電力試驗(yàn)技術(shù)叢書[共21頁]

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1、 第二章 鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)試驗(yàn) 第一節(jié) 簡介 1.1 汽包水位測量的重要性 鍋爐汽包水位是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要安全性指標(biāo)。水位過高或急劇波動會引起蒸汽品質(zhì)的惡化和帶水，造成受熱面結(jié)鹽，嚴(yán)重時會導(dǎo)致汽輪機(jī)水沖擊、損壞汽輪機(jī)葉片；水位過低會引起排污失效，爐內(nèi)加藥進(jìn)入蒸汽，甚至引起下降管帶汽，影響爐水循環(huán)工況，造成鍋爐水冷壁爆管。由于汽包水位測量和控制問題而造成的上述惡性事故時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅火電廠機(jī)組的正常運(yùn)行和安全。 鍋爐運(yùn)行中，我們主要通過水位測量系統(tǒng)監(jiān)視和控制汽包水位。當(dāng)汽包水位超出正常運(yùn)行范圍時，通過報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，同時保護(hù)系統(tǒng)動作采取必要的保護(hù)措施，以確保鍋

2、爐和汽輪機(jī)的安全。 1.2 汽包水位測量的基本方法 目前，從鍋爐汽包水位測量的基本原理看，廣泛使用的主要是聯(lián)通管式和差壓式兩種原理的汽包水位計(jì)。由于鍋爐汽包水位計(jì)對象的復(fù)雜性，以及聯(lián)通管式和差壓式測量原理的固有特性，決定了汽包水位測量的復(fù)雜性以及實(shí)際運(yùn)行中存在的不確定因素，一致多個汽包水位計(jì)常常存在較大偏差，容易釀成事故。根據(jù)新版《火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》DRZ/T 01－2004規(guī)定： 1) 鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)的配置必須采用兩種或以上工作原理共存的配置方式，以防止系統(tǒng)性故障。鍋爐汽包至少應(yīng)配置 1 套就地水位計(jì)、3 套差壓式水位測量裝置和 2 套電極式水位測量裝置

3、。 2) 應(yīng)嚴(yán)格遵循鍋爐汽包水位控制和保護(hù)獨(dú)立性的原則，最大限度地減少故障風(fēng)險，并降低故障停機(jī)幾率。 3) 汽包水位保護(hù)和控制的測量系統(tǒng)至少應(yīng)按三重冗余的原則設(shè)計(jì)。 4) 汽包水位至少配置兩種相互獨(dú)立的監(jiān)視儀表。 5) 鍋爐汽包水位控制應(yīng)分別取自 3 個獨(dú)立的差壓變送器進(jìn)行邏輯判斷后的信號。 6) 鍋爐汽包水位保護(hù)應(yīng)分別取自 3 個獨(dú)立的電極式測量裝置或差壓式水位測量裝置 ( 當(dāng)采用 6 套配置時 ) 進(jìn)行邏輯判斷后的信號。當(dāng)鍋爐只配置 2 個電極式測量裝置時 , 汽包水位保護(hù)應(yīng)取自 2 個獨(dú)立 的電極式測量裝置以及差壓式水位測量裝置進(jìn)行邏輯判斷后的信號。3 個獨(dú)立的測量裝置輸出的信

4、號應(yīng)分別通過 3 個獨(dú)立的I/O模件引入 DCS 的元余控制器。 7) 汽包水位測量信號應(yīng)采取完善的信號判斷手段，以便及時地報(bào)警和保護(hù)。 只有深刻理解上述兩種鍋爐汽包水位的測量原理及其誤差的成因，才能清醒的指導(dǎo)鍋爐汽包水位測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)。下面就對聯(lián)通管式和差壓式水位計(jì)的測量原理進(jìn)行分別介紹。 1.3 聯(lián)通管式汽包水位計(jì)測量原理 聯(lián)通管式水位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單 , 顯示直觀 , 如圖 1 所示 , 它可以做成僅僅在就地顯示的云母水位計(jì) ( 包括便于觀察的雙色水位計(jì) ) , 也可以采取一些遠(yuǎn)傳措施 , 如在水位計(jì)中 加電接點(diǎn)或用攝像頭等構(gòu)成電極式水位計(jì)或工業(yè)電視水位計(jì)等。但

5、就其原理來說 , 都是屬于聯(lián)通管式測量原理。。其中云母水位計(jì)常用于連接水位電視；電接點(diǎn)水位計(jì)有時被用于保護(hù)回路。 圖1：聯(lián)通管式水位計(jì)原理圖 就地雙色牛眼水位計(jì)分別于汽包內(nèi)的水側(cè)和汽側(cè)相連，汽包內(nèi)下部的水溫是汽包壓力下的飽和水溫度，汽包內(nèi)上部的蒸汽溫度是汽包壓力下的飽和蒸汽溫度,飽和蒸汽通過連通取樣管進(jìn)入水位計(jì)上部，由于就地水位計(jì)周圍的環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于汽包壓力下的飽和蒸汽溫度，使蒸汽不斷凝結(jié)成水，水溫接近飽和溫度，水溫沿高度逐步降低，凝結(jié)水由連通管流入汽包。若能在水位計(jì)上沿測量筒高度裝設(shè)若干溫度測點(diǎn)，就能求出筒中水的平均溫度tav,并得出水的平均密度ρa(bǔ)v。由于

