УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗБЫТКА ВОЗДУХА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F23N5/08 

Изобретение относится к теплоэнергетике и металлургии и может быть использовано для управления качеством топлива, регулирования процессов горения и контроля наличия пламени.

Известно устройство контроля полноты сжигания топлива в топке, содержащее приемник излучения, направленный в зону горения, формирующий поле зрения приемника излучения, усилитель фотосигнала, две термопары, установленные параллельно линии визирования приемника излучения [1]
Для известного устройства характерны недостаточная надежность и низкое быстродействие, которые вызваны применением в камере сгорания термопар, имеющих высокую инерционность преобразования (реакции) и ограниченный ресурс работы. Кроме того, это устройство контролирует только полноту сжигания топлива в камере сгорания.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа устройство, реализующее способ определения избытка воздуха в камере сгорания [2] cодержащее приемник излучения, направленный в зону горения, усилитель фотосигнала, три термопары, установленные параллельно линии визирования приемника излучения, причем одна из этих термопар находится в зоне горения факела.

Недостатком известного устройства является следующее.

Для известного устройства характерны недостаточная надежность и низкое быстродействие, которые вызваны применением в камере сгорания термопар, имеющих высокую инерционность и ограниченный ресурс работы. Кроме того, снижение надежности, устройства вызывает постоянное использование одной из термопар в зоне горения факела.

Целью изобретения является повышение надежности и быстродействия измерения избытка воздуха в камере сгорания и расширения функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что устройство определения избытка воздуха в камере сгорания, содержащее приемник излучения, направленный в зону горения, оптический узел, фиксирующий поле зрения приемника излучения, оно дополнительно содержит усилитель фотосигналов, два и более полосовых фильтров, характеризующихся центральными частотами f₁, f₂, (f₃ и т.д.) и ширинами полос пропускания Δf₁,Δf₂,(Δf₃ и т.д.), делителей фотосигналов, определяющих соотношение U_f2/U_f1, U_f3/U_f1 (U_f3/U_f2 и т.д.) между выходными напряжениями U_f1, U_f2 (U_f3 и т.д.) полосовых фильтров, вычислитель и преобразователь, причем все полосовые фильтры подсоединены своими входами к выходу усилителя фотосигналов к соответствующим входам преобразователя, выходы которого соединены с соответствующими входами вычислителя.

Изобретение поясняется следующими рисунками:
На фиг.1 приведена структурная схема устройства определения избытка воздуха, совмещенная с функциональной схемой визирования фотоприемника излучения на факел работающей горелки, в камере сгорания.

На фиг. 2 приведен график зависимости отношений напряжений фотосигналов (A_n1= U_f2/U_f1) от значений коэффициента избытка воздуха на выходе камеры сгорания (α_вых.)
На фиг. 3 график зависимости отношений напряжений фотосигналов (A_n1) от значений локального коэффициента избытка воздуха в факеле горения (α_ф).
На фиг. 4 график зависимости отношений напряжений фотосигнала (A_n2= U_f2/U_f1-U_f3/U_f1) от значений коэффициента α_вых.
На фиг. 5 график зависимости отношений напряжений фотосигналов (A_n2) от значений локального коэффициента α_ф.

На фиг.6 график зависимости измеренных значений локального коэффициента α_ф от измеренных значений коэффициента α_вых.
На фиг.7 приведены графики распределения (зависимости) величины I_g, I_gU_f (U_f напряжение фотосигнала фотоприемника) от значений величины F (частоты измерения этого фотосигнала) для разных значений величин α_ф локального и α_вых. выходного коэффициентов избытка воздуха в камере сгорания.

На фиг. 8 приведена функциональная схема устройства определения избытка воздуха в камере сгорания.

Устройство определения избытка воздуха в камере сгорания содержит приемник излучения 1, направленный в зону горения, оптический узел 2, формирующий поле зрения приемника, усилитель 3 фотосигналов. Кроме того, устройство содержит два и более полосовых фильтра 4.1, 4.2.4.М, подсоединяемые своими входами к выходу общего усилителя 3 фотосигнала, а выходами через соответствующие делители 5.1, 5.2, 5.3, 5.N, фотосигналов к соответствующим входам преобразователя 6, выходы которого соединены с соответствующими входами вычислителя 7, при этом вычислитель 7 по своему функциональному построению представляет собой последовательное соединение трех функциональных блоков, коммутатор аналоговых сигналов, преобразователь аналогового сигнала и устройство обработки и обмена.

