基于嵌入式处理器的红外火焰检测装置的设计(编辑修改稿)

基于嵌入式处理器的红外火焰检测装置的设计(编辑修改稿)内容摘要：

.................... 51 结 论 .................................................................................................................. 53 致 谢 ....................................................................................错误 !未定义书签。 参考文献 .............................................................................................................. 56 攻读学位期间取得学术成果 ............................................................................. 59 第 1 章 引 言 1 第 1章 引言 课题研究的背景及意义 随着国民经济的高速发展，我国工矿企业等国民经济 生产单位对电能和热能的需求量正在迅猛地增长。 这促使大型火力发电站、石油化工型动力站、城市集中式供热站和厂矿废料燃烧站等重要国民经济生产单位使用的大型锅炉日益增多。 在电力生产行业，使用大型电站锅炉的数量迅猛增长，已形成以 600MW 和1000MW 型式占主体地位的局面。 20xx 年底我国火电厂的装机容量已达到火电装机累计达 7 亿千瓦 ,占装机总容量的 %，到 20xx 年我国火电装机容量将达 亿千瓦，新增装机的需求约 340 亿元 [1]。 大型锅炉炉膛内燃烧情况复杂且燃料供给量大，监控锅炉的整体燃烧情况显得尤为重要。 在某些异常工况下会出现多个燃烧器因故障熄火，如未能及时察觉并采取必要的防护措施则会有大量未点燃的燃料喷射进炉膛中。 未燃烧的燃料积聚到一定数量后，极易引发爆燃而酿成严重的安全事故，会带来巨大的社会经济损失 [2]。 因此，国家明确了对大型锅炉装备“锅炉炉膛监控系统”是解决锅炉爆裂问题的最有效的自动保护和控制的方式。 多个相关部门也明文规定“今后凡新装投产机组必须安装火焰检测和安全防爆装置，现有机组在条件许可的情况下必须设法加装”。 原国家电力电力部规划设计院也颁布了《锅炉安全监控系统设计技术规定》（ DLGJ11693），其中对火焰检测装置做了明确的规定。 火焰检测装置的性能直接影响到在役电站锅炉的安全性和经济性。 在电厂的锅炉炉膛保护系统中，火焰检测装置的判定结果为强制的非可屏蔽信号，能直接作用于整个发电机组系统的跳闸。 如果火焰检测装置未能及时觉察燃烧器因故障熄火而同时供料机构仍继续按正常给料量往炉膛中喷射燃料，极易发生灾难性后果的爆燃或爆炸事故。 如火焰检测装置将正常燃烧情况误判为燃烧器故障熄火而作用于整个系统的跳闸，整个电厂将被迫进入事故停产状态并在耗时几十小时以上完成事故定位和分析后才能重新启动机组，并且电网系统 需要在发电机组事故跳闸后进行紧急调度，这将会造成巨大的经济损失和造成严重的社会影响。 因此各大型锅炉用户对大火焰检测装置的靠性提出了极高的要求，并在设备采购资金预算中予以优先考虑。 基于社会效益和经济效益的考虑，国内外众多科研机构和设备制造厂商投入了大量的人力物力来研发高性能的火焰检测装置。 我们可以由此看出，研发出高性能的火焰检测装置将具有良好的社会效益和成都理工大学硕士学位论文 2 经济效益。 特别是将基于特定对象的高效可靠算法与特定的硬件平台相结合起来后，将为整个产品带来巨大的经济效益和客户忠诚度。 光能式火焰检测装置的发展简史 传统的 火焰检测装置通常使用模拟电路的方式检测燃烧器内可见光强度以进行火焰是否存在的判断。 这类火焰检测装置在保障旧式小型锅炉的安全运行中发挥过巨大作用，但在使用中暴露出很多问题，如：模拟电路的调试整定过程过于复杂，需要熟练的工程技术人员进行调试；模拟电路的温度特性对设备安装位置提出了较高要求；在事后故障分析中无法提供关键时刻点的观测参数等。 随着锅炉制造技术的发展，出现了内置多组燃烧器的大型锅炉，内部的多组燃烧器之间可并行调度投切。 这时只要有一组燃烧器处于工作状态，整个炉膛内的可见光强度会达到较高水平。 