火焰檢測(cè)在焚燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

褚衍旭，高 勇，李 東，葉志成

(1.惠州東江威立雅環(huán)境服務(wù)有限公司 ,廣東 惠州 516323；2.廣東安佳泰環(huán)?？萍加邢薰?廣東 惠州 516323)

在焚燒系統(tǒng)中，燃燒器是燃燒工況控制過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備。其中，火焰檢測(cè)器是燃燒器自動(dòng)裝置的重要部件之一，它利用火焰檢測(cè)元件對(duì)燃燒室中火焰燃燒狀況進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)視，能夠在點(diǎn)火時(shí)快速反映燃料點(diǎn)燃情況，在低負(fù)荷運(yùn)行或者有異常工況時(shí)及時(shí)檢測(cè)出是否存在滅火情況。根據(jù)火檢檢測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)聯(lián)鎖相關(guān)動(dòng)作，防止出現(xiàn)滅火嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)事故，穩(wěn)定工藝工況，確保燃燒系統(tǒng)安全運(yùn)行[1]。在現(xiàn)代的燃燒系統(tǒng)中，對(duì)火焰狀況的檢測(cè)是保障系統(tǒng)安全的必要條件之一。

1 燃料燃燒特征

當(dāng)燃料燃燒時(shí)，火焰會(huì)呈現(xiàn)多種特性，如電離狀態(tài)、輻射強(qiáng)度、閃爍頻率及光譜特征等。根據(jù)火焰的形狀，一般依次分為黑龍區(qū)、初燃區(qū)、燃燒區(qū)和燃盡區(qū)[2]。在燃燒器噴口處，風(fēng)和燃料混合形成紊流引起火焰無(wú)規(guī)律的波動(dòng)，幅值各異，即稱(chēng)為閃爍(脈動(dòng))現(xiàn)象。不同燃料的閃爍頻率不同；距離火焰越近的地方閃爍頻率越高；火焰閃爍頻率隨著混合物燃燒強(qiáng)度增加而升高。對(duì)于火焰強(qiáng)度而言，燃燒區(qū)為完全燃燒段，火焰亮度最高且最穩(wěn)定；對(duì)于閃爍頻率而言，在初燃區(qū)最高，向燃盡區(qū)依次降低。所有燃料燃燒都會(huì)產(chǎn)生輻射，且光譜范圍一般涉及紅外線(xiàn)(IR)、可見(jiàn)光及紫外線(xiàn)(UV)等。燃料種類(lèi)不同，其燃燒火焰光譜分布特性是不完全一樣的，以燃油、煤粉為例，其光譜特性多以紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光為主，而對(duì)于燃?xì)舛?，則是紫外線(xiàn)較多。

綜上所述，燃燒火焰特性如發(fā)熱、電離、輻射、光譜、閃爍、差壓等，均可用來(lái)作為判斷火焰有或無(wú)的重要依據(jù)?？刂茊卧Ｒ罁?jù)以下四個(gè)燃料燃燒特性：火焰最小直流光強(qiáng)度、火焰最小交流光強(qiáng)度、光波長(zhǎng)區(qū)域以及最小閃爍頻率。以美國(guó)FORNEY、BALLEY等公司為代表的紅外線(xiàn)或可見(jiàn)光火焰檢測(cè)技術(shù)，即是基于對(duì)燃燒器噴口火焰亮度信號(hào)和脈動(dòng)頻率的檢測(cè)。

2 火焰檢測(cè)原理

傳統(tǒng)的火焰檢測(cè)技術(shù)主要分為以電極法、差壓法為代表的直接火檢與以光電式為代表的間接火檢，其中直接式一般用于點(diǎn)火器的火焰檢測(cè)，而間接式為主燃料火檢，即利用不同形式的輻射熱量檢測(cè)，也是目前應(yīng)用最為廣泛的檢測(cè)方法[3]。傳統(tǒng)火檢不能直接觀(guān)察爐內(nèi)燃燒狀況，因此圖像技術(shù)被引入檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集燃燒器內(nèi)火焰圖像并分析處理來(lái)反應(yīng)燃燒狀況。

2.1 光電式火檢

光電式火焰檢測(cè)原理就是將火焰的光信號(hào)傳遞到火檢探頭的光電二極管上，光電二極管將火焰強(qiáng)度及頻率的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部電路板的放大、濾波、比較處理后，輸出直流電壓信號(hào)，與電路板內(nèi)部的閾值比較確定后輸出火焰信號(hào)，常見(jiàn)的有紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光及紫外線(xiàn)型等。

