專利名稱：光學(xué)火焰?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?br> 光學(xué)火焰?zhèn)鞲衅?br> 背景技術(shù)：
本公開一般涉及測量設(shè)備和用于測量的方法。具體來說，本發(fā)明涉及以光學(xué)方式探測火焰中的熱點的測量設(shè)備和方法。該設(shè)備和方法尤其允許確定氮氧化物的形成。本公開的設(shè)備和方法尤其用于煤燃燒，并且可以尤其考慮到平衡燃燒器化學(xué)計量?？梢栽诿喝紵陂g形成氮氧化物(NOx)(例如一氧化氮(NO)或二氧化氮(NO2))。氮氧化物可以對健康有嚴(yán)重的影響。另外，氮氧化物被認(rèn)為是溫室氣體。大氣中的^,形成促成酸雨的硝酸。因此，環(huán)境規(guī)定要求減少在爐子和鍋爐中的燃燒反應(yīng)中氮氧化物的形成，并且甚至可以包括對排放者的經(jīng)濟(jì)罰款的應(yīng)用。氮氧化物(簡稱NOx或NOx)和其它物質(zhì)在溫度實質(zhì)上高于期望溫度的火焰的所謂熱點中形成?？紤]到導(dǎo)致氮氧化物的形成的反應(yīng)與火焰中的高溫點有關(guān)，應(yīng)用光學(xué)技術(shù)以便于監(jiān)測燃燒過程。因此，可以將熱點的直接測量用作控制參數(shù)來優(yōu)化燃燒，從而減少NOx 的形成。此外，燃燒過程中一氧化碳(CO)的形成也是需要關(guān)注的問題。NOj^PCO兩者的形成取決于若干變量，特別是取決于溫度、燃燒過程中存在的燃料和空氣之間的比率以及燃料的顆粒大小。為了確定和控制這些變量，在燃燒過程中使用光學(xué)監(jiān)測。在清潔燃燒燃料(例如煤氣、液烴)的燃燒中，光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)方法(例如光譜法)允許在熱點的確定和定位時得到令人滿意的結(jié)果。然而，由于固態(tài)煤較長的揮發(fā)時間，煤燃燒的光學(xué)監(jiān)測并不是同等地簡單。更確切地說，當(dāng)燃燒煤時，總是有小顆粒存在于火焰中，使光譜法變得復(fù)雜。煤燃燒中的另一個任務(wù)是識別顆粒大小，這是因為偏離最佳大小的顆粒還將導(dǎo)致非最優(yōu)的燃燒過程，該非最優(yōu)的燃燒過程可以導(dǎo)致熱點等等。顆粒大小的可變性也對燃燒控制有影響。較小的顆粒燃燒較快，較大的顆粒則需要更長的時間來揮發(fā)。提出以光學(xué)方式測量來自存在于火焰中的基物質(zhì)的排放，例如0H_、CH_和C2_3。在清潔的燃燒氣體和液體燃料的燃燒中，對來自火焰中的這些基的排放的監(jiān)測可以給出火焰溫度和反應(yīng)化學(xué)計量的精確讀數(shù)。然而對于煤應(yīng)用，由于存在不同大小的固體顆粒，基物質(zhì)的直接探測并不是同等地可行。煤顆粒散射由火焰發(fā)出的光，從而使對來自基的火焰溫度的直接測量變得困難，乃至不可能。另外，化學(xué)計量涉及價格昂貴并且需要高度維護(hù)的光學(xué)元件，例如濾波器、透鏡、反射鏡等等。例如，在具有大量燃燒器的燃煤發(fā)電廠中，為每臺燃燒器提供、設(shè)置以及維護(hù)這些光學(xué)元件意味著巨大的投資。因此，存在對能夠確定溫度，尤其是熱點以及燃料的顆粒大小的改進(jìn)的光學(xué)監(jiān)測方法和儀器的需要。具體而言，存在對易于安裝并且同等地低廉的光學(xué)監(jiān)測方法和設(shè)備的需要，以便可以在若干燃燒器處安裝多個該設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述內(nèi)容，根據(jù)一個方面，提供一種光學(xué)測量設(shè)備。該光學(xué)測量設(shè)備適合于確定火焰中的溫度并且適合于確定火焰中存在的燃料的顆粒大小，并且包括用于測量火焰中的光信息并輸出測量結(jié)果的彩色照相機(jī)。它還包括適合于評估測量結(jié)果的評估單元。在本公開的上下文中，燃料表示任何可燃物，包括氣態(tài)的和/或液態(tài)的和/或固態(tài)的可燃物，并且尤其是包括任何形式的煤。為了使公開的設(shè)備和方法高效地運(yùn)行，燃料應(yīng)該總是包括具有某個顆粒大小的顆粒的某種等級的燃料。根據(jù)另一個方面，提供一種燃煤發(fā)電廠。該燃煤發(fā)電廠具有用于各在火焰中燃燒粉碎的煤的多個燃燒器以及根據(jù)本說明書的多個光學(xué)測量設(shè)備。根據(jù)又一個方面，提供一種用于確定火焰中存在的燃料的顆粒大小和溫度的方法。該方法包括接收來自火焰的光信息并使用彩色照相機(jī)測量它；將測量結(jié)果提供給評估單元；以及評估測量結(jié)果。根據(jù)再一個方面，提供一種用于控制燃燒器的方法。這些方法包括如本文所描述的用于確定火焰中存在的燃料的顆粒大小和溫度的方法。它還包括依賴于所評估的測量結(jié)果控制燃燒參數(shù)。 更多示范實施例是如從屬權(quán)利要求書、說明書和附圖所示。


