第十章 锅炉火焰检测系统第一节 火焰检测原理 锅炉燃烧器火焰检测设备是锅炉极为重要的控制设备，是锅炉炉膛安全监控系统最重要 的一次设备，对保证锅炉安全稳定运行具有十分重要的意义1. 火检器的类型1.1 直接式火检器： 一般用于点火器的火焰检测，常用的有检出电极法、差压法、声波法和温度法等1.2 间接式火检器： 利用辐射光能原理，检测火焰中的紫外光线、可见光线和红外光线的存在以判定火焰状 况1.3 数字图象火检装置：用 CCD 摄象机摄取火焰图象送到计算机对图象进行数字化处理，计算出燃料燃烧火焰的 温度场，火焰的能级，从而判断出燃烧的好坏及火焰边界告警和熄火保护等2. 火焰检测装置构造2.1 探头部分探头一般由透镜、光导纤维、光敏元件（包括光敏二极管、三极管、光电池和CCD光图 象器件）构成由于是在高温和污染环境下工作，透镜、光纤和传感元件都密封在一长形钢 管内，并以风冷却确保探头不被损坏和污染火焰产生的辐射能和图象经过透镜聚焦到光纤输入端，输出端传送到光电敏感元件而转 换成电信号（包括模拟图象信号），送入电放大器和计算机进行信号处理，最后通过显示器 显示火焰状况2.2 机箱部分 机箱内装有电子线路放大板和单片计算机等元器件。
火焰信号经过光电转换器变成电流 信号，然后再被转换成电压信号机箱里包括了4 个角的检测线路和 2/4 逻辑线路对于不 同的燃料，不同的火焰检测原理，机箱的线路结构也有所不同2.3 风冷部分 由于探头工作环境温度很高，灰尘油雾等影响，设立了专门的风冷系统，用二台互为备 用的风机，对探头进行冷却吹扫3. 各种火焰检测器综述3.1 红外线火检通过检测燃烧火焰放射的红外线强度和火焰频率来判别火焰是否存在，探头 采用硫化铅光电管或硅光电二极管，由于炉膛火焰闪烁频率低于燃烧器频率，红外线火检能 区分燃烧器和背景火焰3.2 可见光火检同时检测火焰闪烁频率和可见光亮度，并进行逻辑运算来检测燃烧火焰的存 在采用火焰平均光强和脉动闪烁频率双信号，可提高检测的可靠性另外，可见光检测器 有滤红外光功能，能排除烟尘，热烟气，炉渣和炉壁的红外辐射，进一步提高了火检的可靠 性但是可见光不能穿透灰尘、烟雾，而红外则有一定的穿透能力因此，红外检测比可见 光更理想3.3 组合探头火检器 采用紫外线和红外线两种检测原理，它能同时检测各种燃料的能力，因为气体燃料燃烧 的火焰主要是紫外线而固体燃料燃烧的火焰介于二者之间3.4 相关原理火焰检测相关性火焰检测器由英国 Land combustion 公司推出，它同时使用二只相同的探测器， 使检测区域在燃烧区域相交，利用相关理论分析方法，根据相关系数的大小判断燃烧器的燃 烧状况。
该理论虽有独到之处，但实际使用起来，由于制造技术和现场环境的污染，无法保 持二只探检头特性完全一致，同时使检测探头增加一倍，造成安装维护困难3.5 数字式火检器数字式火检器以F ORNEY公司产品为代表，该火检采用独特的火检方法，使用微处 理器及相应的软件算法，通过检测目标火焰的辐度和频率，并与在试验方式下存储的背景火 焰图象进行比较，从而精确确定火焰的有无每个燃烧器的火焰有着与其他燃烧器不同的火 焰图象，这类似于人类指纹数字式火检与传统火检器相比有如下创新：在不同负荷下选择不同的鉴别图象文件，达 到了指纹式鉴别火焰有无方式；对准功能使火焰视角更佳但数字式火检无法跟踪各种动态 因素导致火焰的漂移问题4. 各种火检器在应用中存在的问题4.1 火焰参数静态整定与火焰状态动态变化的矛盾火焰燃烧的闪烁频率是一个随机函数，它受煤种、负荷、送风量变化等诸多因素影响， 静态整定参数无法满足动态要求4.2 火检探头小视场角与火焰大幅度漂移的矛盾要准确检测火焰，就必须将检测头对准燃烧器火焰着火区，为尽量减少其他燃烧器火焰 和背景火焰对火检器的干扰和影响，探头视角一般限制为10度一一15度这样小视角的 检测器难于随时对准因负荷变化、煤种变化、风量变化而飘移的火焰着火区。
