CN102859340B - 光学火焰传感器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种光学测量设备(100)，光学测量设备(100)适合于确定火焰中的温度并且适合于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小。该光学测量设备(100)包括用于测量火焰中的光信息并且输出测量结果的彩色照相机(10)，以及适合于评估测量结果的评估单元(20)。此外，燃煤发电厂(200)配备有用于各在火焰中燃烧粉碎的煤的多个燃烧器(35)以及多个所述的光学测量设备(100)。此外，提供一种用于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小和温度的相应方法。

Description

光学火焰传感器

背景技术

本公开一般涉及测量设备和用于测量的方法。具体来说，本发明涉及以光学方式探测火焰中的热点的测量设备和方法。该设备和方法尤其允许确定氮氧化物的形成。本公开的设备和方法尤其用于煤燃烧，并且可以尤其考虑到平衡燃烧器化学计量。

可以在煤燃烧期间形成氮氧化物(NO_x)(例如一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO₂))。氮氧化物可以对健康有严重的影响。另外，氮氧化物被认为是温室气体。大气中的NO_x形成促成酸雨的硝酸。因此，环境规定要求减少在炉子和锅炉中的燃烧反应中氮氧化物的形成，并且甚至可以包括对排放者的经济罚款的应用。

氮氧化物(简称NO_x或NOx)和其它物质在温度实质上高于期望温度的火焰的所谓热点中形成。考虑到导致氮氧化物的形成的反应与火焰中的高温点有关，应用光学技术以便于监测燃烧过程。因此，可以将热点的直接测量用作控制参数来优化燃烧，从而减少NO_x的形成。

此外，燃烧过程中一氧化碳(CO)的形成也是需要关注的问题。NO_x和CO两者的形成取决于若干变量，特别是取决于温度、燃烧过程中存在的燃料和空气之间的比率以及燃料的颗粒大小。

为了确定和控制这些变量，在燃烧过程中使用光学监测。在清洁燃烧燃料(例如煤气、液烃)的燃烧中，光学标准方法(例如光谱法)允许在热点的确定和定位时得到令人满意的结果。然而，由于固态煤较长的挥发时间，煤燃烧的光学监测并不是同等地简单。更确切地说，当燃烧煤时，总是有小颗粒存在于火焰中，使光谱法变得复杂。

煤燃烧中的另一个任务是识别颗粒大小，这是因为偏离最佳大小的颗粒还将导致非最优的燃烧过程，该非最优的燃烧过程可以导致热点等等。颗粒大小的可变性也对燃烧控制有影响。较小的颗粒燃烧较快，较大的颗粒则需要更长的时间来挥发。

提出以光学方式测量来自存在于火焰中的基物质的排放，例如OH^-、CH^-和C₂ ^-3。在清洁的燃烧气体和液体燃料的燃烧中，对来自火焰中的这些基的排放的监测可以给出火焰温度和反应化学计量的精确读数。然而对于煤应用，由于存在不同大小的固体颗粒，基物质的直接探测并不是同等地可行。煤颗粒散射由火焰发出的光，从而使对来自基的火焰温度的直接测量变得困难，乃至不可能。另外，化学计量涉及价格昂贵并且需要高度维护的光学元件，例如滤波器、透镜、反射镜等等。例如，在具有大量燃烧器的燃煤发电厂中，为每台燃烧器提供、设置以及维护这些光学元件意味着巨大的投资。

因此，存在对能够确定温度，尤其是热点以及燃料的颗粒大小的改进的光学监测方法和仪器的需要。具体而言，存在对易于安装并且同等地低廉的光学监测方法和设备的需要，以便可以在若干燃烧器处安装多个该设备。

发明内容

鉴于上述内容，根据一个方面，提供一种光学测量设备。该光学测量设备适合于确定火焰中的温度并且适合于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小，并且包括用于测量火焰中的光信息并输出测量结果的彩色照相机。它还包括适合于评估测量结果的评估单元。

在本公开的上下文中，燃料表示任何可燃物，包括气态的和/或液态的和/或固态的可燃物，并且尤其是包括任何形式的煤。为了使公开的设备和方法高效地运行，燃料应该总是包括具有某个颗粒大小的颗粒的某种等级的燃料。

根据另一个方面，提供一种燃煤发电厂。该燃煤发电厂具有用于各在火焰中燃烧粉碎的煤的多个燃烧器以及根据本说明书的多个光学测量设备。

根据又一个方面，提供一种用于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小和温度的方法。该方法包括接收来自火焰的光信息并使用彩色照相机测量它；将测量结果提供给评估单元；以及评估测量结果。

