（热能工程专业论文）四角切圆炉单层燃烧器出口流场特征参数提取方法的研究.pdf

摘要 四角切圆炉内流场的分布对其运行的安全性、经济性和污染物生成特性有重 要影响。而在工程实际中，燃烧器出口流场的调整几乎是改善整个炉膛内流场分 布特性的唯一有效手段。因此，对燃烧器出口流场进行监控和研究具有重大的理 论和现实意义。 本文借助已获得的燃烧器出口的单角射流图像，并利用图像处理工具得到了 其他形式的单层射流图像；开发了单层射流的图像处理软件，通过试验对比，优 化了单层燃烧器出口流场分析及特征参数提取的算法，最终成功提取了射流的边 缘轮廓及其几何特征参数。软件的具体算法流程：针对噪声特点，采用加权中 值滤波算法去除射流图像的离散点噪声；选用种子区域增长算法对射流图像进 行分割，将目标图像从背景中分离出来；用自适应边缘检测算法检测射流边缘 像素点；对提取的射流边缘像素点用最小二乘法进行线性拟合；求取射流的 几何中心线位置、中心角及射流扩展角等特征参数。在进行算法设计时：去噪的 滑动窗口设计为1 0 1 0 ，并选择射流图像中最高亮度值的像素为种子5 为误差 限确定增长准则。通过实验表明：此算法的整个流程消耗时间与处理精度的关系 最优，以配置为a m d 2 5 0 0 + ，内存为7 6 8 m 的计算机测试，算法的处理速度为接 近3 s 。本软件数据处理快速、准确，程序算法成熟、稳定，以保证对四角切圆炉 单层燃烧器出口流场进行实时分析。 图像处理技术为电站锅炉炉内流场的计算机辅助分析提供了充分的数据支 持，是流场可视化的基础，使流场的实时监控成为可能。基于图像处理技术的可 视化方法不仅从外形轮廓的角度直观反映流场特性，而且利用射流的几何特征参 数对炉内流场的特性作定量描述。 关键词：空气流场；种子区域增长；燃烧器射流；图像处理；特征提取 a bs t r a c t t h ed i s t r i b u t i o no fa i rf l o wf i e l di nat a n g e n t i a l l yf i r e db o i l e ri s o fv i t a l i m p o r t a n c ef o rs a f ea n de c o n o m i co p e r a t i o na n dp o l l u t a n t sc o n t r 0 1 h o w e v e r , t h eo n l y e f f e c t i v ea p p r o a c hf o ri m p r o v i n gt h ed is t r i b u t i o no fo v e r a l la i rf l o w f i e l di nf u r n a c e s s e e m st ob ea d j u s t m e n to ft h ea i rf l o wf i e l da tt h eb u r n e r s o u t l e t t h e r e f o r e ，i t s s i g n i f i c a n tt om o n i t o ra n ds t u d yt h ea i rf l o wf i e l da tt h eb u r n e r s o u t l e t b a s e do nt h ei m a g e so fs i n g l e - a n g l ej e tf l o wa tab u r n e r s o u t l e ta n dt h e s i n g l e 1 e v e lj e tf l o wo b t a i n e df r o mi m a g ep r o c e s s i n gt o o l s ，as o f t w a r ei sd e v e l o p e df o r p r o c e s s i n gt h es i n g l e l e v e lj e t a i rf l o wi m a g e s b ye x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n s ， a l g o r i t h m sa r ed e s i g n e da n do p t i m i z e df o ra n a l y z i n gt h es i n g l e l e v e lo u t l e tj e ta i rf l o w a n d e x t r a c t i n gp a r a m e t e r s f i n a l l y ，t h eb o u n d a r y c o n t o u r so fje tf l o wa n d c o r r e s p o n d i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r s a r ee x t r a c t e ds u c c e s s f u l l y t h ep r o c e d u r eo f a l g o r i t h m ss t e p sa