專利名稱：使用火上區(qū)傳感器和數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及燃燒領(lǐng)域，尤其涉及新式且有用的用于監(jiān)視燃燒系統(tǒng)的火
上風(fēng)(OFA)區(qū)中的燃燒的診斷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
業(yè)界注意力已日益變得集中于用以幫助控制來(lái)自燃煤蒸汽發(fā)生器的排放 的創(chuàng)新方法。已開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的帶有分級(jí)空氣系統(tǒng)的低NOx燃燒器，其能達(dá)成 NOx排放的大大減少，同時(shí)控制諸如CO、飛灰燒失量(LOI)等其他組分， 結(jié)果得到整體改善的運(yùn)作。在絕大多數(shù)實(shí)例中，是基于通過(guò)在發(fā)動(dòng)和試運(yùn) 行過(guò)程期間進(jìn)行參數(shù)調(diào)諧來(lái)調(diào)整裝備的正常做法來(lái)給這些低NOx系統(tǒng)提供 有保證的性能。
由于燃燒器技術(shù)已有所進(jìn)步，因此使燃燒分級(jí)以及將空氣引入OFA區(qū) 中的能力已變得日益重要?？煽刂芆FA來(lái)平衡以可接受的CO能達(dá)成的最 小NOx。由于燃燒器以更為亞化學(xué)計(jì)量的方式來(lái)運(yùn)作來(lái)達(dá)成更低的NOx排 放，因此便有未能燃燒的CO氣泡(pocket)或氣縷(plume)進(jìn)入OFA區(qū) 中。必須有效地分布OFA以減少CO排放。實(shí)時(shí)OFA區(qū)數(shù)據(jù)——若證明其 相對(duì)于燃燒過(guò)程的狀態(tài)是可預(yù)測(cè)的一一將提供對(duì)此重要區(qū)域的更好和連續(xù)的 控制。由此，需要添加先進(jìn)的傳感器來(lái)提供對(duì)鍋爐的上爐膛(OFA區(qū))中的 燃燒過(guò)程的實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋。
已開(kāi)發(fā)出用于流化床的診斷技術(shù)。這些診斷系統(tǒng)是基于從亦稱混沌理論 的非線性動(dòng)力學(xué)理論而來(lái)的概念。采用混沌理論來(lái)監(jiān)視和控制流化床的湍流 中微粒與氣體之間的相互作用，由此改善其性能并減少氣態(tài)污染物的排放。
對(duì)于低N(X燃燒器也有診斷系統(tǒng)可用。這些系統(tǒng)利用來(lái)自現(xiàn)有光學(xué)火 焰探測(cè)器的信號(hào)來(lái)診斷個(gè)體燃燒器中助長(zhǎng)過(guò)度排放和低效率的不良運(yùn)作。 通過(guò)持續(xù)地監(jiān)視所有燃燒器的狀態(tài)，就可不受負(fù)荷改變、燃料質(zhì)量變動(dòng)以
5及裝備退化影響地來(lái)優(yōu)化整體的窯爐性能。監(jiān)視系統(tǒng)的主要硬件組件是用 于采集火焰探測(cè)器信號(hào)的中央數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)以及用于信號(hào)處理和顯示的計(jì) 算機(jī)。還包括圖形用戶界面和用于處理這些探測(cè)器信號(hào)的診斷模塊。該系 統(tǒng)使用數(shù)學(xué)工具來(lái)標(biāo)識(shí)出火焰圖譜并診斷燃燒問(wèn)題。
美國(guó)專利6,389,330公開(kāi)了針對(duì)燃燒器火焰區(qū)以及在火上風(fēng)口附近的 焰后燃燒區(qū)的燃燒診斷技術(shù)。具體而言，在美國(guó)專利6,389,330中提供的診 斷技術(shù)包括傳感器和信號(hào)分析算法。這些傳感器對(duì)電磁譜的不同部分中的 輻射敏感。所述信號(hào)分析采用線性分析技術(shù)。該輻射信號(hào)中的低頻波動(dòng)表 明為對(duì)焰后燃燒條件上的改變敏感。該分析本質(zhì)上確定超過(guò)預(yù)先確定的域 值的正負(fù)峰的數(shù)目以標(biāo)識(shí)出不穩(wěn)定性和分布不均性。這些分析技術(shù)并非基 于混沌理論的原理。該信號(hào)分析的結(jié)果已經(jīng)與諸如CO和NOx等重要性能 參數(shù)相關(guān)。從美國(guó)專利5,798,946中還可獲悉其他用于分析燃燒式燃燒器的 運(yùn)作的信號(hào)處理系統(tǒng)。