6、ρa(bǔ)v和飽和水密度ρw不同，就形成了云母水位計(jì)指示值He和汽包實(shí)際水位H的差異，這個差值可由下式求得： (2-1) 其中ρw和ρs為汽包工作壓力下的飽和蒸汽溫度和飽和水密度。但是ρa(bǔ)v和水位高度、汽包工作壓力、環(huán)境溫度及測量筒散熱情況等有關(guān)，其數(shù)值很難確定。 為減小水位計(jì)內(nèi)水柱溫降帶來的測量誤差，有時在水位計(jì)本體內(nèi)加裝蒸汽加熱夾套，由水位計(jì)汽側(cè)連通管引入蒸汽，以使水柱溫度接近于鍋爐汽包工作壓力下的飽和溫度。為了防止鍋爐壓力突降時水柱沸騰而影響測量，從安全方面考慮，測量室內(nèi)的水柱溫度還應(yīng)有一定的過冷度。 1.4 差壓式水位計(jì)測量原理 平衡容器(單室平衡容器、雙室平衡

7、容器和中間抽頭式平衡容器)。其中單室平衡容器是大機(jī)組常用的測量方式，有一些小機(jī)組上使用其它兩種形式的平衡容器。單室平衡容器結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，但受現(xiàn)場環(huán)境影響較大，如保溫、補(bǔ)償?shù)?；中間抽頭式平衡容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能夠消除部分由環(huán)境溫度造成的影響，在零水位附近有較好的補(bǔ)償效果，但易受汽包壓力突降的影響，引起正壓側(cè)的水柱沸騰。 圖2：簡單平衡容器的測量原理圖 圖3：雙室平衡容器的測量原理圖 根據(jù)實(shí)際情況，我們重點(diǎn)研究一下常用的單室平衡容器的測量原理。 （2－2） （2－3） 上面兩式相減得： （2－4） 整理得： （2－5）

8、 其中是實(shí)際水位 ――凝結(jié)水的密度 ――相應(yīng)汽包壓力下的飽和汽的密度 ――相應(yīng)汽包壓力下的飽和水的密度 ――下取樣管至汽包零水位的距離 ――水位変送器測的差壓信號 由于和只隨汽包壓力變化，而且影響較大，因此要進(jìn)行汽包水位的汽包壓力補(bǔ)償；受環(huán)境溫度的影響，一般情況取50℃為基準(zhǔn)，但影響較?。缓虷是平衡容器的設(shè)計(jì)安裝尺寸，應(yīng)按照制造廠提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對，為與實(shí)際相符，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場核對。 第二節(jié) 汽包水位計(jì)的測量誤差分析 2.1 差壓式水位計(jì)測量水位誤差分析 從式（2－5）可以看出，平衡容器的安裝尺寸、汽包壓力、參比水柱平均溫度等參數(shù)影響汽包水位的測量誤差，下面就從這幾個方面入

9、手進(jìn)行分析： a) 差壓式水位計(jì)正壓側(cè)平衡容器參比水柱溫度變化是比較常見的造成水位測量誤差的原因。爐頂汽包小間春夏秋冬溫度變化大，而在典范的差壓式水位計(jì)壓力補(bǔ)償計(jì)算公式中，平衡容器內(nèi)不飽和水密度被固定為50℃或80℃時的密度值，因而造成示值偏差。 由式（2－5）可以得出，由于參比水柱溫度變化引起的水位測量偏差如下： （3－1） 雖然環(huán)境溫度受環(huán)境溫度的影響較大，但從總體上看，環(huán)境溫度的變化不會太大，按照正常的保溫和安裝條件，該參比水柱平均溫度變化范圍一般不會超過150℃，通過查水和水蒸汽的密度表可以得出不同溫度下的密度差受汽包壓力的變化影響較小，主要與偏離設(shè)定值的大小有關(guān)系見

10、圖4；但隨著機(jī)組負(fù)荷的上升隨汽包壓力的增加逐漸減小，所以形成的水位偏差會逐漸增大，如圖5所示。 圖4：參比水柱密度隨溫度、壓力變化曲線 圖5：水位偏差隨汽包壓力變化曲線 以H＝0.7m, 參比水柱溫度從40℃～80℃變化為例計(jì)算。 當(dāng)汽包壓力為18Mpa時，=34.68mm 當(dāng)汽包壓力為10Mpa時，＝22.6mm b) 汽包水位差壓變送器安裝位置離水位平衡容器過遠(yuǎn)及儀表管過長，受伴熱和保溫不均勻等因素影響較大，可引起示值遲緩和偏差。 c) 差壓式水位計(jì)汽、水取樣開孔部位不當(dāng)，汽包內(nèi)汽、水的熱動力分布場變化的影響會引起示值偏差。 d) 測量裝置的機(jī)械原因造成的差壓變

