電力試驗技術叢書[共21頁]

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1、 第二章 鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)試驗第一節(jié) 簡介1.1 汽包水位測量的重要性鍋爐汽包水位是鍋爐運行的一項重要安全性指標。水位過高或急劇波動會引起蒸汽品質(zhì)的惡化和帶水，造成受熱面結(jié)鹽，嚴重時會導致汽輪機水沖擊、損壞汽輪機葉片；水位過低會引起排污失效，爐內(nèi)加藥進入蒸汽，甚至引起下降管帶汽，影響爐水循環(huán)工況，造成鍋爐水冷壁爆管。由于汽包水位測量和控制問題而造成的上述惡性事故時有發(fā)生，嚴重威脅火電廠機組的正常運行和安全。鍋爐運行中，我們主要通過水位測量系統(tǒng)監(jiān)視和控制汽包水位。當汽包水位超出正常運行范圍時，通過報警系統(tǒng)發(fā)出報警信號，同時保護系統(tǒng)動作采取必要的保護措施，以確保鍋爐和汽輪機的安全。1.2 汽包

2、水位測量的基本方法目前，從鍋爐汽包水位測量的基本原理看，廣泛使用的主要是聯(lián)通管式和差壓式兩種原理的汽包水位計。由于鍋爐汽包水位計對象的復雜性，以及聯(lián)通管式和差壓式測量原理的固有特性，決定了汽包水位測量的復雜性以及實際運行中存在的不確定因素，一致多個汽包水位計常常存在較大偏差，容易釀成事故。根據(jù)新版火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)技術規(guī)定DRZ/T 012004規(guī)定：1) 鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)的配置必須采用兩種或以上工作原理共存的配置方式，以防止系統(tǒng)性故障。鍋爐汽包至少應配置 1 套就地水位計、3 套差壓式水位測量裝置和 2 套電極式水位測量裝置。2) 應嚴格遵循鍋爐汽包水位控制和保護獨立性的原則

3、，最大限度地減少故障風險，并降低故障停機幾率。3) 汽包水位保護和控制的測量系統(tǒng)至少應按三重冗余的原則設計。4) 汽包水位至少配置兩種相互獨立的監(jiān)視儀表。5) 鍋爐汽包水位控制應分別取自 3 個獨立的差壓變送器進行邏輯判斷后的信號。6) 鍋爐汽包水位保護應分別取自 3 個獨立的電極式測量裝置或差壓式水位測量裝置 ( 當采用 6 套配置時 ) 進行邏輯判斷后的信號。當鍋爐只配置 2 個電極式測量裝置時 , 汽包水位保護應取自 2 個獨立 的電極式測量裝置以及差壓式水位測量裝置進行邏輯判斷后的信號。3 個獨立的測量裝置輸出的信號應分別通過 3 個獨立的I/O模件引入 DCS 的元余控制器。7) 汽

4、包水位測量信號應采取完善的信號判斷手段，以便及時地報警和保護。只有深刻理解上述兩種鍋爐汽包水位的測量原理及其誤差的成因，才能清醒的指導鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試和運行維護。下面就對聯(lián)通管式和差壓式水位計的測量原理進行分別介紹。1.3 聯(lián)通管式汽包水位計測量原理聯(lián)通管式水位計結(jié)構(gòu)簡單 , 顯示直觀 , 如圖 1 所示 , 它可以做成僅僅在就地顯示的云母水位計 ( 包括便于觀察的雙色水位計 ) , 也可以采取一些遠傳措施 , 如在水位計中 加電接點或用攝像頭等構(gòu)成電極式水位計或工業(yè)電視水位計等。但就其原理來說 , 都是屬于聯(lián)通管式測量原理。其中云母水位計常用于連接水位電視；電接點水位計

5、有時被用于保護回路。 圖1：聯(lián)通管式水位計原理圖就地雙色牛眼水位計分別于汽包內(nèi)的水側(cè)和汽側(cè)相連，汽包內(nèi)下部的水溫是汽包壓力下的飽和水溫度，汽包內(nèi)上部的蒸汽溫度是汽包壓力下的飽和蒸汽溫度,飽和蒸汽通過連通取樣管進入水位計上部，由于就地水位計周圍的環(huán)境溫度遠低于汽包壓力下的飽和蒸汽溫度，使蒸汽不斷凝結(jié)成水，水溫接近飽和溫度，水溫沿高度逐步降低，凝結(jié)水由連通管流入汽包。若能在水位計上沿測量筒高度裝設若干溫度測點，就能求出筒中水的平均溫度tav,并得出水的平均密度av。由于av和飽和水密度w不同，就形成了云母水位計指示值He和汽包實際水位H的差異，這個差值可由下式求得： (2-1)其中w和s為汽包工作

