一种火焰燃烧状态检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种火焰燃烧状态检测装置及检测方法，包括：光纤的一端安装于炉膛内，另一端与光电转换电路连接；光电转换电路通过光敏电阻将红外辐射强度转换为电流信号以实现远距离传输；所述光电转换电路与智能信号处理器连接，智能信号处理器通过网络接口与后台监控主机连接；智能信号处理器用于实现信号的采样、A/D转换以及数字滤波，所述智能信号处理器的数量根据炉膛中喷燃器的数量确定。采用本发明提出的火焰检测方法解决了目前火检装置领域长期存在的技术难题，为火焰的准确检测提供了理论依据。
【专利说明】一种火焰燃烧状态检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种火焰燃烧状态检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002] 在火力发电领域，煤碳发电有两种燃烧方式，一种为煤粉燃烧方式，另一种为循环 流化床燃烧方式。前者，煤炭被磨煤机磨成粉状后通过送风机的强大风力被送进炉膛燃烧， 目前绝大多数的火力发电机组为煤粉方式。后者主要是近十几年来为了环保的需要，对一 些含有大量煤矸石的劣质煤炭进行处理而出现的一种非主力发电方式。对于运行中的煤粉 燃烧锅炉来说，每时每刻都有大量的煤粉通过布置在多层、多角（墙）的喷燃器将大量的煤 粉吹向炉膛。由于煤粉是一种高温易爆物质，煤粉如在炉膛内不能及时燃烧，将带来爆燃或 爆炸的危险。因此，需要对每个喷燃器的燃烧状况进行准确检测，以便在喷燃器火焰熄灭后 及时切断燃料，以保障炉膛安全。这种检测火焰燃烧状况的设备在行业内简称为火检。
[0003] 但纵观火检设备发展历史，无论是300MW以下的小机组还是目前的1000MW机组， 火检装置一直以来都由国外公司垄断。目前国内火检市场主要由ABB和FORNEY两家公司 垄断。虽然也有哈尔滨、大连、上海、徐州等几家国内厂家，但由于技术和品牌无法与ABB 和FORNEY相抗衡，因此，只在一些小机组中占有一定份额。但从技术的角度，包括ABB和 FORNEY的产品也并非无懈可击。目前火检装置普遍存在一个技术难题，就是，行业中习惯 地称之为"偷看"问题。所谓"偷看"，就是，随着煤种或燃烧状况的变化，虽然被观测的喷燃 器的火焰强度已经很低了，甚至已经灭火，但此时火检检测的信号因未低于设定好的灭火 门槛值，因此给出的信号依然是"有火"。但抬高门槛值往往又意味着频繁发生"灭火"误报 警。因此，门槛值的整定很伤脑筋，解决的办法是引进给粉机运转状态等外部信号。这事实 上已说明"偷看"确实已是一个老大难问题。"偷看"具有很大的危害性和危险性，必须彻底 解决。
[0004] 从火焰检测原理上看，由于炉膛中红外光约占90%，可见光约10%，因此，目前火 检以检测红外光为主。红外光的检测一般采用硫化铅光敏电阻作为传感器。红外光辐射强 度的变化通过光敏电阻再转换为电信号，最后由硬件电路或计算机检测处理。从信号特征 上看，燃烧中的火焰既有直流成分，也有交流成分。交流成分实际反映了火焰的闪烁状态， 因此，能否获取闪烁特征是火焰状态检测成败的关键因素。FORNEY对火焰的闪烁特征采用 了的硬件带通滤波器，带通范围可设定，之后以带通滤波器之后的信号总强度与设定的门 槛值相比较作为灭火条件。FORNEY的这一方法，虽然获得了闪烁特征，但阻断了直流成分， 无法全面掌握火焰燃烧状况。ABB的主流产品810系列采用了模拟信号直接采样，配合FPGA 数字滤波技术和傅里叶滤波技术，既可以获得直流成分，也可得到交流成分，但根据ABB燃 烧品质计算公式：FQ = 20*Log(FS) - Background(其中FQ表示火焰质量，FS表示火焰信 号，Background表示背景值B)可知，ABB采用了对数放大器对信号进行了转换，并从中减 去背景值B。背景值随煤种和工况而变，因此，增大了灭火保护值的整定难度。这也是目前 火检存在"偷看"难题的主要原因。比较FORNEY和ABB的火焰特征检测原理，FORNEY是用 硬件电路滤除了背景成分，ABB则从信号中减去背景成分。实际上，背景成分还是非常重要 的，是可以加以利用的。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明提出了一种火焰燃烧状态检测装置及检测方法，该装 置及方法充分利用火焰的背景成分（直流成分）和闪烁成分（交流成分），并以其相对大小 作为灭火判断依据。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种火焰燃烧状态检测装置，包括：光纤、光电转换电路、智能信号处理器以及后 台监控主机；
