本站原创
摘 要：针对工业煤粉锅炉运行中，火焰燃烧波动及过程中熄火等问题，设计了一种对工业煤粉锅炉炉膛火焰进行监测的可行系统。系统对工业煤粉锅炉炉膛内火焰的特征进行了分析，通过选择电流型红外光电传感器对火焰燃烧状况进行实时的信号采集监控。系统对传感器信号进行预处理后，传送给数字信号处理器(DSP)进行傅里叶运算，最后通过总线传递给某型号锅炉的主控制台，实现锅炉的自动化控制。同时，在锅炉正常运行时，结合炉膛内压力的变化进行综合分析，不仅能检测出火焰的燃烧和熄灭，还能够检测火焰的稳定性，进一步提高了对锅炉运行控制的可靠性和稳定性。系统应用于WNS2-1.25-MF型煤粉锅炉，实际测试运行结果表明，该系统工作稳定且能够准确判断火焰的状态，并能够针对火焰的异常情况发出执行动作和报警信号。
关键词：火焰监测；工业煤粉锅炉；频谱分析；DSP
：ADoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.201
waNG Jue 1, waNG Han 2
( 1. Shanxi Jixiang Boiler Manufacture Co., Ltd, Jinzhong 610209, China;
2. Collage of Aerospace, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China )
【Abstract】An integrated system was designed for checking the flame in industrial pulverized coal-fired boiler, since the problem of flame fluctuations is increasingly important. The character of the pulverized coal flame in boiler is analyzed in detail, the IR sensor is chosen to monitor the flame, the signal gain is processed, and a FFT algorithm is then taken in DSP. Meanwhile, when the boiler is operating, a pressure monitoring mode is also started to detect the stability of the flame. The system has been applied to a WNS2-1.25-MF industrial pulverized coal-fired boiler, and the testing result shows a good performance. The system can monitor the flame and give out the alarm signal exactly.
【Key words】flame checking; Industrial pulverized coal-fired boiler; Spectrum analysis; DSP
0引言
随着国家对环保和节能的不断重视，对于工业煤粉锅炉由于其内部结构复杂，炉膛内温度高、
鉴于此种情况，炉膛内火焰监控显得尤为重要。目前国内外应用的各类火焰监测系统在准确性、灵敏度、可靠性等方面均存在一定缺陷。一套良好地火焰检测系统不但要求能够检测火焰的燃烧和熄灭，还要能够检测火焰的稳定性。
本文针对这一问题开发了一套综合火焰监测系统。该系统是利用红外传感器进行信号采集，并通过DSP平台进行信号处理以实现对火焰有无的检测。同时，当锅炉稳定运行时通过炉膛内压差变化信号的采集以实现火焰燃烧稳定性的监测。
1煤粉锅炉火焰特征分析
在锅炉运行中，燃料的燃烧是一种剧烈的物理和化学反应，其过程中同时存在着声、光、电、热等多种物理现象，并辐射出大量能量，包括红外线、可见光、紫外线等等，这些特性都构成了检测炉膛火焰存在与否的基础。此外火焰的闪烁频率也会附着在光波的整个频段上。
煤粉燃烧器发出的火焰发射出几乎连续的发光光谱，其放射源多为燃烧过程中产生的高温碳微粒子群（碳墨）及粉煤粒子群（烧成碳）等，其光谱主要分布于可见光和红外区。煤粉的燃烧可分为如下4个区段：
预热区。这一区段风粉混合物与燃烧中的明火开始接触，逐渐加热至燃烧点。
初始燃烧区。风粉混合物开始燃烧，大量地辐射出光和热，出现闪烁现象，这时火焰的亮度并没有达到最大，但闪烁的频率最大。
完全燃烧区。这一区段火焰释放的光和热达到最高值。
燃尽区。燃料燃烧完毕形成灰粉，炽热的灰粉仍然发光发热，但其亮度和闪烁频率都很低。
煤粉火焰辐射光的一个重要特点就是火焰脉动现象，这是由火焰在燃烧过程中，微粒的集结、运动、发光、燃尽的结果所致,它是随时间变化的[3]。基于这个特点，我们可以采集火焰的光强脉动信号，通过快速傅立叶变换算法(FFT)的处理和自组织神经网络的学习训练，对火焰在稳定燃烧工况、不稳定燃烧工况和不定燃烧工况进行有效的模式识别，最终给出燃烧诊断的判断结果。
