燃燒穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)

1、燃燒穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)（節(jié)能減排大賽國(guó)家二等獎(jiǎng)）設(shè)計(jì)者：白翔，陳偉，董雪，李捷，王能，徐偉 摘 要 在自行搭建的燃?xì)馊紵龑?shí)驗(yàn)臺(tái)上引進(jìn)三路分光光學(xué)系統(tǒng)，較寬范圍地檢測(cè)火焰輻射的紅外，紫外和可見光信號(hào)，有效利用火焰輻射的亮度及火焰光譜信息，通過(guò)采用低成本的火焰檢測(cè)裝置并借助于先進(jìn)的信號(hào)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對(duì)火焰閃爍幅度和頻率信息進(jìn)行聯(lián)合分析，得到隨時(shí)間和燃燒狀態(tài)變化的規(guī)律，同時(shí)利用熱電偶探測(cè)火焰溫度描述火焰燃燒情況，實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性診斷。關(guān)鍵詞 閃爍頻率；比方差；燃燒穩(wěn)定性一、引言目前我國(guó)火力發(fā)電的能耗水平比世界先進(jìn)水平高大約50gce/kWh（單位供電煤耗率）以上，按照目前的裝機(jī)容量，相當(dāng)每年多消耗1.1億

2、噸標(biāo)準(zhǔn)煤，幾乎相當(dāng)國(guó)家“十一五”期間每年節(jié)能目標(biāo)的總和。造成能耗偏高的重要原因之一，是由于設(shè)備問(wèn)題、負(fù)荷變化、以及我國(guó)特有的燃燒煤種復(fù)雜問(wèn)題等，造成鍋爐在運(yùn)行中燃燒頻繁偏離最佳狀態(tài)。因此，對(duì)于爐內(nèi)火焰的在線檢測(cè)，提供實(shí)時(shí)信息以促成燃燒優(yōu)化和有效控制，是節(jié)能減排的重要途徑。目前，煤粉爐的監(jiān)視多采用火焰檢測(cè)器，這種監(jiān)視手段只能對(duì)火焰的有無(wú)進(jìn)行判斷。雖然有的火焰檢測(cè)器試圖監(jiān)測(cè)火焰的穩(wěn)定性，但由于現(xiàn)有方法檢測(cè)原理的限制，應(yīng)用中存在很大的局限性，從而沒有能力減少燃燒不穩(wěn)乃至熄火所導(dǎo)致的額外煤耗和經(jīng)濟(jì)損失。二、設(shè)計(jì)方案燃料燃燒時(shí)，燃料顆粒形成光子流，存在光波內(nèi)閃和脈動(dòng)現(xiàn)象，火焰輻射的光譜頻率與光強(qiáng)是不斷變

3、化的?；诨鹧骈W爍頻率分析的燃燒診斷技術(shù)根據(jù)火焰的低頻波動(dòng)能量和燃燒穩(wěn)定性的本質(zhì)特性聯(lián)系進(jìn)行燃燒診斷，獲取更詳盡的反映燃燒工況的信息，彌補(bǔ)了僅根據(jù)火焰強(qiáng)度和頻率的閾值判斷有無(wú)火焰的不足。本次實(shí)驗(yàn)研發(fā)了一套燃燒穩(wěn)定性在線檢測(cè)裝置，提高燃燒穩(wěn)定性。裝置為基于火焰光譜分析的燃燒診斷系統(tǒng)，包括：針對(duì)火焰信號(hào)的光學(xué)傳感裝置、與計(jì)算機(jī)的傳輸以及接口單元、信號(hào)的處理分析方法和穩(wěn)定燃燒的判據(jù)，以此形成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)（見圖0）。圖0 燃燒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電廠在運(yùn)行中需頻繁調(diào)整燃燒狀態(tài)，但常規(guī)燃燒狀態(tài)檢測(cè)方法有長(zhǎng)達(dá)數(shù)十秒的時(shí)間延遲，而本方法檢測(cè)速度快，可在數(shù)秒內(nèi)檢測(cè)到狀態(tài)變化。以龍山電站變負(fù)荷工況（圖1）為例。圖1