6、壓力下的飽和蒸汽溫度和飽和水密度。但是av和水位高度、汽包工作壓力、環(huán)境溫度及測量筒散熱情況等有關，其數(shù)值很難確定。為減小水位計內(nèi)水柱溫降帶來的測量誤差，有時在水位計本體內(nèi)加裝蒸汽加熱夾套，由水位計汽側(cè)連通管引入蒸汽，以使水柱溫度接近于鍋爐汽包工作壓力下的飽和溫度。為了防止鍋爐壓力突降時水柱沸騰而影響測量，從安全方面考慮，測量室內(nèi)的水柱溫度還應有一定的過冷度。1.4 差壓式水位計測量原理平衡容器(單室平衡容器、雙室平衡容器和中間抽頭式平衡容器)。其中單室平衡容器是大機組常用的測量方式，有一些小機組上使用其它兩種形式的平衡容器。單室平衡容器結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，但受現(xiàn)場環(huán)境影響較大，如保溫、補償?shù)?/p>

7、；中間抽頭式平衡容器結(jié)構(gòu)復雜，能夠消除部分由環(huán)境溫度造成的影響，在零水位附近有較好的補償效果，但易受汽包壓力突降的影響，引起正壓側(cè)的水柱沸騰。圖2：簡單平衡容器的測量原理圖圖3：雙室平衡容器的測量原理圖根據(jù)實際情況，我們重點研究一下常用的單室平衡容器的測量原理。（22）（23）上面兩式相減得：（24）整理得：（25）其中是實際水位凝結(jié)水的密度相應汽包壓力下的飽和汽的密度相應汽包壓力下的飽和水的密度下取樣管至汽包零水位的距離水位変送器測的差壓信號由于和只隨汽包壓力變化，而且影響較大，因此要進行汽包水位的汽包壓力補償；受環(huán)境溫度的影響，一般情況取50為基準，但影響較??；和H是平衡容器的設計安裝尺寸

8、，應按照制造廠提供的數(shù)據(jù)進行核對，為與實際相符，應進行現(xiàn)場核對。第二節(jié) 汽包水位計的測量誤差分析2.1 差壓式水位計測量水位誤差分析從式（25）可以看出，平衡容器的安裝尺寸、汽包壓力、參比水柱平均溫度等參數(shù)影響汽包水位的測量誤差，下面就從這幾個方面入手進行分析：a) 差壓式水位計正壓側(cè)平衡容器參比水柱溫度變化是比較常見的造成水位測量誤差的原因。爐頂汽包小間春夏秋冬溫度變化大，而在典范的差壓式水位計壓力補償計算公式中，平衡容器內(nèi)不飽和水密度被固定為50或80時的密度值，因而造成示值偏差。由式（25）可以得出，由于參比水柱溫度變化引起的水位測量偏差如下：（31）雖然環(huán)境溫度受環(huán)境溫度的影響較大，但

9、從總體上看，環(huán)境溫度的變化不會太大，按照正常的保溫和安裝條件，該參比水柱平均溫度變化范圍一般不會超過150，通過查水和水蒸汽的密度表可以得出不同溫度下的密度差受汽包壓力的變化影響較小，主要與偏離設定值的大小有關系見圖4；但隨著機組負荷的上升隨汽包壓力的增加逐漸減小，所以形成的水位偏差會逐漸增大，如圖5所示。圖4：參比水柱密度隨溫度、壓力變化曲線圖5：水位偏差隨汽包壓力變化曲線以H0.7m, 參比水柱溫度從4080變化為例計算。當汽包壓力為18Mpa時，=34.68mm當汽包壓力為10Mpa時，22.6mmb) 汽包水位差壓變送器安裝位置離水位平衡容器過遠及儀表管過長，受伴熱和保溫不均勻等因素影

10、響較大，可引起示值遲緩和偏差。c) 差壓式水位計汽、水取樣開孔部位不當，汽包內(nèi)汽、水的熱動力分布場變化的影響會引起示值偏差。d) 測量裝置的機械原因造成的差壓變化影響，如滲水、平衡容器的安裝高度與計算高度誤差均會造成測量誤差。2.2 聯(lián)通管水位計測量誤差分析1.1.2 云母水位計的誤差產(chǎn)生原因就地雙色牛眼水位計是裝在汽包本體上的直讀式水位計，主要是按連通器原理工作的；一般作為遠傳電視監(jiān)視系統(tǒng)用，在集控室可以直接監(jiān)視就地雙色牛眼水位計的指示。水位表中多余的水通過水側(cè)取樣管流回汽包。水位計中的水受環(huán)境的冷卻，其平均溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度。導致水位計中的水的密度大于汽包內(nèi)的飽和水密度，從而水位計

