一种利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统及方法与流程

本发明属于火力发电领域，尤其涉及一种利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统及方法。

背景技术：

在火力发电领域，煤粉燃烧发电为主要形式。煤炭被磨煤机磨成粉状后通过热风连同煤粉一起通过管道(粉管)送入炉膛燃烧。锅炉燃烧稳定性、经济性以及环保指标等要求均取决于煤质和风煤比例调控。关于煤质的评价，主要靠化学分析和抽检法。而风煤比例的精确控制一直是锅炉燃烧领域的老大难问题。目前风煤比例控制的方法主要就是调控给粉机转速，而给粉机转速与给煤量是非线性的，使得投入的风粉在线系统效果都不太理想。造成这一结果的主要原因在于风粉混合物中煤粉浓度的测量和控制都存在问题。浓度测量不准，控制也就无从谈起，浓度测量是实现精确控制的前提。目前浓度测量一般采用电荷原理法，即，利用煤粉带有正电荷，煤粉浓度越大，感应电极上的电压则越高。

由于目前的火力发电机组基本都实现了agc控制，所谓agc，就是自动发电控制，发电机组自动跟踪和响应来自电网调度系统的负荷指令，整个发电机组相当于一个自动跟随的执行器。因此，agc的控制本质就是能量的平衡控制，而发电机组的能量来源于炉膛燃烧产生的热量。因此对炉膛发热量的监控是最直接和有效的监控。但目前针对煤粉浓度测量以及风粉在线系统都仅仅是对供给侧能量的一种间接测量和调控，缺少最直接对炉膛燃烧状况的监测和调控的监测手段。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统，该系统对以喷燃器为观测点的光纤信号进行直接光电转换，并通过对转换后信号的分析，分别分离出反应观测点的辐射强度和未燃颗粒物火焰的闪烁强度，再通过修正未燃颗粒物对背景的遮挡效应来计算修正后的背景辐射强度；利用修正后的背景辐射强度来描述喷燃器煤粉的燃烧质量。

本发明的利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统，包括：

光纤传感器，其设置于喷燃器口，被配置为采集喷燃器内的火焰光信号并经光电转换器传送至处理器内；

所述处理器，被配置为对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析，从而分离出信号中的辐射强度和火焰在各频率点的闪烁强度；再通过修正未燃颗粒物对背景的遮挡效应来计算修正后的背景辐射强度；利用修正后的背景辐射强度来描述喷燃器煤粉的燃烧质量；

其中，在计算修正后的背景辐射强度的过程中，首先利用火焰在各频率点的闪烁强度，计算煤粉燃烧程度用于描述遮挡程度；再利用煤粉燃烧程度来修正背景辐射强度，修正后的背景辐射强度为辐射强度与煤粉燃烧程度的比值。

进一步的，所述光电转换器包括集成运算放大器和与其并联连接的光敏电阻，所述集成运算放大器的反相端输入与光敏电阻的负反馈电压叠加后输出。

其中，光敏电阻为电阻型传感器，光电转换器对光敏电阻采取无失真的阻值——电压变换，输入信号在集成运算放大器的反相输入端与光敏电阻的负反馈电压叠加后输出，输出电压与红外强度(光敏电阻阻值与红外强度呈反比)之间呈反比关系。

进一步的，所述处理器还被配置为采用最小二乘算法对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析。

本发明利用最小二乘算法对信号进行采样及频谱分析，该方法具有较高的时频分析精度,能较准确地识别信号的频谱特征，而且能够较精确的刻画储层的位置和边界，能够进一步提高储层预测的精度。

进一步的，所述处理器还通过总线与监控主机相连。

本发明还提供了利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统的检测方法。

本发明的利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统的检测方法，包括：

光纤传感器采集喷燃器内的火焰光信号并经光电转换器传送至处理器内；

处理器对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析，从而分离出信号中的辐射强度和火焰在各频率点的闪烁强度；再通过修正未燃颗粒物对背景的遮挡效应来计算修正后的背景辐射强度；利用修正后的背景辐射强度来描述喷燃器煤粉的燃烧质量；

其中，在计算修正后的背景辐射强度的过程中，首先利用火焰在各频率点的闪烁强度，计算煤粉燃烧程度用于描述遮挡程度；再利用煤粉燃烧程度来修正背景辐射强度，修正后的背景辐射强度为辐射强度与煤粉燃烧程度的比值。

