火焰检测在焚烧系统中的应用

褚衍旭，高 勇，李 东，叶志成

(1.惠州东江威立雅环境服务有限公司 ,广东 惠州 516323；2.广东安佳泰环保科技有限公司,广东 惠州 516323)

在焚烧系统中，燃烧器是燃烧工况控制过程中的关键设备。其中，火焰检测器是燃烧器自动装置的重要部件之一，它利用火焰检测元件对燃烧室中火焰燃烧状况进行检测和监视，能够在点火时快速反映燃料点燃情况，在低负荷运行或者有异常工况时及时检测出是否存在灭火情况。根据火检检测结果，系统联锁相关动作，防止出现灭火严重时出现事故，稳定工艺工况，确保燃烧系统安全运行[1]。在现代的燃烧系统中，对火焰状况的检测是保障系统安全的必要条件之一。

1 燃料燃烧特征

当燃料燃烧时，火焰会呈现多种特性，如电离状态、辐射强度、闪烁频率及光谱特征等。根据火焰的形状，一般依次分为黑龙区、初燃区、燃烧区和燃尽区[2]。在燃烧器喷口处，风和燃料混合形成紊流引起火焰无规律的波动，幅值各异，即称为闪烁(脉动)现象。不同燃料的闪烁频率不同；距离火焰越近的地方闪烁频率越高；火焰闪烁频率随着混合物燃烧强度增加而升高。对于火焰强度而言，燃烧区为完全燃烧段，火焰亮度最高且最稳定；对于闪烁频率而言，在初燃区最高，向燃尽区依次降低。所有燃料燃烧都会产生辐射，且光谱范围一般涉及红外线(IR)、可见光及紫外线(UV)等。燃料种类不同，其燃烧火焰光谱分布特性是不完全一样的，以燃油、煤粉为例，其光谱特性多以红外线、可见光为主，而对于燃气而言，则是紫外线较多。

综上所述，燃烧火焰特性如发热、电离、辐射、光谱、闪烁、差压等，均可用来作为判断火焰有或无的重要依据。控制单元常依据以下四个燃料燃烧特性：火焰最小直流光强度、火焰最小交流光强度、光波长区域以及最小闪烁频率。以美国FORNEY、BALLEY等公司为代表的红外线或可见光火焰检测技术，即是基于对燃烧器喷口火焰亮度信号和脉动频率的检测。

2 火焰检测原理

传统的火焰检测技术主要分为以电极法、差压法为代表的直接火检与以光电式为代表的间接火检，其中直接式一般用于点火器的火焰检测，而间接式为主燃料火检，即利用不同形式的辐射热量检测，也是目前应用最为广泛的检测方法[3]。传统火检不能直接观察炉内燃烧状况，因此图像技术被引入检测系统，通过实时采集燃烧器内火焰图像并分析处理来反应燃烧状况。

2.1 光电式火检

光电式火焰检测原理就是将火焰的光信号传递到火检探头的光电二极管上，光电二极管将火焰强度及频率的光信号转变为电压信号，经过内部电路板的放大、滤波、比较处理后，输出直流电压信号，与电路板内部的阈值比较确定后输出火焰信号，常见的有红外线、可见光及紫外线型等。

红外线检测是利用对红外线辐射敏感的硫化铅(PbS)光敏电阻感测器，光谱灵敏度600～3000nm，对火焰中大量不易被尘粒吸收的可见光及900 nm 以上的绝大部分红外线辐射都可以有效采集，结构简单、可靠性高、应用范围广、对单只燃烧器监视效果出色[4]。可见光检测器对可见光敏感，利用火焰中存在的大量可见光检测火焰，该检测器结构简单，特别适合监视整个炉膛的火焰，但可见光穿透灰尘、烟雾能力差，光电管耐高温能力低。紫外线检测器检测光谱范围从190～550nm，利用火焰所产生的紫外脉冲信号来检测火焰有无。由于不同燃料产生辐射强度不同，检测元件也相应地不一样。一般而言，煤粉火焰辐射较强的红外线、可见光和一些紫外线，而紫外线易被燃烧产物和灰粒吸收减弱，因此煤粉燃烧火焰宜采用可见光或红外线火焰检测器。可燃气体燃烧时，初燃区紫外线辐射较强，可采用紫外线火焰检测器进行检测。

2.2 图像式火检

图像式火检是借助广角长焦距工作镜头对燃烧器状况进行判断，通过传像光纤送来火焰图像信号经电感耦合式摄像机(CCD)转化为视频信号，由图像采集卡转化为数字化图像，中央处理器(CPU)负责将数字图像化信息按照判断体系进行计算判断被监测燃烧器有无火焰[5]。利用数字图像处理技术监测火焰燃烧状况，图像直接反映火焰状况，包含火焰全貌、燃烧区域特征、亮度、色彩等。利用火焰图像对火焰燃烧情况进行全程监控，其对负荷变化适应性很强。