4、龍山電站變負(fù)荷曲線在24小時(shí)之內(nèi)，負(fù)荷變化多次，直接影響到火焰燃燒的穩(wěn)定性，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降。由此可見燃燒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是燃燒優(yōu)化系統(tǒng)最重要的組成部分，目前安裝的優(yōu)化系統(tǒng)按能耗減少1來(lái)估算，初步預(yù)計(jì)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)占優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)能總額的50，即能耗節(jié)省可達(dá)0.5 。2.1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)總覽 對(duì)比已有的光譜分析方法，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)火焰信號(hào)的強(qiáng)度和火焰閃爍頻率同時(shí)分析，彌補(bǔ)了僅根據(jù)火焰強(qiáng)度和頻率的閾值判斷有無(wú)火焰的不足，拓展了分析方法； 對(duì)火焰信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了以往通過(guò)分析燃燒產(chǎn)物、可視化火焰檢測(cè)等對(duì)火焰燃燒穩(wěn)定判斷方法延遲時(shí)間大的不足； 自主設(shè)計(jì)的電子電路應(yīng)用兩個(gè)三極管組成的負(fù)反饋電路防止信號(hào)電壓飽和，并且運(yùn)

5、用二階濾波將高頻部分沒用的部分濾掉。這兩項(xiàng)設(shè)計(jì)使測(cè)量的光信號(hào)范圍大為增加； 同時(shí)檢測(cè)火焰的紅外，紫外和可見光信號(hào)，光譜范圍寬，適應(yīng)較大的燃料和燃燒狀態(tài)范圍； 提供了燃燒優(yōu)化的手段，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。三、數(shù)據(jù)采集及處理3.1 光學(xué)分光系統(tǒng)引進(jìn)紫外、可見光、紅外三路分光光學(xué)系統(tǒng)（見圖2），能夠較寬范圍地檢測(cè)火焰輻射的紅外，紫外和可見光信號(hào)，有效利用火焰輻射的亮度及火焰光譜信息。3.2 數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)本次實(shí)驗(yàn)的電路系統(tǒng)分兩部分：火焰檢測(cè)電路和二階濾波電路（見圖3）。其中，采用光電晶體管采集的動(dòng)態(tài)火焰變化檢測(cè)電路見圖4。該電路為本小組與電子專業(yè)咨詢?nèi)藛T協(xié)作設(shè)計(jì)。圖中的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換部分采用了光敏晶

6、體管，同時(shí)，在電路中通過(guò)對(duì)背景輻射信號(hào)的檢測(cè)，為光敏轉(zhuǎn)換元件設(shè)立了適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件，消除了背景輻射造成的直流信號(hào)部分，減緩因外來(lái)背景強(qiáng)光干擾而造成元件進(jìn)入到飽和工作區(qū)，避免強(qiáng)光干擾信號(hào)淹沒有用信號(hào)，從而顯著擴(kuò)大了輻射信號(hào)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍，同時(shí)提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比，使得電路檢測(cè)的變化較快的有效動(dòng)態(tài)火焰信號(hào)得以大大增強(qiáng)。同時(shí)電路設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源又為前級(jí)電路提供了高穩(wěn)定的+5V基準(zhǔn)電壓，這也將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于火焰微小變化的檢測(cè)效果。 圖2 光學(xué)分光系統(tǒng) 圖3 火焰信號(hào)采集電路系統(tǒng)3.3 數(shù)據(jù)采集及處理軟件實(shí)現(xiàn)在確立了燃燒監(jiān)測(cè)平臺(tái)的硬件構(gòu)成之后，就要考慮編寫相應(yīng)的軟件程序，對(duì)板卡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)