紅外線(xiàn)檢測(cè)是利用對(duì)紅外線(xiàn)輻射敏感的硫化鉛(PbS)光敏電阻感測(cè)器，光譜靈敏度600～3000nm，對(duì)火焰中大量不易被塵粒吸收的可見(jiàn)光及900 nm 以上的絕大部分紅外線(xiàn)輻射都可以有效采集，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、應(yīng)用范圍廣、對(duì)單只燃燒器監(jiān)視效果出色[4]?？梢?jiàn)光檢測(cè)器對(duì)可見(jiàn)光敏感，利用火焰中存在的大量可見(jiàn)光檢測(cè)火焰，該檢測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適合監(jiān)視整個(gè)爐膛的火焰，但可見(jiàn)光穿透灰塵、煙霧能力差，光電管耐高溫能力低。紫外線(xiàn)檢測(cè)器檢測(cè)光譜范圍從190～550nm，利用火焰所產(chǎn)生的紫外脈沖信號(hào)來(lái)檢測(cè)火焰有無(wú)。由于不同燃料產(chǎn)生輻射強(qiáng)度不同，檢測(cè)元件也相應(yīng)地不一樣。一般而言，煤粉火焰輻射較強(qiáng)的紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光和一些紫外線(xiàn)，而紫外線(xiàn)易被燃燒產(chǎn)物和灰粒吸收減弱，因此煤粉燃燒火焰宜采用可見(jiàn)光或紅外線(xiàn)火焰檢測(cè)器?？扇?xì)怏w燃燒時(shí)，初燃區(qū)紫外線(xiàn)輻射較強(qiáng)，可采用紫外線(xiàn)火焰檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 圖像式火檢

圖像式火檢是借助廣角長(zhǎng)焦距工作鏡頭對(duì)燃燒器狀況進(jìn)行判斷，通過(guò)傳像光纖送來(lái)火焰圖像信號(hào)經(jīng)電感耦合式攝像機(jī)(CCD)轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)，由圖像采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖像，中央處理器(CPU)負(fù)責(zé)將數(shù)字圖像化信息按照判斷體系進(jìn)行計(jì)算判斷被監(jiān)測(cè)燃燒器有無(wú)火焰[5]。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)監(jiān)測(cè)火焰燃燒狀況，圖像直接反映火焰狀況，包含火焰全貌、燃燒區(qū)域特征、亮度、色彩等。利用火焰圖像對(duì)火焰燃燒情況進(jìn)行全程監(jiān)控，其對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性很強(qiáng)。

3 結(jié)構(gòu)形式

火檢結(jié)構(gòu)以紅外火焰檢測(cè)裝置為例，由檢測(cè)器及信號(hào)處理器組成，配置冷卻風(fēng)系統(tǒng)、信號(hào)輸出電纜及電源裝置等。其中，檢測(cè)器單元主要由光敏元件、測(cè)量放大電路、溫度補(bǔ)償電路組成；信號(hào)處理器由電源電路、接口電路、自檢電路、報(bào)警輸出電路等組成；冷卻風(fēng)系統(tǒng)主要用于探頭、光纖冷卻[6]。

火檢形式分為一體式與分體式。一體式與分體式火檢最大的區(qū)別在于，感光元件與信號(hào)處理器是否分置，一體式是將其集成在探頭內(nèi)，布置于爐側(cè)，而分體式則將其分置，探頭安裝于爐側(cè)，信號(hào)處理器布置于電子機(jī)柜內(nèi)。華國(guó)鈞等通過(guò)對(duì)比分體式與一體式火檢，證明了分體式火檢有更高的安全性和維護(hù)便利性。另，由于一體式火檢不需要單獨(dú)的安裝放大器，信號(hào)傳輸為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，因此中小型鍋爐及化工等行業(yè)多采用一體化式火檢，燃煤電廠(chǎng)由于工作環(huán)境惡劣需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境綜合考慮。

