Способ контроля горения

 

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться при разработке систем контроля горения в топках промышленных котлов. Способ основан на спектральном анализе и включает выбор заранее заданного диапазона длин волн, выбор анализируемого продукта горения и определение концентрации выбранного продукта по амплитуде измеренного спектрального сигнала. В соответствии с изобретением диапазон длин волн выбирают от 0,4 до 1,2 мкм, в качестве анализируемого продукта горения выбирают сажу, а измерения осуществляют вне горелочного устройства в верхней части топочной камеры вблизи выхода. Изобретение позволяет повысить достоверность спектрального анализа пламени в топке путем исключения влияния спектральных шумов. 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, а более точно - к способам контроля горения жидкого и газообразного топлива, и может использоваться для контроля излучения факела в топочных камерах паровых котлов.

Условием эффективного (экономичного и устойчивого) процесса сжигания топлива является рациональная организация топочного процесса, включающая оперативный контроль горения топлива и выработку управляющих сигналов для оптимизации процесса. Для контроля горения могут использоваться различные параметры, например температура в определенных зонах, количество подаваемого кислорода, концентрация продуктов сгорания и т.п. Широкое распространение получили способы контроля горения, использующие спектральный анализ пламени, имеющего в составе спектра линии кислорода, газообразных продуктов сгорания, сажи и элементов (например, экранов) самой топки.

Для сжигания определенного количества топлива определенного состава необходимо строго определенное количество кислорода. При его недостатке возникает недожог топлива с образованием оксида углерода и молекулярного водорода, оказывающих вредное влияние на окружающую среду. Однако, и значительное увеличение количества подаваемого воздуха (кислорода) нецелесообразно, поскольку в этом случае увеличивается выброс в атмосферу избытка нагретого в топке и не участвующего в реакции с топливом воздуха (кислорода), что ухудшает экономические характеристики топки.

Известен спектральный способ контроля горения, описанный в заявке PCT/SE86/04664, используемый для регулирования подачи топлива и воздуха в горелку. Способ включает прием сигнала от пламени горелки с помощью оптоволоконного датчика, установленного так, что его приемное окно расположено напротив ядра горения. Способ включает также передачу сигнала по световоду на спектрометр и анализ полученного сигнала с целью определения количества воздуха в газообразных продуктах сгорания.

Способ контроля горения по количеству воздуха в топке обеспечивает хорошие результаты в том случае, если состав и количество подаваемого топлива, а также режим работы котла остаются неизменными. Однако обычно характеристики и количество подаваемого топлива, а также режим горения в процессе эксплуатации меняются и наличие расчетного количества воздуха в топке не всегда свидетельствует об оптимальном режиме работы топки как с точки зрения экологии, так и экономики. По количеству находящегося в средней части топки (в области ядра горения, где установлен датчик) воздуха (кислорода) невозможно определить, сгорает ли топливо полностью непосредственно в топке или уже за ее пределами. Поток подаваемой в топку топливно-воздушной смеси практически не бывает однородным, что усугубляется взаимодействием потоков топливно-воздушной смеси из разных горелок внутри самой топки: в отдельных участках топки появляются макрозоны с избытком или недостатком воздуха, необходимого для полного сжигания топлива при одинаковой его средней концентрации по топке. Это обычно ведет к выбросам продуктов неполного сгорания топлива в атмосферу.

Таким образом, этот способ не обеспечивает достаточно высокую точность контроля горения.

Более достоверные результаты дает способ, используемый при работе устройства диагностирования сгорания, описанного в пат. Японии 4-270820. Способ также основан на спектральном анализе пламени и включает выделение спектральных линий излучения продуктов сгорания, а именно паров воды и углекислого газа. Основные спектральные линии этих продуктов сгорания лежат в диапазоне длин волн от 1,38 до 6,3 мкм. В результате обработки полученных сигналов на компьютере определяются концентрации указанных продуктов сгорания и изменение этих концентраций и вырабатывается соответствующий управляющий сигнал.

