СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ГОРЯЩЕГО СЛОЯ УСТАНОВКИ СЖИГАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F23N5/08 F23N1/02 

Изобретение относится к способу определения среднего излучения и соответствующей этому излучению средней температуре участка поверхности горящего слоя при помощи инфракрасной или термографической фотокамеры в установках сжигания и регулирования процесса горения, по меньшей мере, в контролируемом участке поверхности этой установки сжигания.

Известные способы этого рода описаны в патентах DE 3904272 C2 и DE 4220149 A1. На практике при реализации этих способов встретились трудности, заключающиеся в том, что получаемые значения (интенсивности) излучений и температур не всегда соответствуют точным значениям температуры горящего слоя, потому что на них влияют значения излучений от языков пламени, отходящих газов и частиц сажи, находящихся между инфракрасной фотокамерой и горящим слоем. Это приводит к тому, что регулирование процессов горения, производимое на базе таких регулировочных значений, часто не отвечает предъявляемым требованиям.

Задача изобретения заключается в том, чтобы создать способ указанного выше рода, при котором были бы существенным образом устранены искажения, вызванные излучением от газов, содержащихся в продуктах сгорания, от твердых частиц сажи и т.п.

Эта задача по созданию способа указанного выше рода решается тем, что измерение ограничивают диапазоном волн, который соответствует минимуму искажающих результат газов над горящим слоем; подвергаемый измерениям участок поверхности делят растровыми ячейками на несколько подучастков; на протяжении некоторого промежутка времени, в течение которого в контролируемом участке поверхности горящий слой считается неподвижным, а излучение и температура горящего слоя почти постоянными, делают несколько следующих один за другим фотоснимков; путем взаимного сравнения фотоснимков, выполненных в течение одного промежутка времени, подучастки с излучением от покоящихся излучающих сред отделяют от подучастков с излучением от подвижных излучающих сред; для расчета среднего излучения или средней температуры участка поверхности учитывается только излучение или температура подучастков с излучением от покоящихся излучающих сред.

Таким образом, изобретение основывается на двух принципиальных соображениях, первое из которых состоит в том, что путем спектрального анализа определяют интенсивность излучения, по меньшей мере, наиболее часто встречающихся газов, определяют минимум этой интенсивности газов, и применяемое измерительное устройство в виде инфракрасной или термографической фотокамеры согласуют с этим диапазоном волн, чтобы таким образом исключить преобладающую часть искажающего газового излучения. Второй принцип состоит в том, чтобы устранить имеющееся между горящим слоем и измерительным устройством излучение, вызываемое, например, твердыми частицами, в частности, сажей или отдельными газовыми компонентами, для чего несколько фотоснимков участка поверхности, разделенного на растровые ячейки, делают один за другим через короткие промежутки времени, исключая при этом для определения среднего значения те подучастки растра, которые подвержены резким колебаниям. При этом исходят из предположения, что горящий слой почти неподвижен, тогда как излучающие твердые частицы или газы находятся в интенсивном движении, если в качестве базы измерения применить достаточно малые промежутки времени. Горящий слой, принимаемый за неподвижный, в пределах коротких промежутков времени длительностью в несколько сотых секунды не подвергается сильным колебаниям температуры, вследствие чего при появлении заметных температурных колебаний можно считать, что между горящим слоем и измерительным устройством возникли искажающие излучения. Если, следовательно, для оценки излучения исключить из рассмотрения те фотоснимки, на которых сказывается излучение подвижных частиц или газов, то получается в основном не подвергнутое искажающему влиянию среднее значение излучения участка поверхности, которому соответствует определенное значение температуры. Это значение температуры может служить регулировочной величиной для воздействия на различные параметры, оказывающие влияние на процесс горения. При этом можно повлиять на все до сих пор известные параметры, к числу которых относятся перечисленные ниже существенно важные параметры, хотя этот список и не является исчерпывающим: подводимое в процесс горения общее количество воздуха, количество первичного воздуха, распределение количества первичного воздуха, концентрация кислорода в первичном воздухе, температура первичного воздуха, количество топлива, вводимого в целом или на определенные участки колосниковой решетки, скорость шуровки всей колосниковой решетки, локальная скорость шуровки колосниковой решетки и т.д.