进一步的，采用最小二乘算法对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析。

进一步的，采用最小二乘算法对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析的具体过程为：

根据申农采样理论，确定光电转换器转换后的信号的频率和采样周期；

根据最小二乘算法，构造一个最小二乘滤波器；

根据最小二乘滤波器对光电转换器转换后的信号进行滤波处理，得到光电转换器转换后的信号的直流分量以及各个频率点的谐波幅值，分别记为辐射强度和火焰在各频率点的闪烁强度。

进一步的，煤粉燃烧程度为煤粉的最大平均闪烁强度与所有煤粉的平均闪烁强度之差再与煤粉的最大平均闪烁强度的比值。

进一步的，当煤粉的各个频率点的闪烁强度达到最大时，煤粉燃烧程度最小，说明遮挡严重。

进一步的，该方法还包括：处理器还将喷燃器煤粉的燃烧质量通过总线传送至监控主机进行实时监控。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的煤粉燃烧质量检测方法中，通过修正未燃颗粒物对背景的遮挡效应来计算修正后的背景辐射强度；利用修正后的背景辐射强度来描述喷燃器煤粉的燃烧质量，为火焰状态检测、燃烧质量检测等提供了理论依据；

(2)本发明提出的煤粉燃烧质量检测方法实现了煤粉燃烧程度的量化评价指标；

(3)本发明提出的燃烧质量检测方法，对当前火力发电领域提高锅炉精细化燃烧调整水平和环保水平具有直接的帮助作用，填补了该领域的空白的，具有巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统结构示意图；

图2是本发明的光电转换器结构示意图；

图3是根据本发明实现的锅炉燃烧监测画面。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1是本发明的利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统结构示意图。

如图1所示，本发明的利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统，包括：

光纤传感器，其设置于喷燃器口，被配置为采集喷燃器内的火焰光信号并经光电转换器传送至处理器内；

所述处理器，被配置为对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析，从而分离出信号中的辐射强度和火焰在各频率点的闪烁强度；再通过修正未燃颗粒物对背景的遮挡效应来计算修正后的背景辐射强度；利用修正后的背景辐射强度来描述喷燃器煤粉的燃烧质量；

其中，在计算修正后的背景辐射强度的过程中，首先利用火焰在各频率点的闪烁强度，计算煤粉燃烧程度用于描述遮挡程度；再利用煤粉燃烧程度来修正背景辐射强度，修正后的背景辐射强度为辐射强度与煤粉燃烧程度的比值。

因煤粉遮挡效应，分离出的信号辐射强度，也就是火焰光信号的直流分量其实是观测点的辐射强度，而不是背景辐射强度，背景辐射强度必须根据煤粉对背景光的遮挡率进行修正。

火焰在基波点和各次谐波频率点上的大小和闪烁特征，反应了颗粒物在炉膛风场中的运动特征，特征越明显，说明颗粒物浓度越大，浓度越大则对背景光遮挡越严重，因此，该特征对背景光是一种负贡献。

用如下的煤粉燃烧程度e描述遮挡程度：

其中，umax——为最大平均闪烁强度。当各闪烁强度达到最大时，e最小(趋向为0)，说明遮挡严重，当各闪烁强度很小时，e反而很大(趋向为1)，说明遮挡效应较小。

因此，真实的背景强度u应根据e的大小进行反向修正。修正后的背景强度u为：

上式综合描述了观测点直接观测到的辐射强度u0、煤粉燃烧程度e，煤粉尽燃前端辐射强度u之间的关系，也描述和代表了喷燃器的燃烧质量。

如图2所示，光电转换器包括集成运算放大器和与其并联连接的光敏电阻，所述集成运算放大器的反相端输入与光敏电阻的负反馈电压叠加后输出。

其中，光敏电阻为电阻型传感器，光电转换器对光敏电阻采取无失真的阻值——电压变换，输入信号在集成运算放大器的反相输入端与光敏电阻的负反馈电压叠加后输出，输出电压与红外强度(光敏电阻阻值与红外强度呈反比)之间呈反比关系。

其中，所述处理器还被配置为采用最小二乘算法对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析。

具体地，采用最小二乘算法对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析的具体过程为：

步骤一：根据申农采样理论，确定光电转换器转换后的信号的频率和采样周期；

根据傅立叶函数理论，任何一个函数均可表示为如下一个基频为ω的傅立叶函数：

其中，u0—直流分量；λ—直流分量衰减系数；uk—第k次谐波的幅值；ω——基波电流或电压的角频率；θk——第k次谐波的初始相角。k＝1,2,…,m。

根据申农采样理论，只要采样频率f是信号频率的两倍以上，就可以从离散采样样本中恢复出连续函数，包括u(t)中的各周期函数分量sin(kωt)等。此处，如以最高可识别频率为119hz为例，则采样频率f必须为238hz以上，在快速傅里叶算法中，采样频率f一般为信号频率的十倍以上，如，要恢复119hz信号，采样频率一般需要1190hz以上的频率。