[0008] 光纤的一端安装于炉膛内，另一端与光电转换电路连接；光电转换电路通过光敏 电阻将红外辐射强度转换为电流信号以实现远距离传输；所述光电转换电路与智能信号处 理器连接，智能信号处理器通过网络接口与后台监控主机连接；
[0009] 所述智能信号处理器用于实现信号的采样、A/D转换以及数字滤波，所述智能信号 处理器的数量根据炉膛中喷燃器的数量确定。
[0010] 所述光电转换电路包括：
[0011] 反相运算放大器Ul的正向输入端通过电阻R2接地，反相运算放大器Ul的反向输 入端经过反相运放输入电阻Rl后接入负的基准电压-Vref，红外光敏电阻Rt串接在反相运 算放大器Ul的反向输入端和输出端之间；反相运算放大器Ul的输出端连接电压-电流转 换器后输出。
[0012] 所述智能信号处理器包括主控单元MCU，所述主控单元MCU内部集成A/D转换器、 数据存储器RAM、程序存储器和通信接口 UART ;
[0013] 光电转换电路输出的电流接入同相输入跟随方式运算放大器U2的正向输入端， 所述同相输入跟随方式运算放大器U2的正向输入端经电阻R3后接地，同相输入跟随方式 运算放大器U2的反向输入端与输出端连接，同相输入跟随方式运算放大器U2的输出端连 接主控单元MCU的A/D转换器；所述主控单元MCU的通信接口 UART经过差分发送接收适配 器TxRxU与网络接口连接。
[0014] 一种火焰燃烧状态检测方法，包括以下步骤：
[0015] 1)光电转换：炉膛的红外光通过光纤照射到光敏电阻，光电转换电路将电阻信号 转换为电流信号输出，输出电流的大小与辐射强度呈反比；
[0016] 2)信号处理：智能信号处理器对来自光电转换电路的电流信号转换为电压信号 后依次进行快速采样、A/D转换和数字滤波；
[0017] 3)频谱分析：对采样信号u(t)进行数字频谱分析，得到其中的直流成分，以及若 干频率点的交流成分的大小；
[0018] 4)指数计算：计算所述交流成分之和，并除以直流成分，得到火焰的闪烁成分与 背景成分之比，所述比值称之为燃烧指数；
[0019] 5)逻辑判断：将所得燃烧指数与设定的门槛值相比较，如果燃烧指数小于门槛值 且交流变化幅度下降到门槛值以下，则认为火焰灭火，并发出报警信号，否则，认为火焰燃 烧正常。
[0020] 所述步骤1)的具体方法为：
[0021] 用精密基准源产生一个负参考电压-Vref，并接入运算放大器的反相端，将光敏电 阻Rt作为反馈电阻，放大器的输出电压Vo与输入电压Vref以及光敏电阻Rt呈现如下关 系：
[0022]
【权利要求】
1. 一种火焰燃烧状态检测装置，其特征是，包括：光纤、光电转换电路、智能信号处理 器以及后台监控主机； 光纤的一端安装于炉膛内，另一端与光电转换电路连接；光电转换电路通过光敏电阻 将红外辐射强度转换为电流信号以实现远距离传输；所述光电转换电路与智能信号处理器 连接，智能信号处理器通过网络接口与后台监控主机连接； 所述智能信号处理器用于实现信号的采样、A/D转换以及数字滤波，所述智能信号处理 器的数量根据炉膛中喷燃器的数量确定。
2. 如权利要求1所述的一种火焰燃烧状态检测装置，其特征是，所述光电转换电路包 括： 反相运算放大器Ul的正向输入端通过电阻R2接地，反相运算放大器Ul的反向输入端 经过反相运放输入电阻Rl后接入负的基准电压-Vref，红外光敏电阻Rt串接在反相运算放 大器Ul的反向输入端和输出端之间；反相运算放大器Ul的输出端连接电压-电流转换器 后输出。
3. 如权利要求1所述的一种火焰燃烧状态检测装置，其特征是，所述智能信号处理器 包括主控单元MCU，所述主控单元MCU内部集成A/D转换器、数据存储器RAM、程序存储器和 通信接口UART; 光电转换电路输出的电流接入同相输入跟随方式运算放大器U2的正向输入端，所述 同相输入跟随方式运算放大器U2的正向输入端经电阻R3后接地，同相输入跟随方式运算 放大器U2的反向输入端与输出端连接，同相输入跟随方式运算放大器U2的输出端连接主 控单元MCU的A/D转换器；所述主控单元MCU的通信接口UART经过差分发送接收适配器 TxRxU与网络接口连接。
