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)此進行燃燃燒控制的方法及其系統(tǒng)，屬于熱工燃燒自動控制領(lǐng)域。
目前，在鍋爐燃燒系統(tǒng)中，沒有一種先進的方法來控制燃燒。通常采用的方法是測取進入爐膛內(nèi)的燃料量和風量，再按照風和燃料的比值進行燃燒調(diào)控。本發(fā)明人早在1995年曾提出過一項名稱為《一種燃燒控制方法及系統(tǒng)》、申請?zhí)枮?51104497的發(fā)明專利申請，在該項申請中提出了一種新方法通過可見光探頭測量火焰能量信號推算出鍋爐燃燒的能級以此去調(diào)整配風量，改變風煤配比，使鍋爐正常自動燃燒。這里不測取風量及燃料量等數(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、風量和燃料量難于測取，難于保證燃料自動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)，它能及時迅速地檢測到燃料燃燒時產(chǎn)生的輻射能量和溫度場，并通過控制系統(tǒng)及時自動地調(diào)整燃燒狀況，提高鍋爐的運行效率，節(jié)約能源。并能防止鍋爐運行時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；c)CCD攝象頭攝取光纖末端的火焰圖象，將光纖信號轉(zhuǎn)換成視頻信號；
d)將視頻信號一路通過圖象處理卡進入計算機，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過專用圖象處理軟件包對圖象進行數(shù)字化處理，計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)將計算出的能量信號和溫度場信號一路送往彩色監(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)學表達式為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)學表達式為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；如果在兩個波長λ1和λ2下同時測得一點的單色輻射能MT(λ1)和MT(λ2)則由兩者比值求得該點溫度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)部分測點的局部溫度，將信號送入燃燒控制系統(tǒng)；g)燃燒控制系統(tǒng)接受前一級計算機輸出的能量信號和溫度信號，并接受現(xiàn)場變送器信號和紅外測溫儀的溫度信號，通過燃燒控制軟件包進行綜合計算，采用正平衡法求得鍋爐連續(xù)瞬時熱效率值，輸出燃燒控制信號至燃料閥，輸出風量控制信號至風門，從而調(diào)節(jié)燃料加入量和送風量，達到最佳風煤比，同時將效率信號作為調(diào)節(jié)目標信號使燃燒趨向最佳效率；其數(shù)學表達式為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、通訊卡和計算機、顯示器CRT和鍵盤、進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、計算機、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)的輸出信號作為燃燒控制系統(tǒng)的輸入信號，燃料控制信號和風量控制信號作為燃燒控制系統(tǒng)的輸出信號送至燃料閥和風門。
上述方案中，所述燃燒控制系統(tǒng)為單片機系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或工控機系統(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)點能迅速地檢測到燃燒時產(chǎn)生的輻射能量和溫度場，通過燃燒控制系統(tǒng)及時自動地調(diào)整燃燒狀況，可提高鍋爐的運行效率，節(jié)約能源。并能防止鍋爐運行時由于燃燒不良而造成結(jié)焦、磨損、滅火等事故。
下面結(jié)合附圖和實施例，進一步說明本發(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和計算機7、顯示器CRT8和鍵盤9、進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、計算機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的輸出信號作為燃燒控制系統(tǒng)13的輸入信號，燃燒控制信號和風量控制信號作為燃燒控制系統(tǒng)13的輸出信號至燃料閥14和風門15。
上述方案中，燃燒控制系統(tǒng)13為單片機系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或工控機系統(tǒng)。
上述方案中，圖象傳輸光纖2外設(shè)冷風管21，其上設(shè)有進風孔22。
上述方案中，CCD攝象頭3設(shè)有過熱保護裝置23。當超過它們允許溫度時，可以自動退出爐膛之外。
對于大型鍋爐，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、鍋爐實時熱效率信號及紅外測量信號共同構(gòu)成一個新的燃燒控制系統(tǒng)，采用正平衡法和燃燒輻射能推算出鍋爐連續(xù)瞬時熱效率，使其達到最佳值。
