Оптическая диагностика процессов горения газообразных углеводородов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

РГБ ОД 2 8 ПОП 20В0

БОРЗОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

01.04.05-«Оптика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2000

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН.

»

Научные руководители: доктор технических наук

О.И. Потатуркип

кандидат физико-математических паук В.Д. Анцыгин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.К. Баев

кандидат физико-математических наук В.П. Сафонов

Ведущая организация: - Всероссийский НИИ оптико-физических

измерений (г.Москва)

Защита диссертации состоится « /// » (Л/а/? 2000 г. в

-/0 час. на заседании диссертационного совета К 003.06.01 при Институте автоматики и электрометрии СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАиЭ СО РАН.

у /у

Автореферат разослан « 1 с » 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

Л.В. Ильичев

гс^-ио, л а - я/2 Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Оптимизация горения газообразных углеводородов является актуальной проблемой в теплоэнергетике, в экологии, для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности в промышленности и т.п. Как известно, углеводородное топливо наиболее «экологически чистое», поскольку основными продуктами его сгорания являются углекислый газ и вода. Однако при недостатке воздуха и, соответственно, неполном сгорании образуются токсичные выбросы, основу которых составляет оксид углерода (СО). Горение при избытке воздуха, с другой стороны, сопровождается значительным количеством оксида азота (N0), который в атмосфере окисляется до N02. В настоящее время контроль за режимом работы энергоблоков осуществляется с использованием информации в первую очередь о концентрации остаточного кислорода и вредных примесей в выходных газах. Однако такой контроль учитывает лишь интегральные характеристики, что не позволяет осуществлять оптимизацию процесса горепия топлива в каждой горелке энергоблока. Применение селективной диагностики параметров пламени дает возможность определения локальных по объему характеристик пламени и, как следствие, эффективно управлять процессом горепия.

В настоящее время известно большое количество методов селективной диагностики газового пламени. По принципам функционирования их можно разделить на два класса: контактные и бесконтактные. Первые используют ипформациго, полученную от физических устройств, имеющих непосредственный контакт с пламенем или высокотемпературными объемами. Вторые основаны на регистрации различными датчиками излучения, возникающего в процессе горения. В свою очередь по способу получения данных контактные и бесконтактные методы делятся па активные и пассивные. В активных методах контроля осуществляется специальное воздействие на определенные характеристики пламени с целью последующего селективного выделения информации,

однозначно характеризующей его наличие или отсутствие. В пассивных методах измеряются собственно характеристики излучения пламени.

Анализ существующих методов диагностики показал, что пассивные бесконтактные методы имеют определенные преимущества, поскольку основаны на регистрации различных параметров оптического излучения (интенсивность, фаза, частота пульсаций, спектральный состав) и, следовательно, пс вносят возмущений в газовый иоток, более технологичны и эксплуатациошю эффективны, а также применимы в широком температурном диапазоне. Однако до сих нор в стране отсутствует простая и надежная контрольно-измерительная аппаратура, предназначенная для этих целей. Усилия в данной области были преимущественно направлены па исследование и оптимизацию процессов горения цри высоких или низких давлениях. К процессам же горения при нормальном давлении в ограниченном объеме интерес возник лишь недавно из-за необходимости решения перечисленных выше практических задач. Подтверждением тому является большое количество зарубежных патентов, появившихся в последние годы.

Основные особенности проблемы заключаются в сложности и неравновесноети физико-химических реакций, зависящих от давления, температуры, структуры пламени. По этой причине спектральный состав, пространственное и температурное распределение излучения в значительной стенени подвержепы измепениям. Кроме того, из-за недостаточного количества столкновений молекул процесс горения в атмосфере не приходит в термодинамическое равновесие. Спектр излучения в этом случае отличен от непрерывного спектра черного тела при той же температуре и имеет характерную линейчатую структуру. Причем существуют достаточно стабильные и информативные линии излучения, регистрация интенсивности которых при определенных условиях дает возможность успешно решать проблемы исследования характеристик газового пламени и контроля его параметров в условиях высоких температур (>1000°С) и нормального давления. Поэтому, с учетом

результатов предварительных экспериментальных исследований бесконтактных методов, можно сделать вывод о перспективности подхода, основанного на многозопальной регистрации излучения.

Цель работы заключается в исследовании процессов горения газообразных углеводородов при нормальном давлении и разработке онтико-электронной контрольно-измерительной аппаратуры

дистанционной диагностики этих процессов на основе пассивной оптической спектроскопии и цифровой обработки изображений.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие

задачи:

1. Исследовать спектральные и пространственные характеристики пламени газообразных углеводородов при нормальном давлении.

2. Исследовать закономерности трансформации спектра пламени при изменении состава газовой смеси.

3. Определить систему первичных признаков пламени газообразпых углеводородов наиболее адекватно характеризующую эффективность процесса горения.

4. Разработать дистанционный метод контроля параметров пламени.

5. Разработать и создать оптико-электронную аппаратуру селективного контроля параметров пламени газообразных углеводородов.

Научная новизна

- выявлены закономерности трансформации оптических свойств пламени предварительно смешанных газов при изменении соотношения компонент смеси, установлено, что интенсивность излучения пламени имеет наибольшую зависимость от состава смеси в спектральных диапазонах, соответствующих полосам свечения радикалов СН - 430-438 нм и С2 - 467-472,513-517 пм;

- показано, что интенсивность излучения радикала С2 в обоих спектральных диапазонах имеет максимум в области, близкой к

стехиометрическому составу смеси, а максимум излучения радикала СН смещен в область меньших соотношений газ/воздух;

- сформирована представительная система первичпых признаков пламени, разработана методика их определения, основанная на совместной регистрации пространственных распределений интенсивности в узких спектральных диапазонах, соответствующих полосам излучения радикалов СН и С2 и между ними;

- предложены процедуры цифровой обработки системы первичных признаков, заключающиеся в анализе последовательности многозональных изображений пламени, на основе интегральных и локальных преобразований по пространственным, спектральным и временным переменным;

- разработан дистанционный метод селективного контроля параметров пламени газообразных углеводородов, основанный на регистрации пространственно распределенных оптических сигналов при определенных углах визирования в нескольких фиксированных спектральных диапазонах с последующей цифровой обработкой полученпых данных.

Практическое значение диссертации

- разработан и создан фотоэлектрошплй датчик факелов на основе многоэлсментного линейного фотоприемника, обеспечивающий регистрацию пространственного распределения интенсивности излучения пламени, первичную цифровую обработку данных и удаленную связь по последовательному каналу.

разработана и создана оптико-электрогшая система дистанционного контроля параметров пламени на основе набора фотоэлектронных датчиков факелов и газоанализаторов, предназначенная для определения основных режимов горения селективно по горелкам энергоблока.

Внедрение полученных результатов

- результаты диссертационной работы использованы при создании оптико-электронной системы дистанционной диагностики процессов горения газового топлива, внедренной в опытную эксплуатацию па энергоблоке №15 Сургутской ГРЭС-1.

- разработанная система селективпого контроля параметров пламени создана и внедрена в эксплуатацию с февраля 1997г. на котле К1 и с марта 1999г. на котле К2 IIP ТЭЦ Уренгойской ГРЭС.

