УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ ГОРЕЛКИ

Полезная модель относится к области контроля и управления работой теплоэнергетических устройств и предназначена для автоматического контроля наличия пламени в любых устройствах, сжигающих топливо.
Известно устройство для селективного контроля пламени горелки, содержащее оптический датчик и электронный блок 1. Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
К недостаткам известного устройства, установленного в котлоагрегате с большим количеством горелок с односторонним и встречным расположением, следует отнести необходимость контроля работы каждой горелки, которая связана с возможностью возникновения аварийных ситуаций в случае погасания пламени одной или нескольких горелок и накоплением в котлоагрегате излишнего топлива. Сложность контроля работы отдельной горелки оптическими методами связана с наличием посторонних источников излучения: факелов соседних горелок, стенок котлоагрегата и элементов тешюобменных устройств. Кроме того, оптические характеристики горящего факела могут изменяться при изменении режимов работы горелки.
Технический результат, полученный при реализации данной полезной модели, заключается в обеспечении регистрации факела только «своей горелки при наличии в котле любого количества горящих факелов (в том числе, и при встречном расположении горелок), при любых нагрузках котлоагрегата, при изменении коэффициента избытка воздуха а на котлоагрегате в пределах а  0,9-1,5, при изменении степени рециркуляции продуктов сгорания, при сжигании в разных ярусах горелок разных видов топлива (твердого, жидкого и газообразного).
Указанный технический результат достигается тем, что устройство
для селективного контроля пламени горелки, содержащее оптический датчик и электронный блок, согласно изобретению, включает один или более каналов, каждый из указанных каналов включает оптический датчик, имеющий, по меньшей мере, один светофильтр, обеспечивающий выделение излучения одного из продуктов сгорания, а электронный блок включает анализатор спектра, настроенный на частоту максимальной флуктуации излучения этого продукта.
Кроме того, указанный светофильтр каждого канала обеспечивает выделение излучения соответственно воды, или окиси углерода, или двуокиси углерода.
В варианте исполнения устройство снабжено логическим устройством, выполненным с возможностью обеспечения сравнения величин сигналов, измеряемых разными каналами.
Оптический датчик каждого канала включает, по меньшей мере, один узкополосный светофильтр, например, интерференционный, с максимумом пропускания в крыльях спектральной линии излучения соответствующего продукта сгорания.
Согласно полезной модели устройство для селективного контроля пламени горелки состоит из двух составных частей - оптического датчика (ОД) и электронного блока (ЭБ) для обработки и анализа сигналов.
На фиг. 1 изображена блочно-функциональная схема устройства.
На фиг.2 показана томограмма излучения двуокиси углерода в поперечном сечении факела.
Блочно-функциональная схема содержит ОД, который включает в себя тубус 1 с диафрагмами, объектив 2, делительное устройство 3, конденсоры 4 и 5, интерференционные светофильтры 6 и 7 и приемники излучения 8 и 9 и ЭБ, включающий усилители 10 и 11 сигналов, анализаторы 12 и 13 спектра частот, схемы сравнения и логические устройства 14, выходные устройства 15 сопряжения.
Тубус 1 с диафрагмами служит для защиты оптической системы
датчика от посторонних засветок, а также загрязнений. Через тубус 1 продувается воздух, создающий внутри тубуса 1, небольшое избыточное давление, препятствующее проникновению загрязнений к оптической системе.
Объектив 2 формирует изображение факелов горелки в плоскости диафрагмы поля, где производится пространственная селекция факела.
Делительное устройство 3 распределяет световой поток по двум каналам.
При помощи интерференционных светофильтров 6 и 7 производится спектральная селекция факела.
Конденсоры 4 и 5 предназначены для концентрации энергии излучения на приемниках излучения 8 и 9.
Приемники излучения 8 и 9 преобразуют энергию излучения факела в электрический сигнал, который усиливается усилителями 10 и 11.
