燃烧稳定性在线监测教材.doc

燃烧稳定性在线监测 （节能减排大赛国家二等奖） 设计者：白翔，陈伟，董雪，李捷，王能，徐伟 摘 要 在自行搭建的燃气燃烧实验台上引进三路分光光学系统，较宽范围地检测火焰辐射的红外，紫外和可见光信号，有效利用火焰辐射的亮度及火焰光谱信息，通过采用低成本的火焰检测装置并借助于先进的信号数据处理技术，对火焰闪烁幅度和频率信息进行联合分析，得到随时间和燃烧状态变化的规律，同时利用热电偶探测火焰温度描述火焰燃烧情况，实现燃烧稳定性诊断。 关键词 闪烁频率；比方差；燃烧稳定性 一、引言 目前我国火力发电的能耗水平比世界先进水平高大约50gce/kWh（单位供电煤耗率）以上，按照目前的装机容量，相当每年多消耗1.1亿吨标准煤，几乎相当国家“十一五”期间每年节能目标的总和。造成能耗偏高的重要原因之一，是由于设备问题、负荷变化、以及我国特有的燃烧煤种复杂问题等，造成锅炉在运行中燃烧频繁偏离最佳状态。因此，对于炉内火焰的在线检测，提供实时信息以促成燃烧优化和有效控制，是节能减排的重要途径。 目前，煤粉炉的监视多采用火焰检测器，这种监视手段只能对火焰的有无进行判断。虽然有的火焰检测器试图监测火焰的稳定性，但由于现有方法检测原理的限制，应用中存在很大的局限性，从而没有能力减少燃烧不稳乃至熄火所导致的额外煤耗和经济损失。 二、设计方案 燃料燃烧时，燃料颗粒形成光子流，存在光波内闪和脉动现象，火焰辐射的光谱频率与光强是不断变化的。基于火焰闪烁频率分析的燃烧诊断技术根据火焰的低频波动能量和燃烧稳定性的本质特性联系进行燃烧诊断，获取更详尽的反映燃烧工况的信息，弥补了仅根据火焰强度和频率的阈值判断有无火焰的不足。本次实验研发了一套燃烧稳定性在线检测装置，提高燃烧稳定性。装置为基于火焰光谱分析的燃烧诊断系统，包括：针对火焰信号的光学传感装置、与计算机的传输以及接口单元、信号的处理分析方法和稳定燃烧的判据，以此形成一个完整的检测系统（见图0）。 图0 燃烧监测系统 电厂在运行中需频繁调整燃烧状态，但常规燃烧状态检测方法有长达数十秒的时间延迟，而本方法检测速度快，可在数秒内检测到状态变化。以龙山电站变负荷工况（图1）为例。 图1 龙山电站变负荷曲线 在24小时之内，负荷变化多次，直接影响到火焰燃烧的稳定性，导致经济效益下降。由此可见燃烧监测系统是燃烧优化系统最重要的组成部分，目前安装的优化系统按能耗减少1﹪来估算，初步预计本监测系统占优化系统节能总额的50﹪，即能耗节省可达0.5﹪ 。 2.1 实验创新点总览 ⑴ 对比已有的光谱分析方法，本次实验对火焰信号的强度和火焰闪烁频率同时分析，弥补了仅根据火焰强度和频率的阈值判断有无火焰的不足，拓展了分析方法； ⑵ 对火焰信号进行在线监测，弥补了以往通过分析燃烧产物、可视化火焰检测等对火焰燃烧稳定判断方法延迟时间大的不足； ⑶ 自主设计的电子电路应用两个三极管组成的负反馈电路防止信号电压饱和，并且运用二阶滤波将高频部分没用的部分滤掉。这两项设计使测量的光信号范围大为增加； ⑷ 同时检测火焰的红外，紫外和可见光信号，光谱范围宽，适应较大的燃料和燃烧状态范围； ⑸ 提供了燃烧优化的手段，以达到节能减排的目的。 三、数据采集及处理 3.1 光学分光系统 引进紫外、可见光、红外三路分光光学系统（见图2），能够较宽范围地检测火焰辐射的红外，紫外和可见光信号，有效利用火焰辐射的亮度及火焰光谱信息。 3.2 数据采集电路系统 本次实验的电路系统分两部分：火焰检测电路和二阶滤波电路（见图3）。其中，采用光电晶体管采集的动态火焰变化检测电路见图4。该电路为本小组与电子专业咨询人员协作设计。图中的光电信号转换部分采用了光敏晶体管，同时，在电路中通过对背景辐射信号的检测，为光敏转换元件设立了适当的工作条件，消除了背景辐射造成的直流信号部分，减缓因外来背景强光干扰而造成元件进入到饱和工作区，避免强光干扰信号淹没有用信号，从而显著扩大了辐射信号的动态检测范围，同时提高了检测信号的信噪比，使得电路检测的变化较快的有效动态火焰信号得以大大增强。同时电路设计的基准源又为前级电路提供了高稳定的+5V基准电压，这也将进一步加强对于火焰微小变化的检测效果。 图2 光学分光系统 图3 火焰信号采集电路系统 3.3 数据采集及处理软件实现 在确立了燃烧监测平台的硬件构成之后，就要考虑编写相应的软件程序，对板卡进行驱动，同时对采集到的数据进行处理。在工控领域中，能够实现这一功能的方式有很多，如VC、VB、C++等不同的编程语言。本次实验采用VC++编写提取时域信号的程序。对火焰的辐射信号进行采样，要求采样频率大于两倍火焰闪烁频率（火焰闪烁频率一般为100Hz量级），否则采样后的信号会出现混频