Поскольку в этом способе контролируются концентрации продуктов сгорания и изменение концентраций этих продуктов, результаты анализа позволяют корректировать режим горения (подачу топлива и кислорода) с большей эффективностью по сравнению со способом, описанным выше.

Однако, как и в способе, описанном выше, для анализа используется спектральный диапазон, в котором находятся линии излучения как продуктов неполного сгорания, так и элементов (например, экранов) самой топки, создающие такой уровень шумовых сигналов, который делает анализ выбранных линий затруднительным.

В основу настоящего изобретения поставлена задача повысить достоверность спектрального анализа пламени в топке путем исключения влияния спектральных шумов, и тем самым повысить экологические и экономические характеристики топки.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля горения на основе спектрального анализа выбирают диапазон длин волн от 0,4 до 1,2 мкм, измерения производят вне горелочного устройства в верхней части топочной камеры вблизи выхода и по амплитуде пульсаций излучения сажи судят о режиме горения.

В выбранном диапазоне длин волн присутствуют только сигналы излучения паров воды и сажи, причем сигналы излучения паров воды настолько слабы по сравнению с излучением сажи, что ими можно пренебречь. Поэтому выделение сигнала излучения сажи не представляет трудностей.

Общеизвестно, что в нижней части топочной камеры, вблизи горелок, где процесс горения топлива еще не закончен, количество сажистых частиц и других продуктов неполного сгорания очень велико. Поэтому контролировать процесс горения с целью обеспечения высоких экономических и экологических характеристик целесообразно вблизи выхода из топки в верхней части топочной камеры вне горелочного устройства. Это позволяет анализировать конечные результаты процесса сжигания топлива, которые и определяют экономические и экологические характеристики работы топки. Как показывает практика, при оптимальном режиме горения (достаточном количестве кислорода для данного топлива и данной температуры) частицы сажи в верхней части топочной камеры практически отсутствуют, и появление сигнала излучения сажи свидетельствует о нарушении режима горения, а изменение амплитуды пульсаций свидетельствует об изменении концентрации частиц сажи. Выбор сигнала излучения сажи в качестве контролируемого параметра горения обладает рядом преимуществ. Прежде всего сигнал от частиц сажи, как и от любого твердого тела, весьма мощный. Это очень удобно для измерения, поскольку не требует особенно сложного оборудования или средств обработки сигнала. Диапазон излучения сажи относительно широкий, что позволяет упростить используемое оборудование и методику обработки сигнала. И, самое главное, в выбранном диапазоне практически отсутствуют мешающие сигналы от других продуктов сгорания.

Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает блок-схему контроля горения в соответствии с изобретением; фиг. 2 изображает спектральные кривые излучения паров воды, углекислоты, сажи и стенок топочной камеры, приведенные к излучению абсолютно черного тела.

Для реализации способа в соответствии с изобретением, как показано на фиг. 1, устанавливают датчик 1, предназначенный для восприятия сигнала от пламени, в верхней части стенки 2 топочной камеры 3 вблизи выхода из топки. При реализации способа может использоваться, например, датчик, описанный в патенте РФ N 2034244. Датчик 1 соединен с фотоприемником 4, преобразующим излучение факела в электрический сигнал, пропорциональный амплитуде излучения факела. Для этой цели может использоваться любой известный приемник излучения, предназначенный для работы в выбранном диапазоне, например фоторезистор, фотодиод и пр. Между датчиком 1 и фотоприемником 4 установлен фильтр 5, с помощью которого выделяют выбранный диапазон длин волн от 0,4 до 1,2 мкм. В качестве такого фильтра может использоваться, например, дифракционная решетка. Сигнал от фотоприемника 4 через электронный блок 6, служащий для усиления сигнала, передается на ЭВМ 7.