7、行處理。在工控領(lǐng)域中，能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的方式有很多，如VC、VB、C+等不同的編程語(yǔ)言。本次實(shí)驗(yàn)采用VC+編寫提取時(shí)域信號(hào)的程序。對(duì)火焰的輻射信號(hào)進(jìn)行采樣，要求采樣頻率大于兩倍火焰閃爍頻率（火焰閃爍頻率一般為100Hz量級(jí)），否則采樣后的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)混頻現(xiàn)象。為了能夠更好地復(fù)現(xiàn)原始信號(hào)，采樣頻率為2048Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100Hz，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。在采集程序中，可以自由選擇所采數(shù)據(jù)的保存路徑和文件名，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為.dat格式方便下一步Matlab的操作。 圖4 采用光電晶體管采集的動(dòng)態(tài)火焰變化檢測(cè)電路四、 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析4.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)全景見圖5。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括一個(gè)燃燒器（見附圖1）、一臺(tái)燃

8、氣瓶、一臺(tái)壓氣機(jī)、三組流量計(jì)（見附圖2）、一臺(tái)三相直流電源機(jī)（見附圖3）、PC機(jī)、光學(xué)分光系統(tǒng)（見圖1）以及數(shù)據(jù)采集電路系統(tǒng)（見圖2）。圖6所示為系統(tǒng)的流程圖。4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為了做出不同工況的火焰燃燒實(shí)驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)改變?nèi)細(xì)饬亢皖A(yù)混一次風(fēng)量，每組工況實(shí)驗(yàn)三次，實(shí)時(shí)采集火焰強(qiáng)度信號(hào)并利用C+和matlab軟件進(jìn)行信號(hào)處理，同時(shí)利用熱電偶探測(cè)火焰溫度描述火焰燃燒情況。在信號(hào)處理過(guò)程中，定義平均火焰強(qiáng)度比方差，即火焰強(qiáng)度值的方差與火焰強(qiáng)度值的比值的平均值。同時(shí)定義了平均火焰脈動(dòng)特征量，即采樣時(shí)間內(nèi)火焰脈動(dòng)能力的平均值。用數(shù)學(xué)公式表示為： （1）代表火焰強(qiáng)度值的方差，代表火焰強(qiáng)度值； （2）代表火焰脈

9、動(dòng)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果見附表1。圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)全景 圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖實(shí)驗(yàn)以燃?xì)饬繛闃?biāo)準(zhǔn)共分三組。第一組實(shí)驗(yàn)，燃?xì)饬亢椭芙缍物L(fēng)分別保持在200L/h和2m3/h的水平上，通過(guò)改變預(yù)混一次風(fēng)量改變火焰燃燒情況。由于燃?xì)饬枯^小，當(dāng)預(yù)混一次風(fēng)量也較小時(shí)，火焰燃燒較平緩。當(dāng)預(yù)混一次風(fēng)量增加時(shí)，火焰燃燒逐漸明旺。圖7所示為預(yù)混一次風(fēng)量為1600L/h時(shí)的實(shí)驗(yàn)火焰和與其對(duì)應(yīng)的采集到的火焰強(qiáng)度圖。第二組實(shí)驗(yàn)，燃?xì)饬亢椭芙缍物L(fēng)分別保持在400L/h和2m3/h的水平上，通過(guò)改變預(yù)混一次風(fēng)量改變火焰燃燒情況。第三組實(shí)驗(yàn)，燃?xì)饬亢椭芙缍物L(fēng)分別保持在400L/h和2m3/h的水平上，通過(guò)改變預(yù)混一次風(fēng)量改變

10、火焰燃燒情況。此時(shí)，燃?xì)饬空{(diào)到一個(gè)相對(duì)燃燒室最大的流量，通過(guò)增加預(yù)混一次風(fēng)量，火焰燃燒明顯減緩，燃燒顯著性下降。圖8所示為預(yù)混一次風(fēng)量為1200L/h時(shí)的實(shí)驗(yàn)火焰和與其對(duì)應(yīng)的采集到的火焰強(qiáng)度圖。4.3 數(shù)據(jù)處理及分析 圖7 實(shí)驗(yàn)一預(yù)混一次風(fēng)量為1600L/h時(shí)的實(shí)驗(yàn)火焰和與其對(duì)應(yīng)的采集到的火焰強(qiáng)度圖 圖8 實(shí)驗(yàn)三預(yù)混一次風(fēng)量為1200L/h時(shí)的實(shí)驗(yàn)火焰和與其對(duì)應(yīng)的采集到的火焰強(qiáng)度圖表1 熱電偶溫度隨工況變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)燃?xì)饬浚↙/h）一次風(fēng)量（L/h）熱電偶溫度（）距噴口5cm處距噴口20cm距噴口35cm200200700387440200400720660460400200730650550