Для осуществления предложенного способа целесообразно при помощи нечеткой логики (Fuzzy-Logik) из полученных измерительных значений образовать регулировочное значение для регулирования отдельных или всех процессов, видоизменяемых до сих пор в прямой или косвенной зависимости от температуры горения.

Для того чтобы подавить скачкообразные процессы, целесообразно, согласно другому варианту выполнения изобретения, для определения регулировочной величины образовать среднее значение среднего излучения или средней температуры, относящихся к нескольким следующим один за другим промежуткам времени. При этом промежуток времени может составлять 0,1-5,0 с.

Практически целесообразным способом определения регулировочной величины оказалось образование среднего значения из средних значений пяти следующих один за другим промежутков времени.

Контролируемый участок поверхности следует выбирать площадью не менее 1 м², разделяя его на растровые ячейки с числом подучастков не менее 10. Для топок с колосниковыми решетками оказалась целесообразной разбивка, при которой растр соответствует зонам подачи первичного воздуха на участке решетки, активно участвующем в горении.

Заявленный способ особенно целесообразен для контроля за надлежащей эксплуатацией колосниковой решетки. Для этого при сильно отличающихся от среднего значения для некоторого промежутка времени значениях излучения или температуры отдельных подучастков за этими значениями излучения или температуры соответствующих подучастков наблюдают на протяжении нескольких промежутков времени, сравнивая друг с другом соответствующие снимки подучастков в отношении отклонений. Если некоторый подучасток на протяжении нескольких промежутков времени постоянно характеризуется значением, сильно отличающимся от среднего значения, например, имеет слишком высокую температуру, то это может свидетельствовать о механическом дефекте и связанном с этим плохом распределении подачи воздуха. Если же в каком-либо участке температура постоянно слишком низка, это может указывать на засорение и, следовательно, на слишком малый подвод первичного воздуха.

Применяемая инфракрасная или термографическая фотокамера оснащена фильтрами таким образом, что работает в диапазоне волн 3,5-4,0 мкм. В этом диапазоне интенсивность эмиссии газов, возникающих обычно в топочном пространстве, является минимальной. Имеются в виду газы CO₂, CO и пары воды; хотя не всегда поддающаяся устранению сажа в этом диапазоне длин волн имеет более низкое значение, чем в более низком диапазоне волн, она, тем не менее, является заметным источником искажений, который исключают при помощи указанных ранее мероприятий. Подключенное к камере расшифровочное устройство с системой регулирования по правилам нечеткой логики построено таким образом, что полученные снимки или измерительные сигналы обрабатывают по правилам нечеткой логики ("фуззифицируют"), подвергают интерференции, а затем "дефуззифицируют". В результате получается такое качество фотоинформации, которое очень близко к фактическому состоянию поверхности горящего слоя. В программном обеспечении задают порог, ниже которого инфракрасный фотоснимок больше не поддается оценке. Выше этого порога полученная информация об излучении или температуре выдается без дальнейшей оценки качества снимка. В отношении оценки снимка при плохом качестве изображений, например, в течение более двух минут, схемы регулирования камеры отключают, а затем снова вводят в действие. Это делают с целью устранить возможность регулирования на базе плохих снимков, которые не соответствуют фактическим условиям. Так может произойти, например, в том случае, если чрезмерное выделение сажи образует практически сплошной слой между горящим слоем и инфракрасной фотокамерой; проникновение сквозь этот слой ввиду отсутствия "окошка" не дает возможности получить пригодную расшифровку снимка. Такие ситуации являются кратковременными, а кроме того, могут быть устранены путем применения нескольких инфракрасных фотокамер, направленных на горящий слой под разными углами наблюдения.

Ниже изобретение разъясняется на примере при помощи чертежей. В частности, показаны:
на фиг. 1 - вертикальный разрез схематично изображенной печной установки с устройствами для осуществления заявленного способа;
на фиг. 2 - график излучения различных газов;
на фиг. 3-5 - схематично изображенные последовательности снимков и их расшифровка;
на фиг. 6 - схема регулирования печной установки.

Изображенная на фиг. 1 печная установка содержит колосниковую решетку 1, загрузочное устройство 2, топочную камеру 3 с газоходом 4 и возвратную камеру 5, в которой отходящие газы отводятся в направленный вниз газоход 6, из которого попадают в обычные присоединенные к печной установке агрегаты, в частности, в парогенератор и в установку для очистки отходящего газа.

