CN116828150A - 一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃烧器火焰监控技术领域,特别涉及一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置及方法,装置包括图像传输成像子系统、风/水冷却降温保护子系统、自动进退和电气控制子系统、图像分析及管理子系统;方法包括步骤1:系统初始化;步骤2:系统连锁保护功能测试;步骤3:系统伸进与火焰成像;步骤4:图像采集效果设置;步骤5:计算火焰特征参数;步骤6:火焰稳定性分析;步骤7:数据可视化与存储。本发明能够对燃烧器出口火焰情况进行实时获取,并对火焰相关数据进行测算,以实现火焰稳定性的实时分析,长期、稳定、可靠、有效地对燃烧器火焰稳定性进行在线监测分析,为低负荷下锅炉的高效燃烧与稳定运行提供有效的数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧器火焰监控技术领域,特别涉及一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置及方法。
背景技术
对于大型火电厂燃煤锅炉而言,锅炉的最低稳燃能力是制约机组调峰深度的关键因素。燃烧器火焰图像是对炉内火焰状态最直接的反映,通过掌握每个燃烧器的火焰状态,可以精准判断炉内火焰的燃烧情况,从而指导锅炉低负荷的运行调整。
深度调峰背景下,锅炉负荷需调整到额定负荷的20%~30%,甚至更低,且锅炉的燃烧工况远低于设计的最低稳定运行负荷,导致炉膛火焰燃烧的温度骤降,煤粉难以快速着火,加上受到煤质、配风和设备等因素的影响,使得火焰难以保持稳定燃烧。然而,现有火焰燃烧监测的智能化手段又较为缺乏,运行人员无法有效掌握低负荷下火焰的燃烧状态,只能通过牺牲火电机组的调峰能力,避免炉膛熄火、灭火等重大安全事故的发生。事实上,火电机组深度调峰的重点和难点在于锅炉,而锅炉的重点在于燃烧,特别是在使用劣质煤、经济煤等煤质掺烧的情况下,进一步恶化了稳燃问题。不稳定的火焰会引发燃烧效率降低、烟气热分布不均、NOx排放增高和飞灰含碳量增大等燃烧问题,还会增加炉壁热应力和振动。因此,监测燃烧器火焰燃烧情况,对提高锅炉的整体燃烧效率和稳定运行能力具有重要意义。
目前我国电站锅炉采用的火焰检测器是以CE为代表的可见光光敏元件和以FORNEY为代表的红外光敏元件的检测器,两种检测器均是通过火焰的脉动幅值和脉动频率来检测火焰的有无,在锅炉燃烧在负荷大于50%额定负荷工况下的检测是非常稳定的,但在深度调峰下,由于锅炉负荷及配风的变化,尤其是我国电站燃煤锅炉煤种变化较大,引起着火区位置的经常性漂移,致使传统火检难以对准着火区,导致漏检、误检的发生,且缺乏判断燃烧稳定性的手段,无法实现自动分析,对于要实现低负荷下的自动稳燃控制形成了较大阻碍,也给低负荷下锅炉的安全稳定运行带来了诸多困难。
发明内容
本发明公开一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置,包括图像传输成像子系统、风/水冷却降温保护子系统、自动进退和电气控制子系统、图像分析及管理子系统。
优选地,所述图像传输成像子系统用于从高温炉膛环境获取火焰图像,并实时监测前端镜头温度与传输火焰光至后端计算机中进行分析,主要包括光学探头、工业CCD相机、风冷套管和温度传感器。
优选地,所述风/水冷却降温保护子系统用于保证系统不受高温、高压与粉尘的影响,主要包括水冷盘管、耐高温预埋件、密封管座和CCD相机冷却设计。
优选地,所述自动进退和电气控制子系统用于驱动系统伸入和退出炉膛,同时对数字图像信号进行远距离传输,并实现系统供电,检测并过滤冷却气源,保护系统在超温、欠压的情况下不被炉内高温火焰所损坏,确保系统可以稳定可靠地运行,主要包括进退气缸、空气过滤器与电气控制机柜及其内部元器件。
优选地,所述图像分析及管理子系统实现火焰图像的可视化、相关数据测算分析与存储功能,主要包括搭载系统软件的工控机与显示器,允许系统采集并存储火焰图像,根据燃烧条件的变化对CCD相机的参数进行设置,对图像传输成像子系统获取的高分辨率火焰图像进行显示,实时分析火焰的各个特征参数及稳燃程度,并以数字化的方式展示。
