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1、燃料与燃烧论文报告课 题 名 称： 测试技术于工业燃烧系统的应用 项目负责人： 马柯 学 号： 2011031511 院 系： 动力与能源工程学院 完 成 时 间： 2014.5.26 测试技术于工业燃烧系统的应用马柯（哈工程，哈尔滨市 150001）照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘 要：燃烧锅炉在工业生产制造过程中为重要的制程设备，主要提供其所需的热源与蒸汽等，在燃烧系统的操作上需多方地考量锅炉的安全性、经济与环保等因素，但目前多数的燃烧炉所装置之感测信息，如温度、压力与流量等，仅能描述锅炉之部份系统状态，如炉膛中燃烧的火焰状态则无法透过上述的感测设备而获得之，好的火焰形态可
2、有效的提升燃烧效率与满足制程所需温度，然而火焰状态目前仍需经验丰富的人员进行观察与调整，由于近年来光学感测技术的迅速发展，已有许多研究文献将光学感测技术应用于燃烧系统领域，因此本文汇整了基于光学感测技术在工业燃烧系统之研究文献，其中包含下列主题：(1)基于火焰影像之燃烧系统安全性监控；(2)以火焰影像结合制程信息之分析、预测与优化操作；(3)以火焰影像计算温度场分布与燃烧热值评估。关键词：燃烧系统；火焰影像；火焰监控；温度场Application of testing technology in industrial combustion systemsMake(Harbin engining
3、 University, Harbin, Chin)Abstract：Industrial combustion furnaces are important equipments for chemical and manufacturing plants. These utility systems provide heat and steam in production process. It is necessary to consider safety, economy and environment issues at the same time when operating com
4、bustion system. Temperature, pressure, and flow rate measured from classical sensors can only obtain partial information of combustion system, but flame states have to be observed and manipulated by experienced operator. In recent years, optical image sensing technologies are drastically in progress
5、 and applied to industrial furnaces. The targets of novel control systems are to sense the flame state to control the furnace automatically. The purpose of this paper is to collect and describe the research results of this application field, which includes the following topics:(1) safety monitoring
6、of the flame for combustion systems; (2) analysis, forecasting and optimization of combustion systems by using flame images and process information; (3) temperature field distribution and combustion efficiency assessments by using VIS images. Keywords: Combustion system, flame image, flame monitorin
7、g, temperature field 火焰之稳定性对于燃烧行为而言，相当重要，过往均由具经验之工程师透过肉眼观察、判断燃烧状况，在摄影机技术较为成熟后，透过影像分析方式取代工程师之肉眼，可进行实时、长期之监控工作。 作品来源： 作者简介：马 柯(1991-10-21)，男，学生，动力与能源工程学院指导教师：周 松(), 男，教授，动力与能源工程学院1 量的书写规则 火焰之稳定性对于燃烧行为而言，相当重要，过往均由具经验之工程师透过肉眼观察、判断燃烧状况，在摄影机技术较为成熟后，透过影像分析方式取代工程师之肉眼，可进行实时、长期之监控工作。 光学摄影机用来拍摄石化燃料之火焰(fossil f
8、uel fired flame)，摄影机系统架构如图一所示。透过此系统能实时获得火焰影像，并取得影像几何信息特征，如：火焰根部距离、火焰面积与火焰扩散角度等，研究中将撷取的火焰特征与燃烧过程进行分析比对，结果验证火焰影像特征信息具备足够的信息来呈现燃烧过程变化。于研究中，同时以统计相关性、灵敏度分析方法，找出那些火焰特征对于燃烧系统为重要的影响因子，有助于后续火焰影像特征监视系统的建置。 由上所述，燃烧火焰是表征火焰燃烧状态最直接的媒介。炉膛安全监视系统的成功投运，在很大程度上取决于可靠与准确的火焰检测系统。火焰在燃烧过程中会福射出各种类型的丰富的信息，如光能（紫外光、可见光、红外光）、热能、
