专利名称：大型锅炉燃烧工况的在线检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于大型燃煤或燃油锅炉燃烧工况的在线检测技术及装置的改进，涉及光电技术领域。
广泛应用于火力发电厂的大型燃煤(或油)锅炉是依靠热风将燃料由管道送入炉内，以一定的速度通过喷嘴使煤粉(或油粒)喷射在炉膛内燃烧，并通过风煤(油)比和喷射速度的调整控制使燃烧达到最佳状态。由于燃料品质和煤粉湿度的随机变化，使风与燃料的比例不能成为固定模式，所以炉膛内燃烧工况的在线检测则成为燃烧控制调整的依据。现对燃烧工况的在线检测主要有三种方式，一是检测炉膛温度来判断燃烧状态，由于这种锅炉很大且有多组喷嘴，所测得的炉膛综合温度很难分辨各喷嘴的燃烧状况，也无法分辨出单个喷嘴不正常与整组喷嘴的燃烧不正常，所以难以实现最佳状态的燃烧；另一种方式是在各喷嘴附近设置有火焰监测器，如美国福耐公司、耐克公司和瑞典ABB公司所生产的同类产品，以及中国ZL96235721.9专利都采用这种方式，而这种监测方式只具有“点火灭火”的判断功能，而无法实现“燃烧状态”的检测功能，并且这两种方式的应用通常会引起燃料的过量输入，出现不完全燃烧，不仅造成浪费，更重要的是炉内煤粉的堆积能引起压力的升高，有爆炸的危险，而燃料输入的不足，也造成生产浪费并降低了发电效率。另一种方式为日本三菱公司生产的燃烧工况检测装置，是由CCD扫描像机、监视器和自动控制系统组成，由CCD像机扫描可以分析出各喷嘴火焰的灰度等级，并通过监视器能观察到炉膛燃烧的综合图像，从而判断炉内的燃烧工况，再通过自动控制系统对风与燃料的比例进行调整控制，来实现最佳状态的燃烧；由于摄像头是近距离大视场的拍摄，且无法区分火焰的远近，故各喷嘴的背景火焰和附近喷嘴的窜火干扰，往往造成误判断和错判，从而使检测的准确度和使用效果降低；并且该装置的价格十分昂贵，而且对各部件的质量要求很高，例如由于不能把摄像头接近高温区，必须设计大视场、长焦距的光学系统，才能避免死角，并且在恶劣环境下其光学系统的可靠性、启动扫描器的电子器件的耐高温性都需严格把关，故现在国内尚无使用。
本发明的目的是设计一种大型锅炉用的燃烧工况在线检测装置，要求其能测得各喷嘴口的燃烧温度(T)、火焰闪烁频率(Hz)和燃料分布密度(ρ)，利用这些数据通过自控系数来实现最佳状态的燃烧，使之具有成本低廉，制作容易、检测结果准确、能对各喷嘴进行单个检测和控制、节约燃料效果明显的优点。
本发明所设计的燃烧工况在线检测装置是由光纤传感火检器及其信号处理器和自动控制系统组成，它是把火检器设置在各喷嘴口的附近，将火检器采集到的视像信号通过光纤光缆传给其信号处理器，处理后的信号都被输入自控系统，结合各燃料输送管道的风速，自控系统经分析处理后对各管道的供料量分别进行调整，以期达到最佳燃烧状态。其特征在于，所述光纤传感火检器的结构为，在火检器护套的前端设置有石英保护窗，其后依次设置有光学透镜、空间滤波器和自聚焦透镜，在自聚焦透镜的末端耦合有光纤光缆输出；所述火检器信号处理器的结构为，由光纤光缆输入进入Y型分路器光分二路，一路经红外滤光片后由光电转换器转换成电信号，此为温度(T)信号，另一路可见光经光电转换器后成为电信号，其直流分量为密度(ρ)信号，其交流分量为频率(Hz)信号，这三路信号经放大后进入自动控制系统。
由上述可以看出，本发明采用三个变量指标(Hz、T、ρ)对各喷嘴的燃烧状况进行描述，不仅能判断“点火灭火”，而且对燃烧工况的综合描述更确切，更便于实现最佳燃烧的控制，能明显达到节能和提高效率的目的；本发明所设计的在线检测装置在每个喷嘴设有火检器，能实现对各喷嘴的局部检测和控制，减小整体波动的影响；并由于在火检器中设置有空间滤波器，能消除远处背景火焰和近处窜火对检测的干扰，从而使在线检测的结果更为准确，避免了误判和错判的发生；另外本发明具有结构简单、制作容易、成本低廉的优点。
