В этой статье кратко описаны некоторые методы измерения и контроля процесса горения. Сделано разделение на методы, применяемые до, во время и после сжигания, т.е. контроль топлива, камеры сгорания и дымовых газов.
Контроль топлива
Методы контроля топлива различаются по многим аспектам, таким как глубина проникновения, чувствительность к поверхностным характеристикам и зависимость от расхода топлива. При контроле твердого топлива важно найти бесконтактный метод, не нарушающий расход топлива. В следующих разделах будут описаны только методы, используемые в коммерчески доступных продуктах для мониторинга топлива, в то время как существуют и другие непроверенные методы.
Ближняя инфракрасная спектроскопия
Ближняя инфракрасная спектроскопия (БИК) — это метод, использующий электромагнитный спектр ближней инфракрасной области. Ближний инфракрасный спектр находится между видимым светом и инфракрасным, то есть между 850 нм и 2500 нм. Образец топлива облучается как минимум двумя разными длинами волн: одной для измерения и одной для сравнения. Длина волны измерения выбрана так, чтобы поглощаться водой, но отражаться от топлива, в то время как эталон выбран так, чтобы отражаться как от воды, так и от топлива, т. е. 100 % отражение. Тогда соотношение между отраженными лучами обратно пропорционально содержанию влаги. Этот метод можно использовать для измерения другого содержимого путем выбора других длин волн. Метод является быстрым и не зависит от скорости подачи, что делает его пригодным для оперативного контроля. Глубина проникновения ограничена примерно 5 мм, что делает метод чувствительным к поверхностной влажности. Цвет, структура поверхности и внешние источники света также могут негативно сказаться на результате. Более высокая частота дает более высокое разрешение.
Микроволновая технология
Когда микроволны проходят через материал, молекулы воды начинают двигаться, вызывая снижение интенсивности и фазовую задержку. Это можно интерпретировать и преобразовать в содержание влаги при обнаружении на противоположной стороне топлива. Изменение состава топлива вызовет проблемы и является источником ошибок. Поэтому измерение угля, а не биотоплива, которое является более гетерогенным топливом, даст более высокую точность. Результат от использования микроволн можно улучшить, увеличив диапазон длин волн. Для определения содержания влаги необходимо также измерить объемную плотность, что можно сделать с помощью радиометрии. В радиометрии гамма-лучи излучаются через материал, и уменьшение интенсивности является измерением плотности.
Нейтронная технология
Методы, основанные на нейтронной технологии, используют тот факт, что атомы водорода уменьшают скорость нейтронов более эффективно, чем другие атомы. Облучая материал нейтронами и измеряя концентрацию нейтронов с помощью детектора, который реагирует только на более медленные нейтроны, с противоположной стороны, можно рассчитать влажность топлива, если известна объемная плотность. В сочетании с нейтронной технологией гамма-излучение может использоваться для определения объемной плотности, как обсуждалось ранее. Одной из проблем этого метода является невозможность отличить водород в воде от водорода, химически связанного с материалом, а это означает, что необходимо знать содержание водорода в топливе.
Мониторинг горения
Трудности мониторинга внутри камеры сгорания связаны с неблагоприятной окружающей средой, включая высокие температуры, тепловое излучение, сажу и твердые частицы. Оборудование должно иметь огнеупорное защитное стекло, охлаждаться водой или воздухом и в некоторых случаях самоочищаться при блокировке оптики и датчиков. Ультразвуковые датчики Частотный спектр звуковых волн обычно делится на три диапазона; частоты ниже 20 Гц относятся к категории инфразвука, слышимый звук находится в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, и, наконец, ультразвуковые звуковые волны имеют частоты выше 20 кГц. Ультразвуковые волны используются в огромном количестве приложений, включая медицинские инструменты, сварку, обнаружение дефектов в материалах и дальномеры.
В котлах ультразвуковые датчики могут использоваться для контроля толщины слоя топлива на колосниковой решетке. Это может служить в качестве измерения обратной связи для топливного контроллера для проверки того, правильное ли количество топлива поступает в горелку, а также для обнаружения любых неровностей в топливном слое. Ультразвуковое измерение дальности выполняется путем подачи звукового сигнала и последующего измерения времени, необходимого для отражения сигнала. Скорость звукового сигнала зависит от среды передачи, в данном случае воздуха для горения, и температуры. Следовательно, чтобы ультразвуковые измерения можно было использовать, необходимо также контролировать температуру в камере сгорания. Поскольку камера сгорания может содержать некоторое количество взвешенных в воздухе частиц, они могут вызвать помехи в измерениях. Низкочастотные сигналы лучше подходят для такой среды, чем высокочастотные.
Камера и видеонаблюдение
Использование камер и видео является одним из распространенных методов наблюдения во время горения и дает операторам полезную информацию о процессе для ручной регулировки. Обычно используемые приложения отслеживают положение фронта пламени и глубины топлива, а также определяют, оголена ли какая-то часть решетки. Расположение камеры имеет большое значение, и желательно, чтобы решетка была как можно больше. Для этой цели также можно использовать инфракрасные (ИК) камеры, но они обычно дороже обычных камер. Визуальный контроль со стороны операторов также будет потерян при использовании ИК-камер.