3 结构形式

火检结构以红外火焰检测装置为例，由检测器及信号处理器组成，配置冷却风系统、信号输出电缆及电源装置等。其中，检测器单元主要由光敏元件、测量放大电路、温度补偿电路组成；信号处理器由电源电路、接口电路、自检电路、报警输出电路等组成；冷却风系统主要用于探头、光纤冷却[6]。

火检形式分为一体式与分体式。一体式与分体式火检最大的区别在于，感光元件与信号处理器是否分置，一体式是将其集成在探头内，布置于炉侧，而分体式则将其分置，探头安装于炉侧，信号处理器布置于电子机柜内。华国钧等通过对比分体式与一体式火检，证明了分体式火检有更高的安全性和维护便利性。另，由于一体式火检不需要单独的安装放大器，信号传输为标准电流信号，因此中小型锅炉及化工等行业多采用一体化式火检，燃煤电厂由于工作环境恶劣需依据现场环境综合考虑。

4 火检应用

火焰检测应用最为广泛的是在电力行业，炉膛安全监测系统是现代大型火电机组锅炉必须具备的监控系统。火焰检测能够在锅炉点火、正常运行及启停等各种工况下，持续密切关注监视燃烧系统燃烧情况，便于运行人员判断工况并做出适当调整，保证锅炉系统的安全运行。张家界发电厂300MW锅炉安装了LY200-II图像火检系统，采用光纤传像、燃烧理论、模式识别及图像处理技术，实现对煤粉燃烧器以及油火焰信号的数字分析，具有燃烧指导功能，有效解决普通火检偷看问题[7]。华能德州电厂燃煤发电机组火检系统采用DURAG红外线传感器，能够检测波长在780～1800nm范围内的红外线，对于安装位置、燃烧影响进行调整后增强了火检可靠性[8]。ABB UVISOR智能火焰检测系统在黄台发电厂机组上得到良好应用，在调整之后更加可靠稳定[9]。此外，火检系统还广泛应用于多种热处理焚烧系统中，如生活垃圾、危险废物焚烧转窑燃烧情况检测等。

5 常见问题

火检系统在长期运行中容易出现几类问题，包括火焰不稳定“偷看漏看”、光纤冷却效果差、火检探头超温、保护逻辑缺陷等[10]。

5.1 火检不稳定甚至失去

当燃烧工况发生变化时，负荷及配风变化导致火焰未燃区、燃烧区迁移，燃烧不稳造成燃烧器着火点提前或拖后越出探头检测范围，火检便显示无火或频闪。此外，影响火检不稳定的因素还有光纤内缩或探头视角不正常，检测不到火焰；凸透镜片前结焦、凸透镜片老化、光纤损坏、瞄准管脱落造成光信号弱；火检探头参数设置不当等。

5.2 火检“偷看”严重

火检“偷看”其它燃烧器火焰现象在实际运行过程中较为常见[11]，火检探头只有对准火焰的初燃区才能获得最佳检测效果，"偷看"容易造成对信号的误判断。主要影响因素有探头看火角度不佳、检测火焰能力差、逻辑判断功能不足等。

5.3 火检探头损坏

火检探头在实际运行过程中经常出现烧毁的情况，炉膛压力、燃烧状况、冷却风量、安装位置等对探头有着不同程度的影响。火检探头安装位置距喷嘴较近时不能满足探头对温度环境要求；部分火检探头安装于燃烧器近火点，造成烧毁情况严重；光纤冷却效果不好长期超温运行，造成采光端严重烧损甚至脱落、光纤透镜严重结焦损坏等。

6 总结

根据检测燃烧火焰辐射强度、闪烁频率及色谱特性等特征用来判断火焰有或无的的火焰检测器，能够实时反应出燃烧器内燃料燃烧火焰情况，对于稳定工艺工况、保障系统安全意义重大。目前火焰检测技术以光电式检测应用最为广泛，根据不同形式的辐射热量检测分为红外线、可见光及紫外线式，由于不同燃料产生辐射强度不同，其检测元件也相应地不一样。作为最新的图像火检技术，通过实时采集燃烧器内火焰图像并分析处理来反应燃烧状况，成为现在火检研究的一大趋势。火检在电力行业应用广泛并逐渐向其他行业拓展，但是在其实际运行过程中会产生各种各样的问题，这需要在理论分析的基础上，结合具体参数及实际工况，对火检系统进行切实有效的控制措施，以提高火检系统的可靠、安全与经济性。