CN107687649A - 基于声波振动的燃烧器熄火监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于声波振动的燃烧器熄火监测系统及监测方法，属于燃烧监测技术领域。其解决了现有燃烧器熄火监测器存在的不耐高温、可靠性差等问题。本发明包括总控模块和若干监测模块，总控模块通过通讯总线与监测模块连接，监测模块包括用于采集燃料燃烧振动信号并将该振动信号转换为模拟电信号的传感单元、用于把模拟电信号转换为数字信号的信号处理单元和微处理器单元，传感单元、信号处理单元和微处理器单元依次连接，微处理器单元通过通讯接口与总控模块连接。本发明通过监测模块采集燃料燃烧振动信号并进行处理输出总值，总控模块对各个监测模块输出的总值进行分析得到燃烧器的燃烧状态，本发明稳定、可靠，降低了监测成本。

Description

基于声波振动的燃烧器熄火监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，属于燃烧监测技术领域。

背景技术

在工业燃烧炉的燃烧过程中，存在工况变化、燃烧介质波动甚至误操作等影响燃烧的因 素，可能导致意外熄火。如果发生熄火，而燃料仍然被持续不断送往炉膛，这时该设备就处 于极度危险状态，当再次点燃时，就会发生炸膛等严重事故。因此，需要对燃烧器的燃烧状 态进行全程监测，但监测难度很大。目前对火焰监测已成为燃气轮机和各类工业锅炉、蒸汽 炉控制系统中的重要部分，在生产过程中一旦意外熄火就必须立即切断燃料的供应，而错误 的火焰监测信号往往会导致设备跳闸或者火灾、爆炸等非常严重的后果。

经燃烧器喷入炉内的燃料，在剧烈的燃烧化学反应过程中会释放出大量能量，包括光能 (如紫外线、可见光和红外线)、热能和声波振动辐射能等。这些不同的能量形式构成了检测 炉膛火焰是否熄灭的基础。根据是否接触火焰，常见的检测手段，可以笼统地分为接触式检 测和非接触式检测两大类；根据敏感组件的不同，接触式的主要有离子火焰探针和热电偶。 火焰在燃烧过程中，形成许多离子(带电粒子)，这些粒子具有导电特性，离子火焰探针据此 探测火焰的有无。放置在火焰中的热电偶在其高温作用下产生热电势，所以可以利用此原理 制作火焰存在与否的监测器。非接触式检测以光学为主，如光电式火焰检测器，光电式火焰 检测器基本上都是基于燃烧过程中火焰辐射出的红外线、可见光和紫外线等进行检测。利用 辐射光能原理检测炉膛火焰，是目前普遍使用的一种方法。另外，还有一种基于视频的火焰 状态监测器，用摄像机对燃烧器的火焰实时拍摄，计算机对其图像进行识别分析，也可以判 定是否熄火。

现有火焰状态监测器有热电式火焰状态监测器、离子式火焰状态监测器、光电式火焰检 测器和图像型火焰监测器。(1)热电式火焰状态监测器的原理是：热电偶在火焰高温作用下 产生热电势，后续电路对其模拟放大、线性化等处理，与预先设定的阀值相比较，得到是否 熄火的状态信号。热电式火焰状态监测器缺点是热惰性，使热电偶输出的电流不能随着火焰 熄灭而立即消失，热电偶的灵敏度也比较低。另外，热电偶直接与火焰接触，由于火焰的高 温，致使其使用寿命短、可靠性差。热电式火焰状态监测器一般也用于小型工业锅炉。(2) 离子式火焰状态监测器是利用火焰的导电性，在火焰中放置一根耐高温的金属电极，施加电 压，而另一电极与燃烧器金属体连接，其原理如图8所示(以直流方式为例)：