更特別地，在本說明書的剩余部分闡述了對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說包括其最佳實施方式的完整且能夠?qū)崿F(xiàn)的公開，其包括對附圖的參考，其中圖l、2、3a、3b、7和8不出根據(jù)本公開的光學(xué)測量設(shè)備的不意性實施例。圖4為示出理論黑體輻射光譜的示意圖。圖5為示出由米氏散射理論修改的示范性黑體福射光譜的示意圖。圖6示出示范性測量結(jié)果以及它們到修改后的黑體輻射光譜的擬合。圖9和10示意性地示出根據(jù)本文所描述的方法實施例的控制和優(yōu)化圖。圖11示意性地示出空氣與燃料的比率和燃燒參數(shù)之間的關(guān)系。圖12示意性地示出燃煤發(fā)電廠的示范實施例。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)地參考各個示范實施例,在附圖中示出了其一個或多個示例。每個示例都是以說明的方式提供，并且不意味著限制。例如，作為一個實施例的一部分來示出或描述的特征可以用于其它實施例或結(jié)合其它實施例使用，以便又得出另一個實施例。意圖為本公開包括這樣的修改和變化。以下將解釋多個實施例。在這種情況下，在附圖中相同的結(jié)構(gòu)特征通過相同的附圖標(biāo)記來標(biāo)識。附圖中示出的結(jié)構(gòu)不是按真正的比例描繪的，而只是用于更好地理解實施例。一般而言，提出的系統(tǒng)和方法允許通過監(jiān)測火焰的溫度以及火焰內(nèi)燃料顆粒的顆粒大小分布來減少氮氧化物的形成。在實施例中，也可以監(jiān)測和控制CO的形成。一般而言，在標(biāo)準(zhǔn)燃燒期間，期望顆粒大小具有恒定值。對相應(yīng)參數(shù)(例如粉碎(milling)設(shè)定)的控制都以此為目的。只有在過渡時段期間，即在燃燒的啟動期間，可能期望較大的顆粒大小。在一實施例中，借助優(yōu)化算法控制燃燒，該優(yōu)化算法的成果是允許修改燃燒參數(shù)，以便優(yōu)化燃燒溫度、顆粒大小和/或添加的燃料與空氣的比率。在煤燃燒中，在實施例中的方法和設(shè)備允許優(yōu)化燃燒過程和/或煤顆粒大小。為了說明性的目的，將空氣與燃料的比率、溫度以及NOx和CO的形成之間的關(guān)聯(lián)作為一般趨勢在圖11中示意性地示出。示出了燃燒器處的情況，但該情況并非必然代表爐子中的整體燃燒一般而言，NOx的數(shù)量可以在200ppm至1200ppm的范圍內(nèi)變化。典型地，火焰溫度可以在1400K至2400K的范圍內(nèi)變化。燃燒器處，CO的數(shù)量可以在O %至10%的范圍內(nèi)變化。在過度燃燒期間CO的數(shù)量可以進(jìn)一步降低。最后，典型地，從爐子中釋放50ppm至200ppm之間的CO。在烴火焰中氮氧化物或NO的形成主要通過三種機(jī)制發(fā)生I.熱力型NO(通過在高溫下產(chǎn)生的氧原子對分子氮的固定) 2.燃料型NO(在燃燒期間，通過空氣中的氧氣對燃料中包含的氮進(jìn)行的氧化)3.快速型NO(烴基在分子氮上的撞擊)在煤燃燒中，NO的大部分(70%至90% )來源于燃料型NO (第二種情況)。因此，減少NOx的關(guān)鍵步驟是限制可用于與燃料氮(簡稱燃料N)反應(yīng)的空氣。根據(jù)本文描述的實施例，提供一種分階段燃燒。根據(jù)該分級燃燒，燃燒器是在爐子的下端，并且以比完成煤的燃燒所需更低的空氣與燃料的比率或化學(xué)計量運(yùn)行。隨著燃燒產(chǎn)物在爐子內(nèi)增加，在過度燃燒或第二過度燃燒階段逐漸地增加空氣的數(shù)量來完成燃燒過程。這種安排允許燃料中包含的N在O2缺乏或O2降低的環(huán)境下轉(zhuǎn)化成N2,而不是NO。具有較小的顆粒大小也是有幫助的，這是因為燃料中包含的氮原子(簡稱N)可以在氮原子到達(dá)過度燃燒階段之前，更快地轉(zhuǎn)化成N2。在根據(jù)本公開的一實施例中，測量溫度和/或顆粒大小。使用燃燒模型來評估在燃燒器階段的有效的空氣與燃料的比率。在知道這個信息的情況下，既可以通過保持溫度低來控制熱力型NO，并且更重要的是，又可以通過借助控制空氣插入和顆粒大小來將空氣與燃料的比率保持在它的適當(dāng)值，從而控制燃料型NO。根據(jù)實施例，提供至少6個，或至少12個的多個燃燒器。例如，在具有36個燃燒器并且知道各個火焰掃描器/測量的情況下，用于調(diào)整添加的空氣的數(shù)量的各個風(fēng)門可以得到控制，以便操縱燃燒空氣。因此，可能在每個單獨(dú)的燃燒器處維持所期望的條件。這就是下文中所稱的“單獨(dú)的燃燒器化學(xué)計量平衡”。根據(jù)另一個方面，也控制一氧化碳的形成。CO作為污染物不是同等地重要，原因在于可能通過維持廢氣(即，在過度燃燒區(qū)域中)中過量的氧來控制。然而，如圖11中所示，效率與溫度有關(guān)，而溫度與空氣與燃料的比率有關(guān)并且與有多少煤在高溫下燃燒有關(guān)(CO代表不完全燃燒的程度并且在過度燃燒空氣階段中燃燒CO并非是高效的，因為那里的溫度較低)。