Фотоприемник излучения 1 с оптическим узлом 2, являющиеся основными первичными узлами устройства определения избытка воздуха в камере 8 сгорания, крепится на стенках этой камеры 8, которая своим выходом имеет дымоотводящий боров 9. Горелочное устройство 10, закрепленное на стенках камеры 8 сгорания, формирует внутри этой камеры 8 факел 11 горения, фотоприемник излучения 1 с оптическим узлом 2 направлен по линии визирования 12 в зону горения факела 11, при этом оптический узел 2 формирует поле зрения (апертурный угол визирования) 13 приемника излучения 1. На выходе камеры 8 сгорания в дымоотводящем борове 9 устанавливается газозаборная трубка 14 для забора продуктов сгорания, которые анализируются газоанализатором 15.

На графиках зависимостей фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6 приведены:
U_f1, U_f2, U_f3 напряжение фотосигналов на выходах соответствующих полосовых фильтров, имеющих соответствующие фиксированные характеристические частоты f₁= 32 (Гц), f₂= 64 (Гц), f₃= 125 (Гц), и ширины полос пропускания Δf₁= 16(Гц),Δf₂= 32(Гц),Δf₃= 64(Гц);
A_n1=U_f2/U_f1 отношение напряжений фотосигналов U_f1 и U_f2;
A_n2= U_f2/U_f1-U_f3/U_f1 разность отношений U_f2/U_f1 и U_f3/U_f1 напряжений фотосигналов U_f1, U_f2 и U_f3.

α_вых. коэффициент избытка воздуха на выходе камеры сгорания;
α_ф локальный коэффициент избытка воздуха в факеле горения.

На графиках зависимостей фиг.7 приведены:
U_f значения напряжения фотосигнала на выходе фотоприемника 1:
F значения характеристических частот соответствующих полосовых фильтров.

Кривые 16, 17 фиг. 7, характеризующие зависимости I_g, I_gU_f от F соответствуют нижним граничным значениям коэффициентов избытка воздуха соответственно α_ф= 0,45 и α_вых.= 0,7.
Кривые 18,19 фиг. 7, характеризующие зависимости 1_g, 1_gU_f от F соответствуют верхним граничным значениям коэффициентов избытка воздуха соответственно α_ф= 0,8 и α_вых.= 1,2.
Устройство работает следующим образом.

Приемник излучения 1, направленный через оптический узел 2 в зону горения факела 11, формирует фотосигнал, соответствующий излучению этой зоны, который поступает на вход усилителя 3 фотосигналов. Выходной сигнал усилителя 3 подается на входы полосовых фильтров 4.1, 4.2, 4.3, 4М. Сформированные U_f1, U_f2 (U_f3 и т.д.) выходные напряжения c выходов этих фильтров поступают на соответствующие входы делителей 5.1, 5.2, 5N фотосигналов. На выходах этих делителей формируются сигналы отношений U_f2/U_f1, U_f3/U_f1 (U_f3/U_f2 и т. д.). Сигналы отношений поступают на соответствующие входы преобразователя 6, который организует на своих выходах необходимый закон преобразования этих сигналов. Сформированные сигналы A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.) с выхода преобразователя 6 поступают на соответствующие входы вычислителя 7, который осуществляет пересчет единиц измерения A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.) в единицы измерения коэффициентов избытка воздуха в камере 8 сгорания. Для этого необходимо предварительно экспериментальным путем определить графики зависимости фиг. 2 и фиг.3 или фиг.4 и фиг.5, а также фиг.6, по которым вычислителем 7 осуществляется пересчет между единицами напряжения измеренных сигналов A_n1, A_n2 (A_n3 и т. д.) в соответствующие единицы коэффициентов избытка воздуха α_ф и α_вых., а также дальнейшая аналоговая или цифровая обработка.

Определение указанных графиков зависимостей фиг.2 и фиг.3 или фиг.4 и фиг.5, а также фиг.6 осуществляют по следующему алгоритму.

В начале определяют и устанавливают устойчивый и стационарный режим работы горелочного устройства 10, поддерживая его на заданном уровне. После этого визируют приемник фотоизлучения 1 с оптическим узлом 2 на факел 11 горелки 10 и измеряют на выходах преобразователя 6 сигналы A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.) известными измерительными средствами, например, вольтметром.