sf o l l o w s n o i s e so ft h ed i s c r e t e p o i n t si nje tf l o wi m a g e sa r e r e m o v e db yt h ew e i g h t e dm e a nf i l t e ra l g o r i t h mb a s e do np r o p e r t yo ft h en o i s e s ；( 咎t h e t a r g e ti m a g ei ss e p a r a t e df r o mb a c k g r o u n db yu s i n gi m a g es e g m e n t a t i o na l g o r i t h m b a s e do nr e g i o ng r o w i n g ；t h ee d g ep i x e l sa r ed e t e c t e db a s e do na d a p t i v ee d g e d e t e c t i o na l g o r i t h m ；t h ed e t e c t e de d g ep i x e l sa r ef i t t e db a s e do nl e a s ts q u a r e m e t h o d ；p a r a m e t e r sf o rc e n t e r l i n ep o s i t i o n o fj e tf l o wa n do t h e rg e o m e t r i c p a r a m e t e r ss u c ha st h ea n g l eb e t w e e nt w ol i n e a re d g e sa n da n g l ei n f o r m a t i o no fj e t g e o m e t r i cc e n t e r l i n e a r ee x t r a c t e d d u r i n gt h ed e s i g no fa l g o r i t h m ，t h es i z eo f s l i d i n gw i n d o wf o rd e n o i s i n gi s lox10 ，a n dt h eg r o w i n gr u l ei sd e c i d e db ys e t t i n gt h e 5 o fl i g h t e s tp i x e l si nt h ej e tf l o wi m a g e sa se r r o rb o u n d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t e ：t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m e - c o n s u m i n ga n dd a t ap r e c i s i o ni so p t i m i z e d ；t h e t i m e c o n s u m i n g i s a p p r o x i m a t e l y3 s e c o n d st o c o m p l e t e a l l i m a g e sp r o c e s s i n g p r o c e d u r eb yap e r s o n a lc o m p u t e re q u i p p i n ga na m d 2 5 0 0 + c p ua n da7 6 8 m b m e m o r y t h es o f t w a r ec a np r o c e s sd a t ar a p i d l ya n da c c u r a t e l y , a n dt h ea l g o r i t h mi s s t a b l ea n dr e l i a b l e ，w h i c hm a k e st h ea p p r o a c hh a v eap o t e n t i a lm e a n i n gf o rr e a l t i m e a n a l y s i so fa i rf l o wo fb u r n e r so u t l e t s i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e sp r o v i d es u f f i c i e n td a t at os u p p o r tc o m p u t e ra i d e d a n a l y s i sf o ra i rf l o wf i e l do ft h eb u r n e r s o u t l e t si np o w e r s t a t i o n s i ti st h eb a s i sf o r v i s u a l i z a t i o na n dm a k e sb ep o s s