煤粉锅炉火焰燃烧特征的频谱分析及遮挡效应

张梦华，郑承华，路雪晴

（1.济南大学自动化与电气工程学院，山东 济南 250022；2.山东泰景电力科技有限公司，山东 济南 250013；3.山东科技大学，山东 青岛 266000）

0 引言

在火力发电领域，煤粉燃烧发电为主要方式。煤粉在一次风的带动下经过管道和喷口吹向炉膛后点燃燃烧。火焰检测装置是炉膛安全燃烧的必备设备。但目前火检装置普遍存在一个老大难问题“偷看”［1］。 所谓“偷看”，就是在当前喷燃器火焰消失后，由于背景火焰强度较大，火检装置依然发出“有火”信号，对炉膛安全带来很大隐患［2-4］。不仅如此，由于近年来锅炉普遍实行了低氮燃烧改造，且煤粉质量难以控制，锅炉结焦灭火、燃烧不平衡、燃烧不稳问题十分突出［5］，对机组的安全运行带来了很大的挑战，迫切需要对炉膛燃烧状态进行准确监测。而现有的炉膛燃烧监测还是一项世界性难题［6-8］。

通过智能火焰燃烧监测系统在不同燃煤锅炉上的火焰频谱检测结果的分析，发现了火焰燃烧的“遮挡效应”现象［9］，对当前的火焰检测技术具有重要指导价值［10］。

1 火焰燃烧特征频谱分析

1.1 火焰燃烧观测

为了不受干扰地检测火焰特征，采用光纤观测是最佳方案。以300 MW机组四角切圆喷燃器为例，光纤观测角度必须正确。观测中心线必须与喷燃器水平线呈5°～8°的下倾角。中心视线穿过火焰的初始燃烧区，见图1。

图1 燃烧区划分

从火焰形态看，可分为4个区，分別为黑龙区、初始燃烧区、完全燃烧区、燃烬区。对于600 MW及以上机组的旋流式燃烧器，光纤的观测角度并不敏感，其中心线可与喷燃器出口的水平线平行。

1.2 火焰频谱的检测

光纤信号光电转换时必须为模拟变换，之后对该电信号进行频谱分解。根据傅里叶函数理论，任何一个函数均可表示为：

式中：U0为直流分量；λ为直流分量衰减系数；Uk为第k次谐波峰值；M为最高谐波阶次；k为谐波阶次。

根据香农采样理论，采样频率是信号频率的两倍以上时，就可以从离散信号中恢复出连续周期函数［11］。所谓频谱分析就是通过信号采样得到式（1）中的 U0、λ、Uk、θk。将式（1）展开并简化。将式（1）中的U0e-λt按泰勒级数展开，取前两项，则：

将式（1）中的 sin（kωt+θk）按三角函数展开整理，则：

式中：Ukcosθk和 Uksinθk是需要测量的第 k次谐波相量的实部和虚部。而在基波和采样频率已定的情况下，时刻序列 sin（kωti）和 cos（kωti）在每个循环的时间窗中将是一个固定值。因此，根据最小二乘方判据，每次采样后得到如下方程：

式中：Ti为第i次采样时刻，经过连续N次采样后，得到N个方程。

如果将U0、U0、λ，以及所有谐波的实部和虚部作为未知量，式（4）可用矩阵表示为

式中：A表示 N行，2（M＋1）列的系数矩阵；X表示单列2（M＋1）行的待测变量矩阵；U表示单列采样矩阵。

系数矩阵A第3列元素表示了初始相角为零的sin（ωt）在各个采样点的数值。A的第4列元素表示了初始相角为零的cos（ωt）在各个采样点的数值。A的第5列元素表示了初始相角为零的二次谐波sin（2ωt）在各个采样点的数值，依次类推。这些各次谐波初始相角可认为是零点，下面通过公式得到的各种谐波相角其实分别是一个相对于此处零点的相对值。如果A存在逆矩阵A-1，则：

其中，逆矩阵 A-1的维数为 2（M＋1）行，N 列。A-1是最小二乘滤波器，如果用aij表示，其第i行第j列的元素，则，i=1，2，…，2（M＋1）；j=1，2，…，N。 根据矩阵X的定义和式（6），将矩阵展开，则：

基波含量计算公式为：

第k次谐波的计算公式为：

式（1）～（15）给出了频谱分析的全过程。

2 火焰频谱特征与“遮挡效应”

2.1 贫煤火焰的频谱特征和遮挡效应

青岛电厂2号机组安装了一套智能燃烧监测系统iFS，该炉燃煤主要为贫煤。为了减小数据量，iFS只分析和记录了直流分量U0、某高次谐波、某中次谐波、某低次谐波3个关键频率点上的谐波幅度。iFS显示画面中，为了符合运行人员习惯，U0称之为火焰强度，某次谐波幅度称之为某频率强度。

