新疆生物质燃烧机以客为尊
生物质燃烧机火焰火力检测
摘要：电站锅炉运行中，由于煤质和负荷变化，经常导致燃烧工况恶化，但是运行人员因为缺乏评判燃烧状态的可靠依据，无法及时做出优化调整。该文研究了利用火焰检测器获得的火焰辐射能信号以及工业ccd获得的火焰图像信息，实时监测单个生物质燃烧机燃烧稳定性的方法。在单因素实验中，实验数据分析得出的燃烧机状态与理论分析的结果一致；在多因素实验中，实验数据充分反映出煤质、燃烧机负荷、配风方式变化对燃烧机状态造成的影响。研究表明：该方法能够有效表征燃烧机燃烧的稳定性，为进一步实现燃烧机状态的优化控制提供了依据。
  电厂实际燃用煤种常常与设计煤种存在偏差，且煤质不稳，从而导致锅炉实际的配风常常与燃烧的煤质存在偏差，造成燃烧不稳定。为了在煤质和负荷变化时进行合理配风，使锅炉燃烧处于稳定、经济的状况，需要对燃烧状况进行判断和评价。目前现场运行人员通常根据炉膛负压、汽包水位、主蒸汽温度、压力等参数判断燃烧状态，存在间接、滞后等缺点，且不能对单个燃烧机的状态进行评价因此无法对各个燃烧机分别进行优化调整。
  直接从燃烧火焰中获得燃烧信息是克服这些困难的途径。为此本文研究了火焰检测器（以下简称“火检”）和工业ccd摄像机拍摄的火焰图像与燃烧稳定性的关系。通常认为煤粉气流喷入炉膛后，要经过未燃烧、初始燃烧、完全燃烧和燃烬4个阶段，如图1所示。通过研究火检和火焰图像信息与不同区域燃烧状态的关系，可建立燃烧稳定性的控制模型，为燃烧机在负荷和煤质变化时的优化控制提供依据。
    实验在广西某电厂一台300m w燃煤锅炉上进行。锅炉设计煤种为无烟煤，燃娆器采用浓缩型ei-xcl双调风生物质燃烧机，其一次风为直流，二次风为旋转射流。燃烧机有多个调节量：调整内、外二次风叶片角度可调节二次风旋流强度，调整调风盘的开度可调节内、外二次风的风量比，调整二次风挡板开度可调节燃烧机的二次风量、上述4个调节量的合理调节可保证燃烧机的稳定与经济燃烧，这也是生物质燃烧机适应性强、调节范围宽的原因。
由于节能低氮富集形燃烧器喷口出口处的生物质分布是随四角切圆燃烧的向火侧到背火侧由浓变淡，这就有利于改善燃烧器区水冷壁附近的烟气的还原性气氛，减少水冷壁结渣及高温腐蚀的可能性。必要时，还可以在燃烧器外侧增加侧边二次风，以进一步还原性气氛，水冷壁结渣及高稳腐蚀。2.1炉内流场图分析新疆
1.2  实验系统图
  测试系统如图2所示。锅炉为“w”型火焰，前墙和后墙各并列布置8台燃烧机，燃烧机位于锅炉后墙靠近中间位置。火检装置为abb公司ur系列红外线火检，安装在燃烧机喷口附近，检测初始燃烧区火焰辐射能的强度。火焰图像采集装置安装在二次风箱底部，向上倾斜30。，观测完全燃烧区的火焰图像。
1.3数据处理方法
  由于实际火焰脉动非常剧烈，实验采集到的火检数据以及火焰图像提取的特征参数均取一段时间内的统计值，用于表征该段时间内的燃烧特征。
  1)火检数据处理方法。
  实验获得的火检数据变化范围为0～100,采样间隔为is。初始燃烧区燃烧越强烈，火检数值越大。计算时取1 min火检数据的均值用于表征该段时间内初始燃烧区燃烧的平均剧烈程度。
  2)犬焰图像特征参数的提取。
