способ управления процессом горения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ управления процессом горения основан на регулировании подачи воздуха в зону горения, измерении яркости изображения и определении представительных параметров зоны горения, отличающийся тем, что в качестве представительного параметра используют размер площади участка изображения зоны горения с фиксированной яркостью, имеющего наибольшее изменение площади при заданном изменении порций воздуха, подаваемых в зону горения.

2. Способ управления процессом горения по п. 1, отличающийся тем, что представительный параметр определяют при регистрации изображения в сине-голубой области спектра излучения зоны горения в диапазоне длин волн 0,4-0,5 мкм.

3. Устройство для осуществления способа управления процессом горения, содержащее блок подачи дополнительного воздуха в зону горения, блок получения изображения зоны горения и функциональный блок для выделения представительных параметров зоны горения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены, по крайней мере, один охлаждаемый оптический зонд с системой оптической фильтрации излучения зоны горения и системой аэродинамической защиты входного окна зонда, устройство ввода-вывода в топочное пространство, персональная ЭВМ, видеопроцессор цифрового преобразования телевизионных сигналов и малогабаритная телекамера, при этом функциональный блок выполнен на базе персональной ЭВМ, телекамера выполнена на матричном приборе с зарядовой связью, при этом телекамера через систему оптической фильтрации сопряжена с оптическим зондом, а выход телекамеры через видеопроцессор подключен к входу персональной ЭВМ, выход которой связан с блоком управления подачей дополнительного воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к оптимизации процессов горения в энергокотлах.

Известен способ управления процессом горения путем непосредственного измерения интенсивности излучения пламени в ультрафиолетовой области спектра и воздействия по полученному сигналу на режим горения (а.с. СССР 471492, М. кл.3 F 23 N 3/00, 1973).

В другом изобретении по а.с. СССР 817398, М.кл.3 F 23 N 5/08, 1981 г. для осуществления управления процессом горения измерение интенсивности излучения осуществляется по интегральной величине излучения единичной поверхности пламени размером не более 1% от площади фронта горения [1].

Недостатком известных технических решений является отсутствие уверенности в том, что для контроля режима горения выбран действительно представительный участок зоны горения, который может характеризовать оптимальность режима горения.

Известен способ управления процессом горения согласно патенту Японии 6105124, F 23 N 5/08 (заявка 59-215691 от 15.10.1984 г., опубликованная 21.12.1994 г.), основанный на подаче дополнительного воздуха в зону горения, контроле дополнительного воздуха в зоне горения, контроле яркости изображения факела и определении представительных параметров зоны горения [2]. При этом на основе анализа изображения факела получают специальные (представительные) параметры, характеризующие участки зоны горения с высокой яркостью. По полученным параметрам изображения рассчитывают параметры, используемые для оценки состава газов, рассчитывают степень влияния дополнительного воздуха на состав отходящих газов.

Способ по патенту Японии 6105124 является наиболее близким по технической сущности заявляемому способу управления процессом горения и может быть указан в качестве прототипа.

Недостатком способа-прототипа является узкая специализация способа, направленная на оценку состава отходящих газов, которая не позволяет оптимизировать процесс горения в целом.

В предлагаемом изобретении решается задача общей оптимизации процесса горения.

Для решения поставленной технической задачи в способе управления процессом горения, основанном на регулировании подачи воздуха в зону горения, измерении яркости изображения факела и определении представительных параметров зоны горения, в качестве представительного параметра используют размер площади участка изображения зоны горения с фиксированной в пределах участка яркостью, при этом регулируют подаваемые порции воздуха и определяют представительные участки зоны горения с фиксированной яркостью, имеющие при заданном регулировании наибольшее изменение площади, а количественное изменение размера этой площади используют в качестве регулировочного параметра для оптимизации процесса горения.

Дополнительно в качестве представительного параметра используют размер площади контролируемого участка зоны горения в сине-голубой области спектра оптического излучения зоны горения (=0,4-0,5 мкм).

Установка, реализующая способ управления процессом горения по патенту Японии 6105124, содержит устройство для получения изображения факела, блок подачи дополнительного воздуха и оценки его влияния на процесс горения, функциональный блок для выделения специальных (представительных) параметров, характеризующих участки зоны горения высокой яркости на изображении факела, и расчета по ним параметров для оценки состава газов.

