第十章 锅炉火焰检测系统

T= C2(1/λ1-1/λ2)/In[Eλ1(T)/ Eλ2(T)( λ1/λ2)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（ｉ０，ｊ０）实际温度，计算对应点相应波长下的实 际幅射能量Ｅλ（ｉ０，ｊ０）。假设ＣＣＤ在可见光范围内的光电转 换特性为ｆ（·），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Ｓλ（ｉ０，ｊ０）和Ｅλ（ｉ０，ｊ０） 之间的比例系数Ｋ，再由ＣＣＤ图像数据计算炉膛其它区域的实际幅射 能量值Ｅλ（ｉ，ｊ），最后反推出温度分布值。可见比色测温是实现 ＣＣＤ火焰图像处理过程中的灰度归一化的有效方法。
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：
2）火焰幅射图像处理 Ａ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 ＣＣＤ器件的任一个像素Ｅ（λ，ｊ）可接受到的幅射能可归纳为下 式。 E（ij）=∫∫∫（Ω）R(dj)(x、y、z)→(ij)4kg(x、y、z)Бt4g(x、 y、 z)dxdydz+∫∫(s)Rdw[(x/,y/)→（ij）]εw(x/,y/)Бt4g(x/,y/)dx/dy/ ………………(7) 式中：（ｘ，ｙ，ｚ）为炉膛空间基准坐标系；（ｘ’,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，εω为 壁面吸收率；Tg为微元温度；Rαg和Rdw分别为气体和壁面在相应体积
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[(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。
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，ＣＣＤ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（ＶＩＰ）。ＶＩＰ将模拟视频信号经过Ａ／Ｄ转换，变成数字图 像存储于图象存储器中。ＤＳＰ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ＯＮ／ＯＦＦ信号和其 他诊断信息，并送至ＦＳＳＳ和ＣＣＳ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Ｘ轴变化， 可得如下数字表达式 α×（t）＝︳Ｘ（t）－Ｘ（t—１）︳ （４） 式中Ｘ（t）――ｔ时刻锋面位置。
5.3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ＣＣＤ 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８００～２０００Ｋ之间时，ｐｌａｎｋ幅 射定律可由下面的Ｗｉｅｎ幅射定律取代：
E（IJ） =Σ(∞k=1)Rdg[k→(ij)]4gkбTgk⒋△Vgk+Σ(wλ=1)Rdw[l→（ij）]εwбT (8)
在这里,将有效燃烧区域划分为ц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:
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。
第10章 锅炉火焰检测系统
第1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
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１０度——１５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。
Eλ（T）=δ（C1/λ5）exp(C2/λT)……………(5) 式中：Eλ（t）表示波长为λ，绝对温度为Ｔ时的单色幅射强度； C1，C2分别为第一和第二plank常数；δ为幅射率。 根据（５）式，若在两个不同波长λ1λ2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Ｔ的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 数字式火检器以ＦＯＲＮＥＹ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。