摘 要：随着中国“3060”双碳战略的推进，确保煤粉稳定点火和燃烧对于煤电行业由基础负荷电源向调节型电源转型至关重要。而其中一个核心问题是如何有效地监测和控制水冷壁的温度。针对燃煤质量多变、机组频繁调峰以及超临界汽水特性等复杂性带来的挑战，文章通过在锅炉水冷壁纵横布置大量温度测点，构建全面的多点测温系统，以直观地监测水冷壁的温度变化。该方法不仅能提供关于水冷壁整体温度的详尽数据，还能有效支持锅炉燃烧过程的控制和调节，从而提高电站锅炉的安全性和经济性。通过广泛、多点的温度监测，可以实时监测和记录水冷壁的温度变化，及时发现并解决水冷壁横向裂纹、高温腐蚀等问题，为优化锅炉运行参数提供依据。
关键词：光纤光栅技术；水冷壁；锅炉燃烧；温度监测；周期识别
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）14-0117-04
Identification and Prediction of Water-cooled Wall Temperature Variation Period Based on Fiber Grating Technology
WANG Ying1， ZOU Yan2， FANG Jiuwen1， WANG Bin1， LIU Hongxia1
（1.Tianjin Guoneng Jinneng Binhai Thermal Power Co.， Ltd.， Tianjin 300453， China;
2.Firefly Creation （Tianjin） Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300459， China）
Abstract： With the promotion of Chinese“3060”dual carbon strategy， ensuring stable ignition and combustion of coal powder is crucial for the transformation of the coal-fired power industry from basic load power sources to regulated power sources. One of the core issues is how to effectively monitor and control the temperature of the water-cooled wall. In response to the challenges posed by the complexity of variable coal quality， frequent peak shaving of units， and supercritical steam water characteristics， this paper constructs a comprehensive multi-point temperature measurement system by arranging a large number of temperature measurement points vertically and horizontally on the boiler water-cooled wall to intuitively monitor the temperature changes of the water-cooled wall. This method not only provides detailed data on the overall temperature of the water-cooled wall， but also effectively supports the control and regulation of the boiler combustion process， thereby improving the safety and economy of power plant boilers. Through extensive and multi-point temperature monitoring， real-time monitoring and recording of temperature changes in the water-cooled wall can be achieved， and problems such as transverse cracks and high-temperature corrosion of the water-cooled wall can be detected and solved in a timely manner， providing a basis for optimizing boiler operating parameters.