4.3 火检探头安装与调整的矛盾分辨率不高、“偷看”现象是火检器普遍存在的问题，改变探头视角是克服偷看，提高 火焰正确性的主要手段，目前几乎所有电厂均采用固定式安装，从外部无法调整探头视角4.4 火检功能与燃烧诊断的矛盾现有锅炉使用的火检功能单一，只检测火焰有无，为锅炉灭火保护提供信号，不能诊断 燃烧火焰状态和稳定性，不利于运行人员发现潜在的燃烧故障，更谈不上有针对性的进行燃 烧调整，挽救炉膛灭火，减少经济损失5. 数字式图象型火检图象型火检是基于火焰电视、综合多媒体计算机和数字图象处理技术发展起来的，它继 承了火焰电视直观形象的优点，又充分发挥计算机强大的处理计算能力，使火焰检测功能得 到了质的提高图象型火检分单个燃烧器的火焰图象检测和全炉膛火焰图象检测二部分，对于单个燃烧 器的火焰检测主要是判断该燃烧器的好坏，发出熄火、着火和燃烧不稳的告警信号对于全 炉膛火焰检测主要是通过火焰图象信息计算出全炉膛火焰温度场分布状况及火焰燃烧的能 级防止火焰偏离中心和局部过热目前正研究建立了一套完整的火焰图象的分析计算理论， 就像天气预报的卫星云图一样，来预测火焰的各种态势，计算全炉膛火焰燃烧的能量，将能 量信号、温度信号和全炉膛熄灭着火信号分别送往FSSS系统和CCS系统，及时进行燃烧调 整，保证锅炉在安全经济下运行。
5.1 火焰图象检测器基本原理：火焰图象检测器基本原理如下CCD传像光纤光信号*Panasonic wv-CP230视频信号燃烧状态输出DSP数字图像 数字视频 ”化图I存储F化图处理 象化图I存储 象图 10-1 火焰图像检测基本原理带有冷却风的传像光纤伸入炉膛将所检测的燃烧器火焰图像或全炉膛火焰图象的光信 号传到CCD摄像机的靶面上，CCD将图像转化为标准模拟视频信号，并通过视频电缆传给 图像火焰检测器内的视频输入处理器（VIP）O VIP将模拟视频信号经过A/D转换， 变成数字图像存储于图象存储器中oDSP则将图像存储器中数字化的图像信息按照一定的 判断体系进行计算，得出燃烧器火焰的0N/0 FF信号和其他诊断信息，并送至FSSS 和CCS系统5.2 燃烧器火焰熄火着火判据的分析1） 燃烧特征区判断：煤粉喷出燃烧器着火，燃烧有三个特征：即未燃区、初始燃烧区和完全燃烧区在每个 特征区内分别划出一个小的计算区域然后根据三个特征区平均亮度的差别判断是否着火熄 火如三个特征区亮度相等判定为熄火2） 火焰锋面位置判断燃料在未燃区和着火区的局部灰度明显增大形成火焰锋面利用这个焰锋面特征值大小 可判断火焰着火、熄火。
3） 锋面位置差分判据煤粉着火可形成的锋面是不断抖动的火焰峰面特征值就是利用相邻二次采样之间锋面 位置的差分来描述这种抖动，设锋面沿X轴变化，可得如下数字表达式a x（t）=|x（t） — x（t— 1）1 （4）式中X（t） —— t时刻锋面位置5.3 全炉膛火焰图象数据分析 全炉膛火焰监视的主要目的包括观察燃烧器的点火过程、判别炉膛是否熄火、炉膛的火 焰温度、幅射能量燃烧过程是否稳定、炉膛火焰中心是否处于正常位置和形态火焰图象中 含有许多反应燃烧状态和特征的信息值得研究和利用利用热幅射理论和比色测温原理可计 算出火焰图象的温度和相应的幅射能炉膛燃烧温度和幅射能分布是锅炉系统设计和设备运 行控制中极为重要的参数，但长期以来没有可利用的合适的测量方法和技术条件获得实际数 据计算机图象处理技术可以从CCD摄取的火焰图象中得出它们的定量描述1） 比色测温原理比色测温是一种非接触的光学测量法，较适用于测量燃烧火焰中介质的温度当温度范 围处于8 0 0〜2 0 0 0 K之间时，plank幅射定律可由下面的Wien幅射定律取 代：E （T） =6 （C/入 5） exp（C/入 T） ⑸入 1 2式中：Ex (t)表示波长为入，绝对温度为T时的单色幅射强度；C , C分别为第一和入 1 2第二plank常数；6为幅射率。