根据再一个方面，提供一种用于控制燃烧器的方法。这些方法包括如本文所描述的用于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小和温度的方法。它还包括依赖于所评估的测量结果控制燃烧参数。

更多示范实施例是如从属权利要求书、说明书和附图所示。

附图说明

更特别地，在本说明书的剩余部分阐述了对本领域技术人员来说包括其最佳实施方式的完整且能够实现的公开，其包括对附图的参考，其中：

图1、2、3a、3b、7和8示出根据本公开的光学测量设备的示意性实施例。

图4为示出理论黑体辐射光谱的示意图。

图5为示出由米氏散射理论修改的示范性黑体辐射光谱的示意图。

图6示出示范性测量结果以及它们到修改后的黑体辐射光谱的拟合。

图9和10示意性地示出根据本文所描述的方法实施例的控制和优化图。

图11示意性地示出空气与燃料的比率和燃烧参数之间的关系。

图12示意性地示出燃煤发电厂的示范实施例。

具体实施方式

现在将详细地参考各个示范实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。每个示例都是以说明的方式提供，并且不意味着限制。例如，作为一个实施例的一部分来示出或描述的特征可以用于其它实施例或结合其它实施例使用，以便又得出另一个实施例。意图为本公开包括这样的修改和变化。

以下将解释多个实施例。在这种情况下，在附图中相同的结构特征通过相同的附图标记来标识。附图中示出的结构不是按真正的比例描绘的，而只是用于更好地理解实施例。

一般而言，提出的系统和方法允许通过监测火焰的温度以及火焰内燃料颗粒的颗粒大小分布来减少氮氧化物的形成。在实施例中，也可以监测和控制CO的形成。一般而言，在标准燃烧期间，期望颗粒大小具有恒定值。对相应参数(例如粉碎(milling)设定)的控制都以此为目的。只有在过渡时段期间，即在燃烧的启动期间，可能期望较大的颗粒大小。

在一实施例中，借助优化算法控制燃烧，该优化算法的成果是允许修改燃烧参数，以便优化燃烧温度、颗粒大小和/或添加的燃料与空气的比率。在煤燃烧中，在实施例中的方法和设备允许优化燃烧过程和/或煤颗粒大小。

为了说明性的目的，将空气与燃料的比率、温度以及NO_x和CO的形成之间的关联作为一般趋势在图11中示意性地示出。示出了燃烧器处的情况，但该情况并非必然代表炉子中的整体燃烧：

一般而言，NO_x的数量可以在200ppm至1200ppm的范围内变化。典型地，火焰温度可以在1400K至2400K的范围内变化。燃烧器处，CO的数量可以在0％至10％的范围内变化。在过度燃烧期间CO的数量可以进一步降低。最后，典型地，从炉子中释放50ppm至200ppm之间的CO。

在烃火焰中氮氧化物或NO的形成主要通过三种机制发生：

1.热力型NO(通过在高温下产生的氧原子对分子氮的固定)

2.燃料型NO(在燃烧期间，通过空气中的氧气对燃料中包含的氮进行的氧化)

3.快速型NO(烃基在分子氮上的撞击)

在煤燃烧中，NO的大部分(70％至90％)来源于燃料型NO(第二种情况)。

因此，减少NO_x的关键步骤是限制可用于与燃料氮(简称燃料N)反应的空气。根据本文描述的实施例，提供一种分阶段燃烧。根据该分级燃烧，燃烧器是在炉子的下端，并且以比完成煤的燃烧所需更低的空气与燃料的比率或化学计量运行。随着燃烧产物在炉子内增加，在过度燃烧或第二过度燃烧阶段逐渐地增加空气的数量来完成燃烧过程。这种安排允许燃料中包含的N在O₂缺乏或O₂降低的环境下转化成N₂，而不是NO。

具有较小的颗粒大小也是有帮助的，这是因为燃料中包含的氮原子(简称N)可以在氮原子到达过度燃烧阶段之前，更快地转化成N2。

在根据本公开的一实施例中，测量温度和/或颗粒大小。使用燃烧模型来评估在燃烧器阶段的有效的空气与燃料的比率。在知道这个信息的情况下，既可以通过保持温度低来控制热力型NO，并且更重要的是，又可以通过借助控制空气插入和颗粒大小来将空气与燃料的比率保持在它的适当值，从而控制燃料型NO。

