火焰检测

动力工程测试技术现代测试专题（1）---火焰检测杨荟楠2013-10-211I.燃烧火焰的特征II.不同火焰检测器的原理和特点III.激光光谱技术在燃烧火焰检测中的应用IV.建立测试水蒸气温度、液膜厚度及温度的半导体激光感应器内容2火焰检测原理火焰是燃烧状态稳定与否最直接的反映火焰检测包含两个含义：火焰是否存在和燃烧是否稳定炉膛火焰特征燃料燃烧时火焰放出大量的能量，这些能量主要包括光能（紫外光、可见光、红外光等）、热能和声波燃烧火焰的辐射具有强度和脉动频率两个特点强度信号又分为平均光强信号和闪烁光强信号炉膛火焰监测3光谱分布特性依据火焰的辐射强度来判断火焰是否存在按检测所用光谱波段差异可分为紫外线、可见光、红外线及全辐射火焰检测1.紫外线适于燃油锅炉检测2.红外线比较适合检测全炉膛火焰3.可见光及近红外线是应用较多的光谱区火焰检测原理判断火焰存在是否，拟设定一个强度阀值，当辐射强度超过此阀值时认为火焰存在炉膛火焰检测原理和方法4频率分布特性：由于各种随机扰动的存在，火焰辐射强度是随时间变化的，它在平均光强上下波动（闪烁），其频率为0-2000Hz。火焰辐射脉动频率与燃煤成分，风/煤比，一、二次风率、风速等有关，根据脉动频率量值可以判断火焰的存在火焰的频谱分布特性通过对火焰信号时间序列的FFT获得，得到稳定或不稳定工况下的频谱分布图。火焰不稳定时，低频部分的能量增加较多，变化较大。经过大量实验分析，存在三个火焰基础闪烁频率的范围：15-50Hz火焰正常7-15Hz火焰不稳定≤7Hz火焰熄灭我国运用较多的比较成功的FSSS系统（炉膛安全监控系统）是可见光双信号火焰检测器（双信号---用火焰强度和火焰频率来综合判断火焰是否存在）炉膛火焰检测原理和方法5色度分布特性根据国际表色方法对燃煤火焰的颜色进行定量计算研究表明，煤粉火焰基本处于白色区域，但非纯白光，三原色光谱略成黄绿兰。任何一个色光的表色系统都可直观都可直观地反映燃烧状况。在煤粉浓度较高时，火焰颜色略呈黄色，随着煤粉浓度的降低，色度坐标减小，颜色从绿色过渡到兰色。在煤粉稀薄时，色度坐标的反应也很灵敏。火焰的色度坐标变低，意味燃料量不足，燃烧不稳定，甚至可能出现灭火。炉膛火焰检测原理和方法6基于相关原理的火焰检测两个光电探头呈一定角度安装，当二探头检测的相交区域有火焰时，二探头会同时测到同区域相似的火焰辐射信号，此时相关系数比较大；当相交区域的火焰熄灭时，二探头测到的将是不同区域的背景火焰或炉壁辐射信号，其接收的信号自然不同，故相关系数有差异。同样，任何火焰的漂移和不稳定都将导致相关系数的降低。实践经验表明，相关系数70%时可以认为火焰正常。炉膛火焰检测原理和方法7数字图像火焰检测用CCD摄像机摄取火焰的图像，输出信号用计算机处理。方法：一般用棱镜或光纤将图像传至安装在锅炉外边的摄像机，用计算机处理，在显示器上以火焰亮度分布图等形式显示。优点：这种系统灵敏度很高，操作使用方便，随着总价格的日益降低，必将有更广泛的应用。炉膛火焰检测原理和方法8光谱分析诊断技术煤粉火焰中波长为600-700nm的辐射能量与煤粉浓度间存在正比关系。通过检测这一波段的辐射强度，可获得煤粉浓度变化的信息，对锅炉燃烧状态进行诊断火焰颜色分析的诊断技术可对同一色光进行表色，确定火焰的色度坐标。不同色度坐标反映不同的煤粉浓度、不同的燃料品质。火焰色度坐标可作为风煤匹配是否恰当的诊断依据，火焰色度坐标变低，表明燃烧区的煤粉浓度低，不利于优化燃烧燃烧诊断9火焰颜色为橙黄色：表明氧气充足，火焰强度，充分燃烧煤粉浓度大时呈明亮的橙黄色火焰颜色为兰色：表明氧气不足，燃烧不稳定，不充分煤粉浓度小时略呈兰色火焰颜色分析的诊断技术10利用摄像法检测诊断技术利用CCD相机可拍摄到火焰分布情况，通过火焰的形式和分布，可以判断燃烧器的气流工况、煤粉气流的着火及燃烧情况、炉膛的热偏差状况以及水冷壁有无结渣等诊断频谱分析诊断技术根据火焰的频谱分布特性的低频波动能量和燃烧稳定性的本质特性联系在全频范围内进行燃烧诊断，能获得更详尽的反映燃烧工况的信息燃烧不稳定时，低频波动能量变大，频谱中的交流分量大大增加燃烧稳定时，低频波动幅度变小，频谱中交流分量也小燃烧诊断11I.