当有火焰时，电路中产生电流，在电阻R上形成电压降V＝IR，从A、B两端可取出电压 信号，再送到放大器放大后控制执行机构动作。当火焰熄灭，电压消失，执行机构可获得火 焰状态。离子式火焰监测器的方法简单，成本较低，虽然容易实现，但在实际应用中，往往 会由于环境污染、潮湿等原因，造成电极绝缘电阻下降。当绝缘电阻降到接近火焰内阻时， 电路就无法区别是火焰电流还是漏电流，从而误动作，失去保护作用。另外，高温下的电极 的寿命也是问题。(3)光电式火焰检测器利用辐射光能原理检测炉膛火焰，是目前使用最广 泛也是较行之有效的方法。常用的辐射光能火检基本上都是基于燃烧过程中火焰辐射出的红 外线、可见光和紫外线等进行检测。但光电式火焰检测器中的光敏管不能耐受火焰的高温， 因此必须设计复杂的光路，将光信号引到一个传感器可以正常工作的区域。而光路很容易被 燃烧过程中产生的油污、灰尘所覆盖，这将导致火焰检测的灵敏度逐渐降低直到失败。唯一 的办法是增加人工巡检、清理的流程，无疑增加了维护工作量。另外，光敏管还有性能随时 间的推移退化现象。(4)图像型火焰监测器是利用摄像机摄取炉膛火焰的图像送到处理器， 对图像进行数字化处理，可以计算出燃料燃烧火焰的温度场及火焰的能量，从而判断出燃烧 的好坏及进行燃烧不稳定告警和熄火保护等。摄像技术和数位图处理技术，使得这种方式具 有直观、形象的优点，又充分发挥计算机强大的处理计算能力，从而有很好的火焰监测性能。 与光电式火焰检测器一样，摄像机也不能耐受火焰的高温，因此必须设计复杂的光路，将光 信号引到一个摄像机可以正常工作的区域。而光路很容易被燃烧过程中产生的油污、灰尘所 覆盖，这将导致火焰检测的灵敏度逐渐降低直到失败。唯一的办法是增加人工巡检、清理的 流程，无疑增加了维护工作量。另外，这种方式的硬件成本很高，软件也比较复杂。一个大 型的锅炉可能会有上百个燃烧器，如果要监测所有的燃烧器，需要付出很大代价。

发明内容

本发明的目的在于克服现有燃烧器火焰状态监测器存在的上述缺陷，提出了一种基于声 波振动的燃烧器熄火监测系统，能够快速发现燃烧器熄火，极大地降低监测成本，提高燃烧 器熄火监测的准确性和及时性。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，包括总控模块和至少一个监测模块，总控模 块通过通讯总线与监测模块连接，监测模块包括用于采集燃料燃烧的振动信号并将该振动信 号转换为模拟电信号的传感单元、用于把采集到的模拟电信号转换为数字信号的信号处理单 元和微处理器单元，传感单元、信号处理单元和微处理器单元依次连接，微处理器单元通过 通讯接口与总控模块连接。

进一步地，传感单元采用熄火监测装置，熄火监测装置上设有振动传感器。

进一步地，振动传感器设置在燃烧器的燃料喷嘴内。

进一步地，信号处理单元包括依次连接的信号放大器、带通滤波器、ADC转换器，信号 放大器将传感单元输出的模拟电信号放大，带通滤波器将燃烧器燃烧振动特征频段取出给ADC 转换器，ADC转换器将模拟电信号转换为数字信号。

进一步地，微处理器单元计算信号处理单元处理后的数字信号的RMS总值。

进一步地，总控模块采用服务器，对监测模块通过通信接口实时传输的RMS总值进行连 续不断的历史趋势分析，得到燃烧器的燃烧状态。

基于声波振动的燃烧器熄火监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：燃烧器熄火监测系统初始化；

步骤二：监测模块采集燃料燃烧振动信号，信号处理单元对监测模块采集的燃烧器燃烧 的振动信号进行处理，微处理器单元输出RMS总值；

步骤三：总控模块获取监测模块的RMS总值并进行趋势分析得到燃烧器的燃烧状态。

进一步地，步骤二包括以下步骤：

a)振动传感器采集燃料燃烧振动信号并将燃烧器振动信号转换为模拟电信号，燃烧器振 动信号包括燃烧器的燃烧振动信号、炉膛背景振动噪声信号和燃烧介质喷射振动噪声信号；

b)信号放大器对振动传感器输出的模拟电信号进行放大；

c)带通滤波器取出信号放大器放大后的模拟电信号中的燃烧器燃烧振动特征频段；

d)微处理器单元控制ADC转换器进行连续不断采样，将带通滤波器取出的燃烧器燃烧振 动特征频段的模拟信号f(t)进行数字离散化形成ADC序列；

e)微处理器单元进一步对ADC序列进行高阶滤波，剔除异常值，并按照周期T计算燃烧 器燃烧振动特征频段的RMS总值，并剔除其中的异常值。

进一步地，步骤三包括以下步骤：

a)总控模块通过通讯接口实时获取监测模块的RMS总值；

b)对监测模块给出的RMS总值进行连续不断的历史趋势分析，并与预先测量确定的阈值 进行对比，如果RMS总值低于阈值，则认为燃烧器熄火，并给出熄火状态，同时，总控模块 对若干监测模块给出的RMS总值进行连续不断的横向对比，给出燃烧器的稳态燃烧劣化状态 分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，通过每一个燃烧器工位上的振 动传感器连续不断地采集介质燃烧时发射的特定频段的声音振动信号，并连续跟踪分析声音 振动信号，达到对燃烧器燃烧/熄火状态监测的目的。同时，该监测系统稳定、可靠，安装便 捷，维护简易，显著降低了监测成本。

