飞，等.运用彩色CCD测量火焰温度场的试验研究及误差分析[J]，热能动力工程，1998，13（174）：81-84.

[3] 徐伟勇，余岳峰，张银桥，等.采用传像光纤和数字图像处理技术检测燃烧火焰[J].动力工程，1999，19（1）：45-48.