（一）火焰检测原理

燃烧火焰具有各种特性，如发热程度、电离状态、火焰不同部位的辐射、光谱及火焰的脉动或闪烁现象、压差、音响等，均可用来检测火焰的“有”或“无”。以煤、油作为锅炉燃料的锅炉在燃烧过程中会辐射红外线（IR）、可见光和紫外线（UV）。

所有的燃料燃烧都辐射一定量的紫外线和大量的红外线，且光谱范围涉及红外、可见、紫外。因此，整个光谱范围都可以用来检测火焰的“有”或“无”。

由于不同种类的燃料，燃烧火焰辐射的光线强度分布是不同的，相应地采用的火焰检测元件也会不一样。一般说来，煤粉火焰中除了含有不发光的CO2和水蒸气等三原子气体外，还有部分灼热发光的焦炭粒子和炭粒，它们辐射较强的红外线、可见光和一些紫外线，紫外线往往容易被燃烧产物和灰粒等吸收而很快被减弱，因此煤粉燃烧火焰宜采用可见光或红外线火焰检测器。在暖炉油火焰中，除了有一部分CO2和水蒸气外，还存在大量的发光炭黑粒子，它也能辐射较强的可见光、红外线和紫外线，因此可采用对这三种火焰较敏感的检测元件进行测量。而可燃气体（有些电厂的锅炉以此为燃料）燃烧时，在火焰初始燃烧区辐射较强的紫外线，此时可采用紫外线火焰检测器进行测量。

除辐射稳态电磁波外，所有的火焰均呈脉动变化。因此，单燃烧器工业锅炉的火焰监视，就可以利用火焰脉动变化特性，采用带低通滤波器（10～20Hz）的红外固体检测器（通常用硫化铅）。但电站锅炉多燃烧器炉膛火焰的闪烁规律与单燃烧器工业锅炉大不一样，特别是在燃烧器的喉部，闪烁频率的范围要宽得多。

在低频范围（10～20 Hz），煤粉与油“有火”与“无火”之间闪烁强度的差异量都很小；煤粉“有火”与“无火”之间辐射强度最大差异处的闪烁频率约300 Hz；油“有火”与“无火”之间辐射强度最大差异处的闪烁频率约100Hz。因此，对煤粉与油而言，“有火”与“无火”之间的区别都要在较高的频率（100 Hz以上）才能较好地实现检测。

闪烁频率与振幅间的关系，取决于燃烧器结构布置、检测方法、燃料种类、燃烧器的运行条件（燃料—空气比、一次风速度），以及观测角度等因素。一般来说：

（1）火焰闪烁频率在一次燃烧区较高，在火焰外围处较低。

（2）检测器距一次燃烧区越近，检测到的高频成分（100～300 Hz）越强。

（3）检测器探头视角越狭窄，所检测到的频率越高；反之亦然。

可以推论，全炉膛监视的闪烁频率要比单只燃烧器监视的频率低得多。

在锅炉燃烧现场可以发现，用紫外线光敏管检测器监视煤粉燃烧器时，被监视火焰的信号强度可能等同于或低于毗邻的火焰信号强度，这是因为未燃煤粉在靠近燃烧器喉部处往往起到一种遮盖作用。若火焰检测器视线通过或接近遮盖区，则当该燃烧器停用而炉膛里的其他燃烧器继续燃烧时，信号强度反而比原来增加了，这个结果是用紫外线光敏管检测器监视煤粉燃烧器的一个大问题。

因此，燃煤或燃油锅炉推荐采用检测火焰闪烁高频分量的可见光检测器或红外线检测器。由于气体火焰不具有煤和油所具有的高频（200～400Hz）脉动特性，因而红外监视系统对气体火焰是不起作用的，对气体燃料推荐采用紫外线检测器。

概括地说，炉膛火焰发出的辐射能以不同的频率闪烁着，不同燃料、不同燃烧区的闪烁频率是不同的。炉内燃烧的好坏，其火焰的平均光强度也是不同的。火焰检测器就是利用火焰的闪烁频率和光强度来鉴别火焰有无及强弱的。