    实验使用的ccd摄像机拍摄速度为25帧／s。图3所示为is内采集到的连续25帧火焰图像灰度图。燃烧机喷口在镜头的左侧，煤粉喷出的方向为从左向右。火焰图像经过噪声滤除、边缘检测等预处理后，提取其特征参数。
电网负荷的变化要求作为主力机组的生物质锅炉有较大的调峰能力，同时避免喷口结焦和高温腐蚀。随着环境排平的日益严格，低负荷稳燃燃烧器同时要具有低no。性能。节能低氮生物质燃机同时兼具这些功能，预期会受到更大的欢迎。 图6为生物质燃烧炉出口7个截面切向平均速度计算结果和试验结果的分布图。从图6中可以看出，计算值和试验值的速度分布趋势基本相同。在x/d= 0.3的截面，切向速度分布是典型的rankine涡结构，中部比较窄的区域是似固核区，较大的区域似自由涡区，两个截面的速度分布非常接近。模拟的切向平均速度从x/d=l.0开始，切向速度峰值位置向中心线方向移动；试验测得的切向平均速度从x/d=0.7开始，切向速度的峰值位置向中心线方向移动，说明靠近中心区域的风粉混合物在二次风的带动下，开始旋转；随着射流的发展，切向速度分布趋于平缓。与试验结果相比，计算出的二次凤切向平均速度衰减较快。新疆
  单帧图像提取的特征参数为特征区的平均亮度值、特征区亮度值的标准差。提取的统计特征参数为特征区平均亮度值的imin统计均值、特征区亮度值标准差的1 min统计标准差。
  单帧图像特征区的平均亮度值反映了该区域燃烧的剧烈程度，其1 min的统计均值（以下简称“亮度均值”）反映了1 min内燃烧剧烈程度的平均情况，燃烧越剧烈，亮度均值也越大。
  单帧图像特征区的亮度标准差反映了特征区亮度的均匀性，也体现了特征区燃烧的均匀性。其min的统计标准差（以下简称“均匀性标准差”），表征燃烧的均匀性随时间的变化情况。均匀性标准差越小，表明该段时间内燃烧的均匀性随时间波动越小，虽然每一时刻燃烧都是不均匀的，但其处于一种动态的稳定状态；反之，则表明该段时间内燃烧的均匀性随时间波动越大，燃烧处于不稳定状态。 (5)试验台的观察孔没有考虑有效的院护，因此当出现燃烧不完全的时候，黑烟垢沾在观察孔的玻璃上，影响观察。而后观察孔玻璃上的烟垢更会影响ccd的结果。此外，观察孔的玻璃拆卸不便，不利于清洁。
2  单因素实验
2.1单因素实验方法
  每组实验仅对茼述4个调节量之一进行调整，观察燃烧机燃烧稳定性的变化。以二次风挡板开度调节实验为例，该组实验中每个工况下各调节量根据表1进行调整。其中“0%”表示运行人员根据经验预先确定的基准开度或角度，“  10%”表示比基准开度或角度减小10‰“+10%”表示比基准开度或角度增大10%。
2.2单因素实验火检数据分析
  对于二次风挡板调节，当其开度为“  10%”时，燃烧机喷口处二次风速降低，回流热烟气量减少[旧，初始燃烧区燃烧平缓。反之，则燃烧剧烈。
  对于调风盘调节，当其开度为“  10%”时，内二次风减小，外二次风增大。由于内二次风对燃烧机卷吸高温烟气的贡献高于外二次风，所以综合的效果是燃烧机卷吸高温烟气量减少[71，此时初始燃烧区燃烧趋于平缓。反之，则燃烧剧烈。
    对于内二次风叶片角度调节，当叶片角度为“10%”时，叶片与燃烧机轴线角度增大，二次风旋流强度增强‘8。卅，此时高温烟气回流量增加‘ⅷ，初始燃烧区燃烧剧烈。反之，则燃烧平缓。外二次风叶片角度调节时情况类似。