單有線性分析技術(shù)不足以鑒別出燃燒穩(wěn)定性方面的重要差別。由此，本領(lǐng) 域中還需要能增強(qiáng)可從位于火上風(fēng)口附近的傳感器產(chǎn)生的信息的信號(hào)分析技 術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一 目的是以對(duì)OFA增強(qiáng)的監(jiān)視和控制來(lái)提高單元性能。 本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供用于獲取代表著OFA 口附近的燃燒條件的信 號(hào)的裝置。
本發(fā)明又一目的是提供一種用于分析該信號(hào)以確定這些OFA 口附近的燃 燒質(zhì)量的系統(tǒng)和方法。
相應(yīng)地，提供了一種用于分析燃燒系統(tǒng)的火上區(qū)附近的燃燒質(zhì)量的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括至少一個(gè)搭載在該燃燒系統(tǒng)中處在該火上區(qū)附近的壁上的透鏡組 裝件。使用一個(gè)或更多個(gè)光檢測(cè)器來(lái)產(chǎn)生與該OFA區(qū)中發(fā)出的光的強(qiáng)度成比 例的模擬信號(hào)。這些光檢測(cè)器信號(hào)經(jīng)由通信鏈路傳送至數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。該數(shù)據(jù) 獲取系統(tǒng)包括用于將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩沖 設(shè)備。提供了用于分析這些數(shù)字信號(hào)的裝置，諸如計(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、提供分析程序并且提供圖形用戶界面。
表征本發(fā)明的各種有新穎性的特征用附于本公開(kāi)并構(gòu)成其一部分的權(quán)利 要求書(shū)中的具體細(xì)節(jié)來(lái)指出。為更好地理解本發(fā)明、其操作優(yōu)點(diǎn)以及通過(guò)其使 用達(dá)到的具體目的，對(duì)其中例示說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的附圖以及描述性 內(nèi)容進(jìn)行參考。


在附圖中
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的示意表示；
圖2是本發(fā)明的透鏡組裝件的俯視平面圖3是本發(fā)明的透鏡組裝件的正視圖4是本發(fā)明的透鏡組裝件的側(cè)視圖5是透鏡組裝件位于替換位置處的系統(tǒng)的示意表示。
具體實(shí)施例方式
圖1示出用于獲取代表著OFA 口附近的燃燒條件的信號(hào)以及用于分析該 信號(hào)以確定OFA 口附近的燃燒質(zhì)量的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括安裝在鍋爐100 中處于OFA 口 16附近的上爐膛燃燒區(qū)110中的一個(gè)(或多個(gè))透鏡組裝件 12、光檢測(cè)器組裝件25、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)30、以及計(jì)算機(jī)40。透鏡組裝件 12經(jīng)由諸如光纖電纜敷設(shè)之類的第一通信鏈路50連接至容納于組裝件25 中的諸個(gè)體光檢測(cè)器傳感器。組裝件25中的這些光檢測(cè)器產(chǎn)生模擬信號(hào)， 其經(jīng)由諸如帶狀電纜60之類的第二通信鏈路被發(fā)送至數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)30。數(shù) 據(jù)獲取系統(tǒng)30包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩沖設(shè)備。至少有一個(gè)傳感器與每一 透鏡組裝件12相關(guān)聯(lián)。每一傳感器獲取來(lái)自其各自的透鏡組裝件12的光 信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩沖設(shè)備將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以如下所述 地供計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行分析。使用諸如以太網(wǎng)電纜70之類的第三通信鏈路將 該數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)連接至控制室中的計(jì)算機(jī)40。該通信鏈路優(yōu)選為以太網(wǎng)電 纜，但也可以包括經(jīng)由無(wú)線發(fā)射機(jī)的無(wú)線連接。