2系统设计
煤粉锅炉火焰检测系统的设计，从煤粉燃烧火焰的特点出发，采用红外光电传感器对锅炉炉膛内的红外辐射进行转换，然后进行数据采集，通过DSP做频谱分析，与设定频段进行频谱特征对比，以实现火焰有无的判断[4]。与此同时，采用高精度压差变送器对炉膛内压力的变化进行监控，从而检测炉膛内火焰燃烧的稳定性，如图1所示。
红外光电传感器不仅要采集火焰强度信号，还需要采集火焰红外辐射的频率信号，以实现火焰有无的探测。这是因为当炉膛内温度达到某一特定值时，不仅仅是火焰，炉膛壁面等结构均会产生红外辐射，即背景辐射，这将干扰火焰有无的判断。
对于来自不同炉膛结构及炉膛内部火焰的红外辐射，频率有时会非常接近，因此要对频率信号进行频谱分析从而提高对火焰的识别能力。基于DSP平台的火焰检测器不仅提供增益调整方式，还具有频段选择功能，能够设定不同的频段以适应火焰识别的需要[5]。
当火焰强度和频率均高于设定的阈值时，系统判定为“有火”；反之，则判定为“无火”。此外，由于火焰在燃烧过程中偶尔会出现扰动，火焰的强度或频率会在短时间内低于设定阈值。这时如果系统发出“无火”信号，就将影响锅炉的正常运行。为了避免系统误操作，提高火焰检测器的可靠性，火焰检测器需要根据实际需要增加瞬时干扰的滤波，降低干扰对系统的影响。
本系统选用了德州仪器公司的TMS320F2812模块作为信号处理器和核心控制器。该型号的模块不仅拥有DSP所具备的高速信号处理能力，又适用于工业控制，并且集优化电路于一体，可扩展丰富的外设。基于众多优点，该模块已在数字控制系统中得到了广泛应用。
DSP模块带有内部ADC(模拟信号到数字信号的转换器)，通过对该模块的相关寄存器进行设定后，能实现不同的采样频率，在达到触发条件后，能够快速有效的对信号直接进行采样。
由上文的分析可知，区别背景辐射与火焰辐射需要分析频谱，所以DSP必须对输入的采样数据进行FFT数字运算，并将运算结果与背景频谱进行对比。如果两者在特定频段的差异较大说明火焰正在燃烧；反之如果两者没有明显的差异，则说明火焰已经熄灭。检测到火焰熄火后，系统自动输出报警信号，并根据控制工艺要求采取相应的控制措施。
DSP内部资源非常丰富，无需再进行硬件设计，所以系统的数字处理部分主要工作是代码的编写和内部寄存器的设置。考虑到运算所需要的数据量和现场设备的采样率，在实际运算时，系统采用了4096点FFT运算。程序代码由汇编语言写成。由于汇编指令执行效率高，并且运算速度快，能够满足实时系统的要求。
在WNS型煤粉锅炉的炉膛中，由引风机与鼓风机变频调节，在炉膛内会形成一定微负压。在燃烧的过程中，炉膛负压值是持续波动的。并且，该负压值在火焰稳定燃烧时，其波动区域会稳定维持在某一范围内。因此，可以在系统中设定负压值波动范围的阈值，当负压值超过这一阈值时，可以确定炉膛内火焰在瞬间的燃烧不稳定。若这一不稳定状态持续一定时长，则认为燃烧持续不稳定，存在安全隐患，系统将给出报警信号，并执行相应的动作。
需要指出的是，当锅炉运行状态改变时，如改变锅炉供粉量等，炉膛内负压将随之出现一段不稳定状态。因此，在本系统中负压检测作为一种辅助检测的手段，仅在锅炉持续某一状态运行时能够发挥其火焰稳定性检测的作用。
3 在新型工业煤粉锅炉中的应用
该系统已被应用于WNS2-1.25-MF型煤粉锅炉，以测试火焰检测系统的可行性及实际运行效果。WNS2-1.25-MF型煤粉锅炉的模型如图2所示。测试分别针对点火、正常燃烧、熄火等状态进行了测试，并对系统进行了模拟的故障演示。
系统的测试过程及测试结果如下：
(1)点火状态：
过程描述：启动锅炉主控制器，经过预吹扫、预点火，锅炉正常投粉；
预定输出：火焰正常，路压正常；
实际输出：DSP回馈plc主控制器系统“火焰：ON”信号；
12秒后，DSP回馈主控制器“炉压：NORMAL”信号；
测试结果：正常。
(2)增加投粉量：
过程描述：主控制器，调节投粉量；
预定输出：主控制器不报警，火焰状态为不稳定。
实际输出：DSP回馈PLC主控制器系统“火焰：ON”信号；
5秒后，“炉压：UNSTABLE”；
测试结果：正常。
(3)模拟故障一：
过程描述：锅炉正常运行时，人为清空煤仓；
预定输出：控制器报警，控制器自动停止运行；
实际输出：20秒后，“炉压：UNSTABLE”，自动报警；
3秒后“火焰：OFF”；
主控制器自动停止运行；
测试结果：正常。
(4)模拟故障二：
过程描述：锅炉正常运行时，人为调整一次风变频器频率，风粉配比改变；
预定输出：系统可显示锅炉“喘息”；
实际输出：DSP回馈PLC主控制器系统“火焰：ON”信号；
5秒后，“炉压：UNSTABLE”；
系统报警，主控制器自动停止运行；
测试结果：正常。
经过测试，该火焰检测系统在WNS2-1.25-MF型煤粉锅炉中运行良好，能够准确检测炉膛内火焰的有无及燃烧状态。此外，当锅炉处于正常运行状态，主控制器参数不发生改变时，炉膛压力检测结果能够较好的反映出火焰燃烧的稳定性。
参考文献：
叶春云.基于DSP的火焰检测技术在工程中的应用[C].南昌大学，2009.