因此，在效率和NOx形成之間存在權(quán)衡。為了增加效率，必須在高溫下燃燒更多的CO,其導(dǎo)致釋放更多NOx (參照圖11中溫度曲線T的最大值之前的圖表的左部)。然而，增加空氣與燃料的比率，CO的轉(zhuǎn)化冷卻了火焰溫度，因而效率再次下降(參照圖11的圖表的右部)。一般而言，燃燒過程中的最佳點為圖11中從最大值處稍微向右偏離。這通常保證了更為完全的燃燒。然而，如果，例如，該發(fā)電廠必須滿足特定的NOx閾值，則在一實施例中也是這樣的情況，該控制使得將運(yùn)行溫度選擇在標(biāo)明為T的溫度曲線的最大值稍微偏左處。圖I示意性地示出本公開的實施例。光學(xué)測量設(shè)備100包括用于接收來自火焰5的光信息的彩色照相機(jī)10。例如，該彩色照相機(jī)可以是如用于標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)性照相機(jī)的紅綠藍(lán)照相機(jī)。一般而言，彩色照相機(jī)適合于輸出關(guān)于從大約400nm到SOOnm波長的可見范圍內(nèi)的信息。照相機(jī)10連接到評估單元20，該評估單元20適合于確定火焰中的溫度，因此允許確定火焰中的氮氧化物的形成。此外，評估單元20可以適合于確定火焰中存在的燃料的顆粒大小分布。根據(jù)實施例，照相機(jī)為三通道RGB(紅綠藍(lán))照相機(jī)。在一實施例中，它包括CXD或CMOS傳感器芯片。它還可以裝備有一個或多個濾波器，例如拜爾濾波器馬賽克等等。例如，在拜爾濾波器馬賽克的情況下，可以使用多種解馬賽克算法為每個點內(nèi)插一組完整的紅值、綠值和藍(lán)值，以便于獲得全色彩圖像。在一實施例中，在照相機(jī)中執(zhí)行這些算法。在一實施例中，可能使用低成本照相機(jī)。該照相機(jī)允許分開測量紅色波長范圍中的紅色光信號、綠色波長范圍中的綠色光信號以及藍(lán)色波長范圍中的藍(lán)色光信號。在備選的實施例中， 使用寬帶相機(jī)和附加的窄帶濾波器。然而，與標(biāo)準(zhǔn)的或低成本的相機(jī)相比，這導(dǎo)致了更高的成本。一般而言，將測量結(jié)果傳輸?shù)皆u估單元。例如，評估單元可以是數(shù)據(jù)存儲裝置和微處理器，例如個人計算機(jī)。基于所測量的光信息，評估單元確定對應(yīng)的溫度。該溫度允許關(guān)于氮氧化物的形成率得出直接結(jié)論，這是因為NOx是在火焰的熱點中形成的。它還可以允許關(guān)于CO的形成得出結(jié)論。此外，如下更具體地描述的，它允許關(guān)于火焰內(nèi)燃料的顆粒大小得出結(jié)論。根據(jù)一實施例，該照相機(jī)允許取決于位置的測量，即以空間分辨方式。例如，典型地，將所監(jiān)測的火焰5投影到照相機(jī)10內(nèi)的二維矩形平面上，該相機(jī)10的像素以矩陣配置排列。因此，當(dāng)測量入射光的時候，可能監(jiān)測取決于像素(即，取決于在火焰5內(nèi)所投影的二維位置)的溫度和/或像素大小的結(jié)果?？赡軐⑦@個結(jié)果以類似映射的方式輸出到光學(xué)屏幕。因此，該系統(tǒng)的操作者可以光學(xué)方式監(jiān)測火焰上的溫度和/或顆粒大小分布。在一實施例中，可能將照相機(jī)放置在遠(yuǎn)距離地點上以便使火的熱量不損害照相機(jī)。因此，可能提供一種傳送器(例如光纖束)用于將光從燃燒器傳輸?shù)秸障鄼C(jī)。該設(shè)置還可以包括前端光學(xué)器件11，該前端光學(xué)器件11適合于暴露于火焰5并且使火焰5發(fā)射的光聚集到傳送器12中，例如光纖束12中。在圖2中示意性地示出了這樣的設(shè)置，圖2示出燃燒器中的火焰5，連接到傳送器12的前端光學(xué)器件11。在圖2的實施例中，照相機(jī)10位于傳送器12的一端。照相機(jī)10連接到評估單元20。—般而言，并不限于這個實施例，可能在照相機(jī)和評估單元之間提供放大器。一般而言，還可能在前端光學(xué)器件上或在前端光學(xué)器件和照相機(jī)之間提供濾波器，以便僅讓特定波長(例如在可見范圍內(nèi)的那些波長)通過。提供特定的濾波器還可以允許改進(jìn)靈敏度。使光接收光學(xué)器件朝向火焰的方向(例如在火焰后面，或在火焰?zhèn)让?是可能的。如本文所理解的術(shù)語“光接收光學(xué)器件”應(yīng)該包含前端光學(xué)器件，該前端光學(xué)器件聚集從火焰發(fā)射的輻射并將它傳輸?shù)秸障鄼C(jī)。因此，在照相機(jī)直接面對火焰放置的那些應(yīng)用中，該前端光學(xué)器件可以是照相機(jī)本身，或者更有可能的，它是例如圖2、3a和3b中附圖標(biāo)記11所指代的前端光學(xué)器件。