專利名稱：測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并且據(jù)此進(jìn)行燃燃燒控制的方法及其系統(tǒng)，屬于熱工燃燒自動(dòng)控制領(lǐng)域。
目前，在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，沒有一種先進(jìn)的方法來控制燃燒。通常采用的方法是測取進(jìn)入爐膛內(nèi)的燃料量和風(fēng)量，再按照風(fēng)和燃料的比值進(jìn)行燃燒調(diào)控。本發(fā)明人早在1995年曾提出過一項(xiàng)名稱為《一種燃燒控制方法及系統(tǒng)》、申請(qǐng)?zhí)枮?51104497的發(fā)明專利申請(qǐng)，在該項(xiàng)申請(qǐng)中提出了一種新方法通過可見光探頭測量火焰能量信號(hào)推算出鍋爐燃燒的能級(jí)以此去調(diào)整配風(fēng)量，改變風(fēng)煤配比，使鍋爐正常自動(dòng)燃燒。這里不測取風(fēng)量及燃料量等數(shù)值。本發(fā)明人繼續(xù)深入研究，發(fā)現(xiàn)上述方法存在以下不足1、風(fēng)量和燃料量難于測取，難于保證燃料自動(dòng)的投入率及燃燒效率的提高。2、探頭數(shù)量要很多才能滿足全爐膛燃燒輻射能量的檢測，并且無法精確算得爐膛的三維溫度場一這一重要的燃燒控制參數(shù)。且探頭易受污染而改變調(diào)節(jié)參數(shù)，影響調(diào)節(jié)控制精確度。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)之不足、而提供一種采用火焰圖象法來測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法及其系統(tǒng)，它能及時(shí)迅速地檢測到燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的輻射能量和溫度場，并通過控制系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)地調(diào)整燃燒狀況，提高鍋爐的運(yùn)行效率，節(jié)約能源。并能防止鍋爐運(yùn)行時(shí)由于燃燒不良造成結(jié)焦、磨損、滅火等事故。
本發(fā)明通過如下技術(shù)方案而實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的之一。一種測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法，它包括下列步驟a)窺視鏡攝取火焰圖象；b)經(jīng)圖象傳輸光纖收取信號(hào)；c)CCD攝象頭攝取光纖末端的火焰圖象，將光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)；
d)將視頻信號(hào)一路通過圖象處理卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過專用圖象處理軟件包對(duì)圖象進(jìn)行數(shù)字化處理，計(jì)算出燃燒火焰的輻射能及溫度場；另一路直接送往彩色圖象監(jiān)視器，顯示出原始火焰圖象；e)將計(jì)算出的能量信號(hào)和溫度場信號(hào)一路送往彩色監(jiān)視器，用圖表的形式顯示出火焰的數(shù)值圖象、輻射能值及溫度值；另一路送往燃燒控制系統(tǒng)；其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Q＝MQPH①E＝XQ ②E＝S*a*σ*T4③其中E-火焰燃燒輻射能S-火焰輻射表面積 m2a-火焰的黑度σ-stepham-boltiman常數(shù)5.670×10-11KW/(m2.K4)T-火焰平均溫度用視頻技術(shù)測溫，數(shù)學(xué)表達(dá)式為MT(λ)＝C1λ-5e-c2/(λT)ε(λ，T) ④其中MT(λ)-火焰單色輻射能W/m3，λ-波長m，T-溫度K，ε(λ，T)-火焰灰度值(無量鋼)C1＝3.7413*10-16Wm2， C2＝1.4388*10-2mk；如果在兩個(gè)波長λ1和λ2下同時(shí)測得一點(diǎn)的單色輻射能MT(λ1)和MT(λ2)則由兩者比值求得該點(diǎn)溫度T＝C2(1/λ2-1/λ1)/{ln[ET(λ1)/ET(λ2)]-ln[ε(λ1，T)/ε(λ2，T)]-5ln