способ селективного контроля пламени горелки

Формула изобретения

1. Способ селективного контроля пламени горелки, заключающийся в том, что регистрируют излучение в ИК-области одного или более продуктов сгорания одной из зон факела горелки, отличающийся тем, что регистрацию излучения осуществляют в крыльях спектральных линий излучения продукта или продуктов сгорания, в которых интенсивность излучения меньше половины максимального значения интенсивности, и по наличию излучения судят о наличии пламени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве регистрируемого излучения используют излучение воды и/или окиси углерода, и/или двуокиси углерода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при регистрации излучения или двух, или более продуктов сгорания дополнительно измеряют интенсивность их излучения и по соотношению интенсивностей делают вывод о зоне факела.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля и управления работой теплоэнергетических устройств и предназначено для автоматического контроля наличия пламени в любых устройствах, сжигающих топливо.

Известен способ селективного контроля пламени горелки, заключающийся в том, что регистрируют излучение факела горелки. Указанный способ реализуется в устройстве для селективного контроля пламени горелки, содержащем оптический датчик и электронный блок (RU 2121110, опубл. 27.10.1998).

К недостаткам известного способа и устройства, установленного в котлоагрегате с большим количеством горелок с односторонним и встречным расположением, следует отнести необходимость контроля работы каждой горелки, которая связана с возможностью возникновения аварийных ситуаций в случае погасания пламени одной или нескольких горелок и накоплением в котлоагрегате излишнего топлива. Сложность контроля работы отдельной горелки оптическими методами связана с наличием посторонних источников излучения: факелов соседних горелок, стенок котлоагрегата и элементов теплообменных устройств. Кроме того, оптические характеристики горящего факела могут изменяться при изменении режимов работы горелки.

Наиболее близким к предложенному является способ контроля пламени при определении возгорания или взрыва, заключающийся в том, что регистрируют излучение в ИК-области двух или более продуктов сгорания и по соотношению интенсивностей излучения делают вывод о наличии пламени (US 4220857, опубл. 02.09.1980). Известный способ позволяет определить, что имеет место именно возгорание, а не тепловое излучение нагретого предмета, для которого соотношение интенсивностей излучения в выбранных частях ИК-спектра иное, чем для пламени.

При использовании известного способа для контроля пламени горелки невозможно отличить излучение высокотемпературных продуктов сгорания пламени горелки от излучения таких же продуктов сгорания, присутствующих в низкотемпературных рециркулирующих дымовых газов теплоэнергетических устройств.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности контроля пламени горелки теплоэнергетического устройства путем обеспечения регистрации излучения только высокотемпературных продуктов сгорания при одновременном обеспечении регистрации факела только «своей» горелки при наличии в котле любого количества горящих факелов (в том числе и при встречном расположении горелок), при любых нагрузках котлоагрегата, при изменении коэффициента избытка воздуха на котлоагрегате в пределах =0,9-1,5, при изменении степени рециркуляции продуктов сгорания, при сжигании в разных ярусах горелок разных видов топлива (твердого, жидкого и газообразного).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе селективного контроля пламени горелки, заключающемся в том, что регистрируют излучение в ИК-области одного или более продуктов сгорания одной из зон факела горелки и по его наличию судят о работе горелки, причем регистрацию излучения осуществляют в крыльях спектральных линий излучения продукта или продуктов сгорания, в которых интенсивность излучения меньше половины максимального значения

Кроме того, в качестве регистрируемого излучения используют излучение воды, и/или окиси углерода, и/или двуокиси углерода.

Кроме того, при регистрации двух или более продуктов сгорания дополнительно измеряют интенсивность их излучения и по соотношению интенсивностей делают вывод о зоне факела.

Согласно изобретению способ селективного контроля пламени горелки осуществляется в устройстве для селективного контроля пламени горелки, состоящем из двух составных частей - оптического датчика (ОД) и электронного блока (ЭБ) для обработки и анализа сигналов.

На фиг.1 изображена блочно-функциональная схема устройства.

На фиг.2 показана томограмма излучения двуокиси углерода в поперечном сечении факела.

В качестве примера на фиг.1 показана схема устройства с двумя каналами.

Блочно-функциональная схема содержит ОД, который включает в себя тубус 1 с диафрагмами, объектив 2, делительное устройство 3, конденсоры 4 и 5, интерференционные светофильтры 6 и 7 и приемники излучения 8 и 9 и ЭБ, включающий усилители 10 и 11 сигналов, анализаторы 12 и 13 спектра частот, схемы сравнения и логические устройства 14, выходные устройства 15 сопряжения.

Тубус 1 с диафрагмами служит для защиты оптической системы датчика от посторонних засветок, а также загрязнений. Через тубус 1 продувается воздух, создающий внутри тубуса 1 небольшое избыточное давление, препятствующее проникновению загрязнений к оптической системе.

Объектив 2 формирует изображение факелов горелки в плоскости диафрагмы поля, где производится пространственная селекция факела.

Делительное устройство 3 распределяет световой поток по двум каналам.

При помощи интерференционных светофильтров 6 и 7 производится спектральная селекция факела.

