数字图像处理在电厂火焰检测中的应用 第3页
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第一章绪论
1.1引言
我国火力发电厂大型锅炉以燃煤为主由于容量大煤粉燃烧器
数量多至16个以上炉膛内燃料燃烧情况复杂受多种因素的影响
会引起炉膛灭火和爆炸为此大型锅炉都配备炉膛安全监控装置
即FSSS其最重要的组成部分是火焰检测系统根据防爆规程每
一个燃烧器应安装单独的火焰检测器当出现灭火现象或异常情况
时发出报警信号并通过锅炉燃烧管理系统(BMS)或FSSS切断燃料
的供应防止锅炉爆炸
目前,我国电厂中广泛采用的煤粉火焰检测器均属于红外线型
可见光型或上述的组合型这类火焰检测器因视场角度受到限制(一
般为10 15),只能让火焰初始燃烧区的亮光进入探头然而在实际
运行过程中是很难做到使探头正好对准火焰着火区,因为我国电厂用
煤的来源是不固定的,不同煤种的成分不同,将直接影响煤粉火焰的着
火位置此外,在不同负荷下,煤量不同,风量不同,也会影响火焰初始燃
烧的位置着火区位置经常漂移严重影响火焰检测器的检测效果,它
是我国电厂中至今尚未解决的难题
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本世纪80年代以来随着计算机软硬件技术的迅速发展特
别是近年来在多媒体技术日益推广应用的前提下图像处理技术开始
应用于锅炉炉膛火焰处理领域为电厂锅炉火焰检测开辟了一个新的
领域将计算机技术和数字图像处理技术结合起来应用于火焰检测是
一种新的火焰检测方法这种方法是用CCD摄像机摄取火焰图像
输出信号由计算机处理整个系统由图像传感器图像采集卡微机
和显示器组成采用传像光纤和数字图像处理技术的新型火焰检测系
统能直接观测燃烧器火焰,大大提高了火焰检测的灵敏度和鉴别能
力能实现火焰图像的远距离动态显示,运行人员在中央控制室的
CRT上观察每个燃烧器的燃烧状态,及时进行燃烧调整,提高燃烧效
率计算机屏幕上有多种显示画面可供选择;输出每个燃烧器火焰有华北电力大学北京硕士学位论文
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无的开关量信号,可以方便地和任何一种类型的FSSS相连接
1.2火焰图像检测器
1.2.1目前状况
总结国内外火焰检测器检测方法,主要可归纳为三种:
l紫外火焰检测器
l亮度温度火焰检测装置
l红外火焰检测装置
纵观国内外现有技术主要的火焰检测器结构有以下三种
1A.国内大部分厂家产品,均是由光学透镜传光束和光电探测
器为基本元件组成当火焰检测装置对准某个喷嘴时,紫外红外和
可见光被光学透镜会聚于传光束端面这种传光束由几千根玻璃光纤
组成,约2.5米长,光波从一端传输至另一端,进入光电探测器,从光电转
换部分输出信号的大小判断火焰的燃烧工况
这种结构的关键在于如何防止串测现象,即俗称的偷看现象
其主要存在问题是抗干扰能力低,误码率高
B.国外有的公司,把火检器的头部做成一段长约1.5米2米的
铝合金圆管,该圆管内表面非常光滑该铝合金圆管实质上是一个金
属波导管,反射栅的作用是增加光线的反射角,使近轴光线能到达终端,
斜光线几乎超过临界角,其反射次数比近轴光多得多,从而到不了终
端且圆管又有视场光阑的作用,相应地提高抗干扰能力
在实际使用中,耐温不能超过200,因此,一不小心头部就容易损
坏,并且价格昂贵圆管制造工艺复杂,现只能进口,国内尚无仿制该原
理作火检器的单位
C.日本三菱公司推出一种价格十分昂贵的火焰监测装置,它由
图象扫描器,摄像头,监视器等组成,在香港雅玛电厂使用,监视器
可以观察到火焰的综合图象,并通过光学扫描器观察到各喷嘴火焰
的灰度等级,从而正确判断炉膛火焰燃烧工况该系统价格昂贵,装置
复杂与其它装置同样存在传输距离的限制
综合结论:华北电力大学北京硕士学位论文
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A型:价格低,对单个喷嘴分辨率低,误码率高
