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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。
供气系统有空气源和燃气源两部分，空气源应能保证有压力恒定、流量充足的空气供应。本实验是通过压缩机先将空气压到具有一定稳压容积的贮气罐内。燃气源是罐装的液化气。 生物质燃烧机的两种几何结构的修改方案分别为：方案1增大了空气混合室中挡板窗口面积，改变了导流片的角度，燃气喷口处的配合作了处理，改变燃烧室上部结构以避免流动过早分离在方案1的基础上，方案2去掉了原有的导流片。适当减小了燃料气体喷嘴的出口角度江西
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。
3.1.1 燃烧室的设计 图5为生物质燃烧炉出口7个截面径向平均速度计算结果和试验结果的分布图。从图5中可以看出，计算值和试验值的速度分布趋势基本相同。计算结果和试验值在生物质燃烧炉出口至x/d=0.7截面，气、固两相径向速度分布呈双峰结构，靠近生物质燃烧炉中心的峰区为一次风粉流动区域，外侧峰区为二次风流动区域，靠近外侧的峰值始终高于靠近中心的峰值；随着一次风粉向二次风的扩散，二次风向边壁扩散，两个径向速度峰值逐渐减小，两个峰值位置向边壁移动。江西
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。 燃烧器的燃烧特性表现为：
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。
摘要： 通过对生物质燃燃烧器的研制过程，提出了新的生物质燃烧器的着火稳燃机理：组织生物质气流的浓淡分流，组织浓（小）股生物质气流的急拐弯，让气粉分离，生物质射入高温回流区，在这里滞止增浓，升温着火，形成小火焰，并用它点燃整个一次风生物质火焰，即小火点大火的机理。以此着火稳燃机理为指导，成功地开发了生物质燃烧机及节能低氮生物质燃烧机，已在100—200mw机组上得到广泛应用。由于它的喷口小，预期节能低氮生物质燃烧机会受到电厂更大的欢迎。 (2)利用随机轨道模型，跟踪了粒径为42 um的颗粒随机运动轨迹。大部分颗粒集中在中心轴线区域，跟随一次风进入测量体。当颗粒的轴向速度衰减为0之后，颗粒的运动方向发生偏转，开始向后上方运动，进入中心回流区中，并逐渐与二次风混合。颗粒迂回型运动轨迹延长了生物质在回流区中的停留时间。江西 在使用841热相仪的同时，我们还采用了精度较高的红外辐射高温计（测温范围：600～3000”c，精度：±1“c）用于沿燃烧器轴线逐点对火焰温度进行测量。另外在多孔陶瓷与石英玻璃之间还放有热电偶，以便对仪器测试进行校验和对比。各种测试方法起到互相比较和补充研究测试误差及各种影响因素。其中值得一提的是：由于采 6)改造需要增加变频器（采用中等品质的变频器）、控制柜等设备以及人工费，投资共17万元，半年即可收回成本。
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。
2.2.1.3主火炬确认时间控制一、二次风由生物质燃烧机进入燃烧室时， 图3是工况1 2 3的流场图。从图3(a)中可以看出。工况1的炉内气流整体分布比较合理，气流的行程较长，无量纲穿透深度ch=0.44，基本到达了冷灰斗的上缘，不存在火焰短路或气流冲击冲刷冷灰斗的问题：在前后拱的下部有明显的气流回流，形成2个比较对称的涡旋，这在实际运行中会引起大量的高温烟气回流到煤粉的着火区域，对低挥发份煤的着火大有好处；冷灰斗处的流场基本上由速度较低的气流形成：燃尽室转弯处的充满度较差：拱部的一二次风在向下流动的过程中与前后墙所布置的三次风和乏气混合，在冷灰斗上缘处转弯上升，沿炉膛的中轴线上升，形成对称的w型火焰 (2)在试验台设计时，将燃烧器试验台设计成常压蒸汽排放型式。试验台的进水通过对流受热面的进口集箱、蛇形管组、出口集箱进入锅筒，而试验台在运行时是通过保持相应负荷下的稳定给水来达到排放的平衡。然而，在实际的调试和测试过程中，由于锅筒的排汽不畅以及对流受热面管内的流速过低，引起水位波动很大和水击现象，给试验台的运行带来不安全的因素，而且与欧盟en标准中对于试验台的测试介质的温度要求也有一定的差距。
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。表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。
1.2温度场的测试3.1 燃烧器热态试验台的设计0 前言 实验中作者现场测出w型火焰锅炉的临界雷诺数re,j=45 000，并且保证实验的各个工况炉膛截面处的re数大于此r日，，所以实验所测试的工况均处于第二自模化区 图3为通过数值计算得出的生物质燃烧炉出口流场速度的分布图。从图3中可以看出，生物质燃烧炉出沆在旋转的内、外二次风及扩口的导向作用下，以一定的射流扩展角射入空间。在生物质燃烧炉的中心区域存在回流区。在射流发展的过程中，一次风速逐渐衰减至零，此后速度变为负值，开始出现“心”形中心回流区。可以使更多生物质颗粒在惯性的作用下，进入中心回流区，使生物质在回流区的停留时间变长，有利于生物质的着火、稳燃。风速v/(m.s-l) 图5为生物质燃烧炉出口7个截面径向平均速度计算结果和试验结果的分布图。从图5中可以看出，计算值和试验值的速度分布趋势基本相同。计算结果和试验值在生物质燃烧炉出口至x/d=0.7截面，气、固两相径向速度分布呈双峰结构，靠近生物质燃烧炉中心的峰区为一次风粉流动区域，外侧峰区为二次风流动区域，靠近外侧的峰值始终高于靠近中心的峰值；随着一次风粉向二次风的扩散，二次风向边壁扩散，两个径向速度峰值逐渐减小，两个峰值位置向边壁移动。江西 生物质处理装置上的生物质燃烧机均存在不同程度的喷嘴容易烧损，燃烧室内流动、燃烧状况不理想，燃烧后的有害产物浓度过高等现象，造成经济损失和环境污染受测试设备和技术等限制，要获得燃烧室内的流动结梅多组份扩散、化学反应等的真实信息存在相当大的困难。而且耗资大、周期长。冷态模拟实验结果又不能完全反映其内部的流动情况这给生物质燃烧炉的研究和设计带来了很大困难数值实验方法具有经济、快捷的优势。越来越广泛地用于工程流动问题的研究