Установка, реализующая способ управления процессом горения по патенту Японии 6105124, наиболее близка по технической сущности заявляемому устройству для осуществления способа горения и может быть указана в качестве его прототипа.

Недостатком прототипа заявляемого устройства является то, что это по существу газоанализатор, а не устройство для оптимизации процесса горения в целом.

Для решения поставленной технической задачи оптимизации процесса горения в устройство для осуществления заявляемого способа управления процессом горения, содержащее блок подачи дополнительного воздуха в зону горения, блок получения изображения зоны горения и функциональный блок для выделения представительных параметров, характеризующих участки зоны горения, дополнительно введены охлаждаемый оптический зонд с системами оптической фильтрации излучения зоны горения и аэродинамической защиты входного окна зонда от шлаковых и зольных частиц и системой ввода-вывода зонда в топочное пространство, персональная ЭВМ (ПЭВМ), видеопроцессор цифрового преобразования телевизионных сигналов и малогабаритная телекамера. При этом функциональный блок выполнен на базе ПЭВМ, телекамера выполнена на матричном приборе с зарядовой связью - ПЗС-матрице. Телекамера через систему оптической фильтрации сопряжена с оптическим зондом. Выход телекамеры через видеопроцессор подключен ко входу ПЭВМ, выход которой через АСУ связан с блоком подачи дополнительного воздуха.

Дополнительное введение в устройство для осуществления способа управления процессом горения телекамеры на основе ПЗС-матрицы, ПЭВМ и охлаждаемого оптического зонда с системой оптической фильтрации излучения факела и системой аэродинамической защиты входного окна зонда от зольных и шлаковых частиц повышают эффективность получения изображения факела и определения по нему представительного параметра по сравнению с прототипом.

Цифровая обработка изображения проводится на ПЭВМ типа "Pentium", имеющей в своем составе для преобразования телевизионных сигналов специальный видеопроцессор.

Цифровая обработка изображения включает в себя:

1) разбиение всего диапазона яркостей по уровням градации на несколько диапазонов с фиксированной яркостью;

2) вычисление площади изображения зоны горения по каждому уровню яркости;

3) построение временных графиков измерения площади изображения зон горения по каждому фиксированному уровню яркости;

4) определение пределов наибольшего изменения площади с фиксированным уровнем яркости при заданном изменении подачи воздуха.

ПЭВМ через коммутатор может подключаться к нескольким телекамерам, сопряженным с несколькими охлаждаемыми оптическими зондами. Системы ввода-вывода каждого охлаждаемого водой оптического зонда и аэродинамической защиты его входного окна и оптический зонд выполнены в виде единого жесткого компактного эндоскопа, который можно многократно вводить и выводить из топочного пространства без потери его функциональных возможностей из-за перегрева и загрязнений входного окна зонда зольными и шлаковыми частицами.

Применение в предлагаемом устройстве системы оптической фильтрации с выделением сине-голубого излучения (=0,4-0,5 мкм), близкого к ультрафиолетовому участку спектра, позволяет, с одной стороны, выделить наиболее интенсивную энергетическую зону горения - ядро горения и при этом не регистрировать помехи менее интенсивных участков зоны горения, а с другой стороны, позволяет использовать для этих целей не специальные дорогостоящие ультрафиолетовые видеокамеры, а применять обычные телекамеры на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), имеющие спектральный диапазон 0,4-0,95 мкм, включающий диапазон 0,4-0,5 мкм.

Благодаря подсоединению ПЭВМ ("Pentium") к блоку подачи дополнительного воздуха можно обеспечить программное управление данным блоком синхронно с получаемыми результатами обработки, согласуя управление с режимами горения в котле. Система оптической фильтрации предусматривает сменные фильтры для нескольких спектральных диапазонов. В частности, дополнительное использование фильтров инфракрасного диапазона спектра позволяет кроме оптического излучения зоны горения получать и контролировать распределение тепловых полей элементов конструкции котлов в процессе их эксплуатации.

Пример реализации способа управления процессом горения иллюстрирует функциональная схема устройства на чертеже.