11、化影響，如滲水、平衡容器的安裝高度與計(jì)算高度誤差均會造成測量誤差。 2.2 聯(lián)通管水位計(jì)測量誤差分析 1.1.2 云母水位計(jì)的誤差產(chǎn)生原因 就地雙色牛眼水位計(jì)是裝在汽包本體上的直讀式水位計(jì)，主要是按連通器原理工作的；一般作為遠(yuǎn)傳電視監(jiān)視系統(tǒng)用，在集控室可以直接監(jiān)視就地雙色牛眼水位計(jì)的指示。水位表中多余的水通過水側(cè)取樣管流回汽包。水位計(jì)中的水受環(huán)境的冷卻，其平均溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度。導(dǎo)致水位計(jì)中的水的密度大于汽包內(nèi)的飽和水密度，從而水位計(jì)中的水位低于汽包內(nèi)的水位，造成測量誤差。 由式（2－1）可以得出水位計(jì)的偏差為： (3-2) 由 (2 - 2) 式可以看出 ,

12、 水位測量偏差與水位計(jì)管內(nèi)水柱溫度、汽包工作壓力以及了汽包內(nèi)的實(shí)際水位等多種因素有關(guān) 反措提供的的正常水位示值和汽包實(shí)際零水位的差值如下表所示： 汽包壓力（Mpa） 16.14～17.65 17.66～18.39 18.40～19.60 △h（mm） －76 －102 －150 a) 汽包壓力。隨著汽包壓力的增加 , 相應(yīng)飽和溫度升高 , 冷卻效應(yīng)加劇 ,水柱平均溫度與飽和溫度的差值增大。汽包壓力在額定工況下、汽包水位處于正常水位時 , 聯(lián)通管式水位計(jì)的平均溫度低于飽和溫度的數(shù)值一般為 : 中壓爐 50 -60℃, 高壓爐 60 - 70℃,超高壓及以上鍋爐 70 -

13、80℃ 以上。 汽包工作壓力變化時 , 除了導(dǎo)致水位計(jì)管內(nèi)水柱溫度變化 , 即ρa(bǔ)變化而影響水位計(jì)水位顯示值外 , 還會引起pw、 ps 的變化而使測量產(chǎn)生偏差。當(dāng)汽包內(nèi)實(shí)際水位 H 值一定時，壓力愈高 , 1△H I 值愈大 ; 壓力愈低 , I△H I 值愈小。 如果汽包正常水位設(shè)計(jì)在 H0 =300mm , 而且運(yùn)行時實(shí)際水位恰好在正常水位線上 ,則水位計(jì)的示值偏差 : 在壓力 P=4.0MPa時 ,△H = - 59.6mm; 在壓力 p= 10 MPa 時,△H = - 97.0mm; 在壓力 P＝14MPa 時,△H=-122.3mm;在壓力 p=16MPa時,△H=-13

14、6.9mm,可見每升高1Mpa時，一般聯(lián)通管時式水位計(jì)的示值偏差的變化平均為－6.5mm左右。 b) 汽包水位。高水位時 , 由于水位計(jì)中水柱高度增加 , 散熱損失增加 , 同時汽柱高 度減少 , 蒸汽凝結(jié)量減少 , 因此 , 水柱的平均溫度較正常水位時低 , 與飽和溫度的差值增大 ; 反之 , 低水位時 , 差值減少。據(jù)有關(guān)資料介紹 , 水位變化土 50mm 時平均水溫較正南水位時約有 16 - 24℃ 的變化。 當(dāng)汽包工作壓力為一定值時 , 汽包內(nèi)的實(shí)際水位也會對水位測量產(chǎn)生偏差 , 由 (2 -2) 式不難看出 , 偏差 △H 與實(shí)際水位 H 成正比 ,H 值愈大 , I△H I

15、值愈大 ;H 值愈小，I△H I 值也愈小。根據(jù)上海鍋爐廠提供的資料 , 對于亞監(jiān)界鍋爐 (18.4 - 19.6MPa) 在額定壓力下 ,汽包水位計(jì)的零水位要比 汽包內(nèi)實(shí)際正常水位低150mm, 也就是說 ,當(dāng)H=300mm 時,△H=-150mm ;當(dāng)H＝0mm時，近似偏差△H＝0mm;但是當(dāng)H=600mm時，近似偏差高達(dá)－300mm。如果將水位計(jì)下移150mm，雖然在正常水位偏差消除了，當(dāng)高水位和低水位時，誤差仍將很大。 c) 汽包壓力的變動速度。由于水位計(jì)有熱慣性 , 所以水位計(jì)水側(cè)平均溫度變化滯后于汽包壓力變化 , 滯后于汽包內(nèi)飽和水溫的變化 , 造成動態(tài)過程中產(chǎn)生偏差 , 表現(xiàn)在

16、鍋爐啟動升爐過程中 , 水位計(jì)水側(cè)平均溫度竟低于飽和溫度達(dá) 120℃。 d) 表體結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、風(fēng)向等因素影響水位計(jì)散熱條件 , 從而影響到水位計(jì)的溫度。 e) 由于牛眼水位計(jì)間斷測量，造成測量誤差。 綜上所述 , 云母水位計(jì)受管內(nèi)水柱平均溫度、汽包內(nèi)的壓力、水位、壓力變化率等諸多因素影響而變化 , 致使水位測量產(chǎn)生較大的、且變化十分復(fù)雜的偏差。與飽和溫度的差愈大 , 則偏差愈大 , 水位計(jì)顯示值愈低于實(shí)際水位值。 2.3 電接點(diǎn)水位計(jì)的誤差產(chǎn)生原因 電接點(diǎn)水位計(jì)也是裝在汽包本體上的直讀式水位計(jì)，也是測量汽包水位的傳統(tǒng)式儀表。測量筒體上裝有電接點(diǎn)，電接點(diǎn)水位計(jì)是根據(jù)蒸汽和水