Основные положения, выносимые на защиту

- регистрация пространственных распределений излучения многофакельного пламени в спектральных диапазонах, соответствующих свечению радикалов СИ (430-438 им) и С2 (467-472, 513-517 нм) позволяет получить селективную но пространству информацию о горение основного углеводорода;

- интенсивность излучения радикала С2 в пламени предварительно смешанных газов имеет максимум в области, близкой к стехиометрическому составу смеси, а максимум излучения радикала СИ ■ смещен в область меньших соотношений газ/воздух;

- разработанпый оптический метод контроля параметров пламени, основанный на регистрации пространственных распределений интенсивности свечения пламени в специально выбранных спектральных диапазонах и на применении предложенных процедур обработки последовательности многозональных изображений, позволяет обеспечить дистапцнопную диагностику процессов горения газообразных углеводородов;

- разработанная и созданная оптико-электронпая система контроля параметров пламени обеспечивает определение основных режимов горения селективно по горелкам энергоблока, а также выдачу служсбпой информации на монитор оператора в виде мнемосхем и на автоматические системы управления в виде специальных сигналов.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: 2 Всероссийская с участием стран СНГ конференция «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии», Ульяновск, 1995; «The SPIE's 40 International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation», USA, San Diego, 1995; «SPIE International Symposium on Combustion Diagnostic», FRG, Munich, 1997; IV Всероссийская с международным участием конференция «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии», Новосибирск, ИАиЭ СО РАН, 1998; «SPLE International Symposium on Industrial and Environmental Monitors and Biosensors», USA, Boston, 1998.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 12 работах, в том числе 8 статьях. Получен патент па изобретение.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы (50 наименований), изложена на 124 страницах, включает 24 рисунка и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе обзора и анализа существующих методов диагностики пламени обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи работы, приведены основные результаты, выносимые на защиту, и структура диссертации.

Первая глава посвящена исследованию пространственных и спектральных свойств пламени газообразных углеводородов.

Анализ существующих устройств диагностики параметров пламени, основанных па регистрации его излучения, показал, что большинство из них используют визирование одиночными приемниками со стороны горели вдоль иди под небольшим углом к оси факела.

Подобная геометрия не позволяет использовать данные о пространственном распределении пламени, которые несомшгпй несут дополнительную информацию об эффективности процесса горепия.

Для выбора геометрии наблюдения, позволяющей получить наиболее полную информацию о процессе горепия, в первую очередь необходимо исследовать спектры излучения различных зон факела и пространственные распределения интенсивности п разных спектральных диапазонах в зависимости от угла наблюдения.

Экспериментальные исследования проводились на автоматизированном степдс, содержащем макет топочной камеры, а также мопохроматор МДР-23 и сканирующую (по одной пространственной координате) фотодиодную камеру. Аппаратура позволяла регистрировать пространственное распределение интенсивности излучения и выполнять спектральные измерения в интервале от 200 пм до 1 ООО пм с разрешением 0.1 нм как в автономном, так и в режиме управления от персонального компьютера. Состав газовой смеси устанавливался с помощью патскателей и контролировался расходомерами. Определение температуры пламени осуществлялось с помощью платипо-нлатипородиевой термопары, измерительный спай которой помещался в исследуемую область факела.

Исследование оптических свойств пламени показало существенное различие пространственных распределений интенсивности в различных спектральных диапазонах и спектрального состава излучения областей факела, расположенных на разном расстоянии от его основания. Причем изменение условий горения приводит к существенным изменениям характеристик регистрируемого излучепия. Это обусловлено, прежде всего, неоднородным распределением плотности возбужденных продуктов горения и температуры вдоль оси факела.

Предложено для получения наиболее надежной информации о режимах горения регистрировать излучение под небольшим углом навстречу факелу (~10-20°). Такая геометрия регистрации позволяет устранить влияние неоднородности спектральных свойств пламени вдоль

факела н уменьшить влияние пространственных флуктуации на результаты измерений за счет усреднения излучепия по физически большему объему факела. Это крайне важно в прикладных задачах, поскольку, как показала практика, отрыв пламени от сопла горелки вносит ложную тревогу в систему защиты даже при устойчивом горении. Кроме того подобная геометрия нозволяег одним оптико-электронным датчиком осуществлять селективный контроль одновременно нескольких факелов.

В предложенной геометрии наблюдения проведены исследования спектральпого состава излучения при различной температуре пламени. Показало, что в видимом диапазоне длип волп наблюдаются три основные группы полос: радикала СП (430-438 нм), радикала С2 (467-472, 513-517, 559-564 нм) и возбужденных молекул воды (591, 616-625 нм), причем спектральные диапазоны, соответствующие полосам свечения радикалов СН - 430-438 нм и С2 - 467-472, 513-517 нм, обладают наибольшей зависимостью интенсивности излучения от температуры.

Исследование свечения при погасании и самовозгорании пламени (кинетики горения) проводилось на горелке, оборудованной специальной насадкой, позволяющей осуществлять предварительный нодогрев смеси.

Установлено, что при срыве пламени наблюдается резкое уменьшение интенсивности излучения газовой смеси. Последующее включение подачи газа приводит к лавипообразпому нарастанию ее температуры, однако до момента самовоспламенения этот процесс не сопровождается неравновесным излучением радикалов в видимой области спектра. Показано, что интенсивность полос излучепия радикалов горящей смеси более чем в 100 раз превышает интенсивность свечспия нагретой негорящей смеси.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований трансформации спектра пламени предварительно смешанных газов в зависимости от режима горения.

Проведены исследования трансформации спектров излучения пламени при атмосферном давлении в зависимости от содержания

углеводорода п топлинс. Целесообразно характеризовать такой состав параметром ОС, представляющим собой отношение содержания воздуха в данпой смеси к еш содержанию в смсси стехиомстрического состава, когда происходит полное сгорание углеводорода с образованием Н20 и С02.

Исследования показали, что при малом содержании кислорода (а < 0.5) горение сопровождается значительным выделением частиц сажи, которые раскаляются и излучают практически как черное тело (рис.1,а). При увеличении содержания воздуха в смеси количество таких частиц уменьшается, обусловливая снижение (в целом по спектру) светимости факела.

а) ос = 0,35 б) а = 0.7

Рис.1. Спектры излучения пламени при различных значениях состава газовой смеси.

Для а > 0.5 спектр пламени содержит узкие интенсивные полосы промежуточных продуктов горения и практически постоянную фоновую подставку (рис.1,б). Наиболее интенсивные полосы обусловлены

излучением радикалов СМ (430-438 нм) и С2 (467-472 и 513-517 нм). В этом диапазоне а. интегральная (по пространству) интенсивность излучения факела в видимой области спектра слабо зависит от состава смеси. Поэтому регистрация излучения пламени в широких спектральных диапазонах не несет информацию о режиме горения.

С другой стороиы, интенсивность спектральных полос радикалов СИ и О-ч имеет тенденцию к росту при увеличении а.. При этом наличие различных примесей (включая тяжелые углеводороды и воду) в топливе обусловливает высокий уровень также и фонового излучения. Кроме того, непрерывное свечение может быть вызвано такими процессами, как ионизация, диссоциация или рекомбинация молекул и атомов. Поэтому для определения зависимости излучения собственно радикалов СИ и С2 от а необходимо удалить фоповую составляющую. С этой целью регистрация спектра излучения пламени Б(Л,(Х) проводилась при различных соотношениях воздух/газ с последующей обработкой полученных дапных.

Первоначально интенсивность интегрировалась по узким спектральным диапазонам излучения радикалов и в интервалах между ними

а затем вычислялась собственная светимость радикалов

На) = /,(а) - (/,„,(«)+/, н(а0)/2.

Здесь АЛ, - соответствующие спектральные интервалы, центрировапные на Л / = 1-г7, при этом / = 2,4,6 соответствуют указанным выше диапазонам излучения радикалов.

сг 160 ш

О 120

_0 ь-о о

X со

о

X ш ь-

X

80

40

0,0 0,5 1,0 1,5 СОСТАВ СМЕСИ

430-438 нм 467-472 нм 513-517™

Рис.2. Интенсивность излучения радикалов СП (430-438 нм) и С2 (467-472 и 513-517 им) в зависимости от состава газовой смеси.

Установлено, что излучение радикалов СН и С2 Г,(а) имеет существенную (с экстремумом) зависимость от состава смеси п рассмотренном интервале значений а (рис.2). При этом экстремумы излучения полос радикала Сг совпадают.