史国强. FAU-800型火焰检测器在600 MW超临界直流炉上的应[]用[J].东北电力技术.200
[5]张保瑞，安国银等.450t/h CFB锅炉耐火材料的烘烤[J].河北电力技术.2003,22(3).
关键词：火焰监测；工业煤粉锅炉；频谱分析；DSP
：ADoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.201
2.06.032
A Flame Checking System in Industrial Pulverized Coal-fired Boiler Based on DSPwaNG Jue 1, waNG Han 2
( 1. Shanxi Jixiang Boiler Manufacture Co., Ltd, Jinzhong 610209, China;
2. Collage of Aerospace, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China )
【Abstract】An integrated system was designed for checking the flame in industrial pulverized coal-fired boiler, since the problem of flame fluctuations is increasingly important. The character of the pulverized coal flame in boiler is analyzed in detail, the IR sensor is chosen to monitor the flame, the signal gain is processed, and a FFT algorithm is then taken in DSP. Meanwhile, when the boiler is operating, a pressure monitoring mode is also started to detect the stability of the flame. The system has been applied to a WNS2-1.25-MF industrial pulverized coal-fired boiler, and the testing result shows a good performance. The system can monitor the flame and give out the alarm signal exactly.
【Key words】flame checking; Industrial pulverized coal-fired boiler; Spectrum analysis; DSP
0引言
随着国家对环保和节能的不断重视，对于工业煤粉锅炉由于其内部结构复杂，炉膛内温度高、
源于：查抄袭率硕士毕业论文www.udooo.com
环境质量差，煤粉输送量波动，工况不稳定等因素都对锅炉的正常运行提出了更多的要求。煤粉在其内部燃烧过程中，若燃烧不稳定，不仅会降低锅炉热效率，产生污染物、噪声，当遇到极端情况或操作不当而导致燃烧器熄火时，若系统没有及时探测到这种情况而继续向燃烧器供粉，炉膛内将聚集大量未经燃烧的燃料和空气的混合物，此时一旦遇到火源复燃，炉内压力将骤增从而形成爆燃甚至爆炸。鉴于此种情况，炉膛内火焰监控显得尤为重要。目前国内外应用的各类火焰监测系统在准确性、灵敏度、可靠性等方面均存在一定缺陷。一套良好地火焰检测系统不但要求能够检测火焰的燃烧和熄灭，还要能够检测火焰的稳定性。
本文针对这一问题开发了一套综合火焰监测系统。该系统是利用红外传感器进行信号采集，并通过DSP平台进行信号处理以实现对火焰有无的检测。同时，当锅炉稳定运行时通过炉膛内压差变化信号的采集以实现火焰燃烧稳定性的监测。
