魏鵬娟,葉竹輝

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710018)

鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備之一,其主要作用是將水加熱變?yōu)檎羝?以提供工業(yè)生產(chǎn)所需的高溫、高壓蒸汽能源。在工業(yè)生產(chǎn)中,工業(yè)鍋爐能夠墊平生產(chǎn)高峰期的需求,提供額外的蒸汽能源以支持正常的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn),還能夠通過先進(jìn)的燃燒技術(shù)及廢氣處理系統(tǒng),控制煙氣排放的含量和濃度,避免對(duì)環(huán)境造成污染和影響。我國的工業(yè)鍋爐常以煤粉為主要原料,在正常運(yùn)行的過程中需要確保爐膛內(nèi)的燃料燃燒穩(wěn)定,從而保持穩(wěn)定的火焰以及熱量供應(yīng)?；鹧嫒紵隣顟B(tài)不穩(wěn)定或者燃燒面積過小都會(huì)在一定程度上導(dǎo)致鍋爐的效率降低,進(jìn)而造成能源浪費(fèi)以及環(huán)境污染。現(xiàn)階段,為了提升工業(yè)鍋爐的運(yùn)行效率以及使用安全性,工業(yè)企業(yè)多采取監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)和控制。一方面提升鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性,另一方面提升鍋爐的使用效率,盡可能節(jié)約能源成本。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)工業(yè)鍋爐爐膛監(jiān)測(cè)的技術(shù)不斷進(jìn)步,極大地提升了鍋爐整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效率。本文從多方面進(jìn)行探究,分析可視化監(jiān)測(cè)在工業(yè)鍋爐爐膛監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,為我國工業(yè)鍋爐的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒意義。

1 工業(yè)鍋爐的基本概念和爐膛結(jié)構(gòu)

工業(yè)鍋爐是工業(yè)領(lǐng)域中常用的熱能設(shè)備,主要用于提供蒸汽、熱水或其他熱質(zhì)體來驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備或供應(yīng)熱能。工業(yè)鍋爐通常由鍋爐本體和煙氣系統(tǒng)兩部分組成,鍋爐本體包括爐膛、過熱器、再熱器、汽包、水冷壁、篦條和給水系統(tǒng)等組成部分[1]。而爐膛是工業(yè)鍋爐的關(guān)鍵部位之一,其結(jié)構(gòu)和性能直接關(guān)系到鍋爐的煙氣排放效果和熱效率。

爐膛的主要作用是在其中將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給水來產(chǎn)生蒸汽并從而產(chǎn)生功。不同型號(hào)以及使用功能的爐膛存在明顯的差異性。爐膛一般分為前、后、下爐膛以及過熱器的燃燒室。其中,前爐膛的主要作用是使燃料快速燃燒,同時(shí)預(yù)熱空氣;后爐膛則主要完成燃燒工作,將燃料燃燒生成的高溫氣體通過水冷壁向鍋爐另一端進(jìn)行傳遞;下爐膛(也稱為灰斗)則主要收集爐渣和灰渣,保持爐膛的干凈[2-3]。以循環(huán)流化床鍋爐為例,如圖1所示。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐構(gòu)造圖

循環(huán)流化床鍋爐由爐膛、汽包、過熱/再熱器、旋風(fēng)分離器、省煤器、返料裝置等構(gòu)成。在運(yùn)行過程中,煤粉經(jīng)由輸送帶送入爐內(nèi),完成高溫脫水以及燃燒等流程[4]。未燃盡顆粒經(jīng)由返料裝置重新送回爐內(nèi)。燃燒完成產(chǎn)生的高溫灰渣經(jīng)流化風(fēng)間接或者連續(xù)排出。

2 可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及價(jià)值

2.1 可視化系統(tǒng)原理

可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種對(duì)工業(yè)鍋爐爐膛進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。其主要原理是通過在爐膛中懸掛高溫?cái)z像機(jī)和高溫光纖傳感器等設(shè)備,對(duì)爐膛內(nèi)部的溫度、壓力、燃燒質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和預(yù)警?？梢暬O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分包括高溫?cái)z像機(jī)、高溫光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集器、云平臺(tái)等組成部分[5-6]。其中,高溫?cái)z像機(jī)是一種高溫環(huán)境下可操作的攝像機(jī),可以將實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器進(jìn)行處理;高溫光纖傳感器則是一種可以測(cè)量爐膛內(nèi)溫度和壓力等參數(shù)的傳感器,可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器進(jìn)行處理并存儲(chǔ)起來;而數(shù)據(jù)采集器則是可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)接收爐膛內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行在線實(shí)時(shí)處理,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)等后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理、存儲(chǔ)和管理[7]。

2.2 可視化系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值

可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種新興的工業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù),具有在工業(yè)鍋爐爐膛中廣闊的應(yīng)用前景。一方面,可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效提高工業(yè)鍋爐的安全性能和能源利用效率,通過對(duì)爐膛內(nèi)部的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析,及時(shí)掌握爐膛內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患并進(jìn)行及時(shí)的處理,同時(shí)提供有效的參考數(shù)據(jù)和優(yōu)化控制策略,以提高工業(yè)鍋爐的熱效率,降低能源消耗[8]。另一方面,可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以支持智能化管理,提高智能化控制水平。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和處理,可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為工業(yè)鍋爐的智能化控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持和參考,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線的優(yōu)化控制?？傊?可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工業(yè)鍋爐爐膛中具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。其不僅可以提高工業(yè)鍋爐的安全性能和熱效率,還可以支持智能化管理和優(yōu)化控制,為保障工業(yè)鍋爐的運(yùn)行安全和提高運(yùn)行效率提供了有力支持。