使用對(duì)不同波長(zhǎng)范圍敏感的兩種類型的光檢測(cè)器來(lái)測(cè)量后燃燒的火上區(qū)中發(fā)出的光的強(qiáng)度。硅光檢測(cè)器對(duì)從紫外(0.2微米)延伸到近紅外(1.0微米) 的光敏感。鍺光檢測(cè)器僅對(duì)從l.O微米延伸到1.6微米的近紅外區(qū)域中的光敏 感。隨后能測(cè)量并分析來(lái)自這些光檢測(cè)器的時(shí)變信號(hào)。盡管在本發(fā)明中優(yōu)選使 用硅和鍺光檢測(cè)器，但光檢測(cè)器可由也合適的其他材料構(gòu)造而成。由于光檢測(cè) 器可由不同材料構(gòu)造而成，或者可能對(duì)不同的光波長(zhǎng)敏感，因此不同類型的光 檢測(cè)器將是可接受的。這些光檢測(cè)器可定位成遠(yuǎn)離專用組裝件25中的透鏡組 裝件，或緊耦合至這些OFA口附近的透鏡12。
此外，發(fā)源于單個(gè)測(cè)量位置的光能被拆分并且用兩個(gè)光檢測(cè)器來(lái)同時(shí)測(cè) 量，其中每一檢測(cè)器測(cè)量光譜中的不同范圍，由此提供對(duì)兩個(gè)不同波長(zhǎng)范圍中 的光強(qiáng)的測(cè)量。來(lái)自這兩個(gè)光檢測(cè)器(即，兩個(gè)波長(zhǎng)范圍)的這兩個(gè)同時(shí)信號(hào) 之比可用于使用眾所周知的雙色高溫測(cè)定法技術(shù)來(lái)推斷溫度。
在由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩沖設(shè)備將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，使用算法 形式的傳統(tǒng)線性分析技術(shù)來(lái)分析這些信號(hào)，包括諸如平均、均方根(RMS)、 偏斜度和峰度、功率譜分析、以及群集分析等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)。除線性分析技術(shù) 之外，也采用非線性分析技術(shù)，諸如相關(guān)維、熵、時(shí)間不可逆性、碼元序 列分析、以及互信息等。
本發(fā)明的一種獨(dú)特的新穎特征在于信號(hào)平均與RMS的組合提供對(duì)與 CO氣體的燃燒相關(guān)聯(lián)的燃燒強(qiáng)度的測(cè)量。信號(hào)的平均或即DC (直流)分 量是對(duì)OFA 口附近CO的持續(xù)存在和濃度的衡量。信號(hào)的RMS或即AC(交 流)分量(波動(dòng)分量)提供對(duì)CO濃度上的時(shí)間波動(dòng)的指示。這兩者對(duì)于 評(píng)估和調(diào)整必須被傳送到OFA 口才能有效地?zé)魺煹罋庵械臍埩鬋O的 OFA量皆是關(guān)鍵的。大平均值指示存在CO氣縷并且需要更多火上風(fēng)。其 還暗示可能需要調(diào)整OFA 口以下的那些燃燒器以減少該具體OFA 口附近 的CO濃度。與大RMS值相結(jié)合的低平均值指示有交替的富CO和欠CO 的局部積氣在該OFA 口附近經(jīng)過(guò)。信號(hào)中的此特性暗示來(lái)自許多燃燒器的 氣體的聚集混合上分布不均、或者來(lái)自單個(gè)燃燒器或燃燒器群的排放上因 去往受影響燃燒器的燃料或空氣流上的變動(dòng)之故而有波動(dòng)。
具體而言，時(shí)間不可逆性是一種能在與具體OFA 口相關(guān)聯(lián)的燃燒事件及 跨爐膛在相對(duì)壁上諸OFA 口處發(fā)生的燃燒事件之間加以鑒別的分析技術(shù)。已
8表明與線性分析技術(shù)相結(jié)合的非線性分析技術(shù)比之單有線性技術(shù)而言提供更 多關(guān)于燃燒不穩(wěn)定性和質(zhì)量的本質(zhì)的信息。而且，非線性技術(shù)與線性技術(shù)的結(jié) 合還使得將會(huì)產(chǎn)生關(guān)于燃燒質(zhì)量的錯(cuò)誤信息的可能性最小化。
對(duì)照對(duì)應(yīng)于良好燃燒的已知結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)這些分析技術(shù)的結(jié)果。將一面壁上
的每一傳感器的結(jié)果彼此進(jìn)行比較以評(píng)估OFA 口群的燃燒均一性。例如，指 示在個(gè)體OFA 口處有劇烈燃燒的信號(hào)在被分析時(shí)將提醒操作員將更多空氣引 向該具體端口或者調(diào)査該端口以下的燃燒器列是否有關(guān)于這些燃燒器自身的 潛在燃燒問(wèn)題。
