煤粉鍋爐火焰燃燒特征的頻譜分析及遮擋效應(yīng)

張夢(mèng)華，鄭承華，路雪晴

（1.濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東泰景電力科技有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000）

0 引言

在火力發(fā)電領(lǐng)域，煤粉燃燒發(fā)電為主要方式。煤粉在一次風(fēng)的帶動(dòng)下經(jīng)過管道和噴口吹向爐膛后點(diǎn)燃燃燒?；鹧鏅z測(cè)裝置是爐膛安全燃燒的必備設(shè)備。但目前火檢裝置普遍存在一個(gè)老大難問題“偷看”［1］。 所謂“偷看”，就是在當(dāng)前噴燃器火焰消失后，由于背景火焰強(qiáng)度較大，火檢裝置依然發(fā)出“有火”信號(hào)，對(duì)爐膛安全帶來很大隱患［2-4］。不僅如此，由于近年來鍋爐普遍實(shí)行了低氮燃燒改造，且煤粉質(zhì)量難以控制，鍋爐結(jié)焦滅火、燃燒不平衡、燃燒不穩(wěn)問題十分突出［5］，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行帶來了很大的挑戰(zhàn)，迫切需要對(duì)爐膛燃燒狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。而現(xiàn)有的爐膛燃燒監(jiān)測(cè)還是一項(xiàng)世界性難題［6-8］。

通過智能火焰燃燒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同燃煤鍋爐上的火焰頻譜檢測(cè)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)了火焰燃燒的“遮擋效應(yīng)”現(xiàn)象［9］，對(duì)當(dāng)前的火焰檢測(cè)技術(shù)具有重要指導(dǎo)價(jià)值［10］。

1 火焰燃燒特征頻譜分析

1.1 火焰燃燒觀測(cè)

為了不受干擾地檢測(cè)火焰特征，采用光纖觀測(cè)是最佳方案。以300 MW機(jī)組四角切圓噴燃器為例，光纖觀測(cè)角度必須正確。觀測(cè)中心線必須與噴燃器水平線呈5°～8°的下傾角。中心視線穿過火焰的初始燃燒區(qū)，見圖1。

圖1 燃燒區(qū)劃分

從火焰形態(tài)看，可分為4個(gè)區(qū)，分別為黑龍區(qū)、初始燃燒區(qū)、完全燃燒區(qū)、燃燼區(qū)。對(duì)于600 MW及以上機(jī)組的旋流式燃燒器，光纖的觀測(cè)角度并不敏感，其中心線可與噴燃器出口的水平線平行。

1.2 火焰頻譜的檢測(cè)

光纖信號(hào)光電轉(zhuǎn)換時(shí)必須為模擬變換，之后對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行頻譜分解。根據(jù)傅里葉函數(shù)理論，任何一個(gè)函數(shù)均可表示為：

式中：U0為直流分量；λ為直流分量衰減系數(shù)；Uk為第k次諧波峰值；M為最高諧波階次；k為諧波階次。

根據(jù)香農(nóng)采樣理論，采樣頻率是信號(hào)頻率的兩倍以上時(shí)，就可以從離散信號(hào)中恢復(fù)出連續(xù)周期函數(shù)［11］。所謂頻譜分析就是通過信號(hào)采樣得到式（1）中的 U0、λ、Uk、θk。將式（1）展開并簡(jiǎn)化。將式（1）中的U0e-λt按泰勒級(jí)數(shù)展開，取前兩項(xiàng)，則：

將式（1）中的 sin（kωt+θk）按三角函數(shù)展開整理，則：

式中：Ukcosθk和 Uksinθk是需要測(cè)量的第 k次諧波相量的實(shí)部和虛部。而在基波和采樣頻率已定的情況下，時(shí)刻序列 sin（kωti）和 cos（kωti）在每個(gè)循環(huán)的時(shí)間窗中將是一個(gè)固定值。因此，根據(jù)最小二乘方判據(jù)，每次采樣后得到如下方程：

