CN1162648C - 一种火焰监测诊断测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电站煤粉锅炉的火焰监测诊断测量方法及装置。装置由火焰探针、光信号探测器、数据采集及放大器、计算机和冷却探针的保护气体气源组成，由火焰探针通过测量火焰辐射谱分布强度和闪烁频率、测量火焰辐射谱得到视场平均温度和火焰的黑度、色度的方法，根据火焰光谱分布情况对燃烧状况进行监测和诊断，在CRT上直观地显示出火焰辐射谱的图谱，实现实时监测和信号远距离传输。装置结构简单、成本低。

Description

一种火焰监测诊断测量方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种用于电站煤粉锅炉炉膛安全监控系统的火焰监测诊断测量方法及装置。

在我国的火电机组中煤粉锅炉占了绝大多数。煤粉锅炉在运行时，煤粉由一次风携带经燃烧器喷入炉膛燃烧。由于种种原因，如燃烧调整不当、煤种变化、炉内结焦、爆管、制粉系统故障等都会影响煤粉的着火和燃烧，甚至引起燃烧器熄火，直至整个炉膛内熄火。如果在燃烧器或炉膛熄火后，继续向炉膛喷入煤粉，大量未燃烧煤粉在炉膛内积聚，当浓度达到一定程度，并有足够的点火能量时，就会产生爆燃，严重危害锅炉的安全运行。故所有电站锅炉均安装有火检装置，对燃烧器的火焰进行监测，它是电站煤粉锅炉炉膛安全监控系统的重要组成部分。

背景技术：

目前火焰检测方法很多，其中主要有光学式火焰监测方法、摄像型火焰监测方法等。光学式火焰监测法是利用光能与火焰状况的对应关系原理制作而成的，它通过光电元件将火焰的总辐射转变为电信号，经处理后，使火焰总辐射亮度和闪烁频率反映在电信号中，根据火焰的总辐射亮度和闪烁频率便可辨别火焰的有无。这种火焰检测方法不能对火焰的燃烧状况进行诊断。摄像型火焰检测是通过摄取火焰图象，经计算机图象处理以后，可以估算NO_x排放量，识别火焰形状，判别火焰稳定性，测量炉膛温度场等，但它系统复杂，成本高，数据处理量大，技术还不够熟练，使它的应用受到很大限制。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种火焰监测诊断测量方法及装置，克服上述已有技术存在的问题，这种火焰监测诊断测量装置通过测量火焰辐射谱分布强度和闪烁频率、测量火焰辐射谱得到视场平均温度和火焰的黑度、色度等，并能根据火焰光谱分布情况对燃烧状况进行监测和诊断，在CRT上直观地显示出火焰辐射谱的图谱，实现实时监测和信号远距离传输。

本发明的工作原理：煤粉燃烧火焰有着强烈的辐射，但火焰中不同成分的辐射能力及作用是各不相同的。由普朗克辐射定律可知，物体的单色辐射能力为

$e_{\mathrm{\λ}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}^5[\exp (C_2/\mathrm{\λT})-1]}--\left(1\right)$

式中ε_λ是黑度，它一般是波长λ的函数，由式(1)知，在已知火焰黑度时，对于任一温度，必有一相应的辐射光谱。若能测出火焰的辐射光谱就可以得到火焰的温度。在煤粉燃烧的各个阶段不仅火焰温度不同，而且它的黑度也不相同，由此还可以判断火焰处于什么燃烧阶段及进行燃烧状况的诊断。

在λT≤2000μmT时普朗克定律可以简化成维恩关系式：

e_λ＝ε_λC₁λ^-5exp(-C₂/λT)                              (2)设火焰探头接收到的单色火焰辐射光能为

E_λ＝ke_λ                                                (3)

k是与探头尺寸，结构，透镜焦距等有关的参数，一旦探头调整好以后，此系数即为定值。从式(2)和式(3)可得

E_λ＝kε_λC₁λ^-5exp(-C₂/λT)                             (4)

式中ε_λ为火焰在检测波段的黑度，是波长的函数，但在灰体辐射时ε_λ＝ε。T为检测区域的视场平均温度。对(4)式取对数，可得：

$\ln \left(E_{\mathrm{\λ}}\right)=\ln k{C}_1+\ln \mathrm{\ϵ}-5\ln \mathrm{\λ}-\frac{C_2}{\mathrm{\λT}}--\left(5\right)$

令ε′＝lnε，t＝1/T，代入(5)式可得：

$\ln \left(E_{\mathrm{\λ}}\right)=\ln k{C}_1+{\mathrm{\ϵ}}^{\′}-5\ln \mathrm{\λ}-\frac{C_2}{\mathrm{\λ}}t--\left(6\right)$

根据最小二乘法的原理，建立函数f(ε′，t)如下：

$({\mathrm{\ϵ}}^{\′},t)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\ln E_{{\mathrm{\λ}}_i}-y_i)}^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\ln {\mathrm{kC}}_1+{\mathrm{\ϵ}}^{\′}-5\ln {\mathrm{\λ}}_i-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_i}t-y_i)}^2--\left(7\right)$

式中y_i是实验时所测得的对应于波长λ_i的辐射强度的对数。

利用最小二乘法曲线拟合求解得到使上式左边f(ε′，t)取得最小值的ε′和t值，进而得到所需的火焰黑度ε和温度T。由多元函数极值的必要条件可知，此时的ε′和t值必满足方程组：

$\frac{\∂f({\mathrm{\ϵ}}^{\′},t)}{\∂t}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}2({\ln \mathrm{kC}}_1+{\mathrm{\ϵ}}^{\′}-5\ln {\mathrm{\λ}}_i-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_i}t-y_i)(-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_i})=0--\left(8\right)$