i b l ef o rt h er e a l t i m ea n a l y s i so fa i rf l o wf i e l d v i s u a l i z a t i o nm e t h o db a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e sn o to n l yr e f l e c t st h e u p r o p e r t i e so fa i rf l o wf i e l df r o mo u t s i d ec o n t o u r s ，b u ta l s oq u a n t i f i e st h ep r o p e r t i e so f a i rf l o wf i e l di n s i d et h eb u r n e r sb yu s i n gt h e g e o m e t r i cp a r a m e t e r so f j e tf l o w k e yw o r d s ：a i rf l o wf i e l d ；r e g i o ng r o w i n g ；b u r n e r sj e tf l o w ；i m a g ep r o c e s s i n g ； f e a t u r ee x t r a c t i o n i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：私 日期渺年j 一，月了夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期如口年厂月肋日 日期：加1 年b - 月日 龟 亳一 亿 乙他篆 名 名 签 签 者 师 作 导 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 煤炭资源是当今世界上蕴藏量最丰富、价格最便宜的常规能源之一。我国是 世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少有的几个以煤炭为主要能源的国 家之一。在我国的能源结构中，煤炭具有举足轻重的地位，占一次能源的7 0 以 上，其大部分用于发电。因此，以燃煤为主的火力发电机组在我国的电力工业中 占有重要地位。截至2 0 0 8 年年底，中国电力装机容量为7 9 2 5 3 万千瓦，其中火电 装机容量占总装机容量的7 5 7 m 。近年来，随着国家对新能源项目投入力度的加 大，火力机组在总装机容量中的比重会逐渐减小，但预计到2 0 2 0 年火电仍然占到 我国总装机容量的6 0 m 。因此，燃煤机组的安全、经济运行和清洁燃烧对国家 经济的发展、人民生活的提高和生活环境的改善，有着十分重要的意义。 电站锅炉燃烧的基本要求在于建立和保持稳定的燃烧火焰。燃烧不稳定，不 仅会降低锅炉热效率，产生污染物和噪声，而且在极端情况下会引起锅炉炉膛灭 火，如处理不当就会诱发炉膛爆燃，造成事故。如在典型的四角切圆燃烧锅炉中， 燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜和火焰刷墙等情况是 导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火和炉膛爆炸等运行事故的重要原因。因此， 提高火电机组中三大主机之一的锅炉的运行水平，使其安全、经济、环保的运行 是具有现实意义的重大的课题。 我国火电站锅炉大多数是以燃煤为主，因炉内燃烧不正常发生的事故频发不 断，对电厂运行的可靠性、安全性有重大影响。由于炉膛尺寸庞大，燃料在一个 密闭空间燃烧，环境恶劣，其燃烧状况和炉内温度场分布，难于直接测量。过去 使用的测量工具多为对某一点或局部进行测量，如高温热电偶，红外测温仪，光 学高温计等，它们不能在线连续地对整个炉膛空间进行测量，使我们准确地判断 炉内燃烧过程无法实现。实际上对于煤粉炉，燃料是在炉膛三维空间进行悬浮燃 烧，它的工况是极不稳定的脉动燃烧，整个炉内的温度场分布也是不均匀的。但 对锅炉安全经济运行而言，总希望炉内燃烧过程保持稳定和温度场保持均匀，如 果达不到上述要求，则易造成事故。据统计我国火电机组由于锅炉事故引起的机 组非计划停机占全年停机时间的半以上。由于空气动力场组织的不合理，电站 锅炉在运行中主要存在以下问题： ( 1 ) 煤粉着火不稳、燃烧不完全。、二次风组织不好，二次风气流以及顶 部燃烬风送入的时间和位置不当，引起着火推迟、供氧不及时或者火焰中心上移， 导致烟气到达炉膛出口时，还有燃烧不完全的碳和可燃气体存在，不完全燃烧热 损失增加，锅炉燃烧效率降低。 ( 2 ) 炉内结渣。造成结渣的主要原因是燃烧器的结构与布置或炉内空气动力 场状况不理想，运行时实际切圆过大或气流偏斜导致气流贴壁严重而引起水冷壁 结渣，不但使传热效率降低，而且使火焰中心上移，炉膛出口烟气温度升高，水 平烟道出现局部高温，n o ；排放量增加，严重影响锅炉机组安全经济运行。