Анализаторы 12 и 13 спектра частот производят частотный (временной) анализ спектра электрического сигнала и отфильтровывают нужный спектральный интервал.
Схемы сравнения и логические устройства 14 служат для выработки управляющих сигналов и сигналов контроля.
Выходные устройства 15 сопряжения передают управляющие сигналы в систему управления в необходимом виде.
В системе предусматривается непрерывная автоматическая диагностика исправности устройства для селективного контроля как при работе контролируемой горелки, так и при ее неработающем состоянии
Датчик контролирует работу горелки по излучению в выбранном спектральном интервале с использованием частотной селекции регистрируемого сигнала.
углерода - 4,7 мкм) или в других участках спектра, определяемых при
доводке датчика на конкретном типе теплоэнергетической установки. Интервал частот выбирается на основе экспериментальных данных. Использование излучения воды, углекислого газа и окиси углерода позволяет определить по соотношению их интенсивностей локальные значения концентраций горючих и окислительных элементов.
Датчик наблюдает выбранную зону факела с помощью оптической системы, использующей тубус, диафрагмы и другие приспособления с минимальным использованием могущих загрязняться оптических поверхностей.
Состав продуктов сгорания изменяется по длине факела. Некоторые продукты сгорания существуют преимущественно в начальной зоне факела. Кроме того, значительные градиенты концентраций в начальной зоне факела и высокая степень турбулентности приводят к существенному различию в частотных характеристиках излучения в начальной и концевой зонах факела. Прозрачность факела в различных спектральных интервалах также отличается. Задача диагностики горящего факела заключается в регистрации излучения выбранной зоны факела, перед и за которой находятся излучающие и поглощающие области. Эта задача решается применением спектральной и частотной селекции излучения. Диагностика начальной (корневой) зоны факела проводится по излучению характерных для этой зоны продуктов сгорания или по соотношению их интенсивностей излучения. Выбор спектральных интервалов, соответствующих излучению продуктов сгорания, присутствующих в концевой зоне факела, позволяет исключить влияние корневой зоны встречного факела, поскольку из-за значительной оптической толщины факел становится непрозрачным.
С повышением температуры ширина спектральной лини увеличивается (тепловое уширение спектральной линии). Поэтому, проводя измерения на краях контура спектральной линии (в крыльях
спектральной линии), можно отделить излучение высокотемпературной
области от низкотемпературной. Крылья спектральной линии соответствуют областям, в которых интенсивность излучения (или поглощения) меньше половины максимального значения интенсивности. Это имеет значение при измерении интенсивности излучения выбранной области факела через зону, содержащую продукты сгорания. Например, в горелках теплоэнергетических устройств для уменьшения концентрации оксидов азота используется рециркуляция дымовых газов. В дутьевой воздух подаются продукты сгорания. В этом случае линия визирования ОД проходит через зону с продуктами сгорания. Однако поскольку температура этих продуктов существенно ниже температуры тех же продуктов в зоне горения, то и ширина спектральной линии меньше.
Расположение датчика выбирается из условий эксплуатации с учетом нагрева, попадания продуктов сгорания и др.
ОД устанавливается на внешней стенке котла в трубе, проходящей сквозь стенку котла и обеспечивающей визирование горящего факела только одной форсунки. В трубе должно быть создано избыточное по отношению к котлу давление за счет продувки трубы воздухом.
Электронный блок ЭБ должен размещаться в пультовой вблизи места оператора. В стенках котла должны иметься технологические окна, через которые можно производить при помощи ОД измерения, позволяющие произвести оптимизацию параметров ОД и оптимизацию взаимного расположения ОД и форсунки.
Горящий факел можно разделить на три зоны: начальная (корневая) зона, где происходит термическое разложение исходных компонентов топлива; область максимальных температур, в которых выгорает значительная часть газообразных и твердых продуктов; и хвостовая область факела, в которой происходит перемешивание продуктов сгорания на макромасштабном уровне.