（二）火焰检测器类型与选用

火焰检测器担负着检测炉膛火焰的任务，是炉膛安全监控系统中至关重要的部件。常用的火焰检测器有紫外线式、可见光式和红外线式等几种形式。

1.紫外线火焰检测器

这是一种利用火焰本身特有的紫外线强度来判别火焰有无的检测装置。由于紫外线波长范围较狭小，因此，采用的检测探头是可见光和红外线不敏感的紫外光敏管。它是一种固态脉冲器件，发出的信号是与火焰辐射强度成正比例的随机脉冲。紫外光敏管有两个电极，一般加交流高压。当辐射到电极上的紫外线足够强时，电极间就产生“雪崩”脉冲电流，其频率与紫外线强度有关，最高达几千赫。熄火时脉冲消失。

2.可见光火焰检测器

它是利用火焰中存在大量可见光来检测火焰有无的装置。可见光敏感元件有光敏电阻、光电二极管、硅光电池等，能产生与火焰强度成正比的模拟信号。可见光的强度和火焰的闪烁频率经检测和逻辑处理后，可鉴别相应燃烧器的火焰的“有”和“无”。

3.红外线火焰检测器

它是利用红外线探测器件的火焰检测装置。采用的是硫化铅光敏电阻为敏感元件，可检测燃烧火焰中大量存在的，不易被煤尘和其他燃烧产物所吸收的可见光和部分红外线，是一种可靠性高，应用范围广，单只燃烧器监视效果好火焰检测器。

电站燃煤锅炉的火焰监测具有下列特点：

（1）正常启（停）时，从给煤机启动到燃烧器火焰建立（或给煤机停止到火焰熄灭）有延滞时间存在。

（2）检测探头工作条件恶劣（受辐射热、煤尘、飞灰与腐蚀性气体影响）。目前大型锅炉较多采用四角切圆燃烧方式，特别是当采用摆动式燃烧器时，探头只能安装在风盒里，这样的布置使探头工作条件更为恶劣。

（3）喷嘴出口处有脱火区。这是因火焰向喷嘴方向的传播速度低于燃料的喷出速度所致。

（4）紫外线辐射强度低。

（5）煤喷嘴周围有大片浓密的未燃煤粉遮盖。

20世纪60年代和70年代，广泛采用的是紫外线火焰检测器，由于紫外线火焰检测器对天然气和透明无遮盖的轻油火焰检测效果较好，能有效地监视单只燃烧器的着火情况，故在油、气炉上被广泛采用。但是，紫外线辐射易被油雾、水蒸气、煤尘及燃烧产物所吸收，所以在风量失调工况下的重油燃烧或煤粉燃烧中，采用紫外线管检测是不可靠的，尤其是在锅炉低负荷运行或燃用劣质煤时，紫外线的辐射会大量减少，紫外线光敏管检测煤火焰的灵敏度会很低。故一般认为紫外线检测适用于气体燃料而不适宜用于煤粉燃烧。

鉴于上述燃煤锅炉火焰监测中的特点，目前国内外燃煤锅炉（特别是新建的大型电站锅炉）已普遍采用以探测红外线和可见光为基础的新型火焰检测器，它逐步取代了传统紫外线光敏管检测器的地位。

（三）典型火焰检测器

1.可见光火焰检测器

检测火焰在可见光谱段闪烁的煤粉火焰监视产品有多种。如Bailey公司的火焰闪烁检测器、CE公司的Safe ScanⅠ型检测器等，前者的光敏元件采用硅光电池，后者的光敏元件采用带红外滤波器的硅光电二极管，对此光电信号一般都采用对数放大器进行预处理。检测器同时能一定程度地检测火焰的闪烁频率和亮度信号，可正确判断火焰的有无。Safe Scan I用于燃煤锅炉的火球监视，在低负荷时反应比紫外线监视灵敏。下面以CE公司的产品为例，介绍可见光火焰检测器。

（1）可见光火焰检测器概貌。美国CE公司生产的Safe Scan I型和II型火焰检测器，目前在大型燃煤锅炉火焰检测中应用比较广泛，它是一种利用光电管的光敏特性制成的可见光式火焰检测器。