图2是9煤层第3号角燃烧器停粉前后各频谱成分的变化过程，其中，黄色线为iFS根据频谱特征给出的火焰检测结果，紫色线为燃烧指数。从图中可以看到，停粉时，低频和中频率成分的变化趋势高度一致，高频成分很小，前后变化不明显。当低频强度小于某个值时，火检状态变为“0”，即喷燃器“灭火”，检测结果正确。但火焰强度（红色线）在喷燃器灭火后反而变大了，不符合运行人员的常识。

图2 11煤层3号角正常停粉时的历史曲线

但该现象如果用“遮挡效应”解释，则完全合理。当炉膛还在继续燃烧时，当前火焰强度U0前方因无冷煤粉遮挡，背景辐射强度自然变强。

需要补充说明的是，该300 MW机组的锅炉共有4层燃烧器，分别命名为3煤层、5煤层、9煤层、11煤层。所烧煤种主要为贫煤，9煤层3号燃烧器位于中上部，因为调节负荷的原因经常投入和退出。

图3是11煤层4号角燃烧器退出前后的频谱特征历史曲线。该图中高频和中频火焰强度很小，是因为在之前已检查落实，该光纤有损坏所致。该燃烧器“灭火”前后低频强度变化明显，火焰强度也出现了燃烧器灭火后信号变强的现象，与图2所分析的“遮挡效应”现象一致。

图3 11煤层4号角正常停粉时的历史曲线

图4是11煤层4号角点火前后的频谱特征历史曲线。其中，红色曲线为火焰强度U0、粉红色曲线为低频强度，当喷燃器投粉后，火焰强度U0反而有所减弱，进一步印证了“遮挡效应”的作用。

图4 11煤层4角投粉点火的历史曲线

2.2 气煤火焰的频谱特征和遮挡效应

章丘电厂3号、4号机组的燃煤以气肥煤为主，煤粉燃点低、发热量高。4号机组也安装了一套iFS。2018-03-17T11∶47∶00，4 号炉突发掉焦，全炉膛灭火，12∶25 恢复发电。 图5（a）为 A1层 4号角燃烧器灭火前后频谱曲线。从该图中可以看到，低频（9 Hz）、中频（36 Hz）、高频（81 Hz）成分的强度均不大，但灭火前后区别仍十分明显，火焰强度U0在全炉膛灭火后持续减小。与低、中、高频成分趋势变化一致。再次点火后火焰强度U0以及低、中、高频成分的变化趋势一致。

图5（b）为A2煤层4号角灭火和再点火的频谱曲线。该曲线记录的U0以及低、中、高频成分的变化趋势与A1层4号角完全一致。

图5（c）为B2煤层4号角灭火及下两层A1和A2点火后的频谱曲线。需要说明的是，12∶25恢复点火只是A1层和A2层，B2层并没有立即点火。从该图看出，B2-4灭火后低、中、高频成分迅速消失，火焰强度U0反而保持在高位，说明掉焦后炉膛高层粉尘的红外辐射反而越发强烈。此时的U0与低、中、高频成分的关系已不是“遮挡效应”。

图5（d）为C1煤层1号角灭火及最下两层A1和A2点火后的频谱曲线。需要说明的是，12∶25恢复点火只是A1层和A2层，B1、B2、包括C1层并没有立即点火。因此，C1-1只有灭火特征曲线。11∶47灭火后，U0与 9 Hz、36 Hz、81 Hz频成分同步衰减，趋势一致。掉焦后的粉尘对本层影响不大。

图5 灭火前后频谱曲线

3 结语

通过火焰的光电信号的数字频谱分析，可以获得火焰的各种特征，包括代表火焰强度的直流量、从低频到高频的各种交流成分的大小；当炉膛中还有其他燃烧器在燃烧时，如当前燃烧器灭火，则主要交流成分消失，直流成分上升；当有煤粉投入时 （有火），则交流成分突增，直流成分下降，这种现象只能说明是颗粒物对背景光产生了“遮挡”；当炉膛其他燃烧器也突然停止燃烧时，当前燃烧器灭火，则主要交流成分消失，直流成分持续下降，直流和交流成分的变化趋势一致；突发全炉膛掉焦灭火时，个别观测层的直流成分增强、交流成分消失的假遮挡现象，是炉膛高温粉尘在该层聚集的一种暂时现象，与“遮挡效应”并不矛盾。

iFS的火焰检测方法和遮挡效应理论，较好地解释了目前火焰观测中的一些疑难问题，为解决目前火焰的“偷看”难题提供了充分的理论依据，具重大的理论和工程价值。