17、的電阻不同進(jìn)行測量的，同時遠(yuǎn)傳到集控室通過二次儀表進(jìn)行顯示。同牛眼水位計(jì)一樣是按連通器原理工作的。 a) 測量筒體中的水受環(huán)境的冷卻，其平均溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度。導(dǎo)致水位計(jì)測量筒體中水的密度大于汽包內(nèi)的飽和水密度，從而水位計(jì)中的水位低于汽包內(nèi)的水位，造成測量誤差。 b) 由于電接點(diǎn)水位計(jì)間斷測量，不能連續(xù)測量，造成測量誤差，若減少間斷測量誤差，需要在測量筒上多開孔，但受測量筒材質(zhì)和強(qiáng)度的限制，因此電接點(diǎn)水位計(jì)的間斷測量誤差不可避免。 c) 電接點(diǎn)水位計(jì)本身無壓力補(bǔ)償功能，造成只能是定點(diǎn)準(zhǔn)確。 第三節(jié) 水位變送器量程計(jì)算及校驗(yàn) 由于鍋爐在出廠時均提供了平衡容器的的安裝尺寸

18、即H和h已知, 為保證汽包水位變送器的量程能夠滿足全程測量,一般計(jì)算水位變送器的量程計(jì)算按照壓力為0MPa計(jì)算，根據(jù)公式（2－4） 假設(shè)：H＝1000，h=400， 經(jīng)查表得： 根據(jù)上述計(jì)算看出，變送器的差壓值只要在與之間即可，由于現(xiàn)在的汽包水位計(jì)算均在DCS內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，不需要差壓值與顯示的汽包水位一一對應(yīng)，為工作方便，一般將變送器的量程取稍大于所需量程的整數(shù)，如上述的變送器量程就可以取為1000。 第四節(jié) 水位測量系統(tǒng)傳動試驗(yàn) 試驗(yàn)方法與步驟： 1. 試驗(yàn)條件： l 三臺汽包水位變送器檢驗(yàn)合格，變送器復(fù)裝完畢，投入運(yùn)行。 l 機(jī)組DCS系統(tǒng)

19、調(diào)試、試驗(yàn)完畢。 l 機(jī)組MFT吹掃復(fù)位，鍋爐未點(diǎn)火。 l 汽包就地水位計(jì)投入。 l 機(jī)組汽水、凝水系統(tǒng)具備投運(yùn)條件。 l 解除汽包水位高、低保護(hù)。 2. 試驗(yàn)步驟： 開啟電動給水泵系統(tǒng)，利用給水旁路系統(tǒng)為鍋爐汽包上水。 2.2.2 當(dāng)汽包水位上至就地水位計(jì)可視范圍時，調(diào)整水位電視系統(tǒng)，使就地水位計(jì)達(dá)到最佳效果。 2.2.3 當(dāng)汽包水位上至就地水位計(jì)可視上限以上時，打開三臺水位變送器的汽側(cè)排污門，聯(lián)系運(yùn)行鍋爐繼續(xù)上水。 2.2.4 當(dāng)三臺水位變送器的汽側(cè)排污門有連續(xù)的水流，并且三臺水位變送器的水位指示開始變化時，聯(lián)系運(yùn)行停止鍋爐上水。 2.2.5 聯(lián)系運(yùn)行打開汽包放水門，開

20、始放水。 2.2.6 放水至就地水位計(jì)可視范圍時，三臺汽包水位變送器指示之間及三臺變送器與就地水位計(jì)的指示應(yīng)小于30mm，并且指示連續(xù)下降。 2.2.7 當(dāng)汽包水位放至零水位左右時，停止汽包放水。 2.2.8 投入汽包水位高、低保護(hù)。 2.2.9 聯(lián)系運(yùn)行進(jìn)行汽包上水。 2.2.10 當(dāng)任一汽包水位變送器顯示至＋100mm時，“汽包水位異?！惫庾峙瓢l(fā)聲光報(bào)警。 2.2.11 當(dāng)汽包水位上至＋250mm前，聯(lián)系運(yùn)行減慢上水速度，當(dāng)兩臺變送器指示達(dá)到＋250mm時停止上水，5S后，鍋爐MFT，首出指示為“汽包水位高M(jìn)FT”。 2.2.12 聯(lián)系運(yùn)行停止電動給水泵，打開汽包放水門，對汽

21、包放水。 2.2.13 當(dāng)汽包水位放至＋250mm以下時，對鍋爐MFT吹掃復(fù)位。 2.2.14 當(dāng)汽包水位放至－100mm時，“汽包水位異常”光字牌發(fā)聲光報(bào)警。 2.2.15當(dāng)汽包水位放至－300mm前，聯(lián)系運(yùn)行減緩放水速度，全關(guān)放水門，改用脈沖開。 2.2.16 當(dāng)有兩臺水位變送器指示達(dá)到－300mm時，停止放水，5S后，鍋爐MFT動作，MFT首出為“汽包水位低MFT”。 第五節(jié) 水位測量系統(tǒng)熱態(tài)比較試驗(yàn) 第三章 鍋爐爐膛火焰檢測 選3~4種類型的火焰檢測設(shè)備，結(jié)合其工作原理敘述冷態(tài)及熱態(tài)試驗(yàn)方法 第一節(jié) 概述 電站鍋爐燃燒的基本要求是在爐膛內(nèi)建立并持續(xù)穩(wěn)定、