Согласно чертежу, в топочном пространстве 1 котла 2 показано размещение факела 3 и зоны горения 4, которые контролируются оптическим зондом 5, имеющим входное окно 6. Зонд снабжен рубашкой водяного охлаждения 7 и соплом аэродинамической защиты входного окна 8. Все устройства и системы оптического зонда объединены конструктивно в единый жесткий эндоскоп, который сочленен с системой ввода-вывода 9. К рубашке водяного охлаждения 7 подводится вода из блока водяного охлаждения 10 при включении запорного клапана 11. К соплу аэродинамической защиты через вводы а"-б" поступает воздух, который подается из блока подачи дополнительного воздуха 12 через выводы а"-б" при включении запорного клапана 13. Блок подачи дополнительного воздуха через регулируемый вентиль (дозатор) 14 и запорный вентиль 15 подключен к смесительной камере 16, в которую через запорный вентиль 17 поступает горючий газ (показано стрелкой). Поступление воздуха в блок подачи дополнительного воздуха 12 и воды в блок водяного охлаждения 10 также показано стрелкой. Система зажигания горючего газа 18 подключена к запальной свече 19.

Зонд 5 оптически и конструктивно через систему оптической фильтрации излучения зоны горения 20 подключен к телекамере 21, выход которой через видеопроцессор цифрового преобразования телевизионных сигналов 22 подключен к входу ПЭВМ 23. Выходы ПЭВМ связаны соответственно с входом монитора 24 и с входом автоматический системы управления (АСУ) 25, которая управляет системой зажигания горючего газа, блоками водяного охлаждения и подачи дополнительного воздуха и сервомоторами М управления всеми запорными клапанами: подачи воды (клапан 11), воздуха (клапаны 13 и 15) и горючего газа (клапан 17). Регулируемый клапан 14 устанавливается на заданный расход воздуха дозатором 26, который управляется от блока подачи дополнительного воздуха 12.

Устройство (см. чертеж) работает следующим образом.

Перед запуском процесса горения в топочном пространстве 1 котла 2 АСУ 25 включает блок подачи дополнительного воздуха 12 и систему зажигания 18. При этом сервомоторы М открывают клапаны 13 и 15, дозатор 26 устанавливает заданный расход воздуха, а система зажигания включает запальные свечи 19 для зажигания горючего газа при его появлении в зоне размещения запальной свечи 19. Подача и расход горючего газа устанавливается специальной баллонной системой, которая на чертеже не показана. Затем АСУ 25 сервомотором М открывает запорный клапан 17. При этом горючий газ поступает сначала в смесительную камеру 16, а затем в зону размещения запальной свечи 19, где происходит воспламенение горючего газа и формирование факела 3 в топочном пространстве 1 котла 2.

Для контроля процесса горения в топочное пространство 1 с помощью системы ввода-вывода 9 вводится оптический зонд 5. Предварительно АСУ 25 обеспечивает через блок подачи дополнительного воздуха 12 аэродинамическую защиту окна 6 через кольцевое сопло 8 и охлаждение зонда путем подключения его водяной рубашки 7 к блоку водяного охлаждения 10. При этом подключение воды осуществляется сервомотором М, который открывает затвор 11 под управляющим воздействием АСУ 25. Управление системой ввода-вывода 9 зонда 5 также осуществляется через АСУ 25. Управляющие линии АСУ 25 показаны пунктиром.

После введения в топочное пространство 1 оптического охлаждаемого зонда 5, сопряженного с телекамерой 21, осуществляют телевизионный контроль оптического излучения зоны 4 факела 3. При этом оптический сигнал в телекамеру проходит через систему оптической фильтрации излучения зоны горения 20, оснащенную фильтрами сине-голубого или инфракрасного диапазонов. В телекамере 21 на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС-видеокамера) осуществляется преобразование оптического сигнала в телевизионный сигнал, который в видеопроцессоре 22 преобразуется в цифровой сигнал, воспринимаемый ПЭВМ "Pentium" 23, в которой реализуется цифровая обработка изображений. Цифровая обработка изображения включает в себя:

- разбиение всего диапазона яркостей по уровням градации на несколько диапазонов с фиксированной яркостью;

- вычисление площади изображения зоны горения по каждому уровню яркости;

- построение временных графиков измерения площади изображения зон горения по каждому фиксированному уровню яркости;

- определение пределов наибольшего изменения площади с фиксированным уровнем яркости при заданном изменении подачи воздуха.

