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行业新闻

生物质燃烧机火焰火力检测

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。

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。

    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。

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。

    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。

    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。

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。


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点击次数:  更新时间:2017-07-23 15:08:06  【打印此页】  【关闭