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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。
生物质气流急拐弯时，惯性大的生物质会与气流分离，并射入其后的回流区。如果这个回流区是高温的，生物质在这里滞止增浓、升温、并释放挥发物和着火。大量的实践已经证明，着火需要一定的空间生物质浓度，而不是一次风气流中生物质的携带浓度。这一浓度既不能太低，亦不宜太高。挥发物及生物质燃烧所释放的热量用以维持回流区的高温及提供整个生物质气流着火所需的热量。计算表明，只要有7%～10%生物质燃烧，其生成的热量就可以将整个一次风生物质气流点燃。不断地组织起生物质气流的急拐弯，生物质就不断地滞止增浓，升温和着火。如果这股生物质气流的燃烧份第3期张海，等：生物质燃烧机及节能低氮生物质燃烧机研究额超过7%～10%，就可以将整个一次风生物质气流点燃起来，也就是用小火来点燃大火。这就是所有稳燃好的燃烧器的着火稳燃机理j。大速差燃烧器着火稳燃性能特好的原因是，它利用高速气流卷吸生物质气流，使其发生大偏转，因而具有更好的着火稳燃条件。偏置射流燃烧器及风铲式燃烧器的稳燃性能较好的原因是将一次风偏置，使一次风受到边壁效应的吸附而发生偏转，达到生物质分离、滞止增浓、升温着火的目的。然而，这些燃烧器都把生物质气流升温着火组织在一个狭窄空间（预燃室）内，因而很难控制它的温度而容易引起结渣，影响锅炉的安全运行，这就限止了它们的应用前景。反观船形燃烧器及钝体燃烧器，它们的生物质气流在船体及钝体后组织有一个束腰区，形成平缓的拐弯和在其后较弱的着火稳燃区，因而其稳燃能力较低。钝体燃烧器后的气流还受到卡门涡流的影响而不稳定，因而它的稳燃能力更低。然而，它们与大速差燃烧器等燃烧器不同，它们的着火稳燃区组织在燃烧器喷口外，因而燃烧器不会被烧坏。在一段时间内它们得到推广应用，应在情理之中。只是由于稳燃能力不能满足生产要求而被逐渐淘汰。 2)方案1较好地改善了流动和燃烧。使得在相同的空气进口压力条件下。进入燃烧室空气流速加快，燃烧室内流动更合理，火焰面被推离喷口，有利于喷嘴组件的安全。但仍存在高温区域过大的缺陷。有害物nq的浓度略有降低天津
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。
冷态试验台（如图3）用于对燃烧器的雾化角和雾化颗粒度的分布等雾化特性以及生物质炬断面流量的分布进行测试。冷态试验台是由上海理工大学和我所负责设计的。冷态试验台由试验台和循环系统组成。 原生物质燃烧机实际运行中检测到的排放物nq的浓度过高，即s02的生成浓度不理想图6a为原燃烧室内s02的质量分数，显示火焰中部及尾端处s02的生成浓度低，模拟结果与实际运行情况符厶o天津
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。0 前言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。
(4)在调试的时候发现由于我们所布置的压力测点上，受到燃烧室内火焰脉动的影响，压力波动很大，影响测试结果。我们发现这是由于静压测点测压管的孔径太大，直接受到了燃烧室内生物质流的影响。后来，我们参考了欧洲标准en 267和en 67压力测点的布置要求和威索燃烧器公司的压力测点的布置方法，改在大观察孔接管的顶端（图2pf位置），测量孔的直径取为中1，取得了很好的效果。 3)单车用电平均节约49.99度。2005年（风机使用工频运行）涂装车间烘干房全年用电量为459 580度。2006年（风机使用变频运行）截至11月30日，涂装车间烘干房全年用电量为262 306度，比2005年节约了197274度，节能42%。天津 (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。 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高的燃烧效率； 当生物质——空气流发生波动时，麻烦就产生了，因为这样会使火焰接近喷口，以至喷口开始结焦，并且很快阻止流动。生物质——空气流越少，冷却越少，后，致使燃烧器其余的喷口也结焦，燃烧器内就会着火。8只燃烧器减少，仅仅经济上的损失至少相当于10%的蒸汽出力。一、二次风由生物质燃烧机进入燃烧室时，4燃生物质燃烧器冷态试验台的设计
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； ③燃烧器与锅炉的匹配性； 在点火成功后，必须确保燃烧器的主火炬在一定的时间内着火并稳定燃烧。否则，时间过长，同样会由于炉膛内可燃生物质体的积聚而导致。 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。3.1生物质燃烧炉出口流场 1)生物质燃烧机内部几何结构的合理改进，使燃烧室内流动、燃烧以及化学反应均有明显改善天津 由以上分析可以看出。改变结构后，炉内流场的变化十分明显，流场分布趋于合理。前后墙结渣、喉口结渣，烟气短路的问题均己得到较好的解决，所以改变结构成功的解决了原型中存在的问题，综合来看，工况2是一个相对更好、更理想的工况