3 工業(yè)鍋爐可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案旨在設(shè)計(jì)一款適用于工業(yè)鍋爐的爐膛燃燒可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過硬件和軟件的結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛燃燒狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。

3.1 可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

(1)監(jiān)測(cè)原理。鍋爐爐膛可視化監(jiān)測(cè)的原理是通過在鍋爐爐膛內(nèi)安裝攝像頭,并將拍攝到的圖像實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控室,以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐爐膛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(2)攝像頭選型。在選擇攝像頭時(shí),需要根據(jù)爐膛內(nèi)部的特殊環(huán)境進(jìn)行選擇。一般應(yīng)選用防爆、高溫、防腐等特殊要求的工業(yè)攝像頭。同時(shí)應(yīng)考慮攝像頭的畫質(zhì)、角度、焦距等參數(shù)以及可靠性和耐久性等因素[10]。

(3)圖像傳輸。鍋爐爐膛內(nèi)環(huán)境惡劣,在監(jiān)測(cè)圖像傳輸時(shí)應(yīng)選擇高清數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng),選擇高質(zhì)量的視頻轉(zhuǎn)換器和傳輸器材,以確保圖像的傳輸質(zhì)量和實(shí)時(shí)性。

(4)監(jiān)測(cè)室監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控室內(nèi)應(yīng)設(shè)置大屏幕顯示器,對(duì)攝像頭傳輸?shù)漠嬅孢M(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí),還需配合語音提示系統(tǒng),及時(shí)向監(jiān)測(cè)人員提供報(bào)警信息或異常情況的提示。

(5)報(bào)警系統(tǒng)。如果監(jiān)測(cè)到鍋爐爐膛內(nèi)出現(xiàn)異常情況,例如,溫度過高、燃燒不充分等情況,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向監(jiān)測(cè)室發(fā)送報(bào)警信息,并啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制,確保鍋爐的安全和穩(wěn)定運(yùn)行[11]。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的核心是燃燒分析儀,可以通過對(duì)燃?xì)獬煞旨皽囟鹊姆治?得到燃燒狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

燃燒分析儀的主要組成部分包括:

(1)探頭:負(fù)責(zé)采集燃?xì)鈽悠?通常采用靈活的高溫管道進(jìn)行連接。

(2)分析儀:通過對(duì)采集到的燃?xì)鈽悠返姆治?可以得到燃燒狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

(3)信號(hào)處理模塊:對(duì)分析儀返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換,使其變成可讀取的形式。

(4)顯示屏:顯示燃燒狀態(tài)的數(shù)據(jù)[12]。

硬件設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是圖像采集設(shè)備,通過獲取燃燒過程中產(chǎn)生的圖像,可以對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行直觀的觀察和分析。圖像采集設(shè)備的主要組成部分包括:

(1)攝像頭:用于采集燃燒過程中產(chǎn)生的圖像。

(2)控制模塊:用于控制和調(diào)整攝像頭的設(shè)置,例如調(diào)整焦距、光圈大小等。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊:用于存儲(chǔ)采集到的圖像數(shù)據(jù)[13]。工業(yè)鍋爐可視化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 工業(yè)鍋爐可視化設(shè)計(jì)流程

通過燃燒分析儀對(duì)爐膛內(nèi)的燃燒情況,匯總?cè)紵畔ⅰ＝柚鷪D像采集爐膛內(nèi)火焰的圖像,并進(jìn)行結(jié)果分析,結(jié)果匯總后傳輸給遠(yuǎn)程控制端,以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐爐膛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的核心是對(duì)燃燒狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析,提供直觀的展示和分析結(jié)果。如圖3所示。

圖3 可視化監(jiān)測(cè)功能

軟件設(shè)計(jì)的主要功能包括:

(1)燃燒狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示:顯示當(dāng)前的燃燒狀態(tài),例如燃?xì)獬煞帧囟鹊葏?shù)。

(2)燃燒狀態(tài)的歷史記錄:可以對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行歷史記錄,便于分析燃燒狀態(tài)的變化趨勢(shì)[14]。

(3)圖像的實(shí)時(shí)顯示:通過圖像采集設(shè)備,可以實(shí)時(shí)展示燃燒過程中產(chǎn)生的圖像。

(4)圖像的分析功能:通過對(duì)圖像的分析,可以得到更詳細(xì)的燃燒狀態(tài)信息,例如燃燒區(qū)域、熱點(diǎn)位置等。

(5)異常報(bào)警功能:當(dāng)燃燒狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí),可以通過聲音或者圖像的形式進(jìn)行報(bào)警提醒。

4 結(jié) 語

鍋爐爐膛可視化監(jiān)測(cè)可以幫助操作人員實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。通過這種監(jiān)測(cè)方式,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐中的異常情況,識(shí)別可能出現(xiàn)的問題并采取必要的措施進(jìn)行修復(fù),從而確保鍋爐的安全運(yùn)行和高效能運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí),這種監(jiān)測(cè)方式還可以提高設(shè)備運(yùn)維的效率,減少人工檢查的需求和減輕工作負(fù)擔(dān)。總之,鍋爐爐膛可視化監(jiān)測(cè)對(duì)于保證設(shè)備安全和提升設(shè)備性能具有重要的意義。