1煤粉锅炉火焰特征分析
在锅炉运行中，燃料的燃烧是一种剧烈的物理和化学反应，其过程中同时存在着声、光、电、热等多种物理现象，并辐射出大量能量，包括红外线、可见光、紫外线等等，这些特性都构成了检测炉膛火焰存在与否的基础。此外火焰的闪烁频率也会附着在光波的整个频段上。
煤粉燃烧器发出的火焰发射出几乎连续的发光光谱，其放射源多为燃烧过程中产生的高温碳微粒子群（碳墨）及粉煤粒子群（烧成碳）等，其光谱主要分布于可见光和红外区。煤粉的燃烧可分为如下4个区段：
预热区。这一区段风粉混合物与燃烧中的明火开始接触，逐渐加热至燃烧点。
初始燃烧区。风粉混合物开始燃烧，大量地辐射出光和热，出现闪烁现象，这时火焰的亮度并没有达到最大，但闪烁的频率最大。
完全燃烧区。这一区段火焰释放的光和热达到最高值。
燃尽区。燃料燃烧完毕形成灰粉，炽热的灰粉仍然发光发热，但其亮度和闪烁频率都很低。
煤粉火焰辐射光的一个重要特点就是火焰脉动现象，这是由火焰在燃烧过程中，微粒的集结、运动、发光、燃尽的结果所致,它是随时间变化的[3]。基于这个特点，我们可以采集火焰的光强脉动信号，通过快速傅立叶变换算法(FFT)的处理和自组织神经网络的学习训练，对火焰在稳定燃烧工况、不稳定燃烧工况和不定燃烧工况进行有效的模式识别，最终给出燃烧诊断的判断结果。
2系统设计
煤粉锅炉火焰检测系统的设计，从煤粉燃烧火焰的特点出发，采用红外光电传感器对锅炉炉膛内的红外辐射进行转换，然后进行数据采集，通过DSP做频谱分析，与设定频段进行频谱特征对比，以实现火焰有无的判断[4]。与此同时，采用高精度压差变送器对炉膛内压力的变化进行监控，从而检测炉膛内火焰燃烧的稳定性，如图1所示。
2.1 系统工作原理
火焰检测装置依据火焰信号的特点对火焰的存在和光强进行检测。首先将火焰信号分成两路信号：强度信号和频率信号。强度信号代表火焰的亮度，频率信号代表火焰的闪动。对强度信号的处理需将瞬时的火焰强度与已设定的火焰强度阈值进行比较，当火焰强度高于强度阈值时，判定火焰强度条件成立。红外光电传感器不仅要采集火焰强度信号，还需要采集火焰红外辐射的频率信号，以实现火焰有无的探测。这是因为当炉膛内温度达到某一特定值时，不仅仅是火焰，炉膛壁面等结构均会产生红外辐射，即背景辐射，这将干扰火焰有无的判断。
对于来自不同炉膛结构及炉膛内部火焰的红外辐射，频率有时会非常接近，因此要对频率信号进行频谱分析从而提高对火焰的识别能力。基于DSP平台的火焰检测器不仅提供增益调整方式，还具有频段选择功能，能够设定不同的频段以适应火焰识别的需要[5]。
当火焰强度和频率均高于设定的阈值时，系统判定为“有火”；反之，则判定为“无火”。此外，由于火焰在燃烧过程中偶尔会出现扰动，火焰的强度或频率会在短时间内低于设定阈值。这时如果系统发出“无火”信号，就将影响锅炉的正常运行。为了避免系统误操作，提高火焰检测器的可靠性，火焰检测器需要根据实际需要增加瞬时干扰的滤波，降低干扰对系统的影响。
2.2 基于DSP的信号处理平台
DSP模块是该火焰检测系统的核心模块，它主要负责完成以下任务：数据采集、A/D转换、数字滤波、数据处理、系统控制、通讯。本系统选用了德州仪器公司的TMS320F2812模块作为信号处理器和核心控制器。该型号的模块不仅拥有DSP所具备的高速信号处理能力，又适用于工业控制，并且集优化电路于一体，可扩展丰富的外设。基于众多优点，该模块已在数字控制系统中得到了广泛应用。
DSP模块带有内部ADC(模拟信号到数字信号的转换器)，通过对该模块的相关寄存器进行设定后，能实现不同的采样频率，在达到触发条件后，能够快速有效的对信号直接进行采样。
由上文的分析可知，区别背景辐射与火焰辐射需要分析频谱，所以DSP必须对输入的采样数据进行FFT数字运算，并将运算结果与背景频谱进行对比。如果两者在特定频段的差异较大说明火焰正在燃烧；反之如果两者没有明显的差异，则说明火焰已经熄灭。检测到火焰熄火后，系统自动输出报警信号，并根据控制工艺要求采取相应的控制措施。