4. 一种火焰燃烧状态检测方法，其特征是，包括以下步骤： 1) 光电转换：炉膛的红外光通过光纤照射到光敏电阻，光电转换电路将电阻信号转换 为电流信号输出，输出电流的大小与辐射强度呈反比； 2) 信号处理：智能信号处理器对来自光电转换电路的电流信号转换为电压信号后依 次进行快速采样、A/D转换和数字滤波； 3) 频谱分析：对采样信号u(t)进行数字频谱分析，得到其中的直流成分，以及若干频 率点的交流成分的大小； 4) 指数计算：计算所述交流成分之和，并除以直流成分，得到火焰的闪烁成分与背景 成分之比，所述比值称之为燃烧指数； 5) 逻辑判断：将所得燃烧指数与设定的门槛值相比较，如果燃烧指数小于门槛值且交 流变化幅度下降到门槛值以下，则认为火焰灭火，并发出报警信号，否则，认为火焰燃烧正 堂 巾。
5. 如权利要求4所述的一种火焰燃烧状态检测方法，其特征是，所述步骤1)的具体方 法为： 用精密基准源产生一个负参考电压-Vref，并接入运算放大器的反相端，将光敏电阻Rt作为反馈电阻，放大器的输出电压Vo与输入电压Vref以及光敏电阻Rt呈现如下关系： Vo =f^V = km R (() Ril，：l ' 由于光敏电阻的阻值随辐射强度增大而减小，因此，输出电压与辐射强度呈反比关系； 由于电压-电流变换是线性变换，因此，光电转换电路的电流也与辐射强度呈反比关系。
6.如权利要求4所述的一种火焰燃烧状态检测方法，其特征是，所述步骤2)的具体方 法为： 将光电转换后的信号u(t)表示为一个基频为ω的傅立叶函数： M u(t) =U()e/Jsm(k(〇i+θ,.) (I) k=l 其中，Utl为直流分量；λ为直流分量衰减系数；Uk为第k次谐波的幅值；ω为基波电流 或电压的角频率；Θk为第k次谐波的初始相角，k=1，2,…，M; 将（1)式中的UtliTA1和sin(k〇n+0k)分别按泰勒级数和三角函数展开，得到： U0e_At ^u0-U0Xt (2) Uksin (k ω t+Θk) = sin (k ω t) Ukcos (Θk)+cos (k ω t) Uksin (Θk) (3) 上式中，UkC〇S (Θk)和UkSin(Θk)分别是需要测量的第k次谐波相量的实部和虚部； 根据最小二乘方判据，每次采样后将得到如下一个方程： M U0 -U^Ali +V{sicos(^ )] +cos(k(〇(j)\Uksin(6^ )]J= ?(/,.) (4) A：-I h为第i次采样时刻，经过连续N次采样后，将得到N个方程； 将Uc^Uciλ，以及所有谐波的实部和虚部作为未知量，且用矩阵表示，则N次采样结果可 用如下采样矩阵方程表示：
采用等间隔采样，则乂 = $且Kf; 用A表示N行，2 (M+1)列的系数矩阵，用X表示单列2 (M+1)行的待测变量矩阵，用U表 示单列采样矩阵，则上述采样矩阵方程可表示为： A·X=U (5) 如果系数矩阵A存在逆矩阵A'则： X=A-1 ·U (6) 其中，逆矩阵A^1的维数为2 (M+1)行，N列； f1即是最小二乘滤波器，如果用aij表示其第i行第j列的元素，则，i= 1?2 (M+l)，j= 1?N; 根据矩阵X的定义和方程￠)，则直流成分为：
复数第k次谐波的实部为：
复数第k次谐波的虚部为：
复数第k次谐波的峰倌为：
7. 如权利要求4所述的一种火焰燃烧状态检测方法，其特征是，所述步骤3)中的燃烧 指数计算公式为：
其中，Uk为频率点交流成分之和，k为频率点的个数，Utl为背景的直流成分强度。
8. 如权利要求4所述的一种火焰燃烧状态检测方法，其特征是，所述步骤3)中若干频 率点的交流成分分别为低频9Hz、中频36Hz和高频81Hz三个频率点的交流成分。
【文档编号】F23M11/04GK104315535SQ201410605971
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】丁卫东, 邱岭, 郑承华, 于永博 申请人:山东泰景电力科技有限公司