Третья глава посвящена разработанному методу селективпой диагностики процессов горения, основанному па многозональпой регистрации пространственных распределений излучения пламени в наиболее информативных диапазонах видимой области спектра, а также па применении цифровых процедур внутри- и межкадровой обработай изображений.

Известно, что излучение, возникающее при горении углеводородного топлива обусловлено как релаксацией возбужденных радикалов СИ и Сг, так и процессами рекомбинации молекул и свечением твердых частиц углерода (сажи). Излучение, вызванное рекомбинацией молекул, песет непосредственную информацию о процессах, протекающих в пламени. Однако вследствие непрерывности спектра этого излучения и отсутствия особенностей в нем идентификация источника наблюдаемого свечепия становится сложной проблемой. Наличие равновесного излучения частиц сажи можно считан, признаком горения богатой горючим смеси. Его интенсивность существенно выше интенсивности излучения молекул в тех же спектральных диапазонах и уменьшается с увеличением кислорода в смеси.

Исследования пространственных и спектральных характеристик излучения пламени (гл.1) показали, что для определения режима горения необходимо регистрировать излучение пламени в сине-зеленом спекгральпом диапазоне в различных пространственных областях факела. Высокий уровень интенсивности в области соответствующей запальному устройству при низком уровне в области ядра факела однозначно говорит о режиме розжига. Низкий уровень во всех зонах факела соответствует отсутствию горения. Высокий уровень светимости всего факела, обусловленный образованием значительного количества частиц углерода, определяет переходной режим горения. Однако при горении смеси, близкой к стехиометрическому составу (рабочий режим), образование частиц углерода практически прекращается и вклад равновесного излучения по сравнению со свечением радикалов СН и Сг существенно уменьшается. Поэтому для определения эффективности процессов горения в рабочем режиме, что является более тонкой процедурой диагностики, регистрация излучения в широких спектральных диапазонах оказывается недостаточной.

Исследования трансформации спектра пламени при изменении соотношения компонент газовой смеси (гл.2) показали, что при оптимизации процессов горения газообразных углеводородов

целесообразно использовать селективную но спектру информацию. С этой целью предлагается определять первичную систему иризнаков па основе совместной регистрации изображепий в узких спектральных зонах непосредственно в полосах излучепия радикалов п между ними

где А,- — длина полны излучения п I - номер полосы излучения соответствующего радикала; п = п{1) - параметр временной последовательности; {х^} - пространственные координаты. Далее необходимо осуществлять обработку этого набора изображепий. На предварительном этапе обработки целесообразно осуществить коррекцию неоднородности элементов фотоприемника и фильтрацию шумов. В частности, па этапе фильтрации мо1ут быть использованы методы медианной и сигма-фильтрации, которые в данном случае обладают рядом преимуществ по сравнению с равновзвешепным усреднением по окрестности. Дальнейшая обработка осуществляется в три этапа: по спектру, по пространству и по времени.

Полученные изображения (1) обусловлены как излучением продуктов горения, так и фоновым свечением. Однако, как отмечалось, при горении природного газа наиболее достоверную информацию о соотношении воздух/газ в топливной смеси несет относительная интенсивность свечепия промежуточных продуктов горения. В соответствии с этим, на первом этапе обработки предлагается осуществить формирование изображений, соответствующих пространственному распределению интенсивности свечсиия радикалов и фонового излучения в этих же спектральных диапазопах. С этой целью проводится межкадровая (по Л,) обработка набора изображений (1).

{их,у-Х), Цх,уХ±Ак)},

(1)

8(,)п(х,уЯ|)=Г„(х,уЯ|)-(Гп(х,уЛгА^1)+Гп(х,у;?ч+А^]))/2,

(2) (3)

Преобразование (2) служит для оценки интенсивности свечения фона непосредственно в полосе излучения радикала, и является линейной интерполяцией интенсивности свечения фона в окрестности этой полосы. Преобразование (3) обеспечивает выделение светимости радикала из полной интенсивности свечения пламени в полосе излучения радикала путем вычитания фоновой составляющей.

Выполнение этих преобразований приводит к последовательности изображений

{ 8«(х,у; Я,), 8(Ь,„(х,у; X,)},

На втором этапе выполняется пространственная обработка полученных данных. В первую очередь она заключается во взвешенном суммировании отсчетов определенных фрагментов изображений, соответствующих зопам ядер факелов, их окрестностей, зонам между факелами и зонам запальных устройств

Рт,п = £Рт(х,у)£„(х,у;А.О

пт

где суммирование ведется в пределах соответствующих пространственных зон ш. На третьем этапе осуществляется дифференциальная по последовательности кадров обработка полученных значений, с целью получения оценки их стационарности }. Дальнейшая обработка

полученных данных заключается в анализе последовательности {р(г,;пгг|; Р0^™; б^пп,; э^пт} с целью определения параметров пламени каждой горелки. Она осуществляется таким образом, чтобы максимально исключить взаимное влияние факелов.

Полученная в результате вторичная система признаков несет информацию об интенсивности фонового свечения и излучения

промежуточных продуктов горения каждого находящегося в поле зрения факела Сравнение этих данных с допустимыми интервалами позволяет принять решение о режиме гореггая селективно по горелкам. Количество областей, па которое делится пространство признаков, соответствует решаемой задачи. Так при определении основных режимов работы пространство разделяется на 4 области. При решении же задачи оптимизации процесса необходимо введение дополнительного деления области, соответствующей нормальному режиму работы, по числу уровпей эффективности. Отмстим, что допустимые интервалы изменения признаков формируются в процессе обучения системы управления.

В четвертой главе приведено описание аппаратуры дистанционной диагностики процессов горения газообразных углеводородов, основанной на предложенном в работе методе, и результаты ее экспериментальных исследований на энергоблоке пуско-резервной ТЭЦ Уренгойской ГРЭС.

Основным элементом разработанной аппаратуры является фотоэлектронный датчик факелов, предназначенный для регистрации пространственного распределения интенсивности излучения пламени и передачи полученной информации в вычислительные устройства. Датчик состоит из оптического и электронного блоков.

Оптический блок обеспечивает проецирование изображений факелов в плоскость фотоприемного устройства (ФПУ) с интегрированием по одной из пространственных координат в специально выбранных спектральных диапазонах. Блок представляет собой анаморфотную оптическую систему со спектральными фильтрами. При этом область интегрирования определяется как параметрами 01ггических элементов, так и характеристиками ФПУ.

Электронный блок предназначен для считывания одномерного светового распределения в соответствующем спектральном диапазоне, аналого-цифрового преобразования, предварительной обработки данных и передачи информации в ЭВМ или другое вычислительное устройство. Электронный блок состоит из ФПУ, устройства управления, аналого-

цифрового преобразователя с буферным запоминающим устройством и устройства последовательной связи. Кроме того, предусмотрен блок аналоговой обработки данных. В качестве фотоприемного устройства используется многоэлемсптная фотодиодная линейка ФУК 1Л2.

Изготовленные образцы датчика факелов прошли иснытапия в промышленных условиях. Опи были установлены на фу 11 кн и о ни руга тем в номинальном режиме котле К1 Г1Р ТЭЦ Уренгойской 1ТЭС. В процессе испытаний осуществлялась регистрация и обработка профилей излучения пламени горелок при различных режимах работы энергоблока и различных соотношениях воздух/газ.

Показано, что разработанный фотоэлектронный датчик факелов позволяет осуществлять дистанционный контроль процесса горения как в основном, так и в переходных режимах. В частности датчик надежно фиксирует момент розжига по пламени запальпого устройства, момепт погасания, момепт перехода из рабочего режима в режим, сопровождаемый сажеобразовапием. Кроме того в пределах рабочего режима, датчик позволяет проводить относительное выравнивание параметров факелов, находящихся в поле зрения, по уровню светимости соответствующих пространственных зон.