11、中的水位低于汽包內(nèi)的水位，造成測量誤差。由式（21）可以得出水位計的偏差為：(3-2)由 (2 - 2) 式可以看出 , 水位測量偏差與水位計管內(nèi)水柱溫度、汽包工作壓力以及了汽包內(nèi)的實際水位等多種因素有關反措提供的的正常水位示值和汽包實際零水位的差值如下表所示：汽包壓力（Mpa）16.1417.6517.6618.3918.4019.60h（mm）76102150a) 汽包壓力。隨著汽包壓力的增加 , 相應飽和溫度升高 , 冷卻效應加劇 ,水柱平均溫度與飽和溫度的差值增大。汽包壓力在額定工況下、汽包水位處于正常水位時 , 聯(lián)通管式水位計的平均溫度低于飽和溫度的數(shù)值一般為 : 中壓爐 50 -6

12、0, 高壓爐 60 - 70,超高壓及以上鍋爐 70 - 80 以上。汽包工作壓力變化時 , 除了導致水位計管內(nèi)水柱溫度變化 , 即a變化而影響水位計水位顯示值外 , 還會引起pw、 ps 的變化而使測量產(chǎn)生偏差。當汽包內(nèi)實際水位 H 值一定時，壓力愈高 , 1H I 值愈大 ; 壓力愈低 , IH I 值愈小。如果汽包正常水位設計在 H0 =300mm , 而且運行時實際水位恰好在正常水位線上 ,則水位計的示值偏差 : 在壓力 P=4.0MPa時 ,H = - 59.6mm; 在壓力 p= 10 MPa 時,H = - 97.0mm; 在壓力 P14MPa 時,H=-122.3mm;在壓力

13、p=16MPa時,H=-136.9mm,可見每升高1Mpa時，一般聯(lián)通管時式水位計的示值偏差的變化平均為6.5mm左右。b) 汽包水位。高水位時 , 由于水位計中水柱高度增加 , 散熱損失增加 , 同時汽柱高 度減少 , 蒸汽凝結(jié)量減少 , 因此 , 水柱的平均溫度較正常水位時低 , 與飽和溫度的差值增大 ; 反之 , 低水位時 , 差值減少。據(jù)有關資料介紹 , 水位變化土 50mm 時平均水溫較正南水位時約有 16 - 24 的變化。當汽包工作壓力為一定值時 , 汽包內(nèi)的實際水位也會對水位測量產(chǎn)生偏差 , 由 (2 -2) 式不難看出 , 偏差 H 與實際水位 H 成正比 ,H 值愈大 ,

14、IH I 值愈大 ;H 值愈小，IH I 值也愈小。根據(jù)上海鍋爐廠提供的資料 , 對于亞監(jiān)界鍋爐 (18.4 - 19.6MPa) 在額定壓力下 ,汽包水位計的零水位要比 汽包內(nèi)實際正常水位低150mm, 也就是說 ,當H=300mm 時,H=-150mm ;當H0mm時，近似偏差H0mm;但是當H=600mm時，近似偏差高達300mm。如果將水位計下移150mm，雖然在正常水位偏差消除了，當高水位和低水位時，誤差仍將很大。c) 汽包壓力的變動速度。由于水位計有熱慣性 , 所以水位計水側(cè)平均溫度變化滯后于汽包壓力變化 , 滯后于汽包內(nèi)飽和水溫的變化 , 造成動態(tài)過程中產(chǎn)生偏差 , 表現(xiàn)在鍋爐啟

15、動升爐過程中 , 水位計水側(cè)平均溫度竟低于飽和溫度達 120。d) 表體結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、風向等因素影響水位計散熱條件 , 從而影響到水位計的溫度。e) 由于牛眼水位計間斷測量，造成測量誤差。綜上所述 , 云母水位計受管內(nèi)水柱平均溫度、汽包內(nèi)的壓力、水位、壓力變化率等諸多因素影響而變化 , 致使水位測量產(chǎn)生較大的、且變化十分復雜的偏差。與飽和溫度的差愈大 , 則偏差愈大 , 水位計顯示值愈低于實際水位值。2.3 電接點水位計的誤差產(chǎn)生原因電接點水位計也是裝在汽包本體上的直讀式水位計，也是測量汽包水位的傳統(tǒng)式儀表。測量筒體上裝有電接點，電接點水位計是根據(jù)蒸汽和水的電阻不同進行測量的，同時遠傳到集控