式中：Ti為第i次采樣時(shí)刻，經(jīng)過連續(xù)N次采樣后，得到N個(gè)方程。

如果將U0、U0、λ，以及所有諧波的實(shí)部和虛部作為未知量，式（4）可用矩陣表示為

式中：A表示 N行，2（M＋1）列的系數(shù)矩陣；X表示單列2（M＋1）行的待測(cè)變量矩陣；U表示單列采樣矩陣。

系數(shù)矩陣A第3列元素表示了初始相角為零的sin（ωt）在各個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值。A的第4列元素表示了初始相角為零的cos（ωt）在各個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值。A的第5列元素表示了初始相角為零的二次諧波sin（2ωt）在各個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值，依次類推。這些各次諧波初始相角可認(rèn)為是零點(diǎn)，下面通過公式得到的各種諧波相角其實(shí)分別是一個(gè)相對(duì)于此處零點(diǎn)的相對(duì)值。如果A存在逆矩陣A-1，則：

其中，逆矩陣 A-1的維數(shù)為 2（M＋1）行，N 列。A-1是最小二乘濾波器，如果用aij表示，其第i行第j列的元素，則，i=1，2，…，2（M＋1）；j=1，2，…，N。 根據(jù)矩陣X的定義和式（6），將矩陣展開，則：

基波含量計(jì)算公式為：

第k次諧波的計(jì)算公式為：

式（1）～（15）給出了頻譜分析的全過程。

2 火焰頻譜特征與“遮擋效應(yīng)”

2.1 貧煤火焰的頻譜特征和遮擋效應(yīng)

青島電廠2號(hào)機(jī)組安裝了一套智能燃燒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)iFS，該爐燃煤主要為貧煤。為了減小數(shù)據(jù)量，iFS只分析和記錄了直流分量U0、某高次諧波、某中次諧波、某低次諧波3個(gè)關(guān)鍵頻率點(diǎn)上的諧波幅度。iFS顯示畫面中，為了符合運(yùn)行人員習(xí)慣，U0稱之為火焰強(qiáng)度，某次諧波幅度稱之為某頻率強(qiáng)度。

圖2是9煤層第3號(hào)角燃燒器停粉前后各頻譜成分的變化過程，其中，黃色線為iFS根據(jù)頻譜特征給出的火焰檢測(cè)結(jié)果，紫色線為燃燒指數(shù)。從圖中可以看到，停粉時(shí)，低頻和中頻率成分的變化趨勢(shì)高度一致，高頻成分很小，前后變化不明顯。當(dāng)?shù)皖l強(qiáng)度小于某個(gè)值時(shí)，火檢狀態(tài)變?yōu)椤?”，即噴燃器“滅火”，檢測(cè)結(jié)果正確。但火焰強(qiáng)度（紅色線）在噴燃器滅火后反而變大了，不符合運(yùn)行人員的常識(shí)。

圖2 11煤層3號(hào)角正常停粉時(shí)的歷史曲線

但該現(xiàn)象如果用“遮擋效應(yīng)”解釋，則完全合理。當(dāng)爐膛還在繼續(xù)燃燒時(shí)，當(dāng)前火焰強(qiáng)度U0前方因無冷煤粉遮擋，背景輻射強(qiáng)度自然變強(qiáng)。

需要補(bǔ)充說明的是，該300 MW機(jī)組的鍋爐共有4層燃燒器，分別命名為3煤層、5煤層、9煤層、11煤層。所燒煤種主要為貧煤，9煤層3號(hào)燃燒器位于中上部，因?yàn)檎{(diào)節(jié)負(fù)荷的原因經(jīng)常投入和退出。

圖3是11煤層4號(hào)角燃燒器退出前后的頻譜特征歷史曲線。該圖中高頻和中頻火焰強(qiáng)度很小，是因?yàn)樵谥耙褭z查落實(shí)，該光纖有損壞所致。該燃燒器“滅火”前后低頻強(qiáng)度變化明顯，火焰強(qiáng)度也出現(xiàn)了燃燒器滅火后信號(hào)變強(qiáng)的現(xiàn)象，與圖2所分析的“遮擋效應(yīng)”現(xiàn)象一致。