燃烧火焰的特征II.不同火焰检测器的原理和特点III.激光光谱技术在燃烧火焰检测中的应用IV.建立测试水蒸气温度、液膜厚度及温度的半导体激光感应器内容12利用火焰产生电动势原理工作原理：火焰监测器内部安装有光电管，当光电管接收到火焰信号后，内阻降低，电压升高，升高后的电压经过功率放大，部分放大输出，信号输入点火程序器优点：检测系统动作准确，灵敏缺点：要求有高灵敏度的检流计，电极易烧坏和积碳利用声电原理优点：信号简单缺点：受外界声源、噪声影响，易产生误动作第二节各种火焰检测器的特点13利用热电原理优点：造价低，结构简单缺点：热电偶热惯性大，灵敏度差、寿命短、可靠性差利用火焰周围压力变化性原理优点：方法简单，反应灵敏缺点：要求微压差继电器盒差压变送器精度高，压差开关不能按理想整定点工作第二节各种火焰检测器的特点14试验表明：利用火焰的声学和热量热性研制的检测器易受锅炉其他热源和声源的干扰而难以准确使用，不能满足大型发电设备对安全运行上的要求，所以近年来主要采用了以下两种采用光电原理的火焰检测系统第二节各种火焰检测器的特点15光电管检测（可见光式火检）：元件：在抽真空的玻璃泡内放置两个电极，阳极和具有光敏面的阴极，如氧化铯光电管优点：对可见光敏感，结构简单，特别适合监测整个炉膛的火焰缺点：炉墙的红外线会干扰其测量信号，光电管耐温低，工作一段时间后灵敏度会降低第二节各种火焰检测器的特点16光敏电阻检测（红外线或紫外线式火焰）元件：由铊、镉、铅等的硒化物制成，和具有光敏面的阴极，如氧化铯光电管优点：对红外线、可见光敏感，结构简单，灵敏度高，可靠性强缺点：会受高温耐火强射出红外线干扰第二节各种火焰检测器的特点17炉膛辐射光谱18燃烧火焰的光谱19硫化铅感测器：是一种硫化铅光敏电阻，其特点是对红外线辐射特别敏感。燃料在燃烧时，由化学反应产生红外线辐射，使硫化铅光敏电阻感应，转变成电信号磷化镓感测器：是一种磷化镓光敏电阻，其特点是对紫外线辐射特别敏感。燃料在燃烧时，由化学反应产生紫外线辐射，使磷化镓光敏电阻感应，转变成电信号红外线和紫外线感测器20对煤粉燃烧器而言，在燃烧器喷口处，一次风和煤粉的混合物形成紊流，使燃烧火焰产生无规律的波动，瞬间波动的幅值也不尽相同，即火焰的脉动现象，也就是通常说火焰的闪烁，特性如下：火焰的闪烁频率是火焰燃烧的重要特征，也是判断有火无火的重要依据混合物在气流震动越强时燃烧反应速度越快，燃烧火焰的燃烧频率也越高距离燃烧火焰越近，闪烁频率越高不同的燃料，闪烁频率不同，油燃烧火焰闪烁频率高于煤火焰火焰的脉动现象及其特性21对火焰的分区22根据燃烧器火焰的形状，可将其分为四部分：黑龙区、初始燃烧区、燃烧区、燃尽区从一次风口喷射出的第一段是一股暗黑色的煤粉和一次风的混合物流，即黑龙区，其辐射强度和闪烁频率都很低第二段是初始燃烧区，煤粉因受到高温炉气和回流的加热开始燃烧，大量煤粉颗粒爆燃形成亮点流，此段的特点是这部分煤粉燃烧亮度不是很大，但是其闪烁频率却达到最大值，往往可以在100Hz以上对火焰的分区23第三段为燃烧区，也称完全燃烧区，各个煤粉颗粒在与二次风的充分混合下完全燃烧，产生很大热量，此段的火焰亮度最高且最稳定，但闪烁频率要低于初始燃烧区第四段是燃尽区，这时的煤粉绝大部分燃烧完毕形成飞灰，少数较大的颗粒继续进行燃烧，最后形成高温炉气流，其火焰亮度和闪烁频率都比较低对火焰的分区24闪烁频率与辐射强度之间的关系取决于燃烧器结构布置、检测方法、燃料种类、燃烧器的运行条件（如燃料与空气比，一次风速）、以及观察角度等因素。