CN107525751B - 一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法与装置，将紫外线发射器和紫外线接收器分别设置于风粉混合物流经的管道两侧的中心位置；紫外线接收器的传感器采用紫外线光敏电阻，将光敏电阻的阻值转换为电压信号，数据处理器对该电压信号进行直接信号采样和数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动特征，根据风粉比例与紫外线辐射强度间的关系曲线，将紫外线辐射强度转换为风粉比例，根据煤粉运动特征与风速间的关系曲线，将煤粉运动特征转换为风速。本发明可灵敏地发现煤粉在管道中板结沉积、堵塞等电荷法难以发现的痼疾。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法与装置。
背景技术
在火力发电领域，煤粉燃烧发电为主要形式。煤炭被磨煤机磨成粉状后通过热风连同煤粉一起通过管道(粉管)送入炉膛燃烧。锅炉燃烧稳定性、经济性以及环保指标等要求均取决于煤质和风煤比例调控。风煤比例的精确控制一直是锅炉燃烧领域的老大难问题。目前风煤比例控制的方法主要就是调控给粉机转速，而给粉机转速与给煤量是非线性的。目前投入的风粉在线系统效果都不太理想。造成这一结果的主要原因在于风粉混合物中煤粉浓度的测量和控制都存在问题。浓度测量不准，控制也就无从谈起，浓度测量是实现精确控制的前提。目前管道中煤粉浓度测量一般采用电荷原理法，即，利用煤粉带有正电荷的特性，煤粉浓度越大，感应电极上的电压则越高。因此，可通过测量取样电极上的电压而实现浓度测量，进而实现风粉调控。
感应电极法测量风粉比例是一种间接法，不仅其电压输出特性为为非线性，而且受煤粉湿度影响极大，煤粉受潮、烘干不彻底、雨季与旱季等，差别很大，因此，基于该方法的测量装置没有得到普遍推广。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法与装置，本发明通过在煤粉管道上开孔，一侧照射紫外光，一侧接收紫外光，利用紫外光穿透能力差的特点，当管道中有一定浓度的煤粉颗粒时，接收侧紫外光传感器的输出信号便相应地产生变化，浓度越高，接收侧紫外光越弱，直至完全遮挡，传感器便输出最弱信号。因此，便实现了管道中风粉比例的检测。根据遮挡效应理论，接收传感器中的交变信号成分其实代表了煤粉的运动特征，根据运动特征与风速的关系，可以实现流速(风速)的测量，本方法为直接观测法，准确可靠。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种紫外光源法检测风粉比例及流速的装置，包括紫外线发射器、与之对应的紫外线接收器和数据处理器，所述紫外线发射器和紫外线接收器分别设置于风粉混合物流经的管道两侧的中心位置；
所述紫外线接收器的传感器采用紫外线光敏电阻，将光敏电阻的阻值转换为电压信号，数据处理器对该电压信号进行直接信号采样和数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动特征，根据风粉比例与紫外线辐射强度间的关系曲线，将紫外线辐射强度转换为风粉比例，根据煤粉运动特征与风速间的关系曲线，将煤粉运动特征转换为风速。
进一步的，所述风粉混合物流经的管道两侧的中心位置分别开两个孔，一个安装紫外光发射器，一个安装紫外光接收器，发射器和接收器的内侧均有石英玻璃片，与煤粉管道的内壁无缝对接。
进一步的，所述紫外线接收器的传感器包括紫外线光敏电阻和转换电路，将光敏电阻的阻值转换为电压信号，光电转换器的传感器为电阻型，转换电路对电阻进行阻值到电压的变换。
进一步的，所述转换电路包括集成运算放大器，精密基准信号在集成运算放大器的反相输入端与光敏电阻的负反馈电压叠加后输出，输出的电压与紫外线强度之间呈反比关系。
一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法，将紫外线发射器和紫外线接收器分别设置于风粉混合物流经的管道两侧的中心位置，利用紫外线接收器的光敏电阻的阻值转换为电压信号，对该电压信号进行直接信号采样和数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动特征，根据风粉比例与紫外线辐射强度间的关系曲线，将紫外线辐射强度转换为风粉比例，根据煤粉运动特征与风速间的关系曲线，将煤粉运动特征转换为风速。
进一步的，对信号根据最小二乘算法进行数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动强度。
进一步的，滤波的过程包括：