$\frac{\∂f({\mathrm{\ϵ}}^{\′},t)}{\∂{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}2({\ln \mathrm{kC}}_1+{\mathrm{\ϵ}}^{\′}-5\ln {\mathrm{\λ}}_i-\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}_i}t-y_i)=0--\left(9\right)$

联立(5)、(6)式便可解得所需的ε′和t，并由此解出ε、T。

基于上述原理，本发明的技术方案是：

1、火焰监测诊断测量方法，它包括以下步骤：

(1)将火焰探针通过锅炉上的测量孔插入锅炉；火焰探针接收到火焰辐射谱强度信号；

(2)调整火焰探针的焦距，得到公式(3)中的k值，火焰探针接收到期望测量位置处的火焰谱强度信号；

(3)该火焰谱强度信号由光信号探测器接收并转换成火焰辐射谱分布信号，对某一波长上为光能为：

            E_λ＝ke_λ                              (3)

根据普朗克定律，e_λ＝ε_λC₁λ^-5exp(-C₂/λT)，即使

E_λ＝kε_λC₁λ^-5exp(-C₂/λT)                       (4)

(4)根据公式(4)和测得的火焰谱分布强度信号，利用最小二乘法曲线拟合求解得到所需的火焰黑度ε和温度T。

2、一种使用上述方法的装置它由火焰探针、光信号探测器、数据采集及放大器、计算机和通过管路与火焰探针保护气体气源组成，其特点是，火焰的辐射信号经过火焰探针中的透镜会聚后经光纤传送到由光栅、透镜和CCD等组成的光信号探测器上，获得的火焰谱分布强度信号经数据采集及放大器输入到计算机进行处理分析。

本发明与摄像型火焰监测系统相比，结构简单、成本低，数据处理量要少得多；与普通光学式火焰监测系统相比，本发明获得的火焰辐射信息要比光学式火焰监测系统获得的信息多得多，从而能测量火焰辐射的光谱分布强度和闪烁频率，而且能测量火焰光谱得到视场平均温度及火焰的黑度、色度等。并能根据火焰光谱分布情况对燃烧状况进行监测和诊断，在CRT上直观地显示出火焰辐射光谱的图谱，实现实时监测和信号远距离传输。

附图说明：

图1是本发明的实施例的总体结构图；

图2是本发明的实施例的探针的剖面图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例详细说明如下：

本实施例的火焰监测诊断测量装置结构如图1所示，它由火焰探针2、光信号探测器5、数据采集及放大器6、计算机7和通过管路与火焰探针2相连接的保护气体气源8组成，其特点是，火焰1的辐射信号经过探头2中的透镜3会聚后经光纤4传送到由光栅、透镜和CCD等组成的光信号探测器5上，获得的火焰光谱信号经数据采集及放大器6输入到计算机7进行处理分析。测量时将火焰探针通过锅炉上的测量孔插入锅炉；火焰探针接收到火焰辐射谱强度信号；调整探针2透镜与接受光纤之间的距离，如图2所示，即通过将探针杆10旋入探针头部9的深度来调整透镜3和光纤4的距离，达到使透镜焦距改变，得到公式(3)中的k值，测得火焰1的火焰辐射的光谱分布强度等信号，由光信号探测器接收火焰辐射谱强度信号并由数据采集卡A/D转换放大后输入计算机进行数据处理，根据公式(3)、(4)和测得的火焰谱分布强度信号，利用最小二乘法曲线拟合求解得到所需的火焰黑度ε和温度T。从而对燃烧状况进行监测和诊断。气源8通过管路与探头2上的保护气体接头11相连，将压缩空气或其它气体送入探头2内并由探头头部流出，达到冷却探头和保护透镜3不受污染。

Claims (3)

1、一种火焰监测诊断测量方法，它包括以下步骤：

(1)将火焰探针通过锅炉上的测量孔插入锅炉；火焰探针接收到火焰辐射谱强度信号；

(2)调整火焰探针的焦距，得到公式(3)中的k值，火焰探针接收到期望测量位置处的火焰谱强度信号；

(3)该火焰谱强度信号由光信号探测器接收并转换成火焰辐射谱分布信号，对某一波长上为光能为

                E_λ＝ke_λ                              (3)

根据普朗克定律，e_λ＝ε_λC₁λ^-5exp(-C₂/λT)，即使

E_λ＝kε_λC₁λ^-5 exp(-C₂/λT)                          (4)

(4)根据公式(4)和测得的火焰谱分布强度信号，利用最小二乘法曲线

拟合求解得到所需的火焰黑度ε和温度T。

2、一种使用权利要求1所述方法的装置，它由火焰探针(2)、光信号探测器(5)、数据采集及放大器(6)、计算机(7)和通过管路与火焰探针(2)相连接的保护气体气源(8)组成，其特征在于，火焰(1)的辐射信号经过火焰探针(2)中的透镜(3)会聚后经光纤(4)传送到由光栅、透镜和CCD等组成的光信号探测器(5)上，获得的火焰谱分布强度信号经数据采集及放大器(6)输入到计算机(7)进行处理分析。

3、根据权利要求2使用权利要求1所述方法的装置，其特征在于，所述的火焰探针(2)包括探针头部(9)及与其配合可移动的探针杆(10)，透镜(3)置于探针头部(9)内，光纤(4)置于探针杆(10)内，气源(8)通过管路与探针(2)上的保护气体接头(11)相连，将压缩空气或其它气体送入探针(2)内并由探针头部流出，达到冷却探头和保护透镜(3)不受污染。

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