如山 东莱芜电厂1 2 5 m w 机组由于炉内结渣导致长期降负荷运行；元宝山电厂6 0 0 m w 褐煤机组由于炉内结渣不能正常生产【，1 ：北仑港电厂6 0 0 m w 进口机组的l # 炉因 炉内严重结渣引起爆破事故，导致严重的设备损坏和人员伤亡【1 ；1 9 9 9 年上海吴 泾热电厂3 0 0 m w 机组在b m c r 下运行1 0 4 小时后发生炉内严重结渣故障，被迫 停炉清渣【s 1 ；广东沙角发电总厂6 6 0 m w c 3 锅炉在移交电厂的半年时间内，共出 现8 次停炉打焦，其每次的平均损失都在千万元以上【s j 。但是通过采取燃烧器配 风改造和运行调整等相应的措施后，炉内气流状况取得明显改善，基本解决了锅 炉结焦问题，经济效益也非常可观，燃烧效率从9 2 提高到9 3 6 7 【7 l 。 ( 3 ) 过热器和再热器的超温爆管。由于炉内烟气流场( 速度场和温度场) 分 布不均引起炉膛出口气流存在残余旋转，导致过热器和再热器的超温爆管。据统 计，我国由于水冷壁、过热器、再热器、省煤器爆管( 通常称为“四管爆破) 的事故率高达7 1 7 ，占锅炉事故的第一位，导致的非计划停运时间占总的非计 划停运时间的4 0 【s 】，少发电量占全部事故少发电量的5 0 以上【，l ，而其中由于 水平烟道热偏差引起过热器再热器超温爆管占相当大的比重。根据2 0 0 4 年关于锅 炉“四管 爆破国际会议的报道，由于锅炉炉膛结渣、炉膛出口气流残余旋转引 起水平烟道左、右侧烟温差及流速偏差，引起过热器和再热器超温爆管，在各国 的电站锅炉运行中都尤为突出，如俄罗斯的电站事故中有7 5 是由于“四管 爆 破引起f l o _ i l l 。 ( 4 ) 高温腐蚀。大多数发生在亚临界参数锅炉以上，以硫腐蚀为主，腐蚀的 根源在于：由于炉内空气动力场组织不良，导致火焰中心偏移，在四角切圆燃烧 火焰的背火侧形成了还原性气氛，水冷壁附近局部氧浓度极限值无法保证而引起 在缺氧的区域，h 2 s 含量较高产生严重高温腐蚀【幢1 。并且近壁处，在还原性气氛 下，燃料中的氯在燃烧的过程中以n a c l 的形式释放出来，与h 2 0 反应生成h c l 气体附着在高温受热面上( 称为氯腐蚀) 加速了活性h 2 s 的腐蚀，温度越高腐蚀 发展得越快。2 0 0 1 年8 月7 日，湖北汉川电厂l 号炉后墙，燃烧区域水冷壁由于 高温腐蚀使得水冷壁管减薄到l m m ，发生工质泄漏而被迫停炉，检修时发现1 号 角甲侧墙、2 号角后墙、3 号角乙侧墙、4 号角前墙，燃烧区域的水冷壁管均存在 严重的高温腐蚀【1 3 l 。 上述情况，严重时都会造成锅炉停炉检修，更换大量金属部件，对于大型锅 2 炉，一次事故的损失都是非常大的。为了解决上述难题，我们必须对炉内的空气 动力场参数进行全方位的测量，这种测量必须是快速、准确、全面的。由于炉内 热态流场的测量其难度很大，因此，在工程实践中往往通过对冷态流场调试的方 法来判别炉膛空气动力工况的优劣。锅炉炉内空气动力工况不仅直接影响着锅炉 的燃烧工况与效率，还影响着炉膛及受热面的安全性，为解决锅炉结焦、残余旋 转等问题，并为锅炉的改造或热态燃烧调整提供可靠的科学依据，锅炉试验人员 要经常在现场进行冷态空气动力场试验。只有这样，才能判断炉内燃烧复杂的物 理化学过程，从而达到燃烧控制的目的。这些问题对锅炉内流场的检测和诊断技 术提出了更高的要求，是目前国内外电力工业部门的科研设计人员研究的重要课 题之一。 2 0 0 2 年以后，随着厂网分离，电力系统改革的深入进行，发电成本的降低将 是各电厂追求的主要目标。在保证安全运行的前提下，如何提高发电的经济效益 是今后电力科研工作者努力的方向。而要降低发电成本，提高电厂运行的经济性， 一个很重要的方面便是提高锅炉燃烧的经济性，而且锅炉燃烧上面的节能很有潜 力。锅炉燃烧调节包括：燃料量调节、送风量调节、引风量调节三个方面，其中 引风量调节的控制回路比较简单，能够准确控制。要提高锅炉的燃烧经济性主要 是优化燃料量调节和送风量调节两个调节回路。燃料量调节回路由于燃料燃烧产 生的能量到被水冷壁内的水和蒸汽吸收中间有很大的迟延，且由于燃烧强度无法 测量，影响调节效果。考虑借助于图像处理的方法，通过射流图像计算出燃烧辐 射能信号，把这个信号引入燃料量调节回路，以提高燃料量调节的品质。送风量 的调节是今后的一个研究方向【1 4 d s 】。 综上所述，了解和掌握电站锅炉在不同工况下炉内气流的运动规律并能够合 理组织炉内空气动力场，不仅对锅炉运行的安全性、经济性和环保性具有重要的 现实意义，而且对燃烧学、多相流动和大尺度空间传热传质的科学研究具有重大 的理论意义。 1 2 炉内空气动力场研究现状及进展 1 2 1 炉内空气动力学的理论发展 对电站锅炉而言，其炉内燃烧过程的流动工况极其复杂。五十年代以来，世 界上英、美、前苏联、德国等都加强了对炉内空气动力场特性的研究。对冷态和 热态下各种射流及其组合的空气流场动力特性进行了大量的试验研究和探索，逐 步形成了一个新的分支学科一炉内空气动力学 t t j 。 徐旭常等【1 8 】对煤粉火焰的稳定性进行了研究，并指出：煤粉锅炉中，煤粉燃 烧效果的好坏在很大程度上，特别是在高温时，取决于煤粉燃烧的物理过程，即 3 取决于煤粉燃烧时的空气动力场。