（检测技术与自动化装置专业论文）基于火焰检测的煤种识别及发热量预测.pdf

摘要 摘要 实时获得锅炉炉膛内燃烧的煤种种类信息，对锅炉控制系统控制整个炉膛有 很大帮助，但是煤种在线识别是一个难题。在我国，由于各大电厂广泛使用混煤， 为煤种在线识别带来了更大的困难。本文对炉膛燃煤种类的在线识别以及煤种发 热量的预测做了研究，主要创新点如下： 1 ) 提出基于火焰检测的煤种在线快速识别方法。本文通过自制的火焰检测 器提取火焰光谱的直流分量、交流分量、闪烁频率等三个特征参数，利用这些特 征参数分别组成火焰特征矩阵，通过计算不同煤种之间特征矩阵的相关系数来识 别煤种。单煤只需计算直流分量矩阵相关系数就可以识别；混煤则首先计算直流 分量矩阵相关系数确定混煤的组分，继而计算交流分量矩阵相关系数和闪烁频率 矩阵相关系数就可以确定混比。该方法不需要复杂计算，因此可以用来在线快速 识别煤种。通过实验证明，包括2 8 种单煤和由这2 8 种单煤构成的大多数混煤都 可以识别出来。 2 ) 对如何在线预测未知煤种的发热量做了探索性研究。通过沉降炉上的实 验结果发现，当煤种的挥发份含量一定时，煤种的发热量与煤种光谱的平均响应 成线性关系；当煤种的固定碳含量一定时，煤种的发热量与煤种光谱的平均响应 成线性关系，通过以上两点结合传统燃料识别技术就可以预测出这两类煤种的发 热量。同时，本文也给出了在没有任何工业参数已知的情况下通过建立b p 神经 网络计算煤种发热量的方法。 关键词：沉降炉、火焰检测器、相关系数、煤种识别、发热量； i i i a b s t r a c t a b s t r a c t i th a sb e e np r o v e nt h a tt ok n o wt h et y p eo fc o a lt h a tt h eb o i l e ri sb u r n i n gi nt i m ei s v e r yi m p o r t a n tt ot h et h e r m a lp o w e rp l a n t s b u tt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h ec o a l so n l i n ei s d i f f i c u l t ，e s p e c i a l l yi n c h i n aw h e r eb l e n d e dc o a l sa r ew i d e l yu s e d i nt h i sp a p e r ， r e s e a r c hi sd o n eo nt h eo n l i n ei d e n t i f i c a t i o no fc o a lt y p e sa n dt h ee s t i m a t i o no f n n k n o w nc o a l s t h em a i ni n n o v a t i o no ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s 1 、o n l i n ec o a li d e n t i f i c a t i o ni nad r o p t u b ef u r n a c e t h r e ef l a m ef e a t u r e s i n c l u d i n gt h ea v e r a g ev a l u e ，t h es t a n d a r dd e v i a t i o na n dt h eo s c i l l a t i o nf r e q u e n c ya r e f i r s t l ye x t r a c t e db yaf l a m ed e t e c t o r t h e s ee x t r a c t e df e a t u r e sa r et h e nu s e dt of o r m t h ef e a t u r em a t r i x e s b yc a l c u l a t i n gt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so ft h em a t r i x e s ，t h e c o a l sc a nb ew e l li d e n t i f i e d f o rt h es i n g l ec o a l s ，o n l yb yc o m p a r i n gt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to ft h ea v e r a g em a t r i xt h ec o a l sc a nb ei d e n t i f i e d f o rt h eb l e n d e dc o a l s ， c o m p a r i n gt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fa v e r a g em a t r i xw ec