第十章锅炉火焰检测系统.docx

1、第十章 锅炉火焰检测系统第一十章 锅炉火焰检测系统第一节 火焰检测原理锅炉燃烧器火焰检测设备是锅炉极为重要的控制设备，是锅炉炉膛安全监控系统最重要的一次设备，对保证锅炉安全稳定运行具有十分重要的意义。1. 火检器的类型1.1 直接式火检器：一般用于点火器的火焰检测，常用的有检出电极法、差压法、声波法和温度法等。1.2 间接式火检器：利用辐射光能原理，检测火焰中的紫外光线、可见光线和红外光线的存在以判定火焰状况。1.3 数字图象火检装置：用CCD摄象机摄取火焰图象送到计算机对图象进行数字化处理，计算出燃料燃烧火焰的温度场，火焰的能级，从而判断出燃烧的好坏及火焰边界告警和熄火保护等。2. 火焰检测

2、装置构造2.1探头部分探头一般由透镜、光导纤维、光敏元件（包括光敏二极管、三极管、光电池和CCD光图象器件）构成。由于是在高温和污染环境下工作，透镜、光纤和传感元件都密封在一长形钢管内，并以风冷却。确保探头不被损坏和污染。火焰产生的辐射能和图象经过透镜聚焦到光纤输入端，输出端传送到光电敏感元件而转换成电信号（包括模拟图象信号），送入电放大器和计算机进行信号处理，最后通过显示器显示火焰状况。2.2机箱部分机箱内装有电子线路放大板和单片计算机等元器件。火焰信号经过光电转换器变成电流信号，然后再被转换成电压信号。机箱里包括了4个角的检测线路和2/4逻辑线路。对于不同的燃料，不同的火焰检测原理，机箱的

3、线路结构也有所不同。2.3风冷部分由于探头工作环境温度很高，灰尘油雾等影响，设立了专门的风冷系统，用二台互为备用的风机，对探头进行冷却吹扫。3.各种火焰检测器综述3.1 红外线火检通过检测燃烧火焰放射的红外线强度和火焰频率来判别火焰是否存在，探头采用硫化铅光电管或硅光电二极管，由于炉膛火焰闪烁频率低于燃烧器频率，红外线火检能区分燃烧器和背景火焰。3.2 可见光火检同时检测火焰闪烁频率和可见光亮度，并进行逻辑运算来检测燃烧火焰的存在。采用火焰平均光强和脉动闪烁频率双信号，可提高检测的可靠性。另外，可见光检测器有滤红外光功能，能排除烟尘，热烟气，炉渣和炉壁的红外辐射，进一步提高了火检的可靠性。但是

4、可见光不能穿透灰尘、烟雾，而红外则有一定的穿透能力。因此，红外检测比可见光更理想。3.3组合探头火检器。采用紫外线和红外线两种检测原理，它能同时检测各种燃料的能力，因为气体燃料燃烧的火焰主要是紫外线。而固体燃料燃烧的火焰介于二者之间。3.4 相关原理火焰检测相关性火焰检测器由英国Land combustion 公司推出，它同时使用二只相同的探测器，使检测区域在燃烧区域相交，利用相关理论分析方法，根据相关系数的大小判断燃烧器的燃烧状况。该理论虽有独到之处，但实际使用起来，由于制造技术和现场环境的污染，无法保持二只探检头特性完全一致，同时使检测探头增加一倍，造成安装维护困难。3.5数字式火检器数字

5、式火检器以公司产品为代表，该火检采用独特的火检方法，使用微处理器及相应的软件算法，通过检测目标火焰的辐度和频率，并与在试验方式下存储的背景火焰图象进行比较，从而精确确定火焰的有无。每个燃烧器的火焰有着与其他燃烧器不同的火焰图象，这类似于人类指纹。数字式火检与传统火检器相比有如下创新：在不同负荷下选择不同的鉴别图象文件，达到了指纹式鉴别火焰有无方式；对准功能使火焰视角更佳。但数字式火检无法跟踪各种动态因素导致火焰的漂移问题。4. 各种火检器在应用中存在的问题。4.1火焰参数静态整定与火焰状态动态变化的矛盾。火焰燃烧的闪烁频率是一个随机函数，它受煤种、负荷、送风量变化等诸多因素影响，静态整定参数无