22、均勻的燃燒火焰。燃燒火焰是表征燃燒狀態(tài)穩(wěn)定與否最直接的反映。燃燒不穩(wěn)定不僅會降低鍋爐熱效率，產(chǎn)生污染物、噪聲等，而且在極端情況下可能引起鍋爐爐膛滅火，如處理不當(dāng)就會誘發(fā)爐膛爆炸造成事故。為了預(yù)防這種潛在的危險必須進(jìn)行切實(shí)有效的燃燒診斷和火焰監(jiān)測。在電力生產(chǎn)行業(yè)中，隨著電站煤粉鍋爐容量的增大，蒸汽初參數(shù)的提高；大型電站煤粉鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性問題更加突出，對機(jī)組燃燒提出了很高的要求。因之，安全、可靠的燃燒診斷技術(shù)成為電廠安全運(yùn)行的重要條件和基本要求。 為了防止?fàn)t膛爆炸等惡性事故的發(fā)生，80年代以后，我國電站鍋爐開始裝設(shè)基于火焰光譜檢測的爐膛安全保護(hù)裝置。目前，普遍使用的火焰檢測器一般都為可見光

23、，紅外線檢測平均光強(qiáng)或同時檢測平均光強(qiáng)和閃爍頻率的雙通道型，為防止“偷看”，這類火檢器只能設(shè)計(jì)成較小的視角，并要求對準(zhǔn)煤粉初始著火區(qū)。由于煤種變化導(dǎo)致燃燒特征變化、探頭表面積灰結(jié)焦等原因，傳統(tǒng)的可見光型火焰檢測裝置誤動、拒動問題時有發(fā)生，給機(jī)組的安全帶來隱患。在這樣的情況下，研究新型、準(zhǔn)確、及時的燃燒診斷技術(shù)刻不容緩。 煤粉燃燒是一個復(fù)雜的多相反應(yīng)過程，燃燒過程脈動異常劇烈，燃燒過程中伴隨著連續(xù)不斷進(jìn)行的傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)過程，不斷發(fā)生著碳和碳氧化合物與氧的離解、復(fù)合，不斷地產(chǎn)生二氧化碳、水蒸氣等氣體產(chǎn)物并釋放出熱量。鑒于煤粉燃燒過程的這種強(qiáng)烈的不平衡過程特征，要求所采取的參數(shù)場測量方法

24、要有足夠高的響應(yīng)速度來跟蹤燃燒過程的變化；其次，鍋爐燃燒系統(tǒng)爐內(nèi)溫度可達(dá)1400~1600℃，如采用接觸測溫方式，所使用的測溫介質(zhì)要求能夠承受高溫環(huán)境，還要求能夠經(jīng)受長時間連續(xù)運(yùn)行的考驗(yàn)。我們知道，火焰的時序脈動是燃燒過程的一個重要特性，因此必須對燃燒全過程進(jìn)行時間序列測試，以揭示過程物理量的時間特征，并為控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)提供定量的依據(jù)。另外，電站鍋爐的爐膛具有尺寸龐大的特點(diǎn)，采用接觸式測量存在著布點(diǎn)的困難，而非接觸式測量方法則往往不能獲得特定點(diǎn)的溫度參數(shù)，其獲得的測量值往往只是沿程平均的“投影值”或者某區(qū)域的總體平均值；對于電站鍋爐爐膛火焰這樣大型的測溫對象，三維溫度場測量要綜合考慮測量方

25、法、測點(diǎn)的布置及安裝、設(shè)備成本及運(yùn)行成本、算法的實(shí)時性、系統(tǒng)維護(hù)工作量等問題，目前還較少有成熟的測溫技術(shù)和成功的應(yīng)用實(shí)例見諸文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，因此有必要引入新的測量手段進(jìn)行開發(fā)研究。 采用彩色CCD攝像機(jī)和圖象處理技術(shù)系統(tǒng)對燃燒火焰進(jìn)行參數(shù)場測量和燃燒診斷是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性和廣闊應(yīng)用前景的新興技術(shù)。它是隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和數(shù)學(xué)計(jì)算方法的進(jìn)展而發(fā)展起來的。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外的研究者把眼光投向了可視化的燃燒監(jiān)控領(lǐng)域?；鹧鎴D像最初是作為一種火焰監(jiān)控的輔助手段引入鍋爐檢測領(lǐng)域的。由于傳統(tǒng)的火焰檢測裝置誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象時有發(fā)生，可靠性不高，無法使運(yùn)行人員真正了解爐內(nèi)燃燒的真實(shí)情況