a nm a k es u r ew h i c h t w o s i n g l ec o a l st h eb l e n d e dc o a li sc o n s i s t e do f a n d t h em i x i n gr a t i oc a nb ek n o w nb y f u r t h e rc o m p a r i n gt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so ft h es t a n d a r dd e v i a t i o na n do s c i l l a t i o n f r e q u e n c ym a t r i x e s a st h em e t h o dd o e sn o tn e e dc o m p l e xe s t i m a t i o n ，i tc a n b eu s e d t oi d e n t i f yc o a l sf a s to n l i n e t h ee x p e r i m e n t a t i o n sh a sb e e nd o n eo nt h ed r o p - t u b e f u r n a c e ，w h e r e2 8k i n d so fs i n g l ec o a l sa n dm a n yb l e n d e dc o a l sa l et e s t e d ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dw o r k sw e l lf o rt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h ec o a l s 2 1e s t i m a t i o no ft h eh e a to fa nu n k n o w nc o a lo nl i n e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t si n d r o p t u b ef u m a c e ，i ti sf o u n dt h a tw h e nt h ev o l a t i l ec o n t e n to ft h ec o a li sc o n s t a n t ， t h e r ei sal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e a to ft h ec o a la n d t h ea v e r a g er e s p o n s e s p e c t r u mo ft h ec o a l ，a n dt h a tw h e nt h ef i x e dc a r b o no ft h ec o a li sc o n s t a n t ，t h e r ei sa l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e a to ft h ec o a la n dt h ea v e r a g er e s p o n s es p e c t r u mo f t h ec o a lt o o b r i n g i n gt h ea b o v et w op o i n t sa n dt h et r a d i t i o n a lf u e lr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y , t h eh e a to fa nu n k n o w nc o a lc a nb ec a l c u l a t e d a tt h es a m et i m e ，t h e m e t h o di sg i v e nw h i c hi su s e dt oc a l c u l a t et h eh e a to fc o a lb yb u i l d i n gb pn e u r a l n e t w o r k sa l t h o u g ht h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa l eu n k n o w n k e yw o r d s ：d r o p - t u b ef u r n a c e ，f l a m em o n i t o r , c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ，c o a l i d e n t i f i c a t i o n ，h e a t v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝塑太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作槲：阑音鳓期：孙月i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝塑太堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙塑太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者鲐词赛 翩鲐 签字日期：扫f o 年弓月t 矿日签字日期：纽纱年寻月翻 致谢 致谢 本论文是在张宏建老师悉心指导下完成的，在论文完成之际，我向导师张宏 建教授表示最诚挚的感谢。