B型:价格高,耐温低,寿命短,误码率较低
C型:价格昂贵,使用条件苛刻,对单个喷嘴分辨率低
目前国内外用于电站锅炉煤粉燃烧器的火焰检测装置主要有两
种类型
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1红外线火焰检测器
这是以美国FORNEY公司为代表它利用煤粉着火区初始燃
烧区火焰的红外线亮度和闪烁频率来判断火焰检测器的工作波长
范围为0.7-3.2μm动态频率检测范围高位55-7500HZ低于
15-4000HZ炉膛完全燃烧着火区火焰闪烁频率不会高于2HZ利用
滤波作用便可将燃烧器火焰与背景火焰相区别
2可见光火焰检测器
以美国CE公司和BALLEY公司为代表它利用煤粉着火区火
焰的可见光亮度和闪烁频率来判断火焰检测器的工作波长范围为
0.3-1.1μm频率检测范围为100-1000HZ火焰检测的基本原理与红
外线火焰检测器相同其区别仅在于一是利用红外线一是利用可见
光
近几年来计算机技术和图像处理技术的飞速发展给电厂锅炉火
焰检测开辟了一个新的领域将计算机技术和数字图像处理技术结合
起来应用于火焰检测是一种新火焰检测方法近年来,大型电厂都在
陆续安装光纤火焰检测系统其优点就是视角大视野明确,能够为
运行人员提供单个燃烧器或全炉膛的火焰画面,且能够进行二文三
文温度场重建,事故追忆等
1.2.2存在问题
我国的火焰检测装置可靠性还不高火焰丧失后误报时有发生
即使引进机组配套的FSSS中也有同样的问题其中主要的原因有
1火检器探头镜面易被污染2火检传感器及接线常因高温老
化而损伤3火检炉墙侧孔积灰和周边结渣4火检装置静态整
定值与实际运行值不符5火检探头视角小检测不到火焰偏移
用冷却风冷却和吹扫火检探头是解决上述1 3问题的有效措华北电力大学北京硕士学位论文
施,但冷却风源应彻底无油净化其风压应满足点火前15min至熄火
停炉后1.5h过程不中断供应问题4产生于我国煤种煤质多变,
供应不稳定的实际国情视角狭窄是常规火检器的最大弱点火检器
探头视场角一般为10?15?而在实际运行中由于燃料成分变化较
大一二次风的变化以致着火区的位置经常发生漂移致使检测
器的探头很难随时对准着火区会产生误报对此解决办法有利用
同一火焰的脉动相关性检测火焰或扩大视角以及采用摄像机获取火
焰图像并加以处理
1.2.3相关研究
对火焰图像的检测国外已经开发出各种新型数字型火焰检测
器日本三菱公司经过多年的试验研制开发出新一代的火焰检测装
置光学影像火焰扫描仪Optical Image Flame Scanner简称OPTIS
13该
火焰检测器的检测原理和传统的火焰检测器不同它采用了
摄像机和传像光纤直接拍摄火焰图像并利用信息处理来判断火焰的
稳定性OPTIS在日本广岛电厂进行工业实验及在香港拉码电厂首次
运行以来以其先进的技术和优越的性能向人们展示了良好的应用前
景且已经向国内做了商业性推出国内由于价格问题没有能够引
进日本日立公司推出的HIACS 5000计算机分散控制系统中的火
焰检测器也采用了数字图像处理技术
芬兰IVO公司的燃烧检测与数字分析系统DIMAC Digital
Monitoring and Analysis of Combustion
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该系统通过改进锅炉
效率和可靠性来改善安全性和减少NOx排放DIMAC系统自动存储
单喷嘴或整个锅炉卸负荷时最后两分钟的测量和计算结果这样可以
帮助运行人员发现事故的原因同时运行人员也可以随时存入当前的
工况和数值到数据库中这些信息有助于比较不同煤种间的燃烧质
量目前国外的火焰检测系统已经不仅仅局限于判断火焰的有无给
出on/off信号还进一步研究火焰的稳定性燃烧的经济性和燃烧效
率
近年来国内的一些大专院校也相继开发出了几种图像型火焰检
测器都是采用微机加装图像采集卡的模式来同时完成火焰图像的采
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