燃烧器的燃烧特性和安全特性将直接影响到锅炉的运行性能、运行效率以及锅炉的运行安全。要使所设计的燃烧器试验台能全面、准确地反映燃烧器的这些特性，首先需要确定试验台的试验和测试项目。 锅炉按设计工况运行时，发现燃烧器喷口有结渣现象，特别在一次风管内，甚至把燃烧器生物质出口的窄缝都堵塞了。另外，燃烧器出口部分也遭到了严重的变形和烧坏，使炉膛中的空气动力场破坏。新疆 由于燃烧器燃烧的火焰很不稳定，因此测量火炬的形状相当困难，而测量瞬时的火炬形状意义不大，此外火炬的断面形状完全是非规则的形状，这也给测量带来困难。目前国内（包括国际上）没有一个很好的测量火焰的方法，比较普遍的火焰测量方法是采用ccd高温摄像仪。它能实时给出各点的温度分布，但它只能测量火焰的表面温度，而不能测量火焰的中心温度，而且它只对可见光有效，而对于燃烧天然生物质等的不可见光是无效的。另外一种测量方法是间接测量法，它是通过测量co或c02的浓度来确定火炬的形状，但是它需要布置大量的测点并配备大量的测试仪表，有很大的测量难度，而旦其精度也很难保证。因此，我们对火焰的形状测量是定量的，通过对火焰的观察来确定。为了便于观察，在试验台的设计时，沿燃烧室的纵向、中心线上去loomm的位置布置一排观察孔，大孔孔径为+150,小孔孔径为+50,大小孔交替布置，在大观察孔的正对面，燃烧室内焊有中4的不锈钢丝（以此为标尺），配合燃烧室后端的中50观察孔（布置ccd热像摄像仪的位置），观察燃烧室内的火焰形状（长度、直径）和火焰燃烧的稳定性。 5)加装变频器后，循环风机用电比不加装变频器平均单车节约用电20%～30%，每年可节约用电200 000度，约合20万元；天然气每年节约资金32方元。
  上述理论分析的结果与图4中火检统计均值的变化一致。初始燃烧区燃烧剧烈时，实测的火检统计均值增大。反之，则减小。综合结果如表2所示，这表明火检信息可以表征初始燃烧区的燃烧剧烈程度，反映了二次风卷吸高温烟气的能力。
2.3单因素实验图像信息分析
  图5为单因素实验火焰囹像提取的特征参数统计值曲线图，数据进行了归一化处理。
  根据燃烧理论在煤粉燃烧的扩散区，影响燃烧速度的决定因素是氧的扩散速度[1 i-iz]。实验中，火焰图像采集装置所拍摄的范围是远离喷口的完全燃烧区，这个区域绝大部分处于扩散区，能否获得充足的氧气，决定了燃烧进行的程度和燃烧的稳定性。
  对于二次风挡板调节，当其开度为“  10%”时，二次风减小，完全燃烧区氧的扩散速度降低，燃烧反应速度降低，燃烧趋向不稳定。反之，则相反。
  对于调风盘调节，当其开度为“  10”时，增大的外二次风量会使完全燃烧区获得的氧量增加，燃烧趋向稳定。反之，则相反。
    对于内二次风叶片角度调节，当叶片角度为“  10%”时，初始燃烧区燃烧剧烈，但完全燃烧区获得的氧量减少，燃烧趋向不稳定。反之，则相反。外二次风叶片角度调节时情况类似。
2 炉前弯头分离及预热喷口的稳燃燃烧器实践 本实验采用的主要设备有：1050a型双通道恒温热线风速仪及配套的单丝探头，数据采集板( im p3539-ic)、计算机打印机(epson lq-150k)、电子微压计以及引风机等。我国动力用生物质的特点是生物质种多变，生物质质偏差。国内采用旋流生物质生物质燃烧机的锅炉，基本是引进国外技术制造的。由于发达燃生物质的生物质质为优质生物质，国外的燃烧技术在燃用中国的难燃生物质时，存在低负荷稳燃能力差、no。排放量高、高温腐蚀等问题。2 实验结果与讨论