6、法满足动态要求。4.2火检探头小视场角与火焰大幅度漂移的矛盾。要准确检测火焰，就必须将检测头对准燃烧器火焰着火区，为尽量减少其他燃烧器火焰和背景火焰对火检器的干扰和影响，探头视角一般限制为度度。这样小视角的检测器难于随时对准因负荷变化、煤种变化、风量变化而飘移的火焰着火区。4.3火检探头安装与调整的矛盾分辨率不高、“偷看”现象是火检器普遍存在的问题，改变探头视角是克服偷看，提高火焰正确性的主要手段，目前几乎所有电厂均采用固定式安装，从外部无法调整探头视角。4.4火检功能与燃烧诊断的矛盾现有锅炉使用的火检功能单一，只检测火焰有无，为锅炉灭火保护提供信号，不能诊断燃烧火焰状态和稳定性，不利于运行人

7、员发现潜在的燃烧故障，更谈不上有针对性的进行燃烧调整，挽救炉膛灭火，减少经济损失。5. 数字式图象型火检图象型火检是基于火焰电视、综合多媒体计算机和数字图象处理技术发展起来的，它继承了火焰电视直观形象的优点，又充分发挥计算机强大的处理计算能力，使火焰检测功能得到了质的提高。图象型火检分单个燃烧器的火焰图象检测和全炉膛火焰图象检测二部分，对于单个燃烧器的火焰检测主要是判断该燃烧器的好坏，发出熄火、着火和燃烧不稳的告警信号。对于全炉膛火焰检测主要是通过火焰图象信息计算出全炉膛火焰温度场分布状况及火焰燃烧的能级。防止火焰偏离中心和局部过热。目前正研究建立了一套完整的火焰图象的分析计算理论，就像天气预

8、报的卫星云图一样，来预测火焰的各种态势，计算全炉膛火焰燃烧的能量，将能量信号、温度信号和全炉膛熄灭着火信号分别送往FSSS系统和CCS系统，及时进行燃烧调整，保证锅炉在安全经济下运行。5.1火焰图象检测器基本原理：火焰图象检测器基本原理如下图10-1火焰图像检测基本原理带有冷却风的传像光纤伸入炉膛将所检测的燃烧器火焰图像或全炉膛火焰图象的光信号传到CCD摄像机的靶面上，将图像转化为标准模拟视频信号，并通过视频电缆传给图像火焰检测器内的视频输入处理器（）。将模拟视频信号经过转换，变成数字图像存储于图象存储器中。则将图像存储器中数字化的图像信息按照一定的判断体系进行计算，得出燃烧器火焰的信号和其他

9、诊断信息，并送至和系统。5.2燃烧器火焰熄火着火判据的分析。1) 燃烧特征区判断：煤粉喷出燃烧器着火，燃烧有三个特征：即未燃区、初始燃烧区和完全燃烧区。在每个特征区内分别划出一个小的计算区域。然后根据三个特征区平均亮度的差别判断是否着火熄火。如三个特征区亮度相等判定为熄火。2)火焰锋面位置判断燃料在未燃区和着火区的局部灰度明显增大形成火焰锋面。利用这个焰锋面特征值大小可判断火焰着火、熄火。3)锋面位置差分判据煤粉着火可形成的锋面是不断抖动的。火焰峰面特征值就是利用相邻二次采样之间锋面位置的差分来描述这种抖动，设锋面沿轴变化，可得如下数字表达式（t）（t）（t）（）式中（t）时刻锋面位置。5.3

10、全炉膛火焰图象数据分析全炉膛火焰监视的主要目的包括观察燃烧器的点火过程、判别炉膛是否熄火、炉膛的火焰温度、幅射能量燃烧过程是否稳定、炉膛火焰中心是否处于正常位置和形态。火焰图象中含有许多反应燃烧状态和特征的信息值得研究和利用。利用热幅射理论和比色测温原理可计算出火焰图象的温度和相应的幅射能。炉膛燃烧温度和幅射能分布是锅炉系统设计和设备运行控制中极为重要的参数，但长期以来没有可利用的合适的测量方法和技术条件获得实际数据。计算机图象处理技术可以从摄取的火焰图象中得出它们的定量描述。1) 比色测温原理比色测温是一种非接触的光学测量法，较适用于测量燃烧火焰中介质的温度。当温度范围处于之间时，幅射定律可