26、，從而更加無法合理組織燃燒。在工業(yè)CCD攝像機(jī)出現(xiàn)后，由于其具有耐灼傷、圖像清晰度高、工作穩(wěn)定可靠，對震動和沖擊損傷的抵抗力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此迅速在電廠以火焰電視（Flame TV）形式得到應(yīng)用，為鍋爐點(diǎn)火以及運(yùn)行調(diào)整提供了直觀的監(jiān)視功能。現(xiàn)在，火焰監(jiān)視在大容量機(jī)組中已經(jīng)成為必備的火焰監(jiān)測手段。我國1994年頒布的《火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（以下簡稱《規(guī)定》）中規(guī)定“容量為220t/h及以上鍋爐的安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具有鍋爐爐膛壓力保護(hù)、鍋爐火焰監(jiān)視及滅火保護(hù)功能”，《規(guī)定》中明確指出“容量為410t/h及以上鍋爐，宜裝設(shè)監(jiān)視爐膛火焰的工業(yè)電視；在容量670t/h及以下鍋爐，可采用

27、全爐膛火焰監(jiān)視和滅火保護(hù)；容量為1000t/h及以上鍋爐，宜采用單個燃燒器的火焰監(jiān)視和滅火保護(hù)”。充分說明了我國對爐膛火焰監(jiān)視對于電廠鍋爐運(yùn)行重要性的認(rèn)識。在火焰電視監(jiān)視得到廣泛應(yīng)用的同時，也暴露了其不能作為定量判斷依據(jù)，不能自動聯(lián)入自動控制系統(tǒng)的弱點(diǎn)。因此，跟蹤現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最新進(jìn)展，進(jìn)一步拓寬火焰監(jiān)視的內(nèi)涵，盡可能地發(fā)揮其性能，使火焰監(jiān)視由單純的保證鍋爐正常安全運(yùn)行的輔助手段向提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、降低污染物排放量、形成鍋爐燃燒在線診斷與調(diào)整專家系統(tǒng)等更高層次的引用領(lǐng)域延伸，已經(jīng)成為鍋爐安全監(jiān)控研究的重要內(nèi)容。 基于圖像處理的燃燒監(jiān)控系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的全爐膛火焰監(jiān)視，而是綜合了現(xiàn)代光學(xué)、計(jì)

28、算機(jī)技術(shù)、CT重建技術(shù)、優(yōu)化計(jì)算技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能技術(shù)在內(nèi)的智能化診斷系統(tǒng)。從目前爐膛火焰處理的研究和應(yīng)用情況來看，這是一項(xiàng)廣闊的新技術(shù)，研究者們通過努力研究已經(jīng)取得了可喜的初步成果。然而由于燃燒過程的復(fù)雜性，研究者們通過努力研究已經(jīng)取得可喜的初步成果。然而由于燃燒過程的復(fù)雜性，研究過程中遺留的問題還很多，特別是對于火焰可視化所追求的最終目標(biāo)——火焰溫度分布的三維重建——以及將火焰圖像信息聯(lián)入電廠運(yùn)行的診斷和控制系統(tǒng)，是研究者研究開發(fā)的主要目標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)的研究實(shí)際上才剛剛起步，還有大量的基礎(chǔ)性研究工作有待于深入進(jìn)行。 第二節(jié) 火焰檢測工作原理 2.1 煤粉火焰特性 煤粉火焰的檢測

29、和診斷都需要對其各種特性進(jìn)行研究，煤粉火焰的形狀及其輻射的各種能量是檢測其存在及判斷其穩(wěn)定性的主要依據(jù)。煤粉火焰的形狀及其空間分布與燃燒器的類型和布置有關(guān)。燃燒器一般有直流燃燒器和漩流燃燒器兩種。漩流燃燒器一般分列單個布置，火焰不會象直流燃燒器的那樣形成一旋轉(zhuǎn)的大火球，單個火焰檢測相對較為容易。 下面以漩流燃燒器來簡單說明一下火焰的輻射特性。如圖1所示，煤粉氣流剛 噴入爐膛中時有一個加熱過程，所以有一個燃料未燃區(qū)，它基本不發(fā)出輻射。隨著燃料被加熱，揮發(fā)份析出開始著火。著火區(qū)的輻射強(qiáng)度不是最強(qiáng)的，但火焰閃爍的頻率達(dá)到最大，并且輻射光譜中有一定的紫外線。而后焦炭粒子開始燃燒，發(fā)出明

30、亮的火焰，在燃燒的過程中這部分區(qū)域的輻射強(qiáng)度最大，但火焰頻率較低，產(chǎn)生的紫外線較少。隨著焦炭的燃盡，火焰溫度逐漸降低，形成火焰尾跡，這部分輻射以紅外輻射為主。在氣流組織良好的爐膛內(nèi)，煤粉粒子在1～2秒內(nèi)就可以燃盡，其中焦炭燃燒的時間約占90％。為了判別單個燃燒器的火焰的存在，一般將探頭對準(zhǔn)著火區(qū)。 下面分別介紹煤粉火焰的各種特性。 2.1.1 煤粉火焰的光譜分布特性 煤粉的燃燒過程可簡單地看作是氧化過程，這一過程主要發(fā)生在燃燒的基本區(qū)域。即靠近燃燒器的上游區(qū)（見圖1）。但是，在這燃燒區(qū)內(nèi)不可避免地存在大量未充分燃燒的中間產(chǎn)物。其濃度直接影響了火焰光譜的特征波長，因此