(λ2-λ1)} ⑤在火焰輻射的灰性假設(shè)意義下有T＝C2(1/λ2-1/λ1)/{ln[ET(λ1)/ET(λ2)]-5ln(λ2-λ1)} ⑥；f)通過探頭、紅外測溫儀測出爐膛內(nèi)部分測點(diǎn)的局部溫度，將信號(hào)送入燃燒控制系統(tǒng)；g)燃燒控制系統(tǒng)接受前一級(jí)計(jì)算機(jī)輸出的能量信號(hào)和溫度信號(hào)，并接受現(xiàn)場變送器信號(hào)和紅外測溫儀的溫度信號(hào)，通過燃燒控制軟件包進(jìn)行綜合計(jì)算，采用正平衡法求得鍋爐連續(xù)瞬時(shí)熱效率值，輸出燃燒控制信號(hào)至燃料閥，輸出風(fēng)量控制信號(hào)至風(fēng)門，從而調(diào)節(jié)燃料加入量和送風(fēng)量，達(dá)到最佳風(fēng)煤比，同時(shí)將效率信號(hào)作為調(diào)節(jié)目標(biāo)信號(hào)使燃燒趨向最佳效率；其數(shù)學(xué)表達(dá)式為η＝[D(h″-h″)]/Q ⑦η＝XD(h″-h″)/S*a*σ*T4⑧其中η-鍋爐效率。
本發(fā)明通過如下技術(shù)方案而實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的之二。一種測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的系統(tǒng)，它包括安裝在爐膛內(nèi)的窺視鏡、圖象傳輸光纖、與光纖末端連接的CCD攝象頭、彩色圖象監(jiān)視器、圖象處理卡、通訊卡和計(jì)算機(jī)、顯示器CRT和鍵盤、進(jìn)入爐膛的若干可見光探頭及與其相連的若干紅外測溫儀、現(xiàn)場變送器、燃燒控制系統(tǒng)及與其相連的燃料閥和風(fēng)門；所述CCD攝象頭一路連接彩色圖象監(jiān)視器，另一路連接由圖象處理卡、計(jì)算機(jī)、通訊卡、顯示器和鍵盤組成的火焰圖象數(shù)字處理系統(tǒng)；變送器、紅外測溫儀及火焰圖象數(shù)字處理系統(tǒng)的輸出信號(hào)作為燃燒控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，燃料控制信號(hào)和風(fēng)量控制信號(hào)作為燃燒控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)送至燃料閥和風(fēng)門。
上述方案中，所述燃燒控制系統(tǒng)為單片機(jī)系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或工控機(jī)系統(tǒng)。
本發(fā)明所提供的測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法及其系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)能迅速地檢測到燃燒時(shí)產(chǎn)生的輻射能量和溫度場，通過燃燒控制系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)地調(diào)整燃燒狀況，可提高鍋爐的運(yùn)行效率，節(jié)約能源。并能防止鍋爐運(yùn)行時(shí)由于燃燒不良而造成結(jié)焦、磨損、滅火等事故。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的系統(tǒng)和方法。


圖1是本發(fā)明的控制燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中圖象處理軟件包的工作原理圖；圖3是本發(fā)明中軟件包的邏輯圖；圖4是本發(fā)明中燃燒控制系統(tǒng)的控制邏輯圖。
圖1示出本發(fā)明的測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的系統(tǒng)，它包括安裝在爐膛內(nèi)的窺視鏡1、圖象傳輸光纖2、與光纖末端連接的CCD攝象頭3、彩色圖象監(jiān)視器4、圖象處理卡5、通訊卡6和計(jì)算機(jī)7、顯示器CRT8和鍵盤9、進(jìn)入爐膛的若干可見光探頭10、若干紅外測溫儀11、變送器12、燃燒控制系統(tǒng)13及與其相連的燃料閥14和風(fēng)門15；CCD攝象頭3一路連接彩色圖象監(jiān)視器4，另一路連接由圖象處理卡5、計(jì)算機(jī)7、通訊卡6、顯示器8和鍵盤9組成的火焰圖象數(shù)字處理系統(tǒng)100；現(xiàn)場變送器12、紅外測溫儀11及火焰圖象數(shù)字處理系統(tǒng)100的輸出信號(hào)作為燃燒控制系統(tǒng)13的輸入信號(hào)，燃燒控制信號(hào)和風(fēng)量控制信號(hào)作為燃燒控制系統(tǒng)13的輸出信號(hào)至燃料閥14和風(fēng)門15。