附图说明

图1是本发明系统原理图。

图2是本发明传感单元的结构示意图。

图3是本发明传感单元与燃烧器连接的结构示意图。

图4是图2中A的纵向剖视图。

图5是本发明监测模块流程图。

图6是本发明总控模块流程图。

图7是波形图和微处理器单元输出的RMS总值，其中，B是指信号放大器输出的模拟信 号，C是指微处理器单元输出的RMS总值。

图8是火焰离子直流检测原理图。

图中：1燃烧器；2燃料管道；3监测装置；4喷嘴；5钢管；6软管；7套筒；71套管； 72保护头；73弹簧片；8传感器；9转接部件；10护角；11外壳；111内法兰；12变径转接 器；13外法兰；131空心管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和具体实例，对本 发明提出的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统及监测方法进行进一步说明。应当理解，此 处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，如图1所示，采用分布式结构，包 括总控模块和若干个监测模块，每一个燃烧器工位都设有一个与总控模块连接的监测模块， 监测模块包括依次连接的传感单元、信号处理单元和微处理器单元，传感单元采用熄火监测 装置3，熄火监测装置3上设有振动传感器8，振动传感器8采用压电式加速度传感器，频响 范围3Hz～20kHz，用于采集燃料燃烧振动信号并将该振动信号转换为模拟电信号，振动传感 器8设置在燃烧器1的燃料喷嘴4内，解决了隔热和散热问题，避免了振动传感器8因火焰 温度过高导致的损坏，信号处理单元用于把采集到的模拟电信号放大、滤波并转换为数字信 号给微处理器单元，信号处理单元包括依次连接的信号放大器、带通滤波器、ADC转换器， 信号放大器采用电荷放大器，对压电式加速度传感器产生的微弱电荷进行放大，信号放大器 的增益需要根据燃烧器1的不同而调整，使信号放大器输出达到1V的电平，带通滤波器去除 低频干扰和高频不相关频段，将燃烧器1燃烧振动特征频段取出给ADC转换器，可取400Hz～ 4kHz频段作为燃烧器1燃烧振动特征频段，ADC转换器将带通滤波器输出的模拟信号转换为 数字信号，为了使监测系统有更好的适应性，ADC转换器可采用16位或24位分辨率的转换 器。微处理器单元计算ADC转换器处理后的数字信号的RMS总值，微处理器单元通过通讯接 口与总控模块连接，以进行实时通信，总控模块采用服务器，对监测模块通过通信接口实时 传输的RMS总值进行连续不断的历史趋势分析，分析燃烧器1的状态，总控模块还连接有报 警器。

本发明的传感单元采用的熄火监测装置3包括内核和外壳11，所述内核包括依次相连的 钢管5、软管6和传感器组件，钢管5和软管6通过转接部件9连接，所述转接部件9一端 套压在软管6上，另一端与钢管5连接，转接部件9外部有紧贴于钢管5和软管6的护角10；所述传感器组件内安装有套管71，套管71的一端连接有振动传感器8，另一端与软管6连接，振动传感器8的导线贯穿于内核，熄火监测装置3的尾端与燃烧器1本体的侧壁连接，首端探入燃烧器1本体的燃料管道2内使得振动传感器8置于燃料管道2的喷嘴4内，由于燃烧 介质常温特性，解决了传感器的隔热问题，传感器组件还包括套接在套管71外的套筒7，所 述套筒7的外缘设置有呈圆周分布的若干弹簧片73；套筒7的端部安装有封闭保护头72，保 护头72与传感器连接。

熄火监测装置3与燃烧器1本体的侧壁通过法兰结构连接，内法兰111一体成型于监测 装置的外壳11，外法兰13安装于燃烧器1外壁上，外法兰13一体成型有空心管131，监测 装置内的钢管5与空心管131螺纹连接，保证了监测装置与燃烧器1本体连接的密封性，若 外法兰13的空心管131的内径与监测装置内钢管5的内径不匹配，需要变径转接器12进行 转接，监测装置的外壳11与燃料管道2壁固定密封连接，保证监测装置与燃料管道2壁的密 封性，可以直接将二者焊接。

基于声波振动的燃烧器1熄火监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：燃烧器1熄火监测系统初始化；