根据实施例，提供至少6个，或至少12个的多个燃烧器。例如，在具有36个燃烧器并且知道各个火焰扫描器/测量的情况下，用于调整添加的空气的数量的各个风门可以得到控制，以便操纵燃烧空气。因此，可能在每个单独的燃烧器处维持所期望的条件。这就是下文中所称的“单独的燃烧器化学计量平衡”。

根据另一个方面，也控制一氧化碳的形成。CO作为污染物不是同等地重要，原因在于可能通过维持废气(即，在过度燃烧区域中)中过量的氧来控制。然而，如图11中所示，效率与温度有关，而温度与空气与燃料的比率有关并且与有多少煤在高温下燃烧有关(CO代表不完全燃烧的程度并且在过度燃烧空气阶段中燃烧CO并非是高效的，因为那里的温度较低)。

因此，在效率和NO_x形成之间存在权衡。为了增加效率，必须在高温下燃烧更多的CO，其导致释放更多NO_x(参照图11中温度曲线T的最大值之前的图表的左部)。然而，增加空气与燃料的比率，CO的转化冷却了火焰温度，因而效率再次下降(参照图11的图表的右部)。一般而言，燃烧过程中的最佳点为图11中从最大值处稍微向右偏离。这通常保证了更为完全的燃烧。然而，如果，例如，该发电厂必须满足特定的NO_x阈值，则在一实施例中也是这样的情况，该控制使得将运行温度选择在标明为T的温度曲线的最大值稍微偏左处。

图1示意性地示出本公开的实施例。光学测量设备100包括用于接收来自火焰5的光信息的彩色照相机10。例如，该彩色照相机可以是如用于标准消费性照相机的红绿蓝照相机。一般而言，彩色照相机适合于输出关于从大约400nm到800nm波长的可见范围内的信息。照相机10连接到评估单元20，该评估单元20适合于确定火焰中的温度，因此允许确定火焰中的氮氧化物的形成。此外，评估单元20可以适合于确定火焰中存在的燃料的颗粒大小分布。

根据实施例，照相机为三通道RGB(红绿蓝)照相机。在一实施例中，它包括CCD或CMOS传感器芯片。它还可以装备有一个或多个滤波器，例如拜尔滤波器马赛克等等。例如，在拜尔滤波器马赛克的情况下，可以使用多种解马赛克算法为每个点内插一组完整的红值、绿值和蓝值，以便于获得全色彩图像。在一实施例中，在照相机中执行这些算法。在一实施例中，可能使用低成本照相机。该照相机允许分开测量红色波长范围中的红色光信号、绿色波长范围中的绿色光信号以及蓝色波长范围中的蓝色光信号。在备选的实施例中，使用宽带相机和附加的窄带滤波器。然而，与标准的或低成本的相机相比，这导致了更高的成本。

一般而言，将测量结果传输到评估单元。例如，评估单元可以是数据存储装置和微处理器，例如个人计算机。基于所测量的光信息，评估单元确定对应的温度。该温度允许关于氮氧化物的形成率得出直接结论，这是因为NO_x是在火焰的热点中形成的。它还可以允许关于CO的形成得出结论。此外，如下更具体地描述的，它允许关于火焰内燃料的颗粒大小得出结论。

根据一实施例，该照相机允许取决于位置的测量，即以空间分辨方式。例如，典型地，将所监测的火焰5投影到照相机10内的二维矩形平面上，该相机10的像素以矩阵配置排列。因此，当测量入射光的时候，可能监测取决于像素(即，取决于在火焰5内所投影的二维位置)的温度和/或像素大小的结果。可能将这个结果以类似映射的方式输出到光学屏幕。因此，该系统的操作者可以光学方式监测火焰上的温度和/或颗粒大小分布。

在一实施例中，可能将照相机放置在远距离地点上以便使火的热量不损害照相机。因此，可能提供一种传送器(例如光纤束)用于将光从燃烧器传输到照相机。该设置还可以包括前端光学器件11，该前端光学器件11适合于暴露于火焰5并且使火焰5发射的光聚集到传送器12中，例如光纤束12中。

在图2中示意性地示出了这样的设置，图2示出燃烧器中的火焰5，连接到传送器12的前端光学器件11。在图2的实施例中，照相机10位于传送器12的一端。照相机10连接到评估单元20。

一般而言，并不限于这个实施例，可能在照相机和评估单元之间提供放大器。一般而言，还可能在前端光学器件上或在前端光学器件和照相机之间提供滤波器，以便仅让特定波长(例如在可见范围内的那些波长)通过。提供特定的滤波器还可以允许改进灵敏度。

