专利名称：一种单燃烧器火焰检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种锅炉炉膛安全检测的方法和装置，更具体地说，是涉及一种单燃烧器的火焰的检测方法和装置。
背景技术：
大型锅炉都必须具有完善的防止炉膛爆炸的监视及控制手段，完成此项功能的是“锅炉炉膛安全监控系统”(FSSS)，而锅炉燃烧器火焰检测是该系统的重要组成部分，它的正确检测与否将直接影响整个锅炉炉膛安全监控系统动作的可靠性。迄今为止，国内生产的多为简单的光伏型火焰检测器，虽然也安装在燃烧器旁，并不能将目标燃烧器的火焰从背景(全炉膛)火焰中分离出来，从本质上来讲是全炉膛火焰检测，它们不能真正满足FSSS系统需求。蒸发量在670t/h以上的锅炉都应当采用单燃烧器火焰检测器。现在，我国大型锅炉的火焰检测器以进口产品居多，由于对火焰燃烧理论解读方面存在的差异，对于我国锅炉燃烧的实际情况，在应用中还有相当的局限性，这主要表现在调试工况要求苛刻、步骤烦琐，往往达不到理想效果。不能满足单燃烧器火焰检测的实际需求。近年来国内有人采用摄像头摄制火焰图像，然后通过计算机图像处理来检测单燃烧器火焰，由于计算机图像处理技术对火焰图像的处理目前尚不十分成熟，这种方法离实际应用还有一定距离。
发明内容
本发明的目的是克服上述火焰检测器的缺点，提供一种高性能的单燃烧器火焰检测的方法和装置，它能将目标燃烧器的火焰从整个炉膛火焰以及很强的炉壁辐射中区分出来，与“锅炉炉膛安全监控系统”(FSSS)连接，使该系统能真正了解锅炉的燃烧工况，在检测到炉膛或单个燃烧器灭火时，及时切断燃料供应，使未点燃燃料进入炉膛的时间尽可能缩短，进而从根本上防止炉膛爆燃事故的发生。
现代燃烧理论认为燃料在锅炉炉膛内燃烧可分为预热—干燥、着火、燃烧、燃尽四个阶段。在这几个阶段中，最重要的就是着火阶段。要使燃料燃烧完全，首先要实现迅速而稳定的着火，保证燃烧过程的良好开端；也只有实现了迅速而稳定的着火，燃烧和燃尽阶段才可能进行，燃烧的稳定性和效率才能提高。因此单燃烧器火焰的检测对象应该是火焰的着火阶段。
燃烧理论和实验结果都表明，作为燃料燃烧的最重要阶段——着火阶段存在着较强的光能辐射闪烁，火焰中交流部分的能量很大，而燃烧的其它阶段和全炉膛火焰的光能闪烁都很弱，交流部分的频谱能量分布也与着火阶段有着很大的区别，也就是说，单燃烧器火焰的动态频谱与全炉膛或背景火焰不同。事实上，工业火焰不是透明的，某一燃烧器火焰的动态频谱几乎不能穿过工业火焰去影响其它燃烧器火焰的动态频谱。
本发明采用特征频谱分析的方法来检测单燃烧器火焰，其特征在于捕捉单燃烧器火焰在着火区光辐射经光电转换后电信号的特征频谱，将单燃烧器火焰从背景火焰中分离出来，对于多个燃烧器的大型锅炉，能剔除背景火焰的影响，检测出目标燃烧器的火焰燃烧状况，其步骤如下1、将火检探头一对一地安装在目标燃烧器旁，把目标燃烧器燃料燃烧火焰的着火区域纳入此火检探头的视角内；2、火检探头中的透镜组(1)将视角内的全部火焰光信号传输并聚焦在光电转换器(2)上，转换成电信号；3、上述电信号经电缆传输至信号处理单元中A/D转换器(3)、转换成数字量；4、上述数字量送至MCU为主体构成的数字特征频谱分析器(4)，作0～1000HZ的频域信号处理，从“0”开始，按0、40、80……920、960、1000顺序，平均每增40HZ为一个频点，即对于每一个频点的频域信号处理带宽为40HZ；5、通过现场实地试验调试，若某个频点在目标燃烧器灭火时频域信号处理带宽内的能量小于、等于着火时能量的40％，此频点即判定为特征频点，由特征频点组成所述的特征频谱；并将其存储于其内的存储器中，MCU对目标燃烧器特征频谱信号进行能量求和运算