【文章內(nèi)容簡介】 ..................................................................................55參考文獻 ..............................................................................................................56攻讀學(xué)位期間取得學(xué)術(shù)成果 ..............................................................................59第 1 章 引 言1第 1 章 引言 課題研究的背景及意義隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國工礦企業(yè)等國民經(jīng)濟生產(chǎn)單位對電能和熱能的需求量正在迅猛地增長。這促使大型火力發(fā)電站、石油化工型動力站、城市集中式供熱站和廠礦廢料燃燒站等重要國民經(jīng)濟生產(chǎn)單位使用的大型鍋爐日益增多。在電力生產(chǎn)行業(yè)，使用大型電站鍋爐的數(shù)量迅猛增長，已形成以600MW 和 1000MW 型式占主體地位的局面。2022 年底我國火電廠的裝機容量已達到火電裝機累計達 7 億千瓦,占裝機總?cè)萘康?%，到 2022 年我國火電裝機容量將達 億千瓦，新增裝機的需求約 340 億元 [1]。大型鍋爐爐膛內(nèi)燃燒情況復(fù)雜且燃料供給量大，監(jiān)控鍋爐的整體燃燒情況顯得尤為重要。在某些異常工況下會出現(xiàn)多個燃燒器因故障熄火，如未能及時察覺并采取必要的防護措施則會有大量未點燃的燃料噴射進爐膛中。未燃燒的燃料積聚到一定數(shù)量后，極易引發(fā)爆燃而釀成嚴重的安全事故，會帶來巨大的社會經(jīng)濟損失 [2]。因此，國家明確了對大型鍋爐裝備“鍋爐爐膛監(jiān)控系統(tǒng)”是解決鍋爐爆裂問題的最有效的自動保護和控制的方式。多個相關(guān)部門也明文規(guī)定“今后凡新裝投產(chǎn)機組必須安裝火焰檢測和安全防爆裝置，現(xiàn)有機組在條件許可的情況下必須設(shè)法加裝” 。原國家電力電力部規(guī)劃設(shè)計院也頒布了《鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DLGJ11693） ，其中對火焰檢測裝置做了明確的規(guī)定?；鹧鏅z測裝置的性能直接影響到在役電站鍋爐的安全性和經(jīng)濟性。在電廠的鍋爐爐膛保護系統(tǒng)中，火焰檢測裝置的判定結(jié)果為強制的非可屏蔽信號，能直接作用于整個發(fā)電機組系統(tǒng)的跳閘。如果火焰檢測裝置未能及時覺察燃燒器因故障熄火而同時供料機構(gòu)仍繼續(xù)按正常給料量往爐膛中噴射燃料，極易發(fā)生災(zāi)難性后果的爆燃或爆炸事故。如火焰檢測裝置將正常燃燒情況誤判為燃燒器故障熄火而作用于整個系統(tǒng)的跳閘，整個電廠將被迫進入事故停產(chǎn)狀態(tài)并在耗時幾十小時以上完成事故定位和分析后才能重新啟動機組，并且電網(wǎng)系統(tǒng)需要在發(fā)電機組事故跳閘后進行緊急調(diào)度，這將會造成巨大的經(jīng)濟損失和造成嚴重的社會影響。因此各大型鍋爐用戶對大火焰檢測裝置的靠性提出了極高的要求，并在設(shè)備采購資金預(yù)算中予以優(yōu)先考慮?；谏鐣б婧徒?jīng)濟效益的考慮，國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)和設(shè)備制造廠商投入了大量的人力物力來研發(fā)高性能的火焰檢測裝置。成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2我們可以由此看出，研發(fā)出高性能的火焰檢測裝置將具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。