Основные продукты сгорания имеют полосы максимального излучения в ИК-области спектра: Н2О - 2,7 мкм, СО2 - 4,3 мкм, СО - 4,7 мкм.
В начальной зоне факела образуются промежуточные продукты, характеристические группы которых имеют полосы излучения в ИКобласти. Например, МН2 (2,82-3,12 мкм), CN (4,16-4,76 мкм), CNO и CNS (4,55-5,27 мкм).
Измерения показали, что спектр излучения пламени в зоне, обогащенной горючим, имеет интенсивные линии на длинах волн: 9,37 мкм, 6,1 мкм, 3,38 мкм.
Образующиеся в высокотемпературной зоне окислы азота имеют линии на 4,48 мкм, 2,87 мкм, 5,25 мкм, окислы серы - 7, 28 мкм и 3,98 мкм, СН4-3,32 мкм.
Твердые частицы конденсированного углерода и коксовые остатки имеют сплошной спектр излучения с максимумом интенсивности, зависящим от температуры и размера частиц.
В начальной зоне факела и в зоне горения вследствие высоких градиентов концентраций и микромасштабной турбулентности наблюдаются высокочастотные пульсации излучения. Так, для области  мкм, где преобладает излучение молекул воды в начальной зоне факела наблюдаются пульсации на частотах от 800 до 1500 Гц. В хвостовой части факела пульсации в этой области спектра менее 200 гц.
Концентрации основных продуктов сгорания углеводородного жидкого топлива в % при разных значениях коэффициента избытка воздуха а представлены в таблице.
Таблица Видно, что в корневой зоне факела, обогащенной горючим (малые
значения а), соотношение концентраций существенно отличается от этого параметра в конце факела, где а порядка 1.
Предлагаемое устройство было испытано на экспериментальной горелке. Измерения проводились сканирующим радиометром, работающим в видимой и инфракрасной областях спектра. Измеряемый спектральный диапазон определялся типом фотоприемника. Поле измерений составляло шесть диаметров выходного отверстия горелки в поперечном сечении струи и восемь диаметров в продольном. Измерения проводились с нескольких направлений, что позволило построить томографическое изображение распределения интенсивностей излучения в поперечном сечении струи на различных расстояниях от выходного отверстия. Методика обработки позволяла учитывать поглощение излучения продуктов сгорания.
Для измерения излучения в разных спектральных интервалах (по длинам волн) использовались узкополосные интерференционные светофильтры, в том числе и соответствующие отдельным участкам линий излучения воды, окиси углерода и двуокиси углерода. Дополнительно измерялся непрерывный спектр излучения в области 0,4-5,0 мкм. В результате измерений получены следующие данные. В спектре продуктов сгорания четко выделяются линии воды, окиси углерода и двуокиси углерода, что позволяет производить измерения в этих спектральных интервалах. На фиг.2 показано томографическое изображение распределения излучения двуокиси углерода (4,3 мкм) в поперечном сечении факела.
Измерения производились с использованием интерференционного светофильтра, имеющего максимум пропускания в левом крыле спектральной линии. Ширина спектральных линий основных продуктов сгорания при увеличении температуры от 600 до 2000°К увеличивается практически вдвое. Отношения интенсивностей излучения продуктов
7
сгорания для различных зон факелов коррелируют со значениями а в этих
зонах. Измеренный частотный спектр излучения факела показал наличие характерных для каждой зоны пламени и каждого продукта сгорания максимумов амплитуд флуктуации интенсивностей излучения. Так для области от 2 до 3 мкм, где преобладает излучение воды, характерный максимум для корневой зоны факела обнаружен в интервале частот от 800 до 1500 Гц, а для хвостовой - от 50 до 200 Гц.
С использованием полученных данных был разработан опытный экземпляр устройства контроля пламени горелки, основанный на изложенных выше принципах, который показал удовлетворительные результаты на испытаниях. Источники информации
1. RU 2121110 С1, 27.10.1998 кл. F 23 N 5/08
9