CN101266044A - 一种判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的方法及装置，装置由测温仪器、云台、报警器、A/D转换器、数据处理器组成。由测温仪器对煤粉射流在某一旋转角度θ范围内进行温度信号采集，通过采集到的温度信号可以求出火焰锋面特征长度l和特征温度t，再对比典型负荷下燃烧设计煤种试验中测出的能反映煤粉气流着火特性的临界特征距离l′和特征温度t′，求出煤粉着火及时性温度裕度α和基于火焰锋面特征长度的着火及时性指数β，根据这两个参数判定煤粉着火及时性。本装置的显著特点在于：不需要检测燃料特性、一次风速、一次风浓度等运行参数如何变化，直接通过煤粉着火区域温度场检测就能定量、方便地判断当前燃料的着火状态，对锅炉安全、经济、稳定运行有重要价值。

Description

一种判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的方法及装置

技术领域

本发明涉及锅炉燃烧诊断领域，用来判别燃煤锅炉煤粉气流的着火及时性，具体涉及一种判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的方法及装置。

背景技术

煤粉气流的及时着火直接影响煤粉锅炉稳定运行，关系到炉内燃料的燃尽性。目前锅炉操作运行人员对于锅炉的燃烧调整主要凭经验进行，譬如，对国内大多数电厂来说，煤种的不稳定是一个突出的问题，煤质变化会影响煤粉着火、锅炉出力、煤粉的燃尽程度等，而对煤粉的着火及时性现在还没有很好的评判办法，完全凭运行人员眼睛看火，或者从燃烧后飞灰含碳量多少来评价着火的及时性，目前飞灰含碳量的检测结果需等到第二天才能得到，无法做到实时调整，并且市场上飞灰含碳量的在线测量还不过关，更重要的是，它受煤种变化的影响很大。也有些技术人员希望能够对入炉煤煤质成分进行在线监测，从而可根据煤质数据调整燃烧器运行参数，以保证煤粉的着火及时性，但目前煤质灰分在线监测主要通过γ射线或中子活化技术，水分检测采用微波法见多，这些在线检测精度都还不够，更何况煤粉的着火主要依赖于煤中的挥发份，而挥发份是由煤中释出的可燃气体组成，国内外目前还没有能够对煤中挥发份进行在线检测的技术和装置，因此，即使采用目前最高水平的煤质在线装置，还不能帮助锅炉运行人员对煤粉着火及时性进行精确调整。

现有的火焰检测器对煤粉着火特性的判别仅仅只能提供火焰存在与否的信号，给出“有火，无火”的判断，不能进一步对煤粉着火是否及时做出判别，因而不能有效指导燃烧。专利CN1534238A指出了通过设定火焰频率的上下限和火焰幅值的上下限进行单个判定和两者综合判定“着火、灭火”，但是不能判别是否及时着火；专利CN1807987A提出了根据煤粉气流的着火距离来确定火检的最小距离，根据煤粉气流着火距离与炉膛负压波动的关系曲线确定火检的最大距离的方法，这也只能提高火焰检测器判断“有火、无火”的精度，不能进一步指导燃烧。上海交通大学学报.2000，34(9)文献“煤粉燃烧火焰着火判据”提出了最小距离判别法，同样也是用于“着火、灭火”的判断。

国内也有基于计算机图象处理技术的燃烧诊断系统，主要诊断功能为：1)火焰温度场分布；2)燃烧经济性诊断；3)NO_X排放量估算；4)飞灰含碳量估算；这样的燃烧诊断系统虽然能在一定程度上为运行人员调整燃烧提供一定的科学依据，但系统复杂、造价昂贵，在诸如计算模型、方法以及对煤种的适应性等方面还有待完善和探索，更为重要的是以上图像处理技术并没有直接对煤粉的着火及时性提出实时探测判据和定量计算方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够为运行人员调整燃烧提供更好的、基于科学依据的判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的方法及装置。

为达到上述目的，本发明方法如下：

1)首先通过多个典型负荷下燃烧设计煤种试验，测出能反映煤粉气流着火特性的一组临界特征距离l′和特征温度t′；

2)在锅炉实际运行中，不论煤种或一、二次风速等运行参数是否变化，只需通过测温仪器对当前燃烧器喷口火焰进行实时扫描，将扫描得到的温度信号T和距离信号L传给数据处理器，由数据处理器对火焰温度T沿气流方向距离L进行求导，找出斜率最大点位置，求出当时的火焰锋面特征长度l及所对应的着火特征温度t；