在一實施例中，光接收光學(xué)器件11具有最高達(dá)180°、可選地最高達(dá)90°、可選地最高達(dá)60°的視角(視角定義在從接收光學(xué)器件或前端光學(xué)器件11朝火焰15的視線和火焰方向之間)，從而允許看到火焰5的大部分。圖3a中示意性地示出一種配置，其中，前端光學(xué)器件被放置在火焰的前方。圖3b中示意性地示出側(cè)向設(shè)置。按照規(guī)定，將光接收光學(xué)器件放置在火焰后方(未圖示)也是可能的。在圖3a和3b中，附圖標(biāo)記35指代燃燒室。本文中應(yīng)該同義地使用術(shù)語“燃燒室”和“燃燒器”。典型地，提供將粉碎的煤與氧氣或空氣一起吹進(jìn)燃燒器35的進(jìn)料管30。在圖3a中示出用于輸出評估單元10的測量結(jié)果的屏幕25。本文描述的所有實施例中都可以提供這個屏幕。一般而言，彩色照相機(jī)的每個像素的測量結(jié)果都導(dǎo)致火焰內(nèi)的溫度和顆粒大小的二維投影。這可以以類似映射的方式輸出到屏幕，其中，例如，通過顏色指示溫度，例如，用于低溫的紅色直到用于高溫的藍(lán)色。也可以類似地可視化顆粒大小的繪圖。 特別是在煤燃燒中，由于由懸浮的煤顆粒造成的光散射，許多標(biāo)準(zhǔn)頻率分辨光學(xué)方法都如之前所述的那樣失敗。根據(jù)本公開，提供一種方法來處理背景散射光并識別溫度。該方法使溫度估計基于修改的黑體輻射光譜的假設(shè)。在該黑體處于熱力學(xué)平衡的情況下，黑體輻射是由于物體的溫度而從物體表面發(fā)射的電磁輻射。根據(jù)普朗克輻射定律，黑體熱輻射的所發(fā)射波長通過僅取決于溫度的概率/強(qiáng)度分布來描繪。為了舉例說明，圖4示意性地示出兩個物體的黑體輻射，它們的其中一個處于任意溫度T1，另一個處于任意溫度1~2，其中Τ2>1\。示意性地示出依賴波長λ的強(qiáng)度I。根據(jù)本公開的實施例，普朗克黑體發(fā)射光譜與米氏散射理論相結(jié)合。當(dāng)顆粒具有輻射波長量級的物理大小時，米氏理論涉及用于電磁輻射的麥克斯韋方程的解。根據(jù)米氏散射理論考慮顆粒大小分布導(dǎo)致根據(jù)普朗克改變的黑體光譜形狀。理論上，通過所謂的發(fā)射率ε，根據(jù)IMie = ε (λ) *IPlandt來修改普朗克光譜IPlanck。一般而言，根據(jù)廣泛使用的由Hottel和Broughton得出的經(jīng)驗方程來假定發(fā)射率ε ε (λ) = I-exp (~KL/ λ α)(Gl)其中，K為吸收系數(shù)(πΓ1) , L為火焰沿光軸的幾何厚度(光程的長度)，以及α為一般地取決于波長λ (μπι)的經(jīng)驗參數(shù)(米氏散射)。在一實施例中，對于穩(wěn)定光焰，可以認(rèn)為α為大約I. 4。圖5中示例性地示出修改的光譜，其中，依賴波長λ為之前提及的兩個溫度Tl和Τ2繪制依據(jù)強(qiáng)度I的光譜。本文使用的術(shù)語“修改的黑體光譜”、“修改的普朗克光譜”等等應(yīng)該被理解為“利用米氏散射理論修改”，即，通過考慮發(fā)射率。根據(jù)本公開，利用彩色照相機(jī)來監(jiān)測火焰。例如，彩色照相機(jī)是紅綠藍(lán)照相機(jī)，以便彼此獨(dú)立地測量這三種顏色中的每一種。一般而言，照相機(jī)的兩種顏色的所測量強(qiáng)度可以足夠獲知對應(yīng)的修改的黑體轉(zhuǎn)動光譜。為了舉例說明的目的，這在圖6中示范性地示出。示出了由彩色照相機(jī)提供的測量范圍藍(lán)(B)、綠(G)和紅(R)。現(xiàn)在，為了舉例說明，我們假設(shè)照相機(jī)的紅色通道已經(jīng)測量了對應(yīng)于圖6中的陰影線區(qū)域的分布。類似地，雖然只是為綠色通道示出，但是綠色通道和藍(lán)色通道也可以已經(jīng)測量了擬合所示的修改的黑體光譜的光譜。因此，根據(jù)測量值推導(dǎo)出對應(yīng)的黑體光譜并因而推導(dǎo)出所監(jiān)測點的溫度和顆粒大小是可能的。根據(jù)實施例，通過使用至少兩個測量結(jié)果(即，來自三種顏色中的任意兩種的結(jié)果)的擬合方法來執(zhí)行擬合。雖然如此，如果考慮全部三種顏色的測量值以便可以更精確得多地指定相應(yīng)光譜，則可以改進(jìn)該結(jié)果。為了這樣做，在一實施例中，首先將顏色中的第一對用于該擬合方法。然后，在用于改進(jìn)擬合結(jié)果的第二步驟中，使用顏色中的第二對，其中，該顏色中的第二對與第一對相比一種顏色不同。在給定對于相鄰顏色(即藍(lán)和綠；綠和紅)發(fā)射率只是輕微不同(典型地不超過10% )的事實的情況下，將紅和綠以及藍(lán)和綠的測量結(jié)果用于對應(yīng)光譜的確定是可能的。知道相應(yīng)光譜分布允許確定火焰中對應(yīng)點的溫度。米氏散射校正值KL也在該方法中確定。值得注意的是，盡管KL在理論上是兩個參數(shù)的組合，現(xiàn)在，只有吸收系數(shù)K和火焰沿光軸的幾何厚度L的乘積被確定作為散射的度量，因而作為顆粒大小分布的度量。 