基于区域诱发的锅炉稳燃图像诊断研究

华中科技大学硕士学位论文基于区域诱发的锅炉稳燃图像诊断研究姓名：何海林申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：罗自学;周怀春20080605华中科技大学硕士学位论文I摘要随着电站锅炉的各项参数不断提高，机组运行的安全性与经济性越来越多的受到人们的关注。炉内煤粉的燃烧是一个剧烈脉动的复杂物理化学过程，很难直接检测到燃烧的具体发展动态，这使得锅炉的运行在一定程度上存在着盲目性。因而研究合理有效的全炉膛火焰检测、诊断及分析的手段，并提出及时而有效的燃烧调整方案以优化锅炉运行具有非常重要的意义。近年来，基于火焰图像的电站锅炉三维温度场可视化技术不断发展和提高，这为炉膛内燃烧检测提供了一个全新的途径，利用火焰辐射图像进行燃烧状况分析与诊断也成了一个研究的重点。本文通过对已有的监测系统中所拍到的火焰图像以及记录的数据进行分析，从多方面对炉内燃烧状况进行了分析，并和实际燃烧状况进行了对比，认为这些图像信息能够很好的反应炉内的燃烧状况。在利用图像特征进行燃烧监测和诊断的基础上，本文创新性的提出了区域诱发方法对锅炉燃烧进行诊断。在已有装置的基础上，将炉膛假设性的划分为若干区域，得出区域诱发，通过CCD拍摄到的一次灭火事故的火焰图像和数据，综合起来对炉内燃烧进行分析，对该方法加以验证和说明，并在此基础上分析了该方法在实际中的应用情况，在应用中取得了理想的效果。通过这种分析，可以在某一区域燃烧开始出现不稳时更早发现，从而使运行人员及时调整燃烧，在必要的时候也能及早的发出锅炉灭火信号，以进行有效的锅炉灭火保护。同时，区域诱发方法可以帮助我们更好的进行事故后续分析和研究，更准确地找出锅炉燃烧不稳定的诱发区域，更方便地得出燃烧不稳定的原因，并进一步提出改进的方案。关键词：火焰图像燃烧稳定性区域诱发燃烧诊断灭火预警华中科技大学硕士学位论文IIAbstractWiththecontinuousimprovementofpowerstationboilerparameters,thesafetyandeconomyofunitsisconcernedbymoreandmorepeople.Combustionofpulverized-coalinfurnaceisacomplexphysicalandchemicalreactionwithfrequentfluctuation.It’sverydifficulttodetectthespecificdevelopmentofthecombustiondirectly,soblindnessmayexistsintheboileroperation.Therefore,itissignificanttostudyoneffectivemethodsofflamedetection,diagnosisandanalysis,andtoestablishtimelyadjustmentschemeinordertooptimizeboilersoperation.Three-dimensiontemperaturefieldvisualizationbasedonflameimagesprocessingprovidesanewmethodforcombusioninspectionandanalysisinfurnace.Recentlythistechnologyhavebeenquicklydevelopedandraised.Usingflameimagetoinspectthecombusionsituationbecameakeyresearchpoint.Thispaperanalysisedthecombusionsituationbytheimagewhichphotoedfromthesystemweinstalledinpowerplantandcomparedtotherealsituation.Theconclusionisthattheinformationincludedinflameimagecanreflectthecombusionsituationwell.Onthisbasis,regionaldevelopmentprincipleispresentedcreativelyforcombustiondiagnoseinthispaper.Hypotheticallythefurnacewillbedividedintoseveralregionsinordertocometotheregionaldevelopmentprinciple.Analysisofthecombustionsituationbasedontheflameimageshavebeendonetogiveaverification.Andwealsohaveinvestigatedthisprinciplehowtoapplyinpractice,whichhasgotanidealresult.Accordingtothisprinciple,wecanfindtheinstabilityofsomeregionandgiveasignaltotheoperatorfortimelyadjustment.Ifit’snecessary,wecanalsogiveaout-firesignalforoutfiringprotection.Atthesametime,thisprinciplecanhelpusinanalysisaftertheaccident,whichcanhelpusfindingtheregionandcauseoftheaccident,andgivinganimprovementscheme.Keywords:FlameImage，CombustionStability，RegionalDevelopment，CombustionDiagnosis，Out-fireAlarm独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1课题研究背景及意义能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。