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燃烧稳定性在线监测
（节能减排大赛国家二等奖）
设计者：白翔，陈伟，董雪，李捷，王能，徐伟

摘 要
在自行搭建的燃气燃烧实验台上引进三路分光光学系统，较宽范围地检测火焰辐射的红外，紫外和可见光信号，有效利用火焰辐射的亮度及火焰光谱信息，通过采用低成本的火焰检测装置并借助于先进的信号数据处理技术，对火焰闪烁幅度和频率信息进行联合分析，得到随时间和燃烧状态变化的规律，同时利用热电偶探测火焰温度描述火焰燃烧情况，实现燃烧稳定性诊断。
关键词 闪烁频率；比方差；燃烧稳定性
一、引言
目前我国火力发电的能耗水平比世界先进水平高大约50gce/kWh（单位供电煤耗率）以上，按照目前的装机容量，相当每年多消耗1.1亿吨标准煤，几乎相当国家“十一五”期间每年节能目标的总和。造成能耗偏高的重要原因之一，是由于设备问题、负荷变化、以及我国特有的燃烧煤种复杂问题等，造成锅炉在运行中燃烧频繁偏离最佳状态。因此，对于炉内火焰的在线检测，提供实时信息以促成燃烧优化和有效控制，是节能减排的重要途径。
目前，煤粉炉的监视多采用火焰检测器，这种监视手段只能对火焰的有无进行判断。虽然有的火焰检测器试图监测火焰的稳定性，但由于现有方法检测原理的限制，应用中存在很大的局限性，从而没有能力减少燃烧不稳乃至熄火所导致的额外煤耗和经济损失。
二、设计方案
燃料燃烧时，燃料颗粒形成光子流，存在光波内闪和脉动现象，火焰辐射的光谱频率与光强是不断变化的。基于火焰闪烁频率分析的燃烧诊断技术根据火焰的低频波动能量和燃烧稳定性的本质特性联系进行燃烧诊断，获取更详尽的反映燃烧工况的信息，弥补了仅根据火焰强度和频率的阈值判断有无火焰的不足。本次实验研发了一套燃烧稳定性在线检测装置，提高燃烧稳定性。装置为基于火焰光谱分析的燃烧诊断系统，包括：针对火焰信号的光学传感装置、与计算机的传输以及接口单元、信号的处理分析方法和稳定燃烧的判据，以此形成一个完整的检测系统（见图0）。

图0 燃烧监测系统
电厂在运行中需频繁调整燃烧状态，但常规燃烧状态检测方法有长达数十秒的时间延迟，而本方法检测速度快，可在数秒内检测到状态变化。以龙山电站变负荷工况（图1）为例。

图1 龙山电站变负荷曲线
在24小时之内，负荷变化多次，直接影响到火焰燃烧的稳定性，导致经济效益下降。由此可见燃烧监测系统是燃烧优化系统最重要的组成部分，目前安装的优化系统按能耗减少1﹪来估算，初步预计本监测系统占优化系统节能总额的50﹪，即能耗节省可达0.5﹪ 。
2.1 实验创新点总览
⑴ 对比已有的光谱分析方法，本次实验对火焰信号的强度和火焰闪烁频率同时分析，弥补了仅根据火焰强度和频率的阈值判断有无火焰的不足，拓展了分析方法；
⑵ 对火焰信号进行在线监测，弥补了以往通过分析燃烧产物、可视化火焰检测等对火焰燃烧稳定判断方法延迟时间大的不足；
⑶ 自主设计的电子电路应用两个三极管组成的负反馈电路防止信号电压饱和，并且运用二阶滤波将高频部分没用的部分滤掉。这两项设计使测量的光信号范围大为增加；
⑷ 同时检测火焰的红外，紫外和可见光信号，光谱范围宽，适应较大的燃料和燃烧状态范围；
⑸ 提供了燃烧优化的手段，以达到节能减排的目的。
三、数据采集及处理
3.1 光学分光系统
引进紫外、可见光、红外三路分光光学系统（见图2），能够较宽范围地检测火焰辐射的红外，紫外和可见光信号，有效利用火焰辐射的亮度及火焰光谱信息。
3.2 数据采集电路系统
本次实验的电路系统分两部分：火焰检测电路和二阶滤波电路（见图3）。其中，采用光电晶体管采集的动态火焰变化检测电路见图4。该电路为本小组与电子专业咨询人员协作设计。图中的光电信号转换部分采用了光敏晶体管，同时，在电路中通过对背景辐射信号的检测，为光敏转换元件设立了适当的工作条件，消除了背景辐射造成的直流信号部分，减缓因外来背景强光干扰而造成元件进入到饱和工作区，避免强光干扰信号淹没有用信号，从而显著扩大了辐射信号的动态检测范围，同时提高了检测信号的信噪比，使得电路检测的变化较快的有效动态火焰信号得以大大增强。同时电路设计的基准源又为前级电路提供了高稳定的+5V基准电压，这也将进一步加强对于火焰微小变化的检测效果。

