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劉敬文

火焰檢測系統是一種能檢測火焰信號，并將這種信號送到指定的信號控制器，進行聯鎖控制或監視的儀表系統。隨著科學技術的發展，火焰檢測監視技術已經包含更深層的技術內容。從采用各種感光元件如光敏電阻、光導管、硅光電池、紅外和紫外光敏管等感受火焰信號，到采用工業電視攝像技術捕捉火焰信號，以及采用不同原理如物化、物理、電/光、電磁物理、電磁頻率分析和熱力學原理的各種火焰探測器感受火焰信號，這一技術領域的發展日趨成熟。
在化工、熱電行業中，通常火焰檢測監視是采用紫外（UV）、紅外（IR）傳感器或紫外/紅外（UV/IR）傳感器等包括各種變相多探頭的火焰檢測器，將測量信號送到控制室進行監控來進行設計的。但是由于安裝在現場的探頭受到許多非火焰性質的信號的干擾，有時會產生誤動作，嚴重影響了火焰檢測器的正常工作。因此在實際的設計過程中，應從多方面考慮來選擇一個比較好的檢測方法來檢測火焰的真實存在。本文就一個具體的實例來說明工程設計中火焰檢測監視的儀表選擇。
某熱電廠工程項目中，工廠利用碳黑裝置后的尾氣作為鍋爐燃燒用的主要燃料，輔助燃料用重油。尾氣主要含氫氣及有機氣體等，這些氣體燃燒使鍋爐的水變成蒸汽來作為發電的熱源。
工藝要求檢測鍋爐燃燒火焰的真實存在，當火焰熄滅時聯鎖鼓風機及引風機停機。火焰存在時的爐膛溫度是998.6℃，爐膛壓力是-19.6Pa。
1  采用火焰檢測器的設計
我們知道在火焰的輻射能中有30%～40%是以電磁輻射的形式消耗的。這些電磁輻射包括紫外線、可見光和紅外線。我們在檢測火焰的時候就考慮到火焰燃燒燃料的成分，因為各種燃料燃燒時釋放的紫外線、可見光和紅外線的數量是不一樣的。因此選擇火焰檢測器的類型時，了解火焰燃燒的燃料的成分和它輻射的光譜是很必要的。例如以各種煤為燃料燃燒時輻射的紅外線數量比較多；以油和氣體為燃料燃燒時的火焰輻射的紫外線比較多；氫火焰輻射出大量的紫外線，而輻射的紅外線很少。由于該工業鍋爐燃燒主要是用碳黑尾氣作為燃料，含氫量達百分之十幾，輻射的紫外線還是比較多的。圖1是它燃燒時輻射的某一電磁波頻譜圖。

圖1  碳氫化合物火焰的某一電磁波輻射頻譜圖

圖1中帶斜線的頻段通常是各種火焰檢測器所選用的頻段。我們擬選用北京遠東儀表廠生產的UV-02紫外線火焰探測器。它采用了極其適用火焰探測的新型光電管，利用光電效應和氣體繁流放大原理進行工作，具有極高的靈敏度、極窄的帶寬和位于紫外線C段（0.185～0.26μm）的光譜響應。它是通過捕捉燃料燃燒火焰所輻射的紫外線，來判斷燃料的燃燒狀態。極窄的帶寬無須添加前置濾光片。火檢探頭通過防火墻正面板安裝、直接瞄準的方式，將其安裝在鍋爐爐墻的預留孔上。其輸出信號通過一根標準的四芯屏蔽電纜送到HQJ-01型放大器。
HQJ-01型放大器由信號變換及處理、單片機、輸出及執行、電源四部分組成。當接收到火焰信號后對其處理放大，經過單片機處理后輸出緩變的4～20mADC。還可以送出開關量信號。一般來說，4～20mADC的電流信號并不是非常準確，但開關量信號非常準確可靠。根據工藝需要可以將兩者都送往控制室，在CRT上顯示火焰的存在，并且送出開關量信號去現場聯鎖鼓風機及引風機停機。
火焰放大器可以安裝在現場或控制室內的儀表盤上，以便就地進行設置操作。模擬量輸出通過放大器面板的調整按鍵進行調節，并可以從面板上的LED光柱觀察模擬量輸出的變化。模擬量還可以和開關量信號分別通過各自的電纜送往控制室的中間端子柜內，再送往DCS機柜，通過CRT顯示模擬量的大小，通過中間端子柜的輸出去電氣控制柜聯鎖單元進行控制聯鎖停機。
以上是通過選擇火焰檢測器檢測來達到監視和控制的目的。一般市場上火焰檢測器的成套價格在1～2萬元人民幣之間。
2  采用工業電視攝像技術的設計
對于鍋爐火焰的檢測和監視，也可用工業電視攝像技術來進行檢測、監視和控制。
我們擬選用安徽大學特種電視技術研究中心生產的YD-NQ型內窺式高溫工業電視系統，這種電視攝像系統不需要象火焰檢測器檢測時必須用水、氣冷卻的方式，而是采用耐高溫、耐腐蝕、高強度的藍寶石保護光學鏡頭，只需要少量的壓縮空氣對光學鏡頭進行吹掃，就可以伸入到1600℃高溫爐窯內長期工作，系統還使用高性能、耐高溫、耐腐蝕的新材料保護攝像探頭。工作時，攝像探頭通過推進器推入到安裝在爐墻上的保護裝置里面；當光學鏡頭的溫度超過設定的溫度或光學鏡頭破損時，電氣控制柜就會動作，向推進器發出信號，使其工作將攝像探頭從爐墻上的保護裝置里面退出來。當溫度低于設定溫度時，可以通過控制器將探頭送入保護裝置，繼續正常工作。整個電視攝像系統配置圖如2所示。 

圖2  工業電視攝像系統配置圖

設計時可將電氣控制柜安裝在現場，將控制器安裝在現場或控制室內的儀表盤上，21”CRT懸掛在控制室或內嵌在控制室內的墻上，可以觀察到爐膛火焰燃燒的狀態。通過控制室的電源給控制器供220V交流電，將開關量通過接線端子送往DCS，再通過接線端子送往現場的電氣控制柜，去聯鎖鼓風機及引風機停機。
系統設計應該注意有關的技術參數，該系統的攝像探頭最高工作溫度可達1600℃，探頭工作行程600mm，鏡頭視角90°，圖象傳感器中心分辨率≥400TVL，電源為220VAC/50Hz，功耗為500W。系統還可設置UPS電源供電，當控制室供電中斷時，會自動接通UPS電源，探頭自動退出。儀表壓縮空氣一般為0.6MPa，吹掃時應該通過減壓裝置將其適當減壓到0.1～0.4MPa，這樣有利于吹掃和保護鏡頭。如果沒有儀表空氣，設置氣泵供氣系統，通過氣動管路對鏡頭進行吹掃，工作時應注意出氣口應距鏡頭0.5m。
從該方案可以看出，使用工業電視攝像技術，可以準確觀察到火焰的真實存在，它通過對火焰的攝像，信號的處理及開關量的輸入和輸出等功能，就能夠達到很好的監視和控制。整個工藝電視攝像系統成套價格大約在十幾萬元人民幣，價格較貴但采購比較方便。
3  結語
綜上所述，對于火焰檢測監視所采用的儀表選擇方法可以有多種，采用哪種方案應根據實際的生產情況、工藝特點、采購價格等因素來綜合考慮。