用光谱分析仪和示波器记录的脉动特性表明：带红外滤波的光电管对5～12Hz光波响应最为强烈，随着频率增加响应减弱，增至60～80 Hz时基本上无反应。无红外滤波的光电管对频率3～6Hz光波响应最为强烈，增至20～30Hz时基本上无响应。

带红外滤波的特性可以得到较高的频率灵敏度，提高火焰信号的鉴别能力。目前，CE公司的Safe Scan I型和II型火焰检测器正是利用了这一特性，采用了带红外线滤波器的光电二极管，这种光敏元件的敏感波长仅为400～700nm，其范围正好是可见光的波长范围，且它的波形峰—峰值较大，灵敏度较高，所以采用带红外滤波的光电管来检测炉膛的火焰最为合适的，这将大大提高检测系统的可靠性和探头的鉴别能力。

炉膛火焰的可见光通过探头内的透镜将光信号引出炉膛，经探头板将光信号转换成电流信号，该电流信号的大小反映了炉膛火焰的强弱，电流信号的频率反映了火焰的脉动频率。电流信号通过屏蔽电缆送往远程处理机架，电流信号在处理机架内经“电流—电压”转换和放大后，经三个通道分别对火焰信号进行频率检测、强度检测和自身故障检测，三路信号处理均用发光二极管指示结果。强度检测信号在一超小型表计上可以反映出火焰信号的强度大小。如果火焰检测器本身无故障，火焰频率信号和强度信号又在设定的正常范围内，则“强度”、“频率”指示灯亮，“故障”指示灯灭，并发出“有火焰”信号。

火焰的频率能反映燃烧火焰的特征。如煤燃烧形成火球的脉动频率通常为10Hz左右，而燃油的频率约40～60 Hz，单根油枪火焰频率一般为30～35Hz。

（2）可见光火焰检测器的主要组成部分。

1）探头及探头板部分。火焰检测器的探头由平镜、凸镜、光纤导管等组成。

炉膛火焰通过透镜，再经长度为1.5～2m的光纤电缆，将火焰信号送到位于锅炉旁边的探头板上。光纤传输的光电信号直接照射到光电管，由于光电二极管输出的电流是光信号的对数关系，故在此采用了对数放大器，使转换后的电流信号与光信号呈线性关系。对数放大器有两个外接电位器，一个用于调整增益，另一个用于调零。光电流信号通过对数放大器转换成火焰光的电压信号。由于电流信号易于传输，且抗干扰性能好，因而采用传输（跨导）放大器将电压信号转换成电流信号，然后通过四芯屏蔽电缆将信号送至处理机架。

2）强度检测部分。强度检测是对火焰的直流分量进行检测。直流分量反映了火焰的强度（亮度），火焰越亮信号的直流分量越强。

从现场来的电流信号送到处理机架后，首先经过I/U放大，将电流信号转换成电压信号，然后分成三路，同时输到强度检测，频率检测和故障检测回路中去。

强度检测时，首先对强度信号的高限和低限进行设定。当火焰的强度信号超过高限设定值时，强度允许信号即有输出。反之，低于低限设定值时则没有输出。适当提高高限阀值以提高火焰鉴别能力，设置较低的低限值以保证有足够的灵敏度。

众所周知，炉膛火焰在各处的分布是不均匀的，如喷燃器火焰包络的根部火焰强度最强，而其远端火焰强度就相对弱些。根据这种现象就可以在背景火焰的情况下，对开始点火的喷燃器状态进行监视，以判断喷燃器是否点着。如果喷燃器点燃，火焰的强度分量就会超过高限设定值，该电路就输出强度允许信号，显示“有火焰”。如果检测器用于全炉膛火焰监视，若喷燃器熄火但炉膛仍有余火，则强度信号虽低于强度高限值，但不低于低限值，因而仍显示有火焰，直至炉膛灭火，强度信号消失，显示“无火焰”。当然，这些强度高、低限设定值是通过现场试验确定的。(www.daowen.com)

强度信号还可用来作为模拟量显示信号，送到火焰强度指标表上进行强度显示。

3）频率检测部分。频率检测是利用火焰的脉动特性进行检测的。来自I/U的信号经交流放大器和触发器后换成一系列方波脉冲，该脉冲信号的频率随火焰信号的频率而变，它与一个频率可调的鉴频器的内部设定频率进行比较。当火焰信号频率高于设定频率时，鉴频器输出“频率允许”信号，反之没有输出。即火焰信号频率低于设定值时，就不会发生“频率允许”信号。