При измерении величины сигналов A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.) на выходах преобразователя 6 для заданного режима работы горелочного устройства 10 обязательно измеряют выходные напряжения U_f1, U_f2 (U_f3 и т.д.) полосовых фильтров 4.1, 4.2, 4.М и выходные сигналы отношений U_f2/U_f1, U_f3/U_f1 (U_f3/U_f2 и т.д.) с выходов делителей 5.1, 5.2, 5N фотосигнала.

Критерий выбора оптимальной структуры полосовых фильтров, а также закон преобразования, реализуемый преобразователем 6, определяют структуру вычислителя 7, которая учитывает возможности применяемых вычислительных средств и жесткую структуру самого преобразователя 6.

Далее убирают фотоприемник излучения 1 с оптическим узлом 2 и по линии визирования 12 устанавливают газозаборную трубку 14. Этой трубкой в нескольких точках факела 11 по линии визирования 12 забирают пробы продуктов сгорания и определяют с помощью газоанализатора 15 количественный состав этих продуктов, по которому вычисляют коэффициенты избытка воздуха в этих точках (α_фi). Затем выбирают способ усреднения коэффициентов α_фi и вычисляют усредненное значение локального коэффициента избытка воздуха в факеле (α_фi).
Для заданного режима работы горелочного устройства 10 одновременно с измерением величин A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.) с помощью газозаборной трубки 14 и газоанализатора 15 определяют коэффициент избытка воздуха на выходе камеры сгорания (α_вых.) в дымоотводящем борове 9. При этом поддержание заданного уровня работы горелочного устройства следует считать поддержание постоянного заданного значения коэффициента α_вых.
Описанный порядок измерения и вычисления величин A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.), α_ф и α_вых. осуществляет для нескольких режимов работы горелочного устройства, получая соответствующие таблицы 1-8, по которым строят зависимости фиг.2 и фиг.3 или фиг.4 и фиг.5, а также фиг.6 или фиг.7.

Графики зависимости фиг. 2 или фиг.4 и фиг.3 или фиг.5, а также фиг.6 позволяют по измеренным значениям выходных напряжений A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.) преобразователя 6 определять значения коэффициентов пересчета значений величин A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.) в значении величин соответствующих коэффициентов α_ф и α_вых. и обратно пропорциональные значения этих коэффициентов пересчета, запоминая их значения в памяти вычислителя 7.

Графики зависимостей 16, 17, 18, 19 фиг.7 позволяют определить частотную область работы устройства определения коэффициента избытка воздуха в камере сгорания, в которой наблюдается устойчивый и надежный контроль наличия пламени факела горения.

Определение (вычисление) значений величин коэффициентов α_ф и α_вых. по измеренным значениям величин A_n1, A_n2 (A_n3 и т.д.) осуществляется вычислителем 7 путем использования следующих формул пересчета:
α_ф = K₁A_n (1)
α_вых.= K₂α_ф (2)
α_вых.= K₃A_n (3)
где A_n есть измеренная величина либо A_n1, либо A_n2 и т.д. на выходе преобразователя 6;
K1 коэффициент пропорциональности, определяемый по графику фиг.3 или фиг.5;
K2 коэффициент пропорциональности, определяемый по графику фиг.6;
К= К1 К2 обобщенный коэффициент пропорциональности, определяемый по графику фиг.2 или фиг.4.

Устройство для определения избытка воздуха в камере сгорания может быть выполнено, например, как показано на фиг.8.

Фотоприемник излучения включается в функциональную схему в виде резистивного делителя, состоящего из фоторезистора 20 и резистора 21. Усилитель 3 фотосигналов представляет собой широкополосный усилитель со стабилизацией по постоянному напряжению и выполнен на двух операционных усилителях 22, 23. Каждый полосовой фильтр представляет собой активный фильтр нижних и средних частот и выполнен на одном операционном усилителе 24. Каждый делитель напряжений выполнен на четырех операционных усилителях 25, 26, 27, 28. Преобразователь 6 выполнен из одного операционного усилителя 29, работающего по схеме вычитания.

В качестве приемника излучения 1 использовался фоторезистор (тонкопленочный фотоприемник). В качестве оптического узла 2 использовался корпус фотоприемника, в смотровое окно которого вставлен светофильтр, а также специальная оптическая система, состоящая из нескольких линз и визирной трубы. Как операционный усилитель использовалась микросхема КО544Уд2 и К140Уд8Б.