16、室通過二次儀表進行顯示。同牛眼水位計一樣是按連通器原理工作的。a) 測量筒體中的水受環(huán)境的冷卻，其平均溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度。導致水位計測量筒體中水的密度大于汽包內(nèi)的飽和水密度，從而水位計中的水位低于汽包內(nèi)的水位，造成測量誤差。b) 由于電接點水位計間斷測量，不能連續(xù)測量，造成測量誤差，若減少間斷測量誤差，需要在測量筒上多開孔，但受測量筒材質(zhì)和強度的限制，因此電接點水位計的間斷測量誤差不可避免。c) 電接點水位計本身無壓力補償功能，造成只能是定點準確。第三節(jié) 水位變送器量程計算及校驗由于鍋爐在出廠時均提供了平衡容器的的安裝尺寸即H和h已知, 為保證汽包水位變送器的量程能夠滿足全程測量,一般

17、計算水位變送器的量程計算按照壓力為0MPa計算，根據(jù)公式（24）假設：H1000，h=400，經(jīng)查表得： 根據(jù)上述計算看出，變送器的差壓值只要在與之間即可，由于現(xiàn)在的汽包水位計算均在DCS內(nèi)部實現(xiàn)，不需要差壓值與顯示的汽包水位一一對應，為工作方便，一般將變送器的量程取稍大于所需量程的整數(shù)，如上述的變送器量程就可以取為1000。第四節(jié) 水位測量系統(tǒng)傳動試驗試驗方法與步驟：1. 試驗條件：l 三臺汽包水位變送器檢驗合格，變送器復裝完畢，投入運行。l 機組DCS系統(tǒng)調(diào)試、試驗完畢。l 機組MFT吹掃復位，鍋爐未點火。l 汽包就地水位計投入。l 機組汽水、凝水系統(tǒng)具備投運條件。l 解除汽包水位高、低保

18、護。2. 試驗步驟：開啟電動給水泵系統(tǒng)，利用給水旁路系統(tǒng)為鍋爐汽包上水。2.2.2 當汽包水位上至就地水位計可視范圍時，調(diào)整水位電視系統(tǒng)，使就地水位計達到最佳效果。2.2.3 當汽包水位上至就地水位計可視上限以上時，打開三臺水位變送器的汽側(cè)排污門，聯(lián)系運行鍋爐繼續(xù)上水。2.2.4 當三臺水位變送器的汽側(cè)排污門有連續(xù)的水流，并且三臺水位變送器的水位指示開始變化時，聯(lián)系運行停止鍋爐上水。2.2.5 聯(lián)系運行打開汽包放水門，開始放水。2.2.6 放水至就地水位計可視范圍時，三臺汽包水位變送器指示之間及三臺變送器與就地水位計的指示應小于30mm，并且指示連續(xù)下降。2.2.7 當汽包水位放至零水位左右時

19、，停止汽包放水。2.2.8 投入汽包水位高、低保護。2.2.9 聯(lián)系運行進行汽包上水。2.2.10 當任一汽包水位變送器顯示至100mm時，“汽包水位異常”光字牌發(fā)聲光報警。2.2.11 當汽包水位上至250mm前，聯(lián)系運行減慢上水速度，當兩臺變送器指示達到250mm時停止上水，5S后，鍋爐MFT，首出指示為“汽包水位高MFT”。2.2.12 聯(lián)系運行停止電動給水泵，打開汽包放水門，對汽包放水。2.2.13 當汽包水位放至250mm以下時，對鍋爐MFT吹掃復位。2.2.14 當汽包水位放至100mm時，“汽包水位異常”光字牌發(fā)聲光報警。2.2.15當汽包水位放至300mm前，聯(lián)系運行減緩放水速

20、度，全關放水門，改用脈沖開。2.2.16 當有兩臺水位變送器指示達到300mm時，停止放水，5S后，鍋爐MFT動作，MFT首出為“汽包水位低MFT”。第五節(jié) 水位測量系統(tǒng)熱態(tài)比較試驗第三章 鍋爐爐膛火焰檢測選34種類型的火焰檢測設備，結(jié)合其工作原理敘述冷態(tài)及熱態(tài)試驗方法第一節(jié) 概述電站鍋爐燃燒的基本要求是在爐膛內(nèi)建立并持續(xù)穩(wěn)定、均勻的燃燒火焰。燃燒火焰是表征燃燒狀態(tài)穩(wěn)定與否最直接的反映。燃燒不穩(wěn)定不僅會降低鍋爐熱效率，產(chǎn)生污染物、噪聲等，而且在極端情況下可能引起鍋爐爐膛滅火，如處理不當就會誘發(fā)爐膛爆炸造成事故。為了預防這種潛在的危險必須進行切實有效的燃燒診斷和火焰監(jiān)測。在電力生產(chǎn)行業(yè)中，隨著電

