CN1141513C - 测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法及其系统。它包括：窥视镜、图象传输光纤、CCD摄象头、彩色图象监视器、图象处理卡、通讯卡和计算机、显示器CRT和键盘、若干可见光探头及与其相连的若干红外测温仪、现场变送器、燃烧控制系统及与其相连的燃料阀和风门。它能检测到辐射能和温度场，调整燃烧状况，可提高锅炉的运行效率。

Description

测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种测量锅炉燃烧辐射能及温度场并且据此进行燃烧控制的方法及其系统，属于热工燃烧自动控制领域。

背景技术

目前，在锅炉燃烧系统中，没有一种先进的方法来控制燃烧。通常采用的方法是：测取进入炉膛内的燃料量和风量，再按照风和燃料的比值进行燃烧调控。本发明人早在1995年曾提出过一项名称为《一种燃烧控制方法及系统》、申请号为：951104497的发明专利申请，在该项申请中提出了一种新方法：通过可见光探头测量火焰能量信号推算出锅炉燃烧的能级以此去调整配风量，改变风煤配比，使锅炉正常自动燃烧。这里不测取风量及燃料量等数值。本发明人继续深入研究，发现上述方法存在以下不足：1、风量和燃料量难于测取，难于保证燃料自动的投入率及燃烧效率的提高。2、探头数量要很多才能满足全炉膛燃烧辐射能量的检测，并且无法精确算得炉膛的三维温度场—这一重要的燃烧控制参数。且探头易受污染而改变调节参数，影响调节控制精确度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术之不足、而提供一种采用火焰图象法来测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法及其系统，它能及时迅速地检测到燃料燃烧时产生的辐射能量和温度场，并通过控制系统及时自动地调整燃烧状况，提高锅炉的运行效率，节约能源。并能防止锅炉运行时由于燃烧不良造成结焦、磨损、灭火等事故。

本发明通过如下技术方案而实现上述发明目的之一。一种测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法，它包括下列步骤：

a)窥视镜摄取火焰图象；

b)经图象传输光纤收取信号；

c)CCD摄象头摄取光纤末端的火焰图象，将光纤信号转换成视频信号；

d)将视频信号一路通过图象处理卡进入计算机，将模拟信号转化为数字信号，通过专用图象处理软件包对图象进行数字化处理，计算出燃烧火焰的辐射能及温度场；另一路直接送往彩色图象监视器，显示出原始火焰图象；

e)将计算出的能量信号和温度场信号一路送往彩色监视器，用图表的形式显示出火焰的数值图象、辐射能值及温度值；另一路送往燃烧控制系统；

其数学表达式为：

Q＝MQ_P ^H                        ①

E＝XQ                          ②

E＝S*a*σ*T⁴                   ③

其中：E-火焰燃烧辐射能

      S-火焰辐射表面积m²

      a-火焰的黑度

      σ-stepham-boltiman常数5.670×10^-11KW/(m².K⁴)

      T-火焰平均温度

用视频技术测温，数学表达式为：

M_T(λ)＝C₁λ^-5e^-c2/(λT)ε(λ，T)     ④其中：M_T(λ)-火焰单色辐射能W/m³，λ-波长m，

  T-温度K，ε(λ，T)-火焰灰度值(无量钢)

  C₁＝3.7413*10^-16Wm²，C₂＝1.4388*10^-2mk；

如果在两个波长λ₁和λ₂下同时测得一点的单色辐射能

M_T(λ1)和M_T(λ2)则由两者比值求得该点温度：

T＝C₂(1/λ₂-1/λ₁)/{ln[E_T(λ1)/E_T(λ2)]

-ln[ε(λ₁，T)/ε(λ₂，T)]-5ln(λ₂-λ₁)}      ⑤

在火焰辐射的灰性假设意义下有

T＝C₂(1/λ₂-1/λ₁)/{ln[E_T(λ1)/E_T(λ2)]-5ln(λ₂-λ₁)}  ⑥；

f)通过探头、红外测温仪测出炉膛内部分测点的局部温度，将信号送入燃烧控制系统；

g)燃烧控制系统接受前一级计算机输出的能量信号和温度信号，并接受现场变送器信号和红外测温仪的温度信号，通过燃烧控制软件包进行综合计算，采用正平衡法求得锅炉连续瞬时热效率值，输出燃烧控制信号至燃料阀，输出风量控制信号至风门，从而调节燃料加入量和送风量，达到最佳风煤比，同时将效率信号作为调节目标信号使燃烧趋向最佳效率；

其数学表达式为：

η＝[D(h″-h″)]/Q          ⑦

η＝XD(h″-h″)/S*a*σ*T⁴   ⑧

其中：η-锅炉效率。

本发明通过如下技术方案而实现上述发明目的之二。一种测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的系统，它包括：安装在炉膛内的窥视镜、图象传输光纤、与光纤末端连接的CCD摄象头、彩色图象监视器、图象处理卡、通讯卡和计算机、显示器CRT和键盘、进入炉膛的若干可见光探头及与其相连的若干红外测温仪、现场变送器、燃烧控制系统及与其相连的燃料阀和风门；所述CCD摄象头一路连接彩色图象监视器，另一路连接由图象处理卡、计算机、通讯卡、显示器和键盘组成的火焰图象数字处理系统；变送器、红外测温仪及火焰图象数字处理系统的输出信号作为燃烧控制系统的输入信号，燃料控制信号和风量控制信号作为燃烧控制系统的输出信号送至燃料阀和风门。