附图
为本发明所设计燃烧工况在线检测装置的结构及安装原理示意图。图中1为石英保护窗，2为光学透镜，3为空间滤波器，4为火检器护套，5为自聚焦透镜，6为光纤光缆，7为Y型分路器，8为放大器，9为滤光片，10为自控系统，11为风速传感器，12为燃料自动加料装置，13为风与燃料输送管道。
以下结合附图详细说明本发明技术方案的具体实施和使用方法。
参见附图，所设计燃烧工况的在线检测装置是由火检器及其信号处理器和自控系统组成，在锅炉内每个燃烧喷嘴附近固定设置火检器，并使之对准喷嘴的火焰燃烧区；由于炉体结构的限制，火检器不能直接对准喷嘴燃烧区只能与喷嘴送料管道平行设置时，则需使火检器的视场轴线倾斜，使之对准喷嘴燃烧区(如图所示)；火检器的护套是用耐热不锈钢管制成，在护套前端固定设置石英保护窗，直视火检器的保护窗其视轴与护套中轴线重合，而斜视火检器的保护窗其视轴折射有楔角α，把保护窗制成棱镜(如图)即可完成；在护套内保护窗之后依次设置有光学透镜、空间滤波器和自聚焦透镜及耦合的光纤光缆，其中光学透镜为火检器光学系统物镜，可选石英玻璃制作；空间滤波器的作用是消除背景火焰和近处窜火的干扰，可选择光纤面板或是二元光栅来完成，其作用机理为，火检器的视像通过物镜成像于空间滤波器的输入面，在其输出面上各像点按距离的远近由中心向边部分布，把远处背景火焰在中心成像的像点和近处窜火在边部成像的像点遮拦，只保留所测目标(即火焰燃烧区)的成像输出，则能完成干扰的消除；空间滤波器选用二元光栅其像点的遮拦很容易完成，这是专业人员熟知掌握的，若选用光纤面板其遮拦的方法可采用涂黑或打毛的方式，另外边部像点的遮拦还可采用光隔离圈或是缩小成像端面或是放大成像等方式完成；用玻璃制成的自聚焦透镜能将消除干扰后的目标像采集，通过耦合的光纤光缆输出，必要时光纤光缆也可以用石英材料制成。所述火检器信号处理器的结构为，光纤光缆输入进入固定设置的Y型分路器使光分二路(Y型分路器是光学仪器中常用的光学器件)，一路经固定设置的红外滤光片(能通过0.76μm以上波长的光)后由光电转换器(可选PIN型)转换成电信号，此为所测喷嘴燃烧区温度(T)变化的模拟信号；另一路可见光直接由光电转换器(可选PIN型)转换成电信号后分二路，一路经过带通放大电路成为交流分量，另一路则为直流分量，交流分量为所测喷嘴火焰闪烁频率(Hz)的信号，直流分量为燃料分布密度(ρ)的信号，将这三路信号经放大器放大后送入自动控制系统。
本发明所设计的燃烧工况在线检测装置的工作过程为，对准喷嘴燃烧区的火检器将视像通过保护窗和光学透镜成像于空间滤波器，空间滤波器将远处和近处的干扰视像消除，使燃烧区目标像输出，会聚于自聚焦透镜经过耦合的光纤光缆到达Y型分路器；光分二路中的一路经滤光后，使红外光会聚于光电转换器，由于红外线的辐射强度能直接反映出温度的高低，所以光电转换器转换出的电信号则能表示出所测温度(T)的变化，温度范围为500～1600℃；另一路可见光直接由光电转换器转换成电信号后分二路，一路经过带通放大电路成为交流分量，由于燃料从喷嘴喷出，燃料粒子被散射点燃，在点燃的瞬间因燃料粒子的爆裂引起亮度的闪烁，其闪烁频率(Hz)与交流分量相关，故用交流分量表示闪烁频率(Hz)信号，其范围为4～150Hz；而燃料分布密度(ρ)的信号用另一路直流分量表示，是因为无数被点燃的燃料粒子能形成亮度峰值，被点燃的粒子数越多其亮度越强，故用与亮度相关的直流分量表示密度(ρ)。这三路信号经放大电路放大后送入自控系统。
自控系统内设置有数据处理及自控程序，其数据处理程序是将输入的各电信号转换为相应的模拟信号并处理成数字信号。而自控程序的工作规则为，根据检测数据能求出对应的能量