张老师严谨的治学态度，踏实的工作作风以及广博的 学识都令作者终生难忘，获益匪浅。两年来，他不仅传授我知识，给与科研上、 生活上的帮助，更重要的是以其师长风范教育我们如何做人、做事。我的每一点 进步都离不开他的指导与关心。衷心地祝福张老师! 作者在课题研究期间始终得到了周洪亮和杨祥龙两位老师的帮助与指导。他 们不仅针对我所遇到的科研困难提出了很多宝贵的意见，而且给予了我足够多的 支持和信任，时刻关心着我们的成长，极大的帮助了我完成本课题的研究工作。 向两位老师致以深深的谢意。 感谢实验室同课题组的迟天阳博士在课题研究方面给予我的帮助，同时，衷 心感谢实验室的各位同学：凌张伟、花月芳、孙永剑、申屠南瑛、孙群英、覃春 芳、赵晓东、陈祺、饶蕾、杨兴果、周俊儒、黄浙丰、张胜、姜光、翁国杰、何 海洋、仝玉华、姚滨滨等，以及已经毕业的莫凌飞、梁强、闫战科、马龙博、程 路、王雷、韩鑫、项银杰、王子麒、王晓东等人，在我攻读硕士期间，你们给了 我许多的帮助和快乐，谢谢你们，我会永远记得这一段美好的时光。 最后，要衷心的感谢我的父母，有他们无私奉献和鼓励，才有我今天所取得 的学业成就。祝愿我的家人身体健康，生活幸福! 阚睿 2 0 1 0 年1 月于浙大求是园 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 随着世界经济不断发展，全世界范围内对能源的需求日益提高，能源紧缺逐渐 变为一个世界性的问题。在所有形式的能源中，热能仍然占据着主导地位，以我国 为例，我国的电力结构中，火力发电占8 3 ，而且还要在很长的一段时间内保持高 比例，因此火电厂安全有效的运行变的越来越重要。在我国，几乎所有的大容量锅 炉都安装了锅炉炉膛安全监控系统( f u r n a c es a f e g u a r ds u p e r v i s o r ys y s t e m ，简称f s s s ) 来保障锅炉的安全运行。它能在锅炉的各种运行方式下，连续监视燃烧系统的参数 与状态，不断地进行逻辑判断和运算，通过各种联锁装置使燃烧设备严格按照既定 的合理程序完成必要的操作，防止爆炸性的燃料和空气混合物在锅炉的任何部分积 聚，避免锅炉爆炸事故发生，以保证操作人员和锅炉燃烧系统的安全n 引。 锅炉炉膛安全监控系统检测部分的核心是火焰检测器，火焰检测器可以是单个 的，也可以是一组或几组，能够协助工人实时监视炉膛内火焰的燃烧状况。同时研 究表明，知道锅炉炉膛内燃烧的煤的种类对整个电站系统的控制来说是非常重要的， 但是在线辨识燃煤的种类是一个难题。在我国，以前不存在煤种的在线识别问题。 很多电厂建设之初就已经确定了烧哪里的煤，烧什么样的煤，因此，电厂在建成运 行之后的很多年里都烧一样的煤，锅炉炉膛安全监控系统只要根据这种煤的特性调 整好各个参数，就基本可以保证电厂安全稳定的运行。随着经济社会的不断发展， 已经很少有电厂能够像以前一样保持一直使用同一种燃煤，电厂往往会根据成本的 不同来调整所烧的燃煤。有些电厂，考虑到燃烧经济性等问题，广泛的使用由两种 或两种以上单煤构成的混煤，给煤种的在线辨识带来了更多的困难 3 1 1 4 目前，利用 人工智能等方法对单煤的在线识别已经取得了一些进展，但是也存在计算方法过于 复杂，不能及时识别，以及不能对混煤进行识别等缺点。本课题的研究旨在能够提 供一种快速在线的锅炉煤种识别方法，能够及时准确的知道锅炉内燃烧的是何种煤， 同时对燃煤的发热量进行估测，为锅炉的控制系统服务，使电站锅炉能够安全高效 浙江大学硕士学位论文 的运行b 1 。 1 2 传统在线燃料识别技术 传统的燃料识别方法一般从连接燃烧器的管道取样，化验分析。燃煤电厂的煤 质分析，普遍要经过人工或机械采样、缩分、制样、化验等环节，历时数小时到几 天，在煤种变化较大的情况下，具有明显的滞后性，对锅炉安全运行及优化调整影 响很大。近些年，传统的在线燃料识别分析有了很大的进步，通常分别检测煤的水 分、灰分、发热量，挥发份等来分析燃料品质，完成燃料的在线识别陆。 1 ) 水分在线检测 当前的水分测定仪大多利用了微波技术，其测量原理是利用微波信号穿透煤层 时引起自由水分子的旋转，使微波的强度和速度降低，即微波发生了衰减和相移， 通过测量微波的衰减和相移来测出水分。现在的微分水分仪工作频率范围很宽，可 抑制由于多次反射而引起的谐振干扰现象。为避免煤层厚度和堆积密度变化的影响， 加入闪烁计数器和在屏蔽容器内的放射源组成的射线测量质量补偿单元，可在负荷 变化的输煤皮带上测量煤中水分谗。 2 ) 灰分在线检测 目前比较常用的在线灰分检测主要有以下三种： ( 1 ) 双能y 射线衰减技术在线检测灰分。