，在灭火状态下计算出的值即为灭火判断阈值，送至显示器(7)显示出来；6、通过参数设置键(6)，将灭火判断阈值输入数字特征频谱分析器(4)，作比较运算，灭火判断阈值并存储于其内的存储器中；7、通过参数设置键(6)，将灭火判断延时时间输入数字特征频谱分析器(4)、作比较运算，其灭火判断延时时间存储于其内存储器中，灭火判断延时时间的设定范围0～6秒，典型值3秒；8、数字特征频谱分析器(4)，将锅炉运行状态下目标燃烧器火焰特征频谱内信号时能量求和计算，即得到单燃烧器火焰信号值，经D/A转换器(5)，将其信号再送至模拟仪表显示出来。
本发明实施频谱分析方法制造的单燃烧器火焰检测装置，它包括一个由透镜组(1)、光电转换器(2)组成的光检探头和一个信号处理单元。信号处理单元的技术方案概述如下信号处理单元中的数字特征频谱分析器(4)通过并行总线与A/D转换器(3)和参数设置键(6)连接；通过串行总线与显示器(7)和D/A转换器(5)连接；数字特征频谱分析器(4)，通过A/D转换器(3)高速采集时域电信号，在其内部将时域信号转换到频域信号进行处理，将比较，运算得出的单燃烧器火焰信号值分三路输出1、送至显示器(7)；2、送至D/A转换器(5)、转换成模拟量；3、与阈值比较，在低于、等于阈值并保持到规定延时时间时，输出一个开关量。
本发明的装置可以燃料品种不同，如燃气、燃煤、燃油分别采用紫外光、可见光、红外光的光敏元件作成光电转换器；其火检探头的视角为70°。
本发明单燃烧器火焰检测器，不仅适用于火力发电厂，也适用于有裂解炉的石化企业；不仅适用于粉煤作燃料的，也适用于燃油、燃气的大型锅炉。
从实际使用的结果看，本发明单燃烧器火焰的检测装置，制造成本低，技术性能稳定，可靠性高，是锅炉炉膛安全监控可选仪表的一种。
图1是本发明原理方块2是本发明火检探头结构示意3是本发明的第一个实施例电路原理4是本发明的第二个实施例电路原理5是本发明的第三个实施例电路原理6是本发明的第四个实施例电路原理框7是本发明在燃煤锅炉上运行实验结果曲线8是本发明的燃油运行实验结果曲线图具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述在图2中，火检探头内石英玻璃凸透镜组(1)，装在外壳(12)内，置于火检探头的前端，火焰光经导光管(13)聚焦在光电池(15)上，转换成电压信号，通过导线与电路线路板(16)相连，实现电压——电流的转换，其4～20mA信号再经导线送至信号处理单元，出口采用航空插座(17)，以保证防尘效果。采用安装件(14)与锅炉炉体相接。冷却用压缩空气由接口管(18)不断地鼓入探头壳内，对探头进行冷却。
实施例1信号处理器如图3所示，炉膛火焰4～20mA信号，经过R1转换成电压信号，一方面经过运算放大器U1放大后送到微处理器的A/D输入端AD0；另一方面通过C1隔离直流分量，经过运算放大器U2放大后接到微处理器的A/D输入端AD1。微处理器MCU根据交直流的A/D结果进行运算，得出单燃烧器火焰的特征频谱，判断单燃烧器火焰的有无。微处理器有三种输出方式；①通过U4驱动数码管，显示运行及故障信号。②通过三极管N1驱动继电器，输出开关量信号。③经过运算的火焰信号数字量经D/A转换成模拟量后，通过运算放大器U5和电流转换器Z2转换成4～20mA电流信号输出。
微处理器P2口还接有四个按键S1-S4，设置运行参数用。
实施例2