同时明确提出，炉内空气动力学的任务就是要 很好地研究煤粉燃烧过程中的物理过程：扩散( 浓度) 、传热( 温度) 、烟气流动 情况对煤粉燃烧化学反应的影响，以组织最有利于燃烧化学反应的物理过程。韩 才元等u g l 建立的燃烧空气动力模型也指出：为了保持煤粉火焰的稳定，应该着意 于组织燃烧室中的气流结构，使之能形成有利于煤粉着火、燃烧的区域，即把煤 粉尽快喷入到高温并且具有合适的氧浓度的区域，并使气流中的煤粉在此区域集 中为高浓度，组织“三高区 。 1 2 2 空气动力场研究方法 ( 1 ) 冷态模化法：冷态模化是指冷模或冷炉试验时模拟没有燃烧升温状态下 的炉内流动情况。常用的冷态模化试验方法有：t h r i n g n e w b y 法、z e l k w s k i 法、 改进的z e l k w s k i 法( 燃烧器放大后移加炉底风法) 、纯几何相似模化法以及后移 燃烧器几何相似法【1 9 】等。 t h r i n g n e w b y 法的实质是认为煤粉气流在燃烧器一出口就完全着火、瞬间燃 尽了，因此由燃烧器喷出的射流横截面积相当于燃烧后高温烟气射流的横截面积。 显然这种方法会对燃烧器附近的模化带来较大的误差，但国外利用此方法对距燃 烧器较远处的试验已取得不少有益的结论。z e l k w s k i 法则是将适当放大的燃烧器 后移一段距离，使射流的初速度w o 和炉膛定性截面的平均流速u 之比满足时均 性准则，即h o = w o u = i d e m 。z e l k w s k i 法采用“代用燃烧器 ，即以一个大面积喷 口代替一、二、三次风等单个喷口，以一股射流代替多股动量不同的射流，使燃 烧器出口区域的几何相似和力学相似条件遭到破坏不能满足初始边界条件，给模 化带来误差。如果重点研究炉膛上部的空气动力场，以上两种模化方法还是可行 的。 华中理工大学与其它单位合作，对某6 0 0 m w 机组锅炉炉膛进行的模化试验 中，采用了改进的z e l k w s k i 法模型 2 0 1 ，将燃烧器适当放大后移，并在炉底加上一 定量的空气，以满足时均性准则。在此模型上进行的大量试验研究结果表明：燃 烧器高宽比和燃烧器射流两侧的补气条件对气流的刚度有明显影响，采用燃烧器 分组技术可以改善补气条件。张敢等 2 t l 在研究燃烧器喷口偏转角度对炉内气流假 想切圆直径的影响时采用了这种模化方法。 上述三种方法都需将燃烧器一、二次风喷口放大而互相重叠，燃烧器成为一 条直缝，这就使燃烧器喷口结构、假想切圆组合和运行参数配比的变化对炉内气 流结构影响的研究变得困难。而几何相似模型尽管放弃了时均性准则，忽略煤粉 着火、燃烧后的气流密度变化和体积膨胀而只保证燃烧器和炉膛结构的几何相似， 但就研究防止结渣和高温腐蚀的目的而言，几何相似模型试验结果是偏于安全的。 事实上，新锅炉在安装之后或原有锅炉改造之后，通常都要进行实际炉膛的冷态 4 空气动力场试验，以观察、测量炉内气流的流动结构，防止出现气流贴壁、旋转 中心不在炉膛几何中心等不良现象的发生，此即为几何相似模化比为1 ：1 的空气 动力场试验。因此，我国许多高校、研究所、锅炉厂、火力发电厂等单位大多采 用纯几何相似模化技术来分析研究四角切圆煤粉锅炉炉内空气动力场存在的问 题。此外，章旋等f z ：一，l 采用纯几何相似模化技术对燃烧器四面墙中心布置切向燃 烧锅炉的炉内空气动力场进行了试验研究，指出这种布置方式与四角切圆布置方 式相比，其实际切圆直径明显减小。 不管采用何种模化方法，都可以观察测量到四角切圆燃烧锅炉炉膛中央存在 _ 个稳定的强烈旋转的漩涡。田正渠、张忠义等 2 4 2 5 进行的炉内空气动力场的模 化试验是以炉内旋转气流的实际切圆直径范围为界，把炉内气流大体分为两个 区域：实际切圆直径范围以内为漩涡核心区，气流旋转运动近似于刚体旋转， 称为准刚体区；实际切圆直径以外的区域称为准等势区，随旋转半径d 2 的增 大，切向速度不断减小。一般情况下，可以用下式表示炉内气流切向速度w 的运 动规律： w = k ( d 2 ) “( 1 1 ) 式中，k 为试验常数，指数n 在准刚体区内n - - n l ( o n l 1 ) ，准等势区内n = n 2 ( 1 1 2 一1 ) 。 岑可法等人【：s 】初步探讨了冷态模化试验与热态试验的异同，指出切向燃烧炉 膛中，热态与冷态下均能形成明显的旋转气流。热态试验中燃烧器区域的射流以 水平切向速度为主，未发现浮升力对射流在垂直方向的轴向速度有明显的影响， 热态射流沿其轴线速度的衰减比冷态要缓慢得多。但在燃烧器区域以上，则热态 切向速度比冷态切向速度衰减要快得多，热态测得炉膛上方轴向速度分布与几何 相似模型获得的结果相差很大。燃烧器上方炉膛中心处非但没有下降回流区存在， 相反却是轴向速度相对较高的区域，此处轴向速度总的分布规律与燃烧器放大后 移加炉底风模型获得的结果相近。可见，在一定程度上，采用冷态模化试验方法 是可以研究炉内复杂的流动过程的。目前，研究四角切圆燃烧锅炉炉内空气动力 场的方法主要是以冷态模化试验为主。 。 ( 2 ) 数值模拟法：由于炉内的温度很高，常规测量和研究无法实现，所以国 内外对热态流场的研究，一般采用数值模拟的方法。数值模拟是对热态流场进行 的一种近似模拟研究，但是由于计算精度受到所采用的模型以及编程方法、网格 划分、计算的收敛性等条件的限制，数值模拟的结果与炉内的实际流场相差甚远， 其结果不能单独用来指导实际运行。 