上述方案中，所述燃烧控制系统为单片机系统、DCS系统或工控机系统。

本发明所提供的测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法及其系统，与现有技术相比较，具有如下优点：能迅速地检测到燃烧时产生的辐射能量和温度场，通过燃烧控制系统及时自动地调整燃烧状况，可提高锅炉的运行效率，节约能源。并能防止锅炉运行时由于燃烧不良而造成结焦、磨损、灭火等事故。

下面结合附图和实施例，进一步说明本发明的系统和方法。

附图说明

图1是本发明的控制燃烧系统的结构示意图；

图2是本发明中图象处理软件包的工作原理图；

图3是本发明中软件包的逻辑图；

图4是本发明中燃烧控制系统的控制逻辑图。

具体实施方式

图1示出本发明的测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的系统，它包括：安装在炉膛内的窥视镜1、图象传输光纤2、与光纤末端连接的CCD摄象头3、彩色图象监视器4、图象处理卡5、通讯卡6和计算机7、显示器CRT8和键盘9、进入炉膛的若干可见光探头10、若干红外测温仪11、变送器12、燃烧控制系统13及与其相连的燃料阀14和风门15；CCD摄象头3一路连接彩色图象监视器4，另一路连接由图象处理卡5、计算机7、通讯卡6、显示器8和键盘9组成的火焰图象数字处理系统100；现场变送器12、红外测温仪11及火焰图象数字处理系统100的输出信号作为燃烧控制系统13的输入信号，燃烧控制信号和风量控制信号作为燃烧控制系统13的输出信号至燃料阀14和风门15。

上述方案中，燃烧控制系统13为单片机系统、DCS系统或工控机系统。

上述方案中，图象传输光纤2外设冷风管21，其上设有进风孔22。

上述方案中，CCD摄象头3设有过热保护装置23。当超过它们允许温度时，可以自动退出炉膛之外。

对于大型锅炉，依据燃料燃烧能量转换和守恒原理，用火焰辐射能代表燃烧发热量，采用工业摄象机通过图象处理技术取得炉膛燃烧辐射能及温度场，将此能量信号、锅炉实时热效率信号及红外测量信号共同构成一个新的燃烧控制系统，采用正平衡法和燃烧辐射能推算出锅炉连续瞬时热效率，使其达到最佳值。

图中窥视镜取燃烧火焰图象，传递给图象传输光纤。摄像头CCD摄取了光纤末端的火焰图象。将它转化为视频信号送入计算机图象卡，通过专用图象处理软件包对图象进行数值计算，计算出燃烧火焰所辐射出的能量及温度，送给CRT显示火焰的数值图象，辐射能值及温度值。彩色图象监视器显示未经计算机处理的火焰图象。燃烧控制系统接受能量信号和温度信号，还接受锅炉其他运行参数和火焰能量温度信号进行综合计算，发出燃烧控制信号和风量控制信号去调节送风和燃料，使其在最佳状态下燃烧，对伸入炉膛内的窥视镜及图象传送光纤采用冷风过热保护系统。当超过它们允许温度时，自动退出炉膛之外。彩色图象监视器直接监视原始图象。

测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法，包括下列步骤：

a)窥视镜摄取火焰图象；

b)经图象传输光纤收取信号；

c)CCD摄象头摄取光纤末端的火焰图象，将光纤信号转换成视频信号；

d)将视频信号一路通过图象处理卡进入计算机，将模拟信号转化为数字信号，通过专用图象处理软件包对图象进行数字化处理，计算出燃烧火焰的辐射能及温度场；另一路直接送往彩色图象监视器，显示出原始火焰图象；

e)将计算出的能量信号和温度场信号一路送往彩色监视器，用图表的形式显示出火焰的数值图象、辐射能值及温度值；另一路送往燃烧控制系统；

f)通过探头、红外测温仪测出炉膛内部分测点的局部温度，将信号送入燃烧控制系统；

g)燃烧控制系统接受前一级计算机输出的能量信号和温度信号，并接受现场变送器信号和红外测温仪的温度信号，通过燃烧控制软件包进行综合计算，采用正平衡法求得锅炉连续瞬时热效率值，输出燃烧控制信号至燃料阀，输出风量控制信号至风门，从而调节燃料加入量和送风量，达到最佳风煤比，同时将效率信号作为调节目标信号使燃烧趋向最佳效率。

本发明的系统软件包由两个主要软件包构成，一个是图象处理软件包，另一个是燃烧控制软件包。

图2示出图象处理软件包的工作原理图，按下列步骤进行，

视频信号→视频切换器→视频卡→工业PC计算辐射能及温度场→送注燃烧调节工控机。主要完成火焰图象的数字化处理，火焰辐射及温度场的运算及数据的存储等。

图3示出本系统软件的逻辑图。

图4示出燃烧控制软件包的工作原理图，它负责将工控机运算的辐射能量信号、温度场信号，现场来的红外测温仪信号及现场变送器信号运算处理求得锅炉效率信号η，并将以上信号组成一个新的燃烧控制系统输出控制燃料及风门的调节信号。