使光接收光学器件朝向火焰的方向(例如在火焰后面，或在火焰侧面)是可能的。如本文所理解的术语“光接收光学器件”应该包含前端光学器件，该前端光学器件聚集从火焰发射的辐射并将它传输到照相机。因此，在照相机直接面对火焰放置的那些应用中，该前端光学器件可以是照相机本身，或者更有可能的，它是例如图2、3a和3b中附图标记11所指代的前端光学器件。在一实施例中，光接收光学器件11具有最高达180°、可选地最高达90°、可选地最高达60°的视角(视角定义在从接收光学器件或前端光学器件11朝火焰15的视线和火焰方向之间)，从而允许看到火焰5的大部分。

图3a中示意性地示出一种配置，其中，前端光学器件被放置在火焰的前方。图3b中示意性地示出侧向设置。按照规定，将光接收光学器件放置在火焰后方(未图示)也是可能的。

在图3a和3b中，附图标记35指代燃烧室。本文中应该同义地使用术语“燃烧室”和“燃烧器”。典型地，提供将粉碎的煤与氧气或空气一起吹进燃烧器35的进料管30。

在图3a中示出用于输出评估单元10的测量结果的屏幕25。本文描述的所有实施例中都可以提供这个屏幕。一般而言，彩色照相机的每个像素的测量结果都导致火焰内的温度和颗粒大小的二维投影。这可以以类似映射的方式输出到屏幕，其中，例如，通过颜色指示温度，例如，用于低温的红色直到用于高温的蓝色。也可以类似地可视化颗粒大小的绘图。

特别是在煤燃烧中，由于由悬浮的煤颗粒造成的光散射，许多标准频率分辨光学方法都如之前所述的那样失败。根据本公开，提供一种方法来处理背景散射光并识别温度。该方法使温度估计基于修改的黑体辐射光谱的假设。

在该黑体处于热力学平衡的情况下，黑体辐射是由于物体的温度而从物体表面发射的电磁辐射。根据普朗克辐射定律，黑体热辐射的所发射波长通过仅取决于温度的概率/强度分布来描绘。

为了举例说明，图4示意性地示出两个物体的黑体辐射，它们的其中一个处于任意温度T₁，另一个处于任意温度T₂，其中T₂＞T₁。示意性地示出依赖波长λ的强度I。

根据本公开的实施例，普朗克黑体发射光谱与米氏散射理论相结合。当颗粒具有辐射波长量级的物理大小时，米氏理论涉及用于电磁辐射的麦克斯韦方程的解。根据米氏散射理论考虑颗粒大小分布导致根据普朗克改变的黑体光谱形状。

理论上，通过所谓的发射率ε，根据I_Mie＝ε(λ)*I_Planck来修改普朗克光谱I_Planck。一般而言，根据广泛使用的由Hottel和Broughton得出的经验方程来假定发射率ε：

ε(λ)＝1-exp(-KL/λ^α)                         (G1)

其中，K为吸收系数(m^-1)，L为火焰沿光轴的几何厚度(光程的长度)，以及α为一般地取决于波长λ(μm)的经验参数(米氏散射)。在一实施例中，对于稳定光焰，可以认为α为大约1.4。

图5中示例性地示出修改的光谱，其中，依赖波长λ为之前提及的两个温度T1和T2绘制依据强度I的光谱。本文使用的术语“修改的黑体光谱”、“修改的普朗克光谱”等等应该被理解为“利用米氏散射理论修改”，即，通过考虑发射率。

根据本公开，利用彩色照相机来监测火焰。例如，彩色照相机是红绿蓝照相机，以便彼此独立地测量这三种颜色中的每一种。

一般而言，照相机的两种颜色的所测量强度可以足够获知对应的修改的黑体转动光谱。为了举例说明的目的，这在图6中示范性地示出。示出了由彩色照相机提供的测量范围：蓝(B)、绿(G)和红(R)。现在，为了举例说明，我们假设照相机的红色通道已经测量了对应于图6中的阴影线区域的分布。类似地，虽然只是为绿色通道示出，但是绿色通道和蓝色通道也可以已经测量了拟合所示的修改的黑体光谱的光谱。因此，根据测量值推导出对应的黑体光谱并因而推导出所监测点的温度和颗粒大小是可能的。