31、根據(jù)火焰的光譜分析可作為煤粉燃燒的重要依據(jù)，這就是用光學(xué)原理測量火焰的基礎(chǔ)。 燃燒火焰的輻射光具有強(qiáng)度和脈動頻率兩個特點(diǎn)。圖2是不同的煤粉濃度η（單位：Kg煤粉 / Kg空氣）下火焰的光譜分布曲線（光強(qiáng)－波長曲線）。顯然，在不 同的煤粉濃度下煤粉火焰的光譜分布曲線有著相似性，呈雙峰狀，即在5000和7800附近出現(xiàn)峰值，在6000―7000之間出現(xiàn)低谷，并且在低谷段內(nèi)火焰輻射強(qiáng)度隨火焰中煤粉濃度的降低而減少，呈明顯的正相關(guān)性，而兩個峰值段則無此現(xiàn)象。文獻(xiàn)[10]計(jì)算驗(yàn)證了火焰輻射強(qiáng)度與煤粉濃度之間的這種相關(guān)性。根據(jù)這種相關(guān)性不僅可確定火焰是否存在，而且可判斷燃燒火焰強(qiáng)度

32、與煤粉濃度的對應(yīng)關(guān)系，文獻(xiàn)[3]通過定性分析指出，燃燒火焰檢測應(yīng)在輻射波長6000～7000之間進(jìn)行，當(dāng)波長小于5500時燃燒火焰的信噪比很小， 而當(dāng)燃燒火焰波長大于7000時，周圍熱環(huán)境的輻射信號很強(qiáng)，檢測信號不能正確反映燃燒工況的變化。定量計(jì)算的結(jié)果也證明了這一論斷。 火焰脈動是煤粉火焰輻射光的另一個特點(diǎn)?；鹧孑椛涔鈴?qiáng)在平均光強(qiáng)（穩(wěn)定分量）上下波動（閃爍），脈動頻率大約幾千Hz。穩(wěn)態(tài)分量由燃燒的揮發(fā)份、火焰的大小以及周圍熱環(huán)境產(chǎn)生的光亮等因素決定，閃爍頻率的低頻分量（0—50Hz）是由于空氣動力場及對流引起的火焰形狀的波動；而高頻分量（>100 Hz）反映了中間產(chǎn)物的震動能和旋轉(zhuǎn)能的轉(zhuǎn)

33、換或者是反應(yīng)物的能量輻射率的變化，是燃燒正在進(jìn)行的標(biāo)志，根據(jù)脈動頻率也可判斷火焰的存在。 2.1.2 煤粉火焰的頻譜分布特性 煤粉火焰的頻譜分布特性是通過對火焰信號時間序列進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）獲得的。首先將探測到的火焰信號經(jīng)光電管及濾波放大轉(zhuǎn)化成0—9V電信號，通過采樣及A/D轉(zhuǎn)換，得到火焰信號的時間序列，根據(jù)穩(wěn)定燃燒工況和非穩(wěn)定燃燒工況的多組火焰信號的時間序列進(jìn)行頻譜估計(jì)計(jì)算，從而可得到穩(wěn)定或不穩(wěn)定工況下的頻譜分布圖（圖3）。從頻譜估計(jì)的結(jié)果看，非穩(wěn)定燃燒工況比穩(wěn)定燃燒工況下的譜值大，分布范圍也較寬。從量值的角度看，當(dāng)頻譜估計(jì)的結(jié)果顯示火焰的低頻波動能量變大時,表明燃燒的穩(wěn)定

34、程度趨于惡化（從上文可知，閃爍頻率的低頻分量（0～50Hz）是由于空氣動力場及對流引起的火焰形狀的波動而產(chǎn)生的）。因此，采用燃燒火焰頻譜分析特征判斷燃燒的優(yōu)劣更為可靠[2]。 燃料在爐膛燃燒過程中，其火焰將輻射出大量的能量，這些能量主要包括其光能（紫外光、可見光、紅外光等），熱能及聲波，所以有這些形態(tài)的能量構(gòu)成了檢測爐膛火焰存在的依據(jù)。然而，測量火焰中的哪部分能量來診斷爐膛火焰是否存在，直接關(guān)系到火焰檢測和燃燒診斷技術(shù)的應(yīng)用。為此，國內(nèi)外不少學(xué)者對之進(jìn)行了深入的研究，推動了火焰檢測技術(shù)的發(fā)展。 2.2 火焰檢測的原理和方法 2.2.1輻射強(qiáng)度檢測 其原理是用探頭

35、接收火焰發(fā)出的輻射，按其強(qiáng)度的大小判斷火焰的存在與否。煤粉火焰與油火焰的輻射光譜如圖2所示。由于檢測用的波段不同，又可分為紫外線、可見光、紅外線及全輻射火焰檢測。紫外線是煤粉著火初期產(chǎn)生的，所以用它可以很好地區(qū)分單個燃燒器的火焰。但由于爐膛內(nèi)存在著大量的煤粉粒子、焦炭粒子、灰粒子，對紫外線的吸收嚴(yán)重，所以用紫外線檢測煤粉火焰的信噪比很低，這對于燃油鍋爐的火焰檢測比較合適。紅外線比較適合檢測全爐膛火焰。因?yàn)閱蝹€燃燒器火焰、全爐膛火焰、炙熱的爐膛都會發(fā)出很強(qiáng)的紅外線，用它檢測單個燃燒器火焰比較困難。全輻射法檢測由于其光電元件相應(yīng)速度慢、易受環(huán)境影響等原因，在應(yīng)用上受到了一定的限制?？梢姽饧敖t外線

