火焰检测原理

火焰检测原理

燃烧火焰具有各种特性，如发热程度、电离状态、火焰不同部位的辐射、光谱及火焰的脉动或闪烁现象、差压、音响等，均可用来检测火焰的“有”或“无”。以煤、油作为

燃料的锅炉在燃烧过程中会辐射红外线(IR)、可见光和紫外线(UV)。

所有的燃料燃烧都辐射一定量的紫外线和大量的红外线，且光谱范围涉及红外线、可见光及紫外线。因此，整个光谱范围都可以用来检测火焰的“有”或“无”。由于不同种类的燃料，其燃烧火焰辐射的光线强度不同，相应采用的火焰检测元件也会不一样。一般说来，煤粉火焰中除了含有不发光的CO2和水蒸气等三原子气体外，还有部分灼热发光的焦炭粒子和炭粒，它们辐射较强的红外线、可见光和一些紫外线，而紫外线往往容易被燃烧产物和灰粒吸收而很快被减弱，因此煤粉燃烧火焰宜采用可见光或红外线火焰检测器。而在用于暖炉和点火用的油火焰中，除了有一部分CO2和水蒸气外，还有大量的发光碳黑粒子，它也能辐射较强的可见光、红外线和紫外线，因此可采用对这三种火焰较敏感的检测元件进行测量。而可燃气体作为主燃料燃烧时，在火焰初始燃烧区辐射较强的紫外线，此时可采用紫外线火焰检测器进行检测。除辐射稳态电磁波外，所有的火焰均呈脉动变化。因此，单燃烧器工业锅炉的火焰监视可以利用火焰脉动变化特性，采用带低通滤波器(10—20Hz)的红外固体检测器(通常采用硫化铅)。但电站锅炉多燃烧器炉膛火焰的闪烁规律与单燃烧器工业锅炉不大一样，特别是在燃烧器的喉口部分，闪烁频率的范围要宽得多。硫化铅(PbS)感测器，这是一种硫化铅光敏电阻，其特点是对红外线辐射特别敏感。燃料在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外线辐射，使硫化铅光敏电阻感应，转变成电信号，再经放大器处理后，输出4－20mA或0－10V的模拟量。在光谱中，红外线的波长为Page 3 of 43 600nm以上，而这种硫化铅感测器的光谱灵敏度为600nm－3000nm，对绝大部分红外线辐射都可以有效采集，同时还涵盖了部分可见光中的红光，这样充分保证采集到火焰信号的真实性。

磷化钾(GaP)感测器，它是一种磷化钾光敏电阻，其特点是对紫外线辐射特别敏感。燃料在燃烧时，由化学反应产生闪烁的紫外线辐射，使磷化钾光敏电阻感应，转变成电信号，再经放大器处理后，输出4－20mA或0－10V的模拟量。在光谱中，紫外线的波长小于380nm，而这种硫化铅感测器的光谱灵敏度为190nm－550nm，对绝大部分紫外线辐射都可以有效采集，同时还涵盖了大部分可见光中的紫光，同样这样充分保证采集到火焰信号的真实性。多燃烧器炉膛在有火和无火时单只燃烧器时的火焰闪烁频率分布。由此可见，在低频范围(10

—20Hz)，煤粉与油有火与无火之间闪烁强度的差异都很小；煤粉有火与无火之间辐射强度最大差异处的闪烁频率约300Hz，油有火与无火之间区别都要在较高的频率(100Hz以上)才能较好地实现检测。闪烁频率与辐射强度之间的关系取决于燃烧器结构布置、检测方法、燃料种类、燃烧器的运行条件(如燃料与空气比、一次风速)、以及观察角度等因素。

一般来说：

1) 火焰闪烁频率在火焰的初始燃烧器较高，然后向燃烬区依次降低，

2) 检测器距火焰初始燃烧区越近，检测到的高频成分(100—400Hz)越强；

3) 检测器探头视角越狭窄，所检测到的火焰信号越真实；反之亦然。

可以推断，全炉膛监视的闪烁频率要比单只燃烧器监视的频率低得多。燃烧器火焰的形状，我们人为地将其分为四部分：从喉口开始依次为黑龙区、初始燃烧区、燃烧区和燃烬区。从一次风口喷射出的第一段是一股暗黑色的煤粉和一次风的混合物流，我们称其为黑龙区，其辐射强度和闪烁频率都很低；第二段是初始燃烧区，煤粉因受到高温炉气和火焰回流的加热开始燃烧，大量煤粉颗粒爆燃形成亮点流，此段的特点是这部分煤粉燃烧亮度不是很大，但其闪烁频率却达到最大值，往往可以在100Hz以上；第三段为燃烧区，也称完全燃烧区，各个煤粉颗粒在与二次风的充分混合下完全燃烧，产生出很大热量，此段的火焰亮度最高且最稳定，但闪烁频率要低于初始燃烧区；第四段为燃烬区，这时的煤粉绝大部分燃烧完毕形成飞灰，少数较大的颗粒继续进行燃烧，最后形成高温炉气流，其火焰亮度和闪烁频率都比较低。有一点需要说明，上面提到的频率是指闪烁(Flicker)频率，它和有些火焰检测器中的脉冲(Pulse)频率有本质区别，前者是燃料混合物火焰燃烧所特有的属性，而后者只是对火焰强度的一种显示方法。

在锅炉燃烧现场我们可以发现，用紫外线光敏管检测器或磷化钾检测器监视煤粉燃烧器时，被检测火焰的信号强度可能等同于或低于毗邻的火焰信号强度，这是因为未燃煤粉在靠近燃烧器喉口部分往往起到一种遮盖作用，它实际上是一股暗黑色的煤粉和一次风的混合物，我们叫它黑龙区，若火焰检测器视线通过或接近黑龙区，则当燃烧器停用而炉膛内的其它燃烧器继续运行燃烧时，信号强度反而比原来增加了，这个结构是用紫外线光敏管检测器监视煤粉燃烧器的一个大问题，但如果我们选择用紫外线光敏管或磷化钾检测用于点火的油枪，则起到扬长避短的作用，可以有效的防止“偷看”问题。因此，燃煤锅炉推荐采用检测火焰闪烁高频分量的可见光检测器或红外线检测器。

由于气体火焰不具有煤火焰和油火焰所特有的高频(100—400Hz) 脉动特性，因而红外线检测系统对气体火焰不起作用，所有对气体燃料推荐采用紫外线检测器。ABB在30多年

前就推出了世界上最早的可见光式火焰检测系统，并在全球得到了广泛的应用，但在长期的应用过程中发现，这种火检经常出现见火困难的情况，有时又经常发生“偷看”现象，分析其原因，主要是在使用一些比较劣质的煤粉或现在好多电厂经常使用混烧煤时，火焰的黑龙区会变长，这样可见关火检视线往往集中在了黑龙区和初始燃烧区部分，火焰强度大大减弱，发生不见火现象；另外，可见关式火检受负荷和一次风配比的影响也很大，因此，红外线和紫外线火检已经逐渐取代了可见光火检。

概况地说，炉膛火焰发出的辐射能以不同的频率闪烁着，不同燃料、不同燃烧器的闪烁频率也是不同的。炉膛内燃烧的好与坏，其火焰的平均光强度也是不同的。火焰检测器就是利用火焰的闪烁频率和光的辐射强度来综合判断火焰的有无及强弱的。