根据实施例，通过使用至少两个测量结果(即，来自三种颜色中的任意两种的结果)的拟合方法来执行拟合。虽然如此，如果考虑全部三种颜色的测量值以便可以更精确得多地指定相应光谱，则可以改进该结果。为了这样做，在一实施例中，首先将颜色中的第一对用于该拟合方法。然后，在用于改进拟合结果的第二步骤中，使用颜色中的第二对，其中，该颜色中的第二对与第一对相比一种颜色不同。

在给定对于相邻颜色(即蓝和绿；绿和红)发射率只是轻微不同(典型地不超过10％)的事实的情况下，将红和绿以及蓝和绿的测量结果用于对应光谱的确定是可能的。知道相应光谱分布允许确定火焰中对应点的温度。

米氏散射校正值KL也在该方法中确定。值得注意的是，尽管KL在理论上是两个参数的组合，现在，只有吸收系数K和火焰沿光轴的几何厚度L的乘积被确定作为散射的度量，因而作为颗粒大小分布的度量。

换言之，本文所描述的方法允许分开确定火焰中的颗粒大小分布和温度。为了这样做，将来自彩色照相机的结果用于算法中，以便于确定由匹配测量结果的米氏散射KL来修改的黑体辐射光谱，。由米氏散射理论修改的黑体辐射光谱对于每个温度T和每个米氏散射校正值KL来说是独特的分布。因此，基于来自照相机的三种颜色的两个测量值来确定相应温度和米氏散射校正值在理论上是可能的。

然而，如果考虑全部三个值，则实质上在精度方面改进了该方法。因此，计算蓝色的所测量强度和绿色的所测量强度的比率是可能的。另外，计算红色的所测量强度和绿色的所测量强度的比率是可能的。

通过提出的方法，分开地对每个像素测量投影到二维照相机表面上的颗粒大小分布和火焰中的温度。结果，可以为每个时刻计算温度和颗粒大小分布的映射。这不但允许确定热点的存在，而且允许它们的定位。另外，根据所描述实施例的方法允许根据米氏散射理论确定颗粒大小分布。关于热点的存在和颗粒大小分布的组合信息允许优化燃烧过程，例如，在对预处理参数的对应控制中，比如粉碎过程或煤粉和/或空气供应过程中。此外，评估单元的输出可以直接地或间接地用于风门的控制，该风门可以被提供用来控制所供应的空气。根据实施例，为每个燃烧器提供风门以便可以分开地为每个燃烧器控制燃烧过程。通过燃烧过程的持续优化，达到若干积极的效果。可以实质上地减少氮氧化物形成和排放的比率；可以优化生成的CO的比率；可以优化煤的粉碎大小；可以优化燃料与空气的比率；可以改进过程的效率；等等。

更具体地，可以执行以下方法要素：首先，根据两个波长λ1和λ2处的强度结果I_λ1和I_λ2，估计每个像素的温度，其中，λ1属于红色并且λ2属于绿色，或λ1属于绿色并且λ2属于蓝色。

$T=\frac{c_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}{\ln \frac{I_{1{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{{2\mathrm{\λ}}_2}}+\ln \frac{S_{{\mathrm{\λ}}_2}}{S_{{\mathrm{\λ}}_1}}+\ln {\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^5}---\left(G2\right)$

常数C₂对应于Wien常数。典型地，ln(S_λ2/S_λ1)为常数，其中S_λ1、S_λ2是根据波长的发射率。这个常数可以简称为s并可以假设其等于1，即s＝ln(S_λ2/S_λ1)，并且尤其是s＝1。因此，可以确定温度。给定这个温度，可以通过给定下列关系式计算出发射率ε₁和ε₂。

$I_n=C{\mathrm{\ϵ}}_n\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}_n^5{e}^{\frac{{-c}_2}{T{\mathrm{\λ}}_n}}},n=\mathrm{1,2}---\left(G3\right)$

其中，C₁是比例常数。一旦知道了发射率(ε₁和ε₂)，吸收因子KL就可以通过计算比率I₁/I₂来确定。KL与未燃烧的颗粒的数量紧密地相关。因此，燃烧优化的目的在于使KL保持尽可能地小。

在一实施例中，可以对相邻颜色的第一对(即，红和绿，或绿和蓝)进行该计算。此外，可以另外地对相邻颜色的剩余对进行该计算。两次计算的结果可以用于计算加权平均值，可能考虑来自校准的系数。备选地，可能使用两个结果来进行，例如最小二乘法估计，以便于改进关于发射率系数ε₁和ε₂的结果。