上述方案中，燃燒控制系統(tǒng)13為單片機(jī)系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或工控機(jī)系統(tǒng)。
上述方案中，圖象傳輸光纖2外設(shè)冷風(fēng)管21，其上設(shè)有進(jìn)風(fēng)孔22。
上述方案中，CCD攝象頭3設(shè)有過熱保護(hù)裝置23。當(dāng)超過它們?cè)试S溫度時(shí)，可以自動(dòng)退出爐膛之外。
對(duì)于大型鍋爐，依據(jù)燃料燃燒能量轉(zhuǎn)換和守恒原理，用火焰輻射能代表燃燒發(fā)熱量，采用工業(yè)攝象機(jī)通過圖象處理技術(shù)取得爐膛燃燒輻射能及溫度場，將此能量信號(hào)、鍋爐實(shí)時(shí)熱效率信號(hào)及紅外測量信號(hào)共同構(gòu)成一個(gè)新的燃燒控制系統(tǒng)，采用正平衡法和燃燒輻射能推算出鍋爐連續(xù)瞬時(shí)熱效率，使其達(dá)到最佳值。
圖中窺視鏡取燃燒火焰圖象，傳遞給圖象傳輸光纖。攝像頭CCD攝取了光纖末端的火焰圖象。將它轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)送入計(jì)算機(jī)圖象卡，通過專用圖象處理軟件包對(duì)圖象進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算出燃燒火焰所輻射出的能量及溫度，送給CRT顯示火焰的數(shù)值圖象，輻射能值及溫度值。彩色圖象監(jiān)視器顯示未經(jīng)計(jì)算機(jī)處理的火焰圖象。燃燒控制系統(tǒng)接受能量信號(hào)和溫度信號(hào)，還接受鍋爐其他運(yùn)行參數(shù)和火焰能量溫度信號(hào)進(jìn)行綜合計(jì)算，發(fā)出燃燒控制信號(hào)和風(fēng)量控制信號(hào)去調(diào)節(jié)送風(fēng)和燃料，使其在最佳狀態(tài)下燃燒，對(duì)伸入爐膛內(nèi)的窺視鏡及圖象傳送光纖采用冷風(fēng)過熱保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)超過它們?cè)试S溫度時(shí)，自動(dòng)退出爐膛之外。彩色圖象監(jiān)視器直接監(jiān)視原始圖象。
測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法，包括下列步驟a)窺視鏡攝取火焰圖象；b)經(jīng)圖象傳輸光纖收取信號(hào)；c)CCD攝象頭攝取光纖末端的火焰圖象，將光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)；d)將視頻信號(hào)一路通過圖象處理卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過專用圖象處理軟件包對(duì)圖象進(jìn)行數(shù)字化處理，計(jì)算出燃燒火焰的輻射能及溫度場；另一路直接送往彩色圖象監(jiān)視器，顯示出原始火焰圖象；e)將計(jì)算出的能量信號(hào)和溫度場信號(hào)一路送往彩色監(jiān)視器，用圖表的形式顯示出火焰的數(shù)值圖象、輻射能值及溫度值；另一路送往燃燒控制系統(tǒng)；f)通過探頭、紅外測溫儀測出爐膛內(nèi)部分測點(diǎn)的局部溫度，將信號(hào)送入燃燒控制系統(tǒng)；g)燃燒控制系統(tǒng)接受前一級(jí)計(jì)算機(jī)輸出的能量信號(hào)和溫度信號(hào)，并接受現(xiàn)場變送器信號(hào)和紅外測溫儀的溫度信號(hào)，通過燃燒控制軟件包進(jìn)行綜合計(jì)算，采用正平衡法求得鍋爐連續(xù)瞬時(shí)熱效率值，輸出燃燒控制信號(hào)至燃料閥，輸出風(fēng)量控制信號(hào)至風(fēng)門，從而調(diào)節(jié)燃料加入量和送風(fēng)量，達(dá)到最佳風(fēng)煤比，同時(shí)將效率信號(hào)作為調(diào)節(jié)目標(biāo)信號(hào)使燃燒趨向最佳效率；本發(fā)明的系統(tǒng)軟件包由兩個(gè)主要軟件包構(gòu)成，一個(gè)是圖象處理軟件包，另一個(gè)是燃燒控制軟件包。