双能的7 射线采用的两个放射源分别 是镅低能放射源和铯高能放射源，低能放射源射线穿过物质的减弱程度随物质的原 子序数增大而增加。煤中挥发分与固定碳等可燃组分，由原子序数小的原子组成， 而灰分等不可燃组分，主要由硅，铁、钙等原子序数大的原子组成，当y 射线穿过 煤层时，可燃组分吸收效应弱，丫射线衰减系数小，反之，灰分中不可燃组分吸收 效应强，丫射线衰减系数大。这样利用高、低两种能量的射线，经闪烁探测器测量 穿过煤层后的射线强度，就可显示煤中灰分的含量。 ( 2 ) 中子诱发瞬发丫射线法测量灰分。中子诱发瞬发丫射线法是核技术在煤质 在线分析方面的应用。元素成分的核分析方法主要是基于中子与煤的核反应，主要 有弹性散射等6 种形式，其中在煤质分析中最重要的是以下两种：快中子非弹性散 2 第一章绪论 射，测量煤中c 和0 的含量；热中子辐射俘获反应，可测得煤中大部分元素的含量， 如h 、c a 、n 、f e 等。 ( 3 ) 快速丫中子活化分析技术( 即p g n a a ) 检测灰分、灰成分、硫分和热值。中 子活化分析技术是基于中子与原子核反应的过程，当一个热中子或快中子打到一个 原子核上，中子将被核吸收，使核处于激发状态，并很快放出一个光子，使核恢复 到稳定的基态。对于每一种确定的核素，都以一定的几率发出具有某特征能量的丫 射线，根据特征丫射线的能量和强度，即可确定被测介质中存在的核素及含量，煤 质成分在线检测装置即基于上述机理测定氢、氮、硫、铝、硅、铁、钙、钛、钠和 钾等元素。煤中灰分含量和煤中的矿物质之间有一定关系，继而得到煤的灰分。 3 ) 煤种发热量检测 煤种的发热量是锅炉控制系统中一个相当重要的参数，一般通过氧弹仪测出， 通过氧弹仪方法检测是一种离线的检测方法。但是，在煤种变化时，如果两种煤种 的发热量变化剧烈往往引起锅炉灭火、“放炮”等燃烧不稳定现象，因此需要利用在 线检测的方法实时跟踪煤种发热量的变化。煤中灰分和发热量之间有很好的相关性， 目前，无论是国产设备还是国内代理的引进设备，都是通过回归方程由灰分值计算 出煤发热量。 4 ) 挥发份在线检测阻1 煤中挥发份的含量是煤质一项重要指标。目前挥发份的测定大都利用红外快速 煤质分析仪，该分析仪可以准确测定无烟煤的挥发份。但是测定某些低挥发分的烟 煤时，挥发份数据重现性差，误差大。现在通常利用卡尔费休法准确测定烟煤的水 分，将测出的水分值直接投入红外快速煤质分析仪，来测定其挥发份，数据的重现 性和准确性更高，与国际通行方法测定的数据相吻合。 由于传统的燃料识别方法通过连接燃烧器的管道取样，通过灼烧、化学、辐射 等方法分析，因而得出的结论准确可靠，但是同时也有计算分析时间长，不能实时 跟踪等缺点，而且所用到的仪器大多昂贵，目前只有大型电厂锅炉配备安装。 浙江大学硕士学位论文 1 3 基于火焰检测技术的燃料识别 近年来，随着火焰检测技术的发展，越来越多的学者和厂家开始研究基于火焰 检测技术的燃料识别，并且取得了一定进展。 1 3 1 火焰检测技术简介 燃料通过管道输送到炉膛的燃烧器上燃烧，释放出各种能量，其中包括光能( 包 括紫外线、可见光和红外线) 、热能以及声波等，通过检测不同形式的能量在炉膛 内的存在以及强弱是炉膛火焰检测的基础。而通过何种手段检测，以及检测何种形 式的能量构成了火焰检测技术的不同方面n 们。对火焰检测的研究经历了几个不同的 阶段，研究方向总的来说可以分为直接检测和间接检测两种。 l 直接检测法 直接式火焰检测一般用于点火器的火焰检测，常用的方法有检出电极法、差压 法、声波法和温度法等 i i 1 1 2 1 3 1o 检出电极法利用电极电阻值在着火前后的变化来判 别点火是否成功。其在轻油点火枪的火焰检测上取得成功；差压法利用着火后气体 膨胀产生的瞬间压力变化，建立风箱和检测处的差压的变化关系，以此作为着火与 否的信号。这种方法简单，但可靠性欠佳；声波法利用火焰噪声进行火焰检测，不 能在有电动机、风机等声源噪音的现场中实际应用；温度法检测火焰发热，利用火 焰温度变化检测火焰，由于炉内温度具有较大的惯性，并且燃料种类不同，灭火温 度也有较大的差异，火焰检测参数难于整定。这几种火焰检测器或对应用环境要求 较高，或存在较大的局限性，目前已基本淘汰n 4 15 1 。 2 间接检测法 间接式火焰检测就是一般意义上的火焰检测，也就是主燃料火检，通常利用不 同形式的辐射能量检测火焰。间接式火焰检测从检测原理上可以分为辐射光能火焰 检测、相关原理火焰检测和基于图像及数字的火焰检测。 1 ) 辐射光能火焰检测u 们 辐射光能火焰检测就是基于单色光的火焰检测方法，利用光敏元器件测量炉内 的火焰辐射“刀。这类方法一般适用于单个燃烧器的火焰检测。辐射光能火焰检测是 4 第一章绪论 目前电厂火焰检测中使用最多的，同时可以获得比较准确的检测结果。火焰检测器 对燃烧过程中燃料火焰辐射出的紫外线、可见光和红外线进行检测，通过计算比较 热辐射的幅值以及闪烁来判断火焰信号的有无以及强弱n2 1 。从检测器检测的信号的 波段范围可以把辐射光能火焰检测分为紫外火焰检测、可见光火焰检测、红外火焰 检测以及组合式火焰检测。单个波段的火焰检测器的感光元件、波段响应范围等见 下表1 1 ： 表1 1 单个传感器参数特性 一般来说，紫外线火焰检测器可以准确的识别出不同燃烧器产生的火焰，因而 可以用作单燃烧器火焰检测。