郭宏生、徐通模【2 7 l 采用数值模拟方法对一台6 0 0 m w 机组切向燃烧锅炉进行 了不同一、二次风组合的正反切试验研究。指出，如果正反切动量和角度不合理， 则反切风会扰乱炉内流场结构，导致炉膛出口烟温偏差增大。另外，谢幼铭等【2 8 1 把反切与正切射流旋转动量流率矩之比x j 作为准则数，来指导如何应用正反切 圆燃烧技术，以达到削减炉膛出口残余旋转所造成的偏差，认为x j 值应在0 6 , - - - 1 2 之间。准则数x j 的定义如下： x j - - ( pq w r ) 反切( pq w r ) , r 切 ( 1 2 ) 其中动量流率pq w 和力臂r 分别指由正、反切风的入口射流条件所决定的 动量流率和假想切圆半径。 ( 3 ) 炉内空气动力场的测试方法：对电站锅炉而言，目前还没有合适的测量 工具和测试手段可以获取实际热态运行情形下用以描述炉内流场特性的物理参 数。研究人员大多通过冷态试验方法获取炉内流场数据，再用冷态模化或数值模 拟等方法去计算、分析热态工况下炉内流场的流动特性和分布特性。通过空气动 力场冷态试验，可以确定锅炉燃烧系统的配风均匀程度，观察射流的分布、扩散、 混合等是否良好，间接判断热态下炉膛空气动力工况的好坏。不仅为锅炉热态运 行提供参考依据，而且为热态运行中存在的诸如结渣、火焰中心偏斜、炉膛出口 烟温偏差等问题的分析和对策提供帮助。 传统的炉内空气动力场冷态试验有两种形式，一种是全尺寸测试法，能取得 符合实际的真实信息，反映炉内真实情况，是锅炉燃烧研究的重要测试方法。然 而炉膛体积大、结构复杂，进行冷态试验不仅耗费大量的时间、人力和财力，所 得的结论有很强的经验性和局限性，而且由于目前测试手段的限制，很多数据无 法取得。另一种是中试研究法，即根据锅炉结构，在冷态试验台中进行试验研究， 可模拟炉内空气动力场，所得结论可应用于生产实际，但也很难全面、真实地反 映炉内情况r 试验费用也较高。 现有的冷态试验方法以飘带示踪法、仪器测量法和火花示踪法为主。飘带法 是利用长的纱布飘带显示气流方向，将飘带与测量相结合，用飘带来观察某一截 面的气流状况，在炉内用风速仪测量炉膛内速度场。这要求试验人员在炉膛通风 状况下，长时间在炉内进行测试工作。由于炉内风速高、噪音大、特别是运行过 的锅炉，炉内飞砂走石；新安装的炉膛，风管内也有很多尘土、焊渣吹进炉膛， 因此工作环境及其恶劣，眼睛难以睁开，易受到伤害，呼吸也会感到困难，高空 工作风速高危险性很大，极不安全。且逐点测量，加之多数情况下要变工况测试， 因此工作量很大，试验时间长，而且很多区域由于风力过大，人不能到达而受到 限制，因此，测量精度受到影响。用仪器测量空气动力场，能够保证比较准确的 测量，而且测试人员的工作环境也没有飘带法中所述的测试环境差。比如要求定 量测量速度场、回流尺寸等，可以使用各种气力探针、热电风速仪、叶轮风速仪 等。但是，测量仪器一般造价昂贵，而且还要在锅炉炉膛壁上打好测孔，这样测 试完成以后还要对测孔进行修补，给工作带来了极大的麻烦。测量法对空气动力 6 场虽能用较准确的量进行表达，但却不直观，并且试验时要对每层喷嘴出口的炉 膛水平界面进行测量，工作有一定困难。对于烟花示踪法，由于火花存活的寿命 短，对于容积较大的炉膛用火花观测炉膛内气流轨迹有一定的困难，而且在示踪 摄像的照片中也不易将射流和回流区分清楚，因此观测存在局限性。 1 2 4 四角切圆锅炉炉内空气动力场影响因素 四角切圆燃烧方式就是燃料与空气通过布置在炉膛四角的直流式燃烧器直接 喷入炉膛燃烧，各燃烧器喷口的中心轴线与炉膛的某一假想圆依次相切，在炉膛 内形成一个稳定旋转的高温气流团，其空气动力场影响因素归纳为以下几个方面： ( 1 ) 假想切圆直径的大小关系到炉膛的充满度，是能否组织良好的空气动力 场的基础。假想切圆直径的大小对高温旋转气流团有较大影响，是决定切向燃烧 锅炉炉膛内气流旋转动量矩的影响因素之一。以四角切圆燃烧为传统的a b b c e 公司按炉膛尺寸的大小来决定假想切圆直径，一般把燃烧器中心轴线与炉膛截面 对角线之间的夹角规定为6 度，对正方形炉膛来说，此时相对假想切圆直径o l 为0 1 4 8 ( l 为当量炉膛直径) 。而国内由于一些电站锅炉发生气流贴壁引起炉膛 结焦等原因，倾向于采用较小的切圆。 ( 2 ) 一、二次风的布置形式至关重要，其直接影响炉内气流的旋转动量、炉 内的热负荷分布及污染物排放等问题。在以前的四角切圆燃烧锅炉设计中，一、 二次风射流的中心轴线一般都在同一平面内。a b b c e 公司从垂直和水平方向的 分级燃烧角度出发，研制了l n c f s 燃烧器，在实际使用过程中发现，这种燃烧 器不仅可以实现低n o 。排放，而且由于一、二次风切圆直径不等，可以减少部分 炉内气流旋转动量；尤其是c f s i i 型燃烧器，将一次风反切布置，而二次风正切 布置，两者的喷口中心轴线角度大约为2 2 度，这种燃烧器在我国上海吴泾热电厂、 广东沙角电厂已投入使用。吴泾热电厂1 l 号机组锅炉的性能考核试验结果表明， 采用同心正反切圆燃烧器( c f s i i 型燃烧器) 后，n o 。