(1)根据申农采样理论，确定信号采样周期，将采样信号转换为傅立叶函数；
(2)构造最小二乘滤波器，使采样样本与拟合函数之间误差的平方为最小；
(3)根据遮挡效应理论，紫外线辐射强度为采样信号傅立叶函数的直流分量，煤粉运动强度为采样信号傅立叶函数的各次谐波的幅值。
所述步骤(1)中，具体为：根据傅立叶函数理论，任何一个函数均可表示为一个基频为ω的傅立叶函数，根据香农采样理论，只要采样频率f是信号频率的两倍以上，就可以从离散采样样本中恢复出连续函数，包括傅立叶函数中的各周期函数分量。
将紫外线辐射强度转换为风粉比例的计算过程为：在紫外线发射强度一定的情况下，接收紫外传感器所接收的紫外线强度与管道直径、风粉比例有直接的关系，通过实验法获得某类管径下的紫外线强度与风粉比例的关系曲线，根据实验曲线和紫外线强度，反向推算出风粉比例。
将煤粉运动特征转换为风速的计算过程为通过实验法获得煤粉运动特征与风速间的关系曲线，求得高频强度与低频强度之比K，同时，根据K—风速特性曲线和实时计算的系数K，反向推算出混合物的流速。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明提出的火力发电机组煤粉管道风粉比例和流速检测方法不受煤粉湿度及煤质影响，直观、可靠。
2.本发明提出的检测方法可灵敏地发现煤粉在管道中板结沉积、堵塞等电荷法难以发现的痼疾；
3.本发明提出的风粉比例和流速检测方法，对当前火力发电领域提高锅炉精细化燃烧调整水平具有直接的提升作用，消除了电荷法检测的缺陷，具有巨大的经济效益和社会效益。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明紫外光源及接收器在管道中安装位置示意图。
图2为本发明中光电转换电路图示意图。
图3为本发明中集中进行信息处理的双冗余控制器48点风粉在线监测系统结构图。
其中，1、紫外线发射器，2、紫外线接收器，3、煤粉管道。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在火焰观测中的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种利用紫外光照射法检测风粉比例的方法及装置。
本发明提出的紫外线检测法就是“遮挡效应”理论的拓展应用。简单说来，本发明提出的检测方法就是通过在煤粉管道上开孔，一侧照射紫外光，一侧接收紫外光，利用紫外光穿透能力差的特点，当管道中有一定浓度的煤粉颗粒时，接收侧紫外光传感器的输出信号便相应地产生变化，浓度越高，接收侧紫外光越弱，直至完全遮挡，传感器便输出最弱信号。因此，便实现了管道中风粉比例的检测。根据遮挡效应理论，接收传感器中的交变信号成分其实代表了煤粉的运动特征，根据运动特征与风速的关系，可以实现流速(风速)的测量，本方法为直接观测法，准确可靠。
本发明以管道中的风粉为检测对象，通过对管道一侧发射紫外光，对侧接收紫外光的形式，实现了风粉比例及流速的检测。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用紫外光照射法检测风粉比例的方法，所述检测方法包括以下步骤：
1)在风粉混合物流经的管道两侧的中心位置分别开两个孔，一个安装紫外线发射器，一个安装紫外线接收器；
2)紫外线接收器的传感器采用紫外线光敏电阻，将光敏电阻的阻值转换为电压信号；
3)紫外线接收处理装置内的的数字处理器对该电压进行直接信号采样和数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动特征；
4)数字处理器根据风粉比例与紫外线辐射强度间的关系曲线，将紫外线辐射强度转换为风粉比例；根据煤粉运动特征与风速间的关系曲线，将煤粉运动特征转换为风速；
所述步骤1)在风粉混合物流经的管道两侧的中心位置分别开两个孔，一个安装紫外光发射器，一个安装紫外光接收器，发射器和接收器的内侧均有石英玻璃片，与煤粉管道的内壁无缝对接。
所述步骤2)中紫外线接收器的传感器采用紫外线光敏电阻，将光敏电阻的阻值转换为电压信号，光电转换器的传感器必须为电阻型，且转换电路对电阻采取无失真的阻值——电压变换，如图1所示，精密基准信号在集成运算放大器的反相输入端与光敏电阻的负反馈电压叠加后输出，输出电压Vo与紫外线强度(光敏电阻Rt与强度呈反比)之间呈反比关系。
所述步骤3)数字处理器对信号根据最小二乘算法进行数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动强度，方法如下所示：
第一步:根据申农采样理论，确定信号采样周期；
根据傅立叶函数理论，任何一个函数均可表示为如下一个基频为ω的傅立叶函数：