图2 光学分光系统 图3 火焰信号采集电路系统
3.3 数据采集及处理软件实现
在确立了燃烧监测平台的硬件构成之后，就要考虑编写相应的软件程序，对板卡进行驱动，同时对采集到的数据进行处理。在工控领域中，能够实现这一功能的方式有很多，如VC、VB、C++等不同的编程语言。本次实验采用VC++编写提取时域信号的程序。对火焰的辐射信号进行采样，要求采样频率大于两倍火焰闪烁频率（火焰闪烁频率一般为100Hz量级），否则采样后的信号会出现混频现象。为了能够更好地复现原始信号，采样频率为2048Hz，远远大于100Hz，满足实验的要求。在采集程序中，可以自由选择所采数据的保存路径和文件名，数据存储为.dat格式方便下一步Matlab的操作。

图4 采用光电晶体管采集的动态火焰变化检测电路
四、 现场实验及数据分析
4.1 实验台
燃烧实验台全景见图5。实验台包括一个燃烧器（见附图1）、一台燃气瓶、一台压气机、三组流量计（见附图2）、一台三相直流电源机（见附图3）、PC机、光学分光系统（见图1）以及数据采集电路系统（见图2）。图6所示为系统的流程图。
4.2 实验内容
为了做出不同工况的火焰燃烧实验，本次实验改变燃气量和预混一次风量，每组工况实验三次，实时采集火焰强度信号并利用C++和matlab软件进行信号处理，同时利用热电偶探测火焰温度描述火焰燃烧情况。在信号处理过程中，定义平均火焰强度比方差，即火焰强度值的方差与火焰强度值的比值的平均值。同时定义了平均火焰脉动特征量，即采样时间内火焰脉动能力的平均值。用数学公式表示为：
（1）
代表火焰强度值的方差，代表火焰强度值；
（2）
代表火焰脉动量。
实验数据及处理结果见附表1。

图5 实验台全景 图6 实验系统流程图
实验以燃气量为标准共分三组。
第一组实验，燃气量和周界二次风分别保持在200L/h和2m3/h的水平上，通过改变预混一次风量改变火焰燃烧情况。由于燃气量较小，当预混一次风量也较小时，火焰燃烧较平缓。当预混一次风量增加时，火焰燃烧逐渐明旺。图7所示为预混一次风量为1600L/h时的实验火焰和与其对应的采集到的火焰强度图。
第二组实验，燃气量和周界二次风分别保持在400L/h和2m3/h的水平上，通过改变预混一次风量改变火焰燃烧情况。
第三组实验，燃气量和周界二次风分别保持在400L/h和2m3/h的水平上，通过改变预混一次风量改变火焰燃烧情况。此时，燃气量调到一个相对燃烧室最大的流量，通过增加预混一次风量，火焰燃烧明显减缓，燃烧显著性下降。图8所示为预混一次风量为1200L/h时的实验火焰和与其对应的采集到的火焰强度图。
4.3 数据处理及分析