換言之，本文所描述的方法允許分開確定火焰中的顆粒大小分布和溫度。為了這樣做，將來自彩色照相機(jī)的結(jié)果用于算法中，以便于確定由匹配測量結(jié)果的米氏散射KL來修改的黑體輻射光譜，。由米氏散射理論修改的黑體輻射光譜對于每個溫度T和每個米氏散射校正值KL來說是獨(dú)特的分布。因此，基于來自照相機(jī)的三種顏色的兩個測量值來確定相應(yīng)溫度和米氏散射校正值在理論上是可能的。然而，如果考慮全部三個值，則實質(zhì)上在精度方面改進(jìn)了該方法。因此，計算藍(lán)色的所測量強(qiáng)度和綠色的所測量強(qiáng)度的比率是可能的。另外，計算紅色的所測量強(qiáng)度和綠色的所測量強(qiáng)度的比率是可能的。通過提出的方法，分開地對每個像素測量投影到二維照相機(jī)表面上的顆粒大小分布和火焰中的溫度。結(jié)果，可以為每個時刻計算溫度和顆粒大小分布的映射。這不但允許確定熱點的存在，而且允許它們的定位。另外，根據(jù)所描述實施例的方法允許根據(jù)米氏散射理論確定顆粒大小分布。關(guān)于熱點的存在和顆粒大小分布的組合信息允許優(yōu)化燃燒過程，例如，在對預(yù)處理參數(shù)的對應(yīng)控制中，比如粉碎過程或煤粉和/或空氣供應(yīng)過程中。此外，評估單元的輸出可以直接地或間接地用于風(fēng)門的控制，該風(fēng)門可以被提供用來控制所供應(yīng)的空氣。根據(jù)實施例，為每個燃燒器提供風(fēng)門以便可以分開地為每個燃燒器控制燃燒過程。通過燃燒過程的持續(xù)優(yōu)化，達(dá)到若干積極的效果。可以實質(zhì)上地減少氮氧化物形成和排放的比率；可以優(yōu)化生成的CO的比率；可以優(yōu)化煤的粉碎大?。豢梢詢?yōu)化燃料與空氣的比率；可以改進(jìn)過程的效率；等等。更具體地，可以執(zhí)行以下方法要素首先，根據(jù)兩個波長λ I和λ 2處的強(qiáng)度結(jié)果Ιλ^ΡΙλ2，估計每個像素的溫度，其中，λ 屬于紅色并且λ2屬于綠色，或λ 屬于綠色并且λ 2屬于藍(lán)色。
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C9---
^I A2 A1 J^ = —- Τ~γ(G2)
In-^ +In^+ In
常數(shù)C2對應(yīng)于Wien常數(shù)。典型地，In (SA2/SA J為常數(shù)，其中Sa pSA2是根據(jù)波長的發(fā)射率。這個常數(shù)可以簡稱為s并可以假設(shè)其等于1，即s = ln(SA2/SA1)，并且尤其是s=1。因此，可以確定溫度。給定這個溫度，可以通過給定下列關(guān)系式計算出發(fā)射率￡1和
ε 2ο
In = Ce.,~~ , = 1,2/Q2)"^ ^
xyK其中，C1是比例常數(shù)。一旦知道了發(fā)射率(^和ε2)，吸收因子KL就可以通過計算比率I1A2來確定。KL與未燃燒的顆粒的數(shù)量緊密地相關(guān)。因此，燃燒優(yōu)化的目的在于使KL保持盡可能地小。 在一實施例中，可以對相鄰顏色的第一對(B卩，紅和綠，或綠和藍(lán))進(jìn)行該計算。此夕卜，可以另外地對相鄰顏色的剩余對進(jìn)行該計算。兩次計算的結(jié)果可以用于計算加權(quán)平均值，可能考慮來自校準(zhǔn)的系數(shù)。備選地，可能使用兩個結(jié)果來進(jìn)行，例如最小二乘法估計，以便于改進(jìn)關(guān)于發(fā)射率系數(shù)^和82的結(jié)果。因此，本方法允許測量光散射參數(shù)。它還將校正方法用于獲得火焰的二維溫度估計。大致來說，該方法是基于使用火焰排放重疊照相機(jī)的三種顏色，來重建火焰的修改的黑體輻射曲線。根據(jù)實施例，該算法計算基于在燃料中自然發(fā)生的變化的平均顆粒大小分布。相比標(biāo)準(zhǔn)寬帶高溫計的優(yōu)勢是，在對散射的直接處置中，使用第三顏色來獲得更好的溫度估計。根據(jù)一些實施例，可以執(zhí)行附加的光學(xué)濾波來改進(jìn)測量的靈敏度。根據(jù)又一些實施例，另外地提供激光器。該激光源對準(zhǔn)火焰。使用激光散射來測量顆粒大小和顆粒大小分布。圖7示意性地示出具有激光器的原理設(shè)置，其中，激光器40指向火焰5，在火焰5中散射激光。一般而言，可以通過照相機(jī)10記錄激光。在圖7中示出的實施例中，在附加的探測器15中探測激光?？梢詫⑦@些測量結(jié)果傳輸?shù)皆u估單元20。圖8示范性地示出具有激光器的另一個實施例。將激光引導(dǎo)進(jìn)入燃燒室35?？梢栽谌紵冶谥刑峁╅_口或玻璃窗口來傳輸激光。一般而言，但不限于這個實施例，可以將彩色照相機(jī)10和/或附加的探測器15聯(lián)接到評估單元20。在圖8中示出在激光器40和評估單元20之間的示范聯(lián)接50。由于照相機(jī)10、探測器15和/或評估單元20之間的聯(lián)接，可以提供在照相機(jī)10、探測器15和/或激光器40之間的數(shù)據(jù)連接。