火焰檢測在焚燒系統中的應用

褚衍旭，高 勇，李 東，葉志成

(1.惠州東江威立雅環境服務有限公司 ,廣東 惠州 516323；2.廣東安佳泰環保科技有限公司,廣東 惠州 516323)

在焚燒系統中，燃燒器是燃燒工況控制過程中的關鍵設備。其中，火焰檢測器是燃燒器自動裝置的重要部件之一，它利用火焰檢測元件對燃燒室中火焰燃燒狀況進行檢測和監視，能夠在點火時快速反映燃料點燃情況，在低負荷運行或者有異常工況時及時檢測出是否存在滅火情況。根據火檢檢測結果，系統聯鎖相關動作，防止出現滅火嚴重時出現事故，穩定工藝工況，確保燃燒系統安全運行[1]。在現代的燃燒系統中，對火焰狀況的檢測是保障系統安全的必要條件之一。

1 燃料燃燒特征

當燃料燃燒時，火焰會呈現多種特性，如電離狀態、輻射強度、閃爍頻率及光譜特征等。根據火焰的形狀，一般依次分為黑龍區、初燃區、燃燒區和燃盡區[2]。在燃燒器噴口處，風和燃料混合形成紊流引起火焰無規律的波動，幅值各異，即稱為閃爍(脈動)現象。不同燃料的閃爍頻率不同；距離火焰越近的地方閃爍頻率越高；火焰閃爍頻率隨著混合物燃燒強度增加而升高。對于火焰強度而言，燃燒區為完全燃燒段，火焰亮度最高且最穩定；對于閃爍頻率而言，在初燃區最高，向燃盡區依次降低。所有燃料燃燒都會產生輻射，且光譜范圍一般涉及紅外線(IR)、可見光及紫外線(UV)等。燃料種類不同，其燃燒火焰光譜分布特性是不完全一樣的，以燃油、煤粉為例，其光譜特性多以紅外線、可見光為主，而對于燃氣而言，則是紫外線較多。

綜上所述，燃燒火焰特性如發熱、電離、輻射、光譜、閃爍、差壓等，均可用來作為判斷火焰有或無的重要依據。控制單元常依據以下四個燃料燃燒特性：火焰最小直流光強度、火焰最小交流光強度、光波長區域以及最小閃爍頻率。以美國FORNEY、BALLEY等公司為代表的紅外線或可見光火焰檢測技術，即是基于對燃燒器噴口火焰亮度信號和脈動頻率的檢測。

2 火焰檢測原理

傳統的火焰檢測技術主要分為以電極法、差壓法為代表的直接火檢與以光電式為代表的間接火檢，其中直接式一般用于點火器的火焰檢測，而間接式為主燃料火檢，即利用不同形式的輻射熱量檢測，也是目前應用最為廣泛的檢測方法[3]。傳統火檢不能直接觀察爐內燃燒狀況，因此圖像技術被引入檢測系統，通過實時采集燃燒器內火焰圖像并分析處理來反應燃燒狀況。

2.1 光電式火檢

光電式火焰檢測原理就是將火焰的光信號傳遞到火檢探頭的光電二極管上，光電二極管將火焰強度及頻率的光信號轉變為電壓信號，經過內部電路板的放大、濾波、比較處理后，輸出直流電壓信號，與電路板內部的閾值比較確定后輸出火焰信號，常見的有紅外線、可見光及紫外線型等。

紅外線檢測是利用對紅外線輻射敏感的硫化鉛(PbS)光敏電阻感測器，光譜靈敏度600～3000nm，對火焰中大量不易被塵粒吸收的可見光及900 nm 以上的絕大部分紅外線輻射都可以有效采集，結構簡單、可靠性高、應用范圍廣、對單只燃燒器監視效果出色[4]。可見光檢測器對可見光敏感，利用火焰中存在的大量可見光檢測火焰，該檢測器結構簡單，特別適合監視整個爐膛的火焰，但可見光穿透灰塵、煙霧能力差，光電管耐高溫能力低。紫外線檢測器檢測光譜范圍從190～550nm，利用火焰所產生的紫外脈沖信號來檢測火焰有無。由于不同燃料產生輻射強度不同，檢測元件也相應地不一樣。一般而言，煤粉火焰輻射較強的紅外線、可見光和一些紫外線，而紫外線易被燃燒產物和灰粒吸收減弱，因此煤粉燃燒火焰宜采用可見光或紅外線火焰檢測器。可燃氣體燃燒時，初燃區紫外線輻射較強，可采用紫外線火焰檢測器進行檢測。

2.2 圖像式火檢

圖像式火檢是借助廣角長焦距工作鏡頭對燃燒器狀況進行判斷，通過傳像光纖送來火焰圖像信號經電感耦合式攝像機(CCD)轉化為視頻信號，由圖像采集卡轉化為數字化圖像，中央處理器(CPU)負責將數字圖像化信息按照判斷體系進行計算判斷被監測燃燒器有無火焰[5]。利用數字圖像處理技術監測火焰燃燒狀況，圖像直接反映火焰狀況，包含火焰全貌、燃燒區域特征、亮度、色彩等。利用火焰圖像對火焰燃燒情況進行全程監控，其對負荷變化適應性很強。