При реализации способа датчик 1 воспринимает излучение пламени в топочной камере 3. Затем излучение через фильтр 5 передается на фотоприемник 4, где происходит преобразование теплового излучения пламени в электрический сигнал. Затем сигнал усиливается и обрабатывается в электронном блоке 6 и подается для дальнейшей обработки на ЭВМ 7.

Следует отметить, что диапазон измерения относительно широк, и в этом диапазоне, кроме выбранного для анализа сигнала излучения частиц сажи, другие сигналы практически отсутствуют. Поэтому способ обеспечивает стабильный контроль горения без сканирования по спектру и какой-либо дополнительной настройки. Это также позволяет упростить используемое оборудование и методику.

На фиг. 2 изображены кривые излучения основных продуктов сгорания топлива, элементов топки и абсолютно черного тела. По оси абсцисс L отложены значения длин волн, в микрометрах, а по оси ординат E - значения спектральных плотностей излучения продуктов сгорания, приведенные к излучению абсолютно черного тела, в безразмерных единицах.

На фиг. 2 кривая 8 изображает спектральную плотность излучения абсолютно черного тела в диапазоне длин волн от 0,4 до 6,0 мкм.

Как показано на фиг. 2, кривая излучения углекислоты 9 имеет максимальные значения при длине волн 1,9, 2,7 и 4,3 мкм. Кривая излучения паров воды 10 имеет максимумы на длинах волн 1,38, 1,87 и 2,7 мкм. Кривая излучения 11 экранов топки имеет максимум в диапазоне от 3,8 до 5,1 мкм. Кривая излучения сажи 12 имеет максимум излучения в диапазоне от 1,3 до 2,5 мкм. Очевидно, что в диапазоне длин волн от 1,2 до 6,3 мкм некоторые спектральные линии и излучение сажи будут накладываться друг на друга, затрудняя спектральные исследования продуктов сгорания. Как показывает практика, заметные помехи создает и фон, образуемый излучением топочных экранов. В выбранном же в соответствии с предлагаемым способом диапазоне излучения от 0,4 до 1,2 мкм интенсивность излучения сажи относительно велика, а излучение других продуктов сгорания практически отсутствуют. Поэтому при появлении даже незначительного количества сажи в спектре появится четко различимый сигнал, по которому судят о режиме горения. Кроме того, из опыта известно, что сажа из всех продуктов сгорания догорает в последнюю очередь, и наличие сажи указывает на нарушение режима горения и обязательное присутствие других продуктов сгорания топлива - оксида углерода, атомарного водорода и пр.

При определении оптимального режима горения необходимо не только подавать в топку достаточное количество кислорода для сжигания данного топлива при данной температуре, но и предотвращать подачу избыточного количества воздуха (кислорода), который в этом случае будет непроизводительно нагреваться и выбрасываться в атмосферу. Для этого целесообразно при реализации способа использовать несколько датчиков, установленных в топке на разной высоте. В этом случае предварительно опытным путем определяют границу топочной камеры, где сажа, а значит, и другие продукты сгорания, должны догореть полностью, и, в случае наличия сажи на определенной опытным путем высоте, вносят изменения в режим подачи топлива и воздуха в топочную камеру.

Предлагаемый способ при относительной простоте используемого оборудования и методики обеспечивает стабильность работы и достоверность результатов при относительно высокой точности контроля.

Способ был реализован на котле БКЗ-320-140 ПТ2, и котле ТГМ-151"А" Сосногорской ТЭЦ и показал удовлетворительные результаты.

Формула изобретения

Способ контроля горения на основании спектрального анализа, включающий выбор заданного диапазона длин волн, выбор анализируемого продукта горения и определение концентрации выбранного продукта по амплитуде измеренного спектрального сигнала излучения от выбранного продукта, отличающийся тем, что диапазон длин волн выбирают от 0,4 до 1,2 мкм, в качестве анализируемого продукта горения выбирают сажу, а измерения осуществляют вне горелочного устройства в верхней части топочной камеры вблизи выхода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2