的排放量比传统的切向燃 烧锅炉的低，而且波动起伏小；燃烧中等结渣特性的烟煤时，炉内结渣倾向很小； 低负荷无油助燃和燃烧效率都达到了设计保证值。表明炉内气流旋转直径适中， 炉膛出口的残余旋转也有了一定的改善，而黄埔发电厂的1 0 2 5 t h 直流锅炉只是 改为一次风微量反偏转，炉内热负荷分布和水平烟道两侧的烟气速度分布就比较 均匀【：，】。目前，国内外许多专家学者倾向于采用正反切圆的燃烧方式来消除残余 旋转，使炉膛出口处的烟速分布趋于均匀，同时能提高燃烧效率，防止结渣。 ( 3 ) 在影响炉内空气动力场的复杂因素中，各射流间的相互碰撞和挤压可导 致炉内空气动力场情况的恶化。切向燃烧炉膛中的射流按旋流方向依次挤压，致 使炉内形成的实际漩涡的气流直径比设计的假想切圆直径大许多；每股射流属于 半受限射流，其两侧的补气条件不同，近炉膛壁面一侧易形成较大负压，射流两 7 侧的压差进一步迫使气流向炉膛壁面一侧偏斜，使气流旋转直径更大；炉膛四角 射流情况不尽相同，易使炉内形成椭圆形漩涡，有时还偏离炉膛几何中心。 此外，燃烧器结构尺寸各异、型式繁多，炉膛相对尺寸变化较大，各台锅炉 燃烧器与炉膛的布置方式又常有差异，这些差异对炉内流动情况均会带来影响。 尤其，在燃烧情况下的空气动力场更为复杂。一次风射流为气固两相介质，射流 本身因燃烧引起体积膨胀，还受到炉内旋转的高温火焰冲击和炉膛四周的水冷壁 冷却，成为极其复杂的有化学反应的非等温射流。而且炉内高温气流的流动还受 运行工况的影响。尽管在实际运行的四角切圆燃烧锅炉上进行各种影响因素的试 验研究工作是非常必要的，但众所周知，这将花费极大的人力、物力，更何况对 目前的实际热态运行，还没有合适的测量工具和测试手段满足测量精度要求。 1 3 国内外流场图像处理的可视化研究进展 近年来，炉内燃烧可视化的研究，已经取得了长足的进步近年来。国内外的 许多学者己经开始把目光投到利用火焰图像处理系统进行燃烧检测和诊断的研究 领域上来，但利用图像的可视化来监控炉内流场还鲜有报道。 ( 1 ) 基于图像处理的炉内可视化研究成果较多，但主要集中在火焰监测及温 度场构建领域中。清华大学的王补宣、吴占松等 3 0 l 最早采用c c d 相机对小型发光 火焰温度分布进行了研究，推导了图像亮度信号与火焰温度之间的关系，首次提 出的黑体炉标定逐渐为国内大多数研究者接受。随后开展了非对称火焰温度分布 的研究，通过在计算中加入火焰内部温度分布平滑的先验假设并选择合适的基础 函数，给出了可行的非对称火焰三维温度分布测量的重建算法。电力部自动化研 究所许柯夫【，i 】利用火焰辐射与其温度的关系利用数字图像处理技术进行电站锅炉 炉膛动态温度分布的测试。浙江大学的薛飞等【，：3 3 1 以简化的辐射传递方程为物理 模型根据c c d 系统的光电转化特性对图像信号进行处理，给出了测量时的探头 布置方案并简要介绍了数值模拟的结果。上海交通大学徐伟勇、余岳峰等【3 4 1 采用 三色波长光谱测量法和温度分段线性化的方法来计算煤粉火焰温度得到了较准确 的火焰温度分布结果：赵铁成等1 3 5 1 提出了基于火焰锋面动态检测的着火判据，并 与国家电力公司合作开发了基于d s p 和数字视频技术的图像火焰检测系统解决 了复杂判据无法实时运行的困难也是国内第l 套基于d s p 的图像处理的火检系 统。三菱的光学图像火焰扫描o p t i s ( o p t i c a li m a g ef l a m es c a n l l c l ) 系统大大提 高了对火焰探测的灵敏度，能较好地克服炉膛背景辐射和相邻燃烧器火焰对检测 火焰信号的干扰1 3 6 1 。英国格林尼治大学的严勇教授等开展了火焰图像处理研究工 作，对火焰温度、烟黑浓度和火焰形状进行了多方面的试验研忽，。，l 。 ( 2 ) 基于图像处理的锅炉燃烧诊断也是一个新的、热点研究方向，但不能定 量的分析炉内流场情况。东南大学王式民等 4 0 - 4 2 1 以数字图像处理技术为手段通过 火焰图像信息的处理分析和计算以获得火焰的温度分布，监测燃烧的稳定性并对 煤粉火焰烟气中n 含量适用的有效估计方法和技术作了探讨。华中理工大学周怀 春等 4 3 洲l 对燃烧火焰的颜色进行了定量实验研究发现色度坐标能反映煤粉浓度的 变化，并在计算比较的基础上提出了可用于锅炉燃烧诊断的煤粉火焰颜色色度坐 标近似计算方法。 ( 3 ) 利用图像处理技术来预测和监控n o 。排放的研究，国外的研究报道较 多，通常是建立数学模型进行估算，精度有待改进，而且过于局限于燃烧污染控 制。日立研究室最早研制了火焰图像识别系统【4 5 4 。l ，并利用它来进行n o x 和未燃 尽碳( u b c ) 的预测。通过计算n o x 生成区与喷嘴之间的距离、高温区挥发分燃 烧的浓度值和热分解区的宽度等参数，定义n o ，的减少指数，用该参数和化学平 衡比可精确估计排气中的n o 。用燃烧率和剩余氧量建立了炉膛燃烧数学模型， 进行未燃尽碳( u b c ) 的预测。可以得出火焰温度场的分布、燃烧经济性的估算 以及n o 。排放量的估算，通过燃烧器的优化组合得到合理的风粉比例等。