CN101520183A - 使用火上区传感器和数据分析的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于分析燃烧系统的火上区附近的燃烧质量的系统，包括至少一个搭载在该燃烧系统中处在该火上区附近的壁上的透镜组装件。使用一个或更多个光检测器来测量该火上区中发出的光的强度。数据获取系统经由通信链路连接至该光检测器组装件并且包括用于将这些光信号转换成数字信号的模数转换器和数据缓冲设备。计算机用线性和非线性信号分析技术来分析这些数字信号。

Description

使用火上区传感器和数据分析的系统
技术领域
本发明一般涉及燃烧领域，尤其涉及新式且有用的用于监视燃烧系统的火上风(OFA)区中的燃烧的诊断系统。
背景技术
业界注意力已日益变得集中于用以帮助控制来自燃煤蒸汽发生器的排放的创新方法。已开发出先进的带有分级空气系统的低NOx燃烧器，其能达成NOx排放的大大减少，同时控制诸如CO、飞灰烧失量(LOI)等其他组分，结果得到整体改善的运作。在绝大多数实例中，是基于通过在发动和试运行过程期间进行参数调谐来调整装备的正常做法来给这些低NOx系统提供有保证的性能。
由于燃烧器技术已有所进步，因此使燃烧分级以及将空气引入OFA区中的能力已变得日益重要。可控制OFA来平衡以可接受的CO能达成的最小NOx。由于燃烧器以更为亚化学计量的方式来运作来达成更低的NOx排放，因此便有未能燃烧的CO气泡(pocket)或气缕(plume)进入OFA区中。必须有效地分布OFA以减少CO排放。实时OFA区数据——若证明其相对于燃烧过程的状态是可预测的——将提供对此重要区域的更好和连续的控制。由此，需要添加先进的传感器来提供对锅炉的上炉膛(OFA区)中的燃烧过程的实时测量和反馈。
已开发出用于流化床的诊断技术。这些诊断系统是基于从亦称混沌理论的非线性动力学理论而来的概念。采用混沌理论来监视和控制流化床的湍流中微粒与气体之间的相互作用，由此改善其性能并减少气态污染物的排放。
对于低NOx燃烧器也有诊断系统可用。这些系统利用来自现有光学火焰探测器的信号来诊断个体燃烧器中助长过度排放和低效率的不良运作。通过持续地监视所有燃烧器的状态，就可不受负荷改变、燃料质量变动以及装备退化影响地来优化整体的窑炉性能。监视系统的主要硬件组件是用于采集火焰探测器信号的中央数据获取系统以及用于信号处理和显示的计算机。还包括图形用户界面和用于处理这些探测器信号的诊断模块。该系统使用数学工具来标识出火焰图谱并诊断燃烧问题。
美国专利6,389,330公开了针对燃烧器火焰区以及在火上风口附近的焰后燃烧区的燃烧诊断技术。具体而言，在美国专利6,389,330中提供的诊断技术包括传感器和信号分析算法。这些传感器对电磁谱的不同部分中的辐射敏感。所述信号分析采用线性分析技术。该辐射信号中的低频波动表明为对焰后燃烧条件上的改变敏感。该分析本质上确定超过预先确定的域值的正负峰的数目以标识出不稳定性和分布不均性。这些分析技术并非基于混沌理论的原理。该信号分析的结果已经与诸如CO和NOx等重要性能参数相关。从美国专利5,798,946中还可获悉其他用于分析燃烧式燃烧器的运作的信号处理系统。
单有线性分析技术不足以鉴别出燃烧稳定性方面的重要差别。由此，本领域中还需要能增强可从位于火上风口附近的传感器产生的信息的信号分析技术。
发明内容
本发明一目的是以对OFA增强的监视和控制来提高单元性能。
本发明进一步的目的是提供用于获取代表着OFA口附近的燃烧条件的信号的装置。
本发明又一目的是提供一种用于分析该信号以确定这些OFA口附近的燃烧质量的系统和方法。
相应地，提供了一种用于分析燃烧系统的火上区附近的燃烧质量的系统。该系统包括至少一个搭载在该燃烧系统中处在该火上区附近的壁上的透镜组装件。使用一个或更多个光检测器来产生与该OFA区中发出的光的强度成比例的模拟信号。这些光检测器信号经由通信链路传送至数据获取系统。该数据获取系统包括用于将这些模拟信号转换成数字信号的模数转换器和数据缓冲设备。提供了用于分析这些数字信号的装置，诸如计算机。该计算机储存数据、提供分析程序并且提供图形用户界面。
表征本发明的各种有新颖性的特征用附于本公开并构成其一部分的权利要求书中的具体细节来指出。为更好地理解本发明、其操作优点以及通过其使用达到的具体目的，对其中例示说明了本发明的优选实施例的附图以及描述性内容进行参考。
附图说明
在附图中：
图1是本发明的系统的示意表示；
图2是本发明的透镜组装件的俯视平面图；
图3是本发明的透镜组装件的正视图；
图4是本发明的透镜组装件的侧视图；
图5是透镜组装件位于替换位置处的系统的示意表示。
具体实施方式