В камере сгорания 8 объемом 8,0 м³ установлена газовая горелка 3 с номинальной производительностью по газу 30 м³/час. Факел горелочного устройства 9 на всех режимах ее работы вытянут вдоль оси и симметричен ей. Осевая линия горелки и линия визирования 12 пересекаются и образуют между собой угол 30^o.

Графики зависимостей фиг.2 и фиг.3 или фиг.4 и фиг.5, а также фиг.6 предварительно экспериментальным путем определялись соответственно для значений величин A_n1 и A_n2, α_ф и α_вых. для которых производительность по газу постоянна и составляет 30 м³/час.

Измерение величин A_n1, A_n2, α_ф и α_вых. осуществлялось для шести режимов работы горелочного устройства 10, при этом для каждого режима работы измерялось и поддерживалось за счет регулирования расхода воздуха фиксированное значение коэффициента α_вых. На всех шести режимах работы горелочного устройства 10 измерялись значения величин выходных напряжений U_f1, U_f2, U_f6 полосовых фильтров 4.1, 4.2, 4.6, характеризующиеся соответствующими центральными частотами f₁= 32 (Гц), f₂=64 (Гц), f₃=125 (Гц), f₄=250 (Гц), f₅=500 (Гц), f₆=1000 (Гц) и ширинами полос пропускания
При построении зависимостей фиг. 2 и фиг.3 или фиг.4 и фиг.5, а также фиг.6 предварительно получают графики зависимостей фиг.7. Далее определялись с критерием выбора полосовых фильтров.

Для построения зависимостей 16-19 фиг.7 необходимо руководствоваться следующими требованиями к полосовым фильтрам, подключенным к выходу общего усилителя:
1) ширины полос частот не должны перекрываться; 2) средние (характеристические) частоты полосовых фильтров выбираются таким образом, чтобы для самого крайнего (низкочастотного) фильтра на выбранной средней частоте амплитуды выходного напряжения этого фильтра слабо зависела или почти не зависела от изменения режимов горения, а для последующих полосовых фильтров величины средних частот сдвигаются в высокочастотную область так, чтобы при изменении режимов горения получить максимальный частотный диапазон изменения фотосигнала на выходе полосовых фильтров.

Из графиков 16-19 фиг.7 видно, что обеспечение надежного контроля наличия пламени устройством определения коэффициента избытка воздуха в камере сгорания достигается в интервале частот от 16 до 300 Гц.

Для получения зависимостей фиг.2 и фиг.3 выбраны два полосовых фильтра 4.1 и 4.2, имеющих соответствующие центральные частоты f₁=32 (Гц), f₂=64 (Гц) и ширины полос пропускания Δf₁= 16(Гц),Δf₂= 32(Гц). При этом выходные напряжения U_f1 и U_f2 с этих фильтров проходят через делитель напряжения 5.1, который задает отношение U_f1/U_f2 сигналов. Это соотношение сигналов U_f2/U_f1 и является выходным сигналом A_n1 преобразователя 6.

Для получения зависимостей фиг.4 и фиг.5 были выбраны три полосовых фильтра 4.1, 4.2, 4.3, имеющих соответствующие центральные частоты f1=32 (Гц), f2=64 (Гц), f3=125 (Гц) и ширины полос пропускания Δf₁= 16(Гц),Δf₂= 32(Гц),Δf₃= 64(Гц). При этом выходные напряжения U_f1, U_f2 и U_f3 этих полосовых фильтров проходили через соответствующие делители 5.1 и 5.2, задающие соотношения U_f2/U_f1 и U_f3/U_f1 напряжений. Для этих соотношений в качестве закона преобразования в преобразователе 6 использовали операцию вычитания, реализованную на операционном усилителе 29, и тогда сигнал А_n2 на выходе преобразователя 6 есть разность отношений U_f2/U_f1 и U_f3/U_f1.

Далее для каждого режима горения с помощью газозаборной трубки 14 и газоанализатора 15 измерялись значения коэффициента избытка воздуха на выходе камеры сгорания. Результаты измерения величин A_n1, A_n2 и α_вых. были занесены в табл.1 и табл.2.

При измерениях величины α_вых. таким же способом, как и на выходе камеры 8 сгорания на всех режимах работы горелочного устройства 10 в одних и тех же точках зоны горения факела 11 по линии визирования 12 осуществляли измерения локальных коэффициентов избытка воздуха (α_фi). При этом в зоне горения было выбрано пять точек, расстояние между которыми одинаково. Результаты измерения величин занесли, соответственно, в таблицы 3-8. Затем для значений величин α_фi выбирали способ усреднения, например, по формуле:

где m=5 количество точек, в которых измерялись коэффициенты α_фi;
α_фi_max- максимальное значение коэффициента α_фi среди всех на заданном режиме измерений;
α_ф усредненный локальный коэффициент избытка воздуха в зоне горения по линии визирования 12 фотоприемника излучения 1 с оптическим узлом 2.