由于喷燃器出口的气粉混合物，在气流振动越强时燃烧反应速度越快，其燃烧火焰发出可见光的脉动频率就越高。而距喷燃器出口越远的燃烧区（火焰伸展部分），由于氧量供应不足而振动减弱，则燃烧速率降低，致使燃烧火焰的脉动频率也较低。

而且不同燃料燃烧时，其火焰频率是不同的。如煤燃烧的火焰频率约为10Hz，油燃烧的火焰频率为30 Hz。由于两种火焰的脉动频率有明显差异，油燃烧火焰脉动频率高于煤燃烧火焰的脉动频率。根据这一特性，当多种燃料同时燃烧（如煤、油混合燃烧）时，若需检测油燃烧的火焰是否存在，只要采用高通滤波器将火焰信号的低频分量滤去，就可得到油燃烧的火焰信号。

CE公司炉膛安全监控系统，充分考虑了各种锅炉在不同燃烧工况和使用不同燃料的情况下，对火焰频率的有效检测，在火焰检测机箱面板上，装有可以对高通滤波器的频率进行设定的8个小型开关（DIP开关），频率设定范围为3～100 Hz。以满足不同的现场检测需求，如火球的脉动频率约为5～15Hz，煤粉燃烧器火焰根部的脉动频率在10～30 Hz之间，油枪火焰根部的脉动频率在20～40Hz之间。且随着负荷增加，火焰的脉动频率也会随之增加。

操作人员可以通过现场试验确定频率的设定值，调整频率鉴别器的内部设定频率，可以将所要检测的火焰区别开来，从而大大提高火焰检测器的可靠性。例如：在煤粉和油同时燃烧时，若要鉴别油枪的火焰，尽管检测器探头对准油枪火焰，但炉膛背景火焰（煤粉燃烧形成的火球）不可避免地被摄取，此时只要采用高通滤波器，即可容易地获取到油燃烧的火焰信号。

4）故障检测部分。故障检测回路，是一个连续地将火焰信号的幅值与事先整定好的高/低限值进行比较的回路。当探头、信号传送电缆或光电转换电路等工作正常时，送来的火焰（电平）信号在故障检测回路设置的高限和低限之间，此时检测回路输出低电平，表示火焰检测器工作正常无故障。当探头、信号传送电缆或光电转换电路出现故障时，故障检测回路的输入信号就会高于高限值或低于低限值，该检测回路将输出高电平，故障报警指标灯亮，“有火焰”指示信号被闭锁。

（3）CE公司Ⅰ型和Ⅱ型火焰检测器的应用。CE公司的可见光火焰检测器分为Safe ScanⅠ型和Ⅱ型两种。

Safe ScanⅠ型火焰检测器的基本原理如前所述。它可用于燃煤锅炉的火球检测、油枪火焰检测、燃气炉火焰检测等。

Safe ScanⅠ型火焰检测器，利用光纤电缆将光信号引出炉膛，对燃烧过程发出的可见光进行固有频率和强度检测。光纤的炉膛内端有一个检测透镜，并配有专用的冷却风系统，以保护镜头不受高温火焰损坏。光纤的炉外端连接探头板，将光信号转换成电信号，然后进行强度、频率和故障检测。

在强度检测回路内，可通过“高限可调电位器”和“低限可调电位器”进行火焰强度的高、低限设定。如对于燃油火焰，其火焰强度高限值一般设定为55%～60%，低限值一般设定为38%～40%。在频率检测回路内，可通过调整频率插件板上的开关，将回路内部参考频率调至建立稳定火焰所需的最低频率，如燃油火焰的参考频率一般调整在15 Hz左右。

Safe ScanⅡ型火焰检测器的测量原理与Ⅰ型基本相同，但它能采用一个探头同时检测两种不同燃料的火焰，能在背景是炉膛火球火焰的情况下，鉴别出邻近单根油枪的火焰。探头部分将检测到的两种燃料的可见光信号转换成电流信号，送到检测器的处理机架。同样，处理机架内部也设有频率检测、强度检测和故障检测回路。

