锅炉燃烧器管理系统（Burner ManagementSystem——BMS）目前已经成为300 MW以上火力发电机组必备的锅炉保护、控制设备，其中探测锅炉燃烧状态的火焰检测器的品质直接影响到系统的整体性能。近年来，国内大型机组进口的BMS成套设备占有相当份额，并以美国Forney和Bailey公司的居多，Forney公司的IDD－Ⅱ和Bailey公司的FLAMON火焰检测器具有一定代表性，经过多年实际应用，各自特性已经充分显现，客观分析评价两种产品的特点将为以后的设备选型和使用维护提供一份有益的参考。
　　IDD－Ⅱ和FLAMON火焰检测器都是把燃用油或煤粉的锅炉燃烧工况作为监测对象，两种装置遵循的理论基础基本一致，设计风格则有所不同。

1　设计工业锅炉火焰检测器的理论依据
　　根据国际通行的研究结果，认为燃料在工业锅炉炉膛中燃烧形成的火焰，主要有下面几个特点：第一，火焰具有很宽的连续光谱，发射形态与波长关系图类似黑体曲线，波长从200 nm的紫外线区，经400～700 nm的可见光区，一直延伸到4 000 nm的红外线区。第二，光辐射强度的波动（火焰闪烁频率）能表征燃料种类和燃烧阶段火焰状态，火焰闪烁频率伴随燃烧阶段不同而变化，频率分布在2～600 Hz之间，火焰底部或点火处闪烁频率较高。第三，工业火焰是不透明的。
　　这些特点大致给出了锅炉火焰检测器的设计方向：首先，火焰的光谱范围表明有多种传感器可供选择；其次，火焰的频率特征若在设计放大器时被充分关注和利用，能够有效地提高火焰检测器的分辨力和指向性。在可见光谱区，火焰的不透明性对合理确定火焰检测器探测组件的安装位置有指导意义。

2　IDD－Ⅱ和FLAMON火焰检测器对比分析
2．1　整体结构如出一辙
　　 IDD－Ⅱ和FLAMON两种火焰检测器的整体结构基本相似，都是由火焰探测器组件、专用电缆、火检放大控制器等组成。火焰探测器组件包括传导锅炉火焰的光纤、检测锅炉炉膛火焰信号的传感器和保护这些检测元件的金属保护管、安装支架以及冷却风辅助系统。火检放大控制器将对检测到的火焰信号进行转换、鉴别，完成数据处理、显示报警以及传感器自检等功能。它们之间的专用电缆负责连接设备、传输检测和控制信号。
2．2　传感器特性迥异
　　 FLAMON火焰检测器是一类系列产品，探测具有闪烁特征的煤、油火焰用硅光电池，工作在400～700 nm的可见光区；测量紫外线用的半导体光电二极管，工作波长200～350 nm。国内引进的Bailey火焰传感器几乎都是硅光电池（Silicon Photovoltaic  Cell）型的。硅光电池也就是通常所说的太阳能电池，在光学检测器件中的分类属于半导体光伏探测器，当光线垂直照射p－n结时会产生光电势效应。硅光电池光电转换效率比较高，足够量级的有源输出可以直接进入放大器，因此传感器结构相对简单，接收到炉膛火焰辐射后将输出脉动直流电压信号，含有0～500 mV直流分量和0．05～5 mV交流分量；并与光照强度成函数关系。但硅光电池具有饱和特性，光照强度超过一定幅值将引起交变信号失真乃至失明。在可见光区，烟雾对火焰检测有较大干扰。
　　IDD－Ⅱ火焰检测器使用PbS薄膜光电导传感器，工作在近红外波段，波长1～3μm，这是一种铅盐器件，它的物理结构和光电转换特性与硅光电池完全不同。20世纪40年代在第二次世界大战中由德国第一个研制成实用的PbS红外探测器，首先用于军事，尔后逐步扩展到民用领域。PbS光检测器的特点是空间分辨率高、响应速度快。不过，因为光线照射到传感器上产生的是光电导效应，输出无源信号，所以必须配备前置放大器才能工作。IDD－Ⅱ的PbS光电导传感器和前置交流放大器整体封装在一起，输出交流正弦波信号，正常工作范围在100～200 mVAC。红外光谱区比可见光谱区有更丰富的内容，相对宽裕的频谱区间利于提高仪器的火焰辨识能力。
2．3　控制器大相径庭
　　IDD－Ⅱ火检放大控制器在配合Forney的ECS－1200计算机分布控制系统使用时，型号为ECS－Q120 IDD，双侧插板型，外形尺寸304．8 mm×152．4 mm，集装在标准机柜中。这是一款采用大规模数字和线性集成电路并运用了计算机技术的电路卡板，选用Intel8085 A CPU芯片作为控制器。交流模拟火焰信号先经过滤波限辐、交流放大、鉴频检波，再通过计算处理，然后输出火焰开关数字信号，Intel8032单片机管制通信接口，冗余IOIF通信链与遥控站主机相连，实时交换数据。