因此，本方法允许测量光散射参数。它还将校正方法用于获得火焰的二维温度估计。大致来说，该方法是基于使用火焰排放重叠照相机的三种颜色，来重建火焰的修改的黑体辐射曲线。根据实施例，该算法计算基于在燃料中自然发生的变化的平均颗粒大小分布。相比标准宽带高温计的优势是，在对散射的直接处置中，使用第三颜色来获得更好的温度估计。根据一些实施例，可以执行附加的光学滤波来改进测量的灵敏度。

根据又一些实施例，另外地提供激光器。该激光源对准火焰。使用激光散射来测量颗粒大小和颗粒大小分布。

图7示意性地示出具有激光器的原理设置，其中，激光器40指向火焰5，在火焰5中散射激光。一般而言，可以通过照相机10记录激光。在图7中示出的实施例中，在附加的探测器15中探测激光。可以将这些测量结果传输到评估单元20。

图8示范性地示出具有激光器的另一个实施例。将激光引导进入燃烧室35。可以在燃烧室壁中提供开口或玻璃窗口来传输激光。一般而言，但不限于这个实施例，可以将彩色照相机10和/或附加的探测器15联接到评估单元20。在图8中示出在激光器40和评估单元20之间的示范联接50。由于照相机10、探测器15和/或评估单元20之间的联接，可以提供在照相机10、探测器15和/或激光器40之间的数据连接。

激光被火焰中的颗粒散射，以至于可以在照相机和/或探测器中测量到一些散射光子。为了避免或减少背景火焰光的影响，一般而言，可能将激光器调制在特定的波长，并通过探测器15探测激光，例如通过执行锁定探测(lock-in detection)。

由于在散射角度分布和颗粒大小分布之间的已知关系，在所选定角度β上的散射激光强度允许确定颗粒大小分布。因此，鉴于散射强度与sin β/2成比例的事实来选择β。在一实施例中，可以改变角度β以便可以评估不同角度上的测量结果。一般而言，较小的颗粒导致较小的强度，反之，较大颗粒的存在增加散射。

一般而言，根据本公开，照相机的输出被输入到其中运行了控制-优化-软件的评估单元，该控制-优化-软件解释火焰条件和颗粒大小。可以对最大值参数设置阈值，即，通过触发对限制火焰温度或当发现大颗粒时改进前面的粉碎机中的煤的研碎所必要的控制响应，来减少氮氧化物的形成。

一般而言，在最高达大约200微米的范围内的颗粒大小是可能的。在一实施例中，具有小于大约75微米(特别是小于74微米)的大小的至少约70％的颗粒的数量允许仅具有少量氮氧化物形成的高效燃烧过程。

图9示出根据本文描述的实施例的控制和优化图。如所示出的，根据局部燃烧模型60评估燃烧参数51(例如燃烧气流)以及源于所测量的火焰光分布的计算出的温度信号52。这些燃烧参数可以包括到燃烧器区域的气流(主要空气和次要空气)的气流测量，和/或对已研碎的燃料的化学成分的测量或估计。可以在如图1、2、3a、3b、7和8所示出的评估单元20中计算出局部燃烧模型60。

基于温度信号和燃烧参数，可能为实际燃烧器化学计量的估计70建模。该计算基于局部燃烧模型60，该局部燃烧模型60是局部燃烧反应与热和质量转移现象的模型。在一实施例中，将从局部燃烧模型获得的另外的化学计量供给到燃烧优化器80，该燃烧优化器80能够平衡单独的燃烧器化学计量91，即调整燃烧参数(例如进入燃烧器的气流、过度燃烧气流92或燃烧器倾角93)来最大化效率或负载，同时将污染水平(例如氮氧化物或一氧化碳)维持在低于它们的所允许的极限。

根据实施例，如本文所描述的那样评估已研碎燃料的颗粒大小分布。参考图10的图表，根据评估单元10中的燃烧模型60来评估颗粒大小信号53。成果是对供给到燃烧优化器80的实际燃烧器化学计量的估计70。燃烧优化器可以利用这个信息来另外地控制预处理参数(比如煤粉碎机运行参数，例如，粉碎机进料器设定94，粉碎机分类器设定95，或粉碎机研磨压力96)以便于将平均颗粒大小维持在期望值，或使平均颗粒大小达到这个期望值。

在图9和10中在括号中示出术语“全局”。根据一些实施例，燃烧优化器是全局燃烧优化器，以便该优化器具有关于若干粉碎机和若干燃烧器(可能是要监测和控制的所有粉碎机和燃烧器，例如燃煤发电厂中使用的所有粉碎机和燃烧器)的状态的全局信息。