具体求导步骤如下：

a)将扫描距离n等份，n的取值应足够大，以满足精度要求；

b)测温起始点距离记为l₀，测温终点距离记为l_n，测温中间某点距离记为l_i，根据温度信号T是距离L的连续函数，则 ${\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dl}}|}_{l=l_i}=\frac{T\left(l_i\right)-T\left(l_{i-1}\right)}{l_i-l_{i-1}},$ i＝1，2，…，n；

c)计算求出i＝1，2，…，n中的最大值所对应的距离l_i，即为当时的火焰锋面特征长度l，所对应的温度即为着火特征温度t；

3)根据测得的当时火焰锋面特征长度l和着火特征温度t，再对比步骤1)中的特征距离l′和特征温度t′，求出煤粉着火及时性温度裕度α和基于火焰锋面特征长度的着火及时性指数β，用测得的当时火焰锋面特征长度l与对应典型负荷试验下测出的临界特征距离l′的比值表示β，即 $\mathrm{\β}=\frac{l}{l^{\′}},$ β数值可定量表示着火及时性特性，β＝1，表示煤粉气流着火正好及时；β＜1，表示煤粉气流着火提前；β＞1，表示煤粉气流着火推迟，0.9≤β≤1.1范围表示煤粉气流处于正常着火状态；

用特征温度的绝对变化量表示煤粉着火及时性温度裕度α，即α＝t-t′，当α＞＝0，表示煤粉气流可及时着火；α＜0，表示煤粉气流着火温度不够，在-50≤α≤50范围，表示煤粉气流的正常着火温度区间。

本发明的装置包括云台以及固定在云台上能够进行旋转测量的测温仪器，该测温仪器安装在燃烧器喷口看火孔外侧，且测温仪器在旋转角度θ内其测温范围能完全覆盖到煤粉燃烧的黑龙区、初始燃烧区和完全燃烧区，并超出完全燃烧区一定范围，测温仪器能在某一角度θ范围内旋转，对煤粉气流温度信号进行采集，得到的温度信号T(L)经过A/D转换器转换成数字信号后送到数据处理器中进行数据分析；温度测量是利用测温仪器旋转某一角度θ进行；数据处理器的数据输出端还连接有报警器和计算机集散控制系统DCS。

由于现场运行人员对煤粉着火是否及时的调整大多都是肉眼观察，凭经验进行的，本发明由云台带动测温仪器在一定的角度θ范围内旋转并采集温度信号，采集到的温度信号经过A/D转换器转换成数字信号后送入数据处理器，在数据处理器中对数据进行分析处理，求出火焰锋面特征长度l和特征温度t，再对比典型负荷试验下燃烧设计煤种测出的临界特征距离l′和特征温度t′，得到煤粉着火及时性温度裕度α和基于火焰锋面特征长度的着火及时性指数β，根据这两个参数判定煤粉气流的着火及时性。

本发明的优点：

1)避开通过分析煤质成分、一次风速、风粉浓度等运行参数检测来判断煤粉着火及时性，反其道而行之，直接通过煤粉射流从未燃到完全燃烧区域的温度分布数据来确定煤粉气流的着火及时性；

2)区别于常规测温装置采用固定安装、“点”测温方式，本发明中采用测温仪器旋转进行“线”测量；

3)可定量判别煤粉着火提前或着火推迟程度；

4)为运行人员实时调整提供了直观科学依据。

附图说明

图1是煤粉气流温度T与距离L的变化关系曲线；

图2是本发明装置的原理图；

其中标号分别表示：1、完全燃烧区，2、初始燃烧区，3、射流外边界，4、黑龙区，5、风粉混合物，6、燃烧器喷口，7、测温仪器，8、云台，9、A/D转换器，10、数据处理器，11、报警器，12、DCS