信号处理器如图4所示，炉膛火焰4～20mA信号，经过R1转换成电压信号，一方面经过运算放大器U1放大后送到微处理器的A/D输入端AD0；另一方面通过C1隔离直流分量，经过运算放大器U2放大、再经可编程带通滤波器U3后将两个频带信号送到微处理器的A/D输入端AD1、AD2。微处理器MCU根据交直流的A/D结果进行运算，判断单燃烧器火焰的有无。微处理器有三种输出方式①通过U4驱动数码管，显示运行及故障信息。②通过三极管N1驱动继电器，输出开关量信号。③经过运算火焰信号数字量经D/A转换成模拟量后，通过运算放大器U5和电流转换器Z2转换成4～20mA电流信号输出。
微处理器P2口还接有四个按键S1-S4，设置运行参数用。
实施例3信号处理器如图5所示，炉膛火焰4～20mA信号，经过R1转换成电压信号，一方面经过运算放大器U1放大后接到A/D转换器U3输入端IN；另一方面通过C1隔离直流分量，经过运算放大器U2放大后接到A/D转换器U4输入端IN。A/D转换器U3、U4的转换结果输出到数字信号处理器DSP。DSP根据交直流的A/D结果进行运算，得出单燃烧器火焰的特征频谱，判断单燃烧器火焰的有无。数字信号处理器有三种输出方式；①通过MAX7219驱动数码管，显示运行及故障信号。②通过三极管N1驱动继电器，输出开关量信号。③经过运算的火焰信号数字量经U5转换后，变成4～20mA电流信号输出。
实施例4以计算机为核心的检测原理框图如图6所示，在计算机内部加A/D采集卡和开关量输出卡。火焰探头输出信号接到A/D采集卡输入端，计算机读取A/D结果后进行运算，在单燃烧器火焰的特征频谱内计算单燃烧器火焰值。计算机一方面进行屏幕显示，另一方面把此火焰值与灭火判断阈值比较，如果低于灭火判断阈值并保持了灭火延时时间，则通过开关量输出板输出灭火开关量信号。灭火判断阈值和灭火延时时间可通过计算机设定。
当今，随着机组容量的不断扩大以及670t/h以及上锅炉参与调峰次数的增加，对锅炉炉膛安全监控系统(或DCS中的FSSS部分)运行可靠性的要求越来越高。由于锅炉在启动——运行——停炉的全过程都有可能发生爆燃等恶性事故，尤其是在点火过程的爆燃比运行过程的爆燃对炉膛的损坏更严重，因此煤粉燃烧的稳定性就是燃煤锅炉安全运行的关键参数，而它的一次检测设备——火焰检测器，能否对单燃烧器的煤粉燃烧稳定性以及火焰有无作出准确的评价和判断，这在整个安全保护系统中的作用尤为重要。
图7是在某一670t/h锅炉的11号燃烧器上的实验曲线。在前50分钟内，与被监测燃烧器相邻的四个燃烧器(上、下、左、右)的给煤粉机都有一个停止再启动过程，然后为被监测燃烧器前后两次停止再启动给煤粉机过程(启动时给煤粉机转速为200转/分)。图中上部曲线为普通火焰检测器的记录曲线；下部的曲线是本发明火焰检测装置的记录曲线。从图中可以看出，在前50分钟内4个相邻燃烧器的灭火、着火过程对单燃烧器火焰信号没有造成任何影响，而对两个本地的燃烧器的灭火以及着火过程却非常敏感，反应也非常迅速，曲线有两个明显的凹槽，边缘都有陡峭的下降沿和上升沿，着火点或灭火点异常清晰，灭火时的记录值也非常�。坏阶呕鹗钡�10％；相反，此时普通火探头却不能正确反映这一过程，甚至在两个灭火阶段还存在反向趋势。同时，根据现场运行的情况来看，电站煤粉锅炉的给煤粉机(给煤机)的运行速度很少在200转/分以下，因此本单燃烧器火焰信号完全有能力对单燃烧器火焰的存在与否作出正确判断。
图8是在某一220t/h锅炉的4号燃烧器上的实验曲线。被监测燃烧器的给煤粉机由500转/分变为断粉灭火，然后再点燃油枪。图中上部曲线为普通火焰检测器的记录曲线，下部为本发明单燃烧器火焰检测装置的记录曲线。从图8上可以看出，本火焰检测装置对燃油的单燃烧器火焰同样能作出正确的检测。
根据本发明开发出的单燃烧器火焰检测装置，试用结果证明，与现有技术相比，制造的成本低，仪表的技术性能好，可靠性高。
本发明单燃烧器火焰检测装置，可以作为锅炉炉膛安全保护装置，程控点火系统，FSSS(包括DCS中的FSSS一部分)中的火焰检测的一次仪表，以满足火力发电厂、石化企业的需求。