其中，U0—直流分量；λ—直流分量衰减系数；Uk—第k次谐波的幅值；ω——基波角频率；θk——第k次谐波的初始相角，k＝1,2,…,M。
根据香农采样理论，只要采样频率f是信号频率的两倍以上，就可以从离散采样样本中恢复出连续函数，包括u(t)中的各周期函数分量sin(kωt)等。此处，如以最高可识别频率为119Hz为例，则采样频率f必须为238Hz以上。
第二步:根据最小二乘方算法，设计构造一个最小二乘滤波器；
所谓最小二乘方算法，就是使采样样本与拟合函数之间误差的平方为最小的一种判据。为简便起见，需要先对拟合函数中的某些分量做简化。
首先，将公式(1)中的U0e-λt按泰勒级数展开，取前两项作为简化形式，则：
U0e-λt≈U0-U0λt (2)
将(1)式中的sin(kωt+θk)按三角函数展开，整理，则：
Uksin(kωt+θk)＝sin(kωt)Ukcos(θk)+cos(kωt)Uksin(θk) (3)
从复函数的角度，公式(3)中的Ukcos(θk)和Uksin(θk)正好是需要待测量的第k次谐波矢量的实部和虚部。而在基波和采样频率确定的情况下，函数空间序列sin(kωti)和cos(kωti)在每个循环周期的时间窗中是一个固定值。因此，根据最小二乘方判据，每次采样后的采样样本与拟合函数成分之间的关系方程为：
ti——第i次采样时刻。经过连续N次采样后，将得到N个方程。如果将U0、λU0，以及所有谐波的实部和虚部作为未知量，且用矩阵表示，则N次采样结果可用如下矩阵方程表示：
若采用等间隔采样，则
T——基波函数的周期。
如果用A表示上述的N行、2(M+1)列的常系数矩阵，用X表示单列2(M+1)行的待测变量矩阵，用U表示单列采样矩阵，则上述采样矩阵可表示为：
A·X＝U (5)
系数矩阵A第三列元素表示表示了基波sin(ωt)在各个采样时刻的数值，A的第四列元素表示了基波cos(ωt)在各个采样时刻的数值。A的第五列元素表示了二次谐波sin(2ωt)在各个采样时刻的数值，依次类推。
如果将系数矩阵A的逆矩阵用A-1表示，则：
X＝A-1·U (6)
其中，逆矩阵A-1的维数为2(M+1)x N。
A-1即是最小二乘滤波器。一旦根据第一步选择了采样周期，A-1便是一个事先可计算的常数矩阵。
第三步：计算紫外线辐射强度和煤粉运动强度
根据“遮挡效应”理论，紫外线辐射强度就是公式(1)中的直流分量U0。煤粉运动强度就是公式(1)中的各次谐波的幅值Uk。
根据矩阵X的定义和方程(6)，则：
基波含量的计算方法为：
因为：
所以：
第k次谐波的计算方法为：
因为：
所以：
步骤4)数字处理器根据风粉比例与紫外线辐射强度关系曲线，将紫外线辐射强度转换为风粉比例；根据煤粉运动特征与风速间关系曲线，将煤粉运动特征转换为风速；
关于将紫外线辐射强度转换为风粉比例的计算过程如下：
首先，通过实验法获得风粉比例与紫外线辐射强度关系曲线。
在紫外线发射强度一定的情况下，接收紫外传感器所接收的紫外线强度与管道直径、风粉比例有直接的关系，而不同的机组管道直径差别很大，必须通过实验法获得某类管径下的紫外线强度与风粉比例的关系曲线。
之后，检测装置中的数字处理器根据实验曲线和紫外线强度U0，反向推算出风粉比例。
关于将煤粉运动特征转换为风速的计算过程如下：
首先，通过实验法获得煤粉运动特征与风速间的关系曲线。
根据遮挡效应理论，煤粉运动特征实际就是煤粉颗粒物的运动特征，运动特征也就代表了流速(或风速)，风速越大，煤粉颗粒物的运动频率越高，反之则越低。这一特点可以用如下的高频强度与低频强度之比K加以描述：
其中，Umax就是公式(13)中的最高频信号的峰值Uk。，Umin就是公式(13)中的最低频信号的峰值U1。
现场实验可测得这个K—风速特性曲线。
之后，检测装置中的数字处理器根据K—风速特性曲线和实时计算的系数K，反向推算出混合物的流速。
目前，山东邹县电厂#7机组为1000MW机组，风粉在线系统采用了西安热工研究院有限公司的风粉在线系统，但由于受煤粉湿度大影响，风粉检测的精确性时准时不准，2017年大修期间该机组采用了智能燃烧监测系统，实现了48个旋流燃烧器的温度测量。
风粉在线系统与现有智能燃烧监测系统完全类似，每个风粉检测装置为分体结构，每个装置分为前端光源接收器和后端控制器两部分，前端的紫外线光源为低压、长寿命LED聚光灯头，接收器内部实现了紫外线的光电转换，探头内的电路即图2所示电路。紫外光信号无失真地转换为电流信号，接入电子间内的控制器进行分析处理。
控制器内采用了高性能数字处理器(DSP)，实现了步骤3)中的信号采样和数字滤波，并获得紫外线辐射强度和煤粉运动特征。
