Подавляющее большинство методов диагностики процесса горения выполняются на основе измерения переменного процесса. Техническая диагностика в процессе сжигания требует использования новых методов измерения и диагностики. Блок-схема такой системы показана на рисунке 1. Оптический доступ к пламени может быть реализован с использованием оптического волокна, или, если это разрешено конструкцией горелки, свободным пространством. Перед фотодетектором могут быть размещены оптические фильтры - фиксированный или перестраиваемый дифракционной решеткой, спектрометры. Для обнаружения излучения могут быть использованы фотодиоды и датчики изображения. Предварительная обработка состоит в определении характеристик сигнала, которые являются важными с точки зрения диагностики и контроля. В простейшем случае, это средний уровень сигнала в течение заданного периода времени.
Рис. 1. Блок-схема системы диагностики пламени с помощью оптических методов
Подавляющее большинство используемых в настоящее время оптических методов диагностики пламени ограничивается только обнаружением присутствия или отсутствия на основе суммарной интенсивности излучения пламени. Эти способы имеют следующий недостаток: они не могут различать излучение элементов пламени. Недостатком этого способа является использование излучения включая в себя переменную, значение которой является высокой для пламени и низкой для горящих элементов котла. В более совершенных диагностических методах используется пламя гораздо с большим числом характеристик оптического излучения пламени. Очень разные подходы используются для связывания оптических сигналов с основными параметрами горения, в том числе и стехиометрии пламени, выбросы загрязняющих веществ устойчивости, свойства топлива, условия труда или аварийных условий. Оптические данные обрабатываются для извлечения выбранных функций времени сигнала излучения в качестве средней интенсивности и стандартного отклонения, характерные частоты или другие параметры, связанные с частотой.
С целью диагностики и мониторинга процесса сжигания во время экспериментов был использован вид пламени, который исследуется двумя способами: 1) с применением оптоволоконной системы мониторинга и диагностики; 2) с применением бороскопа, который позволяет реализовать в реальном времени изображение определенной зоны пламени.
Лабораторная установка процессов горения (рис. 2) предназначена для изучения химических и физических процессов при сжигании угля. Для этого используются самые современные диагностические методы, а также модельные эксперименты.
Топливная смесь с первичным воздухом, подается в горелку. Во время работы установки данные от измерительных датчиков, как расход топлива, первичный воздух, вторичный воздух и температура, регистрируются и их величины обрабатываются с помощью компьютерной системы для сбора данных.
Камера сгорания снабжена двумя отверстиями удлиненной формы, расположенных на обеих сторонах, которые позволяют наблюдать за интенсивностью пламени. Вид камеры сгорания показан на рис. 2. Исследования проводились для различных взаимосвязанных видов топлива и различных взаимосвязанных конфигураций, настроек камеры, как показаны на рис. 3. В лабораторной установке камера устанавливается 2 положения: перпендикулярно к оси пламени на выходе из горелки и при температуре около 45° к оси горелки.
Рис. 2. Вид лабораторной установки с местом расположения камеры перпендикулярно к оси горелки
Диагностической эксперимент проводится с помощью следующих компонентов:
- аналоговый фотоаппарат, работающий (625 строк, 25 кадров/сек) рабочим положением камеры 1;
- цифровая фотокамера с матрицей и с полной передачей кадра, с максимумом компоненты разрешения 1280 × 1024 пикселей, позволяет сделать захват до 500 кадров/сек при полных компонентах разрешения и оборудованиях в интерфейсе CameraLink (положение камеры 2) - взаимозаменяемые оптики цифровой камеры - взаимосвязанные линзы с различными фокусными расстояниями и водяным охлаждением высокотемпературного бороскопом;
- цифровой регистратор изображения.
Расположение камеры представлена на рис. 4.
Рис. 3. Схема диагностического тестирования процесса горения оптическими методами
Рис. 4 а, б. Метод крепления камеры под углом 45° к оси горелки (стрелкой показано положение бороскопа).
Пламенная пыль формируется турбулентным потоком смеси пыли и газа, вытекающей из сопла пылевидного угля горелки. Пламя поднимается вверх из-за его более высокой температуры, чем окружающая температура выхлопных газов. Первая зона пламени (рис. 5) является ядром плотного потока смесей пыли, в котором происходят эволюции летучих веществ. На краю фронта пламени содержатся зона горения и летучие вещества микронных частиц углерода, проходящих в зону горения летучих веществ. Эта зона характеризуется сильным излучением и с характеристиками, аналогичными саже. Конец пламени горения образует зона более крупных частиц угля. Фракция крупных частиц «выпадает» из пламени и несгоревшие частицы падают в шлаковый бункер, образующий часть горючего шлака.
Рис. 5. Структура пламени пыли
Стабильность пламени зависит от конструкции горелки и скорости распространения пламени в горючей смеси. Пылевидная скорость распространения пламени угля является функцией свойств распыленного угля (типа угля и фрагментация) и состава пылевоздушной смеси [1]. Стабильность улучшается по мере фрагментированного угля и большого процента летучих веществ в угле [2].
В пылеугольной горелке общий воздух для горения разделяется на два потока: первичный и вторичный. Поток первичного воздуха подается в пылеугольную горелку обеспечивает максимальную скорость распространения пламени и лучшую стабильность пылевидного пламени. Остальная часть воздуха вводится в дальнюю часть в пылевидной пламени.
Сжигание углерода остатка частиц осуществляются по всей длине пламени пылевидного с участием вторичного воздуха. По неизвестным причинам сжигание распыленного угля в котле, не является полным. Неполное сгорание ухудшает эффективность работы котла – ухудшает коэффициент сгорания и ведет к значительным затратам.
Литература:
- Wójcik W., Smolarz A.: Stabilizacja emisji NOx z pojedynczego palnika pyłowego z wykorzystaniem NPC i neuronowej metody estymacji parametrów spalania, Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 53, nr 11/2007, str. 20-23, ISSN 0032-4140
- Wójcik W., Smolarz A.: Wykorzystanie neuronowej metody estymacji parametrów spalania do regulacji pracy palnika pyłowego, Pomiary Automatyka Kontrola, nr 3/2005, str. 30-33, ISSN 0032-4110
