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1、11 绪 论1.1 选题目的和意义1.1.1 选题背景 90 年代后，随着计算机图像处理技术的发展，基于工业电荷耦合器件 CCD 与计算机 图像处理相结合的技术是炉膛火焰监测系统中较为热门的研究方向之一。锅炉燃烧的基 本要求是在炉膛内建立并维持稳定、均匀的燃烧火焰。燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与 否最直接的反映。燃烧调整不好或者燃烧不稳定会导致锅炉热效率下降，产生更多的污 染物、噪声等，在极端情况下可能引起锅炉炉膛灭火，甚至诱发炉膛爆炸造成事故。为 了预防潜在的危险，必须进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。因此，安全、可靠的燃 烧诊断技术成为锅炉安全运行的重要条件和基本要求。 锅炉的安全运行在很大
2、程度上取决于燃烧的稳定性，煤粉锅炉要求在炉膛内组织稳定、 均匀的火焰，保证强烈充分的燃烧，防止引发炉膛爆燃事故。对于煤粉炉，燃料在炉膛 内悬浮燃烧，它的工况是极不稳定的脉动燃烧，炉内的温度场分布也不均匀。如果燃烧 不稳定，产生脉动和火焰内动易引起炉膛压力不稳，造成炉墙损坏。如果炉内温度场不 均匀，造成炉膛温度场的偏移，离火焰中心近的水冷壁过热或结焦，容易引起热应力过 高造成爆管，而离火焰中心远的水冷壁管则由于加热不足破坏锅炉水循环平衡，金属热 应力增加，锅炉寿命减少。如果炉内温度场不均匀，低温煤粉得不到充分燃烧，效率降 低，还影响过热器的工作。因此，迫切需要实时监控燃烧过程，加强对燃烧过程的判
3、断、 预测和诊断。 1.1.2 目的和意义 大中型锅炉都配备炉膛安全监控装置，即 FSSS（Furnace Safeguard Supervisory System） ，其最重要的组成部分是火焰安全监控系统。对大型燃煤锅炉而言，锅炉燃烧工 况的组织和监控对电厂运行的可靠性、安全性和经济性有较大的影响。锅炉的安全运行 在很大程度上取决于燃烧的稳定性，煤粉锅炉要求在炉膛内组织稳定、均匀的火焰，保 证强烈充分的燃烧，防止引发炉膛爆燃事故。对于煤粉炉，燃料在炉膛内悬浮燃烧，它 的工况是极不稳定的脉动燃烧，炉内的温度场分布也不均匀。如果燃烧不稳定，产生脉 动和火焰内动易引起炉膛压力不稳，造成炉墙损坏。如
4、果炉内温度场不均匀，造成炉膛 温度场的偏移，离火焰中心近的水冷壁过热或结焦，容易引起热应力过高造成爆管，而 离火焰中心远的水冷壁管则由于加热不足破坏锅炉水循环平衡，金属热应力增加，锅炉 寿命减少。如果炉内温度场不均匀，低温煤粉得不到充分燃烧，效率降低，还影响过热 器的工作。因此，迫切需要实时监控燃烧过程，加强对燃烧过程的判断、预测和诊断。 为了提高对火力发电厂的认识，为了增强对火焰图像传感器的认识，故选择电厂锅 炉火焰安全检测系统设计课题进行研究。本研究课题采用先进的传像光纤，运用计算 机技术、数字图像处理原理和燃烧理论实现煤粉燃烧器火焰图像信号分析，准确地发出 单火焰燃烧器有无火的 On/O
5、ff 信号，并能够实时显示火焰图像燃烧情况，对锅炉燃烧的 经济性和稳定性具有重要的意义。1.2 国内外情况目前国内在锅炉火焰安全监控设计方面主要侧重于软件方面的设计来提高锅炉火焰监 控的可靠性、安全性，如小波分析、模糊控制、模式识别、频谱分析等，特点是：基于 计算机的软件处理速度快，但现场安装不方便；而国外主要侧重于硬件的设计，如采用电厂锅炉火焰安全监控系统设计2专用的 DSP 控制器、ARM 单片机、硬件电路设计、开发并集成摄像头等，在图像处理方面 用硬件电路来检波、滤波，并用处理芯片来对锅炉的火焰进行控制，特定是：硬件设计 难，控制方便。目前国内外大量应用检测可见光与红外光、可见光与红外光