但是紫外线容易受到干扰，易被悬浮物吸收，所以较 多的用在以天然气或者轻油为主要燃料的锅炉进行火焰检测，而红外线火焰检测器 不易被炉膛内悬浮的煤尘和其他燃烧产物所吸收，一般用来检测以煤种为主要燃料 的锅炉燃烧的火焰和以重油为主要燃料的锅炉燃烧的火焰。可见光火焰检测器一般 对红外波段的信号也有响应，所以在使用时往往在元件的窗口前加红外滤光片滤除 火焰中的红外线。目前比较成熟的紫外线火焰检测器有a b b 公司生产的u r 6 0 0 1 0 0 0 u v 型，用于墙式安装方式，这种探头用来检测燃油，燃气火焰，或两种燃料 共同使用时火焰所产生的紫外脉冲信号。检测光谱范围从1 9 0 n m 到5 5 0 n m ，可以在 任何负荷情况下，在被检测火焰和从其它火焰来的干扰辐射之间，提供极好的辨别 能力 1 8 1 可见光火焰检测器比较多，如a b b 公司的s a f es c a ni 型和i i 型以及在 此基础上研发的s a f ef l a m e t m 数字式的高温型火焰检测器( 简称d f s 火焰检测) 。 d f s 火焰检测采用了对燃烧火焰的可见光波段进行全面的动态检测，它有很高的燃 浙江大学硕士学位论文 料适应性，煤，油，燃气都可以检测。该火焰检测器将模拟信号进行数字化处理， 使火焰的特征参数可以用数字化显示，直观的反映了火焰的信息n 。红外线火焰检 测器有f o r n e y 公司的i d d i i ，该检测器可以检测燃烧器火焰初始燃烧区内火焰 的红外辐射中的辐射强度或火焰闪烁频率提供炉膛的火焰的信息，并且，可根据燃 烧器火焰在初始燃烧区和燃尽区具有不同闪烁颇率来区别单个煤燃烧器的燃烧器火 焰和炉膛的背景火焰幢伽。 目前，工程实际应用的火焰检测器一般采用组合探头方法( 紫外与可见光、紫 外与红外，或者可见光与红外组合) ，提高了检测的可靠性，使用效果比较好。但是， 由于煤种的多变性判别是否灭火的频率值设置很难下一个定性的结论，只能根据实 际燃烧工况，凭经验来设置。现在利用辐射光能火焰检测已经发展到利用多个光电 元件集成，构成火焰电视来直观的监测火焰的状态u 。 2 ) 相关原理火焰检测 相关原理火焰检测是相对于单个检测器检测的一种检测方法，基本方法是用两 只探头检测同一只燃烧器的火焰，通过调整两只探头，使被检测火焰位于它们的视 角内的同一燃烧区域当火焰存在时，两探头获得的火焰信号是相似的，即相关系 数比较大，当火焰不存在时，相关系数低。同样，任何火焰的飘移和不稳定都将 引起相关系数降低，因此根据火焰相关系数的变化可判断燃烧状况。该方法亦主要 用于单个燃烧器的火焰检测睢2 1 。应用相关原理火焰检测有一个前提，就是两只探头 的型号和相对火焰的位置必须一致，然而，在实际情况中，很难做到完全一致，因 此，相关原理火焰检测在实际应用中受到一定的限制乜加，因此自从相关原理火焰检测 自1 9 7 3 年由n o l t i n g k 和r o b i n s o n 提出以来，实际的工业应用并不多。 3 ) 基于图像及数字的火焰检测 现在的锅炉可视化研究的方向是综合化、可视化。计算机技术、数字信号处理 技术、人工智能技术已经越来越多的应用到锅炉火焰检测中，现在研究比较多的是 数字式火焰检测和图像型火焰检测n 4 2 。 数字式火焰检测采用独特的火焰检测方法，使用微处理器及相应的软件算法， 通过检测目标火焰的幅度和频率，并与在学习方式下存储的背景火焰图像进行比较， 从而精确确定火焰的有无。每个燃烧器的火焰有着与其他燃烧器不同的火焰图像， 6 第一章绪论 这类似于人类指纹。在实际运行时，它通过比较目标火焰信号与存储的火焰图像信 号来精确地确定火焰的状态。由于现场客观条件的制约，不能满足理论上的学习要 求，数字式火焰检测器一般提供几个独立文件用来存储几种不同的学习图像，这有 利于现场应用中的灵活性。数字式火焰检测器一般通过人工智能技术将背景参数整 定变为自学习并提供手段帮助对准火检视角，因此能更精确地确定火焰的状态。但 是现在的数字式火焰检测其还不能从根本上摆脱传统火焰检测器的定值比较判断工 作方式，尽管可在不同工况下选择不同的鉴别图像文件，但仍然无法适应实际运行 中多变的工况乜盯 2 7 o 图像型火焰检测是基于火焰电视、综合多媒体计算机和数字图像处理技术发展 起来的，它继承了火焰电视直观、形象的优点，又充分发挥计算机强大的处理计算 能力，使火焰检测功能得到了质的提升n3 1 。系统由光学系统、c c d 摄像机和计算机 处理系统构成。光学系统为内窥光学潜望镜，利用它获取炉内火焰图像并经棱镜转 向后直接投射在c c d 摄像机靶面上。光学系统一般采用风冷，c c d 摄像机采用气 体涡流制冷管冷却。光学系统安装于锅炉上部，其视野能有效地覆盖整个炉膛断面， 获得全炉膛完整的火焰燃烧图像，并以此计算反映燃烧室辐射能的图像灰度参数。 该火焰检测器有较高的火焰检测灵敏度和鉴别能力。它不仅可对单个燃烧器的火焰， 也可对层火焰和全炉膛火焰进行在线检测和图象处理比钉 现在开发的数字式火焰检测和图像型火焰检测虽然能够起到比较好的作用，但 是成本太高，一些核心设备如光谱分析仪等都要依靠进口，性能价格比不高，对于 国内的大型电力企业来说还可以勉强承受，但是基于数字式火焰检测和图像型火焰 检测在中小型电厂得到实际应用还有比较长的路要走。 