圖3 11煤層4號(hào)角正常停粉時(shí)的歷史曲線

圖4是11煤層4號(hào)角點(diǎn)火前后的頻譜特征歷史曲線。其中，紅色曲線為火焰強(qiáng)度U0、粉紅色曲線為低頻強(qiáng)度，當(dāng)噴燃器投粉后，火焰強(qiáng)度U0反而有所減弱，進(jìn)一步印證了“遮擋效應(yīng)”的作用。

圖4 11煤層4角投粉點(diǎn)火的歷史曲線

2.2 氣煤火焰的頻譜特征和遮擋效應(yīng)

章丘電廠3號(hào)、4號(hào)機(jī)組的燃煤以氣肥煤為主，煤粉燃點(diǎn)低、發(fā)熱量高。4號(hào)機(jī)組也安裝了一套iFS。2018-03-17T11∶47∶00，4 號(hào)爐突發(fā)掉焦，全爐膛滅火，12∶25 恢復(fù)發(fā)電。 圖5（a）為 A1層 4號(hào)角燃燒器滅火前后頻譜曲線。從該圖中可以看到，低頻（9 Hz）、中頻（36 Hz）、高頻（81 Hz）成分的強(qiáng)度均不大，但滅火前后區(qū)別仍十分明顯，火焰強(qiáng)度U0在全爐膛滅火后持續(xù)減小。與低、中、高頻成分趨勢(shì)變化一致。再次點(diǎn)火后火焰強(qiáng)度U0以及低、中、高頻成分的變化趨勢(shì)一致。

圖5（b）為A2煤層4號(hào)角滅火和再點(diǎn)火的頻譜曲線。該曲線記錄的U0以及低、中、高頻成分的變化趨勢(shì)與A1層4號(hào)角完全一致。

圖5（c）為B2煤層4號(hào)角滅火及下兩層A1和A2點(diǎn)火后的頻譜曲線。需要說明的是，12∶25恢復(fù)點(diǎn)火只是A1層和A2層，B2層并沒有立即點(diǎn)火。從該圖看出，B2-4滅火后低、中、高頻成分迅速消失，火焰強(qiáng)度U0反而保持在高位，說明掉焦后爐膛高層粉塵的紅外輻射反而越發(fā)強(qiáng)烈。此時(shí)的U0與低、中、高頻成分的關(guān)系已不是“遮擋效應(yīng)”。

圖5（d）為C1煤層1號(hào)角滅火及最下兩層A1和A2點(diǎn)火后的頻譜曲線。需要說明的是，12∶25恢復(fù)點(diǎn)火只是A1層和A2層，B1、B2、包括C1層并沒有立即點(diǎn)火。因此，C1-1只有滅火特征曲線。11∶47滅火后，U0與 9 Hz、36 Hz、81 Hz頻成分同步衰減，趨勢(shì)一致。掉焦后的粉塵對(duì)本層影響不大。

圖5 滅火前后頻譜曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過火焰的光電信號(hào)的數(shù)字頻譜分析，可以獲得火焰的各種特征，包括代表火焰強(qiáng)度的直流量、從低頻到高頻的各種交流成分的大??；當(dāng)爐膛中還有其他燃燒器在燃燒時(shí)，如當(dāng)前燃燒器滅火，則主要交流成分消失，直流成分上升；當(dāng)有煤粉投入時(shí) （有火），則交流成分突增，直流成分下降，這種現(xiàn)象只能說明是顆粒物對(duì)背景光產(chǎn)生了“遮擋”；當(dāng)爐膛其他燃燒器也突然停止燃燒時(shí)，當(dāng)前燃燒器滅火，則主要交流成分消失，直流成分持續(xù)下降，直流和交流成分的變化趨勢(shì)一致；突發(fā)全爐膛掉焦滅火時(shí)，個(gè)別觀測(cè)層的直流成分增強(qiáng)、交流成分消失的假遮擋現(xiàn)象，是爐膛高溫粉塵在該層聚集的一種暫時(shí)現(xiàn)象，與“遮擋效應(yīng)”并不矛盾。

iFS的火焰檢測(cè)方法和遮擋效應(yīng)理論，較好地解釋了目前火焰觀測(cè)中的一些疑難問題，為解決目前火焰的“偷看”難題提供了充分的理論依據(jù)，具重大的理論和工程價(jià)值。