36、是應(yīng)用較多的光譜區(qū)。 火焰存在及熄滅時的輻射強(qiáng)度時不同的，這是判斷火焰有無的重要原理，如圖3，4所示。判斷火焰的存在與否，需要設(shè)定一個強(qiáng)度閥值，當(dāng)火焰強(qiáng)度超過此閥值時認(rèn)為火焰存在。由于相鄰火焰和爐壁輻射的影響，不同負(fù)荷，不同煤種時火焰位置的變化，就需要現(xiàn)場調(diào)試時對探頭的位置進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整，工作量很大。 2.2.2 火焰頻率檢測 由于各種隨機(jī)擾動的存在，火焰輻射強(qiáng)度是隨時間變化的，其頻譜分布可達(dá)到0～2000Hz，而且煤粉火焰的波動程度要比油火焰的大。當(dāng)燃燒不穩(wěn)定時，火焰中的交流部分的強(qiáng)度增加，其中低頻部分的能量增加較多，如圖5所示。由于紅外輻射和可見光相比，

37、其強(qiáng)度波動較小，頻譜范圍也窄，所以頻率法檢測一般用可見光。 頻率法檢測的原理是：把探頭輸出的強(qiáng)度信號進(jìn)行濾波，取出交流分量，經(jīng)整形后由施密特觸發(fā)器把它變成一系列的脈沖。對脈沖計(jì)數(shù)，確定火焰的頻率。經(jīng)過大量的試驗(yàn)分析，煤粉火焰存在著3個基礎(chǔ)閃爍頻率的范圍。 ⑴ 15～50Hz 火焰正常 ⑵ 7～15Hz 火焰不穩(wěn)定 ⑶ ≤7Hz 火焰喪失 這種檢測方法可以檢測到探頭所能接受到的范圍內(nèi)的火焰頻率變化，受火焰位置變化的影響相對較小。目前的FSSS系統(tǒng)（爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)）常用火焰強(qiáng)度和火焰頻率來綜合判斷

38、火焰是否存在。 利用頻譜分析技術(shù)也可以區(qū)別單個燃燒器火焰和背景火焰，實(shí)驗(yàn)表明，單個火焰的動態(tài)頻譜和背景火焰的不同，如圖6所示。由圖可見，單個燃燒器火焰頻譜中 的50～600Hz部分的能量明顯大于背景火焰中的這部分能量。用帶通濾波器取出這部分能量，和整個火焰強(qiáng)度相比 ，得到的值的大小即可以區(qū)分單個燃燒器火焰和背景火焰。 2.2.3 相關(guān)火焰檢測 以上兩種方法都是用單個探頭對火焰進(jìn)行檢測。探頭接受的范圍是一個頂角較小的錐形區(qū)域，它的缺點(diǎn)是受背景火焰影響太大。 相關(guān)法火焰檢測就是根據(jù)這個問題提出來的，檢測原理的示意圖如圖7所示。 兩個探頭呈

39、一定角度安裝。當(dāng)探頭探測的相交區(qū)域中存在火焰時，兩探頭探測到的是同一區(qū)域火焰發(fā)出的輻射信號。當(dāng)相交區(qū)的火焰熄滅時，兩探頭探測到的將是不同區(qū)域的背景火焰或是爐壁輻射，其接受到的信號自然也不相同。把兩個探頭輸出的信號相比較，確定其相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越大表示接受到的信號越一致。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，一般相關(guān)系數(shù)大于70％時可認(rèn)為火焰正?！，F(xiàn)場安裝調(diào)試時，需將相關(guān)區(qū)對準(zhǔn)著火區(qū)。為了減少干擾，需要對信號進(jìn)行濾波后在比較。 這種單對探頭的相關(guān)火焰監(jiān)測器存在的一個問題時，兩個探頭的相關(guān)區(qū)較小，當(dāng)負(fù)荷或煤種的變化使火焰偏離相關(guān)區(qū)時，將產(chǎn)生錯誤的檢測信號。另外，在安裝調(diào)試時也較麻煩。 2.2.4 數(shù)字圖

40、象火焰檢測 這種方法是用CCD攝像機(jī)攝取火焰的圖像，輸出信號由計(jì)算機(jī)處理。整個系統(tǒng)由光學(xué)圖像傳感器，圖像采集卡，微機(jī)及顯示器組成。由于鍋爐爐壁受到很強(qiáng)的熱輻射，CCD攝像機(jī)不能裝在爐墻上，一般用棱鏡或光纖將圖像傳至安裝于鍋爐外邊的攝像機(jī)上。采集到的圖像數(shù)據(jù)可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種復(fù)雜的處理，在顯示器上以偽色彩火焰顯示、火焰燃燒棒圖、火焰亮度分布圖等形式顯示出來。 這種火焰檢測裝置具有較好地區(qū)分單個火焰燃燒器火焰和背景火焰地能力，系統(tǒng)的靈敏度很高，操作使用也很方便。目前，我國能生產(chǎn)512320像素的面型CCD圖像傳感器，國際上已達(dá)20482048像素的面型CCD圖像傳感器。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和CCD元件價格的下降，這種火焰檢測裝置將得到更廣泛的應(yīng)用。 第三節(jié) 試驗(yàn)方法 第四章 鍋爐氧量測量儀表校驗(yàn) 鍋爐氧量測量儀表的校驗(yàn)方法