DSP内部资源非常丰富，无需再进行硬件设计，所以系统的数字处理部分主要工作是代码的编写和内部寄存器的设置。考虑到运算所需要的数据量和现场设备的采样率，在实际运算时，系统采用了4096点FFT运算。程序代码由汇编语言写成。由于汇编指令执行效率高，并且运算速度快，能够满足实时系统的要求。
2.3 炉膛负压监测
与大型煤粉锅炉不同，20吨位以下的工业煤粉锅炉通常使用单燃烧机，不存在各燃烧器火焰之间干涉，结构也较为简单。而在WNS型煤粉锅炉炉中，其炉膛形状为圆筒形通道式，在煤粉输送不稳定时，在其内部可能存在不完全燃烧，从而会影响光学传感器对信号检测的准确度。此外，在煤粉输入的过程中，由于煤质、机械传送、空气压力、鼓引风等各种因素的影响，容易导致煤粉供给不均，发生喘息现象。此时炉膛内仍然有火焰存在，而光学传感器无法识别，造成系统误动作，可能会导致严重后果。因此，在光学火焰检测的基础上，本文引入了炉膛负压检测的概念。在WNS型煤粉锅炉的炉膛中，由引风机与鼓风机变频调节，在炉膛内会形成一定微负压。在燃烧的过程中，炉膛负压值是持续波动的。并且，该负压值在火焰稳定燃烧时，其波动区域会稳定维持在某一范围内。因此，可以在系统中设定负压值波动范围的阈值，当负压值超过这一阈值时，可以确定炉膛内火焰在瞬间的燃烧不稳定。若这一不稳定状态持续一定时长，则认为燃烧持续不稳定，存在安全隐患，系统将给出报警信号，并执行相应的动作。
需要指出的是，当锅炉运行状态改变时，如改变锅炉供粉量等，炉膛内负压将随之出现一段不稳定状态。因此，在本系统中负压检测作为一种辅助检测的手段，仅在锅炉持续某一状态运行时能够发挥其火焰稳定性检测的作用。
3 在新型工业煤粉锅炉中的应用
该系统已被应用于WNS2-1.25-MF型煤粉锅炉，以测试火焰检测系统的可行性及实际运行效果。WNS2-1.25-MF型煤粉锅炉的模型如图2所示。测试分别针对点火、正常燃烧、熄火等状态进行了测试，并对系统进行了模拟的故障演示。
系统的测试过程及测试结果如下：
(1)点火状态：
过程描述：启动锅炉主控制器，经过预吹扫、预点火，锅炉正常投粉；
预定输出：火焰正常，路压正常；
实际输出：DSP回馈plc主控制器系统“火焰：ON”信号；
12秒后，DSP回馈主控制器“炉压：NORMAL”信号；
测试结果：正常。
(2)增加投粉量：
过程描述：主控制器，调节投粉量；
预定输出：主控制器不报警，火焰状态为不稳定。
实际输出：DSP回馈PLC主控制器系统“火焰：ON”信号；
5秒后，“炉压：UNSTABLE”；
测试结果：正常。
(3)模拟故障一：
过程描述：锅炉正常运行时，人为清空煤仓；
预定输出：控制器报警，控制器自动停止运行；
实际输出：20秒后，“炉压：UNSTABLE”，自动报警；
3秒后“火焰：OFF”；
主控制器自动停止运行；
测试结果：正常。
(4)模拟故障二：
过程描述：锅炉正常运行时，人为调整一次风变频器频率，风粉配比改变；
预定输出：系统可显示锅炉“喘息”；
实际输出：DSP回馈PLC主控制器系统“火焰：ON”信号；
5秒后，“炉压：UNSTABLE”；
系统报警，主控制器自动停止运行；
测试结果：正常。
经过测试，该火焰检测系统在WNS2-1.25-MF型煤粉锅炉中运行良好，能够准确检测炉膛内火焰的有无及燃烧状态。此外，当锅炉处于正常运行状态，主控制器参数不发生改变时，炉膛压力检测结果能够较好的反映出火焰燃烧的稳定性。
参考文献：
叶春云.基于DSP的火焰检测技术在工程中的应用[C].南昌大学，2009.
史国强. FAU-800型火焰检测器在600 MW超临界直流炉上的应[]用[J].东北电力技术.200
7.28(9).
[3]马骏，余岳峰，范浩杰.基于频谱分析和自组织神经网络的火焰燃烧诊断研究[J]. 动力工程.2004.24(6).
[4]高贤虎，汪磊，鲁毅等. 工业锅炉火焰监测系统设计[J]. 南开大学学报（自然科学版），2011，44(5).[5]张保瑞，安国银等.450t/h CFB锅炉耐火材料的烘烤[J].河北电力技术.2003,22(3).