特別是將基于特定對象的高效可靠算法與特定的硬件平臺相結(jié)合起來后，將為整個產(chǎn)品帶來巨大的經(jīng)濟效益和客戶忠誠度。 光能式火焰檢測裝置的發(fā)展簡史傳統(tǒng)的火焰檢測裝置通常使用模擬電路的方式檢測燃燒器內(nèi)可見光強度以進行火焰是否存在的判斷。這類火焰檢測裝置在保障舊式小型鍋爐的安全運行中發(fā)揮過巨大作用，但在使用中暴露出很多問題，如：模擬電路的調(diào)試整定過程過于復(fù)雜，需要熟練的工程技術(shù)人員進行調(diào)試；模擬電路的溫度特性對設(shè)備安裝位置提出了較高要求；在事后故障分析中無法提供關(guān)鍵時刻點的觀測參數(shù)等。隨著鍋爐制造技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了內(nèi)置多組燃燒器的大型鍋爐，內(nèi)部的多組燃燒器之間可并行調(diào)度投切。這時只要有一組燃燒器處于工作狀態(tài)，整個爐膛內(nèi)的可見光強度會達到較高水平。傳統(tǒng)的可見光型火焰檢測裝置在此工況下已無法準確識別燃燒器的工作狀況 [3]。這促使火焰檢測裝置的光敏檢測對象區(qū)間從可見光區(qū)間轉(zhuǎn)向紅外線或者紫外線區(qū)間，同時隨著數(shù)字信號分析處理技術(shù)和電子元器件的發(fā)展和進步，數(shù)字型火焰檢測裝置逐步在該領(lǐng)域中獲占據(jù)了主導(dǎo)地位。 紅外型火焰檢測裝置的檢測方法 紅外型火焰檢測裝置的常規(guī)檢測方法火焰檢測裝置的光敏檢測模塊負責(zé)將光信號的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，然后再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字處理單元可以識別的數(shù)字量。大部分火力發(fā)電廠的燃料是煤粉，通過分析煤粉燃燒時候的輻射特性 [4]，一般會選用檢測紅外光的強度和頻率的方式來判定燃燒器的運行情況。獲取相關(guān)的電學(xué)信號后，需要對其進行有效的分析處理以提取出關(guān)鍵信息。目前國內(nèi)外尚未制定出分析此類信號的規(guī)范或者標準，因此如何有效地提取和解讀信號中的信息成為研發(fā)火焰檢測裝置的核心難點。目前絕大多數(shù)火焰檢測裝置是對主燃料進行火焰檢測，通常利用不同形式的輻射能量或者頻譜分析技術(shù)來檢測火焰。主要是利用快速傅立葉變換將時域信號轉(zhuǎn)為頻域信號進行信號第 1 章 引 言3分析和提取，獲取火焰信號的相應(yīng)特征參數(shù)。 對紅外型火焰檢測裝置的改進根據(jù)煤粉燃燒論的觀點，其燃燒的脈動頻率一般不超過 200Hz[5]。通過對多個在役電廠的燃燒器進行現(xiàn)場跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)某些型號的燃燒器工況良好時也會因管道配風(fēng)發(fā)生暫態(tài)波動等因素在某些時刻出現(xiàn)短暫的亮度突然增大的現(xiàn)象。這種類型的亮度突然陡增容易導(dǎo)致傳統(tǒng)的線性信號放大器出現(xiàn)飽和失真，使輸出信號中產(chǎn)生新的諧波成分，改變了原信號頻譜特性。通過對火焰信號特性的分析，在光敏檢測模塊中引入了對數(shù)放大器。通過合理設(shè)定對數(shù)放大器的參數(shù)，既能以非常低的非線性失真度放大使得 200Hz 以下的信號，又避免出現(xiàn)飽和失真現(xiàn)象。這克服了線性放大器固有的缺點，為后繼的信號的分析打下良好的基礎(chǔ)。由于大型鍋爐運行情況復(fù)雜，運行人員在做控制決策時往往希望能夠掌握盡可能多的工況參數(shù)。同時大型鍋爐用戶更希望關(guān)鍵性設(shè)備能在故障發(fā)生之前的合理時間范圍內(nèi)給出告警信息以便有針對性地安排設(shè)備檢修，避免非計劃性停產(chǎn)造成經(jīng)濟損失?？蛻粢哑惹幸蠡鹧鏅z測裝置不僅能可靠地判定出火焰是否存在，而且能提供火焰燃燒穩(wěn)定度的定量分析結(jié)果。