圖2-4示出透鏡組裝件12。移除了目標(biāo)透鏡組裝件位置附近的絕緣和隔熱 材料以曝露出膜式壁14。在壁14的膜上位于毗鄰管16的冠部之間處切割出 2"槽。將探測(cè)器搭載架固定件18搭載在該膜式壁上并焊接至膜式壁14以形成 氣密密封。鉸接探測(cè)器搭載架20附著于探測(cè)器搭載架固定件18。鉸接探測(cè)器 搭載架20提供用于優(yōu)化透鏡組裝件的取景的靈活性，以提供關(guān)于OFA 口附近 的燃燒質(zhì)量的最大限度的信息?？梢詫Ⅱ?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)附著于鉸接探測(cè)器搭載架20 以允許能夠隨著鍋爐IOO上的負(fù)荷改變而將其調(diào)整到最優(yōu)方位。在該完整的組 裝件周圍重新安裝絕緣和隔熱層。將透鏡22附著于鉸接探測(cè)器搭載架20。
可以將對(duì)于OFA 口附近的燃燒質(zhì)量的分析的結(jié)果與對(duì)于該燃燒系統(tǒng)中的 這些燃燒器處或其他地方的燃燒質(zhì)量的分析的結(jié)果進(jìn)行組合來(lái)指導(dǎo)對(duì)整個(gè)燃 燒系統(tǒng)的調(diào)諧。如圖5中所示，在鍋爐上的另一位置處，諸如在燃燒器附近提 供另一透鏡組裝件300，并且將其連接至第二數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)310，第二數(shù)據(jù)獲 取系統(tǒng)310也連接至控制室中的計(jì)算機(jī)40。由此，計(jì)算機(jī)40因此能分析該燃 燒系統(tǒng)中的多個(gè)位置。
雖然已經(jīng)示出和詳細(xì)描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例以例示說(shuō)明對(duì)本發(fā)明的 原理的應(yīng)用，但是將理解本發(fā)明可以按其他方式來(lái)實(shí)施而不會(huì)脫離這樣的原 理。
權(quán)利要求
1. 一種用于分析燃燒系統(tǒng)的火上區(qū)附近的燃燒質(zhì)量的系統(tǒng)，包括至少一個(gè)透鏡組裝件，搭載在所述燃燒系統(tǒng)中處在所述火上區(qū)附近的壁上；光檢測(cè)器組裝件，被安排成測(cè)量所述火上區(qū)中發(fā)出的光的強(qiáng)度；處于所述透鏡組裝件與光檢測(cè)器組裝件之間的第一通信鏈路；經(jīng)由第二通信鏈路連接至所述光檢測(cè)器組裝件的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，包括用于將所述光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩沖設(shè)備；以及用于分析所述數(shù)字信號(hào)的裝置，其經(jīng)由第三通信鏈路連接至所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡組裝件包括搭載在 所述燃燒系統(tǒng)的壁上的探測(cè)器搭載架固定件、附著于所述探測(cè)器搭載架固定件 的鉸接探測(cè)器搭載架、以及附著于所述鉸接探測(cè)器搭載架的透鏡。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括附著于所述鉸接探測(cè) 器搭載架的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整所述鉸接探測(cè)器搭載架的方位。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡組裝件搭載在所述 壁上處在毗鄰管的冠部之間的槽中。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，是使用硅光檢測(cè)器來(lái)測(cè)量所 述火上區(qū)中發(fā)出的光的強(qiáng)度。
6. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，是使用鍺光檢測(cè)器來(lái)測(cè)量所 述火上區(qū)中發(fā)出的光的強(qiáng)度。
7. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，是同時(shí)使用兩個(gè)光檢測(cè)器組裝件來(lái)檢測(cè)從發(fā)源自單個(gè)測(cè)量位置的光信號(hào)拆分出的兩個(gè)光信號(hào)。
8. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個(gè)光檢測(cè)器組裝件是 硅和鍺。
9. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，有多個(gè)透鏡組裝件搭載在所述燃燒系統(tǒng)的相對(duì)壁上。
10. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處于至少一個(gè)透鏡組裝件與所述光檢測(cè)器組裝件之間的第一通信鏈路是光纖。
11. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，處于所述數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)與所 述光檢測(cè)器組裝件之間的所述第二通信鏈路是帶狀電纜。
12. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第三通信鏈路是以太網(wǎng) 電纜。
13. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第三通信鏈路是無(wú)線通 信連接。
14. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于分析的裝置是計(jì)算機(jī)。
15. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于分析的裝置采用線 性與非線性分析技術(shù)的組合作為算法來(lái)分析所述數(shù)字信號(hào)。
16. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述線性分析技術(shù)包括選 自下組的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)平均、均方根、偏斜度、峰度、功率譜分析、以及群集 分析。
17. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性分析技術(shù)選 自下組相關(guān)維、熵、時(shí)間不可逆性、碼元序列分析、以及互信息。
18. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)被安排在所 述燃燒系統(tǒng)中的替換位置處的附加透鏡組裝件、經(jīng)由第四通信鏈路連接至所述 附加透鏡組裝件并經(jīng)由第五通信鏈路連接至所述用于分析的裝置的第二數(shù)據(jù) 獲取系統(tǒng)。
19. 一種用于分析燃燒系統(tǒng)的火上區(qū)附近的燃燒質(zhì)量的方法，包括以下步驟接收代表著所述火上區(qū)附近的燃燒條件的信號(hào)；以及分析所述信號(hào)以確定所述火上區(qū)附近的燃燒強(qiáng)度和質(zhì)量。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述信號(hào)是由線性與非線 性分析技術(shù)的組合作為算法來(lái)分析的。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述線性分析技術(shù)包括選自下組的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)平均、均方根、偏斜度、峰度、功率譜分析、以及群集分析。
22. 如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述非線性分析技術(shù)選自下組相關(guān)維、熵、時(shí)間不可逆性、碼元序列分析、以及互信息。
全文摘要
一種用于分析燃燒系統(tǒng)的火上區(qū)附近的燃燒質(zhì)量的系統(tǒng)，包括至少一個(gè)搭載在該燃燒系統(tǒng)中處在該火上區(qū)附近的壁上的透鏡組裝件。使用一個(gè)或更多個(gè)光檢測(cè)器來(lái)測(cè)量該火上區(qū)中發(fā)出的光的強(qiáng)度。數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)經(jīng)由通信鏈路連接至該光檢測(cè)器組裝件并且包括用于將這些光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩沖設(shè)備。計(jì)算機(jī)用線性和非線性信號(hào)分析技術(shù)來(lái)分析這些數(shù)字信號(hào)。
文檔編號(hào)F23N5/00GK101520183SQ20091000440
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月25日
發(fā)明者P·李, R·T·貝利, T·A·富勒, T·J·弗林 申請(qǐng)人:巴布科克和威爾科克斯能量產(chǎn)生集團(tuán)公司