21、站煤粉鍋爐容量的增大，蒸汽初參數(shù)的提高；大型電站煤粉鍋爐的安全性、經(jīng)濟性問題更加突出，對機組燃燒提出了很高的要求。因之，安全、可靠的燃燒診斷技術成為電廠安全運行的重要條件和基本要求。為了防止爐膛爆炸等惡性事故的發(fā)生，80年代以后，我國電站鍋爐開始裝設基于火焰光譜檢測的爐膛安全保護裝置。目前，普遍使用的火焰檢測器一般都為可見光，紅外線檢測平均光強或同時檢測平均光強和閃爍頻率的雙通道型，為防止“偷看”，這類火檢器只能設計成較小的視角，并要求對準煤粉初始著火區(qū)。由于煤種變化導致燃燒特征變化、探頭表面積灰結(jié)焦等原因，傳統(tǒng)的可見光型火焰檢測裝置誤動、拒動問題時有發(fā)生，給機組的安全帶來隱患。在這樣的情況下

22、，研究新型、準確、及時的燃燒診斷技術刻不容緩。 煤粉燃燒是一個復雜的多相反應過程，燃燒過程脈動異常劇烈，燃燒過程中伴隨著連續(xù)不斷進行的傳熱、傳質(zhì)及化學反應過程，不斷發(fā)生著碳和碳氧化合物與氧的離解、復合，不斷地產(chǎn)生二氧化碳、水蒸氣等氣體產(chǎn)物并釋放出熱量。鑒于煤粉燃燒過程的這種強烈的不平衡過程特征，要求所采取的參數(shù)場測量方法要有足夠高的響應速度來跟蹤燃燒過程的變化；其次，鍋爐燃燒系統(tǒng)爐內(nèi)溫度可達14001600，如采用接觸測溫方式，所使用的測溫介質(zhì)要求能夠承受高溫環(huán)境，還要求能夠經(jīng)受長時間連續(xù)運行的考驗。我們知道，火焰的時序脈動是燃燒過程的一個重要特性，因此必須對燃燒全過程進行時間序列測試，以揭示

23、過程物理量的時間特征，并為控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)提供定量的依據(jù)。另外，電站鍋爐的爐膛具有尺寸龐大的特點，采用接觸式測量存在著布點的困難，而非接觸式測量方法則往往不能獲得特定點的溫度參數(shù)，其獲得的測量值往往只是沿程平均的“投影值”或者某區(qū)域的總體平均值；對于電站鍋爐爐膛火焰這樣大型的測溫對象，三維溫度場測量要綜合考慮測量方法、測點的布置及安裝、設備成本及運行成本、算法的實時性、系統(tǒng)維護工作量等問題，目前還較少有成熟的測溫技術和成功的應用實例見諸文獻報導，因此有必要引入新的測量手段進行開發(fā)研究。采用彩色CCD攝像機和圖象處理技術系統(tǒng)對燃燒火焰進行參數(shù)場測量和燃燒診斷是一項富有挑戰(zhàn)性和廣闊應用前景的新興

24、技術。它是隨著近年來計算機技術、光學技術和數(shù)學計算方法的進展而發(fā)展起來的。近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)外的研究者把眼光投向了可視化的燃燒監(jiān)控領域?；鹧鎴D像最初是作為一種火焰監(jiān)控的輔助手段引入鍋爐檢測領域的。由于傳統(tǒng)的火焰檢測裝置誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生，可靠性不高，無法使運行人員真正了解爐內(nèi)燃燒的真實情況，從而更加無法合理組織燃燒。在工業(yè)CCD攝像機出現(xiàn)后，由于其具有耐灼傷、圖像清晰度高、工作穩(wěn)定可靠，對震動和沖擊損傷的抵抗力強等優(yōu)點，因此迅速在電廠以火焰電視（Flame TV）形式得到應用，為鍋爐點火以及運行調(diào)整提供了直觀的監(jiān)視功能?，F(xiàn)在，火焰監(jiān)視在大容量機組中已經(jīng)成為必備的火焰監(jiān)測