Колосниковая решетка 1 состоит из отдельных колосниковых ступеней 7, которые, в свою очередь, состоят из отдельных расположенных рядом друг с другом колосников. Каждая вторая ступень колосниковой решетки, выполненной в виде обратнопереталкивающей решетки, соединена с приводом 8, который позволяет настраивать скорость шуровки. Под колосниковой решеткой 1 находятся разделенные как в продольном, так и в поперечном направлениях камеры 9.1-9.5 нижнего дутья, в которые по отдельности через отдельные трубопроводы 10.1-10.5 вдувается первичный воздух. В конце колосниковой решетки выгоревший шлак выносится валком 25 в шлаковую яму 11, куда попадают также более тяжелые твердые частицы, выделившиеся в нижней возвратной камере 12 из отходящих газов.

В топочную камеру 3 направлено несколько рядов сопел 13, 14 и 15, через которые подводится так называемый вторичный воздух для регулируемого сжигания горючих газов и находящихся во взвешенном состоянии частиц топлива. Эти ряды сопел с вторичным воздухом регулируются по отдельности, поскольку в разных местах топочной камеры имеются различные условия.

Загрузочное устройство 2 состоит из воронки 16, желоба 17, стола 18 и одного или нескольких расположенных один рядом с другим и иногда регулируемых независимо один от другого загрузочных плунжеров 19, которые передвигают мусор, падающий в загрузочный желоб 17, через загрузочный порог 20 стола 18 в топочную камеру на колосниковую решетку 1.

На своде 21, закрывающем верхнюю возвратную камеру 5, смонтирована инфракрасная фотокамера 22, подключенная к устройству 23, которое служит для расшифровки получаемых снимков, образования регулировочной величины и выдачи управляющих команд для различных устройств печной установки с целью повлиять на процесс горения. Иными словами, номером 23 обозначено расшифровочно-управляющее устройство.

Инфракрасная фотокамера 22 предназначена для контроля за излучением от горящего слоя 24, находящегося на колосниковой решетке 1, или для фиксации температуры, характеризующей это излучение. При этом существенным образом исключаются искажения, вызываемые пламенем 24а или содержащимися в отходящих газах газообразными и твердыми компонентами, как это будет подробнее разъяснено в дальнейшем.

Топливо, наваленное на колосниковую решетку и образующее горящий слой 24, подсушивается в зоне нижнего дутья 9.1 и подогревается и зажигается излучением, испускаемым в топочной камере. На участке зон нижнего дутья 9.2 и 9.3 находится зона главного горения, а на участке зон нижнего дутья 9.4 и 9.5 выгорает образующийся шлак, попадающий затем в шлаковую яму. Газы, поднимающиеся из горящего слоя, содержат еще горючие компоненты, которые полностью сжигаются путем подвода вторичного воздуха через ряды сопел 13-15. Регулирование количества загружаемого топлива, первичного воздуха в отдельных зонах нижнего дутья и их состава, с точки зрения содержания кислорода, производится в зависимости от степени выгорания, которая зависит от теплотворной способности топлива, и подвержена в мусоре большим колебаниям, причем для определения необходимой регулировочной величины используется испускаемое горящим слоем излучение и связанная с ним температура, которая фиксируется при помощи инфракрасной камеры 22, расшифровывается расшифровочно-управляющим устройством 23 и передается дальше в соответствующие исполнительные органы.

Различные исполнительные органы схематически указаны на фиг. 1, где номером 29 обозначен исполнительный орган для воздействия на скорость колосниковой решетки, номером 30 - исполнительный орган для воздействия на число оборотов шлакового валка, номером 31 - исполнительный орган для воздействия на скорости колосниковой решетки по различным траекториям, номером 32 - исполнительный орган для частоты включения и выключения им скорости загрузочных плунжеров, номером 33 - исполнительный орган для настройки количества первичного воздуха, номером 34 - исполнительный орган для настройки состава первичного воздуха, с точки зрения содержания кислорода, номером 35 - исполнительный орган для настройки температуры подогревателя первичного воздуха.

Ниже со ссылками на фиг. 1-6 подробнее объясняется заявленный способ.