Safe ScanⅡ型火焰检测器的频率检测回路有两路：一路按单根油枪火焰频率设定，另一路按煤粉火焰频率设定。两路频率检测回路都与一个探头相连，这样避免了在同一个二次风室内装设2套火焰检测探头，可节省一部分探头及电缆的投资。探头装置于油枪边，当油枪停止工作时，又可检测煤粉火焰。

1）单个火焰检测器的应用。下面以煤油混烧的情况下，检测某一煤粉喷燃器的火焰状态为例，简述单个火焰检测器的应用。

将火焰检测器的探头对准喷燃器摄取火焰信号，其火焰强度含有背景火焰强度分量和喷燃器火焰强度分量，而火焰频率则含有油火焰频率和煤火焰频率。该火焰信号经光电转换、对数放大、传输放大，然后将信号送至处理机架，再经电流/电压转换，分别送至3个检测回路去。若光电转换正常，则故障检测回路输出“无故障”信号。此时，频率检测回路的频率设定值为煤火焰脉动频率值，检测回路的低通滤波器将油火焰的高频分量滤去，电路输出“频率允许”。最后将“强度允许”、“频率允许”和“无故障”信号经过“与”运算，输出喷燃器“有火焰”信号。上述3个输入信号中某一信号为逻辑“0”（如喷燃器熄火，则“强度允许”为逻辑“0”），喷燃器“有火焰”信号就消失。

2）层火焰监视的应用。电站四角喷燃锅炉的炉膛火焰检测一般都是以层为单位。每一层安装4只探头用于检测同一层的4只油枪火焰或煤粉燃烧器的火焰。此时，同一层4个角的单个火焰检测器处理后的火焰信号，需送到一个“2/4火焰指示和故障电路”进行逻辑运算。

层火焰监视接受4个检测器的火焰信号，并进行2/4逻辑判断，当4个检测器中有2个或2个以上显示有火焰时，则输出本层“有火焰”信号，同时LED发光二极管点亮，表示层火焰存在。4个检测器中有任何一个出现故障，则发出“本层火焰检测器故障”信号，进行声光报警，并闭锁层火焰信号。

2.红外线火焰检测器

Forney公司的IDD-Ⅱ型火焰检测器是一种典型的红外动态检测器，它在燃烧不同煤种（包括褐煤、无烟煤）的锅炉上，取得了良好的单只燃烧器监视效果。该检测器被设计仅对煤火焰一次燃烧区的动态特性产生反应，而对其他火焰，炉墙等背景的红外辐射没有反应。

IDD-Ⅱ型红外火焰检测器的探头主要包括以下部件：平镜、平凸镜、光导纤维、光电二极管及放大电路。

检测探头用铸铜外壳密封电子线路，探头体积小型化以降低来自炉膛的受热。密封冷却空气的入口连接处与安装管道出口间的压差为1.2k Pa。探头的透镜接受到火焰中的红外线后，再由经过特殊处理的可减少红外线传输损失的光导纤维传送，经光电器件转换成电信号送到远程安装的电子线路板上。电子线路板是以集成电路为主的，可对送来的电信号进行处理；输入有高/低两个信号通道，以适合不同工况或不同燃料对信号灵敏度的需要，且有助于对单只燃烧器火焰的鉴别。IDD-Ⅱ装置可对时间延迟量进行调整，并有自检回路，可对探头和线路进行自检。

IDD-Ⅱ型红外检测器的主要技术性能如下：

检测器敏感元件：硫化铅光敏电阻。

火焰的频率范围：低位为15～4000Hz，高位为55～7500 Hz。

探头的工作温度：60℃（140℉）。

放大器工作温度：55.7℃（132.26℉）。

检测器工作波长：700～3200nm。

检测元件视野角：90°。

红外元件的可靠性大大优于紫外光敏管。紫外光敏管往往会“自激”，其故障形成表现为在“无”火时指示“有”火，因而必须采用带机械快门的自检系统，还需周期检查管子与线路是否正常。而红外元件的故障形式，多表现为“有”火时表示“无”火（不灵敏）。从保护设备角度看，红外元件比较安全，它没有虚假指示火焰闪烁的缺陷。