Это позволило разработать опгико-электронпую систему селективного контроля параметров пламени, состоящая из базового процессорного блока (ББ), набора фотоэлектронных датчиков факелов и датчиков состава выходпых газов. Все датчики связапы с ББ по последовательному каналу Н8-485. Информация с датчиков обрабатывается в ББ и по капалу 115-232 передастся в ЭВМ для архивирования и представления оператору (рис.3), а также на автоматические системы управления в виде специальных сигналов. Система предназначена для определение четырех основных режимов горения: розжиг, переходной режим, рабочий режим, отсутствие пламени, а также состояний недожог и пережог газового топлива селективпо по горелкам энергоблока.

Созданные образцы системы селективного контроля параметров пламени успешно прошли испытания в промышленных условиях и в настоящее время находятся в эксплуатации на Уренгойской ГРЭС и Сургутской ГТЭС-1.

Состояния горелок

N1 N2 N3 N4 N5 N6

> 1=1

N7 N8 N9 N10 N11 N124

| Концентрации газов [

СО N0

со2 1.02 2.02 з.о2

Н2

120.1 мг/м3 227.0 мг/м3 11.3% 2.1 % 2.1 % 2.0 % 0.012 %

иг пожог

I I Огсутствие ЕШ Переходной

1 Л Н 1 I 1оПМЯП|.1П,1М

Запальное устройство

Рис.3. МиемотаСто.

Р заключение сформулированы основные результаты диссертации:

1. Определены спектральные диапазоны с наибольшей зависимостью интенсивности излучения пламени от состава смеси, соответствующие полосам свечения радикалов СН - 430-438 пм и С2 - 467472,513-517 нм.

2. Получепы спектральные и пространственные распределения интенсивности излучения пламени, обусловленные неоднородным распределением возбужденных продуктов горения. Предложено, для получения наиболее надежной информации о режимах горения, регистрирован, излучение под небольшим углом навстречу факелу (~10-20°).

3. Экспериментально установлен характер изменения температуры в отсутствие неравновесного излучения пламени и для конкретного состава газовой смеси определен порог ее лавинообразпого нарасталия (~260°С). Установлено, что интенсивпость излучения пламени в указанных спектральных диапазонах более чем в 100 раз превосходит интенсивность свечения нагретой негорящей смеси.

4. Выявлены закономерности трансформации оптических свойств пламени предварительно смешанных газов в зависимости от соотношения компонент смеси. Показано, что интенсивность излучения радикала С2 имеет максимум по а в области стехиометрического состава смеси, а максимум излучения радикала СН смещен в область меньших соотношений газ/воздух.

5. Сформирована представительная системы первичных признаков пламени, разработана методика их определения, основанная па совместной регистрации пространственных распределений интенсивности в узких спектральных диапазонах непосредственно и в окрестности излучения радикалов СН и Сг-

6. Предложены процедуры цифровой обработки системы первичных признаков, заключающиеся в анализе последовательности многозональных изображений пламени, на основе интегральных и локальных преобразований по пространственным, спектральным и временным переменным.

7. Разработан дистанционный метод селективного контроля параметров пламени газообразных углеводородов, сочетающий регистрацию информативных и опорных пространственно распределенных оптических сигналов в нескольких фиксированных спектральных диапазонах с цифровой обработкой полученных данных.

8. Разработан и создан фотоэлектронный датчик факелов на основе многоэлемептного линейного фотоприемника. В результате его экспериментальных исследований показала высокая эффективность, надежность и быстродействие автоматизировандого селективного контроля

параметров газового пламени пе только в стациопарном режиме шрепия, но и, что более существенно, в переходных режимах воспламенения и погасапия.

9. Разработана и создала оптико-электронная система дистанционного контроля параметров пламепи на основе набора фотоэлсктронпых датчиков факелов и газоанализаторов, предназначенная для определения основных режимов горения (розжиг, переходной режим, рабочий режим, отсутствие пламени, а также недожог и пережог газового топлива) селективно по горелкам энергоблока.

10. Разработанная аппаратура дистанционного селективного контроля параметров пламени внедрена в эксплуатацию па энергоблоках К1 и К2 Уренгойской ГРЭС и на энергоблоке №15 Сургутской ГРЭС-1.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.Д.Анцыпш, С.М.Борзов, С.Т.Васьков, Л.С.Зензин, В.И.Козик, О.И.Потатуркин, Л.В.Финогенов, П.И.Шушков. Оптико-электронный метод и аппаратура контроля параметров пламепи газообразных углеводородов//Автометрия. 1995. №2. С.3-11.

2. В.Д.Анцыгип, С.М.Борзов, С.Т.Васьков, В.И.Козик, О.И.Потатуркин, П.И.Шушков. Дистанционный неразрушагощий коп гроль параметров пламепи газообразных углеводородов с применением методов обработки изображений // Тезисы докладов 2 Всероссийской с участием страп СНГ конференции «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» РОАИ-2-95 Ульяновск. 1995. "У 1 ТУ. Т.З.

3. V.D.Antsigin, S.T.Vaskov, O.I.Potalurkin, S.M.Borzov, and V.I.Kozik. Selective remote diagnostics of gaseous hydrocorbon flames // The SPIE's 40 Internatio-nal Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation. Digest, San Diego USA. 1995.

4. V.D.Antsigin, S.M.Borzov, S.T.Vaskov, V.I.Kozik, O.I.Potaturkin, N.N.Shushkov. Remote nondestructive control of parameters of a flames of gaseous hydrocarbon using methods of image processing // Pattern Recognition and Image Analysis. 1996. V.6.N.I. P.213-214.

5. В.Д.Лнцыпш, С.М.Борзов, С.Т.Васьков, В.И.Козик, О.И.Потатуркин, Н.Н.Шушков. Селективная дистанционная диагностика пламе1ш газообразных углеводородов // Оптический журнал. 1996. № 10. С.77-81.

6. V.D.Antsigin, S.M.Borzov, V.I.Kozik, O.I.Potaturkin, N.N.Shushkov, S.T.Vaskov. Selective remote diagnostics of gaseous hydrocarbon flames // Combustion Diagnostic. Proceedings SPIE (Euroopt series). 1997. V.3108. P. 117-124.

7. В.Д.Анцыгин, С.М.Борзов, О.И.Потагуркин, Н.Н.Шушков. Трансформация спектральпых свойств углеводородного пламени при изменении режима горения //Автометрия. 1997. №6. С.7-13.

8. С.М.Борзов, О.ИЛотатуркин. Дистанционная диагностика процесса горения на основе анализа последовательности многозональных изображений и сигналов // Труды IV Всероссийской с международным участием конференции «Распознавание образов и анализ изображепий: новые информационные технологии» РОАИ-4-98. Новосибирск. ИАиЭ СО РАН. 1998.4.2. С.5-8.

9. O.I.Potaturkin, V.D.Antsigin, S.M.Borzov, P.A.Chubakov, M.A.Go£man, V.I.Kozik, N.N.Shushkov. Complex optimization system for the gaseous hydrocarbon combustion // SPIE International Symposium on Industrial and Environmental Monitors and Biosensors. Digest. USA. Boston. 1998.

10. S.M.Borzov, O.I.Potaturkin. Remote diagnostics of the combustion process on the basis of the analysis of a sequence of multizone images and signals // Pattern Recognition and Image Analysis. 1999. V.9. N.l. P.133-135.

11. В.Д.Анцыгин, С.М.Борзов, В.И.Козик, О.И.Потатуркип, Л.В.Фипогенов, Н.Н.Шушков Устройство дистанционного контроля пламени. Патент РФ № 2137047, от 10.09.99 (приоритет от 31.10.97).

Официальный бюллетень Комитета РФ по патентам и товарным знакам,

12. В.Д.Лнцыпн1, С.М.Борзов, С.Т.Васьков, М.Л.Гофмап, В.И.Козик, О.И.Погатуркнн, П.Л.Чубаков, П.П.Шуппсов. Оптимизация процессов горения па основе анализа параметров пламени // Автометрия. 1999. №5. С.3-11.

Подписано к печати « 26 » апреля 2000 г.