На фиг. 1 показана инфракрасная фотокамера 22, направленная на горящий слой. Пользуясь фиг. 2, рассмотрим, как выглядит излучение находящихся в топочной камере 3 газов и твердых частиц. Из графика видно, что минимум инфракрасного излучения для газов CO₂, CO и H₂O, выделяющихся под действием реакций сушки и сгорания в высоких концентрациях, имеет место в диапазоне волн 3,5-4,0 мкм. В соответствии с этим инфракрасная фотокамера оснащена выбирающим длину волны фильтром, который работает в зоне минимума этих искажающих картину газов, т.е. в диапазоне 3,5-4,0 мкм. Из фиг. 2 видно также, что интенсивность излучения или эмиссии твердых частиц (сажи) пламени 24а в топочной камере 3 падает с первоначально высокого значения, причем сравнительно низкое значение достигается уже начиная с 3,5 мкм, а затем остается приблизительно постоянным, вследствие чего искажающее излучение от пылевых частиц или сажи соответствующим фильтром не устраняется.

Здесь вступает в силу другой основной принцип рассматриваемого изобретения, описываемый ниже со ссылками на фиг. 3-5.

На фиг. 3 показан наблюдаемый инфракрасной камерой участок поверхности, разделенный растром на 25 подучастков. Зачерненные подучастки являются теми поверхностями, которые имеют гораздо более высокую интенсивность излучения, а поэтому и более высокую температуру, чем светлые подучастки. Это вызвано тем, что поверхность горящего слоя является сравнительно более холодной, чем находящаяся над ней газовая атмосфера. Посмотрев на фиг. 4, можно заметить, что здесь эту высокую интенсивность излучения и температуру имеют другие подучастки. На фиг. 4 дан снимок, сделанный через несколько сотых долей секунды и поэтому показывающий те изменения, который могут произойти по истечении такого короткого промежутка времени. Поскольку на фиг. 4 имеет место иное распределение излучения и температуры, чем на фиг. 3, эти отклонения могут быть вызваны только такими излучающими средами, которые могут в течение короткого времени изменять как свою температуру, так и расположение. Это, наверняка, не может быть горящий слой, потому что в течение доли секунды в горящем слое не может произойти заметное изменение расположения и резкое изменение температуры. На фиг. 5 изображен результат сравнения фиг. 3 и 4. Зачернены те подучастки, которые в снимке, согласно фиг. 3 или фиг. 4, свидетельствовали о гораздо более высоком излучении, а следовательно, и о более высокой температуре. Поля, оставшиеся на фиг. 5 светлыми, соответствуют тем подучасткам снимков контролируемого участка поверхности, которые и по истечении определенного промежутка времени остались без изменения. Отсюда можно сделать вывод, что здесь имеют место снимки излучения и температуры, характеризующие среду, которая не подвергается скачкообразным изменениям и поэтому может рассматриваться как создающая истинное излучение горящего слоя. На практике, например, для образования регулировочной величины, которую расшифровочно-управляющее устройство 23 выдает в различные исполнительные органы, делается в течение 3,5 с семь снимков, из которых путем сравнения, согласно фиг. 3-5, образуется среднее значение. Затем пять таких средних значений объединяют в регулировочное значение. В данном случае это значит, что через каждые 17,5 с образуется новое регулировочное значение. Разумеется, промежутки времени, в течение которых делаются фотоснимки, можно приспосабливать к конкретным условиям, в частности, можно работать и с более короткими периодами времени. Подучасток, за которым ведет наблюдение инфракрасная фотокамера, соответствует на практике той поверхности, которую занимают по меньшей мере две зоны нижнего дутья и максимум 15 таких зон. На практике поверхность участка зоны нижнего дутья имеет площадь порядка 2-4 м², причем эту поверхность разделяют в соответствии с фактически имеющимися контролируемыми фотокамерой зонами ввода первичного воздуха, а затем каждый из этих секторов, соответствующих зоне первичного воздуха, делят для расшифровки, в соответствии со сказанным выше по отношению к фиг. 3-5, примерно на 25 подучастков. Такая разбивка и указанные периоды времени для каждых двух следующих один за другим снимков оказались в применении к печным установкам с обратнопереталкивающими колосниковыми решетками, достаточными для фиксации температуры горящего слоя.