25、手段。我國1994年頒布的火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)設計技術規(guī)定（以下簡稱規(guī)定）中規(guī)定“容量為220t/h及以上鍋爐的安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具有鍋爐爐膛壓力保護、鍋爐火焰監(jiān)視及滅火保護功能”，規(guī)定中明確指出“容量為410t/h及以上鍋爐，宜裝設監(jiān)視爐膛火焰的工業(yè)電視；在容量670t/h及以下鍋爐，可采用全爐膛火焰監(jiān)視和滅火保護；容量為1000t/h及以上鍋爐，宜采用單個燃燒器的火焰監(jiān)視和滅火保護”。充分說明了我國對爐膛火焰監(jiān)視對于電廠鍋爐運行重要性的認識。在火焰電視監(jiān)視得到廣泛應用的同時，也暴露了其不能作為定量判斷依據(jù)，不能自動聯(lián)入自動控制系統(tǒng)的弱點。因此，跟蹤現(xiàn)代科學技術的最新進展，進一步拓寬

26、火焰監(jiān)視的內(nèi)涵，盡可能地發(fā)揮其性能，使火焰監(jiān)視由單純的保證鍋爐正常安全運行的輔助手段向提高鍋爐運行經(jīng)濟性、降低污染物排放量、形成鍋爐燃燒在線診斷與調(diào)整專家系統(tǒng)等更高層次的引用領域延伸，已經(jīng)成為鍋爐安全監(jiān)控研究的重要內(nèi)容。 基于圖像處理的燃燒監(jiān)控系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的全爐膛火焰監(jiān)視，而是綜合了現(xiàn)代光學、計算機技術、CT重建技術、優(yōu)化計算技術和神經(jīng)網(wǎng)絡人工智能技術在內(nèi)的智能化診斷系統(tǒng)。從目前爐膛火焰處理的研究和應用情況來看，這是一項廣闊的新技術，研究者們通過努力研究已經(jīng)取得了可喜的初步成果。然而由于燃燒過程的復雜性，研究者們通過努力研究已經(jīng)取得可喜的初步成果。然而由于燃燒過程的復雜性，研究過程中遺留的問

27、題還很多，特別是對于火焰可視化所追求的最終目標火焰溫度分布的三維重建以及將火焰圖像信息聯(lián)入電廠運行的診斷和控制系統(tǒng)，是研究者研究開發(fā)的主要目標。這項技術的研究實際上才剛剛起步，還有大量的基礎性研究工作有待于深入進行。 第二節(jié) 火焰檢測工作原理2.1 煤粉火焰特性煤粉火焰的檢測和診斷都需要對其各種特性進行研究，煤粉火焰的形狀及其輻射的各種能量是檢測其存在及判斷其穩(wěn)定性的主要依據(jù)。煤粉火焰的形狀及其空間分布與燃燒器的類型和布置有關。燃燒器一般有直流燃燒器和漩流燃燒器兩種。漩流燃燒器一般分列單個布置，火焰不會象直流燃燒器的那樣形成一旋轉(zhuǎn)的大火球，單個火焰檢測相對較為容易。 下面以漩流燃燒器來簡單說明

28、一下火焰的輻射特性。如圖1所示，煤粉氣流剛 噴入爐膛中時有一個加熱過程，所以有一個燃料未燃區(qū)，它基本不發(fā)出輻射。隨著燃料被加熱，揮發(fā)份析出開始著火。著火區(qū)的輻射強度不是最強的，但火焰閃爍的頻率達到最大，并且輻射光譜中有一定的紫外線。而后焦炭粒子開始燃燒，發(fā)出明亮的火焰，在燃燒的過程中這部分區(qū)域的輻射強度最大，但火焰頻率較低，產(chǎn)生的紫外線較少。隨著焦炭的燃盡，火焰溫度逐漸降低，形成火焰尾跡，這部分輻射以紅外輻射為主。在氣流組織良好的爐膛內(nèi)，煤粉粒子在12秒內(nèi)就可以燃盡，其中焦炭燃燒的時間約占90。為了判別單個燃燒器的火焰的存在，一般將探頭對準著火區(qū)。 下面分別介紹煤粉火焰的各種特性。 2.1.1

29、 煤粉火焰的光譜分布特性 煤粉的燃燒過程可簡單地看作是氧化過程，這一過程主要發(fā)生在燃燒的基本區(qū)域。即靠近燃燒器的上游區(qū)（見圖1）。但是，在這燃燒區(qū)內(nèi)不可避免地存在大量未充分燃燒的中間產(chǎn)物。其濃度直接影響了火焰光譜的特征波長，因此根據(jù)火焰的光譜分析可作為煤粉燃燒的重要依據(jù)，這就是用光學原理測量火焰的基礎。 燃燒火焰的輻射光具有強度和脈動頻率兩個特點。圖2是不同的煤粉濃度（單位：Kg煤粉 / Kg空氣）下火焰的光譜分布曲線（光強波長曲線）。顯然，在不 同的煤粉濃度下煤粉火焰的光譜分布曲線有著相似性，呈雙峰狀，即在5000和7800附近出現(xiàn)峰值，在60007000之間出現(xiàn)低谷，并且在低谷段內(nèi)火焰輻射