步骤二：根据最小二乘算法，构造一个最小二乘滤波器；

频谱分析就是通过采样信号序列，最终得u0、λ、uk、θk。目前，有两种方法可以实现上述目标，傅里叶算法和最小二乘算法。本发明采用最小二乘算法。为此，先将傅立叶函数展开并简化。

将傅立叶函数式中的u0e^-λt按泰勒级数展开，取前两项，则：

u0e^-λt≈u0-u0λt

将sin(kωt+θk)按三角函数展开，整理，则：

uksin(kωt+θk)＝sin(kωt)ukcos(θk)+cos(kωt)uksin(θk)

从复函数的角度，其中，ukcos(θk)和uksin(θk)正好是需要待测量的第k次谐波矢量的实部和虚部。而在基波和采样频率已定的情况下，函数空间序列sin(kωti)和cos(kωti)在每个循环周期的时间窗中是一个固定值。因此，根据最小二乘方判据，每次采样后的采样样本与各函数成分之间的关系方程为：

ti——第i次采样时刻。经过连续n次采样后，将得到n个方程。如果将u0、u0λ，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矩阵方程表示：

若采用等间隔采样，则t——基波函数的周期。

如果用a表示上述的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，则上述采样矩阵可表示为：

a·x＝u

系数矩阵a第三列元素表示表示了sin(ωt)在各个采样时刻的数值，a的第四列元素表示了cos(ωt)在各个采样时刻的数值。a的第五列元素表示了二次谐波sin(2ωt)在各个采样时刻的数值，依次类推。

因系数矩阵a一定存在逆矩阵a^-1，因此：

x＝a^-1·u

其中，逆矩阵a^-1的维数为2(m+1)*n。

a^-1即是最小二乘滤波器。一旦根据第一步选择了采样周期，a^-1便是一个事先可计算的常数矩阵。

步骤三：根据最小二乘滤波器对光电转换器转换后的信号进行滤波处理，得到光电转换器转换后的信号的直流分量以及各个频率点的谐波幅值，分别记为辐射强度和火焰在各频率点的闪烁强度。

根据矩阵x的定义和方程x＝a^-1·u，则：

基波含量计算过程为：

第k次谐波的计算过程为：

本发明利用最小二乘算法对信号进行采样及频谱分析，该方法具有较高的时频分析精度,能较准确地识别信号的频谱特征，而且能够较精确的刻画储层的位置和边界，能够进一步提高储层预测的精度。

例如：针对华电青岛发电有限公司的#2炉火检测温，该机组共有28个光纤传感器，分别为光纤火焰检测装置，每个装置分为前端探头和后端控制器两部分，前端探头实现了光纤取样和光电转换，探头内的电路即图2所示电路。火焰光信号无失真地转换为电流信号，进入后端的控制器进行分析处理。

28个光纤传感器通过rs-485总线与监控主机构成一套完整监测系统，锅炉中煤粉燃烧状况和质量在主机监视画面中显示。

本发明还提供了利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统的检测方法。

本发明的利用光纤实现喷燃器煤粉燃烧质量检测系统的检测方法，包括：

(1)光纤传感器采集喷燃器内的火焰光信号并经光电转换器传送至处理器内；

(2)处理器对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析，从而分离出信号中的辐射强度和火焰在各频率点的闪烁强度；再通过修正未燃颗粒物对背景的遮挡效应来计算修正后的背景辐射强度；利用修正后的背景辐射强度来描述喷燃器煤粉的燃烧质量；

其中，在计算修正后的背景辐射强度的过程中，首先利用火焰在各频率点的闪烁强度，计算煤粉燃烧程度用于描述遮挡程度；再利用煤粉燃烧程度来修正背景辐射强度，修正后的背景辐射强度为辐射强度与煤粉燃烧程度的比值。