本文的后續(xù)部分將對對火焰特性進行了進一步的分析，并使用傅里葉變換、短時傅里葉變換和小波變換等多種分析方法對采樣的火焰數(shù)據(jù)進行分析和對比，并結(jié)合具體的硬件處理平臺分析這幾種分析方法在判定火焰存在以及判定火焰燃燒穩(wěn)定度方面的優(yōu)缺點，以確定最優(yōu)效能的信息提取方法，這是研發(fā)工作的核心組成部分，它會直接影響到火焰檢測裝置的最終效能和市場擁有率。 本文主要內(nèi)容及成果本文對爐膛煤粉火焰的特性進行分析，特別涉及到對煤粉火焰的紅外輻射特性的分析，以及紅外信號在爐膛空間內(nèi)的分布情況。確定紅外型火焰檢測裝置的檢測視場的選取原則。對火焰的紅外信號進行傅里葉變換、短時傅里葉變換和小波變換等多種分析方法的分析和對比，分析它們在確定火焰是否存在和判斷火焰燃燒穩(wěn)定度方面的優(yōu)缺點及最佳應(yīng)用場合。對紅外型火焰檢測裝置的硬件電路進行了詳細介紹。分析了在光敏檢測模塊中引入了對數(shù)放大器的作用及效果。研究了 AT91SAM9G45 型 ARM9 處理成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4器系統(tǒng)的主要特性及功能。對該型號火焰檢測裝置的電廠現(xiàn)場應(yīng)用情況進行了分析，實際應(yīng)用表明該型號火焰檢測裝置具有良好的效能和可靠性。第 2 章 爐膛煤粉火焰的物理特征5第 2 章 爐膛煤粉火焰的物理特征 爐膛煤粉火焰物理特征對爐膛煤粉火焰的特征進行深入研究，會有助于火焰檢測裝置的系統(tǒng)級綜合研發(fā)，有助于火焰檢測裝置中光電轉(zhuǎn)換器件和有關(guān)線性放大電路的設(shè)計和選型，有助于微處理器系統(tǒng)電路設(shè)計和軟件功能的研究開發(fā)。 煤粉火焰的物理特征物體的溫度高于絕對溫度時，會因為其內(nèi)部帶電粒子的熱運動而面向外界發(fā)射不同波長的電磁波，這成為物體的熱輻射 [6]。在物體溫度未超過特定的數(shù)值時，物體熱輻射能量的分布是波長的函數(shù)：當物體溫度升高時，輻射能量的分布曲線將向波長變短的方向移動，且輻射的總量能量會增大；當溫度降低時，輻射能量的分布曲線將向波長變長的方向移動，而且輻射總能量會減少。在已知煤粉火焰的主火焰區(qū)溫度范圍值（約在 1200 攝氏度）時，根據(jù)維恩位移定理[7]（絕對黑體的與輻射本領(lǐng)最大值相對應(yīng)的波長 λ 和絕對溫度 T 的乘積為一常數(shù)）推算出煤粉火焰的峰值輻射波長位于紅外光譜范圍（波長在 8001200nm）內(nèi)?，F(xiàn)代燃燒論的觀點認為：煤粉火焰的燃燒過程實際上是由數(shù)量龐大的小型受限空間內(nèi)的爆燃所組合而成；大量同時發(fā)生的微觀小型受限空間內(nèi)的爆燃在宏觀上表現(xiàn)為火焰具有脈動特征，稱為火焰閃爍 [8]。煤粉通過不同結(jié)構(gòu)的燃燒器進行燃燒時，都會有特定的火焰閃爍的頻率帶寬。煤粉的燃燒的過程中會釋放出大量紅外線能量，這些具有特定頻率特征的紅外線能量形式可以作為檢測煤粉火焰是否存在的物理基礎(chǔ) [9]，也對光敏器件的選型提出了參數(shù)約束。 鍋爐燃燒器處主火焰特征和背景特性煤粉主火焰在鍋爐燃燒器中的燃燒過程在時間和空間上主要分為“預(yù)熱著火燃燒 燃盡 ”四個典型階段，在每一個典型階段中，煤粉火焰的光譜頻率分布和火焰強度都會有明顯的差異,主要的階段如下 [10]：第一個階段為預(yù)熱階段，煤粉和一次熱風(fēng)相混合，燃料粒子大量吸收爐膛煙氣中的熱量，其本身輻射出的能量非常低，形成了黑龍區(qū)。此階段發(fā)射的紅成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文6外光線很弱，頻率與光強的變化比較復(fù)雜。該區(qū)域通常不應(yīng)落入火焰檢測裝置的檢測視場區(qū)域內(nèi)。第二個階段為著火階段，部分煤粉燃料顆粒開始燃燒，它們?yōu)榇罅款w粒燃燒提供溫度條件，隨著燃料顆粒表面溫度的快速升高，燃料粒子將發(fā)生爆裂，形成著火區(qū)。在著火階段，光輻射能量不是最強，亮度不是最大，但是亮度的變化頻率卻是最高的。第三個階段為燃燒階段，大量煤粉燃料顆粒開始爆裂并燃燒，釋放出大量熱能，溫度急劇上升，產(chǎn)生明亮的火焰，形成完全燃燒區(qū)。