11、由下面的幅射定律取代： E（T）=（C1/5）exp(C2/T)(5)式中：E（t）表示波长为，绝对温度为时的单色幅射强度；C1，C2分别为第一和第二plank常数；为幅射率。根据（）式，若在两个不同波长12下同时测量到同一点发出的单色幅射能，并且假设不同波长下幅设率的变化可以忽略不计，可得测量区域比色法测量的温度的表达式： T= C2(1/1-1/2)/InE1(T)/ E2(T)( 1/2)2.(6)比色测温根据同一时刻测量到的两个相邻波长幅射能的“比值”确定温度值，镜头污染，器件特性漂移等时变因素相互抵消，同时，测量过程是可延续可重复的。彩色工业摄像机所拍摄的炉膛内部图像的每一个像素都是

12、由红(R)绿(G)蓝(B)三基色组成，可以从红绿蓝中任取两值相比，根据比值确定每个像素对应的温度。利用参考测温及推温度反推温度分布的检测计算方法，实时监测特定波长下的炉内幅射能及其变化率，重建炉膛温度场（二维或三维）。该方法是通过比色法实时测得视场中某一参考点（，）实际温度，计算对应点相应波长下的实际幅射能量（，）。假设在可见光范围内的光电转换特性为（），可以通过光学电路设计或数字补偿方法线性化，确定当前测量条件下图像亮度（，）和（，）之间的比例系数，再由图像数据计算炉膛其它区域的实际幅射能量值（，），最后反推出温度分布值。可见比色测温是实现火焰图像处理过程中的灰度归一化的有效方法。2）火焰幅

13、射图像处理幅射计算幅射以电磁波的形式传播，通过传播空间时将产生散射和被吸收，在充满气固两相流动介质的炉膛空间的过程更加复杂多变。针对这一过程的特殊性，火焰图像的处理基本上采用不确定性视觉计算的方法，重点在于幅射性质的研究和计算，假定炉膛空间的有效燃烧区域为一个由灰色固体壁面包灰色气体组成的物理空间。理论上，具有mxn个像素的器件的任一个像素（，）可接受到的幅射能可归纳为下式。 E（ij）=（）R(dj)(x、y、z)(ij)4kg(x、y、z)t4g(x、y、z)dxdydz+(s)Rdw(x/,y/)（ij）w(x/,y/)t4g(x/,y/)dx/dy/(7)式中：（，）为炉膛空间基准坐标

14、系；（,y）为炉膛周边各壁面在基准坐标下的变换坐标；Kg为介质的消光系数，为壁面吸收率；Tg为微元温度；Rg和Rdw分别为气体和壁面在相应体积微元和面积微元上CCD 象素E（IJ）的辐射份额系数，称为REAK数它们由各个元素的辐射特性参数所决定，可采用结合Monte Carlo方法的快速算法得解。READ数中包含了炉膛燃烧空间的多次散射和非独立散射的影响。以及其它非直接辐射区域的影响。另外考虑到现有的计算方法、计算机硬件和CCD器件分辨率及记录精度等性能的限制，一般只将镜头视角之内的有效燃烧区域划分为有限的子域进行分析计算，因此，（7）式演变成：E（IJ）=(k=1)Rdgk(ij)4gkTg

15、kVgk+(w=1)Rdwl（ij）wTwSwl(8)在这里,将有效燃烧区域划分为个小单元,壁面划分为U个单元,并设出单元内的辐射参数均一致。3）温度场重建寻求快速有效的计算方法确保在一定的精度范围内获得正确的温度数据是很重要的,将(6)式描述的题表示为矩阵的形式: AT=E(9)式中：A为（m+n）（m+n）维矩阵，是反映炉膛空间介质特性的综合系数矩阵T为 （m+n）维列向量，其元素为绝对温度的4次方（K4）；E为（m+n）维列向量，其元素为CCD靶面象素可接受到的辐射能。系数矩阵A是一严重的病态矩阵，采用单台摄象机获得的图象数据无法获得正确的解。试验系统采用4个角置式CCD镜头，将A变成4