具体地，采用最小二乘算法对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析。

具体地，采用最小二乘算法对光电转换器转换后的信号进行采样和频谱分析的具体过程为：

步骤一：根据申农采样理论，确定光电转换器转换后的信号的频率和采样周期；

根据傅立叶函数理论，任何一个函数均可表示为如下一个基频为ω的傅立叶函数：

其中，u0—直流分量；λ—直流分量衰减系数；uk—第k次谐波的幅值；ω——基波电流或电压的角频率；θk——第k次谐波的初始相角。k＝1,2,…,m。

根据申农采样理论，只要采样频率f是信号频率的两倍以上，就可以从离散采样样本中恢复出连续函数，包括u(t)中的各周期函数分量sin(kωt)等。此处，如以最高可识别频率为119hz为例，则采样频率f必须为238hz以上，在快速傅里叶算法中，采样频率f一般为信号频率的十倍以上，如，要恢复119hz信号，采样频率一般需要1190hz以上的频率。

步骤二：根据最小二乘算法，构造一个最小二乘滤波器；

频谱分析就是通过采样信号序列，最终得u0、λ、uk、θk。目前，有两种方法可以实现上述目标，傅里叶算法和最小二乘算法。本发明采用最小二乘算法。为此，先将傅立叶函数展开并简化。

将傅立叶函数式中的u0e^-λt按泰勒级数展开，取前两项，则：

u0e^-λt≈u0-u0λt

将sin(kωt+θk)按三角函数展开，整理，则：

uksin(kωt+θk)＝sin(kωt)ukcos(θk)+cos(kωt)uksin(θk)

从复函数的角度，其中，ukcos(θk)和uksin(θk)正好是需要待测量的第k次谐波矢量的实部和虚部。而在基波和采样频率已定的情况下，函数空间序列sin(kωti)和cos(kωti)在每个循环周期的时间窗中是一个固定值。因此，根据最小二乘方判据，每次采样后的采样样本与各函数成分之间的关系方程为：

ti——第i次采样时刻。经过连续n次采样后，将得到n个方程。如果将u0、u0λ，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矩阵方程表示：

若采用等间隔采样，则t——基波函数的周期。

如果用a表示上述的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，则上述采样矩阵可表示为：

a·x＝u

系数矩阵a第三列元素表示表示了sin(ωt)在各个采样时刻的数值，a的第四列元素表示了cos(ωt)在各个采样时刻的数值。a的第五列元素表示了二次谐波sin(2ωt)在各个采样时刻的数值，依次类推。

因系数矩阵a一定存在逆矩阵a^-1，因此：

x＝a^-1·u

其中，逆矩阵a^-1的维数为2(m+1)*n。

a^-1即是最小二乘滤波器。一旦根据第一步选择了采样周期，a^-1便是一个事先可计算的常数矩阵。

步骤三：根据最小二乘滤波器对光电转换器转换后的信号进行滤波处理，得到光电转换器转换后的信号的直流分量以及各个频率点的谐波幅值，分别记为辐射强度和火焰在各频率点的闪烁强度。

根据矩阵x的定义和方程x＝a^-1·u，则：

基波含量计算过程为：

第k次谐波的计算过程为：

因煤粉遮挡效应，分离出的信号辐射强度，也就是火焰光信号的直流分量其实是观测点的辐射强度，而不是背景辐射强度，背景辐射强度必须根据煤粉对背景光的遮挡率进行修正。

火焰在基波点和各次谐波频率点上的大小和闪烁特征，反应了颗粒物在炉膛风场中的运动特征，特征越明显，说明颗粒物浓度越大，浓度越大则对背景光遮挡越严重，因此，该特征对背景光是一种负贡献。

用如下的煤粉燃烧程度e描述遮挡程度：

其中，umax——为最大平均闪烁强度。当各闪烁强度达到最大时，e最小(趋向为0)，说明遮挡严重，当各闪烁强度很小时，e反而很大(趋向为1)，说明遮挡效应较小。

因此，真实的背景强度u应根据e的大小进行反向修正。修正后的背景强度u为：

上式综合描述了观测点直接观测到的辐射强度u0、煤粉燃烧程度e，煤粉尽燃前端辐射强度u之间的关系，也描述和代表了喷燃器的燃烧质量。

该方法还包括：处理器还将喷燃器煤粉的燃烧质量通过总线传送至监控主机进行实时监控。

本发明提出的煤粉燃烧质量检测方法中，通过修正未燃颗粒物对背景的遮挡效应来计算修正后的背景辐射强度；利用修正后的背景辐射强度来描述喷燃器煤粉的燃烧质量，为火焰状态检测、燃烧质量检测等提供了理论依据；

本发明提出的煤粉燃烧质量检测方法实现了煤粉燃烧程度的量化评价指标；

本发明提出的燃烧质量检测方法，对当前火力发电领域提高锅炉精细化燃烧调整水平和环保水平具有直接的帮助作用，填补了该领域的空白的，具有巨大的经济效益和社会效益。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。