本发明还公开一种在线监测燃烧器火焰稳定性的方法,采用上述一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置实现,包括以下步骤:
步骤1:系统初始化,检查系统的电源线路连接是否正常,气源管路气密性是否良好,若无问题,进行接地后通电;
步骤2:系统连锁保护功能测试,全开冷却气源阀门,查看压力仪表示数是否符合系统要求,若符合要求,则缓慢全关阀门,检查系统是否能够顺利退出,再全开阀门,检查系统是否能够顺利伸进,若无问题,则保持冷却气源的持续通入;
步骤3:系统伸进与火焰成像,完成上述步骤后,将系统从燃烧器侧墙或上方二次风道区域伸进炉膛内部,图像成像与传输子系统通过一组紧密排列的物镜组、中继透镜前组和中继透镜后组将火焰光传输至后端CCD工业相机的靶面上,完成火焰成像;
步骤4:图像采集效果设置,通过系统软件自动检测CCD工业相机IP地址,打开相机,并根据实际火焰图像效果调整相机参数;
步骤5:计算火焰特征参数,对实时传输的火焰图像进行火焰平均亮度、不均匀度、闪烁频率和平均温度的计算;
平均亮度:
式中,I为平均亮度,Rf为火焰发光区域,G(i,j)为火焰发光区域Rf在(i,j)处的灰度,A为发光区域像素点个数;
不均匀度:
式中,NU为不均匀度,Np为发光区域内像素的总数,I(k)是图像灰度,n(k)是灰度I(k)的像素数,If是未归一化的平均亮度值;
闪烁频率:
式中,F为闪烁频率,fi为第i个频率值,pi为第i个频率分量的功率密度,N2为频率分量总数;
平均温度:
通过双色法测定,式中,T为火焰各个像素点的火焰温度,Tav为火焰平均温度,C2为第二普朗克常数,λ1为绿色光谱的峰值波长,λ2为红色光谱的峰值波长,G1、G2分别为图像R、G分量对应的亮度值,S为设备因子;
步骤6:火焰稳定性分析,根据计算的特征参数对火焰稳定程度进行分析,通过火焰稳定指数公式求取稳定指数,其数值越小,则代表火焰稳定性越好,反之,则代表火焰稳定性越差,特别地,稳定指数为0时,表征为灭火状态;
步骤7:数据可视化与存储,特征参数与稳定指数将以曲线图形式实时显示,并可设置相应的时间间隔,将获取的火焰视频图像与计算的各参数进行存储。
本发明的优点在于:
1、实现了火焰特征参数的实时计算与稳定性判断,并可适用于恶劣的工业现场环境;
2、通过光学成像、数字图像处理和软测量技术,实现了燃烧器火焰图像的清晰获取与燃烧稳定性的判断;
3、通过自动控制,实现全自动化监测,无需人工干预;
4、不受可燃物种类影响,可应用于不同负荷工况下的燃烧器火焰监测,为优化燃烧提供了更为可靠的数据支撑。
附图说明
图1为一种在线监测燃烧器火焰稳定性装置的整体结构示意图;
图2为图像传输成像子系统的示意图;
图3为风/水冷却降温保护子系统的示意图;
图4为自动进退和电气控制子系统的示意图;
图5为图像分析及管理子系统的示意图;
图6为一种在线监测燃烧器火焰稳定性方法的流程图;
附图标记含义:1:燃烧器火焰,2:燃烧器,3:耐高温预埋件,4:密封管座,5:水冷盘管,5-1:水冷入口,5-2:水冷出口,6:温度传感器,7:光学探头调节环,8:CCD工业相机,9:相机室,10:涡流制冷管,10-1:冷却风入口,10-2:热气流出口,11:数据通信口,12:电缆接口,13:信号传输,14:检测信号,15:工控机,16:电气控制机柜,17:光学探头,17-1:物镜组,17-2:中继透镜前组,17-3:中继透镜后组,18:风冷套管,19:O型密封圈,20:定位套筒,21:对接法兰,22:Pt100热电阻,23:水冷壁,24:炉墙,25:观火孔,26:相机冷却管,27:密封接线盒,28:不锈钢软管,29:气缸压力,30:进退气缸,31:PU管,32:电磁阀,33:调压阀,34:空气过滤器,35:温度检测模块,36:压缩空气冷却风,37:端子排,38:微控制器,39:电源模块,40:电源开关,41:收发器电源,42:光纤收发器,43:220V交流电。
具体实施方式
如附图1所示,一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置,包括图像传输成像子系统、风/水冷却降温保护子系统、自动进退和电气控制子系统、图像分析及管理子系统。