16、(m+n)*(m+n)维的矩阵，使得（8）式成为一个超定的线性方程组，然后用线性规划内点法进行优化求解，可以得到较为理想的效果。图10-2所示为对应同一炉膛断面体积微元集合的4个角置CCD水平象元组获得的辐射能及由它们重建的二维温度场。可以从CCD摄取的火焰图象中得解温度场的定量描述，解决了火焰无法直接测量的矛盾。图 10-2 5.4火焰检测装置的系统构成火焰检测装置由光学摄取传导系统、CCD摄象仪，摸/数转换器件。计算机处理子系统和辅助子系统等组成。图 10-3 火焰图象检测装置系统图装置图10-3火焰图象检测装置系统图装置主要由4台火焰检测器（下位机）、工作站（上位机）及其他辅助单元组成。

17、现场来的20路视频信号分别送往火焰检测工作站。火焰检测器对视频信号轮流进行图象处理，发出火焰有/无的开关量信号，火焰检测器还同时接入该层磨煤机的切/投开关量信号。 工作站主要是参与系统管理画面显示。通过通讯模块分别与5台火焰检测器、视频切换分配器和4画面分割器进行通讯，视频切换分配器在工作站的指令下，将4路视频信号进行4画面分割或单路取出送往工作站，这样工作站就能实时观察各燃烧器火焰图象，层燃烧器火焰图象和全炉膛火焰图象。工作站经共亨器扩展一套键盘和CRT显示器安装在主控室，供运行人员操作观察。第二节 火焰检测设备运行维护1.火检设备技术规范1.1煤火检型号UR600-2000IR/EF-A数

18、量24只感应器类型PbS（红外线）操作温度85防护等级IP66冷却空气流量115L/min冷却空气压力高于风箱压力300mm水拄油火检型号UR600-2000UV/EF-A数量12只感应器类型GaP（紫外线）操作温度500最高温度550防护等级IP66冷却空气流量280L/min冷却空气压力高于风箱压力300mm水拄1.2火检冷却风机型号T8-13-2NO.6A数量2台风机全压7272Pa风机流量2316m3/h风机效率67%风机转速2900R/min进气温度20进气密度1.2Kg/m3电机型号Y160M1-2功率11KW电压380V电流12A2.火检冷却风机的启动2.1风机启动前的检查风机设

19、备完整，安装或检修工作已全部结束。风机与风道连接良好，风道完整。风机进口过滤器完好、清洁。风机自动换向档板转换灵活。风机有关电源均已送上。风机电动机地脚螺丝无松动，靠背轮安全防护罩齐全良好。电动机接线盒及接地完整。远方及就地测量回路试验良好，保护、指示、报警正常。2.2风机的启动1）风机就地启动 合上风机就地控制柜内动力电源空气开关。 将风机控制置就地控制位，风机就地控制灯亮。 在就地控制箱上按下A（B）风机启动按钮。 风机启动后，风机电流不大于11A。 检查风机出口母管风压1.526Kpa。2）风机远程启动 检查风机就地控制柜内动力电源空气开关已投入。 将风机控制置远方控制位，风机远方控制灯

20、亮。 在CRT上预选要启动的风机。 在CRT上按下A（B）风机启动按钮。 待风机出口母管压力低报警消失后，将另一台风机投入备用。 就地检查风机出口压力在1.526Kpa，电流不大于11A。3.火检冷却风机的停止3.1火检冷却风机的停止条件 锅炉已停运。 炉膛出口烟温小于80。3.2 火检冷却风机的停止将备用风机解除备用。将运行风机用遥控或就地方式停运，运行指示灯熄灭。将就地控制柜内动力电源空气开关置OFF位置。4. 火检冷却风机的运行维护4.1 正常运行时，一台工作，一台联备。4.2 风机的入口滤网清洁，当运行风机入口滤网堵塞，应切换至备用风机运行并清扫堵塞滤网。4.3 就地检查火检冷却风机母