Keywords： fiber grating technology; water-cooled wall; boiler combustion; temperature monitoring; period identification
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.024
0 引 言
煤电行业作为重要的能源供应部门，正面临着由传统基础负荷电源向更灵活的调节型电源转型的挑战。此转型的成功实施，关键在于保障煤粉的稳定点火和燃烧，从而确保电力供应的稳定性和效率。在此过程中，锅炉的温度控制尤为重要，尤其是水冷壁的温度监测，它是保证锅炉安全运行和有效调节的基石[1]。然而，当前超临界机组常面临由于燃煤质量波动、机组频繁调峰及超临界汽水特性复杂性引起的水冷壁横向裂纹、高温腐蚀和超温爆管等问题。这些问题不仅威胁着机组的安全运行，也影响着经济效益。现有的水冷壁温度测量方法，如传统的单点接触式热电偶，由于其测量点有限，无法提供全面的水冷壁温度信息，更不能满足动态连续测量的需求。因此，开发一种能够全面、连续监测水冷壁温度的技术，对于提升锅炉的安全性和经济性至关重要[2-3]。
1 光纤光栅的基本原理和类型
光纤光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）传感器技术是一种基于光波在光纤介质中的传播特性来进行精确测量的方法。其核心机制依赖于光纤内部的周期性折射率变化，该变化通过紫外线（UV）照射等手段在光纤芯中产生[4]。当入射光波长与光栅的布拉格波长相匹配时，满足布拉格反射条件，特定波长的光将被反射，而其他波长的光则无阻碍地通过。FBG的这一波长选择性反射特性使其能够作为一个高精度的传感器，尤其是对于应变和温度的变化异常敏感，因为这些物理量的变化会导致光栅参数，包括周期和折射率，发生微小变动，从而引起反射波长的移动[5]。
存在多种FBG类型以适应不同的应用需求，其中，均匀光纤光栅提供单一波长的精确反射；啁啾光纤光栅允许一个范围的波长被反射；相位位移光纤光栅通过引入相位跳变，实现复杂的反射波形设计；倾斜光纤光栅扩展了传感功能到光纤的包层；而长周期光纤光栅（LPG）则专用于芯模与包层模的耦合；多波长光纤光栅在单一光纤中实现多点或多参数测量[6]。FBG技术以其高灵敏度、免疫电磁干扰、微小尺寸及远程测量能力，在诸如结构健康监测、航空航天、生物医学以及能源等领域得到了广泛应用，是现代传感技术领域的一个重要分支。
2 工作原理和关键组件
锅炉水冷壁系统，作为热能转换的关键组件，在运行过程中，给水通过下降管道被送入这些水冷壁管中，在高温燃烧产物的作用下，水吸收热量转化为饱和蒸汽。此转换过程不仅涉及能量的吸收，也涉及热力学中相变的基本原理，即在恒压条件下水在吸热过程中发生沸腾并转变为蒸汽的现象。水冷壁管的设计与布置是确保热交换效率和热负荷分布均匀性的关键因素，对锅炉的整体热效率和运行安全性具有直接影响。通过精确的温度和压力控制，水冷壁系统能够稳定锅炉内部的热环境，确保能量以最高效率转换，同时防止结构材料超温损坏，维持锅炉的长期安全运行[7-8]。
锅炉水冷壁系统的核心构成包括一系列密集排布的水冷壁管道，通常由耐高温材料制成，这些管道在燃烧室内形成一个闭合的循环水路。系统中的关键组件还包括供水管道、分配器、集合器及循环泵。供水管道负责将水源输送到分配器，后者将水均匀分配到各个水冷壁管道。在高温气流的作用下，水吸热并沿管道向上流动，热量转换过程中的蒸汽与水的混合物通过集合器收集，并最终汇入蒸汽鼓中。循环泵则确保水流在水冷壁系统中持续流动，支持连续的热量吸收与传递。
3 FBG技术在水冷壁温度检测中的优势
光纤光栅技术在水冷壁温度检测方面具有显著的优势。其高温度敏感度和精确测量能力，确保了对水冷壁温度变化的准确监测，支持锅炉燃烧过程的控制和调节。抗电磁干扰性和远程监测能力提高了监测系统的可靠性和灵活性。多点测量和低维护需求降低了系统的复杂性和成本，并确保了长期稳定性和运行安全性[9]。
3.1 高温度敏感度与精确测量
光纤光栅传感器以其高分辨率和极高的温度敏感度而著称，能够提供极为精确的温度测量。利用光纤光栅传感器中的光纤布拉格光栅（FBG）技术，通过对光波长细微变化的监测，可以准确反映水冷壁表面的温度差异。这种高精度的温度测量对于实现锅炉效率的最优化以及预防由过热引起的设备损害具有关键意义。因此，光纤光栅技术可以确保能量的有效利用，并帮助维护锅炉的结构完整性。
3.2 抗电磁干扰性与远程监测能力
光纤光栅技术具有出色的抗电磁干扰（EMI）能力，不受周围工业环境中电磁噪声的影响，尤其在电磁干扰较大的工业环境中具有重要价值。光纤光栅传感器的稳定性保证了在各种复杂环境下数据的可靠性。此外，由于光纤光栅传感器可以实现数千米之外的远程数据读取，因此可以在中央控制室内实时监测锅炉的状态。这一特性提高了监测系统的灵活性和操作安全性[10]。
3.3 多点测量与低维护需求