图1示出用于获取代表着OFA口附近的燃烧条件的信号以及用于分析该信号以确定OFA口附近的燃烧质量的系统10。系统10包括安装在锅炉100中处于OFA口16附近的上炉膛燃烧区110中的一个(或多个)透镜组装件12、光检测器组装件25、数据获取系统30、以及计算机40。透镜组装件12经由诸如光纤电缆敷设之类的第一通信链路50连接至容纳于组装件25中的诸个体光检测器传感器。组装件25中的这些光检测器产生模拟信号，其经由诸如带状电缆60之类的第二通信链路被发送至数据获取系统30。数据获取系统30包括模数转换器和数据缓冲设备。至少有一个传感器与每一透镜组装件12相关联。每一传感器获取来自其各自的透镜组装件12的光信号。模数转换器和数据缓冲设备将该光信号转换成数字信号以如下所述地供计算机算法进行分析。使用诸如以太网电缆70之类的第三通信链路将该数据获取系统连接至控制室中的计算机40。该通信链路优选为以太网电缆，但也可以包括经由无线发射机的无线连接。
使用对不同波长范围敏感的两种类型的光检测器来测量后燃烧的火上区中发出的光的强度。硅光检测器对从紫外(0.2微米)延伸到近红外(1.0微米)的光敏感。锗光检测器仅对从1.0微米延伸到1.6微米的近红外区域中的光敏感。随后能测量并分析来自这些光检测器的时变信号。尽管在本发明中优选使用硅和锗光检测器，但光检测器可由也合适的其他材料构造而成。由于光检测器可由不同材料构造而成，或者可能对不同的光波长敏感，因此不同类型的光检测器将是可接受的。这些光检测器可定位成远离专用组装件25中的透镜组装件，或紧耦合至这些OFA口附近的透镜12。
此外，发源于单个测量位置的光能被拆分并且用两个光检测器来同时测量，其中每一检测器测量光谱中的不同范围，由此提供对两个不同波长范围中的光强的测量。来自这两个光检测器(即，两个波长范围)的这两个同时信号之比可用于使用众所周知的双色高温测定法技术来推断温度。
在由模数转换器和数据缓冲设备将光信号转换成数字信号之后，使用算法形式的传统线性分析技术来分析这些信号，包括诸如平均、均方根(RMS)、偏斜度和峰度、功率谱分析、以及群集分析等标准统计。除线性分析技术之外，也采用非线性分析技术，诸如相关维、熵、时间不可逆性、码元序列分析、以及互信息等。
本发明的一种独特的新颖特征在于信号平均与RMS的组合提供对与CO气体的燃烧相关联的燃烧强度的测量。信号的平均或即DC(直流)分量是对OFA口附近CO的持续存在和浓度的衡量。信号的RMS或即AC(交流)分量(波动分量)提供对CO浓度上的时间波动的指示。这两者对于评估和调整必须被传送到OFA口才能有效地烧掉烟道气中的残留CO的OFA量皆是关键的。大平均值指示存在CO气缕并且需要更多火上风。其还暗示可能需要调整OFA口以下的那些燃烧器以减少该具体OFA口附近的CO浓度。与大RMS值相结合的低平均值指示有交替的富CO和欠CO的局部积气在该OFA口附近经过。信号中的此特性暗示来自许多燃烧器的气体的聚集混合上分布不均、或者来自单个燃烧器或燃烧器群的排放上因去往受影响燃烧器的燃料或空气流上的变动之故而有波动。
具体而言，时间不可逆性是一种能在与具体OFA口相关联的燃烧事件及跨炉膛在相对壁上诸OFA口处发生的燃烧事件之间加以鉴别的分析技术。已表明与线性分析技术相结合的非线性分析技术比之单有线性技术而言提供更多关于燃烧不稳定性和质量的本质的信息。而且，非线性技术与线性技术的结合还使得将会产生关于燃烧质量的错误信息的可能性最小化。
对照对应于良好燃烧的已知结果来评价这些分析技术的结果。将一面壁上的每一传感器的结果彼此进行比较以评估OFA口群的燃烧均一性。例如，指示在个体OFA口处有剧烈燃烧的信号在被分析时将提醒操作员将更多空气引向该具体端口或者调查该端口以下的燃烧器列是否有关于这些燃烧器自身的潜在燃烧问题。
图2-4示出透镜组装件12。移除了目标透镜组装件位置附近的绝缘和隔热材料以曝露出膜式壁14。在壁14的膜上位于毗邻管16的冠部之间处切割出2＂槽。将探测器搭载架固定件18搭载在该膜式壁上并焊接至膜式壁14以形成气密密封。铰接探测器搭载架20附着于探测器搭载架固定件18。铰接探测器搭载架20提供用于优化透镜组装件的取景的灵活性，以提供关于OFA口附近的燃烧质量的最大限度的信息。可以将驱动机构附着于铰接探测器搭载架20以允许能够随着锅炉100上的负荷改变而将其调整到最优方位。在该完整的组装件周围重新安装绝缘和隔热层。将透镜22附着于铰接探测器搭载架20。
可以将对于OFA口附近的燃烧质量的分析的结果与对于该燃烧系统中的这些燃烧器处或其他地方的燃烧质量的分析的结果进行组合来指导对整个燃烧系统的调谐。如图5中所示，在锅炉上的另一位置处，诸如在燃烧器附近提供另一透镜组装件300，并且将其连接至第二数据获取系统310，第二数据获取系统310也连接至控制室中的计算机40。由此，计算机40因此能分析该燃烧系统中的多个位置。
虽然已经示出和详细描述了本发明的具体实施例以例示说明对本发明的原理的应用，但是将理解本发明可以按其他方式来实施而不会脱离这样的原理。

Claims (22)

1.一种用于分析燃烧系统的火上区附近的燃烧质量的系统，包括：