现场变送器信号列表如下：(其中带^*者为必要数值)调速级压力^*         送风挡板阀位反馈^*        能量信号气泡压力             引风自动信号^*            压力设定值主气压力             送风自动信号^*            转速手动输出值主气流量             给粉机层操自动信号主气温度             风量信号给水温度             再热器入口温度^*          能量发电机功率           再热器入口压力^*          效率电功率               再热器入口流量^*          氧量优化给定烟气含氧量^*         再热器减温水流量^*        硬件报警信号能量信号             再热器减温水温度^*        再热器出口流量^*炉膛温度             总给粉机转速              再热器出口压力^*炉膛负压             过热器减温水流量^*        再热器出口温度^*给粉机转速^*         炉膛负压给定值            引风挡板阀位馈^*过热器减温水温度^*

Claims (7)

1、一种测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法，其特征是它包括下列步骤：

a)窥视镜摄取火焰图象；

b)经图象传输光纤收取信号；

c)CCD摄象头摄取光纤末端的火焰图象，将光纤信号转换成视频信号；

d)将视频信号一路通过图象处理卡进入计算机，将模拟信号转化为数字信号，通过专用图象处理软件包对图象进行数字化处理，计算出燃烧火焰的辐射能及温度场；另一路直接送往彩色图象监视器，显示出原始火焰图象；

e)将计算出的能量信号和温度场信号一路送往彩色监视器，用图表的形式显示出火焰的数值图象、辐射能值及温度值；另一路送往燃烧控制系统；

其数学表达式为：

Q＝MQ_P ^H                          ①

E＝XQ                            ②

E＝S*a*σ*T⁴                     ③

用视频技术测温，数学表达式为：

M_T(λ)＝C₁λ^-5e^-c2/(λT)ε(λ，T)      ④

其中：C₁＝3.7413*10^-16wm²，C₂＝1.4388*10^-2mk；

T＝C₂(1/λ₂-1/λ₁)/{ln[E_T(λ1)/E_T(λ2)]

-ln[ε(λ₁，T)/ε(λ₂，T)]-5ln(λ₂-λ₁)}      ⑤

T＝C₂(1/λ₂-1/λ₁)/{ln[E_T(λ1)/E_T(λ2)-5ln(λ₂-λ₁)}  ⑥；

f)通过探头、红外测温仪测出炉膛内部分测点的局部温度，将信号送入燃烧控制系统；

g)燃烧控制系统接受前一级计算机输出的能量信号和温度信号，并接受现场变送器信号和红外测温仪的温度信号，通过燃烧控制软件包进行综合计算，采用正平衡法求得锅炉连续瞬时热效率值，输出燃烧控制信号至燃料阀，输出风量控制信号至风门，从而调节燃料加入量和送风量，达到最佳风煤比，同时将效率信号作为调节目标信号使燃烧趋向最佳效率；

其数学表达式为：

η＝[D(h″-h″)]/Q          ⑦

η＝XD(h″-h″)/S*a*σ*T⁴   ⑧。

2、根据权利要求1所述的测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法，其特征是所述图象处理软件包按照下列步骤进行：

a)读取视频信号；

b)送入视频切换器内进行多路信号切换处理；

c)经视频卡把视频信号进行数字化处理；

d)经工业PC机计算辐射能及温度场；

e)送往燃烧调节工控机。

3、根据权利要求1所述的测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法，其特征是所述燃烧控制软件包按照下列步骤进行：

a)将前一级计算机输出的辐射能量信号、温度场信号，现场来的红外测温仪信号及现场变送器信号运算处理求得锅炉效率信号η；

b)将以上信号组成一个新的燃烧控制系统分别输出控制燃料及风门的控制信号。

4、一种测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的系统，其特征是它包括：安装在炉膛内的窥视镜、图象传输光纤、与光纤末端连接的CCD摄象头、彩色图象监视器、图象处理卡、通讯卡和计算机、显示器CRT和键盘、进入炉膛的若干可见光探头及与其相连的若干红外测温仪、现场变送器、燃烧控制系统及与其相连的燃料阀和风门；所述CCD摄象头一路连接彩色图象监视器，另一路连接由图象处理卡、计算机、通讯卡、显示器和键盘组成的火焰图象数字处理系统；变送器、红外测温仪及火焰图象数字处理系统的输出信号作为燃烧控制系统的输入信号，燃料控制信号和风量控制信号作为燃烧控制系统的输出信号送至燃料阀和风门。

5、根据权利要求4所述的测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的系统，其特征是所述燃烧控制系统为单片机系统、DCS系统或工控机系统。

6、根据权利要求4所述的测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的系统，其特征是所述图象传输光纤外设冷风管，其上设有进风孔。

7、根据权利要求4-6任一权利要求所述的测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的系统，其特征是所述CCD摄象头设有过热保护装置。

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