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劉敬文

火焰檢測(cè)系統(tǒng)是一種能檢測(cè)火焰信號(hào)，并將這種信號(hào)送到指定的信號(hào)控制器，進(jìn)行聯(lián)鎖控制或監(jiān)視的儀表系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，火焰檢測(cè)監(jiān)視技術(shù)已經(jīng)包含更深層的技術(shù)內(nèi)容。從采用各種感光元件如光敏電阻、光導(dǎo)管、硅光電池、紅外和紫外光敏管等感受火焰信號(hào)，到采用工業(yè)電視攝像技術(shù)捕捉火焰信號(hào)，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(xué)原理的各種火焰探測(cè)器感受火焰信號(hào)，這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展日趨成熟。
在化工、熱電行業(yè)中，通常火焰檢測(cè)監(jiān)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(cè)器，將測(cè)量信號(hào)送到控制室進(jìn)行監(jiān)控來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。但是由于安裝在現(xiàn)場(chǎng)的探頭受到許多非火焰性質(zhì)的信號(hào)的干擾，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，嚴(yán)重影響了火焰檢測(cè)器的正常工作。因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)從多方面考慮來(lái)選擇一個(gè)比較好的檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)火焰的真實(shí)存在。本文就一個(gè)具體的實(shí)例來(lái)說(shuō)明工程設(shè)計(jì)中火焰檢測(cè)監(jiān)視的儀表選擇。
某熱電廠工程項(xiàng)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(jī)氣體等，這些氣體燃燒使鍋爐的水變成蒸汽來(lái)作為發(fā)電的熱源。
工藝要求檢測(cè)鍋爐燃燒火焰的真實(shí)存在，當(dāng)火焰熄滅時(shí)聯(lián)鎖鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)停機(jī)。火焰存在時(shí)的爐膛溫度是998.6℃，爐膛壓力是-19.6Pa。
1  采用火焰檢測(cè)器的設(shè)計(jì)
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(xiàn)、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)。我們?cè)跈z測(cè)火焰的時(shí)候就考慮到火焰燃燒燃料的成分，因?yàn)楦鞣N燃料燃燒時(shí)釋放的紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)的數(shù)量是不一樣的。因此選擇火焰檢測(cè)器的類(lèi)型時(shí)，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(shí)輻射的紅外線(xiàn)數(shù)量比較多；以油和氣體為燃料燃燒時(shí)的火焰輻射的紫外線(xiàn)比較多；氫火焰輻射出大量的紫外線(xiàn)，而輻射的紅外線(xiàn)很少。由于該工業(yè)鍋爐燃燒主要是用碳黑尾氣作為燃料，含氫量達(dá)百分之十幾，輻射的紫外線(xiàn)還是比較多的。圖1是它燃燒時(shí)輻射的某一電磁波頻譜圖。