21、管风压应大于1.52kPa，小于6kPa。4.4 风机运行应平稳，内部无摩擦及其它异常响声，风机电流不大于11A。4.5 火检冷却风系统无漏风。4.6 风机进口风温应43.3,以免影响检测器探头寿命。4.7 当冷却风母管压力 Kpa，备用风机联动；当冷却风母管压力 Kpa，备用风机联动停止。4.8 风机入口滤网前后差压 Kpa时，滤网差压高报警。5. 故障及处理5.1 风机有异常声响和震动1）原因 动静部分摩擦。 底部螺丝松动。 叶片损坏。 异物落入风机内。2）处理 遇有异常声响时，应切换至备用风机运行。 振动剧烈时，应即启动备用风机，停止故障风机。 联系检修处理，故障消除后恢复正常运行。5.

22、2 母管压力低1）原因 风机入口滤网堵塞。 风机叶片磨损。 风机电源接反导致反转。 运行故障跳闸，备用风机联动不成功。 冷却风系统有泄漏。2）处理 切换至备用风机运行，清扫堵塞滤网。 调换风机电源相序。 查找系统泄漏点，尽快处理。 如风机叶片磨损，效率降低联系检修处理。第三节 港电火检设备简介1. 系统概述港电工程选用的火检设备为上海神明控制有限公司生产的SA-3000火焰检测器。SA-3000火焰检测系统包括绕性光纤组件、SF-300IR火检探头、电缆组件、SA-3000火检放大器等设备。该产品具有较高的火焰鉴别功能，适用于多燃料燃烧器及单燃料燃烧器的火焰检测。SF-300IR火检探头采用红

23、外线火焰检测技术。它用于检测煤粉、油等燃料燃烧的火焰。SA-3000火检放大器是基于DSP微处理器进行工作的，放大器能储存四套火检程序文件，在火检放大器运行时只有一套火检程序文件被激活。当检测到目标燃烧器有火焰时，SA-3000火检放大器会输出有火/无火接点信号和相对应火焰强度的模拟量信号，并输入BMS系统。SA-3000火检放大器带有独立的电子自检系统，如自检故障时，探头将输出故障报警信号。SA-3000火检放大器可通过专用软件与电脑进行通讯联网，单台电脑最多可连接128套火检，并可显示实时火焰状态及其它信息。用户可通过火检软件对火检进行实时调试，并对所检测的火焰进行燃烧分析和监视。2. 系

24、统配置一套完整的火焰检测系统包括： 绕性光纤组件（外导管组件、内导管组件、安装管）冷却风软管火检探头电缆组件火检放大器放大器电源可选的联网组件：包括电脑、火检联网软件、联网电缆绕性光纤组件一般安装在锅炉的二次风箱内，锅炉燃烧器燃烧产生的红外线通过绕性光纤组件的光纤传递到火检探头，火检探头将接收到的光信号进行光电转换，经过初级放大和处理后将代表火焰特性的电信号通过电缆组件传递给放大器；放大器将火焰信号经过放大处理后输出有火/无火接点信号和相应的火焰强度的模拟量信号，并输入BMS系统。SA-3000火检放大器和放大器电源一般安装在放大器柜，放大器柜除了安装放大器外，还有火检电源分配盘和电源。2.1

25、绕性光纤组件和冷却风管锅炉燃烧器燃烧产生的红外线通过绕性光纤组件的光纤传递到火检探头，安装在锅炉的二次风箱内绕性光纤组件包括外导管组件、内导管组件、安装管组件，如图10-4。图10-4 火检探头安装图注：1、LA：外导管组件长度；LB：内导管组件长度；LC：二次风箱深度外导管组件固定在二次风箱内。该组件由金属软管、硬导管等组成。外导管组件前端焊接在二次风箱的喷口上，后端固定在安装管组件内。安装管组件焊接在风箱或燃烧器面板上。内导管组件在使用时插入外导管组件中，由光导纤维、金属软管、导管、螺母等组成。火检内导管组件采用多种隔热措施。火检光纤耐温达到500，在冷却风系统正常运行的情况下，火检内导管