9、声能和图像等。所有这些形式的信息构成了火焰检测的依据。火焰检测技术正是利用感光探测器、感温探测器或者图像探测器获取火焰燃烧产生的光照、温度或者图像的效应，通过后期的数据处理判断火焰的燃烧状态。国内外不少学者对火焰检测技术进行深入的研究，推动了其快速发展。现代火焰检测技术可分为直接式和间接式。常用的直接式火焰检测技术包括检出电极法、差压法和温度法等。这些方法的原理虽然简单，但可靠性欠佳，对现场噪音十分敏感，火焰检测器的参数也难于整定，存在着较大的局限性，目前已基本被间接式火焰检测技术淘汰间接式火焰检测技术是目前比较先进的火焰检测手段，通常利用不同形式的福射能量来检测火焰。其中，福射式火焰检测技术
10、是目前使用最广泛，也是较行之有效的方法，下面将对其作详细介绍。 燃烧过程可以简苹地看作是燃料的氧化过程，这一过程主要发生在靠近燃烧器的上游区。但是，在这燃烧区内存在着大量未充分燃烧的中间产物，其浓度直接影响了火焰的时频信号特性。此外，燃料颗粒在燃烧时会形成光子流，存在光波闪烁和脉动现象，火焰福射的闪烁频率与光照强度是不断变化的。故从检测手段來看，福射式火焰检测法可以分为福射强度检测法和火焰频率检测法。 福射强度检测法的原理是：利用光电探头接收火焰福射信号，由于火焰福射光照强度在平均光照强度的水平上进行波动，利用数字信号检测手段提取出平均光照强度作为火焰的福射强度。资料13表明，当火焰存在时，福
11、射信号的福射强度在数值水平上较高，而当火焰不存在时，福射信号的福射强度在数值水平上较低。通过对时域上的辐射强度设定阈值的方法，可以判断出某一时刻火焰的“有”或者“无”的燃烧状态。这种检测方法最大的局限性在于其仅仅考虑了火焰的有和无两种工况，忽略了其他燃烧工况对火焰福射信号的影响。比如燃料量较小时，福射信号时域中的福射强度的水平处于较低状态；而燃料量增大时，火焰的福射信息就会增加，辖射信号时域中的福射强度的水平就会增加。这两种火焰燃烧工况很容易被时域上的福射强度阈值理解为火焰的“有”和“无”两种燃烧状态。另外，当火焰燃烧负荷在大范围变化时，时域内的强度阈值的适应性可能会较差。这两点体现出福射强度
12、检测法比较严重的局限性。 燃料在燃烧时都会不同程度地向外福射紫外线、可见光和红外线等光波。燃烧工况不同，火焰福射光波在各波段上的信息量则会不同。如果仅用一种波段下的光电检测器对火焰进行检测，则只能获取窄波段下的火焰辐射信号，遗漏了许多有用的信息，容易造成火焰状态误判。有研究表明，采用多波段检测法可以获得更为丰富的火焰福射信息，解释更多火焰的时频特性，避免开关信号的错判和信号的错送。多波段检测法的原理是：采用多种不同波段下（最好覆盖紫外线、可见光和红外线）的火焰检测器，对燃烧火焰进行同时实时检测，把采集到的火焰福射信息融合到一起来判断火焰状态多波段检测法使不同波段下的火焰检测器相互补充、相互印证
13、，可以提高火焰检测的准确性和可靠性。但其不足之处也往往造成信号的错判。由于同一时间用不同的火焰检测器釆集同一信号，势必造成光电探头拥挤在一个狭小的区域内，而且这些光电探头不可能同时在一条直线上排列开，在检测区域一定产生某种程度的位置重叠，这种位置重叠往往导致光电探头检测不到火焰辐射信号，或者检测到极其微弱的福射信号，对检测品质造成很大的影响。 为了提高火焰检测装置的探测分辨能力和可靠性，研发了一套基于光电检测的火焰燃烧监测系统。该系统通过针对火焰特有频谱段的光电传感器与数据处理系统的组合，实现了火焰燃烧稳定性能的综合评判，同时具有媳火预警的能力。针对火焰信号的光学传感装置、与计算机的传输以及接
14、口单元、信号的处理分析方法和火焰燃烧稳定性和熄火预警的判据，形成一个完整的检测系统。 信号釆集系统包括光电传感器、数据采集电路、三相直流电源和数据釆集卡。 光电传感器采用光电三极管。光电三极管是由一个PN结组成的半导体器件，具有单方向导电特性。由于这个特性，往往在电路中用它作为光电转换元件，通过它把光信号转换成电信号。其工作原理很简单35。光电三极管是在反向电压作用下工作的。没有光照或者光照强度不大时，反向电流极其微弱；有较大的光照时，反向电流将会增大到几十微安。光的强度越大，反向电流也就越大。光的变化引起光电三极管电流变化，就可以把光信号转换成电信号。任何燃料在燃烧时都会向外福射出紫外线、可
15、见光和红外线。不同的燃料福射的波段也就不同。燃气火焰有紫外线（波长范围为400nm以下）、红外线（波长范围为400nm700nm)和较少的可见光（波长范围为700nm以上）。本实验中采用上海青岳科技集团的3DU465P3光电三极管,其波长范围为500?lOSOnm,尖峰波长为680nm，其良好的波段范围保证了光电传感器能较好地接收到较多的有效的光波福射信号。有研究表明，火焰在初始燃烧区辐射出较多的可见光和红外线，而且福射率变化聚烈。为了获得好的火焰检测效果，得到较为敏感的火焰福射数字信号和由此衍生出的频率信号，本次实验将火焰检测探头对准燃烧器的初始燃烧区进行测试。 参考文献:1 S. Keyvan, R. Rossow, C. Romero, L. Xianchang, Comparison between visible and near-IR flame spectra from natural gas-fired furnace for blackbody temperature measurements, Fuel, Vol.83, pp.1