Снимки, согласно фиг. 3-5, хранятся в памяти и сравниваются между собой в течение нескольких промежутков времени, причем дело заключается не только в том, чтобы определить температуру горящего слоя, которая представлена на фиг. 3-5 светлыми подучастками, но и в том, что при этом методе можно также установить, не произошли ли какие-нибудь аномальные изменения. Если, например, в течение длительного периода времени каждый раз одинаковые подучастки имеют слишком высокую или слишком низкую температуру по сравнению со средней температурой горящего слоя в рассматриваемом участке поверхности, то можно сделать вывод о неполадке в механизме колосниковой решетки или в подводе воздуха.

Образованные в расшифровочно-управляющем устройстве 23 следующие одна за другой регулировочные величины используют для воздействия на отдельные исполнительные органы, как это схематически представлено на фиг. 6. Из этой схемы видно, что регулировочным устройством 23 можно воздействовать на исполнительные органы, вызывающие изменение скорости колосниковой решетки (исполнительный орган 29), температуры подогревателя воздуха (исполнительный орган 35) и других устройств, как это было указано выше.

Изобретение предназначено для использования в области энергетики. Для определения среднего излучения, исходящего от некоторого участка поверхности горящего слоя в печной установке, применяют направленную на этот участок инфракрасную фотокамеру 22, оснащенную соответствующим пламенным фильтром так, что она работает в минимуме испускаемого пламенем 24а искажающего излучения, благодаря чему это искажающее облучение в значительной мере исключается. Для того чтобы, кроме того, устранить также излучение от твердых подвижных частиц и тем самым обеспечить измерение температуры горящего слоя 24, при помощи инфракрасной камеры 22 делают через короткие промежутки времени один за другим фотоснимки, которые расшифрованы в расшифровочно-регулирующем устройстве. При этом для расчета среднего значения излучения или средней температуры учитывают только те подучастки участка поверхности, разделенного на несколько подучастков, которые не подвергаются изменениям и поэтому могут в основном считаться принадлежащими горящему слою, рассматриваемому как покоящийся, тогда как изменяющиеся результаты излучения других подучастков следует считать вызванными излучением твердых подвижных частиц, например частиц пыли и сажи, которые искажают результат измерения температуры горящего слоя. Изобретение позволяет устранить искажения, вызванные излучением от газов, содержащихся в продуктах сгорания, от твердых частиц сажи и т.п. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения среднего излучения и соответствующей этому излучению средней температуры участка поверхности горящего слоя при помощи инфракрасной или термографической фотокамеры в установках сжигания и регулирования процесса горения по меньшей мере в контролируемом участке поверхности этой печной установки, отличающийся тем, что измерение ограничивают диапазоном волн, который соответствует минимуму искажающих результат газов над горящим слоем, подогреваемый измерениям участок поверхности делят растровыми ячейками на несколько подучастков, на протяжении некоторого промежутка времени, в течение которого в контролируемом участке поверхности горящий слой счищается неподвижным, а излучение и температура горящего слоя почти постоянными, делают несколько следующих один за другим фотоснимков, путем взаимного сравнения фотоснимков, выполненных в течение одного промежутка времени, подучастки с излучением от покоящихся излучающих сред отделяют от подучастков с излучением от подвижных излучающих сред, для расчета среднего излучения или средней температуры участка поверхности учитывается только излучение или температура подучастков с излучением от покоящихся излучающих сред. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при помощи нечеткой логики из полученных измерительных значений образуют регулировочное значение для регулирования отдельных или всех процессов, видоизменяемых до сих пор в прямой или косвенной зависимости от температуры горения. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для определения регулировочной величины образуют среднее значение среднего излучения или средней температуры, относящихся к нескольким следующим один за другим промежуткам времени. 4. Способ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что промежуток времени составляет 0,1 - 5,0 с. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что для определения регулировочной величины образуют среднее значение из средних значений пяти следующих один за другим промежутков времени. 6. Способ по одному их пп.1 - 5, отличающийся тем, что контролируемый участок поверхности составляет не менее 1 м² и его делят на растровые ячейки с числом подучастков не менее десяти. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что для топок с колосниковой решеткой растр соответствует зонам подачи первичного воздуха на участке решетки, активно участвующем в горении. 8. Способ по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что при сильно отличающихся от среднего значения для некоторого промежутка времени значениях излучения или температуры отдельных участков за этими значениями или температуры соответствующих подучастков наблюдают на протяжении нескольких промежутков времени, сравнивая друг с другом соответствующие снимки подучастков в отношении отклонений. 9. Способ по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что измерение излучения производится в спектральном диапазоне 3,5 - 4,0 мкм.