6、和紫外光、 声学法、图像法等来监控锅炉火焰以提高火焰检测的可靠性、安全性。 1.2.1 国内情况 国内这方面的研究起步较晚，典型的例子是上海交大和重庆大学等单位分别对此进 行了研究。 （1）上海交大的徐伟勇、孙江等用三色波长光谱测量法和温度分段线性化的方法来计算 火焰温度为火焰温度分布的确定提出了较准确的方法。还研制了一套图像火焰检测系统， 能实现火焰伪彩色显示，燃烧直方图显示，亮度分布及亮度历史记录和变化趋势，输出 燃烧器“有” 、 “无”的开关量信号等。 （2）上海交大的赵铁成等提出了基于火焰锋面动态检测的着火判据，并与国家电力公司 合作开发了基于 DSP 和数字视频技术的火焰检测系统，解
7、决了复杂判据无法实时运行的。（3）重庆大学的良熹利用现代谱估计、神经网络模式识别等现代检测技术，对提高火焰 的分辨能力和识别能力分别作了探讨，并根据讨论的结果，以 HHG-98 红外动态火焰检测 器为基础，建立了一套具有自适应、自学习能力的新型火焰检测设备。 （4）国内一些企业也做了相关的研究，并研发出了炉膛火焰检测设备，例如常州远泰电 子有限公司的 SG-GJ 拐角内窥式炉膛火焰电视设备，如图 1-1 所示。图 1-1 SG-GJ 拐角内窥式炉膛火焰电视设备 SG-GJ 拐角内窥式炉膛火焰电视监控设备主要适用于电厂燃烧炉、垃圾燃烧炉、钢厂 动力炉，对燃油，燃煤，燃气炉该设备可将摄像镜头直接伸
8、入炉内，在集控室连续实时 地监视炉内火焰的工作状态，可清晰地观察到炉膛四角位置分布的 4 个燃烧喷火嘴及每 个喷头嘴喷火形状，对于炉内油嘴雾化不良，漏油造成喷火不畅，火焰变小以及火嘴配 风不好引起火焰过长而出现舔管现象，炉内炉管变形，烧结而爆管的事故都能实时监视 并及时处理防止炉内事故发生，确保了锅炉炉膛经济运行的可靠性，还便于实现集中调 度及生产过程的自动化。系统采用 PLC 可编程控制，具有停电、停气、超温自动退出保 护功能。 1.2.2 国外情况 （1） ABB 的 UVISOR 系列火焰检测系统 UVISOR 多种燃料火焰检测系统，由基于微处理器的智能单元 MFD.SA、1 个或 2
9、个 UR 系列检测器探头、MFD.SA 参数管理软件三部分组成。 MFD.SA 智能单元体是基于微处理器的放大设备，具有同时接收两个检测器探头信号 的能力，从每个探头来的信号送入它自己独立的通道，每个通道又有其自己的火焰继电3器，各自提供 010V 或 420mA 的模拟输出。此外，它还有两个最为突出的功能： 参数选择功能 针对不同燃烧工况分别选择不同参数组而且可根据当时的背景工况进行火焰跟踪，以 实现对火焰检测的一一对应(例如，在平均负荷时是一组参数，在低负荷和高负荷工况时 是另外不同参数组)，而且每一组参数的切换是根据锅炉的实际运行状况自动完成，无需 手动。还引入了火焰光谱的自动分析，给出
10、适合本火嘴的低频切断和高频切断频率，即 低于低频率的火焰信号被滤除，高于高频率的火焰信号也被滤除。由于炉膛内的火焰和 热管壁基本属于静态辐射，即使其火焰信号再强，但频率却远远低于低频率切断值，信 号被滤除；其它火嘴的火焰由于都是尾部对本火嘴有影响，频率值也较低，同样被滤除； 又由于气体和轻油等燃料燃烧的频率较高，基本高于煤粉燃烧时产生的频率，通过高频 切断将信号滤除。这样就保证了火焰检测器只采集本火嘴的火焰信号，极大提高了检测 准确度。 自动扫描功能及数据库它的参数设置，是通过智能单元内的微处理器自动扫描完成的，对于某一种特定工况， 处理器只要经过有火和无火扫描后的计算，就能准确给出实现对当前
11、这种工况的火焰检 测的频率值、背景值、低频率切断频率、高频率切断频率以及增益值等参数，无需再手 工设置，更无需像传统火检那样由于运行工况变化和燃料的变化而不断“学习“而频繁调 整参数。 （2）日本日立公司研制了火焰图像的锅炉燃烧监视系统(FIRES)，系统是由沿炉膛垂直 向布置的多组单元火焰检测装置组成，锅炉中燃烧火焰的亮度用图像光纤传送到工业电 视摄像机进行测量。图像光纤采用水冷，一个 70视角的镜头固定在图像光纤的顶端， 表面用石英玻璃覆盖。镜头检测的燃烧火焰亮度由工业电视摄像转换成电信号记录在录 像带上，同时可用彩色电视机进行监视。 （3）三菱公司经过多年的试验，研制开发出新一代的火焰检