圖1  碳?xì)浠衔锘鹧娴哪骋浑姶挪ㄝ椛漕l譜圖

圖1中帶斜線(xiàn)的頻段通常是各種火焰檢測(cè)器所選用的頻段。我們擬選用北京遠(yuǎn)東儀表廠生產(chǎn)的UV-02紫外線(xiàn)火焰探測(cè)器。它采用了極其適用火焰探測(cè)的新型光電管，利用光電效應(yīng)和氣體繁流放大原理進(jìn)行工作，具有極高的靈敏度、極窄的帶寬和位于紫外線(xiàn)C段（0.185～0.26μm）的光譜響應(yīng)。它是通過(guò)捕捉燃料燃燒火焰所輻射的紫外線(xiàn)，來(lái)判斷燃料的燃燒狀態(tài)。極窄的帶寬無(wú)須添加前置濾光片。火檢探頭通過(guò)防火墻正面板安裝、直接瞄準(zhǔn)的方式，將其安裝在鍋爐爐墻的預(yù)留孔上。其輸出信號(hào)通過(guò)一根標(biāo)準(zhǔn)的四芯屏蔽電纜送到HQJ-01型放大器。
HQJ-01型放大器由信號(hào)變換及處理、單片機(jī)、輸出及執(zhí)行、電源四部分組成。當(dāng)接收到火焰信號(hào)后對(duì)其處理放大，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后輸出緩變的4～20mADC。還可以送出開(kāi)關(guān)量信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，4～20mADC的電流信號(hào)并不是非常準(zhǔn)確，但開(kāi)關(guān)量信號(hào)非常準(zhǔn)確可靠。根據(jù)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(kāi)關(guān)量信號(hào)去現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)鎖鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)停機(jī)。
火焰放大器可以安裝在現(xiàn)場(chǎng)或控制室內(nèi)的儀表盤(pán)上，以便就地進(jìn)行設(shè)置操作。模擬量輸出通過(guò)放大器面板的調(diào)整按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(kāi)關(guān)量信號(hào)分別通過(guò)各自的電纜送往控制室的中間端子柜內(nèi)，再送往DCS機(jī)柜，通過(guò)CRT顯示模擬量的大小，通過(guò)中間端子柜的輸出去電氣控制柜聯(lián)鎖單元進(jìn)行控制聯(lián)鎖停機(jī)。
以上是通過(guò)選擇火焰檢測(cè)器檢測(cè)來(lái)達(dá)到監(jiān)視和控制的目的。一般市場(chǎng)上火焰檢測(cè)器的成套價(jià)格在1～2萬(wàn)元人民幣之間。
2  采用工業(yè)電視攝像技術(shù)的設(shè)計(jì)
對(duì)于鍋爐火焰的檢測(cè)和監(jiān)視，也可用工業(yè)電視攝像技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)視和控制。
我們擬選用安徽大學(xué)特種電視技術(shù)研究中心生產(chǎn)的YD-NQ型內(nèi)窺式高溫工業(yè)電視系統(tǒng)，這種電視攝像系統(tǒng)不需要象火焰檢測(cè)器檢測(cè)時(shí)必須用水、氣冷卻的方式，而是采用耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度的藍(lán)寶石保護(hù)光學(xué)鏡頭，只需要少量的壓縮空氣對(duì)光學(xué)鏡頭進(jìn)行吹掃，就可以伸入到1600℃高溫爐窯內(nèi)長(zhǎng)期工作，系統(tǒng)還使用高性能、耐高溫、耐腐蝕的新材料保護(hù)攝像探頭。工作時(shí)，攝像探頭通過(guò)推進(jìn)器推入到安裝在爐墻上的保護(hù)裝置里面；當(dāng)光學(xué)鏡頭的溫度超過(guò)設(shè)定的溫度或光學(xué)鏡頭破損時(shí)，電氣控制柜就會(huì)動(dòng)作，向推進(jìn)器發(fā)出信號(hào)，使其工作將攝像探頭從爐墻上的保護(hù)裝置里面退出來(lái)。當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，可以通過(guò)控制器將探頭送入保護(hù)裝置，繼續(xù)正常工作。整個(gè)電視攝像系統(tǒng)配置圖如2所示。 

圖2  工業(yè)電視攝像系統(tǒng)配置圖

設(shè)計(jì)時(shí)可將電氣控制柜安裝在現(xiàn)場(chǎng)，將控制器安裝在現(xiàn)場(chǎng)或控制室內(nèi)的儀表盤(pán)上，21”CRT懸掛在控制室或內(nèi)嵌在控制室內(nèi)的墻上，可以觀察到爐膛火焰燃燒的狀態(tài)。通過(guò)控制室的電源給控制器供220V交流電，將開(kāi)關(guān)量通過(guò)接線(xiàn)端子送往DCS，再通過(guò)接線(xiàn)端子送往現(xiàn)場(chǎng)的電氣控制柜，去聯(lián)鎖鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)停機(jī)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該注意有關(guān)的技術(shù)參數(shù)，該系統(tǒng)的攝像探頭最高工作溫度可達(dá)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(tǒng)還可設(shè)置UPS電源供電，當(dāng)控制室供電中斷時(shí)，會(huì)自動(dòng)接通UPS電源，探頭自動(dòng)退出。儀表壓縮空氣一般為0.6MPa，吹掃時(shí)應(yīng)該通過(guò)減壓裝置將其適當(dāng)減壓到0.1～0.4MPa，這樣有利于吹掃和保護(hù)鏡頭。如果沒(méi)有儀表空氣，設(shè)置氣泵供氣系統(tǒng)，通過(guò)氣動(dòng)管路對(duì)鏡頭進(jìn)行吹掃，工作時(shí)應(yīng)注意出氣口應(yīng)距鏡頭0.5m。
從該方案可以看出，使用工業(yè)電視攝像技術(shù)，可以準(zhǔn)確觀察到火焰的真實(shí)存在，它通過(guò)對(duì)火焰的攝像，信號(hào)的處理及開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出等功能，就能夠達(dá)到很好的監(jiān)視和控制。整個(gè)工藝電視攝像系統(tǒng)成套價(jià)格大約在十幾萬(wàn)元人民幣，價(jià)格較貴但采購(gòu)比較方便。
3  結(jié)語(yǔ)
綜上所述，對(duì)于火焰檢測(cè)監(jiān)視所采用的儀表選擇方法可以有多種，采用哪種方案應(yīng)根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況、工藝特點(diǎn)、采購(gòu)價(jià)格等因素來(lái)綜合考慮。