一般来说火焰闪烁频率在火焰的初始燃烧区较高，然后向燃尽区依次降低检测器距火焰初始燃烧区越近，检测到的高频成分（80-300Hz）越强检测器探头视角相对狭窄（6-12˚）被检测的火焰信号越真实火焰闪烁频率和强度的关系25检测系统的物理结构一体化式：火检探头和放大器集成在一起，安装在燃烧器上优点：结构简单，节约空间缺点：对现场恶劣环境适应性不强，就地温度、湿度和噪音等因素直接影响其正常运行，维护成本高，无论是探头或放大器损坏都要一起更换；调试不便，要到就地或通过手调器调试火焰检测器的选型26分体式：火检探头安装在燃烧器上，放大器安装在机柜内置于电子间优点：探头对环境适应性强，调试便捷火焰检测器的选型27可见光式：COEN公司的ISCAN火焰检测器，一体化结构，光谱灵敏范围350nm-700nmABBCESafeScan火焰检测器，分体式结构，光谱灵敏范围400nm-700nm火焰检测产品28红（紫）外线式：ABB公司的UVISOR智能火焰检测系统，分体式结构，光谱灵敏范围190nm-550nm，红外600nm-3000nmFORNEY公司的IDD火焰检测器，分体式结构，光谱灵敏范围300nm-500nm，红外700nm-1700nm火焰检测产品29采用什么原理实现对火焰检测是表征火焰检测器性能的重要条件之一，但火焰检测器性能的优劣还需从多方面综合考虑，譬如探讨定位的难易程度、维护检修方便与否、设备的运行可靠性，特别还有设备是否需要经常更换元器件等多种因素结论30I.燃烧火焰的特征II.不同火焰检测器的原理和特点III.激光光谱技术在燃烧火焰检测中的应用IV.建立测试水蒸气温度、液膜厚度及温度的半导体激光感应器内容31Laser(LightAmplificationbyStimulationEmissionofRadiation)通过辐射的受激发射实现光放大。它是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体后，人类的又一重大发明，被称为最快的刀、最准的尺、最亮的光。它的亮度约为太阳光的100亿倍。特点：单色性好频率、波长单一方向性好发散小、可远距离传输亮度高高能量密度相干性好相位固定激光32结构简单的气体激光器原子气体：HeNe,金属蒸汽离子气体：Ar/Kr中性气体：CO、CO2、N2O….坚固耐用的固体激光器红宝石、YAG等液体激光器燃料激光器小巧玲珑的半导体激光器高功率的化学激光器（高于万瓦）激光器33常见激光的波长341.自发辐射原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁到低能级E1，这种跃迁称为自发跃迁自发辐射光子频率𝜈=𝐸1−𝐸2ℎ白炽灯、日光灯等普通光谱，它们的发光过程都是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不固定相同，是不相干光自发辐射、受激辐射和吸收352.光吸收当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后能从低能级跃迁到高能级自发辐射、受激辐射和吸收363.受激辐射当原子中的电子处于高能级时，若外来的光子频率恰好满足𝜈=𝐸1−𝐸2ℎ时，电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子自发辐射、受激辐射和吸收实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频率、相位和偏振方向374.光放大在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其他原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子---光放大，激光自发辐射、受激辐射和吸收38光学谐振腔其作用是产生和维持光振荡，光在粒子数反转的工作物质中传播时，得到光放大，当光到达反射镜时，又反射回来穿过工作物质，进一步得到光放大，不养不断的反射现象即光振荡。从部分透射光反射镜投射出的光很强，这就是输出的激光激光的形成39光在谐振腔传播时形成驻波𝑙=𝑘𝜆2不满足此条件的光很快减弱而被淘汰，谐振腔又起选频的作用---单色性好激光的形成40荧光：当某种常温物质经某种波长的入射光（通常为紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态且立即退激发并发出出射光（通常波长比入射光的波长长，在可见光波段）；且一