关键词：
火焰稳定性
火焰监测
图像处理
光谱分析
燃煤火电厂
摘要：
为满足日益严格的节能减排标准,对不同类型燃烧器与燃料的火焰监测与稳定性测量变得至关重要。由于在工业燃烧系统中普遍存在燃烧器配置及燃烧条件非最优、低质燃料的使用、燃料种类变化频繁以及需要更高运行灵活性等多种问题,炉膛火焰难以长期维持稳定。火焰不稳定会导致许多燃烧问题,例如炉膛振动、燃烧效率低、氮氧化物排放高,甚至炉膛熄火。对火焰稳定性的定量测量不仅能够改善燃烧系统性能、降低污染物排放和优化燃烧系统运行,还能加深对火焰稳定特性的理解与认识。现有基于数字图像处理的火焰稳定性测量方法大多利用火焰某种特征,从单一角度反映火焰稳定状态或稳定性变化。也存在测量方法融合了多角度的特征参数,但没有对参数是否应该被融合及融合时的权重分配进行研究。两种类型方法的局限性导致它们通常只适用于特定燃烧条件,并且结果难以反映真实的火焰稳定性。利用火焰光谱和自由基已实现了对多种重要化学反应的探究,但进一步应用于火焰稳定性的测量目前仍缺乏相关科学研究。
火焰特征参数的波动程度与化学反应的稳定发生程度反映了火焰的稳定情况。基于上述原理,本研究提出基于数字图像处理和光谱分析的两种火焰稳定性测量方法,在实验室条件下验证两种方法的有效性,并进一步探究图像方法在多个火电厂中对炉膛煤粉火焰稳定性测量的有效性。深入研究了多种燃烧条件下的火焰参数特征与稳定特性。本文的主要研究内容如下:
(1)建立评估基于数字图像处理火焰稳定性测量方法有效性的参考源。火焰稳定性受多种因素共同影响,且为相对测量值没有统一度量标准,因此需要参考源作为基准以评估火焰稳定性测量方法的有效性。评估LED(发光二极管)和卤素灯泡作为参考源的可行性。LED和卤素灯泡发光因固有材料特性分别与稳定火焰的两个最重要发光特征一致,因此两种稳定火焰被模拟。控制卤素灯泡发光频率和时间模拟变化的火焰稳定性。通过对比甲烷火焰、LED和卤素灯泡的发光光谱,确定两种灯泡在可见光范围内与火焰有着相似的光谱特征。利用火焰稳定性测量方法对两种灯泡的发光稳定性进行测量,对比灯泡发光稳定性结果与发光材料特性实现对测量方法有效性的验证。实验结果表明,基于稳定指标结果,LED和卤素灯泡发光稳定,LED相比卤素灯泡发光更加稳定,卤素灯泡的发光随时间(0-5分钟)和闪烁频率(10、20和30Hz)的增加逐渐稳定。两种灯泡发光稳定性测量结果与固有发光特性一致,证明了火焰稳定性测量方法的有效性,以及两种灯泡作为参考源的可行性。
(2)提出基于数字图像处理的燃烧器火焰稳定性测量方法。从火焰图像中识别并提取多种火焰特征参数。基于参数的统计分析学特征,得到参数变化率从而建立起参数波动与火焰稳定性的定量关系。通过参数变化率与火焰闪烁频率的相关性分析与不同参数之间的变化率比较,确定包含较多火焰稳定性信息的有效参数。基于特征参数波动尺度,确定有效参数融合时的权重分配。融合有效特征参数得到火焰稳定指数实现火焰稳定性的定量测量。实验结果表明,当量比0.36-2.17预混甲烷火焰和十种生物质火焰的稳定指数与闪烁频率相关系数均大于0.89,验证了稳定指数方法的有效性。此外,相比闪烁频率,稳定指数对火焰稳定性的变化更加敏感,量化所需的数据长度更短,且指数数值对应着明确的火焰稳定性。利用其它常见方法测量甲烷火焰稳定性,本研究提出方法的结果更为可靠。
(3)提出基于光谱分析的燃烧器火焰稳定性测量方法。利用相机和光谱仪分别采集火焰根部图像和光谱信号。基于光谱的统计分析学特征,得到波长光通量变化率从而建立光子数量波动与火焰稳定性的定量关系。通过光通量变化率与火焰根部闪烁频率的相关性分析,确定包含较多火焰稳定性信息的有效波段及分布,明确特征和非特征自由基与火焰稳定性的关系。融合有效波段得到火焰稳定指数以测量火焰稳定性。实验结果表明,在甲烷流量0.5-0.8L/min,空气流量5-10 L/min的燃烧条件下,基于光谱分析的稳定指数与闪烁频率相关系统均大于0.92,与基于图像处理的稳定指数相关系数均大于0.86,验证了基于光谱分析火焰稳定性测量方法的有效性。基于光谱和图像的两种方法利用不同火焰稳定性信息从而有着各自的优势。此外,相比存在特征自由基的280-560 nm波长,560-980 nm波长光通量变化率包含更多的火焰稳定性信息。
(4)基于本研究提出的图像处理火焰稳定性测量方法,研发火焰监测系统,对多个火电厂煤粉火焰稳定性测量以验证方法的有效性。火焰监测系统由成像系统、风冷却系统和图像处理与分析系统组成。该系统在300MW和600MW四角切圆燃煤和对冲燃煤锅炉中应用,对机组常规运行、升负荷、降负荷和停机过程中的火焰进行监测。实验结果表明,火焰监测系统可实现对电厂炉膛火焰的有效监测,火焰稳定指数能够实现不同机组功率下火焰稳定性的有效测量,且测量结果很好地反映了功率平稳
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