3 結構形式

火檢結構以紅外火焰檢測裝置為例，由檢測器及信號處理器組成，配置冷卻風系統、信號輸出電纜及電源裝置等。其中，檢測器單元主要由光敏元件、測量放大電路、溫度補償電路組成；信號處理器由電源電路、接口電路、自檢電路、報警輸出電路等組成；冷卻風系統主要用于探頭、光纖冷卻[6]。

火檢形式分為一體式與分體式。一體式與分體式火檢最大的區別在于，感光元件與信號處理器是否分置，一體式是將其集成在探頭內，布置于爐側，而分體式則將其分置，探頭安裝于爐側，信號處理器布置于電子機柜內。華國鈞等通過對比分體式與一體式火檢，證明了分體式火檢有更高的安全性和維護便利性。另，由于一體式火檢不需要單獨的安裝放大器，信號傳輸為標準電流信號，因此中小型鍋爐及化工等行業多采用一體化式火檢，燃煤電廠由于工作環境惡劣需依據現場環境綜合考慮。

4 火檢應用

火焰檢測應用最為廣泛的是在電力行業，爐膛安全監測系統是現代大型火電機組鍋爐必須具備的監控系統。火焰檢測能夠在鍋爐點火、正常運行及啟停等各種工況下，持續密切關注監視燃燒系統燃燒情況，便于運行人員判斷工況并做出適當調整，保證鍋爐系統的安全運行。張家界發電廠300MW鍋爐安裝了LY200-II圖像火檢系統，采用光纖傳像、燃燒理論、模式識別及圖像處理技術，實現對煤粉燃燒器以及油火焰信號的數字分析，具有燃燒指導功能，有效解決普通火檢偷看問題[7]。華能德州電廠燃煤發電機組火檢系統采用DURAG紅外線傳感器，能夠檢測波長在780～1800nm范圍內的紅外線，對于安裝位置、燃燒影響進行調整后增強了火檢可靠性[8]。ABB UVISOR智能火焰檢測系統在黃臺發電廠機組上得到良好應用，在調整之后更加可靠穩定[9]。此外，火檢系統還廣泛應用于多種熱處理焚燒系統中，如生活垃圾、危險廢物焚燒轉窯燃燒情況檢測等。

5 常見問題

火檢系統在長期運行中容易出現幾類問題，包括火焰不穩定“偷看漏看”、光纖冷卻效果差、火檢探頭超溫、保護邏輯缺陷等[10]。

5.1 火檢不穩定甚至失去

當燃燒工況發生變化時，負荷及配風變化導致火焰未燃區、燃燒區遷移，燃燒不穩造成燃燒器著火點提前或拖后越出探頭檢測范圍，火檢便顯示無火或頻閃。此外，影響火檢不穩定的因素還有光纖內縮或探頭視角不正常，檢測不到火焰；凸透鏡片前結焦、凸透鏡片老化、光纖損壞、瞄準管脫落造成光信號弱；火檢探頭參數設置不當等。

5.2 火檢“偷看”嚴重

火檢“偷看”其它燃燒器火焰現象在實際運行過程中較為常見[11]，火檢探頭只有對準火焰的初燃區才能獲得最佳檢測效果，"偷看"容易造成對信號的誤判斷。主要影響因素有探頭看火角度不佳、檢測火焰能力差、邏輯判斷功能不足等。

5.3 火檢探頭損壞

火檢探頭在實際運行過程中經常出現燒毀的情況，爐膛壓力、燃燒狀況、冷卻風量、安裝位置等對探頭有著不同程度的影響。火檢探頭安裝位置距噴嘴較近時不能滿足探頭對溫度環境要求；部分火檢探頭安裝于燃燒器近火點，造成燒毀情況嚴重；光纖冷卻效果不好長期超溫運行，造成采光端嚴重燒損甚至脫落、光纖透鏡嚴重結焦損壞等。

6 總結

根據檢測燃燒火焰輻射強度、閃爍頻率及色譜特性等特征用來判斷火焰有或無的的火焰檢測器，能夠實時反應出燃燒器內燃料燃燒火焰情況，對于穩定工藝工況、保障系統安全意義重大。目前火焰檢測技術以光電式檢測應用最為廣泛，根據不同形式的輻射熱量檢測分為紅外線、可見光及紫外線式，由于不同燃料產生輻射強度不同，其檢測元件也相應地不一樣。作為最新的圖像火檢技術，通過實時采集燃燒器內火焰圖像并分析處理來反應燃燒狀況，成為現在火檢研究的一大趨勢。火檢在電力行業應用廣泛并逐漸向其他行業拓展，但是在其實際運行過程中會產生各種各樣的問題，這需要在理論分析的基礎上，結合具體參數及實際工況，對火檢系統進行切實有效的控制措施，以提高火檢系統的可靠、安全與經濟性。