传统的可见光 型火焰检测装置在此工况下已无法准确识别燃烧器的工作状况 [3]。 这促使火焰检测装置的光敏检测对象区间从可见光区间转向红外线或者紫外线区间，同时随着数字信号分析处理技术和电子元器件的发展和进步，数字型火焰检测装置逐步在该领域中获占据了主导地位。 红外型火焰检测装置的检测方法 红外型火焰检测装置的常规检测方法 火焰检测装置的光敏检测模块负责将光信号的变化转换为电信号的变化，然后再通过模数转换器将电信号的变化转换为数字处理单元可以识别的数字量。 大部分火力发电厂的燃料是煤粉，通过分析煤粉燃烧时候的辐射特性 [4]，一般 会选用检测红外光的强度和频率的方式来判定燃烧器的运行情况。 获取相关的电学信号后，需要对其进行有效的分析处理以提取出关键信息。 目前国内外尚未制定出分析此类信号的规范或者标准，因此如何有效地提取和解读信号中的信息成为研发火焰检测装置的核心难点。 目前绝大多数 火焰检测装置是对主燃料进行火焰检测，通常利用不同形式的辐射能量或者频谱分析技术来检测火焰。 主要是利用快速傅立叶变换将时域信号转为频域信号进行信号分析和提取，获取火焰信号的相应特征参数。 第 1 章 引 言 3 对红外型火焰检测装置的改进 根据煤粉燃烧论的观点，其燃烧的脉动频率一般不 超过 200Hz[5]。 通过对多个在役电厂的燃烧器进行现场跟踪测试，发现某些型号的燃烧器工况良好时也会因管道配风发生暂态波动等因素在某些时刻出现短暂的亮度突然增大的现象。 这种类型的亮度突然陡增容易导致传统的线性信号放大器出现饱和失真， 使输出信号中产生新的谐波成分，改变了原信号频谱 特性。 通过对火焰信号特性的分析，在光敏检测模块中引入了对数放大器。 通过合理设定对数放大器的参数，既能以非常低的非线性失真度放大使得 200Hz 以下的信号，又避免出现饱和失真现象。 这克服了线性放大器固有的缺点，为后继的信号的分析打下良好的 基础。 由于大型锅炉运行情况复杂，运行人员在做控制决策时往往希望能够掌握尽可能多的工况参数。 同时大型锅炉用户更希望关键性设备能在故障发生之前的合理时间范围内给出告警信息以便有针对性地安排设备检修，避免非计划性停产造成经济损失。 客户已迫切要求 火焰检测装置不仅能可靠地判定出火焰是否存在，而且能提供火焰燃烧稳定度的定量分析结果。 本文的后续部分将对对火焰特性进行了进一步的分析，并使用傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换等多种分析方法对采样的火焰数据进行分析和对比，并结合具体的硬件处理平台分析这几种分析方法在判定火焰 存在以及判定火焰燃烧 稳定度 方面的优缺点，以确定最优效能的信息提取方法，这是研发工作的核心组成部分，它会直接影响到火焰检测装置的最终效能和市场拥有率。 本文主要内容及成果 本文对炉膛煤粉火焰的特性进行分析，特别涉及到对煤粉火焰的红外辐射特性的分析，以及红外信号在炉膛空间内的分布情况。 确定 红外型火焰检测装置的检测视场的选取原则。 对火焰的红外信号进行傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换等多种分析方法的分析和对比，分析它们在确定火焰是否存在和判断火焰燃烧稳定度方面的优缺点及最佳应用场合。 对 红外型火焰检测装置的硬 件电路进行了详细介绍。 分析了 在光敏检测模块中引入了对数放大器的作用及效果。 研究了 AT91SAM9G45 型 ARM9 处理器系统的主要特性及功能。 对该型号 火焰检测装置的电厂现场应用情况进行了分析，实际应用表明该型成都理工大学硕士学位论文 4 号火焰检测装置具有良好的效能和可靠性。 第 2 章 炉膛煤粉火焰的物理特征 5 第 2章 炉膛煤粉火焰的物理特征 炉膛煤粉火焰物理特征 对炉膛煤粉火焰的特征进行深入研究，会有助于火焰检测装置的系统级综合研发，有助于火焰检测装置中光电转换器件和有关线性放大电路的设计和选型，有助于微处理器系统电路设计和软件功能的研究开发。 煤粉火焰的物理特征 物体的温度高于绝对温度时，会因为其内部带电粒子的热运动而面向外界发射不同波长的电磁波，这成为物体的热辐射 [6]。 在物体温度未超过特定的数值时，物体热辐射能量的分布是波长的函数：当物体温度升高时，辐射能量的分布曲线将向波长变短的方向移动，且辐射的总量能量会增大；当温度降低时，辐射能量的分布曲线将向波长变长的方向移动，而且辐射总能量会减少。 