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                火檢技術的分類與發展

                2020-09-15 15:05:19

                1.前言

                火焰檢測系統(簡稱火檢),顧名思義,分為兩部分,一部分是火,一部分是檢。

                燃料在燃燒過程中會表現出各種類型的豐富的信息,外觀體現為火,如光能(紫外光,可見光和紅外光),熱能,聲能和圖像等;相應的,火焰檢測技術正是利用感光探測器,感溫探測器或者圖像探測器獲取火焰燃燒產生的光照、溫度或是圖像的效應,通過后期的數據處理來判斷燃料的燃燒狀態。

                2.火檢技術的分類與發展

                火檢技術按照測量方式可分為直接式和間接式。直接式主要包括電極法、差壓法和溫度法等。上述方法由于存在較大局限,目前應用范圍已經較小,不再贅述其原理應用;間接式則主要分為光學式火焰檢測和基于火焰圖像的火焰檢測技術,并得到了廣泛的應用。

                光學式火焰檢測按照光譜范圍分布可以分為紫外線、可見光和紅外線。60-70年代,工業發達國家廣泛采用紫外線型的火檢裝置,特點是用紫外線放電管來檢測火焰是否存在,至今在燃氣/燃油鍋爐上應用。該方法的主要問題是在低負荷時,紫外線輻射量減小,紫外線被大量的粉塵離子吸收,使得火檢無法可靠工作。

                70年代后,伴隨著光纖技術+光電敏感元件的發展,逐步開始投入通過測量可見光和紅外線的脈動頻率和強度的方式來判斷火焰是否存在的火檢設備。目前大型燃煤電廠較為普遍使用的正是可見光型,紅外線型,或者是它們的組合形式的火檢設備。

                而火焰圖像式作為較為新興的火焰檢測方式,它使用CCD攝像機直接獲得火焰的圖像,除了能夠判斷有火無火外,還能通過火焰圖像反演計算出溫度場分布等人們感興趣的結果。目前該方法已經取得一定的工業應用(可參考浙江大學白衛東博士的論文)。

                3.光學式火焰檢測的布置形式及位置、參數調整

                3.1布置形式

                從探頭和信號處理器的相對布置形式方式來看,可分為以ABB為代表的分布式(圖2為電子間內的處理單元)和以Coen、Forney為代表的一體式。兩種布置方式互有優劣。單從可靠性來說,由于處理器位于電子間機柜中,不受現場高溫、粉塵和電磁干擾,工作環境較好;并根據運行反饋結果,ABB的故障率也偏低,因此分布式的優勢更明顯一些。

                從探頭在爐內、外的布置位置來看,可分為內窺式和外窺式。內窺式,顧名思義,是將探頭與光纖通過軟管放置在爐膛內部,一般在燃燒器端面進行火焰探測,探頭內徑一般3mm,俯仰角度±8°,看火范圍較大。內窺式探頭需要擺放合適,正對火焰根部;同時光纖容易因為飛灰沾污導致信號失真。

                外窺式火檢探頭則是布置在爐膛外部,探頭觀火內徑大致60mm,火焰光線通過二次風箱傳到探頭處,看火范圍相對較?。ㄈ鐖D3所示)。由于探頭布置在爐膛外部,火焰光線需通過二次風箱才能傳至探頭處,爐膛負壓、二次風箱積灰擾動等因素會導致灰污遮蔽光線,導致信號失真。從實際運行來看,外窺式由于各種原因,可靠性偏低,故障率偏高,某廠甚至在滿負荷發生過一次滿負荷火檢誤動作滅火的事故。該廠在改造中改為內窺式后,情況大為好轉。因此,個人認為內窺式布置方式在可靠性上更有優勢一些。

                3.2位置、參數調整

                從煤粉火焰的發展來看,煤粉先后會經歷黑龍區、初始燃燒區、安全燃燒區和燃盡區。其中,初始燃燒區的閃爍最強,特征明顯并體現為:頻率高,強度低,而爐膛火焰背景體現為:頻率低,強度高。由于初始燃燒區的特點明顯有別與其他位置,因此無論是內窺式還是外窺式火檢,觀火位置都應對準該區。該位置一般由火檢廠家根據燃燒器類型和設計煤種,按經驗進行選定,并由鍋爐廠家成套設計預留孔隙,并交現場安裝,調試。但是實際運行調整和煤質變化等因素會導致該區域發生移動,如粉煤氣流中煤粉濃度下降會導致燃燒推遲,導致該區域后移,脫離觀火位置或旋流強度適當增大導致燃燒過程提前等。

                因此在燃用設計煤種且燃燒狀況正常時,對于火檢異常的噴燃器,需要首先排除能夠影響探頭觀火位置的影響(探頭實際位置、鏡頭沾污情況等),其次是探頭及附屬設備的接線、屏蔽(絕緣是否合格、接地是否良好等)、再次才是通過適當調整設定參數來規避偷看、漏看等異?,F象。

                在火檢參數設定上,NFPA要求火檢的參數設定必須從閃爍頻率和火焰強度兩個方向設定,因此主流火檢的設定參數普遍為這兩個參數。

                火焰強度的檢測,本質是檢測火焰輻射強度,利用數字信號檢測手段提取出平均光照強度作為火焰的輻射強度?;鹧娲嬖跁r,輻射強度在數值水平較高;火焰不存在時,輻射信號的輻射強度在數值水平較低[3]。

                閃爍頻率的檢測,利用快速傅里葉變換從時域信號衍生出頻域信號,在頻率中自定義能最 大程度包含頻域內所有有用信號的閃爍頻率。

                因此,實際判斷有火無火要同時根據強度-頻率進行計算,只有當火焰的頻率-強度落在預先設定的區間時,才會綜合判斷出有火、無火。

                為了防止火檢探頭出現漏看、偷看的現象,需要對燃燒器不同負荷、機組不同負荷,甚至是磨組的不同組合,反復進行參數調整以驗證參數的合理性,才能保證在各種燃燒工況下火檢的準確性。當然能夠影響火檢最終的輸出參數還有很多,如延時、自檢、增益,濾波等,這些參數在各產品的說明書中均有敘述,不再贅述。

                在工程實際應用上,為了防止火檢偷看,一般是將火檢檢測開關在DCS組態邏輯上進行實現:相關燃料閥打開后,火檢才開始進行檢測并返回有火/無火狀態;或是將該功能實現于就地的火檢文件選擇中。對此,筆者翻閱了部分現行的相關規范到則,沒有找到明確支持或禁止這種做法的相關說明。個人認為該種做法的初衷是考慮到當前的火檢設備無法自行解決偷看問題,而通過一種折中途徑來解決。這種做法很容易將一些問題隱藏起來,如探頭安裝位置不合理,參數設置不合適等造成火檢偷窺嚴重,一旦投入該層燃料,火檢信號立即返回;或是因為信號的不可靠性導致一些新的問題,等等。因此需要慎重對待該種信號處理方式。


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