图7 实验一预混一次风量为1600L/h时的实验火焰和与其对应的采集到的火焰强度图

图8 实验三预混一次风量为1200L/h时的实验火焰和与其对应的采集到的火焰强度图
表1 热电偶温度随工况变化的部分数据
燃气量
（L/h）
一次风量
（L/h）
热电偶温度（℃）
距喷口5cm处
距喷口20cm
距喷口35cm
200
200
700
387
440
200
400
720
660
460
400
200
730
650
550
400
400
740
690
570
600
200
660
650
620
600
400
600
640
650

图9 实验一的平均火焰脉动频率和平均火焰强度比方差随预混一次风量变化的趋势图

图10 实验二、三的平均火焰脉动频率和平均火焰强度比方差随预混一次风量变化的趋势图
为了描述火焰燃烧情况，引入热电偶对各个工况的火焰特征位置的温度进行监测。热电偶温度随工况变化的部分数据见表1。进一步的分析可以确定火焰温度波动的物理、化学基础。火焰温度变化动态过程是对火焰自身运动及燃烧过程中能量传递的动态表征。
图9所示为实验一的平均火焰脉动频率和平均火焰强度比方差随预混一次风量变化的趋势图。从图上可以看出，当预混一次风量处于1000L/h以下变化和600L/h以上变化时，平均火焰脉动频率的变化和平均火焰强度比方差的变化之间关系的规律明显。其中，当预混一次风量处于400L/h以下变化时，平均火焰脉动频率逐渐下降，而平均火焰强度比方差呈现上升势头。当预混一次风量处于600L/h——1600L/h变化时，平均火焰脉动频率上升，平均火焰强度比方差下降。这种变化趋势正好同时符合人们对火焰稳定性的感性认识——火焰越稳定，脉动次数越大，火焰强度的变化量越不明显。当预混一次风量达到1600L/h时，平均火焰脉动频率达到152.437，而平均火焰强度比方差为0.000196464，极其趋近于0，火焰的稳定程度为本次实验工况中最好的一组。预混一次风量处于400L/h——600L/h变化时，平均火焰脉动频率呈现略微上扬的趋势，而平均火焰强度比方差开始下降。平均火焰脉动频率和平均火焰强度比方差的变化规律不太明显，但有与前后两段变化相同的趋势。这一段变化不一是由于火焰燃烧不稳定，信号出现在允许范围内不太明显的抖动。实验一如实地反映了燃烧过程中火焰稳定性和平均火焰强度比方差之间的关系，同时，平均火焰脉动频率和平均火焰强度比方差的相互对应性也很明显。并且可以看出，预混一次风量的增加有利于火焰燃烧的稳定。
图10所示为实验二和实验三的平均火焰脉动频率和平均火焰强度比方差随预混一次风量变化的趋势图。实验二和实验三变化不明显，符合实验一的中间段，除了燃烧不稳定导致信号出现偏差这一原因之外，更重要的是由于燃气量加大，空气量的增加将导致火焰中紫外成分的增加，不利于本次试验设计的检测组件的应用，这一原因将导致出现较大幅度的偏移。
五、展望与目标
我们将在接下来的研究中通过以下途径增加实验的全面性、可靠性和可操作性。
⑴ 增加针对紫外的检测组件，将检测的光谱范围从可见光扩展到红外和紫外来检测信号的偏移；
⑵ 扩展实验范围，完善分析方法，获得燃烧状态与火焰脉动信息的具体函数关系；增
加熄火预警功能；
⑶ 在实验台运用成熟之后，将这项技术应用到煤粉炉中，实现对煤粉火焰燃烧情况的在线监测。
六、效益与应用前景
⑴ 避免锅炉熄火重启的巨大能源和资金消耗，减少电厂燃烧系统失稳时的燃烧不完全现象。通过对煤粉量的控制使燃烧平衡，提高安全系数，降低污染；
⑵ 除可应用于煤粉燃烧外，还可应用于生物质、煤粉与生物质混燃、燃油及燃气等方面；
⑶ 除可应用于电厂燃烧系统中的节能、安全运行、降低污染等外，还可以应用于新型燃烧设备的开发，垃圾焚烧炉及工业窑炉等领域。
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附图1：实验燃烧器