圖2示出圖象處理軟件包的工作原理圖，按下列步驟進(jìn)行，視頻信號(hào)→視頻切換器→視頻卡→工業(yè)PC計(jì)算輻射能及溫度場→送注燃燒調(diào)節(jié)工控機(jī)。主要完成火焰圖象的數(shù)字化處理，火焰輻射及溫度場的運(yùn)算及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。
圖3示出本系統(tǒng)軟件的邏輯圖。
圖4示出燃燒控制軟件包的工作原理圖，它負(fù)責(zé)將工控機(jī)運(yùn)算的輻射能量信號(hào)、溫度場信號(hào)，現(xiàn)場來的紅外測溫儀信號(hào)及現(xiàn)場變送器信號(hào)運(yùn)算處理求得鍋爐效率信號(hào)η，并將以上信號(hào)組成一個(gè)新的燃燒控制系統(tǒng)輸出控制燃料及風(fēng)門的調(diào)節(jié)信號(hào)。
現(xiàn)場變送器信號(hào)列表如下(其中帶*者為必要數(shù)值)調(diào)速級(jí)壓力*送風(fēng)擋板閥位反饋*能量信號(hào)氣泡壓力 引風(fēng)自動(dòng)信號(hào)*壓力設(shè)定值主氣壓力 送風(fēng)自動(dòng)信號(hào)*轉(zhuǎn)速手動(dòng)輸出值主氣流量 給粉機(jī)層操自動(dòng)信號(hào)主氣溫度 風(fēng)量信號(hào)給水溫度 再熱器入口溫度*能量發(fā)電機(jī)功率再熱器入口壓力*效率電功率再熱器入口流量*氧量優(yōu)化給定煙氣含氧量*再熱器減溫水流量*硬件報(bào)警信號(hào)能量信號(hào) 再熱器減溫水溫度*再熱器出口流量*爐膛溫度 總給粉機(jī)轉(zhuǎn)速 再熱器出口壓力*爐膛負(fù)壓 過熱器減溫水流量*再熱器出口溫度*給粉機(jī)轉(zhuǎn)速*爐膛負(fù)壓給定值 引風(fēng)擋板閥位饋*過熱器減溫水溫度*
權(quán)利要求
1.一種測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法，其特征是它包括下列步驟a)窺視鏡攝取火焰圖象；b)經(jīng)圖象傳輸光纖收取信號(hào)；c)CCD攝象頭攝取光纖末端的火焰圖象，將光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)；d)將視頻信號(hào)一路通過圖象處理卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過專用圖象處理軟件包對(duì)圖象進(jìn)行數(shù)字化處理，計(jì)算出燃燒火焰的輻射能及溫度場；另一路直接送往彩色圖象監(jiān)視器，顯示出原始火焰圖象；e)將計(jì)算出的能量信號(hào)和溫度場信號(hào)一路送往彩色監(jiān)視器，用圖表的形式顯示出火焰的數(shù)值圖象、輻射能值及溫度值；另一路送往燃燒控制系統(tǒng)；其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Q＝MQPH①E＝XQ ②E＝S*a*σ*T4③用視頻技術(shù)測溫，數(shù)學(xué)表達(dá)式為MT(λ)＝C1λ-5e-c2/(λT)ε(λ，T) ④其中C1＝3.7413*10-16wm2，C2＝1.4388*10-2mk；T＝C2(1/λ2-1/λ1)/{ln[ET(λ1)/ET(λ2)]-ln[ε(λ1，T)/ε(λ2，T)]-5ln(λ2-λ1)} ⑤T＝C2(1/λ2-1/λ1)/{ln[ET(λ1)/ET(λ2)]-5ln(λ2-λ1)} ⑥；f)通過探頭、紅外測溫儀測出爐膛內(nèi)部分測點(diǎn)的局部溫度，將信號(hào)送入燃燒控制系統(tǒng)；g)燃燒控制系統(tǒng)接受前一級(jí)計(jì)算機(jī)輸出的能量信號(hào)和溫度信號(hào)，并接受現(xiàn)場變送器信號(hào)和紅外測溫儀的溫度信號(hào)，通過燃燒控制軟件包進(jìn)行綜合計(jì)算，采用正平衡法求得鍋爐連續(xù)瞬時(shí)熱效率值，輸出燃燒控制信號(hào)至燃料閥，輸出風(fēng)量控制信號(hào)至風(fēng)門，從而調(diào)節(jié)燃料加入量和送風(fēng)量，達(dá)到最佳風(fēng)煤比，同時(shí)將效率信號(hào)作為調(diào)節(jié)目標(biāo)信號(hào)使燃燒趨向最佳效率；其數(shù)學(xué)表達(dá)式為η＝[D(h″-h″)]/Q ⑦η＝XD(h″-h″)/S*a*σ*T4⑧；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法，其特征是所述圖象處理軟件包按照下列步驟進(jìn)行a)讀取視頻信號(hào)；b)送入視頻切換器內(nèi)進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)字化處理；c)視頻卡d)經(jīng)工業(yè)PC機(jī)計(jì)算輻射能及溫度場；e)送往燃燒調(diào)節(jié)工控機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法，其特征是所述燃燒控制軟件包按照下列步驟進(jìn)行a)將前一級(jí)計(jì)算機(jī)輸出的輻射能量信號(hào)、溫度場信號(hào)，現(xiàn)場來的紅外測溫儀信號(hào)及現(xiàn)場變送器信號(hào)運(yùn)算處理求得鍋爐效率信號(hào)η；b)將以上信號(hào)組成一個(gè)新的燃燒控制系統(tǒng)分別輸出控制燃料及風(fēng)門的控制信號(hào)。
4.一種測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的系統(tǒng)，其特征是它包括安裝在爐膛內(nèi)的窺視鏡、圖象傳輸光纖、與光纖末端連接的CCD攝象頭、彩色圖象監(jiān)視器、圖象處理卡、通訊卡和計(jì)算機(jī)、顯示器CRT和鍵盤、進(jìn)入爐膛的若干可見光探頭及與其相連的若干紅外測溫儀、現(xiàn)場變送器、燃燒控制系統(tǒng)及與其相連的燃料閥和風(fēng)門；所述CCD攝象頭一路連接彩色圖象監(jiān)視器，另一路連接由圖象處理卡、計(jì)算機(jī)、通訊卡、顯示器和鍵盤組成的火焰圖象數(shù)字處理系統(tǒng)；變送器、紅外測溫儀及火焰圖象數(shù)字處理系統(tǒng)的輸出信號(hào)作為燃燒控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，燃料控制信號(hào)和風(fēng)量控制信號(hào)作為燃燒控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)送至燃料閥和風(fēng)門。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的系統(tǒng)，其特征是所述燃燒控制系統(tǒng)為單片機(jī)系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或工控機(jī)系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的系統(tǒng)，其特征是所述圖象傳輸光纖外設(shè)冷風(fēng)管，其上設(shè)有進(jìn)風(fēng)孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一權(quán)利要求所述的測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的系統(tǒng)，其特征是所述CCD攝象頭設(shè)有過熱保護(hù)裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量鍋爐燃燒輻射能及溫度場并控制燃燒的方法及其系統(tǒng)。它包括:窺視鏡、圖象傳輸光纖、CCD攝象頭、彩色圖象監(jiān)視器、圖象處理卡、通訊卡和計(jì)算機(jī)、顯示器CRT和鍵盤、若干可見光探頭及與其相連的若干紅外測溫儀、現(xiàn)場變送器、燃燒控制系統(tǒng)及與其相連的燃料閥和風(fēng)門。它能檢測到輻射能和溫度場,調(diào)整燃燒狀況,可提高鍋爐的運(yùn)行效率。
文檔編號(hào)G01J5/54GK1388340SQ01118260
公開日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2001年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月25日
發(fā)明者王滿家, 王識(shí)遠(yuǎn), 王屹東 申請(qǐng)人:王滿家, 王識(shí)遠(yuǎn), 王屹東