图像传输成像子系统:从高温的炉膛环境内获取火焰图像。如附图2所示,主要包括光学探头17、工业CCD相机8、风冷套管18和温度传感器6,用于实时监测前端镜头温度与传输火焰光至后端计算机中进行分析。在该子系统设计中,使用光学探头17将火焰光束传输到彩色CCD相机8和远端分析计算机。图像传输成像子系统本质上是一个集成探头,用于容纳和固定光学探头17和CCD相机8两个关键成像元件。因此,光学探头17必须穿透炉壁,并且需要根据现场条件评估火焰的观测区域是否合适。光学探头的工作温度也应通过测温热电偶进行持续监测,以确保所有光学元件在安全环境下工作。
风/水冷却降温保护子系统:保证整个系统不受高温、高压与粉尘的影响。如附图3所示,主要包括水冷盘管5、耐高温预埋件3、密封管座4和相机冷却管26,防止系统无保护地处于锅炉内部的恶劣环境中。风/水冷却降温保护子系统作为整套系统的保护中枢,起到隔绝热辐射、确保气密性与冷却保护的作用,将确保所研究设计的系统在锅炉恶劣的高温、粉尘工作环境下可靠稳定地运行。
自动进退和电气控制子系统:用以驱动系统伸入和退出炉膛,同时对数字图像信号进行远距离传输,并实现系统供电,检测并过滤冷却气源,保护系统在超温、欠压的情况下不被炉内高温火焰所损坏,确保系统可以稳定可靠地运行。如附图4所示,主要包括进退气缸30、空气过滤器34与电气控制机柜16及其内部元器件。自动进退和电气控制子系统作为整套系统的控制中枢,其主要部件与功能可划分为以下两个部分:
1)自动进退部分。由于系统前端图像传输成像子系统将会长时间的滞留在高温高压且充满粉尘的炉膛内部,一旦冷却气源方面出现故障,出现断气、欠压等状况,此时系统探头若是无法及时退出,会直接造成光学探头17甚至CCD相机8因温度过高而损坏,从而影响系统的稳定性、安全性与经济性。因此,需要设计一种受控的自动进退装置,保证系统整体的安全稳定运行。
2)电气控制部分。系统的各类器件,如气动调压阀、电磁阀、电源等器件都将放置在一个精心设计的电气控制机柜16当中,以实现对系统的供电、超温检测与欠压保护、冷却气源的检测与过滤,以及自动进退部分的控制等功能。
图像分析及管理子系统:实现火焰图像的可视化、相关数据测算分析与存储等功能。如附图5所示,主要包括搭载系统软件的工控机与显示器等部件,允许系统采集并存储火焰图像,根据燃烧条件的变化对CCD工业相机8的参数进行设置,对图像传输成像子系统获取的高分辨率火焰图像进行显示,实时分析火焰的各个特征参数及稳燃程度,并以数字化的方式展示。
系统采集图像过程描述如下:首先,为了防止光学探头17因高温而过热,并保持炉膛内的负压,设计了一个带有风/水冷冷却的风冷套管18与受气压控制的进退装置作为系统的前端保护部分。风冷套管18内部容纳光学探头,通过侧方炉壁面的观火孔25穿透安装到锅炉中,使得该方向上锅炉的燃烧器火焰1可以被完全采集。光学探头17的物镜组17-1相对于光路具有90°的视角,将视野范围内采集到的火焰光传输到CCD工业相机8,再送入计算机的燃烧状态在线诊断软件当中,实时显示系统捕获的火焰图像,并进行相关数据测算。同时,为了及时调整火焰的观测效果,软件还具备相机参数配置的功能。
如附图6所示,本发明在线监测燃烧器火焰稳定性方法的流程如下:
步骤1:系统初始化:检查系统的电源线路连接是否正常,气源管路气密性是否良好,若无问题,进行接地后通电。
步骤2:系统连锁保护功能测试:全开冷却气源阀门,查看压力仪表示数是否符合系统要求,若符合要求,则缓慢全关阀门,检查系统是否能够顺利退出,再全开阀门,检查系统是否能够顺利伸进。若无问题,则保持冷却气源的持续通入。
步骤3:系统伸进与火焰成像:完成上述步骤后,将系统从燃烧器侧墙或上方二次风道区域伸进炉膛内部,图像成像与传输子系统通过一组紧密排列的物镜组17-1、中继透镜前组17-2和中继透镜后组17-3将火焰光传输至后端CCD工业相机8的靶面上,完成火焰成像。
步骤4:图像采集效果设置:通过系统软件自动检测相机IP地址,打开相机,并根据实际火焰图像效果调整相机参数,如增益、曝光时间等。
步骤5:计算火焰特征参数:对实时传输的火焰图像进行火焰平均亮度、不均匀度、闪烁频率、平均温度等特征参数的计算。
平均亮度:
式中,I为平均亮度,Rf为火焰发光区域,G(i,j)为火焰发光区域Rf在(i,j)处的灰度,A为发光区域像素点个数。
不均匀度:
式中,NU为不均匀度,Np为发光区域内像素的总数,I(k)是图像灰度,n(k)是灰度I(k)的像素数,If是未归一化的平均亮度值。
闪烁频率:
式中,F为闪烁频率,fi为第i个频率值,pi为第i个频率分量的功率密度,N2为频率分量总数。
平均温度:
通过双色法测定,式中,T为火焰各个像素点的火焰温度,Tav为火焰平均温度,C2为第二普朗克常数,λ1为绿色光谱的峰值波长,λ2为红色光谱的峰值波长,G1、G2分别为图像R、G分量对应的亮度值,S为设备因子。
步骤6:火焰稳定性分析:根据计算的特征参数对火焰稳定程度进行分析,通过火焰稳定指数公式求取稳定指数,其数值越大,则代表火焰稳定性越好,反之,则代表火焰稳定性越差。
步骤7:数据可视化与存储:特征参数与稳定指数将以曲线图形式实时显示,并可设置相应的时间间隔,将获取的火焰视频图像与计算的各参数进行存储。
Claims (6)
1.一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置,其特征在于,包括图像传输成像子系统、风/水冷却降温保护子系统、自动进退和电气控制子系统、图像分析及管理子系统。
2.根据权利要求1所述一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置,其特征在于,所述图像传输成像子系统用于从高温炉膛环境获取火焰图像,并实时监测前端镜头温度与传输火焰光至后端计算机中进行分析,主要包括光学探头(17)、工业CCD相机(8)、风冷套管(18)和温度传感器(6)。
3.根据权利要求1所述一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置,其特征在于,所述风/水冷却降温保护子系统用于保证系统不受高温、高压与粉尘的影响,主要包括水冷盘管(5)、耐高温预埋件(3)、密封管座(4)和CCD相机冷却设计。
4.根据权利要求1所述一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置,其特征在于,所述自动进退和电气控制子系统用于驱动系统伸入和退出炉膛,同时对数字图像信号进行远距离传输,并实现系统供电,检测并过滤冷却气源,保护系统在超温、欠压的情况下不被炉内高温火焰所损坏,确保系统可以稳定可靠地运行,主要包括进退气缸(30)、空气过滤器(34)与电气控制机柜(16)及其内部元器件。
5.根据权利要求1所述一种在线监测燃烧器火焰稳定性的装置,其特征在于,所述图像分析及管理子系统实现火焰图像的可视化、相关数据测算分析与存储功能,主要包括搭载系统软件的工控机与显示器。
6.一种在线监测燃烧器火焰稳定性的方法,采用权利要求1-5任意一项所述装置实现,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:系统初始化,检查系统的电源线路连接是否正常,气源管路气密性是否良好,若无问题,进行接地后通电;
步骤2:系统连锁保护功能测试,全开冷却气源阀门,查看压力仪表示数是否符合系统要求,若符合要求,则缓慢全关阀门,检查系统是否能够顺利退出,再全开阀门,检查系统是否能够顺利伸进,若无问题,则保持冷却气源的持续通入;
步骤3:系统伸进与火焰成像,完成上述步骤后,将系统从燃烧器侧墙或上方二次风道区域伸进炉膛内部,图像成像与传输子系统通过一组紧密排列的物镜组(17-1)、中继透镜前组(17-2)和中继透镜后组(17-3)将火焰光传输至后端CCD工业相机(8)的靶面上,完成火焰成像;
步骤4:图像采集效果设置,通过系统软件自动检测CCD工业相机IP地址,打开相机,并根据实际火焰图像效果调整相机参数;
步骤5:计算火焰特征参数,对实时传输的火焰图像进行火焰平均亮度、不均匀度、闪烁频率和平均温度的计算;
步骤6:火焰稳定性分析,根据计算的特征参数对火焰稳定程度进行分析,通过火焰稳定指数公式求取稳定指数;
步骤7:数据可视化与存储,特征参数与稳定指数将以曲线图形式实时显示,并可设置相应的时间间隔,将获取的火焰视频图像与计算的各参数进行存储。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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