（上）实验燃烧器斜视图 （下）实验燃烧器俯视图
附图2：三组流量计

附图3：三相直流电源机

附表1：实验数据及处理结果
组次
燃气量
一次风
闪烁频率1
闪烁频率2
闪烁频率3
平均值
强度1
1
200
0
34.6875
36.3125
42.875
37.9583
2.4078
2
200
200
34.6875
31.125
28.5625
31.4583
2.7506
3
200
400
30.125
27.875
29.1875
29.0625
1.5264
4
200
600
32.125
36
35.625
34.5833
0.7137
5
200
800
32.0625
29.4375
30.5625
30.6875
0.4062
6
200
1000
46
39.5
40.5
42
0.1798
7
200
1200
68.0625
61.6875
59.375
63.0416
1.5833
8
200
1600
153.125
151.75

152.437
0.1263
9
400
200
61.375
52.8125
54.5625
56.25
2.3272
10
400
400
56.8125
58
59.0625
57.9583
2.2957
11
400
600
51.5
53.375
58
54.2916
1.4568
12
400
800
55.125
60.0625
56.4375
57.2083
1.7723
13
400
1000
67.1875
50.6875
45.4375
54.4375
1.7577
14
400
1200
45
57.125
48.875
50.3333
1.0423
15
400
1600
41
40.1875
41.375
40.8541
0.5782
16
480
0
77.75
73.5625
77.625
76.3125
4.8986
17
480
400
64
60.75
61.25
62
4.7331
18
480
800
55.875
54.375
58.375
56.2083
3.7112
19
480
1200
45
51.4375
51.6875
49.375
2.2092
20
480
1600
43.6875
46.5
45.0625
45.0833
1.4617
组次
方差1
强度2
方差2
强度3
方差3
方差/强度的平均值
1
0.1817
2.0599
0.1364
2.0949
0.1387
0.0692
2
0.2477
2.2941
0.2706
2.5153
0.2544
0.1030
3
0.1468
1.4877
0.1951
1.6855
0.2374
0.1227
4
0.0508
0.9844
0.0492
0.614
0.0485
0.0667
5
0.0193
0.4734
0.0208
0.7305
0.0286
0.0435
6
0.0022
0.2102
0.0034
0.219
0.0039
0.0154
7
5.54E-04
0.1239
3.57E-04
0.1091
6.02E-04
0.0029
8
3.85E-05
0.1311
1.15E-05

0.0001
9
0.209
2.6777
0.2842
4.012
0.3155
0.0915
10
0.2137
2.075
0.1954
4.0306
0.4073
0.0961
11
0.131
2.0897
0.2003
1.3755
0.13
0.0934
12
0.1113
1.2844
0.0809
1.9329
0.0985
0.0589
13
0.9305
0.9305
0.0576
1.0441
0.0665
0.2183
14
0.0571
1.3099
0.05
1.2937
0.0554
0.0452
15
0.021
0.8182
0.0227
0.579
0.0232
0.0347
16
1.0261
4.9014
0.7553
4.8478
0.8913
0.1824
17
1.3477
4.6205
0.6519
4.2834
0.547
0.1845
18
0.2978
2.9689
0.3224
3.8341
0.3108
0.0899
19
0.2129
2.7999
0.2776
2.0633
0.2227
0.1011
20
0.0797
1.3355
0.0844
1.5832
0.0892
0.0580