在已知煤粉火焰的主火焰区温度范围值（约在 1200 摄氏度）时，根据维恩位移定理 [7]（ 绝对黑体的与辐射本领最大值相对应的波长 λ 和绝对温度 T 的乘积为一常数 ）推算出煤粉火焰的 峰值辐 射波长 位于红外光谱范围（波长在 8001200nm）内。 现代燃烧论的观点认为：煤粉火焰的燃烧过程实际上是由数量庞大的小型受限空间内的爆燃所组合而成；大量同时发生的微观小型受限空间内的爆燃在宏观上表现为火焰具有脉动特征，称为火焰闪烁 [8]。 煤粉通过不同结构的燃烧器进行燃烧时，都会有特定的火焰闪烁的频率带宽。 煤粉的燃烧的过程中会释放出大量红外线能量，这些具有特定频率特征的红外线能量形式可以作为检测煤粉火焰是否存在的物理基础 [9]，也对光敏器件的选型提出了参数约束。 锅炉燃烧器处主火焰特征和背景特性 煤粉主火 焰在锅炉燃烧器中的燃烧过程在时间和空间上主要分为“预热 着火 燃烧 燃尽”四个典型阶段，在每一个典型阶段中，煤粉火焰的光谱频率分布和火焰强度都会有明显的差异 ,主要的阶段如下 [10]： 第一个阶段为预热阶段，煤粉和一次热风相混合，燃料粒子大量吸收炉膛烟气中的热量，其本身辐射出的能量非常低，形成了黑龙区。 此阶段发射的红外光线很弱，频率与光强的变化比较复杂。 该区域通常不应落入火焰检测装置的检测成都理工大学硕士学位论文 6 视场区域内。 第二个阶段为着火阶段，部分煤粉燃料颗粒开始燃烧，它们为大量颗粒燃烧提供温度条件，随着燃料颗粒表面温度的快速升高 ，燃料粒子将发生爆裂，形成着火区。 在着火阶段，光辐射能量不是最强，亮度不是最大，但是亮度的变化频率却是最高的。 第三个阶段为燃烧阶段，大量煤粉燃料颗粒开始爆裂并燃烧，释放出大量热能，温度急剧上升，产生明亮的火焰，形成完全燃烧区。 此阶段光的辐射最强，亮度达到最大，但是亮度变化的频率却是最低的。 在完全燃烧区，红外辐射的强度约占煤粉火焰总体强度的 30%左右，使用红外类型的检测器能达到最好的测量效果。 第四个阶段为燃尽阶段，煤粉燃料颗粒绝大部分已燃烧完毕并形成飞灰，只有极少量较大颗粒继续进行燃烧，最后形成高温气流， 形成燃尽区。 此阶段亮度变化频率较低。 火焰检测装置的视场区中不仅存在燃烧器喷出煤粉火焰，而且会存在锅炉炉膛的背景辐射光，并且有可能会存在邻近燃烧器的火焰。 在分析目标主火焰的时候需要对这两个因素加以考虑，特别需要对它们的频率和强度是如何分布的做较为深入的分析。 高温的锅炉炉壁本身也是强度极强的红外辐射源，然而它的光谱频率变化范围是比较窄的，其频率也很低。 锅炉炉壁会对煤粉火焰的红外光线起吸收和反射的作用，反射红外光线所产生的闪烁频率也是非常低的且其强度远低于炉壁的红外辐射强度。 可知炉膛内的背景红外辐射具有低频窄 带宽的特性。 火焰检测装置的主要功能是对锅炉中的单个燃烧器的燃烧状况进行观测和分析。 对于四角切圆燃烧方式的锅炉，火焰检测装置的主视线可能会穿过目标火焰的高频区射向相邻燃烧器火焰的低频区。 对于对冲燃烧方式的锅炉，火焰检测装置的主视线可能会出现既穿过目标火焰的高频区又穿过对冲火焰的高频区的情况，但在该情况下两个火焰高频区之间的距离较远，对冲火焰的强度会显得较弱。 此时，虽然主火焰和对冲火焰的高频区是重叠的，但它们的强度差异大，通过合理的技术手段是可以使得火焰检测装置“无视”对冲火焰的存在 [11]。 如果将锅炉背景辐 射的信号和邻近燃烧器的火焰信号视为叠加在主火焰信号上的干扰信号，则干扰信号具有在低频区域内基本集中在直流分量附近，在高频区域内能量分量较小的特性。 因此可以使用合理选择信号的分析频段范围、对高频区域的分析结果采取去本底值等常用的信号处理方法来减弱干扰信号对主火焰信号的影响。 对多个不同炉型的锅炉的多种煤粉燃烧器进行了火焰数据采第 2 章 炉膛煤粉火焰的物理特征 7 集，通过分析所采集到的数据，我们认为对于煤粉燃烧器将敏感信号频带设置在10 Hz–200 Hz 范围内是比较合理的。 成都理工大学硕士学位论文 8 第 3章 煤粉火焰的信号处 理与分析 火焰检测装置的核心任务是采集火焰燃烧信号并使用可靠的判别方法对燃烧信号进行燃烧情况的判别。 本章将从信号处理的视角，分析煤粉火焰燃烧信号的物理特性、现场火焰燃烧数据采集时的参数设定，然后对煤粉火焰燃烧数据分别进行傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换的信号处理。 通过分析和对比得出识别煤粉火焰燃烧状况的信号处理流程。 煤粉火焰燃烧信号的特性 从物理角度而言，信号就是。