4 火檢應(yīng)用

火焰檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛的是在電力行業(yè)，爐膛安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型火電機(jī)組鍋爐必須具備的監(jiān)控系統(tǒng)?；鹧鏅z測(cè)能夠在鍋爐點(diǎn)火、正常運(yùn)行及啟停等各種工況下，持續(xù)密切關(guān)注監(jiān)視燃燒系統(tǒng)燃燒情況，便于運(yùn)行人員判斷工況并做出適當(dāng)調(diào)整，保證鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行。張家界發(fā)電廠(chǎng)300MW鍋爐安裝了LY200-II圖像火檢系統(tǒng)，采用光纖傳像、燃燒理論、模式識(shí)別及圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉燃燒器以及油火焰信號(hào)的數(shù)字分析，具有燃燒指導(dǎo)功能，有效解決普通火檢偷看問(wèn)題[7]。華能德州電廠(chǎng)燃煤發(fā)電機(jī)組火檢系統(tǒng)采用DURAG紅外線(xiàn)傳感器，能夠檢測(cè)波長(zhǎng)在780～1800nm范圍內(nèi)的紅外線(xiàn)，對(duì)于安裝位置、燃燒影響進(jìn)行調(diào)整后增強(qiáng)了火檢可靠性[8]。ABB UVISOR智能火焰檢測(cè)系統(tǒng)在黃臺(tái)發(fā)電廠(chǎng)機(jī)組上得到良好應(yīng)用，在調(diào)整之后更加可靠穩(wěn)定[9]。此外，火檢系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于多種熱處理焚燒系統(tǒng)中，如生活垃圾、危險(xiǎn)廢物焚燒轉(zhuǎn)窯燃燒情況檢測(cè)等。

5 常見(jiàn)問(wèn)題

火檢系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中容易出現(xiàn)幾類(lèi)問(wèn)題，包括火焰不穩(wěn)定“偷看漏看”、光纖冷卻效果差、火檢探頭超溫、保護(hù)邏輯缺陷等[10]。

5.1 火檢不穩(wěn)定甚至失去

當(dāng)燃燒工況發(fā)生變化時(shí)，負(fù)荷及配風(fēng)變化導(dǎo)致火焰未燃區(qū)、燃燒區(qū)遷移，燃燒不穩(wěn)造成燃燒器著火點(diǎn)提前或拖后越出探頭檢測(cè)范圍，火檢便顯示無(wú)火或頻閃。此外，影響火檢不穩(wěn)定的因素還有光纖內(nèi)縮或探頭視角不正常，檢測(cè)不到火焰；凸透鏡片前結(jié)焦、凸透鏡片老化、光纖損壞、瞄準(zhǔn)管脫落造成光信號(hào)弱；火檢探頭參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)取?/p>

5.2 火檢“偷看”嚴(yán)重

火檢“偷看”其它燃燒器火焰現(xiàn)象在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中較為常見(jiàn)[11]，火檢探頭只有對(duì)準(zhǔn)火焰的初燃區(qū)才能獲得最佳檢測(cè)效果，"偷看"容易造成對(duì)信號(hào)的誤判斷。主要影響因素有探頭看火角度不佳、檢測(cè)火焰能力差、邏輯判斷功能不足等。

5.3 火檢探頭損壞

火檢探頭在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)燒毀的情況，爐膛壓力、燃燒狀況、冷卻風(fēng)量、安裝位置等對(duì)探頭有著不同程度的影響?；饳z探頭安裝位置距噴嘴較近時(shí)不能滿(mǎn)足探頭對(duì)溫度環(huán)境要求；部分火檢探頭安裝于燃燒器近火點(diǎn)，造成燒毀情況嚴(yán)重；光纖冷卻效果不好長(zhǎng)期超溫運(yùn)行，造成采光端嚴(yán)重?zé)龘p甚至脫落、光纖透鏡嚴(yán)重結(jié)焦損壞等。

6 總結(jié)

根據(jù)檢測(cè)燃燒火焰輻射強(qiáng)度、閃爍頻率及色譜特性等特征用來(lái)判斷火焰有或無(wú)的的火焰檢測(cè)器，能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)出燃燒器內(nèi)燃料燃燒火焰情況，對(duì)于穩(wěn)定工藝工況、保障系統(tǒng)安全意義重大。目前火焰檢測(cè)技術(shù)以光電式檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛，根據(jù)不同形式的輻射熱量檢測(cè)分為紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光及紫外線(xiàn)式，由于不同燃料產(chǎn)生輻射強(qiáng)度不同，其檢測(cè)元件也相應(yīng)地不一樣。作為最新的圖像火檢技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集燃燒器內(nèi)火焰圖像并分析處理來(lái)反應(yīng)燃燒狀況，成為現(xiàn)在火檢研究的一大趨勢(shì)?；饳z在電力行業(yè)應(yīng)用廣泛并逐漸向其他行業(yè)拓展，但是在其實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題，這需要在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體參數(shù)及實(shí)際工況，對(duì)火檢系統(tǒng)進(jìn)行切實(shí)有效的控制措施，以提高火檢系統(tǒng)的可靠、安全與經(jīng)濟(jì)性。