IDD-Ⅱ型火焰检测器探头布置于四角切圆燃烧炉膛各角燃烧器的二次风风口内，在同一水平高度（同一层）的4个探头与同一机箱相接。当鉴别单根油枪的火焰时，通常将探头安装在油枪旁边（上游、下游均可）；当检测全炉膛火焰时，通常将探头置于两个相邻煤粉燃烧器层中间的二次风口内。通过在许多锅炉上的实际使用，已证明IDD-Ⅱ型火焰检测器在鉴别能力、抗干扰能力、可靠性、冷却及吹扫等方面能够满足使用要求。

采用什么原理实现火焰检测，是表征火焰检测器性能的重要条件之一，但火焰检测器性能的优劣还需从多方面综合考虑，譬如探头定位的难易程度，维护方便与否，电子线路的设计技巧及其可靠性等，最终应视现场应用的成功与否而定。

燃煤锅炉火焰监测技术的关键，是提高单只燃烧器火焰检测的可靠性，以及对所监视的燃烧器与相邻或相对燃烧器火焰间的有效识别。

（四）CE公司火焰检测器的安装和调整

1.火焰检测器的安装

火焰检测器的安装位置对火焰检测的可靠性至关重要。一般而言，煤粉燃烧器的火焰监视采用交叉布置，即相邻两层煤粉喷嘴中间布置一层探头，该探头对上、下相邻两层煤粉喷嘴火焰均有信号反映，而以下层火焰监视为主。这是因为探头对下层邻近的一次风口火焰敏感，而对上层火焰有时由于风压变动或在工况变动时会受到影响。探头平行装在二次风口内，有利于探头清洁、防止结焦等。探头开孔简单，不涉及水冷壁弯管等问题。但由于二次风道长，很难用机械的办法调整探头角度，一般采用固定探头。

探头除了置于二次风口内外，也可将探头从侧墙看火孔或从侧墙开孔插入，对准火焰靠近根部的光亮区域。此时，由于探头不在二次风中，炉膛辐射温度很高，因而要求探头冷却风十分可靠。为降低探头温度，往往将探头退至炉墙外，前端加装导光管，对准目标区域。

CE公司的Ⅰ型或Ⅱ型火焰检测器的探头通过挠性金属和刚性管与探头安装室相连接，采用金属管的目的是为了使检测器探头能随着燃烧器的摆动而移动，在操作时不能过分弯曲挠性金属管，以免损坏内部的光纤电缆。

根据燃料燃烧的特性，火焰脉动频率与燃料的品种、燃点及燃烧喷口的相对位置有关。一般越靠近燃烧器喷口，火焰脉动频率越高。为了使火焰检测系统有一个较高的设定频率，必须使探头尽可能地摄到最接近燃烧器喷口的部位。

2.火焰检测器的调整

火焰检测器的调整包括：灵敏度、频率响应范围、延时等各项参数的调整，使其在燃烧正常或恶化、相邻燃烧器投入或停运、锅炉负荷大小等不同运行条件下能发出准确的信号。

调整时，既要考虑火焰检测器的可靠性，又要考虑其鉴别能力。在燃烧器上装设多层检测器探头，调整时应将底层探头的值设定低一些，即主要考虑可靠性，而顶层检测器调试则可多考虑些鉴别能力，这是因为在低负荷运行时司炉往往要切掉顶层燃烧器，此时需由火焰检测器监视切投是否成功。

暖炉油燃烧器往往装在主燃烧器着火点附近，即主燃烧区火焰监视范围。由于油的燃烧稳定，火焰信号强于主燃烧器，故要对两者的火焰强度信号加以鉴别是困难的。只能在火焰频率上加以区别。

燃烧器已喷出燃料但不见稳定的火焰是最危险的工况，火焰检测器应及时发现并迅速发出“灭火”信号。反之，当某燃烧器停运时，监视范围不存在燃烧火焰，但往往检测到相邻燃烧器的火焰，因而会使输出回路有信号。但炉膛熄火时，逻辑回路不再输入火焰检测信号，这不会给燃烧器控制带来什么问题。

火焰检测器的调试是一项非常细致的工作，必须在锅炉运行人员的密切配合下反复调整各设定值。