30、強度隨火焰中煤粉濃度的降低而減少，呈明顯的正相關性，而兩個峰值段則無此現(xiàn)象。文獻10計算驗證了火焰輻射強度與煤粉濃度之間的這種相關性。根據(jù)這種相關性不僅可確定火焰是否存在，而且可判斷燃燒火焰強度與煤粉濃度的對應關系，文獻3通過定性分析指出，燃燒火焰檢測應在輻射波長60007000之間進行，當波長小于5500時燃燒火焰的信噪比很小， 而當燃燒火焰波長大于7000時，周圍熱環(huán)境的輻射信號很強，檢測信號不能正確反映燃燒工況的變化。定量計算的結(jié)果也證明了這一論斷。 火焰脈動是煤粉火焰輻射光的另一個特點?；鹧孑椛涔鈴娫谄骄鈴姡ǚ€(wěn)定分量）上下波動（閃爍），脈動頻率大約幾千Hz。穩(wěn)態(tài)分量由燃燒的揮發(fā)份、火

31、焰的大小以及周圍熱環(huán)境產(chǎn)生的光亮等因素決定，閃爍頻率的低頻分量（050Hz）是由于空氣動力場及對流引起的火焰形狀的波動；而高頻分量（100 Hz）反映了中間產(chǎn)物的震動能和旋轉(zhuǎn)能的轉(zhuǎn)換或者是反應物的能量輻射率的變化，是燃燒正在進行的標志，根據(jù)脈動頻率也可判斷火焰的存在。 2.1.2 煤粉火焰的頻譜分布特性 煤粉火焰的頻譜分布特性是通過對火焰信號時間序列進行快速傅立葉變換（FFT）獲得的。首先將探測到的火焰信號經(jīng)光電管及濾波放大轉(zhuǎn)化成09V電信號，通過采樣及A/D轉(zhuǎn)換，得到火焰信號的時間序列，根據(jù)穩(wěn)定燃燒工況和非穩(wěn)定燃燒工況的多組火焰信號的時間序列進行頻譜估計計算，從而可得到穩(wěn)定或不穩(wěn)定工況下的頻

32、譜分布圖（圖3）。從頻譜估計的結(jié)果看，非穩(wěn)定燃燒工況比穩(wěn)定燃燒工況下的譜值大，分布范圍也較寬。從量值的角度看，當頻譜估計的結(jié)果顯示火焰的低頻波動能量變大時,表明燃燒的穩(wěn)定程度趨于惡化（從上文可知，閃爍頻率的低頻分量（050Hz）是由于空氣動力場及對流引起的火焰形狀的波動而產(chǎn)生的）。因此，采用燃燒火焰頻譜分析特征判斷燃燒的優(yōu)劣更為可靠2。 燃料在爐膛燃燒過程中，其火焰將輻射出大量的能量，這些能量主要包括其光能（紫外光、可見光、紅外光等），熱能及聲波，所以有這些形態(tài)的能量構(gòu)成了檢測爐膛火焰存在的依據(jù)。然而，測量火焰中的哪部分能量來診斷爐膛火焰是否存在，直接關系到火焰檢測和燃燒診斷技術的應用。為此，

33、國內(nèi)外不少學者對之進行了深入的研究，推動了火焰檢測技術的發(fā)展。 2.2 火焰檢測的原理和方法 2.2.1輻射強度檢測 其原理是用探頭接收火焰發(fā)出的輻射，按其強度的大小判斷火焰的存在與否。煤粉火焰與油火焰的輻射光譜如圖2所示。由于檢測用的波段不同，又可分為紫外線、可見光、紅外線及全輻射火焰檢測。紫外線是煤粉著火初期產(chǎn)生的，所以用它可以很好地區(qū)分單個燃燒器的火焰。但由于爐膛內(nèi)存在著大量的煤粉粒子、焦炭粒子、灰粒子，對紫外線的吸收嚴重，所以用紫外線檢測煤粉火焰的信噪比很低，這對于燃油鍋爐的火焰檢測比較合適。紅外線比較適合檢測全爐膛火焰。因為單個燃燒器火焰、全爐膛火焰、炙熱的爐膛都會發(fā)出很強的紅外線，