　　为了防止把炉膛内高温金属、高温烟气发出的红外线错误地感知为炉膛火焰，火检放大控制器的输入回路是按照鉴频原理来设计的。可编程鉴频放大器对只有辐射强度而无光强波动闪烁频率的红外线会视而不见，在选择的波动闪烁频率范围（通频带）内，火焰辐射强度超过一定量级才被确认“燃料着火”，特征火焰闪烁频率以及频带宽度可以根据要求和试验结果进行调节，用以区分不同燃料和燃烧的不同阶段。
　　放大板上除了交流放大增益细调电位器外，再无其它供调整的元器件。定义鉴别火焰状态的闪烁频率、通频带宽和放大器增益等参数可通过放大板上的RS－422接口，利用便携式手持编程器送入Battery－RAM。
　　IDD－Ⅱ火焰检测放大器设计有传感器在线自检功能，工作状态下自检周期内由控制器发出信号瞬间封闭探测光路，即时识别传感器状态，发现异常立刻报警提示，以此保证不因传感器的错误而发出错误的火焰信号。
　　与Bailey infi－90计算机分布系统配套的是一种墙挂式FLAMON火检放大控制器（外形尺寸：高292．1 mm；宽279．4 mm；厚162．56 mm），一个控制箱内容纳4块火焰信号接收板、1块继电器输出板（选配件），插接在基座母板上。火焰信号接收板虽然使用了部分集成电路，但纵观整机元件选配和生产工艺，并未脱离分立电路这一层面，火焰接收板原理见图2。从图中可以看出为了抑制硅光电池强光饱和，专门设计了具有负反馈功能的ACL（Automatic CellLoading——硅光电池负载自适应 ）电路来控制火焰探测传感器的静态工作点，分量创造保真的动态空间，其目的是扩大光强工作范围，给火焰闪烁提高适应复杂燃烧　　工况的能力。对于如何识别火焰交流分量、分辨闪烁特征这一至关重要的技术问题，FLAMON火检仅仅在动态滤波器中固定了一个涵盖油和煤火焰光谱的通频带，带宽和中心频率都不可调，至少是没有为用户提供现场调试火焰闪烁频率的手段。增益可调放大器的增益调整改变光强幅度，电子快门动作电平的调整移动光强阈值，现场调试参数均与光强有关。　　

　　该控制器是一机多用的组合式产品，通过更换电路插板、改变跨接跳线、拨动DIP开关等操作就能够变换出不同用途的火检控制器。这对于小批量、多品种的生产商是有利的，但使用者在应用过程中面对过多的跳线、开关、电位器会感到烦琐，人们通常认为电子产品的可调部件越少故障几率也越小。
　　FLAMON火检的自检要经过内定跳线外引控制逻辑来实现。
　　为了预防瞬间燃烧波动引发“熄火”而造成燃烧器跳闸，两种火检放大器都设计有输出延时保持电路。
2．4　探测器各具匠心
　　FLAMON火检探测器组件制做考究，外套金属管保护，管内从前至后顺序装有光学透镜、光导纤维、硅光电池传感器以及插座和信号引出线等附件，金属保护管后部有法兰固定支撑，靠近保护管前端部有一段可弯曲的柔性波纹管和带支脚的端部锁定器；保护管内通流冷却风。突出的优点是冷却和防尘措施考虑周到，探测器光纤前端装有特制保护镜片，冷却风沿镜片周边缝隙强力喷出，兼有光纤防尘、防灼双重功能。而组件尾部装有高、低压备用风路，为日常维护提供便利和保障运行中更换部件时的安全。
　　IDD－Ⅱ探测器组件结构设计简单，保护管前端是敞开式的，没有光纤前端保护镜片（此点是设计者认为不需要，还是找不到与红外窗口相符的镜片，不得而知）。总之，尽管探测器保护管内也通有冷却风，但光纤损伤的几率比较大。PbS传感器安装在保护管尾端外部，通过一个快装接头与管内光纤耦合，拆装便捷、易于维护。

3　性能点评
　　（1）FLAMON火检探测器组件结构设计合理，兼顾了运行、维护、检修各方面的需求，制作工艺精良，能有效延长光纤使用寿命，减少日常维护工作量。反观Forney火检探头部件则相形见绌，光纤时常受损，缘于冷却、保护不周。
　　（2）两种传感器各有所长，又都需辅助措施弥补不足。但针对光谱选择性、测量响应时间有较高要求的场合红外传感器更具特色。
　　（3）放大控制器IDD－Ⅱ火检略胜一筹，不仅因电子器件集成度高并运用了计算机技术，重要的是设计者把对锅炉炉膛火焰燃烧机理的充分理解贯彻在电路设计中，突出了利用频率差异分辨火焰特征的技术性能，使火焰检测器能够识别不同的燃料和燃料的着火区以及稳定燃烧区，回避背景火焰、高温烟气的干扰。据最近资料介绍，Forney公司已有性能更为完善的火检装置在国内电厂中运行，显然与IDD－Ⅱ奠基的设计思路密不可分。
　　FLAMON火检注意到了锅炉火焰的闪烁特性，否则就不会在火检接收板上设计有动态滤波器，但在提高装置性能的关键一步上不知因何嘎然而止，没有更深入地发掘鉴别火焰特征的能力。虽然使用指南中标明该装置能用于监视火焰的着火区，但电路上体现不出“变频”能力，故此实际应用时难辨目标火焰和背景火焰，削弱了火检的指向性能。

4　适用范围的建议
　　火焰检测器的选择和系统要实现的功能有直接关系，BMS系统实际上是锅炉FSSS加燃烧器SCS。惟有区分火焰特征“点监视”燃料着火区的火焰检测器，才符合BMS的要求，不然何谈燃烧器的单元顺控？如果在四角喷燃、切向燃烧、门型直流燃烧器的锅炉上使用，选择类似于IDD－Ⅱ具备火焰“中心频率可调、通频带宽能变”的火检比较适宜。只打算实现FSSS功能或锅炉喷燃器特殊布置，如对冲、W型火焰等，监视炉膛“火球”火焰就能满足要求，取形式如FLAMON或IDD－Ⅱ，使用效果区别不大。

参考文献

（1）吴宗凡等．红外与微光技术．北京：国防工业出版社，1998．