根据(5)式，若在两个不同波长A入下同时测量到同一点发出的单色幅射能，并且12假设不同波长下幅设率的变化可以忽略不计，可得测量区域比色法测量的温度T的表达式： T=C (1/入—1/入)/In[E (T)/E (T)(入 /入 ”] .(6)2 1 2 入 1 入 2 1 2比色测温根据同一时刻测量到的两个相邻波长幅射能的“比值”确定温度值，镜头污染， 器件特性漂移等时变因素相互抵消，同时，测量过程是可延续可重复的彩色工业摄像机所 拍摄的炉膛内部图像的每一个像素都是由红(R)绿@)蓝(B)三基色组成，可以从红绿蓝中任 取两值相比，根据比值确定每个像素对应的温度利用参考测温及推温度反推温度分布的检 测计算方法，实时监测特定波长下的炉内幅射能及其变化率，重建炉膛温度场(二维或三维) 该方法是通过比色法实时测得视场中某一参考点(i 0, jO)实际温度，计算对应点相应 波长下的实际幅射能量E入(i0，j0)o假设CCD在可见光范围内的光电转换特性为 f (•，可以通过光学电路设计或数字补偿方法线性化，确定当前测量条件下图像亮度S入 (i0，j0 )和已入(i0，j0 )之间的比例系数K,再由CCD图像数据计算炉膛其 它区域的实际幅射能量值E入(i，j)，最后反推出温度分布值。
可见比色测温是实现C CD火焰图像处理过程中的灰度归一化的有效方法2) 火焰幅射图像处理A幅射计算 幅射以电磁波的形式传播，通过传播空间时将产生散射和被吸收，在充满气固两相流动 介质的炉膛空间的过程更加复杂多变针对这一过程的特殊性，火焰图像的处理基本上采用 不确定性视觉计算的方法，重点在于幅射性质的研究和计算，假定炉膛空间的有效燃烧区域 为一个由灰色固体壁面包灰色气体组成的物理空间理论上，具有mxn个像素的CCD器件 的任一个像素E (入，j)可接受到的幅射能可归纳为下式E (ij)二丿丿丿(Q ) R (x、y、z) f (ij)4kg(x、y、z)5 t4 (x、y、z)dxdydz+丿丿(dj) g(s)R [(x/,y/)f(ij) ]s (x/,y/)5 t4 (x/,y/)dx/dy/ (7)dw w g式中：(x,y,z )为炉膛空间基准坐标系；(x',y')为炉膛周边各壁面在基准坐 标下的变换坐标；Kg为介质的消光系数，£ W为壁面吸收率；Tg为微元温度；Ra g和Rdw 分别为气体和壁面在相应体积微元和面积微元上CCD 象素E (IJ)的辐射份额系数，称为 REAK数它们由各个元素的辐射特性参数所决定，可采用结合Monte Carlo方法的快速算法 得解。
READ数中包含了炉膛燃烧空间的多次散射和非独立散射的影响以及其它非直接辐射 区域的影响另外考虑到现有的计算方法、计算机硬件和CCD器件分辨率及记录精度等性能 的限制，一般只将镜头视角之内的有效燃烧区域划分为有限的子域进行分析计算，因此，(7) 式演变成：E (IJ) =Z(8k=l)Rdg[kf (ij)]4gk6 T 4，Av +Z (w入=1)Rdw[lf(ij) ]£ 6 T△ gk gk w waSwl (8)在这里，将有效燃烧区域划分为M个小单元，壁面划分为U个单元，并设出单元内的辐射 参数均一致3) 温度场重建 寻求快速有效的计算方法确保在一定的精度范围内获得正确的温度数据是很重要的,将(6) 式描述的题表示为矩阵的形式:AT=E式中：A为(m+n) X (m+n)维矩阵，是反映炉膛空间介质特性的综合系数矩阵T为(m+n) 维列向量，其元素为绝对温度。