11、400400740690570600200660650620600400600640650圖9 實(shí)驗(yàn)一的平均火焰脈動(dòng)頻率和平均火焰強(qiáng)度比方差隨預(yù)混一次風(fēng)量變化的趨勢(shì)圖圖10 實(shí)驗(yàn)二、三的平均火焰脈動(dòng)頻率和平均火焰強(qiáng)度比方差隨預(yù)混一次風(fēng)量變化的趨勢(shì)圖為了描述火焰燃燒情況，引入熱電偶對(duì)各個(gè)工況的火焰特征位置的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。熱電偶溫度隨工況變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。進(jìn)一步的分析可以確定火焰溫度波動(dòng)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)。火焰溫度變化動(dòng)態(tài)過(guò)程是對(duì)火焰自身運(yùn)動(dòng)及燃燒過(guò)程中能量傳遞的動(dòng)態(tài)表征。圖9所示為實(shí)驗(yàn)一的平均火焰脈動(dòng)頻率和平均火焰強(qiáng)度比方差隨預(yù)混一次風(fēng)量變化的趨勢(shì)圖。從圖上可以看出，當(dāng)預(yù)混一次風(fēng)量處于1000

12、L/h以下變化和600L/h以上變化時(shí)，平均火焰脈動(dòng)頻率的變化和平均火焰強(qiáng)度比方差的變化之間關(guān)系的規(guī)律明顯。其中，當(dāng)預(yù)混一次風(fēng)量處于400L/h以下變化時(shí)，平均火焰脈動(dòng)頻率逐漸下降，而平均火焰強(qiáng)度比方差呈現(xiàn)上升勢(shì)頭。當(dāng)預(yù)混一次風(fēng)量處于600L/h1600L/h變化時(shí)，平均火焰脈動(dòng)頻率上升，平均火焰強(qiáng)度比方差下降。這種變化趨勢(shì)正好同時(shí)符合人們對(duì)火焰穩(wěn)定性的感性認(rèn)識(shí)火焰越穩(wěn)定，脈動(dòng)次數(shù)越大，火焰強(qiáng)度的變化量越不明顯。當(dāng)預(yù)混一次風(fēng)量達(dá)到1600L/h時(shí)，平均火焰脈動(dòng)頻率達(dá)到152.437，而平均火焰強(qiáng)度比方差為0.000196464，極其趨近于0，火焰的穩(wěn)定程度為本次實(shí)驗(yàn)工況中最好的一組。預(yù)混一次風(fēng)

13、量處于400L/h600L/h變化時(shí)，平均火焰脈動(dòng)頻率呈現(xiàn)略微上揚(yáng)的趨勢(shì)，而平均火焰強(qiáng)度比方差開始下降。平均火焰脈動(dòng)頻率和平均火焰強(qiáng)度比方差的變化規(guī)律不太明顯，但有與前后兩段變化相同的趨勢(shì)。這一段變化不一是由于火焰燃燒不穩(wěn)定，信號(hào)出現(xiàn)在允許范圍內(nèi)不太明顯的抖動(dòng)。實(shí)驗(yàn)一如實(shí)地反映了燃燒過(guò)程中火焰穩(wěn)定性和平均火焰強(qiáng)度比方差之間的關(guān)系，同時(shí)，平均火焰脈動(dòng)頻率和平均火焰強(qiáng)度比方差的相互對(duì)應(yīng)性也很明顯。并且可以看出，預(yù)混一次風(fēng)量的增加有利于火焰燃燒的穩(wěn)定。圖10所示為實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三的平均火焰脈動(dòng)頻率和平均火焰強(qiáng)度比方差隨預(yù)混一次風(fēng)量變化的趨勢(shì)圖。實(shí)驗(yàn)二和實(shí)驗(yàn)三變化不明顯，符合實(shí)驗(yàn)一的中間段，除了燃燒不穩(wěn)