Формат бумаги 60x84 1/16.

Обт.ем 1,4 печ.л., тир. 80. Заказ № ^ Ч

Отпечатано в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г.Нопосибирск, пр. Акад. Коптюга, 1

1999.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Оптические свойства пламени газообразных углеводородов

1.1. Многоканальная экспериментальная установка для исследования оптических свойств пламени.

1.2. Пространственные и спектральные свойства.

1.3. Исследование процессов погасания и возгорания газообразных углеводородов.

1.4. Выводы.

2. Трансформация спектра пламени в зависимости от режима горения.

2.1. Влияние состава смеси на спектральный состав излучения пламени.

2.2. Зависимость интенсивности излучения радикалов СН и С от состава газовой смеси.

2.3. Выводы.

3. Дистанционный метод селективного контроля параметров пламени углеводородов.

3.1. Формирование первичной системы признаков.

3.2. Цифровая обработка многозональных изображений.

3.3. Определение параметров обработки.

3 .4 .Выводы.

4. Аппаратура дистанционной диагностики процессов горения.

4.1. Фотоэлектронный датчик факелов.

4.1.1. Оптическая система.

4.1.2. Электронный блок.

4.1.3. Допустимые условия эксплуатации.

4.2. Экспериментальные испытания фотоэлектронного датчика факелов.

4.3. Оптико-электронная система дистанционного контроля параметров пламени.

4.4. Выводы.

Оптимизация горения газообразных углеводородов является актуальной проблемой в теплоэнергетике, в экологии, для обеспечения пожаро- и взрывобезопасности в промышленности и т.п. Как известно, углеводородное топливо наиболее «экологически чистое», поскольку основными продуктами его сгорания являются углекислый газ и вода. Однако при недостатке воздуха и, соответственно, неполном сгорании образуются токсичные выбросы, основу которых составляет оксид углерода (СО). Горение при избытке воздуха, с другой стороны, сопровождается значительным количеством оксида азота (N0), который в атмосфере окисляется до Ы02. В настоящее время контроль за режимом работы энергоблоков осуществляется с использованием информации в первую очередь о концентрации остаточного кислорода и вредных примесей в выходных газах. Однако такой контроль учитывает лишь интегральные характеристики, что не позволяет осуществлять оптимизацию процесса горения топлива в каждой горелке энергоблока. Применение селективной диагностики параметров пламени дает возможность определения локальных по объему характеристик пламени и, как следствие, эффективно управлять процессом горения.

В настоящее время известно большое количество методов селективной диагностики газового пламени. По принципам функционирования их можно разделить на два класса: контактные и бесконтактные. Первые используют информацию, полученную от физических устройств, имеющих непосредственный контакт с пламенем горелок или высокотемпературными объемами. Вторые используют эффекты воздействия на различные датчики того или иного вида энергии, излучаемой в процессе горения топлива. В свою очередь по способу получения данных контактные и бесконтактные методы делятся на активные и пассивные. В активных методах контроля осуществляется специальное воздействие на определенные характеристики пламени с целью последующего селективного выделения информации, однозначно характеризующей его наличие или отсутствие. В пассивных методах измеряются собственно характеристики излучения пламени без специального на него воздействия.

Рассмотрим примеры известных методов и устройств контроля пламени горелок.

Контактные методы.

1. Термопара из сплава сталь-хромель устанавливается в области пламени. Ввиду того, что форма факела газовой горелки в значительной степени меняется в процессе изменения нагрузки, практически не возможно определить место установки термопары таким образом, чтобы она в любом режиме работы продолжала оставаться в высокотемпературной области. Кроме того, находясь в факеле и подвергаясь постоянной бомбардировке потоком частиц газа и воздуха, термопара быстро приходит в негодность. Это приводит к малому сроку службы устройства. Еще одним существенным недостатком является низкое быстродействие (5-10 секунд), обусловленное инерционностью термопары. Практического применения в современных мощных энергоустановках этот метод не получил.

2. Ионизационный метод. Используется эффект измерения проводимости промежутка между двумя электродами, находящимися под высоким напряжением [1] . Метод используется в основном для контроля пламени запальных устройств, в т.ч. в аппаратуре отечественного производства: ЗЗУ-И [2], УЗОД [3]. Опыт эксплуатации этих приборов выявил низкую надежность ионизационных датчиков из-за нарушения изоляции высоковольтных частей под воздействием высокой температуры (500-600°С) и загрязнений. Использование таких средств контроля пламени во вновь разрабатываемых устройствах по указанным причинам видится нецелесообразным.

3. Пневматический метод основывается на использовании эффекта изменения давления в области подачи топливной смеси до и после ее воспламенения. Пневматический метод применяется в следующих устройствах: запальном сигнализирующем ЗСУ-П производства ПО «Татэнерго» [4] с выходным сигналом в виде перепада давления, ФПМ-С (форсунка паро-механическая или механическая со встроенным сигнализатором наличия своего пламени) с выходным сигналом в виде перепада давления по отношению к атмосфере, УСКП-Г (устройство селективного контроля за наличием - отсутствием газового пламени основной горелки) с выходным сигналом в виде перепада давления по отношению к атмосфере [5]. Преобразование перепада давления в замыкание или размыкание «сухого» контакта происходит в реле, поставляемом в комплекте с данными устройствами (ЗСУ-П, УСКП-Г, ФПМ-С).

Практическая эксплуатация ЗСУ-П показала, что при правильной установке их в горелках и при правильной настройке отношения «газ/воздух», подаваемых в запальник, они имеют хорошие эксплуатационные характеристики. Однако для использования в полной мере их положительных качеств необходима подача сжатого воздуха от специальной магистрали, отдельной от основных воздуховодов.

Для надежного функционирования УСКП его зонд должен быть приближен к факелу газовой горелки на определенное расстояние. Однако из-за значительного изменения формы факела при изменении нагрузки, это условие невозможно выполнить для различных режимов горения (розжиг, стационарный процесс, останов и т.п.), что, естественно, влияет на эффективность его работы. Кроме того, использование УСКП требует «врезок» в газовую систему, что уменьшает безопасность функционирования.

ФПМ-С часто выходит из строя по причине засорения (закоксования) приемников воздушного давления и разрушения наконечников под действием высокой температуры.

4. Метод контроля пламени по окислительному потенциалу газовой среды вблизи горелки. В данном методе [б] используется пластина из твердого электролита с нанесенными на нее металлическими электродами. Пластина обдувается с двух сторон газами с различными парциальными давлениями кислорода. В результате протекания электрохимической реакции на границе трех сред (электролит, электрод и газ) и перетока ионов кислорода через электролит между электродами генерируется э.д.с., определяемая уравнением Нернста. Информации по промышленному применению описанного метода в литературе не обнаружено.

Бесконтактные методы.

1. Температурный метод контроля заключается в дистанционном контроле температурных полей и температур в локальных областях топки. В качестве приемников излучения используются фотоприемники видимого диапазона: видиконы [7] , ПЗС матрицы [8], ФЭУ и фотодиоды; приемники ИК диапазона: фотодиоды [9], радиационные ИК пирометры [10], тепловизионные устройства [11] на основе одноэлементных и многоэлементных приборов. Данный метод целесообразно использовать для селективного контроля пламени в растопочном режиме, когда отсутствует сильное фоновое излучение из объема топки, а также для контроля общего пламени с применением двух координатного сканирования и визуализации температурных полей на мониторе или видеоконтрольном устройстве [8].