На мониторе ПЭВМ яркости контролируемых участков факела представляются в псевдоцветах. При этом распределение цветов эквивалентно распределению градаций яркости изображения участков зоны горения, наблюдаемых зондом 5.

Макетный образец системы телевизионного контроля топочного пространства котлов ТЭЦ с использованием оптического охлаждаемого зонда, сопряженного с ПЗС-видеокамерой, с устройством коммутации, синхронизации и обработки телевизионных сигналов на базе ПЭВМ "Pentium-2" имеет следующие технические характеристики:

1. Угол обзора - 60^o

2. Спектральный диапазон - 0,4-0,95 мкм

3. Количество линий в телевизионном изображении - 420

4. Динамический диапазон регистрируемой яркости - 210³

5. Разрядность цифрового преобразования яркости изображения - 8

6. Время цифрового преобразования одного кадра - 50 мс

Изображение в псевдоцветах после обработки в ПЭВМ 23 отображается в мониторе 24. Управление процессом горения проводят по результатам цифровой обработки на ПЭВМ 23 и путем наблюдения за изображением, представленным на мониторе 24.

Известно (см. , например, А. П. Ковалев, Н.С. Лелеев, Т.В. Веленский "Парогенераторы", Энергоатомиздат, М. , 1985, с. 48-60, 117-125 [3]), что яркость излучения зоны горения зависит от коэффициента избытка воздуха , то есть от соотношения компонентов (топлива и воздуха), участвующих в процессе горения. При этом оптимальному значению с точки зрения полноты сгорания топлива соответствует максимальная яркость излучения факела [1]. Поэтому может характеризовать интенсивность процесса горения.

Например, для горелок полного предварительного смешения зависимость яркости излучения единичной поверхности пламени носит экстремальный характер, причем оптимальному значению с точки зрения полноты сгорания газа соответствует экстремальная величина яркости излучения. Экспериментально обнаружено влияние объема подаваемого воздуха на размер площади участков зоны горения различной яркости в разной степени. Поэтому при управлении процессом горения в качестве представительного параметра используют размер площади участка изображения с фиксированной яркостью, имеющего наибольшее изменение при заданном изменении порций воздуха, задаваемом дозатором 26 в блоке подачи дополнительного воздуха 12. Это позволяет обеспечить максимальную чувствительность и максимальный диапазон регулирования при управлении подачей потока воздуха в зону горения для оптимизации процесса горения.

Данный способ управления процессом горения был экспериментально апробирован в топочной камере энергокотла промышленной ТЭЦ при использовании газообразных и жидких топлив (мазута) при вариации =1,05-1,01 (см. [3], с. 75), в которой оптимальный режим устанавливался на основе сравнения показаний контрольных приборов с нормативными расчетами (см. [3], с. 75-133). Одновременно и параллельно проводились испытания макетного образца устройства осуществления заявляемого способа управления процессом горения и определялся представительный параметр. При испытании макета задавались контрольные отклонения режима горения в энергокотле от оптимального режима. Эти отклонения фиксировались в запоминающем устройстве ПЭВМ макета. На основе полученных данных ПЭВМ и АСУ вырабатывали управляющие воздействия на блок подачи дополнительного воздуха макета до установления оптимального режима горения в энергокотле ТЭЦ. Операторы ТЭЦ путем независимых проверок с использованием заводских приборов подтвердили, что оптимальный режим горения в энергокотле ТЭЦ восстановлен.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.А. Коваль, А.М. Куприянов, А.М. Левин и др. "Способ управления процессом горения". Заявка 2679756/24-26 от 23.10.1978 г. А.с. 817398, опубликовано 30.03.1981 г. Бюл. 12.

2. Патент Японии 6105124, МПК F 23 N 5/08, заявка 59-215691 от 15.10.1984 г. опубликована 21.12.1994 г.

3. А.П. Ковалев, Н.С. Лелеев, Т.В. Веленский. "Парогенераторы", М., 1985 г., с. 48-60; 117-125 и др.