Анализ изображений
С помощью простой камеры и программного обеспечения для анализа изображений можно получить информацию о процессе сгорания, которую можно использовать в системе управления для регулирования расхода воздуха и скорости подачи топлива. Высоких требований к разрешению изображения нет, вместо этого предпочтительнее низкое разрешение, поскольку можно избежать шума от искр. Высокое разрешение также приведет к большим размерам изображений, что продлит необходимое время обработки. Анализ изображения может быть реализован для любой горелки, независимо от размера и типа используемого топлива.
Алгоритм анализа изображения может включать следующие шаги для автоматического определения положения фронта пламени вдоль решетки. Изображение дискретизируется и преобразуется в оттенки серого, где каждый пиксель имеет значение от 0 (черный) до 255 (белый). Затем изображение в градациях серого преобразуется в бинарное изображение, где всем пикселям выше определенного значения присваивается значение 1, а всем пикселям ниже — 0, в результате чего получается бинарное изображение, в котором пламя белое, а остальная часть изображения черная. Фронт пламени можно определить по-разному. Один из способов — ввести систему координат и найти наибольшую площадь единиц, а затем двигаться построчно, пока не останется только 20 % единиц.
Инфракрасная камера
Инфракрасная камера регистрирует тепловое излучение от процесса горения и дает информацию о различных температурах вдоль решетки, таким образом, информацию о том, где находится пламя. ИК-камеры чувствительны к таким помехам, как тепловое излучение частиц и горение газов внутри камеры. На результаты ИК-излучения не будут влиять копоть и частицы, которые физически блокируют обзор, что является проблемой при использовании обычных камер. Поскольку ИК-камеры более дорогие, желательно контролировать только части решетки. В зависимости от того, какое разрешение необходимо, можно использовать ИК-пирометры, которые имеют дальность обзора в несколько градусов и возвращают среднюю температуру. Еще одной причиной использования нескольких ИК-пирометров вместо одной камеры является сложность из-за нехватки места расположить камеру для хорошего обзора всей решетки. Возмущения от горячего пепла можно уменьшить, контролируя отфильтрованное значение на основе предыдущих измерений.
Мониторинг дымовых газов
Измерение содержания влаги в дымовых газах предъявляет высокие требования к датчикам и приборам в отношении точности и повторяемости. В дополнение к высокой температуре, которая является очевидным ограничивающим фактором, на выбор датчиков влияют частицы и высококоррозионная среда. Дымовые газы могут содержать большое количество сажи и частиц, иногда тлеющих, которые могут блокировать и разрушать фильтры и линзы. Лямбда-зонд Лямбда-зонд, также известный как кислородный датчик, был первоначально разработан компанией Robert Bosch GmbH в 1967 году. С тех пор он претерпел значительные изменения и стал стандартным для всех автомобилей с бензиновыми двигателями для повышения эффективности и снижения выбросов. В последние годы лямбда-зонд также используется в автомобилях с дизельными двигателями для более точного измерения объема впрыска и снижения выбросов. Датчик в основном используется в автомобильной промышленности, но может быть легко использован для управления другими процессами сгорания. Из-за того, насколько широко используются лямбда-зонды, существуют обширные знания об их функциях и поведении. Они также производятся массово, что делает их относительно дешевыми и доступными. Из-за низкой цены их можно считать приемлемым решением для котельных установок всех размеров.
Был проведен ряд экспериментов, чтобы определить пригодность лямбда-зондов для контроля и управления процессом сгорания, большинство из которых дали положительные результаты. Основная проблема заключается в том, что из-за их небольшого размера может быть трудно получить репрезентативную пробу, поскольку концентрация кислорода может варьироваться по площади горелки Решение этой проблемы заключается в размещении датчиков ниже по потоку от места сжигания, где газы более полно смешанный. Это, однако, может вызвать новую проблему, так как это увеличивает задержку управляющего сигнала и может вызвать проблемы в контроллере. Таким образом, положение датчиков очень важно при использовании в системе управления котлом.
Спектроскопия
Спектроскопия – это изучение вещества и его свойств с помощью электромагнитных спектров. Когда химическое вещество нагревается до испускания света, оно дает определенную серию линий в спектре. Эти линии можно использовать для сбора информации о химическом веществе, определяя, где они находятся в спектре и какие узоры образуют. Метод спектроскопии используется во многих областях, таких как химия, астрономия, биология и физика, и может выполняться с использованием частот в диапазоне от микроволн до рентгеновских лучей. Для каждого частотного интервала используется особый метод получения необходимой информации, такой как метод NIR, описанный в статье сайта.
Примерами других распространенных типов спектроскопии являются мессбауэровская, рамановская и инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье. Преимущество использования методов спектроскопии по сравнению с более простым методом лямбда-датчиков заключается в том, что многие из методов спектроскопии позволяют проводить измерения на месте, что означает, что измерения выполняются в самой камере сгорания. Это значительно уменьшает или даже устраняет неприятную временную задержку, влияющую на системы управления лямбда-зондом. Приборы для проведения спектроскопических измерений очень дороги и поэтому подходят только для крупномасштабных котлов, где инвестиционные затраты на такую систему управления имеют более короткий срок окупаемости.