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的原理：煤粉气流在锅炉内燃烧过程基本上可以分为着火、燃烧和燃尽三个过程，在三个过程中始终伴随着吸热与放热两个过程。煤粉气流从喷口喷出后首先吸收一定的热量，在吸收热量的过程中，温度升高，达到着火温度后开始着火燃烧，放出大量热量，温度进一步升高，在达到能量平衡后，温度稳定在某个值。煤粉气流在某局部开始燃烧后会形成火焰，通过辐射、对流和导热，将热量传给新鲜未燃燃料，这部分煤粉气流吸热温度升高，在达到着火点后又燃烧，又形成新的火焰，当气流速度与火焰传播速度相等时，在已燃煤粉与未燃煤粉之间会形成一个明显的、具有一定厚度且空间位置固定的火焰锋面。当煤粉气流流过火焰锋面时，大部分煤粉在这个区域内参与燃烧，化学反应剧烈，放出大量热量，温度急剧升高，这个区域是能够反映煤粉着火特性的一个“特征区”。

当煤质挥发份减少或灰份增加时，煤粉着火温度就会提高，火焰传播速度就会变小，这时若不调整一次风气流速度和浓度，其煤粉气流的火焰锋面就会朝远离喷口方向移动，而且火焰锋面上的特征温度也降低；若当煤质挥发份突然增加或灰份较大幅度减少时，煤粉所需的着火温度就会降低，火焰传播速度就会变大，这时若不调整一次风气流速度和浓度，其煤粉气流的火焰锋面就会朝靠近喷口方向移动，而且火焰锋面上的特征温度也升高。若对煤粉气流从喷口处开始到火焰锋面后的完全燃烧区进行一次扫描，那么测得的煤粉气流温度T与沿气流方向距离L有一定的函数关系(如附图1)，曲线上斜率最大的E点对应的离喷口的距离即为特征距离l，对应的温度即为特征温度t。

参见附图2，风粉混合物5经燃烧器喷口6喷出后形成一股渐扩射流，在射流外边界3之间，由于温度分布不同而形成煤粉燃烧过程中的黑龙区4、初始燃烧区2和完全燃烧区1。本发明的装置包括云台8以及固定在云台8上能够进行旋转测量的测温仪器7，该测温仪器7安装在燃烧器喷口看火孔外侧，且测温仪器7的测温范围能完全覆盖煤粉燃烧的黑龙区4、初始燃烧区2和完全燃烧区1，并超出完全燃烧区1一定范围，测温仪器7在某一角度θ范围内旋转，对煤粉气流温度信号进行采集，得到的温度信号T经过A/D转换器9转换成数字信号后送到数据处理器10中进行数据分析，数据处理器10的数据输出端还连接有报警器11和计算机集散控制系统DCS12。本发明的报警器11可选用发声报警或发光报警或同时发声发光报警装置；在为数据处理器10选配适当的通讯接口后，本装置可直接挂在计算机集散控制系统(DCS)的网络上，作为DCS的一个工作站。

本发明的方法为：1)首先通过多个典型负荷下燃烧设计煤种试验，测出能反映煤粉气流着火特性的一组临界特征距离l′和特征温度t′；

2)在锅炉实际运行中，不论煤种或一、二次风速等运行参数是否变化，只需通过测温仪器对当前燃烧器喷口火焰进行实时扫描，将扫描得到的温度信号T和距离信号L传给数据处理器，由数据处理器对火焰温度T沿气流方向距离L进行求导，找出斜率最大点位置，求出当时的火焰锋面特征长度l及所对应的着火特征温度t。

具体求导步骤如下：

a)将扫描距离n等份，n的取值应足够大，以满足精度要求；

b)测温起始点距离记为l₀，测温终点距离记为l_n，测温中间某点距离记为l_i，根据温度信号T是距离L的连续函数，则 ${\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dl}}|}_{l=l_i}=\frac{T\left(l_i\right)-T\left(l_{i-1}\right)}{l_i-l_{i-1}},$ i＝1，2，…，n；

c)计算求出i＝1，2，…，n中的最大值所对应的距离l_i，即为当时的火焰锋面特征长度l，所对应的温度即为着火特征温度t；

3)根据测得的当时火焰锋面特征长度l和着火特征温度t，再对比步骤1)中的特征距离l′和特征温度t′，求出煤粉着火及时性温度裕度α和基于火焰锋面特征长度的着火及时性指数β，用测得的当时火焰锋面特征长度l与对应典型负荷试验下测出的临界特征距离l′的比值表示β，即 $\mathrm{\β}=\frac{l}{l^{\′}},$ β数值可定量表示着火及时性特性，β＝1，表示煤粉气流着火正好及时；β＜1，表示煤粉气流着火提前；β＞1，表示煤粉气流着火推迟，0.9≤β≤1.1范围表示煤粉气流处于正常着火状态。