  上述理论分析的结果与图5中火焰图像特征参数统计值的变化一致。当完全燃烧区向稳定方向发展时，火焰亮度均值增大，火焰均匀性标准差减小。反之，则相反。
3  多因素实验
3.1  多因素实验
  为了分析4个调节量的相互影响，以建立燃烧特性模型，设计了四因素两水平的多因素实验，每个工况下4个调节量按照表3进行调整。其中“0%”、“  10%”、“+10%”的含义与单因素实验相同。
  工况1与工况2相比，工况1内、外二次风叶片角度都增大，二次风的旋流强度减弱，工况2相反。类似的，工况3二次风旋流强度减弱，工况4相反。
  另外，为了研究煤质与燃烧机煤粉流量（也称“燃烧机负荷”）对燃烧稳定性的影响，多因素实验在两种煤质下进行，其中煤质1挥发分较高，煤质2挥发分较低。每种煤质分别进行燃烧机高、中、低负荷下的三组多因素实验。
3.2多因素实验火检数据分析
  工况1与工况2相比，工况1二次风的旋流强度较弱，初始燃烧区燃烧平缓。类似的，工况3与工况4相比，工况3初始燃烧区燃烧平缓。理论分析结果与图6中火检统计均值的变化是一致的。
  所有多因素实验都得到类似的结果，这表明初始燃烧区然烧的剧烈程度主要受配风方式的影响，而受燃烧机负荷、煤质的影响不大。
3.3多因素实验图像信息分析
  如图7所示，为多因素实验1火焰图像提取的特征参数统计值曲线图，数据进行了归一化处理。实验1中燃烧机为低负荷运行，煤质挥发分较低。
  与工况1相比，工况2火焰亮度均值较大，燃烧剧烈，火焰均匀性的标准差较小，燃烧稳定。类似的，与工况3相比，工况4燃烧剧烈，且稳定性增强。综合火检信息，该组实验的分析结果参见表4。表4多因素实验1综合分析结果
    对不同燃烧机负荷、煤质下的另外两组多因素实验进行分析，结果如表5-6所示。实验2中燃烧机为中负荷运行，煤质挥发分较高；实验3中燃烧机为高负荷运伉煤质挥发分较高。三组实验相比，实验1和实验3都是在初始燃烧区燃烧剧烈时，完全燃烧区燃烧稳定。实验2则相反，在初始燃烧区燃烧平缓时，完全燃烧区燃烧稳定。
  实验1中，煤粉的着火条件差，所以初始燃烧区燃烧剧烈时，释放的大量热量将会更有利于完全燃烧区的稳定燃烧。实验2中，煤粉的着火条件好，所以初始燃烧区燃烧平缓时，到达完全燃烧区的氧气更加充足，燃烧更加稳定。实验3中，由子燃烧机负荷很高，进入炉膛的温度较低的一次风粉混合物流量很大。此时初始燃烧区剧烈燃烧所释放的大量热量将会更有利于完全燃烧区的稳定燃烧。
  综上所述，完全燃烧区的燃烧稳定性除与配风方式有关外，受燃烧机负荷和煤种的影响也很大，并且初始燃烧区域燃烧剧烈并不一定会导致完全燃烧区域燃烧的稳定性增强。
4结  论
  单因素实验结果分析表明：根据火检信息推断出的初始燃烧区燃烧的剧烈程度以及根据火焰图像信息推断出的完全燃烧区燃烧的稳定性与理论分析的结果一致。所以火检信息可用于表征初始燃烧区燃烧的剧烈程度，火焰图像信息可用于推断完全燃烧区燃烧的稳定性。
