工业锅炉炉膛可视化监测系统研究

魏鹏娟,叶竹辉

(陕西交通职业技术学院,陕西 西安 710018)

锅炉作为工业生产的重要设备之一,其主要作用是将水加热变为蒸汽,以提供工业生产所需的高温、高压蒸汽能源。在工业生产中,工业锅炉能够垫平生产高峰期的需求,提供额外的蒸汽能源以支持正常的生产运转,还能够通过先进的燃烧技术及废气处理系统,控制烟气排放的含量和浓度,避免对环境造成污染和影响。我国的工业锅炉常以煤粉为主要原料,在正常运行的过程中需要确保炉膛内的燃料燃烧稳定,从而保持稳定的火焰以及热量供应。火焰燃烧状态不稳定或者燃烧面积过小都会在一定程度上导致锅炉的效率降低,进而造成能源浪费以及环境污染。现阶段,为了提升工业锅炉的运行效率以及使用安全性,工业企业多采取监测系统对其进行保护和控制。一方面提升锅炉运行的稳定性,另一方面提升锅炉的使用效率,尽可能节约能源成本。随着科学技术的不断发展,对工业锅炉炉膛监测的技术不断进步,极大地提升了锅炉整体运行的经济效率。本文从多方面进行探究,分析可视化监测在工业锅炉炉膛监测中的应用,为我国工业锅炉的高效稳定运行提供借鉴意义。

1 工业锅炉的基本概念和炉膛结构

工业锅炉是工业领域中常用的热能设备,主要用于提供蒸汽、热水或其他热质体来驱动机械设备或供应热能。工业锅炉通常由锅炉本体和烟气系统两部分组成,锅炉本体包括炉膛、过热器、再热器、汽包、水冷壁、篦条和给水系统等组成部分[1]。而炉膛是工业锅炉的关键部位之一,其结构和性能直接关系到锅炉的烟气排放效果和热效率。

炉膛的主要作用是在其中将燃料燃烧产生的热量传递给水来产生蒸汽并从而产生功。不同型号以及使用功能的炉膛存在明显的差异性。炉膛一般分为前、后、下炉膛以及过热器的燃烧室。其中,前炉膛的主要作用是使燃料快速燃烧,同时预热空气;后炉膛则主要完成燃烧工作,将燃料燃烧生成的高温气体通过水冷壁向锅炉另一端进行传递;下炉膛(也称为灰斗)则主要收集炉渣和灰渣,保持炉膛的干净[2-3]。以循环流化床锅炉为例,如图1所示。

图1 循环流化床锅炉构造图

循环流化床锅炉由炉膛、汽包、过热/再热器、旋风分离器、省煤器、返料装置等构成。在运行过程中,煤粉经由输送带送入炉内,完成高温脱水以及燃烧等流程[4]。未燃尽颗粒经由返料装置重新送回炉内。燃烧完成产生的高温灰渣经流化风间接或者连续排出。

2 可视化监测系统的原理及价值

2.1 可视化系统原理

可视化监测系统是一种对工业锅炉炉膛进行在线实时监测的技术。其主要原理是通过在炉膛中悬挂高温摄像机和高温光纤传感器等设备,对炉膛内部的温度、压力、燃烧质量等参数进行监测,并将监测数据实时传输到监控中心进行数据分析、处理和预警。可视化监测系统的主要构成部分包括高温摄像机、高温光纤传感器、数据采集器、云平台等组成部分[5-6]。其中,高温摄像机是一种高温环境下可操作的摄像机,可以将实时图像传输到数据采集器进行处理;高温光纤传感器则是一种可以测量炉膛内温度和压力等参数的传感器,可以将监测数据传输到数据采集器进行处理并存储起来;而数据采集器则是可视化监测系统的核心部分,负责接收炉膛内的监测数据,进行在线实时处理,并将数据传输到云平台等后台系统进行进一步处理、存储和管理[7]。

2.2 可视化系统应用价值

可视化监测系统作为一种新兴的工业监测技术,具有在工业锅炉炉膛中广阔的应用前景。一方面,可视化监测系统可以有效提高工业锅炉的安全性能和能源利用效率,通过对炉膛内部的实时监测和分析,及时掌握炉膛内部的运行状态,发现潜在的安全隐患并进行及时的处理,同时提供有效的参考数据和优化控制策略,以提高工业锅炉的热效率,降低能源消耗[8]。另一方面,可视化监测系统还可以支持智能化管理,提高智能化控制水平。通过对监测数据的分析和处理,可视化监测系统可以为工业锅炉的智能化控制系统提供实时的数据支持和参考,进而实现在线的优化控制。总之,可视化监测系统在工业锅炉炉膛中具有广阔的应用前景[9]。其不仅可以提高工业锅炉的安全性能和热效率,还可以支持智能化管理和优化控制,为保障工业锅炉的运行安全和提高运行效率提供了有力支持。