此階段光的輻射最強，亮度達到最大，但是亮度變化的頻率卻是最低的。在完全燃燒區(qū)，紅外輻射的強度約占煤粉火焰總體強度的 30%左右，使用紅外類型的檢測器能達到最好的測量效果。第四個階段為燃盡階段，煤粉燃料顆粒絕大部分已燃燒完畢并形成飛灰，只有極少量較大顆粒繼續(xù)進行燃燒，最后形成高溫氣流，形成燃盡區(qū)。此階段亮度變化頻率較低。火焰檢測裝置的視場區(qū)中不僅存在燃燒器噴出煤粉火焰，而且會存在鍋爐爐膛的背景輻射光，并且有可能會存在鄰近燃燒器的火焰。在分析目標主火焰的時候需要對這兩個因素加以考慮，特別需要對它們的頻率和強度是如何分布的做較為深入的分析。高溫的鍋爐爐壁本身也是強度極強的紅外輻射源，然而它的光譜頻率變化范圍是比較窄的，其頻率也很低。鍋爐爐壁會對煤粉火焰的紅外光線起吸收和反射的作用，反射紅外光線所產(chǎn)生的閃爍頻率也是非常低的且其強度遠低于爐壁的紅外輻射強度。可知爐膛內(nèi)的背景紅外輻射具有低頻窄帶寬的特性。火焰檢測裝置的主要功能是對鍋爐中的單個燃燒器的燃燒狀況進行觀測和分析。對于四角切圓燃燒方式的鍋爐，火焰檢測裝置的主視線可能會穿過目標火焰的高頻區(qū)射向相鄰燃燒器火焰的低頻區(qū)。對于對沖燃燒方式的鍋爐，火焰檢測裝置的主視線可能會出現(xiàn)既穿過目標火焰的高頻區(qū)又穿過對沖火焰的高頻區(qū)的情況，但在該情況下兩個火焰高頻區(qū)之間的距離較遠，對沖火焰的強度會顯得較弱。此時，雖然主火焰和對沖火焰的高頻區(qū)是重疊的，但它們的強度差異大，通過合理的技術(shù)手段是可以使得火焰檢測裝置“無視”對沖火焰的存在 [11]。如果將鍋爐背景輻射的信號和鄰近燃燒器的火焰信號視為疊加在主火焰信號上的干擾信號，則干擾信號具有在低頻區(qū)域內(nèi)基本集中在直流分量附近，在高頻區(qū)域內(nèi)能量分量較小的特性。因此可以使用合理選擇信號的分析頻段范圍、第 2 章 爐膛煤粉火焰的物理特征7對高頻區(qū)域的分析結(jié)果采取去本底值等常用的信號處理方法來減弱干擾信號對主火焰信號的影響。對多個不同爐型的鍋爐的多種煤粉燃燒器進行了火焰數(shù)據(jù)采集，通過分析所采集到的數(shù)據(jù)，我們認為對于煤粉燃燒器將敏感信號頻帶設(shè)置在 10 Hz–200 Hz 范圍內(nèi)是比較合理的。成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文8第 3 章 煤粉火焰的信號處理與分析火焰檢測裝置的核心任務(wù)是采集火焰燃燒信號并使用可靠的判別方法對燃燒信號進行燃燒情況的判別。本章將從信號處理的視角，分析煤粉火焰燃燒信號的物理特性、現(xiàn)場火焰燃燒數(shù)據(jù)采集時的參數(shù)設(shè)定，然后對煤粉火焰燃燒數(shù)據(jù)分別進行傅里葉變換、短時傅里葉變換和小波變換的信號處理。通過分析和對比得出識別煤粉火焰燃燒狀況的信號處理流程。 煤粉火焰燃燒信號的特性從物理角度而言，信號就是承載某種信息的物理量的變化歷程；從數(shù)學(xué)角度而言，信號就是函數(shù)，就是某一變量隨時間或頻率或其它變量而變化的函數(shù)。工程上，信號常常表現(xiàn)為一組數(shù)據(jù)或者波形，這組數(shù)據(jù)通常是由某一設(shè)備從物理系統(tǒng)中檢測得到的，以數(shù)據(jù)的形式存儲在某種介質(zhì)上 [12]。例如煤粉火焰信號就是一種能表征煤粉在特定工況下燃燒過程的信號，它在工程實踐中通常被采樣量化后存儲到存儲器中以供后繼的分析處理之用?？梢园凑詹煌姆诸悩藴蕦π盘栠M行分類。按照信號的性質(zhì)分類，信號可分為確定性信號和隨機信號，確定性信號是指在相同的實驗條件下，能重復(fù)出現(xiàn)被測變量的信號，隨機信號是指在相同的條件下不能重復(fù)出現(xiàn)被測變量值的信號。其中確定性信號又分為周期信號和非周期信號，隨機信號分為平穩(wěn)隨機信號和非平穩(wěn)隨機信號。所謂非平穩(wěn)隨機信號亦即其統(tǒng)計特性是時間的函數(shù)。從嚴格的數(shù)學(xué)和物理意義而言，自然界中真實存在的信號都屬于非平穩(wěn)隨機信