能源工业的发展水平从一个重要的侧面反映一个国家经济实力的强弱，任何一个国家的工业乃至整个国民经济的发展的速度和水平，在很大程度上都取决于能源工业发展的速度和水平。中国经济社会持续快速发展，离不开有力的能源保障，能源问题事关我国经济安全和国家安全。据国际能源署（InternationalEnergyAgency，IEA）预测，世界市场能源消费从2004年到2030年将增长57%。人类的能源利用经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到油气时代的演变，在能源利用总量不断增长的同时，能源结构也在不断变化。每一次能源时代的变迁，都伴随着生产力的巨大飞跃，极大地推动了人类经济社会的发展。到现今为止世界能源的种类非常多，主要包括煤、石油、天然气、核能、太阳能、生物质能、水能、地热能、风能、以及海洋能等。我国的能源资源种类比较丰富，但是由于人口众多，所以主要能源的人均占有量都低于世界平均水平（见图1-1）。在我国的能源结构中，优质化石能源相对不足，石油和天然气资源的探明剩余可采储量目前仅列世界第13和第17位；而水能和煤炭相对较为丰富，蕴藏量分别居世界第1和第3位。图1-1我国主要化石能源人均占有水平与世界平均水平的比较电力在能源中具有特别重要的地位。通过应用电力技术，能够把各种化石能源、华中科技大学硕士学位论文2核能、水能、风能、太阳能等一次能源，转化成传输使用方便、高效清洁的二次能源，可以提供优质终端服务，改进系统效率，控制环境污染。提高能源转换和输配的效率，实现高效清洁发电和安全供应，是全球电力技术长期发展的方向。在我国的能源成分中，煤炭所占有的比重高，而在煤炭消耗中电煤的消耗量占到了煤炭总产量的一半以上。这种特殊的能源结构决定了火力发电在未来很长一段时间内都将是我国电力建设的重要组成部分（见图1-2）。近些年，燃煤发电技术发生了极大的变化，新的锅炉发电装备和高效燃烧技术不断出现，采用超临界、超超临界机组，可以把发电的燃料利用效率分别提高到41%~43%、45%~47%。更高温度和压力参数的机组也在开发研制之中，应用整体煤气化燃气蒸汽联合循环（In-tegratedGasificationCombinedCycle，IGCC）技术，发电的燃料利用效率可能达到50%以上，而且可以减少污染物排放。天然气燃气蒸汽联合循环（CombinedCycleGasTurbine，CCGT）技术，可以将发电的燃料利用效率进一步提高到58%~65%。分布式热电联供技术的燃料利用效率可达80%以上[1]。提高燃煤机组的燃烧效率，降低燃煤过程产生的污染，是我国能源结构实现可持续发展的一项重要课题[2]。化石燃料发电77.7%水电20.4%核电1.2%风电0.6%其他0.1%图1-22007年我国电源结构在火力发电厂中，锅炉是三大部件之一，锅炉设备的性能和运行状态是影响整个发电机组稳定、安全及经济运行的主要因素之一。电站锅炉炉内燃烧是一种带有剧烈放热化学反应的流动现象，它包含着流动、传热、传质和化学反应以及它们之间的相互作用，在目前的技术条件下，还无法轻易的提取炉内燃烧的微观状态及其变化情况，因而一般采取间接的方式对炉内燃烧状况进行检测。燃烧火焰能最直接反应燃烧状态的稳定程度。燃烧调整不好或燃烧不稳定会导致锅炉热效率下降，产生更多的污染物等。在极端情况下，还可能引起炉膛灭火，甚至诱发炉膛爆炸，造成事故。电站锅炉华中科技大学硕士学位论文3燃烧的基本要求就是在炉膛内建立并维持稳定、均匀的燃烧火焰。为了预防潜在的危险，必须对电站锅炉进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。安全可靠的燃烧诊断技术成为电厂安全性的重要条件和基本要求，其重要性主要体现在以下几个方面：（1）新投运的大型电站燃煤锅炉日益增多，锅炉机组的容量不断增大，锅炉设备的机构及其附属变得越来越复杂，可能影响锅炉运行的不利因素也随之增多，这对炉内的火焰检测和诊断技术提出了更高要求；（2）电厂煤质变动频繁、煤质下降，实际燃用煤种与设计煤种相差较大，造成炉内燃烧参数整定困难，影响到火焰检测的准确性，容易引起锅炉灭火、打炮等事故；（3）大容量机组越来越多的参与调峰，为了满足调峰的需要，机组负荷变化频繁，要求锅炉运行能够适应较大幅度的负荷调节，也给燃烧调整带来了困难[3]；（4）燃烧参数的波动已成为不容忽略的污染原因[4]。随着国家日益严格的环境保护法规的逐渐出台，工业企业及民用设施的排污量将受到越来越严的限制[5]，这将需要越来越严格的燃煤控制系统。在现代电站锅炉的控制技术中，必须根据有关的问题和相关的因素，有计划地改变某些参数及控制方式，对燃烧工况进行全面的测试，然后对取得的结果进行科学的分析，经过从经济性、安全性诸方面加以比较，才能确定最佳的运行方式或找出解决问题的途径和方法，这是锅炉燃烧运行控制的依据。1.2相关领域及其研究现状1.2.1常用的燃烧火焰温度测量方法常用的温度测量方法可以分为接