14、定導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)偏差這一原因之外，更重要的是由于燃?xì)饬考哟?，空氣量的增加將?dǎo)致火焰中紫外成分的增加，不利于本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的檢測(cè)組件的應(yīng)用，這一原因?qū)?dǎo)致出現(xiàn)較大幅度的偏移。五、展望與目標(biāo)我們將在接下來(lái)的研究中通過(guò)以下途徑增加實(shí)驗(yàn)的全面性、可靠性和可操作性。 增加針對(duì)紫外的檢測(cè)組件，將檢測(cè)的光譜范圍從可見光擴(kuò)展到紅外和紫外來(lái)檢測(cè)信號(hào)的偏移； 擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)范圍，完善分析方法，獲得燃燒狀態(tài)與火焰脈動(dòng)信息的具體函數(shù)關(guān)系；增 加熄火預(yù)警功能； 在實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)用成熟之后，將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到煤粉爐中，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉火焰燃燒情況的在線監(jiān)測(cè)。六、效益與應(yīng)用前景 避免鍋爐熄火重啟的巨大能源和資金消耗，減少電廠燃燒系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)的燃燒不

15、完全現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)煤粉量的控制使燃燒平衡，提高安全系數(shù)，降低污染； 除可應(yīng)用于煤粉燃燒外，還可應(yīng)用于生物質(zhì)、煤粉與生物質(zhì)混燃、燃油及燃?xì)獾确矫妫?除可應(yīng)用于電廠燃燒系統(tǒng)中的節(jié)能、安全運(yùn)行、降低污染等外，還可以應(yīng)用于新型燃燒設(shè)備的開發(fā)，垃圾焚燒爐及工業(yè)窯爐等領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：1 周懷春.爐內(nèi)火焰可視化檢測(cè)原理與技術(shù)M.北京：科學(xué)出版社，2005.2 李良熹.基于現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的新型鍋爐火焰檢測(cè)方法研究D.重慶:重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，20023 劉開培，李俊娥.正弦信號(hào)干擾下低通帶限型頻譜信號(hào)的采樣J.儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24（1）：8991，984 張曉冬，王英.電路基礎(chǔ)M.成都:西南交通大學(xué)出版社

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18、發(fā)J.中國(guó)電力,1997，30 (10) :20 - 2218田緒文，姜義道.鍋爐爐膛火焰數(shù)字式檢測(cè)系統(tǒng)J.電站系統(tǒng)工程,1996 ,12(1):44- 46，62附圖1：實(shí)驗(yàn)燃燒器（上）實(shí)驗(yàn)燃燒器斜視圖 （下）實(shí)驗(yàn)燃燒器俯視圖附圖2：三組流量計(jì)附圖3：三相直流電源機(jī)附表1：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果組次燃?xì)饬恳淮物L(fēng)閃爍頻率1閃爍頻率2閃爍頻率3平均值強(qiáng)度11200034.687536.312542.87537.95832.4078220020034.687531.12528.562531.45832.7506320040030.12527.87529.187529.06251.52644200600

19、32.1253635.62534.58330.7137520080032.062529.437530.562530.68750.4062620010004639.540.5420.17987200120068.062561.687559.37563.04161.583382001600153.125151.75152.4370.1263940020061.37552.812554.562556.252.32721040040056.81255859.062557.95832.29571140060051.553.3755854.29161.45681240080055.12560.062556

20、.437557.20831.772313400100067.187550.687545.437554.43751.75771440012004557.12548.87550.33331.04231540016004140.187541.37540.85410.578216480077.7573.562577.62576.31254.8986174804006460.7561.25624.73311848080055.87554.37558.37556.20833.71121948012004551.437551.687549.3752.209220480160043.687546.545.062545.08331.4617組次方差1強(qiáng)度2方差2強(qiáng)度3方差3方差/強(qiáng)度的平均值10.18172.05990.13642.09490.13870.069220.24772.29410.27062.5