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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。
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。 图7为颗粒运动轨迹图，图8为计算得出的中心回流区，这里只考虑气相对颗粒相的作用，不考虑颗粒对连续相的影响，认为是一个单向耦合的过程。本文跟踪了粒径为42 um的颗粒随机运动轨迹。从图7可以看到，大部分颗粒集中在中心线区域，跟随一次风进入测量体。当颗粒的轴向速度衰减为2009年12月陈智超等：中心给粉旋流生物质颗粒燃烧机气固两相流动的数值模拟0之后，颗粒的运动方向发生偏转，开始向后上方运动，进入中心回流区中，并逐渐与二次风混合。颗粒迂回型的运动轨迹，在一定程度上延长了颗粒的停留时间。江苏
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。
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。 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。江苏
  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。 在设计时，我们在观察孔的下面相应布置了几组温度和压力的测点(2t/h为3组，6t/h为4组)，压力测点包括u型管显示和压力变送器输出，以测定沿燃烧室长度方向的温度和压力分布。
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。
2.2.1.2点火时间控制 图7为颗粒运动轨迹图，图8为计算得出的中心回流区，这里只考虑气相对颗粒相的作用，不考虑颗粒对连续相的影响，认为是一个单向耦合的过程。本文跟踪了粒径为42 um的颗粒随机运动轨迹。从图7可以看到，大部分颗粒集中在中心线区域，跟随一次风进入测量体。当颗粒的轴向速度衰减为2009年12月陈智超等：中心给粉旋流生物质颗粒燃烧机气固两相流动的数值模拟0之后，颗粒的运动方向发生偏转，开始向后上方运动，进入中心回流区中，并逐渐与二次风混合。颗粒迂回型的运动轨迹，在一定程度上延长了颗粒的停留时间。江苏5 节能低氮生物质燃烧机的开发 改进后的燃烧器经试验和运行证实，改进是有效的。除燃烧器喷口上面还形成一个帽檐外，其他金属面上实际已没有结渣。根本地改善了燃烧器的烧坏或变形，甚至在燃烧器停用的情况下，一次风管仍会获得冷却。在改进后的燃烧器上，没有发现喷粉窄缝被堵塞过。燃烧器的阻力以一次风而言，当含粉气流计算速度为26.7米／秒时，阻力可降低到30公斤／米2。把改进后的炉膛火焰中心温度与改进前的温度比较，在数值上实际役有什么变化，并且也具有同样的分布特性。
  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。
燃烧器的安全特性要求有： 实验模型所采用的原型为珞璜电厂的w型火焰锅炉，将原型的结构尺寸按1：20的比例缩小得到模型各部分的几何尺寸：生物质燃烧机原型是直流缝隙式生物质燃烧机f一二次风沿炉宽方向相间布置）。模型喷口的尺寸均按几何相似1：20的比例严格缩小得到。 图3a为数值计算所得原燃烧室压力分布，可看出：空气流经两层稳压室，再经过导流片又经90转角后抵达喷口，过于复杂的通道结构造成流阻过大。使生物质燃烧机内空气流量不足该现象与原产品实际运行时的情况一致，证实这一部位流阻过大 从测试的结果看，所得多孔介质中预混火焰沿气流方向的温度分布，初步证实了燃烧器的基本特性，与理论预示的结果基本一致。同时发现了真实燃烧器与理论计算的差异，这将有利于理论研究的进一步深入，也为多孔介质燃烧器的实际开发提供实验依据。
  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。
通过近一年时间的制造、安装和调试，燃烧器试验台的建设工作已经顺利完成，并己进行了一些燃烧器项目的质量性能和安全性能的检测，基本达到试验台的设计要求，并协助中国电器工业协会工业锅炉分会完成了工业锅炉用燃烧器性能评比的测试工作，取得了好评， 燃烧器的安全特性要求有：2.1.4为了满足用户在使用燃烧器时对负荷变化的要求，要求燃烧器具有一定的负荷调节能力，旦在允许的负荷调节范围内同样具有良好的燃烧特性。 炉膛在进行空气动力场模化研究时。由于自身结构的复杂性。完全满足模型实验所应遵守的条件是无法实现的，并且由于对w型火焰锅炉的模化还缺乏经验。一般对炉内流场只能作相对可靠的等温模化，并且根据相似原理遵守以下3个原则：①模型与原型保持几何相似：②保持气流流动状态进入第二自模化区；③生物质燃烧机各喷口的气流动量流率比相等即边界条件相似 旱期建造的或近期建造的燃油、生物质燃烧机烤漆室，由于循环风机采用的是继电器控制，电动机始终处于工频50 hz运行状态。而燃烧机采用的是双段火控制，当按下生物质燃烧机启动按钮后，生物质燃烧机内送风小风机开始运转，吹走上次或前次启动失败留下的残留燃油形成的气雾或天然气；然后风门打开燃气或燃油一级火电磁阀，向燃烧桶（三元体）内喷射燃料，同时点火线圈工作，将燃料点燃。当系统检测到烤漆室内温度低于工艺温度下限时，生物质燃烧机打开二级火电磁阀，此时处于大火燃烧；当烤漆室内温度达到工艺温度下限以上和上限以下时，生物质燃烧机变为小火燃烧，也就是保温阶段，此阶段时间一般为烘干过程的2/3；烤漆室内温度达到工艺温度上限以上时，生物质燃烧机断电停火。无论生物质燃烧机处于哪个阶段，从开机到关机，电动机带动循环风机始络处于工频运行，生物质燃烧机在小火和停火状态风机始终处于额定负荷状态，存在电机能耗很大浪费。如果在保温状态下，让风机输出功率减小，达到满足工艺要求即可，这样会节约一部分电能及燃料。 为了提高燃烧器工作的可靠性，停炉时对燃烧器进行了改进i图1 6）。燃烧器的改进主要是一二次风管间的故障部分。因而，预混段的长度也由500毫米增加到1855毫米。 -江苏 图3a为数值计算所得原燃烧室压力分布，可看出：空气流经两层稳压室，再经过导流片又经90转角后抵达喷口，过于复杂的通道结构造成流阻过大。使生物质燃烧机内空气流量不足该现象与原产品实际运行时的情况一致，证实这一部位流阻过大