26、组件温度一般低于风箱温度，因此内导管组件的使用寿命得到保证。2.2火检探头SF-300IR红外线火检探头含有一个红外传感器的光电二极管，适用于探测煤和/或油燃烧的火焰。可用于多燃料燃烧器及单燃料燃烧器的火焰检测或较高鉴别要求的场所。SF-300IR红外线火检探头具有较高的耐温特性，持续地检测燃烧器火焰的闪烁频率和振幅特性。火检探头的传感器接受到具有一定火图10-5 SF-300IR火检探头焰燃烧特性的光，然后转换成电信号，进入火检探头信号处理模块。火焰信号通过八芯或十芯电缆传送到火焰放大器，火焰放大器经过处理后输出信号到DCS或BMS系统。2.3火检电缆组件火检电缆组件用于连接探头至放大器的信

27、号，电缆一端接快装接头，电缆的另一端接一个接线盒，内装一个有10个端子的端子排，其中8个端子已与电缆预接，其余的2个端子备用。一般就地接线盒至放大器的电缆用普通屏蔽电缆即可。 图10-6 电缆组件与探头的连接注：所有屏蔽线连接到放大器的屏蔽线端子排上接到放大器的屏蔽线端子排上。电缆组件的电缆中的其中4芯是有用的，分别是黑、红、白、绿，功能见下表。颜色编码功能黑色+12VDC红色-12VDC白色公共接地端绿色火焰信号2.4火检放大器SA-3000是基于DSP为微处理器的火检放大器，与SF-300IR火检探头配合使用，用于检测多燃烧器燃烧室中火焰的存在与否。火检放大器因能准确区分火焰探头产生的脉冲

28、频率而使其具有最佳的鉴别能力，这种鉴别能力是通过特殊的火焰信号处理，并让用户通过设定火焰有火/无火的独立门槛值来实现的。SA-3000放大器的安装在标准的19”卡架上，运行电压为24VDC。一个卡架最多可以容纳8个SA-3000放大器。当检测到目标燃烧器有火焰时，SA-3000放大器会输出有火/无火接点信号和相应的火焰强度的模拟量信号，并输入BMS系统。图10-7 SA-3000火检放大器SA-3000放大器的特点：微处理器采用高速DSP芯片24 VDC安全电压运行液晶显示、按键操作电子自检功能远程通讯功能火焰“学习”功能4个火检文件选择密码保护19” 标准卡架安装火焰继电器输出故障继电器输出

29、4-20 mA 输出,表示火焰信号强度设定火焰继电器FLAM ON/OFF门槛值可调传感器增益频率选择，频带选择SA-3000火检放大器里储存有A、B、C、D四套火检程序文件。在火检运行时只有1套火检程序文件可被激活，可通过2个远程输入开关在4套文件之间可相互切换。SA-3000放大器带有独立的电子自检系统，自检间隔时间为每隔2分钟一次，如自检故障时，探头将输出故障报警信号。每套火检均有AIM电子辅助观测指示，帮助获得火焰的最佳视线。通过专用火检软件与电脑进行通讯联网，对火检进行实时分析、监控和调试。1）技术规格储存温度：-40至+85运行温度：-40至+65湿度：0-95%相对湿度，无凝结2

30、4 VDC, +10%, -15%, 电流 0.5A火焰继电器 SPDT故障继电器 SPDT触点容量 2A 240 VAC, 2A 30 Vdc4-20 mA 24Vdc, 750 ohms2）运行火焰继电器：当信号强度等于或高于已设定的有火门槛值ONT时，火焰继电器动作。当信号强度等于或低于已设定的无火门槛值OFFT时，火焰继电器失电。电压波动或检测到内部故障时，火焰继电器也将失电。故障继电器：火焰放大器通过24VDC电压，并且成功的检测过所有的内部自检回路时，故障继电器不动作。如果火焰探头有电压干扰或检测到内部故障时，故障继电器将动作并输出报警信号。火焰信号强度：火焰信号强度设定范围有最小值Min和最大值Max。对应的信号强度为Min设定值时，放大器的4-20mA信号强度输出最小（4mA）；当信号强度大于或等于Max设定值时，放大器的信号强度输出为最大（20mA）。3）接线、接地和屏蔽 SA-3000放大器组件是安装设计在金属机柜内19”