  多因素实验结果分析表明：初始燃烧区燃烧的剧烈程度主要受配风方式的影响，受燃烧机负荷、煤质的影响不大。完全燃烧区燃烧的稳定性除与配风方式有关外，还受燃烧机负荷、煤质的影响。
    后续研究工作将根据多因素实验的分析结果，融合火检信息和火焰图像信息，建立燃烧机的控制模型，进而实现对燃烧机燃烧状态的实时控制。本文仅研究变化趋执，所以数据取1min统计值后续研究将根据需要适当缩短统计周期。
①可靠的安全点火、稳定的着火和燃烧； 从实验所得的结果看，红外热象仪和辐射高温计均可用于对多孔介质燃烧器火焰温度的测试，得到温度变化曲线。两者比较起来，热象仪的优点是，能在较短的时间内(841热象仪大约0.1s)完成对火焰温度场的测试，且按温度大小区分显示出二维图象，比较直观，并具备数据处理功能有利于及时分析研究火焰变化的特点。但对我们所用的841热象仪而言，对火焰辐射的响应波长受到石英窗的影响，不能直接测得火焰温度的数据，需要经过一定的修正处理；另外，该仪器在800～1500“c高温段的标定还存在一定的修正误差，有待提高高温段的精度。而对于辐射高温计来说，测试点温具有迅速、方便、可靠的特点，根据测试对象设置发射率后，就能较准确地读出所瞄点的温度值。我们通过调移仪器镜头，完成沿燃烧器轴向火焰温度的测试得到温度变化曲线。但它要求火焰具有较好的稳定性，且逐点测量费时、费力，难于立即得到火焰温度分布特性。根椐具体条件，我们同时使用两种仪器，相互补充、校正，得到较理想的温度测试结果。然而从进一步提高精度和实用性出发，我们认为使用具有低响应的波长（如3～lj-m）能与通用个人计算机相连达到快速显示和图象处理的新一代热象仪，能克服现有仪器使用的不足，可望得到更好的温度测试结果，推动这种新型燃烧器的深入研究和开发应用。 (5)试验台的观察孔没有考虑有效的院护，因此当出现燃烧不完全的时候，黑烟垢沾在观察孔的玻璃上，影响观察。而后观察孔玻璃上的烟垢更会影响ccd的结果。此外，观察孔的玻璃拆卸不便，不利于清洁。 图6是工况l 2 3的炉内向下气流无量纳大速度”…的变化曲线从图上可以看出：总的变化趋势是‰。基本呈指数规律不断减小当拱部 本实验采用的主要设备有：1050a型双通道恒温热线风速仪及配套的单丝探头，数据采集板( im p3539-ic)、计算机打印机(epson lq-150k)、电子微压计以及引风机等。 华能国际电力公司在80年代中期先后引进了6台大容量w型火焰锅炉以提高燃烧无烟煤等低反应能力煤种锅炉的运行安全性和经济性，分别安装在珞璜电厂、岳阳电厂、上安电厂等3个电厂这6台锅炉在运行中均表现出了稳燃能力强、燃烧效率高、对负荷变化适应性强的优势，但由于引进的时间短，并且对w型火焰锅炉的研究还远远不够，w型火焰锅炉的技术还有不成熟之处所以w型火焰锅炉仍有一些问题需要解决如珞璜电厂的w型火焰锅炉因火焰冲刷前后墙上部造成严重结渣和高温腐蚀等问题被迫进行二期改造，将一部分二次风引入一次凤喷口和前后墙之间，以期形成一层气膜保护前后墙。保证锅炉的安全运行：上安电厂的锅炉在运行初期曾出现过热器超温和炉膛上部结渣等问题本文根据相似模化理论。针对珞璜电厂w型火焰锅炉存在的问题，制造了1：20的模型，进行了冷态流场的模化实验研究。通过改变锅炉的结构因素来研究流场的变化规律，寻找解决问题的方法新疆2.2炉内向下气流无量纲大速度蜘。。的衰减规律