2. Контроль пламени по УФ излучению. Для этих целей в качестве датчика обычно используется газоразрядная лампа (АХ = 0,19 - 0,35 мкм) либо фотоприемники (фотодиоды, фоторезисторы), чувствительные к УФ излучению. Метод достаточно эффективен для селективного контроля пламени при сжигании газообразного топлива, т.к. в данном спектральном диапазоне заключается значительная часть энергии излучения [6,12], которое к тому же быстро поглощается в зависимости от расстояния. Такой метод используется в устройстве УЗОД-И-г (запальное устройство с оптическими датчиками контроля пламени основной горелки) [3] для селективного контроля газового факела. Оптический датчик в УЗОД крепится к установочным трубам. Диаметр и место расположения установочных труб выбирается заводом изготовителем горелки, исходя из возможной устойчивой индикации пламени горелки. Нормальная работа сигнализатора с датчиком в значительной степени зависит от правильной установки труб, которые должны быть направлены в корень факела контролируемой горелки так, чтобы в поле зрения факел противолежащей горелки имел минимальное влияние. Чем больше диаметр трубы (или чем меньше ее длина), тем легче найти оптимальное направление датчика, и соответственно лучше возможность селективного контроля пламени. При большой интенсивности УФ излучения предусмотрено диафрагмирование пучка. Для предотвращения загрязнения защитного стекла датчика и уменьшения его нагрева к установочному узлу подключается воздушный шланг. Максимально допустимая температура поверхности оптического датчика 60°С. Превышение этой температуры резко уменьшает надежность датчика.

Эксплуатация УЗОД в диапазоне нагрузок 40%-100% показала, что датчики обладают необходимой селективностью и работают устойчиво. Однако специально проведенные испытания прибора в режимах растопки котла обнаружили, что ультрафиолетовые датчики УВС-22, входящие в состав УЗОД, не обеспечивают надежный контроль факела каждой горелки.

Одна из основных особенностей технологии растопки котла состоит в том, что на начальном этапе сжигание газа идет с недостатком воздуха. Это приводит к распределенности факела горелок в пространстве топки, и следовательно, к отсутствию ярко выраженной зоны ультрафиолетового излучения, присущей высокотемпературному ядру факела. В этом режиме УФ датчики не в состоянии надежно обнаружить факел своей горелки, а при ее отключении обнаруживают факел встречной горелки.

3. В частотном методе контроля используется эффект пульсаций пламени, приводящих к изменению интенсивности излучения в видимой и ближней ИК областях спектра с частотой до нескольких сотен Гц Для регистрации сигнала применяются как одиночные [13-15], так и матричные приемники [16], причем приемники в матрице группируют в чередующиеся линии, подсоединяемые через одну к входам дифференциального каскада. Далее сигнал поступает на пороговый элемент, срабатывающий при превышении разностным сигналом заданного уровня. Такое включение элементов в матрице позволяет исследовать влияние анизотропии в определенных областях факела.

Частотный метод используется в приборе УЗОД-И-м с фотодиодом ФД-256 для селективного контроля пламени мазутных горелок. Надежная работа УЗОД-И-м, также как м УЗОД-И-г, в значительной степени зависит от выбора оптимальной точки визирования оптического датчика, положение которого может меняться при изменении режимов работы котлоогрегата.

Кроме того, при контроле факела горелок с помощью как частотных, так и ультрафиолетовых датчиков, следует учитывать , что в настоящее время для уменьшения образования окислов N0* в топках котлов искусственным образом осуществляется разрушение локальных зон с повышенными температурами в которых образуются эти окислы. Это осуществляется путем организации ступенчатого сжигания с повышенным расходом топлива. В этом случае горение происходит с недостатком воздуха и работа оптических датчиков затруднена.

Для повышения надежности селективного контроля пламени можно использовать активный частотный метод контроля. Для этого создают искусственные колебания излучения горелки [17-20]. Очевидно, что настройка оптических датчиков на частоты этих колебаний позволяет в значительной степени ослабить влияние факелов соседних и противолежащих горелок и улучшить селективность контроля, но сложность аппаратуры в этом случае возрастает.

4. Многозональные (спектральные) методы контроля пламени. В устройствах, использующих данные методы контроля, применяют два и более фотоприемника, работающих в различных спектральных диапазонах излучения. В [21] предложено измерять отношение интенсивностей излучения длин волн в области 470-530 нм и 670 нм. Значения такого отношения от 0,1 до 1,0 означает наличие пламени, если же отношение находится вне этих пределов, формируется сигнал об отсутствии пламени.

В устройстве [22] комбинируют использование двух предыдущих методов. Пучок излучения разделяется на два отдельных пучка с одинаковой полосой частот. В одном канале приемник регистрирует ИК-компоненты, в другом используется УФ приемник. Далее информация поступает в процессор, который анализирует частоту пульсаций в ИК спектре и общую энергию в УФ спектре.

5. Телевизионный метод контроля, по аналогии с тепловизионным, заключается в формировании и последующей обработке изображений пламени, полученных в видимой области спектра. Для их ввода в систему контроля используются телевизионные камеры или твердотельные многоэлементные фотоприемные устройства. В ЭВМ или специализированном процессоре производится анализ полученных изображений с использованием локальных операторов [23]. Пример такой системы изложен в [24], где анализируется последовательность нескольких изображений газового факела, представленных в цифровом виде. Определяется площадь каждого отдельного изображения и изменения площадей в последовательности кадров. Затем вычисляется среднее значение площади, определяется распределение интенсивностей в изображении, которое представляет частоту появления дискретных интенсивностей и степень распространения факельного пламени. При необходимости предусматривается двухсторонняя пороговая обработка.

В работе [25] предлагается использовать цветную ПЗС камеру для оценки относительной интенсивности различных линий излучения атомов водорода в водородном пламени. Авторы обосновьюают возможность использования для решения конкретной задачи красного, зеленого и синего каналов телевизионного изображения вместо применения оптических фильтров. Приводится описание метода цифровой обработки.

Изучение существующих методов контроля пламени показало, что пассивные бесконтактные методы имеют определенные преимущества, поскольку основаны на регистрации различных параметров оптического излучения (интенсивность, фаза, частота пульсаций, спектральный состав) и, следовательно, не вносят возмущений в газовый поток, более технологичны и эксплуатационно эффективны, а также применимы в широком температурном диапазоне. Однако до сих пор в стране отсутствует простая и надежная контрольно-измерительная аппаратура, предназначенная для этих целей. Дело в том, что в предыдущие годы усилия в данной области были преимущественно направлены на исследование и оптимизацию процессов горения при высоких или низких давлениях. К процессам же горения при нормальном давлении интерес возник лишь недавно из-за необходимости решения перечисленных выше практических задач. Подтверждением тому является большое количество зарубежных патентов, появившихся в последние годы.

Основные особенности проблемы заключаются в сложности и неравновесности физико-химических реакций, зависящих от давления, температуры, структуры пламени. По этой причине спектральный состав, пространственное и температурное распределение излучения в значительной степени подвержены изменениям. Кроме того, из-за недостаточного количества столкновений молекул процесс горения в атмосфере не приходит в термодинамическое равновесие. Спектр излучения в этом случае отличен от непрерывного спектра черного тела при той же температуре и имеет характерную линейчатую структуру. Причем существуют достаточно стабильные и информативные линии излучения, регистрация интенсивности которых при определенных условиях дает возможность успешно решать проблемы исследования характеристик газового пламени и контроля его параметров в условиях высоких температур (>1000°С) и нормального давления. Поэтому, с учетом результатов предварительных экспериментальных исследований бесконтактных методов, можно сделать вывод о перспективности подхода на основе многозональной регистрации излучения4

Цель работы заключается в исследовании процессов горения газообразных углеводородов при нормальном давлении и разработке оптико-электронной контрольно-измерительной аппаратуры дистанционной диагностики этих процессов на основе пассивной оптической спектроскопии и цифровой обработки изображений.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать спектральные и пространственные характеристики пламени газообразных углеводородов при нормальном давлении.

2. Исследовать закономерности трансформации спектра пламени при изменении состава газовой смеси.

3. Определить систему первичных признаков пламени газообразных углеводородов, наиболее адекватно характеризующую эффективность процесса горения.

4. Разработать дистанционный метод контроля параметров пламени, в том числе цифровые процедуры обработки многозональных изображений.