3 工业锅炉可视化监测系统设计

本方案旨在设计一款适用于工业锅炉的炉膛燃烧可视化监测系统,通过硬件和软件的结合,可以实现对炉膛燃烧状态的实时监测和分析。

3.1 可视化监测系统整体设计方案

(1)监测原理。锅炉炉膛可视化监测的原理是通过在锅炉炉膛内安装摄像头,并将拍摄到的图像实时传输至监控室,以实现对锅炉炉膛的实时监测。

(2)摄像头选型。在选择摄像头时,需要根据炉膛内部的特殊环境进行选择。一般应选用防爆、高温、防腐等特殊要求的工业摄像头。同时应考虑摄像头的画质、角度、焦距等参数以及可靠性和耐久性等因素[10]。

(3)图像传输。锅炉炉膛内环境恶劣,在监测图像传输时应选择高清数字视频传输系统,选择高质量的视频转换器和传输器材,以确保图像的传输质量和实时性。

(4)监测室监控系统。监控室内应设置大屏幕显示器,对摄像头传输的画面进行实时显示。同时,还需配合语音提示系统,及时向监测人员提供报警信息或异常情况的提示。

(5)报警系统。如果监测到锅炉炉膛内出现异常情况,例如,温度过高、燃烧不充分等情况,系统会自动向监测室发送报警信息,并启动应急机制,确保锅炉的安全和稳定运行[11]。

3.2 硬件设计

硬件设计的核心是燃烧分析仪,可以通过对燃气成分及温度的分析,得到燃烧状态的数据。

燃烧分析仪的主要组成部分包括:

(1)探头:负责采集燃气样品,通常采用灵活的高温管道进行连接。

(2)分析仪:通过对采集到的燃气样品的分析,可以得到燃烧状态的数据。

(3)信号处理模块:对分析仪返回的数据进行处理和转换,使其变成可读取的形式。

(4)显示屏:显示燃烧状态的数据[12]。

硬件设计的另一个重要方面是图像采集设备,通过获取燃烧过程中产生的图像,可以对燃烧状态进行直观的观察和分析。图像采集设备的主要组成部分包括:

(1)摄像头:用于采集燃烧过程中产生的图像。

(2)控制模块:用于控制和调整摄像头的设置,例如调整焦距、光圈大小等。

(3)数据存储模块:用于存储采集到的图像数据[13]。工业锅炉可视化设计流程如图2所示。

图2 工业锅炉可视化设计流程

通过燃烧分析仪对炉膛内的燃烧情况,汇总燃烧信息。借助图像采集炉膛内火焰的图像,并进行结果分析,结果汇总后传输给远程控制端,以实现对锅炉炉膛状态的实时监测。

3.3 软件设计

软件设计的核心是对燃烧状态的数据进行实时监测和分析,提供直观的展示和分析结果。如图3所示。

图3 可视化监测功能

软件设计的主要功能包括:

(1)燃烧状态的实时显示:显示当前的燃烧状态,例如燃气成分、温度等参数。

(2)燃烧状态的历史记录:可以对燃烧状态进行历史记录,便于分析燃烧状态的变化趋势[14]。

(3)图像的实时显示:通过图像采集设备,可以实时展示燃烧过程中产生的图像。

(4)图像的分析功能:通过对图像的分析,可以得到更详细的燃烧状态信息,例如燃烧区域、热点位置等。

(5)异常报警功能:当燃烧状态出现异常时,可以通过声音或者图像的形式进行报警提醒。

4 结 语

锅炉炉膛可视化监测可以帮助操作人员实现对锅炉运行状态的实时监测和分析。通过这种监测方式,可以及时发现锅炉中的异常情况,识别可能出现的问题并采取必要的措施进行修复,从而确保锅炉的安全运行和高效能运转。同时,这种监测方式还可以提高设备运维的效率,减少人工检查的需求和减轻工作负担。总之,锅炉炉膛可视化监测对于保证设备安全和提升设备性能具有重要的意义。