激光被火焰中的顆粒散射，以至于可以在照相機(jī)和/或探測器中測量到一些散射光子。為了避免或減少背景火焰光的影響，一般而言，可能將激光器調(diào)制在特定的波長，并通過探測器15探測激光,例如通過執(zhí)行鎖定探測(lock-in detection)。由于在散射角度分布和顆粒大小分布之間的已知關(guān)系，在所選定角度β上的散射激光強(qiáng)度允許確定顆粒大小分布。因此，鑒于散射強(qiáng)度與sin β/2成比例的事實來選擇β。在一實施例中，可以改變角度β以便可以評估不同角度上的測量結(jié)果。一般而言，較小的顆粒導(dǎo)致較小的強(qiáng)度，反之，較大顆粒的存在增加散射。一般而言，根據(jù)本公開，照相機(jī)的輸出被輸入到其中運(yùn)行了控制-優(yōu)化-軟件的評估單元，該控制-優(yōu)化-軟件解釋火焰條件和顆粒大小?？梢詫ψ畲笾祬?shù)設(shè)置閾值，即，通過觸發(fā)對限制火焰溫度或當(dāng)發(fā)現(xiàn)大顆粒時改進(jìn)前面的粉碎機(jī)中的煤的研碎所必要的控制響應(yīng)，來減少氮氧化物的形成。一般而言，在最高達(dá)大約200微米的范圍內(nèi)的顆粒大小是可能的。在一實施例中，具有小于大約75微米(特別是小于74微米)的大小的至少約70%的顆粒的數(shù)量允許僅具有少量氮氧化物形成的高效燃燒過程。圖9示出根據(jù)本文描述的實施例的控制和優(yōu)化圖。如所示出的，根據(jù)局部燃燒模型60評估燃燒參數(shù)51 (例如燃燒氣流)以及源于所測量的火焰光分布的計算出的溫度信號52。這些燃燒參數(shù)可以包括到燃燒器區(qū)域的氣流(主要空氣和次要空氣)的氣流測量，和/或?qū)σ蜒兴榈娜剂系幕瘜W(xué)成分的測量或估計。可以在如圖l、2、3a、3b、7和8所示出的評估單元20中計算出局部燃燒模型60?；跍囟刃盘柡腿紵齾?shù)，可能為實際燃燒器化學(xué)計量的估計70建摸。該計算基于局部燃燒模型60，該局部燃燒模型60是局部燃燒反應(yīng)與熱和質(zhì)量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的模型。在一實施例中，將從局部燃燒模型獲得的另外的化學(xué)計量供給到燃燒優(yōu)化器80，該燃燒優(yōu)化器 80能夠平衡単獨(dú)的燃燒器化學(xué)計量91，即調(diào)整燃燒參數(shù)(例如進(jìn)入燃燒器的氣流、過度燃燒氣流92或燃燒器傾角93)來最大化效率或負(fù)載，同時將污染水平(例如氮氧化物或ー氧化碳)維持在低于它們的所允許的極限。根據(jù)實施例，如本文所描述的那樣評估已研碎燃料的顆粒大小分布。參考圖10的圖表，根據(jù)評估単元10中的燃燒模型60來評估顆粒大小信號53。成果是對供給到燃燒優(yōu)化器80的實際燃燒器化學(xué)計量的估計70。燃燒優(yōu)化器可以利用這個信息來另外地控制預(yù)處理參數(shù)(比如煤粉碎機(jī)運(yùn)行參數(shù)，例如，粉碎機(jī)進(jìn)料器設(shè)定94，粉碎機(jī)分類器設(shè)定95，或粉碎機(jī)研磨壓カ96)以便于將平均顆粒大小維持在期望值，或使平均顆粒大小達(dá)到這個期望值。在圖9和10中在括號中示出術(shù)語“全局”。根據(jù)ー些實施例，燃燒優(yōu)化器是全局燃燒優(yōu)化器，以便該優(yōu)化器具有關(guān)于若干粉碎機(jī)和若干燃燒器(可能是要監(jiān)測和控制的所有粉碎機(jī)和燃燒器，例如燃煤發(fā)電廠中使用的所有粉碎機(jī)和燃燒器)的狀態(tài)的全局信息。因此，假如燃燒優(yōu)化器具有關(guān)于粉碎機(jī)和燃燒器的狀態(tài)的足夠信息，則有可能重新安排不同粉碎機(jī)和燃燒器的加負(fù)載，以便于對于給定的負(fù)載達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)。然而，也有可能提供単獨(dú)的燃燒優(yōu)化器。例如，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅髋c燃燒器配對而該燃燒器的次要?dú)饬骺梢岳缫揽匡L(fēng)門裝置被単獨(dú)地校正時，備選的實施例將設(shè)置単獨(dú)的燃燒器化學(xué)計量控制器，而沒有必要使用全局燃燒優(yōu)化器。例如，在這樣的實施例中，可以根據(jù)來自燃燒器化學(xué)計量估計的反饋來調(diào)節(jié)到特定燃燒器的次要?dú)饬?，而來自燃燒器化學(xué)計量估計又是根據(jù)對所測量的光信息的評估而推導(dǎo)出的。在實施例中，可以通過比例積分控制器(PI控制器)或比例積分微分控制器(PID控制器)、基于來自火焰?zhèn)鞲衅鞯臏囟刃盘杹泶_定控制動作，其中，可以根據(jù)燃燒器區(qū)域溫度信號和化學(xué)計量之間的簡化線性關(guān)系來選擇控制器増益。