因此，假如燃烧优化器具有关于粉碎机和燃烧器的状态的足够信息，则有可能重新安排不同粉碎机和燃烧器的加负载，以便于对于给定的负载达到最优目标。

然而，也有可能提供单独的燃烧优化器。例如，当火焰传感器与燃烧器配对而该燃烧器的次要气流可以例如依靠风门装置被单独地校正时，备选的实施例将设置单独的燃烧器化学计量控制器，而没有必要使用全局燃烧优化器。例如，在这样的实施例中，可以根据来自燃烧器化学计量估计的反馈来调节到特定燃烧器的次要气流，而来自燃烧器化学计量估计又是根据对所测量的光信息的评估而推导出的。

在实施例中，可以通过比例积分控制器(PI控制器)或比例积分微分控制器(PID控制器)、基于来自火焰传感器的温度信号来确定控制动作，其中，可以根据燃烧器区域温度信号和化学计量之间的简化线性关系来选择控制器增益。

另外，也有可能向燃烧室内添加还原剂。当在还原条件下发生挥发时，可以减少煤燃烧中的氮氧化物的形成。给定根据本公开的监测方法，可能依赖于测量的情况控制还原剂的添加，即，依赖于是否存在将会导致不可接受程度的氮氧化物形成的热点。

一般而言，本文描述的火焰监测系统和方法可以被用来感测火焰的燃烧/熄灭状态，和/或用于燃烧优化，和/或用于火焰的空间监测。希望具有一种低成本、直接的、快速的且合适的光学技术，该技术可以测量火焰温度和颗粒大小，和/或可以与控制算法一起使用来调节燃烧参数，尤其是限制氮氧化物的形成。如本文描述的方法和仪器允许控制燃烧过程中NO_x形成和燃烧煤的效率。标准彩色照相机(例如RGB照相机)的使用允许以非常低的成本提供这样的监测系统。此外，考虑到没有使用光谱法的必要，另外的光学设备(例如滤波器、反射镜、透镜等等)的提供不是必需的。因此，可以大量地减少总体付出。

与基于辐射光谱法的、用于得到温度和化学计量测量的其他技术相比，黑体辐射或修改的黑体辐射的假设和低成本照相机的使用可能是一种较低精度的技术。然而，这些技术主要有助于气体和液体燃料燃烧，其中火焰中颗粒的存在是可以忽略的。具体而言，对于煤燃烧，使用如本文所描述的方法和设备能获得的分辨率通常已足够改进燃烧优化以及减少氮氧化物的形成。

即使是在没有激光器的使用但是包括将测量的光分布拟合到修改的黑体辐射以便于获得温度、发射率和吸收因子的情况下，所提出的方法也足够精确。在一实施例中提供允许在线监测的快速微处理器。然而，在许多实施例中基于无源监测的颗粒大小估计算法将不能和基于激光器的散射技术一样精确，在基于激光器的散射技术中，如上所述，激光器是另外地提供的。通过另外地使用能够有可能与另外的探测器和/或照相机配合调制的激光器，可以进一步改进测量精度。

根据实施例，除了现有的火焰扫描器之外，使用所提出的火焰确定设备。

根据实施例，可以提供每一燃烧室两个光学测量设备。例如，一个测量设备可以朝向火焰的侧面，而另一个测量设备可以放置在火焰的前方或后方。

一般而言，可能提供多个燃烧器，每个燃烧器都配备有如本文所述的光学测量设备。例如，燃煤发电厂200可以配备有至少24个燃烧器和至少24个光学测量设备，更可能地，至少36个燃烧器和至少36个光学测量设备。与涉及包括滤波器等等复杂的设置的现有技术相比，减少了设置成本。此外，给定蓝绿测量比较和绿红测量比较两者的可能评估，这些测量结果对于高效而生态地运行燃烧器来说是足够精确的。

图12中示范性地示出这样的装置。燃煤发电厂200包括多个燃烧器35。通过根据本公开的光学测量设备100监测每个燃烧器35。

虽然可以在一些附图中示出本发明的各个实施例的特定特征，而在其他的附图中却没有，但这只是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可以结合任何其他的附图的任何特征来参考和/或主张权利。

本书面描述使用包括最佳实施方式的示例来公开本发明，并且还使得本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统，以及执行任何包含的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求书来限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求书的字面语言并无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质差异的等同的结构要素，则这样的其他示例被确定为在权利要求书的范围之内。