48路紫外线信号处理及风粉在线监测的模拟量输出则通过6个TCU100机箱，连为一个整体，冗余控制器再通过100Mbps以太网与监控站和工程师站连为网络。风粉参数在监控画面中显示和记录。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种紫外光源法检测风粉比例及流速的装置，其特征是：包括紫外线发射器、与之对应的紫外线接收器和数据处理器，所述紫外线发射器和紫外线接收器分别设置于风粉混合物流经的管道两侧的中心位置；
所述紫外线接收器的传感器采用紫外线光敏电阻，将光敏电阻的阻值转换为电压信号，数据处理器对该电压信号进行直接信号采样和数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动特征，根据风粉比例与紫外线辐射强度间的关系曲线，将紫外线辐射强度转换为风粉比例，根据煤粉运动特征与风速间的关系曲线，将煤粉运动特征转换为风速；
所述装置以管道中的风粉为检测对象，通过对管道一侧发射紫外光，对侧接收紫外光的形式，实现风粉比例及流速的检测。
2.如权利要求1所述的一种紫外光源法检测风粉比例及流速的装置，其特征是：所述风粉混合物流经的管道两侧的中心位置分别开两个孔，一个安装紫外光发射器，一个安装紫外光接收器，发射器和接收器的内侧均有石英玻璃片，与煤粉管道的内壁无缝对接。
3.如权利要求1所述的一种紫外光源法检测风粉比例及流速的装置，其特征是：所述紫外线接收器的传感器包括紫外线光敏电阻和转换电路，将光敏电阻的阻值转换为电压信号，光电转换器的传感器为电阻型，转换电路对电阻进行阻值到电压的变换。
4.如权利要求1所述的一种紫外光源法检测风粉比例及流速的装置，其特征是：所述转换电路包括集成运算放大器，精密基准信号在集成运算放大器的反相输入端与光敏电阻的负反馈电压叠加后输出，输出的电压与紫外线强度之间呈反比关系。
5.一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法，其特征是：将紫外线发射器和紫外线接收器分别设置于风粉混合物流经的管道两侧的中心位置，利用紫外线接收器的光敏电阻的阻值转换为电压信号，对该电压信号进行直接信号采样和数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动特征，根据风粉比例与紫外线辐射强度间的关系曲线，将紫外线辐射强度转换为风粉比例，根据煤粉运动特征与风速间的关系曲线，将煤粉运动特征转换为风速；
所述方法以管道中的风粉为检测对象，通过对管道一侧发射紫外光，对侧接收紫外光的形式，实现风粉比例及流速的检测。
6.如权利要求5所述的一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法，其特征是：对信号根据最小二乘算法进行数字滤波，获得紫外线辐射强度和煤粉运动强度。
7.如权利要求5所述的一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法，其特征是：滤波的过程包括：
(1)根据申农采样理论，确定信号采样周期，将采样信号转换为傅立叶函数；
(2)构造最小二乘滤波器，使采样样本与拟合函数之间误差的平方为最小；
(3)根据遮挡效应理论，紫外线辐射强度为采样信号傅立叶函数的直流分量，煤粉运动强度为采样信号傅立叶函数的各次谐波的幅值。
8.如权利要求7所述的一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法，其特征是：所述步骤(1)中，具体为：根据傅立叶函数理论，任何一个函数均可表示为一个基频为ω的傅立叶函数，根据申农采样理论，只要采样频率f是信号频率的两倍以上，就可以从离散采样样本中恢复出连续函数，包括傅立叶函数中的各周期函数分量。
9.如权利要求5所述的一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法，其特征是：将紫外线辐射强度转换为风粉比例的计算过程为：在紫外线发射强度一定的情况下，接收紫外传感器所接收的紫外线强度与管道直径、风粉比例有直接的关系，通过实验法获得某类管径下的紫外线强度与风粉比例的关系曲线，根据实验曲线和紫外线强度，反向推算出风粉比例。
10.如权利要求5所述的一种紫外光源法检测风粉比例及流速的方法，其特征是：将煤粉运动特征转换为风速的计算过程为通过实验法获得煤粉运动特征与风速间的关系曲线，求得高频强度与低频强度之比K，同时，根据K—风速特性曲线和实时计算的系数K，反向推算出混合物的流速。
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