至少一个透镜组装件，搭载在所述燃烧系统中处在所述火上区附近的壁上；
光检测器组装件，被安排成测量所述火上区中发出的光的强度；
处于所述透镜组装件与光检测器组装件之间的第一通信链路；
经由第二通信链路连接至所述光检测器组装件的数据获取系统，包括用于将所述光信号转换成数字信号的模数转换器和数据缓冲设备；以及
用于分析所述数字信号的装置，其经由第三通信链路连接至所述数据获取系统。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透镜组装件包括搭载在所述燃烧系统的壁上的探测器搭载架固定件、附着于所述探测器搭载架固定件的铰接探测器搭载架、以及附着于所述铰接探测器搭载架的透镜。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括附着于所述铰接探测器搭载架的驱动机构，用于调整所述铰接探测器搭载架的方位。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透镜组装件搭载在所述壁上处在毗邻管的冠部之间的槽中。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，是使用硅光检测器来测量所述火上区中发出的光的强度。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，是使用锗光检测器来测量所述火上区中发出的光的强度。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，是同时使用两个光检测器组装件来检测从发源自单个测量位置的光信号拆分出的两个光信号。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述两个光检测器组装件是硅和锗。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，有多个透镜组装件搭载在所述燃烧系统的相对壁上。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处于至少一个透镜组装件与所述光检测器组装件之间的第一通信链路是光纤。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，处于所述数据获取系统与所述光检测器组装件之间的所述第二通信链路是带状电缆。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三通信链路是以太网电缆。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三通信链路是无线通信连接。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用于分析的装置是计算机。
15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用于分析的装置采用线性与非线性分析技术的组合作为算法来分析所述数字信号。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述线性分析技术包括选自下组的标准统计：平均、均方根、偏斜度、峰度、功率谱分析、以及群集分析。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述非线性分析技术选自下组：相关维、熵、时间不可逆性、码元序列分析、以及互信息。
18.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括至少一个被安排在所述燃烧系统中的替换位置处的附加透镜组装件、经由第四通信链路连接至所述附加透镜组装件并经由第五通信链路连接至所述用于分析的装置的第二数据获取系统。
19.一种用于分析燃烧系统的火上区附近的燃烧质量的方法，包括以下步骤：
接收代表着所述火上区附近的燃烧条件的信号；以及
分析所述信号以确定所述火上区附近的燃烧强度和质量。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述信号是由线性与非线性分析技术的组合作为算法来分析的。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述线性分析技术包括选自下组的标准统计：平均、均方根、偏斜度、峰度、功率谱分析、以及群集分析。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述非线性分析技术选自下组：相关维、熵、时间不可逆性、码元序列分析、以及互信息。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20090902