附图标记

5  火焰

10  三通道照相机

11  前端光学器件

12  传送器

15  探测器

20  评估单元

25  屏幕

30  进料管

35  燃烧器

40  激光器

50  到激光器的联接

51、52、52、60、70、80、91、92、93、94、95、96

图9和10中的方法要素

100  光学测量设备

200  燃煤发电厂

T、T₁、T₂  温度

I  强度

λ  波长

β  激光和视线之间的角度

B、G、R蓝、绿、红

CO  一氧化碳

NOx  氮氧化物

Claims (15)

1.一种光学测量设备(100)，所述光学测量设备包括评估单元(20)和连接到所述评估单元(20)的彩色照相机(10)，其中所述彩色照相机(10)适合于测量所述火焰(5)中的光信息并用于向所述评估单元(20)提供测量结果；

其特征在于，所述评估单元(20)适合于评估所述测量结果以确定：

　　基于所测量的光信息的所述火焰(5)中的温度，以便检测热点，在所述热点中所述温度实质上高于所期望的，以及

　　所述火焰(5)中所存在燃料的颗粒大小分布，

其中

　　匹配所述测量结果的米氏散射理论所修改的黑体辐射光谱对于每个温度（T）以及每个米氏散射校正值（KL）被确定为独特的分布，其中所述米氏散射校正值（KL）是所述颗粒大小分布的度量。

2.如权利要求1所述的光学测量设备(100)，还适合于确定氮氧化物和/或一氧化碳的浓度。

3.如前述权利要求中的任一项所述的光学测量设备(100)，还包括激光器(40)，所述激光器用于将激光指向所述火焰(5)。

4.如权利要求3所述的光学测量设备(100)，还包括用于测量所述火焰(5)内所述激光器所散射的光的探测器(15)，调制所述激光并且通过所述探测器(15)使用锁定技术探测所述激光。

5.如前述权利要求1或2所述的光学测量设备(100)，还包括屏幕(25)，所述屏幕用于以空间分辨的方式、以二维的类似映射的方式以光学方式输出所述测量结果。

6.一种燃煤发电厂(200)，具有：

-多个燃烧器(35)，所述燃烧器用于各在火焰(5)中燃烧粉碎的煤；以及

-多个如前述权利要求1-5中的任一项所述的光学测量设备(100)，其中，燃烧器(35)的数目与光学测量设备(100)的数目相同。

7.一种用于测量的方法，所述方法包括：

接收来自火焰(5)的光信息，并且通过彩色照相机(10)测量它；以及将所述测量结果提供给评估单元(20)以便评估所述测量结果，

其特征在于所述测量结果被评估以确定：

　　基于所测量的光信息的所述火焰(5)中的温度，以便检测热点，在所述热点中所述温度实质上高于所期望的，以及

　　所述火焰(5)中所存在燃料的颗粒大小分布，

其中

　　匹配所述测量结果的米氏散射理论所修改的黑体辐射光谱对于每个温度（T）以及每个米氏散射校正值被确定为独特的分布，其中所述米氏散射校正值（KL）是所述颗粒大小分布的度量。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述照相机允许以空间分辨的方式进行测量，所述照相机的每个像素的测量结果产生所述火焰（5）内所述温度与所述颗粒大小的二维投影，对于每个时刻计算所述温度与颗粒大小分布的映射，并且不仅确定热点的存在，而且确定它们的位置。

9.如权利要求7或8所述的方法，其中，所述照相机是红-绿-蓝照相机，彼此独立地测量所述三种颜色中的每一种，并且从所测量的两种颜色的强度谱中找出对应的已修改黑体辐射光谱。

10.如权利要求9所述的方法，其中，首先使用第一对颜色并且然后通过使用第二对颜色来改进结果，其中所述第二对颜色与所述第一对有一种颜色不同。

11.如权利要求7或8所述的方法，还包括提供关于所述燃烧参数的另外信息给所述评估单元(20)。

12.如权利要求7或8所述的方法，还包括确定如下项中一项或多项的步骤：所述火焰(5)中氮氧化物的形成、所述火焰(5)中一氧化碳的形成以及所述火焰(5)的发射率。

13.如权利要求7或8所述的方法，还包括使激光对准所述火焰(5)。

14.如权利要求13所述的方法，还包括提供探测器(15)并且可选地调制所述激光以及通过探测器(15)、使用锁定技术探测所述激光。

15.一种用于控制燃烧器(35)的方法，所述方法包括如权利要求7-14中的任一项所述的用于测量的方法，所述方法还包括依赖于所评估的测量结果控制燃烧参数。