另外，也有可能向燃燒室內(nèi)添加還原劑。當(dāng)在還原條件下發(fā)生揮發(fā)時，可以減少煤燃燒中的氮氧化物的形成。給定根據(jù)本公開的監(jiān)測方法，可能依賴于測量的情況控制還原劑的添加，即，依賴于是否存在將會導(dǎo)致不可接受程度的氮氧化物形成的熱點。一般而言，本文描述的火焰監(jiān)測系統(tǒng)和方法可以被用來感測火焰的燃燒/熄滅狀態(tài)，和/或用于燃燒優(yōu)化，和/或用于火焰的空間監(jiān)測。希望具有一種低成本、直接的、快速的且合適的光學(xué)技木，該技術(shù)可以測量火焰溫度和顆粒大小，和/或可以與控制算法一起使用來調(diào)節(jié)燃燒參數(shù)，尤其是限制氮氧化物的形成。如本文描述的方法和儀器允許控制燃燒過程中NOx形成和燃燒煤的效率。標(biāo)準(zhǔn)彩色照相機(jī)(例如RGB照相機(jī))的使用允許以非常低的成本提供這樣的監(jiān)測系統(tǒng)。此外，考慮到?jīng)]有使用光譜法的必要，另外的光學(xué)設(shè)備(例如濾波器、反射鏡、透鏡等等)的提供不是必需的。因此，可以大量地減少總體付出。與基于輻射光譜法的、用于得到溫度和化學(xué)計量測量的其他技術(shù)相比，黑體輻射或修改的黑體輻射的假設(shè)和低成本照相機(jī)的使用可能是ー種較低精度的技木。然而，這些技術(shù)主要有助于氣體和液體燃料燃燒，其中火焰中顆粒的存在是可以忽略的。具體而言，對于煤燃燒，使用如本文所描述的方法和設(shè)備能獲得的分辨率通常已足夠改進(jìn)燃燒優(yōu)化以及減少氮氧化物的形成。即使是在沒有激光器的使用但是包括將測量的光分布擬合到修改的黑體輻射以便于獲得溫度、發(fā)射率和吸收因子的情況下，所提出的方法也足夠精確。在一實施例中提供允許在線監(jiān)測的快速微處理器。然而，在許多實施例中基于無源監(jiān)測的顆粒大小估計算法將不能和基于激光器的散射技術(shù)ー樣精確，在基于激光器的散射技術(shù)中，如上所述，激光器 是另外地提供的。通過另外地使用能夠有可能與另外的探測器和/或照相機(jī)配合調(diào)制的激光器，可以進(jìn)一歩改進(jìn)測量精度。根據(jù)實施例，除了現(xiàn)有的火焰掃描器之外，使用所提出的火焰確定設(shè)備。根據(jù)實施例，可以提供每ー燃燒室兩個光學(xué)測量設(shè)備。例如，ー個測量設(shè)備可以朝向火焰的側(cè)面，而另ー個測量設(shè)備可以放置在火焰的前方或后方。一般而言，可能提供多個燃燒器，每個燃燒器都配備有如本文所述的光學(xué)測量設(shè)備。例如，燃煤發(fā)電廠200可以配備有至少24個燃燒器和至少24個光學(xué)測量設(shè)備，更可能地，至少36個燃燒器和至少36個光學(xué)測量設(shè)備。與涉及包括濾波器等等復(fù)雜的設(shè)置的現(xiàn)有技術(shù)相比，減少了設(shè)置成本。此外，給定藍(lán)綠測量比較和綠紅測量比較兩者的可能評估，這些測量結(jié)果對于高效而生態(tài)地運(yùn)行燃燒器來說是足夠精確的。圖12中示范性地示出這樣的裝置。燃煤發(fā)電廠200包括多個燃燒器35。通過根據(jù)本公開的光學(xué)測量設(shè)備100監(jiān)測每個燃燒器35。雖然可以在ー些附圖中示出本發(fā)明的各個實施例的特定特征，而在其他的附圖中卻沒有，但這只是為了方便。根據(jù)本發(fā)明的原理，附圖的任何特征可以結(jié)合任何其他的附圖的任何特征來參考和/或主張權(quán)利。本書面描述使用包括最佳實施方式的示例來公開本發(fā)明，并且還使得本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的可取得專利權(quán)的范圍由權(quán)利要求書來限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他示例。如果這樣的其他示例包括與權(quán)利要求書的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求書的字面語言并無實質(zhì)差異的等同的結(jié)構(gòu)要素，則這樣的其他示例被確定為在權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。附圖標(biāo)記5 火焰10三通道照相機(jī)11前端光學(xué)器件
12傳送器15探測器20評估單元25 屏幕30進(jìn)料管35燃燒器40激光器50到激光器的聯(lián)接
51、52、52、60、70、80、91、92、93、94、95、96圖9和10中的方法要素100光學(xué)測量設(shè)備200燃煤發(fā)電廠TJ1J2 溫度I 強(qiáng)度λ 波長β 激光和視線之間的角度B、G、R 藍(lán)、綠、紅CO 一氧化碳NOx氮氧化物
