Введение к работе
Актуальность работы.
Оптимизация горения газообразпых 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 NO2. 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 па два класса: контактные и бесконтактные. Первые используют информацию, получеіглую 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, ис вносят возмущений в газовый иоток, более технологичны и экснлуатациошю эффективны, а также применимы в широком температурном диапазоне. Однако до снх 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 неравновесности физико-химических реакций, зависящих от давления, температуры, структуры пламени. По этой причине спектральный состав, пространственное и температурное распределение излучения в значительной степени подвержепы измепениям. Кроме того, из-за недостаточного количества столкновений молекул процесс горения в атмосфере не ириходит в термодинамическое равновесие. Спектр излучения в этом случае отличен от пепрерьшного 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 (>1000С) и нормального давления. Поэтому, с учетом
результатов предварительных экспериментальных исследований бесконтактных методов, можно сделать вывод о перспективности подхода, осповапного на многозопальной регистрации излучения.
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:
-
Исследовать спектральные и пространственные характеристики пламени газообразных углеводородов при ггормалыюм давлении.
-
Исследовать закономерности трансформации спектра пламени при изменении состава газовой смеси.
3. Определить систему первичных признаков пламени
газообразпых углеводородов наиболее адекватно характеризующую
эффективность процесса горения.
-
Разработать дистанционный метод контроля параметров пламени.
-
Разработать и создать оптико-электрошгую аппаратуру селективного контроля параметров пламени газообразных углеводородов.
Научная новизна
выявлены закономерности трансформации оптических свойств пламени предварительно смешанпых газов при изменении соотношения комповгент смеси, установлено, что интенсивность излучения пламени имеет наибольшую зависимость от состава смеси в спектральных диапазопах, соответствующих полосам свечения радикалов СН - 430-438 нм и С2 - 467-472,513-517 пм;
показало, что интенсивность излучения радикала С2 в обоих спектральных диапазопах имеет максимум в области, близкой к
стехиометрическому составу смеси, а максимум излучения радикала СН смещен в область меньших соотношений газ/воздух;
- сформирована представительная система первичных признаков
пламени, разработана методика их определения, основанная па 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 мпогозопальных
изображений пламени, на основе интегральных и локальных
преобразований по пространственным, спектральным и временным
переменным;
- разработал дистанционный метод селективного контроля
параметров пламени газообразных углеводородов, основанный на
регистрации пространственно распределеїшьіх оптических сигналов при
определенных углах визирования в нескольких фиксированных
спектральных диапазонах с последующей цифровой обработкой
полученпых данных.
Практическое значение диссертации
- разработан и создан фотоэлектрошилй 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-злектроішая система дистапционного коїпроля параметров пламени на основе набора фотоэлектронных датчиков факелов и газоанализаторов, иредназпачеішая для определения основных режимов горения селективно по горелкам энергоблока.
Внедрение полученных результатов
- результаты диссертационной работы использованы при создании
огггнко-электронпой 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
многофакелыюго пламени в спектральных диапазонах, соответствующих
свечению радикалов СП (430-438 нм) и С2 (467-472, 513-517 нм) позволяет
получить селективную по пространству информацию о горение основного
углеводорода;
интенсивность излучения радикала С2 в пламени предварительно смешанных газов имеет максимум в области, близкой к стехиометрическому состану смеси, а максимум излучения радикала СП смещен в область меньших соотношений газ/воздух;
разработанпый оптический метод контроля параметров пламени, основанный на регистрации пространственпых распределений интенсивности свечения пламени в специально выбранных спектральных диапазонах и на применении предложенных процедур обработки последовательности многозональных изображепий, позволяет обеспечить дистапцнопную диагностику процессов горения газообразных углеводородов;
разработанная и созданная оптико-электронная 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 РАМ, 1998; «SPIE 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 на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы (50 наименований), изложена на 124 страшшах, включает 24 рисунка и 9 таблиц.