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)化為視頻信號送入計算機圖象卡，通過專用圖象處理軟件包對圖象進行數(shù)值計算，計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)計算機處理的火焰圖象。燃燒控制系統(tǒng)接受能量信號和溫度信號，還接受鍋爐其他運行參數(shù)和火焰能量溫度信號進行綜合計算，發(fā)出燃燒控制信號和風量控制信號去調(diào)節(jié)送風和燃料，使其在最佳狀態(tài)下燃燒，對伸入爐膛內(nèi)的窺視鏡及圖象傳送光纖采用冷風過熱保護系統(tǒng)。當超過它們允許溫度時，自動退出爐膛之外。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；c)CCD攝象頭攝取光纖末端的火焰圖象，將光纖信號轉(zhuǎn)換成視頻信號；d)將視頻信號一路通過圖象處理卡進入計算機，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過專用圖象處理軟件包對圖象進行數(shù)字化處理，計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)將計算出的能量信號和溫度場信號一路送往彩色監(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)部分測點的局部溫度，將信號送入燃燒控制系統(tǒng)；g)燃燒控制系統(tǒng)接受前一級計算機輸出的能量信號和溫度信號，并接受現(xiàn)場變送器信號和紅外測溫儀的溫度信號，通過燃燒控制軟件包進行綜合計算，采用正平衡法求得鍋爐連續(xù)瞬時熱效率值，輸出燃燒控制信號至燃料閥，輸出風量控制信號至風門，從而調(diào)節(jié)燃料加入量和送風量，達到最佳風煤比，同時將效率信號作為調(diào)節(jié)目標信號使燃燒趨向最佳效率；本發(fā)明的系統(tǒng)軟件包由兩個主要軟件包構(gòu)成，一個是圖象處理軟件包，另一個是燃燒控制軟件包。
圖2示出圖象處理軟件包的工作原理圖，按下列步驟進行，視頻信號→視頻切換器→視頻卡→工業(yè)PC計算輻射能及溫度場→送注燃燒調(diào)節(jié)工控機。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算及數(shù)據(jù)的存儲等。
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，它負責將工控機運算的輻射能量信號、溫度場信號，現(xiàn)場來的紅外測溫儀信號及現(xiàn)場變送器信號運算處理求得鍋爐效率信號η，并將以上信號組成一個新的燃燒控制系統(tǒng)輸出控制燃料及風門的調(diào)節(jié)信號。
現(xiàn)場變送器信號列表如下(其中帶*者為必要數(shù)值)調(diào)速級壓力*送風擋板閥位反饋*能量信號氣泡壓力 引風自動信號*壓力設(shè)定值主氣壓力 送風自動信號*轉(zhuǎn)速手動輸出值主氣流量 給粉機層操自動信號主氣溫度 風量信號給水溫度 再熱器入口溫度*能量發(fā)電機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*硬件報警信號能量信號 再熱器減溫水溫度*再熱器出口流量*爐膛溫度 總給粉機轉(zhuǎn)速 再熱器出口壓力*爐膛負壓 過熱器減溫水流量*再熱器出口溫度*給粉機轉(zhuǎn)速*爐膛負壓給定值 引風擋板閥位饋*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；c)CCD攝象頭攝取光纖末端的火焰圖象，將光纖信號轉(zhuǎn)換成視頻信號；d)將視頻信號一路通過圖象處理卡進入計算機，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過專用圖象處理軟件包對圖象進行數(shù)字化處理，計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)將計算出的能量信號和溫度場信號一路送往彩色監(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)學表達式為Q＝MQPH①E＝XQ ②E＝S*a*σ*T4③用視頻技術(shù)測溫，數(shù)學表達式為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)部分測點的局部溫度，將信號送入燃燒控制系統(tǒng)；g)燃燒控制系統(tǒng)接受前一級計算機輸出的能量信號和溫度信號，并接受現(xiàn)場變送器信號和紅外測溫儀的溫度信號，通過燃燒控制軟件包進行綜合計算，采用正平衡法求得鍋爐連續(xù)瞬時熱效率值，輸出燃燒控制信號至燃料閥，輸出風量控制信號至風門，從而調(diào)節(jié)燃料加入量和送風量，達到最佳風煤比，同時將效率信號作為調(diào)節(jié)目標信號使燃燒趨向最佳效率；其數(shù)學表達式為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行a)讀取視頻信號；b)送入視頻切換器內(nèi)進行數(shù)字數(shù)字化處理；c)視頻卡d)經(jīng)工業(yè)PC機計算輻射能及溫度場；e)送往燃燒調(diào)節(jié)工控機。
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行a)將前一級計算機輸出的輻射能量信號、溫度場信號，現(xiàn)場來的紅外測溫儀信號及現(xiàn)場變送器信號運算處理求得鍋爐效率信號η；b)將以上信號組成一個新的燃燒控制系統(tǒng)分別輸出控制燃料及風門的控制信號。
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、通訊卡和計算機、顯示器CRT和鍵盤、進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、計算機、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)的輸出信號作為燃燒控制系統(tǒng)的輸入信號，燃料控制信號和風量控制信號作為燃燒控制系統(tǒng)的輸出信號送至燃料閥和風門。
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)為單片機系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或工控機系統(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)冷風管，其上設(shè)有進風孔。
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、通訊卡和計算機、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,可提高鍋爐的運行效率。
文檔編號G01J5/54GK1388340SQ01118260
公開日2003年1月1日 申請日期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, 王識遠, 王屹東 申請人:王滿家, 王識遠, 王屹東