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)測量設(shè)備(100)，所述光學(xué)測量設(shè)備適合于確定火焰(5)中的溫度，并且適合于確定所述火焰(5)中存在的燃料的顆粒大小，所述光學(xué)測量設(shè)備(100)包括 彩色照相機(jī)(10)，所述彩色照相機(jī)用于測量所述火焰(5)中的光信息并輸出測量結(jié)果；以及， 評估單元(20)，所述評估單元適合于評估所述測量結(jié)果。
2.如權(quán)利要求I或2所述的光學(xué)測量設(shè)備(100)，還適合于確定氮氧化物和/或一氧化碳的濃度。
3.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的光學(xué)測量設(shè)備(100)，其中，所述光學(xué)測量設(shè)備(100)被放置并配向成相對于火焰方向具有最高達(dá)180°的視角，可選地具有最高達(dá)90°的視角，可選地具有最聞達(dá)60°的視角。
4.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的光學(xué)測量設(shè)備(100)，還包括激光器(40)，所述 激光器用于將激光指向所述火焰(5)。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)測量設(shè)備(100)，還包括用于測量所述火焰(5)內(nèi)所述激光器所散射的光的探測器(15)，可選地調(diào)制所述激光并且通過所述探測器(15)使用鎖定技術(shù)探測所述激光。
6.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的光學(xué)測量設(shè)備(100)，還包括屏幕(25)，所述屏幕用于以空間分辨的方式、可選地以二維的類似映射的方式以光學(xué)方式輸出所述測量結(jié)果。
7.一種燃煤發(fā)電廠(200)，具有 -多個燃燒器(35)，所述燃燒器用于各在火焰(5)中燃燒粉碎的煤；以及 -多個如前述權(quán)利要求1-6中的任一項所述的光學(xué)測量設(shè)備(100)，其中，可選地，燃燒器(35)的數(shù)目與光學(xué)測量設(shè)備(100)的數(shù)目相同。
8.一種用于確定火焰(5)中存在的燃料的顆粒大小和溫度的方法，所述方法包括 接收來自所述火焰(5)的光信息，并且通過彩色照相機(jī)(10)測量它； 將所述測量結(jié)果提供給評估單元(20);以及 評估所述測量結(jié)果。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述評估包括評估藍(lán)色和綠色的測量結(jié)果，并且另外地評估綠色和紅色的測量結(jié)果。
10.如權(quán)利要求8-9中的任一項所述的方法，其中，評估包括將所述測量結(jié)果擬合到黑體輻射光譜，所述黑體輻射光譜可選地由米氏散射理論修改。
11.如權(quán)利要求8-10中的任一項所述的方法，還包括提供關(guān)于所述燃燒參數(shù)的另外信息給所述評估單元(20)。
12.如權(quán)利要求8-11中的任一項所述的方法，還包括確定如下項中一項或多項的步驟所述火焰(5)中氮氧化物的形成、所述火焰(5)中一氧化碳的形成以及所述火焰(5)的發(fā)射率。
13.如權(quán)利要求8-12中的任一項所述的方法，還包括使激光對準(zhǔn)所述火焰(5)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括提供探測器(15)并且可選地調(diào)制所述激光以及 通過探測器(15)、可選地使用鎖定技術(shù)探測所述激光。
15.一種用于控制燃燒器(35)的方法，所述方法包括如權(quán)利要求8-14中的任一項所述的用于確定火焰(5)中存在的燃料的顆粒大小和溫度的方法，還包括依賴于所評估的測量 結(jié)果控制所述燃燒參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測量設(shè)備(100)，光學(xué)測量設(shè)備(100)適合于確定火焰中的溫度并且適合于確定火焰中存在的燃料的顆粒大小。該光學(xué)測量設(shè)備(100)包括用于測量火焰中的光信息并且輸出測量結(jié)果的彩色照相機(jī)(10)，以及適合于評估測量結(jié)果的評估單元(20)。此外，燃煤發(fā)電廠(200)配備有用于各在火焰中燃燒粉碎的煤的多個燃燒器(35)以及多個所述的光學(xué)測量設(shè)備(100)。此外，提供一種用于確定火焰中存在的燃料的顆粒大小和溫度的相應(yīng)方法。
文檔編號G01J5/08GK102859340SQ200980163456
公開日2013年1月2日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者J·D·洛博, M·默坎格茨, K·Y·哈夫納 申請人:Abb研究有限公司