光纤光栅传感器能够通过单一光纤实现多点温度测量，从而实现对整个水冷壁系统的全面温度监控，无须使用多个独立的传感器。这种集成性降低了系统的复杂性和相关成本。此外，光纤本身具有抗化学腐蚀性和耐高温特性，使得光纤光栅传感器具有长期稳定性，减少了维护成本和维护工作频率。这一特性尤其适用于连续生产的工业环境，确保了持续的生产效率和安全性。
4 水冷壁温度变化周期识别与预测方法
4.1 案例介绍
天津国能津能滨海热电有限公司位于天津市滨海新区，建设有2台350 MW发电机组，总装机700 MW。锅炉为北京巴威锅炉厂生产的型号为B&WB-1136/25.4-M超临界锅炉。项目针对#2锅炉水冷壁光栅光纤多点温度传感监测系统的供货、安装、调试，验收、评价、研究创新等服务，并基于对机组一定时间段具有代表性连续运行及测量数据的分析，对锅炉正常运行时水冷壁温度变化进行研究，结合运行的各种指标参数，了解锅炉在不同运行条件下水冷壁壁温分布及热负荷分布规律，最终达到对水冷壁内汽水状态进行分析，为锅炉运行的安全经济性提供技术支持。
4.2 温度信号提取
4.2.1 信号点位分布
如图1所示，详细标出240个测点在水冷壁上的分布，并标注出标高和间隔信息。
4.2.2 点位安装
在实施锅炉水冷壁上的点位安装与调试过程中，需遵循一系列严谨的步骤，以确保系统的准确性和可靠性。首先，进行详细的工程规划和点位设计，这涉及根据锅炉的运行特性和热负荷分布，精确地选择传感器的安装位置。其次，是对所需设备和材料的准备，包括传感器、光纤、安装工具，以及安全设备。安装过程中，特别注意将传感器固定在预定位置，同时谨慎地进行光纤的布线，避免因过度弯曲或拉伸造成损害[11]。
安装后，需要对系统进行细致的连接和配置工作，包括将光纤与数据采集设备连接，并对系统参数进行适当设置。接下来是关键的系统测试阶段，包括对传感器功能的测试和系统校准，以确保数据的准确性和传感器的响应灵敏度。试运行环节对于评估系统在实际工作条件下的表现至关重要，这一阶段可能需要对系统性能进行微调，以达到最优工作状态。
完成试运行和调整后，对操作人员进行专业培训，确保他们能够熟练操作系统并进行日常维护。最后，将系统正式投入使用，并实施定期的系统监控和维护程序，以保证其长期稳定运行。此整体过程要求高度的技术专业性和细致的工作态度，是确保锅炉水冷壁温度监测系统高效、准确运行的基础。
4.3 数据收集与分析
4.3.1 现场数据收集
收集温度数据，包括每个测点在不同时间的温度读数，如图2所示。
4.3.2 数据对比
光纤测温技术基于光学原理，采用光纤传感器能够实时采集和传输光信号，在温度变化发生时可以迅速反应并提供准确的测量结果。与声波测温相比，光纤测温具有更高的时间分辨率和测量精度。通过在光纤上引入光栅或其他散射结构，可以实现对光纤长度范围内多个位置的温度测量。同时，利用光纤测温技术对环境干扰和电磁干扰较好的抗扰性，提供较为稳定和准确的测量结果。
对比华光天锐的SRA-D分布式光纤传感测温器和传统的BWY-803A（TH）是传统温感器，结果如表1所示。
通过对比声波测温结果与光纤测温结果，分析数据间的一致性和差异性，发现，传统传感器响应时间明显滞后光纤传感测温器，光纤测温敏感度高；高温测温时温度测量的准确度和稳定性更好。
将收集到的数据使用信号处理算法对数据进行滤波、降噪和平滑处理，以消除干扰和噪声。然后，从处理后的数据中提取出温度变化的特征，如振幅、频率、波形等。利用统计学方法确定温度变化的周期性，对提取到的特征参数进行模式识别和建模，使用监督学习算法来训练模型，从而预测温度变化的周期。最后，根据已经识别出的温度周期，通过历史数据进行趋势和周期性的拟合进行温度周期的预测。
因多点锅炉温度监测系统实时监测数据，文章无法全部展示，仅提供如图3所示的6月3日下午2—5点所有测点温度随时间波动情况，可见右下角波动明显，左下角曲线比较乱，后墙相对平稳，和声波测温图像基本一致。
4.4 实验数据分析
采集真实工况下的水冷壁温度数据，并将数据应用于所提出的方法中进行识别与预测。可以实时检测水冷壁管壁的温度升降温度变化和对金属管壁损伤情况。并结合电厂温度数据及运行数据进行数据分析预测从而指导运行调整，通过温度数据的进一步研究和二次开发参与机组协调控制从而实现水冷壁健康状态监测。
5 结 论
综上所述，本研究通过在锅炉水冷壁布置数百个温度测点，构建了一个全面的多点测温系统，以直观反映水冷壁内部的工质变化。通过获取燃烧的大数据，为水冷壁的健康状态监测提供了有效的数据支持。水冷壁光栅光纤多点温度传感技术通过布置光栅光纤传感器、采集数据、处理数据、识别周期和预测温度变化，实现了对高温环境下温度变化周期的监测与预测，为工业生产过程提供了重要的温度监测手段。这一技术的应用不仅提高了锅炉的运行安全性，还为未来电站锅炉的高效运行提供了重要的技术支撑。未来可以进一步优化算法和传感器布置方式，提高温度变化周期的预测精度，并在实际工业设备中应用。
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作者简介：王颖（1980.11—），女，汉族，天津人，高级工程师，本科，研究方向：电厂金属材料失效分析与寿命评估。
收稿日期：2023-12-08