1 3 2 基于火焰检测技术的燃料识别技术研究现状 由于传统燃料识别技术的局限性和近些年来火焰检测技术的大力发展，基于火 焰检测技术的燃料识别在近些年取得了很大的进步。无论是国内还是国外，很多从 事锅炉安全系统的学者越来越多的把目光转向了基于火焰检测技术的燃料识别。基 于火焰检测技术的燃料识别主要是对煤种的火焰提取时域信息、频域信息以及图像 浙江大学硕士学位论文 信息，对时间序列在时域或频域提取特征参数，对图像信息利用数字图像技术提取 特征参数，或利用数据挖掘技术从大量有关煤种的数据中提取有用的信患。该方面 的研究目前仅处于探索研究阶段。 l 国内的研究现状 河南理工大学的刘靖与中科院的穆怀萍等人合作研究，利用自制研发的火焰检 测系统针对电站锅炉在燃用不同煤种时的炉膛火焰进行了检测，并对火焰图像进行 数字图像处理得到表征火焰信息的特征参数，分析了特征参数与燃煤特性之间的关 联性。结果表明，恒定负荷下，以煤的低位发热量为影响煤燃烧的主要因素进行分 析，得到不同发热量的煤燃烧时，火焰图像的直观信息灰度、能量以及熵分布 可以反映出炉内辐射换热份额的变化；同时不同煤质的煤燃烧时，沿炉膛高度的燃 烧份额变化，使温度场的空间分布不均匀，这种不均匀可以从火焰图像的方差分布 表征出来。从得到的火焰图像的灰度、能量、熵、方差等可以表征不同发热量的煤。 同时，煤种的不同可以从火焰图像的信息上反映出来，从而可以借助于火焰图像来 识别煤种，进而为燃烧调整提供帮助n d o l 。 2 国外研究现状 在国外，尤其是西方发达国家，新型能源( 如风力发电，核能发电等) 得到了 广泛应用，所以火力发电所占的比例逐步减小。而西方的火力发电又以燃油、燃气 炉为主，因此从事燃煤锅炉燃料识别的学者不多，其中有代表性的是以英匡 k e n t 大 学的闫勇教授为核心的科研小组，近些年在这方面的研究取得了很大进展，无论是 在煤粉识别方面还是在生物质燃料识别方面均得到不错的识别效果h 1 3 2 3 4 1 。北京 航空航天大学的徐利军教授在英k e n t 大学与该小组合作研究表明，使用数字信号 处理( d s p ) 和模糊推理技术可以完成在燃料的在线识别。一个包含三个光电二极管 的火焰检测器被用来通过可见光波段获取覆盖了从红外线到紫外线宽度的火焰光谱 的多重信号，高级数字信号处理和模期推理技术得以发展并月来在时域和频域来辨 识火焰的动态“指纹”并最终能够辨识所燃烧煤的种类。使用由英国的r w el n n o yp l c 操作的o 5 m w 。h 燃烧检测装置进行了一系列的实验，在时域和频域的不同特征被从 八种煤的火焰信号中提取出来。其中的六个特征被发现对于燃料辨识是有效的，基 于模糊推理的软测量技术被成功地用于将特征融合并推断所燃烧煤的种类。在 第一章绪论 0 5 m w t h 燃烧检测装置上进行了一系列的实验来证明在稳定燃烧状态下系统能够辨 识八个种类的煤并有平均9 1 8 的成功率d 钉n 1 。 1 4 本文研究思路和主要内容 1 4 1 本文研究思路 从前面的文献分析可知，由于种种局限，传统的燃料识别技术很难大规模的应 用于，基于火焰检测技术的燃料识别技术往往使用了太多的数字信号处理算法，在 现阶段也难以实时的跟踪炉膛内的变化。本文通过自制的以光电二极管为检测探头 的火焰检测器从沉降炉采集火焰信号，通过简单的信号处理，可以有效的识别各种 单煤和构成较为简单的混煤。无论是成本还是计算时间都可以满足电厂锅炉的需要， 特别是中小型锅炉和某些工厂的动力车间锅炉。同时，获得燃烧煤种的发热量也是 燃料识别的目的之一，本文对如何通过火焰光谱预测未知煤种的发热量做出了研究， 取得了一些成果。 1 4 2 主要内容 本文主要内容如下： 第一章介绍了课题的意义和背景、文献综述以及本文的主要思路和研究内容。 主要介绍了传统燃料识别技术和基于火焰检测的燃料识别技术以及该技术国内外研 究现状 第二章介绍了实验装置，包括实验平台的介绍，自制的火焰检测系统的介绍和 燃煤的各种物理参数的介绍。 第三章介绍了煤种的快速识别办法，包括算法余绍和该算法应用于单煤识别、 组分不同的混煤识别、组分相同混比不同的混煤的识别的结果，并给出作者的一些 结论。 第四章介绍了关于预测未知煤种发热量的一些探讨，分别得到了在未知煤种的 挥发份含量或固定碳含量已知的情况下煤种发热量和火焰光谱平均响应之间的关系 9 浙江大学硕士学位论文 以及利用b p 神经网络计算未知煤种的发热量。 第五章是对全文的总结和对以后研究的展望。1 本课题的研究受到国家自然科学基金重点项目一燃煤锅炉关键参量检测与燃烧 控制中的基础理论研究的支持，研究方向为煤的发热量的实时监测，这部分由本人 和迟天阳博士共同完成。其中，本人的研究方向为煤种的快速识别，迟天阳博士的 研究方向为燃料识别和着火特性研究。两人共用一套实验装置采得同样的实验数据， 但是分析处理侧重于两个不同的方向，所使用的方法手段不相同，所选用的实验数 据也有差别，但在实验装置和实验煤种的选择上与迟天阳博士所发表的论文中所提 到的是一样的。 