5. Разработать и создать оптико-электронную аппаратуру селективного контроля параметров пламени газообразных углеводородов.

Работа состоит из четырех глав, введения, заключения и списка литературы.

В первой главе приводятся результаты экспериментальных исследований пространственных и спектральных свойств пламени углеводородов.

В результате исследований установлено, что наблюдается существенное различие спектрального состава излучения в разных пространственных областях вдоль оси факела. Оно обусловлено, прежде всего, неоднородным распределением плотности возбужденных продуктов горения и температуры.

Определены пространственные распределения интенсивности свечения факела в различных спектральных диапазонах. Установлено, что изменение условий горения газовой смеси приводит к изменению пространственного распределения излучения пламени. Причем это распределение различно в разных областях спектра.

Предложено для получения наиболее надежной информации о режимах горения регистрировать излучение под небольшим углом навстречу факелу (~10-20).

Проведены исследования спектрального состава излучения при различной температуре пламени. Показано, что в видимом диапазоне длин волн наблюдаются три основные группы полос: радикала СН (430438 нм), радикала С2 (467-472, 513-517, 559-564 нм) и возбужденных молекул воды (591, 616-625 нм), причем спектральные диапазоны, соответствующие полосам свечения радикалов СН - 430-438 нм и Сг -467-472, 513-517 нм, обладают наибольшей зависимостью интенсивности излучения от температуры.

Проведены исследования свечения газовой смеси в процессах розжига и погасания пламени. Установлено, что при срыве пламени наблюдается резкое уменьшение интенсивности излучения газовой смеси. Последующее включение подачи газа приводит к лавинообразному нарастанию ее температуры, однако до момента самовоспламенения этот процесс не сопровождается неравновесным излучением радикалов в видимой области спектра. Показано, что интенсивность полос излучения радикалов горящей смеси более чем в 100 раз превышает интенсивность свечения нагретой негорящей смеси.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований спектра пламени предварительно смешанных газов при различном составе топливной смеси.

Показано, что изменение условий горения газовой смеси приводит к трансформации спектра излучения факела. Так, при малом содержании кислорода горение сопровождается образованием значительного количества частиц сажи, которые раскаляются и излучают практически как черное тело. При горении смеси близкой к стехиометрическому составу спектр пламени содержит узкие интенсивные полосы промежуточных продуктов горения и практически постоянную фоновую подставку.

Получены экспериментальные зависимости интенсивности свечения пламени в различных спектральных полосах и интенсивности излучения радикалов СН и С2 от соотношения воздух/газ в смеси.

Установлено, что в условиях стабилизации горения максимум свечения радикала С2 находится в области близкой к оптимальному составу смеси, а максимум свечения радикала СН смешен в область более бедных смесей. Показано, что регистрация спектра свечения пламени и его разложение на составляющие позволяют получить информацию о горении основного углеводорода по свечению радикалов и более тяжелых углеводородов по фоновому излучению.

В третьей главе приведено описание разработанного метода селективной диагностики процессов горения, основанного на многозональной регистрации пространственных распределений излучения пламени в наиболее информативных диапазонах видимой области спектра, а также на применении процедур цифровой внутри- и межкадровой обработки изображений.

Предложено с целью формирования первичной системы признаков регистрировать изображения многофакельного пламени в узких спектральных зонах непосредственно в полосах излучения радикалов СН и С2 и между ними.

Дальнейшая обработка осуществляется в три этапа: по спектру, по пространству и по времени. На первом этапе предлагается осуществить межкадровую (по X) обработку первичного набора изображений для формирования распределений интенсивности свечения радикалов и фонового излучения в этих же спектральных диапазонах. На втором этапе выполняется пространственная обработка полученных данных. В первую очередь она заключается во взвешенном суммирование отсчетов определенных фрагментов изображений, соответствующих зонам ядер факелов, их окрестностей, зонам между факелами и зонам запальных устройств На третьем этапе осуществляется дифференциальная по последовательности кадров обработка полученных значений, с целью оценки их стабильности во времени.

Полученная в результате вторичная система признаков несет информацию об интенсивности фонового свечения и излучения промежуточных продуктов горения каждого находящегося в поле зрения факела. Сравнение этих данных с допустимыми интервалами позволяет принять решение о режиме горения селективно по горелкам.

В четвертой главе приведено описание аппаратуры селективного контроля параметров пламени, разработанной на основе предложенного метода, и результаты ее экспериментальных исследований на энергоблоке пуско-резервной ТЭЦ Уренгойской ГРЭС.

Установлено, что созданный фотоэлектронный датчик факелов позволяет осуществлять дистанционный контроль процесса горения как в основном, так и в переходных режимах. В частности датчик надежно фиксирует момент розжига по пламени запального устройства, момент погасания, момент перехода из рабочего режима в режим, сопровождаемый сажеобразованием. Кроме того в пределах рабочего режима, датчик позволяет проводить относительное выравнивание параметров факелов, находящихся в поле зрения, по уровню светимости соответствующих пространственных зон.

Показано, что разработанная оптико-электронная система контроля параметров пламени, состоящая из набора фотоэлектронных датчиков факелов и датчиков состава выходных газов, обеспечивает определение четырех основных режимов горения: розжиг, переходной режим, рабочий режим, отсутствие пламени, а также недожог и пережог газового топлива селективно по горелкам энергоблока.

Созданная аппаратура успешно прошла испытания в промышленных условиях и в настоящее время находится в эксплуатации на Уренгойской ГРЭС и Сургутской ГРЭС-1.

На защиту выносятся следующие положения: регистрация пространственных распределений излучения многофакельного пламени в спектральных диапазонах, соответствующих свечению радикалов СН (430-438 нм) и С2 (467-472, 513-517 нм) позволяет получить селективную по пространству информацию о горение основного углеводорода;

20

- интенсивность излучения радикала Сг в пламени предварительно смешанных газов имеет максимум в области, близкой к стехиометрическому составу смеси, а максимум излучения радикала СН смещен в область меньших соотношений газ/воздух;

- разработанный оптический метод контроля параметров пламени, основанный на регистрации пространственных распределений интенсивности свечения пламени в специально выбранных спектральных диапазонах и на применении предложенных процедур обработки последовательности многозональных изображений, позволяет обеспечить дистанционную диагностику процесса горения; разработанная и созданная оптико-электронная система контроля параметров пламени обеспечивает определение основных режимов горения селективно по горелкам энергоблока, а также выдачу служебной информации на монитор оператора в виде мнемосхем и на автоматические системы управления в виде специальных сигналов.

4.4. Выводы

Разработан и создан фотоэлектронный датчик факелов на основе многоэлементного линейного фотоприемника. В результате его экспериментальных исследований показана высокая эффективность, надежность и быстродействие автоматизированного селективного контроля параметров газового пламени не только в стационарном режиме горения, но и, что более существенно, в переходных режимах воспламенения и погасания.

115

Разработана и создана оптико-электронная система дистанционного контроля параметров пламени на основе набора фотоэлектронных датчиков факелов и газоанализаторов, предназначенная для определения основных режимов горения (розжиг, переходной режим, рабочий режим, отсутствие пламени, а также недожог и пережог газового топлива) селективно по горелкам энергоблока.