Для каждого режима работы горелки рассчитывалось значение величины коэффициента α_ф и заносилось в каждую из таблиц 3-8.

По результату таблиц 1-8 были построены графики зависимостей фиг.2 и фиг.3 или фиг.4 и фиг.5, а также фиг.6.

Определение значений величины коэффициентов α_вых.и α_ф выполняется путем измерения выходных величин A_n1 или A_n2 преобразователя 6 и вычислений вычислителем 7 этих коэффициентов по формулам 1-3 с учетом графиков зависимостей фиг.2 и фиг.3 или фиг.4 и фиг.5, а также фиг.6.

Например, измеренная величина A_n1=U_f2/U_f1 была равна 0,26 (что соответствует 260 (Мв) по графикам фиг. 2 и фиг.3), а измеренная величина A_n2= U_f2/U_f1-U_f3/U_f1 была равна 0,20 (что соответствует 200 (Мв) по графикам фиг. 4 и фиг.5). Тогда по графикам зависимостей фиг.2 и фиг.3 или фиг.4 и фиг.5, а также фиг.6 величины коэффициентов α_вых.и α_ф имеют соответствующие значения, равные 1,15 и 0,75.

Использование предлагаемого устройства определения избытка воздуха в камере сгорания позволит значительно повысить надежность и быстродействие измерения коэффициента избытка воздуха в непрерывном режиме с одновременным повышением надежности контроля наличия пламени.

Преимущество заявленного устройства заключается в том, что осуществляя надежный контроль наличия факела в камере сгорания, оно позволяет одновременно контролировать усредненный локальный коэффициент избытка воздуха в зоне горения (воспламенения) α_ф.
При регулировании работы горелочного устройства, когда при постоянном расходе топлива изменяют суммарный коэффициент избытка воздуха (α_вых.) срыв горения и погасание пламени происходит в том случае, если изменения локального коэффициента расхода воздуха в зоне воспламенения превышает предельные значения. Применение предлагаемого устройства позволит оператору, управляющему работой горелки, контролировать эти локальные значения коэффициентов α_ф и не превышать их, уменьшая тем самым опасность погасания пламени. Таким образом, устройство позволяет получать информацию о том, что режим горения настолько отклонился от допустимого, что дальнейшее его изменение приведет к срыву факела. Тем самым существенно повышается безопасность эксплуатации топливосжигающего оборудования. ТТТ1 ТТТ2 ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6

Использование: теплоэнергетика и металлургия, для управления качеством сжигания топлива, регулирования процессов горения и контроля наличия пламени. Сущность изобретения: устройство для определения избытка воздуха в камере сгорания, содержащее приемник излучения, направленный в зону горения, оптический узел, формирующий поле зрения приемника излучения, усилитель фотосигнала, дополнительно содержит два или более полосовых фильтра, характеризующихся центральными частотами f₁, f₂ (f₃ и т.д.) с ширинами Δf₁,Δf₂(Δf₃ и т. д. ) полос пропускания, делителя фотосигналов, задающих соотношения U_ф2/U_ф1, U_ф3/U_ф1 (U_ф3/U_ф2 и т.д.) между выходными фотосигналами U_ф1, U_ф2 (U_ф3 и т.д.) полосовых фильтров, по одному преобразователю и вычислителю, причем все полосовые фильтры подсоединяются своими входами к выходу общего усилителя, а выходами через соответствующие делители фотосигналов с соответствующими входами вычислителя. 8 ил., 6 табл.

Устройство определения избытка воздуха в камере сгорания, содержащее приемник излучения, направленный в зону горения, и оптический узел, фиксирующий поле зрения приемника излучения, отличающееся тем, что она дополнительно содержит усилитель фотосигнала, два или более полосовых фильтра, делители фотосигналов, определяющих соотношения между выходными напряжениями полосовых фильтров, вычислитель и преобразователь, причем все полосовые фильтры подсоединены своими входами к выходу усилителя фотосигнала, а выходами через делители фотосигналов к соответствующим входам преобразователя, выходы которого соединены с соответствующими входами вычислителя.