34、用它檢測單個燃燒器火焰比較困難。全輻射法檢測由于其光電元件相應速度慢、易受環(huán)境影響等原因，在應用上受到了一定的限制。可見光及近紅外線是應用較多的光譜區(qū)。 火焰存在及熄滅時的輻射強度時不同的，這是判斷火焰有無的重要原理，如圖3，4所示。判斷火焰的存在與否，需要設定一個強度閥值，當火焰強度超過此閥值時認為火焰存在。由于相鄰火焰和爐壁輻射的影響，不同負荷，不同煤種時火焰位置的變化，就需要現(xiàn)場調(diào)試時對探頭的位置進行仔細的調(diào)整，工作量很大。 2.2.2 火焰頻率檢測 由于各種隨機擾動的存在，火焰輻射強度是隨時間變化的，其頻譜分布可達到02000Hz，而且煤粉火焰的波動程度要比油火焰的大。當燃燒不穩(wěn)定時，

35、火焰中的交流部分的強度增加，其中低頻部分的能量增加較多，如圖5所示。由于紅外輻射和可見光相比，其強度波動較小，頻譜范圍也窄，所以頻率法檢測一般用可見光。 頻率法檢測的原理是：把探頭輸出的強度信號進行濾波，取出交流分量，經(jīng)整形后由施密特觸發(fā)器把它變成一系列的脈沖。對脈沖計數(shù)，確定火焰的頻率。經(jīng)過大量的試驗分析，煤粉火焰存在著3個基礎閃爍頻率的范圍。 1550Hz 火焰正常 715Hz 火焰不穩(wěn)定 7Hz 火焰喪失 這種檢測方法可以檢測到探頭所能接受到的范圍內(nèi)的火焰頻率變化，受火焰位置變化的影響相對較小。目前的FSSS系統(tǒng)（爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)）常用火焰強度和火焰頻率來綜合判斷火焰是否存在。 利用頻譜

36、分析技術也可以區(qū)別單個燃燒器火焰和背景火焰，實驗表明，單個火焰的動態(tài)頻譜和背景火焰的不同，如圖6所示。由圖可見，單個燃燒器火焰頻譜中 的50600Hz部分的能量明顯大于背景火焰中的這部分能量。用帶通濾波器取出這部分能量，和整個火焰強度相比 ，得到的值的大小即可以區(qū)分單個燃燒器火焰和背景火焰。 2.2.3 相關火焰檢測 以上兩種方法都是用單個探頭對火焰進行檢測。探頭接受的范圍是一個頂角較小的錐形區(qū)域，它的缺點是受背景火焰影響太大。 相關法火焰檢測就是根據(jù)這個問題提出來的，檢測原理的示意圖如圖7所示。 兩個探頭呈一定角度安裝。當探頭探測的相交區(qū)域中存在火焰時，兩探頭探測到的是同一區(qū)域火焰發(fā)出的輻射

37、信號。當相交區(qū)的火焰熄滅時，兩探頭探測到的將是不同區(qū)域的背景火焰或是爐壁輻射，其接受到的信號自然也不相同。把兩個探頭輸出的信號相比較，確定其相關系數(shù)，相關系數(shù)越大表示接受到的信號越一致。實踐經(jīng)驗表明，一般相關系數(shù)大于70時可認為火焰正?！，F(xiàn)場安裝調(diào)試時，需將相關區(qū)對準著火區(qū)。為了減少干擾，需要對信號進行濾波后在比較。 這種單對探頭的相關火焰監(jiān)測器存在的一個問題時，兩個探頭的相關區(qū)較小，當負荷或煤種的變化使火焰偏離相關區(qū)時，將產(chǎn)生錯誤的檢測信號。另外，在安裝調(diào)試時也較麻煩。 2.2.4 數(shù)字圖象火焰檢測 這種方法是用CCD攝像機攝取火焰的圖像，輸出信號由計算機處理。整個系統(tǒng)由光學圖像傳感器，圖像

38、采集卡，微機及顯示器組成。由于鍋爐爐壁受到很強的熱輻射，CCD攝像機不能裝在爐墻上，一般用棱鏡或光纖將圖像傳至安裝于鍋爐外邊的攝像機上。采集到的圖像數(shù)據(jù)可用計算機進行各種復雜的處理，在顯示器上以偽色彩火焰顯示、火焰燃燒棒圖、火焰亮度分布圖等形式顯示出來。 這種火焰檢測裝置具有較好地區(qū)分單個火焰燃燒器火焰和背景火焰地能力，系統(tǒng)的靈敏度很高，操作使用也很方便。目前，我國能生產(chǎn)512320像素的面型CCD圖像傳感器，國際上已達20482048像素的面型CCD圖像傳感器。隨著計算機技術的發(fā)展和CCD元件價格的下降，這種火焰檢測裝置將得到更廣泛的應用。 第三節(jié) 試驗方法第四章 鍋爐氧量測量儀表校驗鍋爐氧量測量儀表的校驗方法