步骤二：监测模块采集燃料燃烧振动信号，信号处理单元对监测模块采集的燃烧器1振 动信号进行处理，微处理器单元输出RMS总值，监测模块的流程图如图2所示；

a)振动传感器8采集燃料燃烧振动信号并将燃烧器1振动信号转换为模拟电信号，燃烧 器1振动信号包括燃烧器1的燃烧振动信号、炉膛背景振动噪声信号和燃烧介质喷射振动噪 声信号；

b)信号放大器对振动传感器8输出的模拟电信号进行放大；

c)带通滤波器取出信号放大器放大后的模拟电信号中的燃烧器1燃烧振动特征频段；

d)微处理器单元控制ADC转换器进行连续不断采样，滤除低频干扰和高频不相关频段， 将带通滤波器取出的燃烧器1燃烧振动特征频段的模拟信号f(t)进行数字离散化形成ADC序 列；

e)微处理器单元进一步对ADC序列进行高阶滤波，剔除异常值，并按照周期T计算燃烧 器1燃烧振动特征频段的RMS总值，周期T取20ms，波形图如图7所 示，图中，B是指信号放大器输出的模拟信号，C是指微处理器单元输出的RMS总值。

步骤三：总控模块获取各个监测模块的RMS总值并进行趋势分析得到燃烧器1的状态， 总控模块的流程图如图3所示。

a)总控模块通过通讯接口实时获取各个监测模块的RMS总值；

b)对监测模块给出的RMS总值进行连续不断的历史趋势分析，并与预先测量确定的阈值 进行对比，如果RMS总值低于阈值，则认为燃烧器1熄火，并给出熄火状态，同时，总控模 块对各个监测模块给出的RMS总值进行连续不断的横向对比，给出各个燃烧器1的稳态燃烧 劣化状态分析，如燃烧器1燃料管道2部分阻塞，总控模块连接有报警器，用于发出报警信 号。

Claims (9)

1.一种基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，其特征在于：包括总控模块和至少一个监测模块，总控模块通过通讯总线与监测模块连接，监测模块包括用于采集燃料燃烧的振动信号并将该振动信号转换为模拟电信号的传感单元、用于把采集到的模拟电信号转换为数字信号的信号处理单元和微处理器单元，传感单元、信号处理单元和微处理器单元依次连接，微处理器单元通过通讯接口与总控模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，其特征在于：所述传感单元采用熄火监测装置，熄火监测装置上设有振动传感器。

3.根据权利要求2所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，其特征在于：所述振动传感器设置在燃烧器的燃料喷嘴内。

4.根据权利要求1所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，其特征在于：所述信号处理单元包括依次连接的信号放大器、带通滤波器、ADC转换器，信号放大器将传感单元输出的模拟电信号放大，带通滤波器将燃烧器燃烧振动特征频段取出给ADC转换器，ADC转换器将模拟电信号转换为数字信号。

5.根据权利要求1所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，其特征在于：所述微处理器单元计算信号处理单元处理后的数字信号的RMS总值。

6.根据权利要求1所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统，其特征在于：所述总控模块采用服务器，对监测模块通过通信接口实时传输的RMS总值进行连续不断的历史趋势分析，得到燃烧器的燃烧状态。

7.一种采用权利要求1至6中任意一项所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：燃烧器熄火监测系统初始化；

步骤二：监测模块采集燃料燃烧振动信号，信号处理单元对监测模块采集的燃烧器燃烧的振动信号进行处理，微处理器单元输出RMS总值；

步骤三：总控模块获取监测模块的RMS总值并进行趋势分析得到燃烧器的燃烧状态。

8.根据权利要求7所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统的监测方法，其特征在于：所述步骤二包括以下步骤：

a)振动传感器采集燃料燃烧振动信号并将燃烧器振动信号转换为模拟电信号，燃烧器振动信号包括燃烧器的燃烧振动信号、炉膛背景振动噪声信号和燃烧介质喷射振动噪声信号；

b)信号放大器对振动传感器输出的模拟电信号进行放大；

c)带通滤波器取出信号放大器放大后的模拟电信号中的燃烧器燃烧振动特征频段；

d)微处理器单元控制ADC转换器进行连续不断采样，将带通滤波器取出的燃烧器燃烧振动特征频段的模拟信号f(t)进行数字离散化形成ADC序列；

e)微处理器单元进一步对ADC序列进行高阶滤波，剔除异常值，并按照周期T计算燃烧器燃烧振动特征频段的RMS总值，并剔除其中的异常值。

9.根据权利要求1所述的基于声波振动的燃烧器熄火监测系统的监测方法，其特征在于：所述步骤三包括以下步骤：

a)总控模块通过通讯接口实时获取监测模块的RMS总值；

b)对监测模块给出的RMS总值进行连续不断的历史趋势分析，并与预先测量确定的阈值进行对比，如果RMS总值低于阈值，则认为燃烧器熄火，并给出熄火状态，同时，总控模块对若干监测模块给出的RMS总值进行连续不断的横向对比，给出燃烧器的稳态燃烧劣化状态分析。