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1、课 程 设 计 用 纸教师批阅 目录1.绪论1.1选题目的和意义31.2国内外情况41.2.1国内情况41.2.2国外情况52.设计方案及说明2.1方案一的设计7 2.1.1监测系统方框图72.2.方案二的设计8 2.2.1系统构成82.3方案三的设计92.3.1硬件炉膛火焰图像检测系统原理图93. 方案设计的说明3.1方案一设计说明103.2方案二设计说明113.3方案三设计说明123.4方案评估 134.设备清单及标准清单4.1设备清单144.2标准清单165.总结 课程设计总结19参考文献 21 附表1、附表2、附表3221.绪论1.1选题目的和意义 大中型锅炉都配备炉膛安全监控装置，即
2、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
3、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，故选择电站锅炉燃烧火焰一体化数字监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/Off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
4、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，特点是：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
5、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-
6、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
7、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器，各自提供010V或
8、420mA的模拟输出。此外，它还有两个最为突出的功能：（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，
9、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。2.设计方案及说明2.1.1监测系统方框图 图2-1-12.1.2设计分析 本系统主要用于电厂锅炉火焰的监测，主要火检、PLC、一体化工控机、MFT等构成。其工作原理主要是利用火检探头监测炉膛内的燃烧情况，然后经PLC
10、最终将信息传到工控机上，由人工来进行操作。MFT是锅炉运行当中对设备的自动保护措施：一旦监测到炉膛中火焰图像呈现为没有火光，则会出现跳磨情况，并报警自动停止设备运行。因此保证了锅炉在燃烧过程中的安全可靠。2.2方案二的设计2.2.1系统构成 PS2000型火焰检测器的电路组成如图2-2-1所示 图2-2-12.2.2 设计分析 本系统工作原理是将CCD摄像机和传象光纤及镜头等安装在特制的金属防护罩内，并安装于四角切线式锅炉的四角或前后墙式锅炉的前后墙的相应位置。摄像机获得的各层角火焰图像信号通过电缆传送到位于控制室内的射频信号切换器，图象采集卡完成对火焰信号的采集并在计算机的控制下将图像信号存
11、储于双口RAM中，然后由图像处理板完成火焰图象信号的处理，并将处理结果通过双口RAM传送给计算机，由计算机完成对处理结果的输出、显示和储存。根据需要系统内还可以加装彩色监视器和录像机或光盘刻录机等。2.3方案三的设计2.3.1硬件炉膛火焰图像检测系统原理图 图2-3-12.3.2设计分析 火焰温度检测系统的原理结构如图2-3-1所示，整套测温系统由光学系统、风冷系统，彩色CCD摄像机、图像采集卡和计算机图像处理单元几部分组成。带有冷却装置的传像光纤伸入炉膛，将检测到的燃烧器火焰图像以光信号的形式传送到CCD摄像机靶面，CCD将火焰图像转化为标准模拟视频信号并通过视频电缆传给图像采集卡，图像采集
12、卡将模拟视频信号经过A/D转换，变成数字图像。数字图像由计算机中的图像处理软件单元进行分析处理，处理得出的相关信息输出到运行员工作站或工程师工作站指导燃烧系统的控制。3. 方案设计的说明3.1方案一设计说明 本系统主要主要利用FSSS进行对炉膛内的监控。系统主要构成设备有火检、PLC、一体化工控机、MFT等。其工作原理主要是利用火检探头监测炉膛内的燃烧情况，然后经PLC最终将信息传到工控机上，由人工来进行操作。MFT是锅炉运行当中对设备的自动保护措施：一旦监测到炉膛中火焰图像呈现为没有火光，则会出现跳磨情况，并报警自动停止设备运行。因此保证了锅炉在燃烧过程中的安全可靠。 （1）监视功能 用火检
13、探头FORNEY/95IR、95UV实时显示每个炉膛内火焰燃烧的情况； （2）MFT保护 通过实时监测炉膛内的燃烧情况，在监测到图像中没有火焰时，会出现跳磨的情况，并停止设备运行，保障炉膛安全运行; 通过图像处理可以输出单个火嘴的熄火开关量信号，并经计算机处理后送炉膛安全监控系统(FSSS)动作停炉； 通过火焰图像传感器的故障诊断，提高系统的可靠性；(3)实时操控根据监测到的情况，可以人工通过PLC、一体化工况机进行控制炉膛中的燃烧情况，来实现燃烧的效率最大化。3.2方案二设计说明 本系统工作原理是将CCD摄像机和传象光纤及镜头等安装在特制的金属防护罩内，并安装于四角切线式锅炉的四角或前后墙式锅炉的前后墙的相应位置。摄像机获得的各层角火焰图像信号通过电缆传送到位于控制室内的射频信号切换器，图象采集卡完成对火焰信号的采集并在计算机的控制下将图像信号存储于双口RAM中，然后由图像处理板完成火焰图象信号的处理，并将处理结果通过双口RAM传送给计算机，由计算机完成对处理结果的输出、显示和