l o 第二章实验装置及实验煤种 第二章实验装置及实验煤种 本章介绍本文所涉及到的硬件系统，包括自制的火焰检测系统，浙江大学热能 所的沉降炉实验平台以及煤的各种工业参数的介绍。其中，本章介绍到的火焰监测 系统、沉降炉实验平台以及煤种的工业参数分析迟天阳博士在她的博士学位论文n 钉 中也有提及，所有的硬件系统课题组共同使用。 2 1 火焰检测系统 一般的锅炉控制系统结构图如图2 1 所示，虚线框部分为锅炉的主体。传统的 控制方案一般是分别检测温度、压力等传统工业检测参数，综合这些参数来控制锅 炉的一次风、二次风以及进煤量等来保证锅炉安全稳定的运行幢1 l i e j 1 3 。这样的系统 已经使用多年，在工作状况和燃煤变化不大时可以稳定的控制锅炉的运行。但是如 第一章的研究背景所述，大部分电厂的燃煤经常变化，检测这些传统的工业参数往 往滞后严重，因此这种系统已经不能完全满足需要。基于此，本文提出一种从炉膛 直接检测火焰信号，通过分析火焰信号对锅炉实时控制的系统，该系统的核心就是 火焰检测部分。 锅炉 图2 1 锅炉控制系统结构图 本文的火焰检测系统是自制的，包括火焰检测探头、信号处理转换电路、数据 采集系统、计算机。其中，火焰检测探头检测炉膛内的火焰信号，通过转换电路把 火焰信号转换成电信号，在通过数据采集卡将电信号转换成数字信号进入计算机处 浙江大学硕士学位论文 理，计算机经过处理输出连入锅炉控制系统，为锅炉控制系统服务。 2 1 1 火焰检测探头 本文的火焰检测探头由4 个不同波段的光电二极管组成，并且封装在一个自制 的金属探头中，可以风冷和水冷。4 个光电二极管的具体响应及参数如下： 1 ) s ip i n 光电二极管g t l 0 2 ，该光电二极管的响应波长为4 0 0 n m l1 0 0 n m ，其特 点是平面正照结构、快速响应、低暗电流、高响应度、高可靠性。最大工作电压 为4 0 v ，对电流一般无特殊要求b 。其光谱响应曲线如图2 2 所示： o 响0 应 度0 0 j - 一 一 ，r 、 ，t 。l ， t ， 一一 4 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 波长( r i m ) 图2 2g t l 0 2 光谱响应曲线 为表述方便，下文涉及s ip i n 光电二极管g t l 0 2 时用p 1 代指。 2 ) 大面积光电探测器g d 3 5 6 2 t ，该探测器是基于i n g a a s i n pm o c v d 结构的平 面型近红外光敏面积探测器，响应波长为9 0 0 n m 一1 7 0 0 n m ，峰值波长为1 5 5 0 n m 。 其特点是高响应度、大光敏面积、低噪声、高可靠性能。该光电二极管的最大工 作电压为6 v ，最大工作电流为1 0 m a 引。其光谱响应曲线如图2 3 所示： 1 2 l 巍8 薹瞄 铡囊。4 溯 锈曩2 o 麟雠嫩 i 姗；鞴i 蜘l 瓣l 嬲瑚 悫绞爱 汹 图2 3g d 3 5 6 2 t 光谱响应曲线 第二章实验装置及实验煤种 为表述方便，下文涉及大面积光电探测器g d 3 5 6 2 t 时用p 2 代指。 3 ) 硫化铅红外探测器m g 9 2 0 1 ，该探测器是将硫化铅元件封装在晶体管壳内，充以 干燥的氮气或其他惰性气体，可以在高温、潮湿的条件下工作，且性能稳定可靠， 加滤光片后可以调节光谱范围。其响应波长为1 8 0 0 n m - - 3 2 0 0 n m ，工作条件为电 压不大于2 5 v 。硫化铅探测器总的光谱响应曲线如图2 4 所示( 图为整个硫化铅 探测器系列总的响应曲线) d 钉“们： 10 1 0 l0 9 l0 0 1o r ， 厂 l ，_ _ 、 ，7ni f 、- l l f 1 f 【 、 r - rj ， l- 一， i l 、 ll l l12 5 c 一1 9 6 、 2 5l f 、 i l 23 4 ) 图2 4m g 9 2 0 1 光谱响应曲线 为表述方便，下文涉及硫化铅红外探测器m g 9 2 0 1 时用p 3 代指。 4 ) 室温锑化铟红外探测器m g 9 7 0 4 ，该探测器广泛用于红外成像系统，林火检测， 气体分析等。其响应波长为2 0 0 0 n m - - 7 0 0 0 n m ，工作条件为最大电流不超过 1 0 m a ，整个锑化铟系列探测器的光谱响应曲线如图2 5 所示町似： 3，nlz薯2d毯霹鞲 浙江大学硕士学位论文 美 、- 乏j 僻 簧 娶 l a s b 红外探测器光谱分布 图2 5 锑化铟系列探测器的光谱响应曲线 为表述方便，下文涉及室温锑化铟红外探测器m g 9 7 0 4 时用p 4 代指。 以上四个光电二极管以及驱动转换电路板封装在一个自制金属探头内，探头的 结构尺寸如图2 6 所示： - 5 0 m m f 图2 6 钢管结构图 其中整个装置可以加上密闭外壳，可以对探头进行风冷和水冷。 2 1 2 驱动及转换电路 由于每个光电二极管的特性不同，因此各个光电二极管需要各自的驱动以及转 换电路，以便实现把光电二极管所采集的光信号转换为电信号。另外，由于各个光 1 4 第二章实验装置及实验煤种 电二极管的驱动电压也不同，因此需要电源模块的设计。 