用特征温度的绝对变化量表示煤粉着火及时性温度裕度α，即α＝t-t′，当α＞＝0，表示煤粉气流可及时着火；α＜0，表示煤粉气流着火温度不够，在-50≤α≤50范围，表示煤粉气流的正常着火温度区间。当然，着火及时性指数β与着火及时性温度裕度α相互联动，应综合考虑。

温度裕度α正值越大，说明煤粉着火情况越好，但α过大有可能导致β过小引起着火过度提前烧喷口；温度裕度α负值越小说明煤粉着火情况越不好，α过小可能导致β过大使得煤粉着火推迟，甚至不能着火引发炉膛灭火事故；这二个参数中任何一个一旦超出所述的临界值范围，即-50≤α≤50，0.9≤β≤1.1时，报警器(11)动作，提示运行人员及时进行相应处理。

Claims (4)

1、一种判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的方法，其特征在于：

1)首先通过多个典型负荷下燃烧设计煤种试验，测出能反映煤粉气流着火特性的一组临界特征距离l′和特征温度t′；

2)在锅炉实际运行中，不论煤种或一、二次风速等运行参数是否变化，只需通过测温仪器对当前燃烧器喷口火焰进行实时扫描，将扫描得到的温度信号T和距离信号L传给数据处理器，由数据处理器对火焰温度T沿气流方向距离L进行求导，找出斜率最大点位置，求出当时的火焰锋面特征长度l及所对应的着火特征温度t；

具体求导步骤如下：

a)将扫描距离n等份，n的取值应足够大，以满足精度要求；

b)测温起始点距离记为l₀，测温终点距离记为l_n，测温中间某点距离记为l_i，根据温度信号T是距离L的连续函数，则 ${\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dl}}|}_{l=l_i}=\frac{T\left(l_i\right)-T\left(l_{i-1}\right)}{l_i-l_{i-1}},$ i＝1，2，…，n；

c)计算求出i＝1，2，…，n中

的最大值所对应的距离l_i，即为当时的火焰锋面特征长度l，所对应的温度即为着火特征温度t；

3)根据测得的当时火焰锋面特征长度l和着火特征温度t，再对比步骤1)中的特征距离l′和特征温度t′，求出煤粉着火及时性温度裕度α和基于火焰锋面特征长度的着火及时性指数β，用测得的当时火焰锋面特征长度l与对应典型负荷试验下测出的临界特征距离l′的比值表示β，即 $\mathrm{\β}=\frac{l}{l^{\′}},$ β数值可定量表示着火及时性特性，β＝1，表示煤粉气流着火正好及时；β＜1，表示煤粉气流着火提前；β＞1，表示煤粉气流着火推迟，0.9≤β≤1.1范围表示煤粉气流处于正常着火状态；

用特征温度的绝对变化量表示煤粉着火及时性温度裕度α，即α＝t-t′，当α＞＝0，表示煤粉气流可及时着火；α＜0，表示煤粉气流着火温度不够，在-50≤α≤50范围，表示煤粉气流的正常着火温度区间。

2、一种判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的装置，其特征在于：包括云台(8)以及固定在云台(8)上能够进行旋转测量的测温仪器(7)，该测温仪器(7)安装在燃烧器喷口看火孔外侧，且测温仪器(7)在旋转角度θ内其测温范围能完全覆盖到煤粉燃烧的黑龙区(4)、初始燃烧区(2)和完全燃烧区(1)，并超出完全燃烧区(1)一定范围，测温仪器(7)能在某一角度θ范围内旋转，对煤粉气流温度信号进行采集，得到的温度信号T(L)经过A/D转换器(9)转换成数字信号后送到数据处理器(10)中进行数据分析。

3、根据权利要求2所述的一种判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的装置，其特征在于：温度测量是利用测温仪器(7)旋转某一角度θ进行。

4、根据权利要求2所述的一种判别燃煤锅炉煤粉着火及时性特性的装置，其特征在于：所说的数据处理器(10)的数据输出端还连接有报警器(11)和计算机集散控制系统DCS(12)。

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