Конденсоры 4 и 5 предназначены для концентрации энергии излучения на приемниках излучения 8 и 9.

Приемники излучения 8 и 9 преобразуют энергию излучения факела в электрический сигнал, который усиливается усилителями 10 и 11.

Анализаторы 12 и 13 спектра частот производят частотный (временной) анализ спектра электрического сигнала и отфильтровывают нужный спектральный интервал.

Схемы сравнения и логические устройства 14 служат для выработки управляющих сигналов и сигналов контроля.

Выходные устройства 15 сопряжения передают управляющие сигналы в систему управления в необходимом виде.

В системе предусматривается непрерывная автоматическая диагностика исправности устройства для селективного контроля как при работе контролируемой горелки, так и при ее неработающем состоянии

Датчик контролирует работу горелки по излучению в выбранном спектральном интервале с использованием частотной селекции регистрируемого сигнала.

Спектральные интервалы выбираются в линиях излучения продуктов сгорания (например, воды - 2,7 мкм, углекислого газа - 4,3 мкм, окиси углерода - 4,7 мкм) или в других участках спектра, определяемых при доводке датчика на конкретном типе теплоэнергетической установки. Интервал частот выбирается на основе экспериментальных данных. Использование излучения воды, углекислого газа и окиси углерода позволяет определить по соотношению их интенсивностей локальные значения концентраций горючих и окислительных элементов.

Датчик наблюдает выбранную зону факела с помощью оптической системы, использующей тубус, диафрагмы и другие приспособления с минимальным использованием могущих загрязняться оптических поверхностей.

Состав продуктов сгорания изменяется по длине факела. Некоторые продукты сгорания существуют преимущественно в начальной зоне факела. Кроме того, значительные градиенты концентраций в начальной зоне факела и высокая степень турбулентности приводят к существенному различию в частотных характеристиках излучения в начальной и концевой зонах факела. Прозрачность факела в различных спектральных интервалах также отличается. Задача диагностики горящего факела заключается в регистрации излучения выбранной зоны факела, перед и за которой находятся излучающие и поглощающие области. Эта задача решается применением спектральной и частотной селекции излучения. Диагностика начальной (корневой) зоны факела проводится по излучению характерных для этой зоны продуктов сгорания или по соотношению их интенсивностей излучения. Выбор спектральных интервалов, соответствующих излучению продуктов сгорания, присутствующих в концевой зоне факела, позволяет исключить влияние корневой зоны встречного факела, поскольку из-за значительной оптической толщины факел становится непрозрачным.

С повышением температуры ширина спектральной линии увеличивается (тепловое уширение спектральной линии). Поэтому, проводя измерения на краях контура спектральной линии (в крыльях спектральной линии), можно отделить излучение высокотемпературной области от низкотемпературной. Крылья спектральной линии соответствуют областям, в которых интенсивность излучения (или поглощения) меньше половины максимального значения интенсивности. Это имеет значение при измерении интенсивности излучения выбранной области факела через зону, содержащую продукты сгорания. Например, в горелках теплоэнергетических устройств для уменьшения концентрации оксидов азота используется рециркуляция дымовых газов. В дутьевой воздух подаются продукты сгорания. В этом случае линия визирования ОД проходит через зону с продуктами сгорания. Однако поскольку температура этих продуктов существенно ниже температуры тех же продуктов в зоне горения, то и ширина спектральной линии меньше. Поэтому регистрация излучения в крыльях спектральных линий позволяет исключить влияние низкотемпературных рециркулирующих дымовых газов на результат регистрации излучения высокотемпературных продуктов сгорания на факеле.

Расположение датчика выбирается из условий эксплуатации с учетом нагрева, попадания продуктов сгорания и др.

ОД устанавливается на внешней стенке котла в трубе, проходящей сквозь стенку котла и обеспечивающей визирование горящего факела только одной форсунки. В трубе должно быть создано избыточное по отношению к котлу давление за счет продувки трубы воздухом.

Электронный блок ЭБ должен размещаться в пультовой вблизи места оператора. В стенках котла должны иметься технологические окна, через которые можно производить при помощи ОД измерения, позволяющие произвести оптимизацию параметров ОД и оптимизацию взаимного расположения ОД и форсунки.

Горящий факел можно разделить на три зоны: начальная (корневая) зона, где происходит термическое разложение исходных компонентов топлива; область максимальных температур, в которых выгорает значительная часть газообразных и твердых продуктов; и хвостовая область факела, в которой происходит перемешивание продуктов сгорания на макромасштабном уровне.

Основные продукты сгорания имеют полосы максимального излучения в ИК-области спектра: Н₂О - 2,7 мкм, СО ₂ - 4,3 мкм, СО - 4,7 мкм.

В начальной зоне факела образуются промежуточные продукты, характеристические группы которых имеют полосы излучения в ИК-области. Например, NH ₂ (2,82-3,12 мкм), CN (4,16-4,76 мкм), CNO и CNS (4,55-5,27 мкм).