12、测装置光学影像火焰扫描仪 (Optical Image Flame Scanner 简称 OPTIS)。该火焰监测器和检测原理和传统的火焰监 测器不同，它采用了摄像机和传像光纤直接拍摄火焰图像，并利用信息处理来判断火焰 的稳定性。 （4）美国 ABB-CE 公司开发了 SS1(SafeScan1)的燃烧诊断装置用于大型电站锅炉的燃烧 火焰诊断。该装置对传统的 UV 摄像头在锅炉低负荷下的不敏感性进行了改进；提出用可 见光区域的光导纤维及光电转化装置对火焰信号的频率和强度进行探测分析，从而得出 火焰的状态。为避免高温损坏光纤，将光纤布置在二次风口。1.3 早期火焰检测方法及其缺点（1）烟色监视法
13、 基本工作原理：烟色监视仪是利用硅光电池的光生伏特效应制成的。硅光电池受到光 照射时，光子便与硅原子相碰撞，光能量传给硅原子，因而产生空穴-电子对，从而产生 电动势。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越 多，界面层即电池面积越大，在硅光电池中形成的电流也越大。缺点：时间滞后，而且 测试元件易被污染。 （2）热电偶测温法 热电偶测温法是最常用的接触式测温法，热电偶是用两种不同导体（或半导体）组成 的闭合回路，两端接点分别处于不同温度环境中，与当地达成热平衡时会产生热电势， 标定后可用来测量温度。从原理上说热电偶测温有较高的准确度和复现性，并能用于 1001600范围
14、内的温度测量，同时能把温度信号转变成电信号，便于信号的远传、实电厂锅炉火焰安全监控系统设计4现多点切换和接入自动控制系统。热电偶测温装置简单，宜于操作及维护，测量时不必 知道被测火焰中所含的气体组分热力学参数及辐射特性，因此曾广泛应用于工业燃烧的 生产和科研领域中。 （3）黑体腔式热辐射高温计 黑体腔式热辐射高温计，亦称接触式光纤高温计，是近十几年来随着光纤技术发展起 来的一种新型的接触测温方式。它是通过选择耐温可达 19002000的蓝宝石单晶光纤作 为基体材料，在其端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体腔，将其伸入高温火焰中和火焰达成 局部热平衡，黑体腔内自发产生热辐射，并将辐射能经普通石英光纤传送
15、到检测系统， 利用双色测温方法测量出当点温度。这种方法结合了接触测温和非接触测温法的优点， 具有不存在光学窗口被垢污和不受背景杂光干扰、易于操作的特点。与热电偶测温方式 相比，具有测温上限高、精度高、动态响应快的优势。 （4）声学法 该方法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引起的速率或频率变化来求解温 度或温度场，其原理如下图 1-2 所示：图 1-2 声学法原理图对于理想气体，声速 与气体温度存在以下关系：fT(1-1)MkRTf/式中，k 为气体的比热比；R 为普适气体常数；M 为气体的平均摩尔质量。 因此只要测得声源发出的声波通过火焰的速度 ，便可由上式计算得到火焰的温度 。声脉冲
16、发射器在控制单元的控制下定时发射声脉冲，与此同时，控制单元的计时器fT 开始计时，当声脉冲经过已知路程的火焰到达声脉冲检测器时，计时停止，这样就可得 到声脉冲经过火焰的时间，从而得到声音在火焰中的传播速度，进而获得火焰温度。但 是，这样获得的火焰温度是声脉冲所穿过的路径上温度的平均值，而不是空间某点的温 度值。因此对于电站锅炉这样的大型燃烧对象，要想得到截面或者三维空间燃烧温度场， 必须在一个层面内装设多对声脉冲传感器，并用特定的算法重建温度场。 然而，要把声速高温计发展成为精确、适应性强的测温手段，还需要解决以下问题： 声学高温计的测量原理是基于理想气体的，炉膛中的火焰并非严格遵守由理想气体 导出的上面的公式。因此对于各种影响必须通过大量的实验研究回归出计算关系式； 精确的确定烟气的各热力参数，如燃气成份、比热等，对于温度的准确测定十分重 要，但事实上烟气的热力状态参数难于事先确定，这导致了测量结果的误差； 当烟气中温度或速度存在突变区域时，采用声波法得到的将是路劲平均后的结果，5难以体现出这种突变； 燃烧炉膛内不可避免的会