(δ为波尔兹曼常数)和局部区域(火检器对准燃烧区所形成的园锥体)内应产生的热量Q-mcΔt(c为比热系数，Δt为取样时间，m为燃料质量，即正燃烧燃料粒子数的重量)，由于燃烧效率与燃料的品质，热风温度及空气与燃料的比例有关，把这些参数编入自控程序就能根据检测的数据结合当前送料管道内的数据(通过风速和温度传感器得知送风量和热风温度，通过燃料自动加料装置得知输送燃料量)进行运算，并反馈控制风与燃料的比例和送料(风和燃料)速度，使W与Q达到平衡。例如，在Hz、T、ρ均处于下限即表示熄火，若Hz和T处于正常范围而ρ小，则先降低送料速度，这时ρ变大说明燃料输入过量，而ρ继续变小说明燃料输入不足，再比较T与Hz就能得到最佳的送料速度和比例；由此把自控程序对送料速度和比例的调整表现为结构装置对输送燃料量和送风量的调整，而自控系统对各喷嘴的分别控制调整，则能使炉膛燃烧达到最佳状态。本段的叙述仅为本申请技术方案的使用提供说明，不属于本申请发明内容的范围，所以不作详细说明，诸如自控程序的编制、风力及温度的检测及控制、燃料输入量的检测及控制等内容将作为另外的技术方案处理，其中管道煤粉流量的检测已申请中国专利。
权利要求
1.一种大型锅炉燃烧工况的在线检测装置，由光纤传感火检器及其信号处理器和自动控制系统组成，是把火检器设置在各喷嘴口的附近，并使之对准喷嘴的火焰燃烧区，将采集到的视像信号通过耦合的光纤传给其信号处理器，处理后的信号被输入到自控系统，经自控系统分析处理后对各输料管道的供风供燃料量分别进行调整，使锅炉燃烧达到最佳状态；其特征在于，所述光纤传感火检器的结构为，在火检器护套的前端设置有石英保护窗，其后依次设置有光学透镜、空间滤波器和自聚焦透镜，在自聚焦透镜的末端耦合有光纤光缆输出；所述火检器信号处理器的结构为，由光纤光缆输入进入Y型分路器光分二路，一路经红外滤光片后由光电转换器转换成电信号，此为温度(T)信号，另一路可见光经光电转换器后成为电信号，其直流分量为密度(ρ)信号，其交流分量为频率(Hz)信号，这三路信号经放大器放大后进入自动控制系统。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述的空间滤波器可以选择至少具有中心遮拦的二元光栅或是光纤面板，其中光纤面板的遮拦可以采用涂黑或打毛的方式。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述的光电转换器可以选择PIN型；所述的交流分量和直流分量得到的方式为，由一路可见光直接经光电转换器转换成电信号后分二路，一路经过带通放大电路成为交流分量，另一路则为直流分量。
4.根据权利要求1或2、或3所述的检测装置，其特征在于，直视火检器的视轴与护套中轴线重合；而斜视火检器的视轴与护套中轴线有楔角α，其可以将保护窗作成折射棱镜来完成。
全文摘要
一种大型锅炉燃烧工况的在线检测装置,其特点是把火检器采集的视像信号经物镜成像于空间滤波器,消除干扰后的目标像会聚于自聚焦透镜,由耦合的光缆输入至分路器光分二路,一路经红外滤光后转换成电信号表示温度,另一路直接转换为电信号,其交流分量为火焰频率信号,直流分量为燃料密度信号,这三路信号经放大送入自控系统运算处理,再反馈控制各喷嘴送风输煤量的调整,使燃烧为最佳状态。具有成本低廉、检测准确等优点。
文档编号F22B35/00GK1242489SQ9811291
公开日2000年1月26日 申请日期1998年7月16日 优先权日1998年7月16日
发明者陈尧生, 阮航 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所