芬兰i v o 公司的燃烧检测与数字分析系统d i m a c ( d i g i t a lm o n i t o r i n ga n da n a l y s i so f c o m b u s t i o n ) 于1 9 8 9 年投入使用，该系统通过改进燃烧效率和可靠性来改善运行 的安全性和减少n o 。排放1 4 9 j 。 ( 4 ) 图像处理在炉内空气动力场领域的应用是一个新的课题，国内外鲜有文 献参考，这也是本文研究的重点。长沙理工大学的陈冬林、李慧勇等【5 0 】提出了， 通过采用图像处理技术，对炉内空气动力场进行可视化研究，并成功解决单角射 流的可视化处理技术。 1 4 本文的主要内容 近些年来，国内外用可视化方法研究火焰辐射图像处理技术的文献较多，尤 其在燃烧检测、诊断以及炉膛温度场重建等方面研究进展较快，研究成果也较多， 但用可视化方法来研究炉内流场分布特性的报道较少，参考文献较少见。本文要 开展的工作就是电站煤粉炉流场可视化方面的研究，拟从射流图像处理技术及射 流凡何特征参数的提取方向入手，目的是为了引入一种炉内空气动力场分析和调 试的新方法，也为炉内流场的计算机检测与自动控制提供了一个新的研究思路。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 单层射流图像处理软件的开发：功能设计，算法流程及结构设计，软件 界面设计。 ( 2 ) 单层射流图像特征参数的分析，并在此基础上进行提取算法的设计与 优化。 ( 3 ) 算法的改进及程序实现。 9 第二章典型煤粉炉内流场特性分析 21 四角切圆炉内流场特性 四角切圆的燃烧技术被广泛应用于我国的电站锅炉设计与实际使用中，尤其 是在2 0 世纪8 0 年代初引进、消化、吸收国外的先进技术，大批量的自行设计制 造3 0 0 m w 、6 0 0 w m 亚临界机组的四角切圆煤粉炉投入使用，促进了我国的四角 切圆燃烧技术日趋成熟。 21 1 四角切圆燃烧方式的技术特点 四角切圆的燃烧方式毗其燃烧效率高、炉膛内热负荷分布均匀、煤种适应范 围广而在我国火电站中被广泛采用其主要优点主要有： ( 1 ) 火焰行程长，燃烧效率高； ( 2 ) 炉膛内热负荷分布均匀，燃烧稳定性强； ( 3 ) 炉内火焰呈圆柱形螺旋上升，可避免近水冷壁面局部的还原性气氛，有 利于防止结渣： ( 4 ) 能适应备股射流风量分配的不均匀，具有一定的抗干扰能力； ( 5 ) 燃烧工况的组织和调节较灵活，对燃料的适用范围广。 正是由于以上优点，四角切圆燃烧方式在我国的电站锅炉中占有统治地位。 212 四角切圆燃烧技术的特点及影响因素 四角切圆燃烧技术即燃料与空气通过布置在炉膛内同一层内四个角的直流式 燃烧器直接喷入炉膛燃烧，各个燃烧器喷口的中心线与炉膛内的假想圆依次相切， 在炉膛内形成一个稳定旋转的高温气流团，俯瞰形状似火球，如图21 。 留2 1 四角切圆炉内火焰瞄像 四角切圆燃烧技术的特点是燃烧器出口气流的几何中心线切于炉膛中心的假 想圆。当四股气流同时喷入炉膛后，上游的气流冲击下游的气流，同时对中间地 带的空气产生一个切向力，形成了围绕炉膛中心的假想切圆区域强烈旋转的漩涡 l 。热态运行时，从任意一个燃烧器出口喷出的煤粉气流都受到上游邻角冲刷来 的剧烈燃烧的高温射流火焰加热，以达到着火温度而燃烧。从四个燃烧器喷出的 煤粉气流相互点燃，着火稳定性较好且燃烧组织和调节也较灵活。总之，切向燃 烧技术是把整个炉膛作为一个单元来组织燃烧的，炉膛整体相当于一个特大型旋 流煤粉燃烧器。因此，直流燃烧器的结构、运行参数及燃烧工况对整个炉膛的空 气动力场特性有重大的影响。 四角切圆燃烧方式的质、热交换剧烈，燃烧强烈，因而一旦炉内空气动力场 组织欠佳时，一方面可能会出现炉膛内旋转气流充满度差，炉内气流结构紊乱， 带来燃烧不稳定、飞灰可燃物增加、燃烧效率低、污染物排放量增大等问题；另 一方面可能出现煤粉气流贴壁或冲刷炉膛壁面，在壁面附近形成还原性气氛，造 成炉膛壁面结渣和高温腐蚀。随着大容量、高参数的四角切圆燃烧煤粉锅炉的应 用，炉膛出口及水平烟道内出现了严重的左右侧烟气流速和烟气温度偏差，加剧 了过热器、再热器吸热偏差，造成过热器、再热器超温爆管等事故。目前，这已 经成为发展大型四角切圆煤粉炉的主要制约因素。因此，如何组织理想的炉内空 气动力场对于发展四角切圆煤粉炉来说具有重要的现实和理论意义。 四角切圆煤粉炉内的气流与火焰结构取决于炉膛的几何形状、燃烧器的总体 布置、单只燃烧器的结构型式及各个燃烧器的配风和运行时的工况等。对于大型 四角切圆煤粉炉，假想切圆直径的大小对高温旋转气流影响较大，是决定切向 燃烧炉膛内气流旋转动量矩的因素之一。如以四角切圆燃烧为传统的a b b c e 公司按炉膛尺寸的大小来决定设计假想切圆的直径，一般把燃烧器中心线与炉膛 截面对角线之间的夹角规定为6 。，对正方形炉膛来说，相对假想切圆直径l 为0 1 4 8 ( l 为当量炉膛直径) ，为预防炉膛内发生气流贴壁引起炉内结渣等问题， 假想切圆倾向于采用小半径。而构成假想切圆的每个燃烧器一般有4 - 5 个一次风 喷嘴，若干个二次风喷嘴，当燃用劣质烟煤或低挥发分煤而采用热风送粉时，还 有2 个三次风喷嘴。根据煤质及锅炉负荷特点，同时还要考虑煤粉的着火稳定、 高效燃烧及低污染排放等，每层的一次风喷嘴结构及布置都可能不同，二次风喷 嘴与一次风喷嘴