Измерения показали, что спектр излучения пламени в зоне, обогащенной горючим, имеет интенсивные линии на длинах волн: 9,37 мкм, 6,1 мкм, 3,38 мкм.

Образующиеся в высокотемпературной зоне окислы азота имеют линии на 4,48 мкм, 2,87 мкм, 5,25 мкм, окислы серы - 7,28 мкм и 3,98 мкм, СН₄ - 3,32 мкм.

Твердые частицы конденсированного углерода и коксовые остатки имеют сплошной спектр излучения с максимумом интенсивности, зависящим от температуры и размера частиц.

В начальной зоне факела и в зоне горения вследствие высоких градиентов концентраций и микромасштабной турбулентности наблюдаются высокочастотные пульсации излучения. Так, для области 2-3 мкм, где преобладает излучение молекул воды, в начальной зоне факела наблюдаются пульсации на частотах от 800 до 1500 Гц. В хвостовой части факела пульсации в этой области спектра менее 200 Гц.

Концентрации основных продуктов сгорания углеводородного жидкого топлива в % при разных значениях коэффициента избытка воздуха а представлены в таблице.

Таблица
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0	1,2
СО	6	15	21	22	18	14	7	1	-
Н2О	9	5	2	3	7	10	13	13	11
СО2	3	3	2	2	3	5	9	13	12

Видно, что в корневой зоне факела, обогащенной горючим (малые значения ), соотношение концентраций существенно отличается от этого параметра в конце факела, где порядка 1.

Предлагаемый способ был отработан на экспериментальной горелке. Измерения проводились сканирующим радиометром, работающим в видимой и инфракрасной областях спектра. Измеряемый спектральный диапазон определялся типом фотоприемника. Поле измерений составляло шесть диаметров выходного отверстия горелки в поперечном сечении струи и восемь диаметров - в продольном. Измерения проводились с нескольких направлений, что позволило построить томографическое изображение распределения интенсивностей излучения в поперечном сечении струи на различных расстояниях от выходного отверстия. Методика обработки позволяла учитывать поглощение излучения продуктов сгорания.

Для измерения излучения в разных спектральных интервалах (по длинам волн) использовались узкополосные интерференционные светофильтры, в том числе и соответствующие отдельным участкам линий излучения воды, окиси углерода и двуокиси углерода. Дополнительно измерялся непрерывный спектр излучения в области 0,4-5,0 мкм. В результате измерений получены следующие данные. В спектре продуктов сгорания четко выделяются линии воды, окиси углерода и двуокиси углерода, что позволяет производить измерения в этих спектральных интервалах.

При осуществлении селективного контроля можно регистрировать излучение одного из указанных продуктов, излучение двух продуктов в любых сочетаниях (Н₂О и СО, Н₂О и СО₂, СО и СО ₂), или излучение всех трех продуктов. В любом случае наличие излучения любого числа и сочетания продуктов позволяет контролировать наличие факела в данной горелке.

На фиг.2 показано томографическое изображение распределения излучения двуокиси углерода (4,3 мкм) в поперечном сечении факела.

Измерения производились с использованием интерференционного светофильтра, имеющего максимум пропускания в левом крыле спектральной линии. Ширина спектральных линий основных продуктов сгорания при увеличении температуры от 600 до 2000 К увеличивается практически вдвое. Отношения интенсивностей излучения продуктов сгорания для различных зон факелов коррелируют со значениями а в этих зонах. Измеренный частотный спектр излучения факела показал наличие характерных для каждой зоны пламени и каждого продукта сгорания максимумов амплитуд флуктуации интенсивностей излучения. Так, для области от 2 до 3 мкм, где преобладает излучение воды, характерный максимум для корневой зоны факела обнаружен в интервале частот от 800 до 1500 Гц, а для хвостовой - от 50 до 200 Гц.

Ниже приведен пример осуществления способа селективного контроля факела горелки с регистрацией излучения одного из продуктов сгорания.

Способ селективного контроля факела горелки с регистрацией излучения одного из продуктов сгорания отработан с использованием сканирующего радиометра, настроенного на излучение двуокиси углерода в полосе 4,3 мкм, в левом крыле спектральной линии. Выбор полосы излучения осуществлялся установкой узкополосного интерференционного светофильтра и соответствующего типа фотоприемника. Радиометр визировался на корневую область факела. Наличие факела горелки фиксировалось по величине сигнала в диапазоне частот 800-1500 Гц.

Устройство, реализующее способ селективного контроля факела горелки с регистрацией излучения одного из продуктов сгорания, имеет только один канал. Канал включает тубус с диафрагмами 1, объектив 2, конденсор 4, интерференционный светофильтр 6, приемник излучения 8, и ЭБ, включающий усилитель 10, анализатор спектра частот 12, логическое устройство 14 и выходное устройство сопряжения 15. Порог срабатывания логического устройства, соответствующий наличию факела контролируемой горелки, определяется в процессе наладки устройства на конкретной горелке.

С использованием полученных данных был разработан опытный экземпляр устройства контроля пламени горелки, основанный на изложенных выше принципах, который показал удовлетворительные результаты на испытаниях.