【正文】 .......................3 本文主要內(nèi)容及成果 .....................................................................................3第 2 章 爐膛煤粉火焰的物理特征 ....................................................................5 爐膛煤粉火焰物理特征 .................................................................................5 煤粉火焰的物理特征 ........................................................................5 鍋爐燃燒器處主火焰特征和背景特性 ............................................5第 3 章 煤粉火焰的信號(hào)處理與分析 ................................................................8 煤粉火焰燃燒信號(hào)的特性 .............................................................................8 火焰信號(hào)的采樣率和抗混疊濾波 ....................................................8 火焰信號(hào)的傅里葉分析 ...............................................................................10 傅里葉變換的理論基礎(chǔ) ..................................................................10 傅里葉變換的 FFT 算法分析 .........................................................13 傅里葉分析方法在煤粉火焰分析的工程應(yīng)用實(shí)例 ......................17 火焰信號(hào)的短時(shí)傅里葉分析 .......................................................................20 短時(shí)傅里葉變換的理論基礎(chǔ) ..........................................................20 離散信號(hào)的短時(shí)傅立葉變換及其實(shí)現(xiàn) ..........................................24 短時(shí)傅里葉分析方法在煤粉火焰分析的工程應(yīng)用實(shí)例 ..............25 火焰信號(hào)的小波分析 ...................................................................................28 小波變換的概述 ..............................................................................28 小波的概念 ......................................................................................29 連續(xù)小波變換 ..................................................................................29 離散小波變換 ..................................................................................30 二進(jìn)小波變換 ..................................................................................31 多分辨率分析 ..................................................................................31 小波分解和重構(gòu)的 Mallat 算法 .....................................................33目錄VII 小波母函數(shù)的選取 ..........................................................................35 小波分析方法在煤粉火焰分析的工程應(yīng)用實(shí)例 ..........................38 小結(jié) ...............................................................................................................40第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ......................................................................................42 硬件系統(tǒng)的總體架構(gòu) ...................................................................................42 數(shù)字中央處理單元 .......................................................................................43 微處理器的選擇 ..............................................................................43 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 ..............................................................................44 探頭電路 .......................................................................................................46 光電轉(zhuǎn)換電路 ..................................................................................46 對數(shù)放大電路 ..................................................................................48 抗混疊濾波電路 ..............................................................................50 通信模塊 ..........................................................................................51結(jié) 論 ..................................................................................................................53致 謝 ..................................................................................................................55參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................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(jì)的高速發(fā)展，我國工礦企業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)單位對電能和熱能的需求量正在迅猛地增長。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。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。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(yán)重的安全事故，會(huì)帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失 [2]。多個(gè)相關(guān)部門也明文規(guī)定“今后凡新裝投產(chǎn)機(jī)組必須安裝火焰檢測和安全防爆裝置，現(xiàn)有機(jī)組在條件許可的情況下必須設(shè)法加裝” ?；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(jì)性。如果火焰檢測裝置未能及時(shí)覺察燃燒器因故障熄火而同時(shí)供料機(jī)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。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。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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 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(qiáng)度以進(jìn)行火焰是否存在的判斷。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。傳統(tǒng)的可見光型火焰檢測裝置在此工況下已無法準(zhǔn)確識(shí)別燃燒器的工作狀況 [3]。 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(fù)責(zé)將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，然后再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字處理單元可以識(shí)別的數(shù)字量。獲取相關(guān)的電學(xué)信號(hào)后，需要對其進(jìn)行有效的分析處理以提取出關(guān)鍵信息。目前絕大多數(shù)火焰檢測裝置是對主燃料進(jìn)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。 對紅外型火焰檢測裝置的改進(jìn)根據(jù)煤粉燃燒論的觀點(diǎn)，其燃燒的脈動(dòng)頻率一般不超過 200Hz[5]。這種類型的亮度突然陡增容易導(dǎo)致傳統(tǒng)的線性信號(hào)放大器出現(xiàn)飽和失真，使輸出信號(hào)中產(chǎn)生新的諧波成分，改變了原信號(hào)頻譜特性。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(hào)，又避免出現(xiàn)飽和失真現(xiàn)象。由于大型鍋爐運(yùn)行情況復(fù)雜，運(yùn)行人員在做控制決策時(shí)往往希望能夠掌握盡可能多的工況參數(shù)?？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。 本文主要內(nèi)容及成果本文對爐膛煤粉火焰的特性進(jìn)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(hào)在爐膛空間內(nèi)的分布情況。對火焰的紅外信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換、短時(shí)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(diǎn)及最佳應(yīng)用場合。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。對該型號(hào)火焰檢測裝置的電廠現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，實(shí)際應(yīng)用表明該型號(hào)火焰檢測裝置具有良好的效能和可靠性。 煤粉火焰的物理特征物體的溫度高于絕對溫度時(shí)，會(huì)因?yàn)槠鋬?nèi)部帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)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]。在已知煤粉火焰的主火焰區(qū)溫度范圍值（約在 1200 攝氏度）時(shí)，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)。煤粉通過不同結(jié)構(gòu)的燃燒器進(jìn)行燃燒時(shí)，都會(huì)有特定的火焰閃爍的頻率帶寬。 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(shí)間和空間上主要分為“預(yù)熱著火燃燒 燃盡 ”四個(gè)典型階段，在每一個(gè)典型階段中，煤粉火焰的光譜頻率分布和火焰強(qiáng)度都會(huì)有明顯的差異,主要的階段如下 [10]：第一個(gè)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)。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)。在著火階段，光輻射能量不是最強(qiáng)，亮度不是最大，但是亮度的變化頻率卻是最高的。此階段光的輻射最強(qiáng)，亮度達(dá)到最大，但是亮度變化的頻率卻是最低的。第四個(gè)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(jìn)行燃燒，最后形成高溫氣流，形成燃盡區(qū)?；鹧鏅z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(huì)存在鍋爐爐膛的背景輻射光，并且有可能會(huì)存在鄰近燃燒器的火焰。高溫的鍋爐爐壁本身也是強(qiáng)度極強(qiáng)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?？芍獱t膛內(nèi)的背景紅外輻射具有低頻窄帶寬的特性。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(huì)穿過目標(biāo)火焰的高頻區(qū)射向相鄰燃燒器火焰的低頻區(qū)。此時(shí)，雖然主火焰和對沖火焰的高頻區(qū)是重疊的，但它們的強(qiáng)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]。因此可以使用合理選擇信號(hào)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