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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。
为了确保在生产上获得一次投产成功，在试验室做了许多工作。这些工作有：进行了双挡块分离元件分离能力的研究，证明在布置合理时，双挡块具有很好的浓淡分离能力，并且阻力也不大，< 400pa,根据锯齿形稳燃器的流场研究，确定佳结构尺寸及引入角度等。3.3 颗粒运动轨迹特性内蒙古
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。
热态试验台可对新设计的燃烧器或燃烧器成品进行燃烧性能的试验和测试，以考核燃烧器的燃烧性能和阻力特性。为了达到试验条件的要求和状态的准确性，燃烧性能的试验可在试验台或实物模型上进行，对于阻力特性的试验可通过模拟的方法来解决。由于燃烧器的阻力是从零开始的一个较大的范围，给出了试验台的结构型式和试验台阻力特性的模拟方法；对于热功率较大的燃烧器，试验台也可以用实物模型和引风系统组成。根据我们现有的条件和选定的试验台的功率，我们设计的试验台的型式是由实物模型和引风机系统组成。阶段(tl-￡2)时间较长，约为40 min（具体根据车型而定）。若在此阶段让电动机处于低速运转，那么将会节省一部分电量。，另外，由于风量减小，烘房内的热风散失也将小，保温持续时间将增加，燃料消耗量随之减少。此改造节能的特点是利用生物质燃烧机一段火（小火）工作阶段（￡，一￡2），由生物质燃烧机输出的控制信号，控制变频器输出低于50 hz频率，驱动电动机运行h。5]。变频改造后30 hz运行曲线图如图2所示；电动机变频改造图如图3所示。内蒙古
  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。 我国燃生物质锅炉燃烧室的设计一般考虑所用燃烧器的火炬的直径和长度，而对燃烧室的热强度没有明确的规范和限制。而在欧洲，以前的要求是2m w] ffl3，新的欧洲en标准对于燃烧室的要求为1. smwlit13，对于低氮燃烧器其燃烧室的容积热强度甚至取更低的数值。考虑到我们所设计的燃烧器试验台应能满足新燃烧器设计的试验和燃烧器成品的，因此在燃烧器试验台的设计中燃烧室除了考虑欧盟en标准外还考虑到各种燃烧器的燃烧特性。这次试验台燃烧室设计成：2t/h试验台为+700x3220; 6t/h试验台为+1000x 4250,分别按2 t/h和6t／h的锅炉容量，其容积热强度分别为1. 33m w/m3和1. 48mw/m3，参考en 267和en 676标准，试验台的测试功率范围：2t/h为1.12～2 05mw; 6t/h为3.04～5.51m w。
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。
综上所述，合理的低负荷稳燃燃烧器应诙是：组织好生物质气流的浓淡分离，组织好浓股煤粉气流的急拐弯，并卷吸热烟气预热浓股气流，让急拐弯后的浓股气流的生物质滞止增浓，升温着火，形成小火焰，并让此小火稳定在紧靠燃烧器喷口外，以保证燃烧器既有很好的稳燃性能，又不会结渣影响安全运行。 采用热电偶监视内蒙古5 节能低氮生物质燃烧机的开发 3)采用一拖一方式即一台变频器驱动一台风机，每台烤漆室需要配备4台7.5 kw电机用变频器，优点在于电机运行状态平稳性良好，电机启动时对变频器电源控制模块冲击小，可有效降低变频器昀故障率；缺点在于投资较高。变频器控制柜与烘房控制柜并列安装，做较小改动便可以实现工频、变频的随意转换。当变频器出故障时，可切换到工频状态进行工作，以保证生产的顺利进行。
  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。
实践中，由炉前原有生物质弯头中加装分离隔板做成的浓淡分离器，见图4。在如图5所示的预热喷口内以浓股生物质卷吸热烟气使生物质预热，在喷口出口增浓、着火。 1)当燃烧器由大火变成小火燃烧时，风机仍是工频工作，风量浪费一部分，炉内温度也受到一定的影响，所以生物质燃烧机在小火燃烧的过程中有节能的空间，故可用变频器进行控制。每台烤漆室配备2台_三元体，每台三元体安装有2台风机，风机电机功率为7.5 kwc6-7]。 哈尔滨工业大学提出了中心给粉旋流燃烧器[10-14]，在燃用贫生物质、烟生物质、劣质生物质的大容量锅炉上先后应用，实现了高效、稳燃、低污染、防结渣及防高温腐蚀[10-11]。旋流生物质燃烧生物质燃烧机喷口结构比较复杂，都是由多重直流、旋流同心射流形成的独特两相流动来保证生物质燃烧机的性能。本文对中心给粉生物质燃烧机的气固两相流动特性进行了数值模拟，分析了气固两相流动特性对生物质燃烧机性能的影响，并与pda试验结果进行了对比，对计算模型进行了验证。生物质燃烧机及节能低氮生物质燃烧机研究
  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。
(2)在试验台设计时，将燃烧器试验台设计成常压蒸汽排放型式。试验台的进水通过对流受热面的进口集箱、蛇形管组、出口集箱进入锅筒，而试验台在运行时是通过保持相应负荷下的稳定给水来达到排放的平衡。然而，在实际的调试和测试过程中，由于锅筒的排汽不畅以及对流受热面管内的流速过低，引起水位波动很大和水击现象，给试验台的运行带来不安全的因素，而且与欧盟en标准中对于试验台的测试介质的温度要求也有一定的差距。3结论 在安徽田家庵发电厂400t/h燃烧烟煤乏气送粉的锅炉上应用表明，节能低氮生物质燃烧机具有很好的稳燃性能，它的低负荷稳燃能力可达40%mcr。3.2流场计算结果与试验的对比从图5(a)中可以看出在拱的安全控制区域有超过4m／s的冲拱气流。存在冲刷拱部的现象，虽然作用区域较小，速度幅度也小，但还是有引起喉口部位结渣的危险而生物质燃烧机角度的减小，气流的行程增加。再加上拱延长后。拱的导流作用得到加强，使大量气流回流并下压，前后拱下回流区的范围加大。拱部附近的气流速度相对减小，因而气流对拱部的冲刷强度大大减轻。基本上已不存在气流冲刷拱的问题，如图5(b)、图5(c)ffr示（在坐标系中，冲刷拱部的气流方向应为v的负方向、生物质燃烧机结构对流动和排放物浓度的影响内蒙古 (1)计算和试验结果表明，在轴向方向产生了中心回流区，切向速度分布出现典型的rankine涡结构。由于可实现k-a模型在模拟强旋流动中具有机理上的不足，导致计算值和试验值存在一定的误差。