权利要求
1.一种单燃烧器火焰检测方法，其特征在于，捕捉单燃烧器火焰在着火区光辐射经光电转换后电信号的特征频谱，将单燃烧器火焰从背景火焰中分离出来，剔除背景火焰的影响，检测出目标燃烧器火焰的燃烧状况，其步骤如下a、火检探头中的透镜组(1)将视角内的全部火焰光信号传输并聚焦在光电转换器(2)上，转换成电信号；b、上述电信号经电缆传输至信号处理单元之中A/D转换器(3)，转换成数字量；c、上述数字量送至由MCU为主体构成的数字特征频谱分析器(4)，作0～1000HZ的频域信号处理；d、MCU在0～1000HZ的频域，从“0”开始，按0、40、80……920、960、1000顺序，平均每增40HZ为一个频点，对于每一个频点的频域信号处理带宽为40HZ；e、通过现场实地调试，若某个频点在目标燃烧器灭火时频域信号处理带宽内的能量小于、等于着火时能量的40％，此频点即判定为特征频点，由特征频点组成特征频谱，并将其存储在MCU的存储器内；MCU对目标燃烧器特征频谱信号进行能量求和计算，在灭火状态下计算出的值即为灭火判断阈值，送至显示器(7)显示出来；f、通过参数设置键(6)，将灭火判断阈值输入数字特征频谱分析器(4)，作比较运算阈值，并存储于其内存储器中；g、通过参数设置键(6)，将灭火判断延时时间输入给数字特征频谱分析器(4)，作比较运算，灭火判断延时时间存储于其内存储器中，灭火判断延时时间的设定范围0～6秒，典型值为3秒；h、数字特征频谱分析器(4)，将锅炉运行状态下目标燃烧器火焰特征频谱内信号的能量求和计算，即得到单燃烧器火焰信号值，经D/A转换器(5)，将其信号再送至模拟仪表显示出来。
2.一种实施权利要求1所述方法的单燃烧器火焰检测装置，它包括一种由透镜组(1)、光电转换器(2)组成的火检探头和一个信号处理单元，其特征在于，信号处理单元之中的数字特征频谱分析器(4)通过并行总线与A/D转换器(3)和参数设置键(6)连接；通过串行总线与显示器(7)和D/A转换器(5)连接；数字特征频谱分析器(4)，通过A/D转换器(3)高速采集时域电信号，在其内部将时域信号转换到频域进行处理，将比较、运算得出的单燃烧器火焰信号值分三路输出；a、送至显示器(7)；b、送至D/A转换器(5)，转换成模拟量；c、与阈值比较，在低于、等于阈值并保持到规定延时时间时，输出一个开关量。
3.按照权利要求2所述的单燃烧器火焰检测装置，其特征在于，所述的光电转换器可用紫外光、红外光、可见光任一种光敏元件。
4.按照权利要求2所述的单燃烧器火焰检测装置，其特征在于，所述的火检探头的视角为70°。
全文摘要
本发明公开了一种单燃烧器火焰检测方法和装置，旨在采用特征频谱分析的方法，捕捉单燃烧器火焰在着火区光辐射经光电转换后电信号的特征频谱，将单燃烧器火焰从背景火焰中分离出来，剔除背景火焰的影响，检测出目标燃烧器火焰的燃烧状况。装置包括由透镜组、光电转换器构成的火检探头和以MCU为主体的信号处理单元。频谱分析的范围是0～1000Hz。输出直流4～20mA模拟量和数字开关量，并可与DCS、FSSS等构成回路。可以广泛用于大型火力发电厂的燃气、燃油、燃煤锅炉的炉膛安全自动化保护系统。
文档编号G01J5/10GK1548806SQ03133358
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月21日 优先权日2003年5月21日
发明者宋轩, 邱立科, 崔松海, 宋 轩 申请人:吉林市瑞达自控工程有限责任公司
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