1 ) 电源模块 由于光电二极管g d 3 5 6 2 t 的最大工作电压为6 v ，所以g d 3 5 6 2 t 的供电电源 选取5 v 直流电源，另外，m g 9 2 0 1 和m g 9 7 0 4 的信号处理电路需要用到运算放大 器，所以需要正负1 5 v 的电源，而光电二极管g t l 0 2 的最大工作电压为2 5 v ，因 此g t l 0 2 也采用1 5 v 的电源供电。从以上方面考虑，实验电路需要用到的供电电 源需要正负1 5 v 的直流和5 v 的直流。采用实验室的电源器把2 2 0 v 的交流电转换 成2 4 v 的直流电，再用电源模块s r 2 4 d 1 5 s 5 把2 4 v 的直流电分别转换成正负1 5 v 以及5 v 的直流电。电路中的各个电容其滤波，减纹波等作用。其电路图如图2 7 所示。 d c d c i l! v m l t l 3ltl 十l 白 ：= 一1 7t - - - 】c 2 0 p o w e r _ j 14 f u ft 1 叩0 1 i g n d i th z n c l 3 = - c 1 4 - 下- - m c 证l s 占- - l - - - l o z o d o , ； 2 ，仁 1 0 0 0 l l f o l u f v o t 吐2 3 p i n2 v o t 吐3 6 ： 厂一 v 缸 7士! ，占： c o m lr 1 “ i 1 0 8 8 u sr2,4disssb 图2 7 电源模块电路图 2 ) 硫化铅红外探测器m g 9 2 0 1 的驱动及信号转换电路 由于m g 9 2 0 1 的灵敏度比较低，导致直接输出信号比较小，因此必须通过运算 放大器放大才能进入数据采集卡。因此m g 9 2 0 1 的驱动以及信号处理电路多了一个 放大部分。m g 9 2 0 1 的工作电压要求小于2 5 v ，实验中采用1 5 v 的电源给电路供电， 实验结果证明m g 9 2 0 1 在1 5 v 电源的驱动下工作正常。其电路图如图2 8 所示 该电路由s 2 、s 4 、s 6 和r 2 、r 4 、r 6 组成一个电阻选择网络，目的是测定不 同的实验对象时的选用不同阻值的电阻，使输出在合适的范围内。因为在不同的实 验对象下，m g 9 2 0 1 的输出相差很多，因此需要改变与其串联的电阻以使其的输出 n l l 达到要求。a r 2 为运算放大器，起电压跟随所用，其主要作用是匹配a r 4 的 输入阻抗。r 8 、r il 和c 6 、c 8 构成2 阶低通滤波电路。r 1 2 和由r 1 3 、r 1 4 、r 1 5 组成的电阻选择网络以及运算放大器a r 4 构成信号放大部分，作用是将信号n il 浙江大学硕士学位论文 放大，进入数据采集卡。本实验中的运算放大器全部采用l f 3 5 6 n 。由r 1 3 、r 1 4 、 r 1 5 组成的电阻选择网络主要决定m g 9 2 0 1 直接产生的信号n l l 的方大倍数，一般 来说选取2 一3 倍即可，不宜太大。放大倍数太大会造成输出信号o u t l 超过数据采 集卡能够接收的最大电压。 7 图2 8m g 9 2 0 1 的驱动及信号转换电路电路图 3 ) 锑化铟红外探测器m g 9 7 0 4 的驱动及信号转换电路 m g 9 7 0 4 与m g 9 2 0 1 属于同一类产品，因此两个二极管的驱动电路相似，对应 的电阻电容以及运算放大器的功能也是相同的。其电路图如图2 ，9 所示 但是m g 9 7 0 4 要求工作的最大电流不能超过1 0 m a ，因此采用1 5 v 电源对其供 电时，与m g 9 7 0 4 串联的电阻最小不能小于1 5 k ，因此最小电阻r 5 的阻值取2 k 。 实验结果证明，一般的对象下，选用r 5 就能满足实验要求。 1 6 第二章实验装置及实验煤种 图2 9m g 9 7 0 4 的驱动及信号转换电路电路图 4 ) 大面积光电探测器g d 3 5 6 2 t 的驱动及信号转换电路 前面已经介绍过，光电二极管g d 3 5 6 2 t 的最大工作电压为6 v ，所以它的供电 电源采用5 v ，g d 3 5 6 2 t 对工作电流的大小没有特殊的要求，因此它的驱动以及信 号处理电路比较简单，其电路图如图2 1 0 所示。r 2 0 与c 1 6 构成一阶滤波电路，光 电二极管工作时d 3 处于导通状态，与后面的r 2 2 与s 1 6 、s 1 7 、s 1 8 和r 2 6 、r 2 7 、 r 2 8 组成一个电阻选择网络串联。通过实际条件测定，把r 2 7 偏置到最小置0 刚好 满足实验条件，因此在本文所涉及到的实验中，r 2 7 都为0 。 。蚴n ，l d - ，l ，勉 q 口1 j 一 s w s p s l r s 1 7 r e 2 0 0 嘶劢 放 骠。8 p 盯 l o 缸 7 一 8 1 8 ，嬲 ( 芒- 图2 1 0g d 3 5 6 2 t 的驱动及信号转换电路电路图 5 ) s ip i n 光电二极管g t l 0 2 的驱动及信号转换电路 g t l 0 2 要求工作电压小于4 0 v ，本实验电路中采用1 5 v 的电源供电，因此从光 电二极管的安全角