Разработанная аппаратура дистанционного селективного контроля параметров пламени прошла промышленные испытания и внедрена в эксплуатацию на энергоблоках К1 и К2 Уренгойской ГРЭС и на энергоблоке №15 Сургутской ГРЭС—1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом в работе:

- определены спектральные диапазоны с наибольшей зависимостью интенсивности излучения пламени от температуры, соответствующие полосам свечения радикалов СН - 430-438 нм и С2 - 467-472, 513-517 нм; получены спектральные и пространственные распределения интенсивности излучения пламени, обусловленные неоднородным распределением возбужденных продуктов горения. Предложено, для получения наиболее надежной информации о режимах горения, регистрировать излучение под небольшим углом навстречу факелу (~10-20°);

- экспериментально установлен характер изменения температуры в отсутствие неравновесного излучения пламени и для конкретного состава газовой смеси определен порог ее лавинообразного нарастания (~260°С) . Установлено, что интенсивность излучения пламени в указанных спектральных диапазонах более чем в 100 раз превосходит интенсивность свечения нагретой негорящей смеси;

- выявлены закономерности трансформации оптических свойств пламени предварительно смешанных газов в зависимости от соотношения компонент смеси. Показано, что интенсивность излучения радикала С 2 имеет максимум по ос в области стехиометрического состава смеси, а максимум излучения радикала СН смещен в область меньших соотношений газ/воздух;

- разработана методика определения наиболее информативной системы первичных признаков пламени, основанная на совместной регистрации пространственных распределений интенсивности в узких спектральных диапазонах непосредственно и в окрестности излучения радикалов СН и С2;

- предложены процедуры цифровой обработки системы первичных признаков, заключающиеся в анализе последовательности многозональных изображений пламени, на основе интегральных и локальных преобразований по пространственным, спектральным и временным переменным;

- разработан дистанционный метод селективного контроля параметров пламени газообразных углеводородов, сочетающий регистрацию информативных и опорных пространственно распределенных оптических сигналов в нескольких фиксированных спектральных диапазонах с цифровой обработкой полученных данных.

На этой основе: разработан и создан фотоэлектронный датчик факелов на основе многоэлементного линейного фотоприемника. В результате его экспериментальных исследований показана высокая эффективность, надежность и быстродействие автоматизированного селективного контроля параметров газового пламени не только в стационарном режиме горения, но и, что более существенно, в переходных режимах воспламенения и погасания; разработана и создана оптико-электронная система дистанционного контроля параьяетров пламени на основе набора

118 фотоэлектронных датчиков факелов и газоанализаторов, предназначенная для определения основных режимов горения (розжиг, переходной режим, рабочий режим, отсутствие пламени, а также недожог и пережог газового топлива) селективно по горелкам энергоблока.

Разработанная аппаратура дистанционного селективного контроля параметров пламени внедрена в эксплуатацию на энергоблоках К1 и К2 Уренгойской ГРЭС и на энергоблоке №15 Сургутской ГРЭС-1.

1. Сигнализатор горения. А. С. № 503267.

2. Устройства запально-защитные ЗЗУ-И. Технические условия ТУ 108-813-79. Министерство энергетического машиностроения.

3. Запальные устройства с оптическими датчиками контроля пламени основной горелки. УЗОД-И. Инструкция по эксплуатации.

4. Устройства запальные сигнализующие пневматические. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ФА 1.620.057 ТО., 1989.

5. Запальное устройство с контролем факела газомазутной горелки стационарных паровых и водогрейных котлов. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ТО 34.22.00.001. Казань, 1991.

6. Хесин М.Я., Кваша Н.В., Жирнов Ф.Г. Автоматическое управление горелками мощных котло-агрегатов. М. «Энергия», 1979, 112с.

7. Порев В.А., Бойко И.В., Хлыстов В.Г. Прибор для дистанционного контроля температурных полей. /'/'Дефектоскопия, № 3, 1991, с.89.

8. Применение цифровой обработки для определения пространственного распределения температуры пламени. //'Bild and Ton. -1990. -43,№8 -с9.

9. Прибор для измерения температуры. //Techn. Mess. -1991. -58, №2 -с.90.11Z\)

10. Устройство для измерения температуры в печи. Патент ФРГ №383334.

11. Тепловизионные приборы фирмы Sensytec. РЖ «Метрология и измерительная техника», № 8, 1991, с.92, 8.32.801.

12. Устройство контроля пламени. А.С. СССР № 1663329.

13. Устройство для контроля пламени. А.С. СССР № 168850.14. Патент Японии № 59-53495.

14. Контроль пламени горелки в котле. Fener int Kessel //Produktion 1992. -№ 44 -с.28.

15. Датчик наличия пламени. Патент Японии № 62-30370.17. Патент США № 3327758.18. Патент США № 3233650.19. Патент ФРГ № 1231380.20. Патент США № 4927350.21. Патент Франции № 2654509.

16. Патент Великобритании № 2188416.

17. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М. : Мир. 1982.1.У ¿.С.24. Патент Германии № 286944.

18. Litchford Ron J. and Ruyten Wim M. Digital imaging technique for optical emission spectroscopy of a hydrogen arcjet plume. // Appl.Opt. 1995.- V34. -N21.-P.4530-4541.

19. Анцыгин В.Д., Борзов C.M., Васьков С.Т., Зензин А.С., Козик В.И., Потатуркин О.И., Финогенов Л.В., Шушков Н.Н. Оптико1 'Л 11.iэлектронный метод и аппаратура контроля параметров пламени газообразных углеводородов // Автометрия. 1995. №2.

20. Анцыгин В.Д., Ворзов С.М., Васьков С.Т., Козик В.И., Потатуркин О.И., Шушков Н.Н. Селективная дистанционная диагностика пламени газообразных углеводородов // Оптический журнал. 1996. № 10.

21. Antsigin V.D., Borzov S.M., Kozik V.I., Potaturkin 0.1., Shushkov N.N., Vaskov S.T. Selective remote diagnostics of gaseoushydrocarbon flames // Combustion Diagnostics. Proceedings SPIE (Europt series), 1997, v.3108, h.117-124.

22. Ranzi E., Sogaro A., Gaffuri P. et. al. A New Comprehensive Reaction Mechanism for Combustion of Hydrocarbon Fuels // Combustion and Flame. 1994.-V.99.-P.201-212.

23. Гейдон А. Спектроскопия пламен. М.:ИЛ,1959.

24. Анцыгин В.Д., Борзов С.М., Потатуркин О.И., Шушков H.H. Трансформация спектральных свойств углеводородного пламени при изменении режима горения // Автометрия, 1997, №6, с.7-13.

25. Gaydon A.G., Wolfhard H.G. Flames, their Structure, Radiation and Temperarature/'/'London, 1953.

26. Ausloos P, van Txggelen A. Bull. Soc. chim.Belg. 1952. — V61.-P.569.

27. Gaydon A.G., Wolfhard H.G. Proc. Rog. Soc. 195Q.-A201.1. T-v I~n r\ Г.JiU.

28. Borzov S.M., Potaturkin O.I. Remote diagnostics of the combustion process on the basis of the analysis of a sequence of multizone images and signals // Pattern Recognition and Image Analysis. 1999. v.9. n.l. pp.133-135.

29. Анцыгин В.Д., Борзов С.М., Васьков С.Т., Гофман М.А., Козик В.И., Потатуркин О.И., Чубаков П.А., Шушков H.H. Оптимизация процессов горения на основе анализа параметров пламени /'/' Автометрия. 1999. №5. С.3-11.

30. Young K.J., Vara-Munoz М.С. and Swithenbank J. An alternative Method of Waste Incinerator Control. // Proceedings of the 2nd International Conference on Combustion and Emissions Control, Institute of Energy, 1995.- p.119-126.

31. Drasek Vi. Von, Charon 0., and Marsais 0. Industrial Combustion Monitoring Using Optical Sensors. /'/' Proceedings SPIE, 1998, v.3535, p.215-225.

32. Кронрод M.A., Чочиа П.А. Фильтрация помех на изображении с использование!«! медианы распределения. В кн.: Иконика. Теория и методы обработки изображений. М.:Наука, 1983, с.100-108.

33. Lee J.S. Digital image smoothing and the sigma filter. // Computer Vision, Graphics and Image Processing, 1983, V.24, N.2.1. T-i о с с о г\ Г.¿JJ-¿Ob.

34. Борзов С.М., Козик В. П., Потатуркин О. И. Оптико-электронная нейросетевая система распознавания малоразмерных изображений/'/' Тезисы докладов V Всероссийского семинара «Нейроикформатика и ее приложения». Красноярск, КГТУ, 1997, с.23.