（检测技术与自动化装置专业论文）声学法燃煤锅炉炉膛火焰温度场重建的基础研究.pdf

东北大学博士学位论文摘要 声学法燃煤锅炉炉膛火焰温度场 重建的基础研究 摘要 大型燃煤锅炉炉膛火焰温度场是对炉膛火焰监测和控制的最直接参数。但由 于炉膛火焰燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、环境恶劣等 特征，给实际锅炉炉膛火焰温度场的在线测量带来困难。目前还没有建立非常有 效的大型锅炉炉膛火焰温度场测量手段。本文探讨了声学法燃煤锅炉炉膛火焰温 度场检测技术，并对其中的一些关键问题进行了研究，主要完成了以下工作： 1 对各种燃煤锅炉炉膛火焰温度场测量技术的研究应用现状、难点和发展趋 势进行了综述。 2 。对直接相关时延估计、广义相关时延估计和基于小波变换的广义时延估计 进行了仿真实验研究，仿真实验结果表明：直接相关时延估计、广义相关时延估 计、小波变换时延估计标准偏差为0 时所对应的信噪比分别为8 d b 、9 d b 、9 d b ， 在抗干扰能力上小波变换时延估计方法与，“义相关时延估计方法均优于直接相关 时延估计方法，且小波变换时延估计方法不需要知道信号和噪声的先验知识。 3 提出基于r b f 神经网络的温度场图像重建算法进行了仿真实验研究。对单 峰对称温度分靠，单峰偏斜温度分布，双峰温度分布情况下r b f 神经网络温度场 重建算法，最小二乘法温度场重建算法，付里叶正则化温度场重建算法温度场重 建结果的均方根误差分别为1 5 、1 9 9 年n3 8 ，1 7 、2 6 2 和2 1 ，1 1 、 4 3 4 和4 ，1 。温度场重建速度分别为1 s 、7 s 、8 5 s ，l s 、7 5 s 、8 9 s ，l s 、8s 、 8 6 s 。该算法温度场重建速度与精度均高于最小二乘法算法和付里叶正则化温度场 重建算法。并对随机抽样样本进行了温度场重建结果的回归分析，回归分析的结 果表明温度场重建结果与原温度场模型符合较好。为研究测量误差对温度场重建 结果的影响，将测量产生的随机误差看作正态分布的随机噪声，分别在4 0 d b3 0 d b 和2 4 d b 不同噪声水平下进行了温度场重建，重建结果的均方根误差分别为1 5 、 4 蝴、1 1 ，1 6 、4 4 、1 1 ，和2 2 、5 4 、1 5 ，表明该算法在上述信噪 比情况下也能够实现温度场重建，算法具有一定的抗噪性。 4 设计了套温度场测量实验系统，介绍了该测量实验系统的硬件设计和软 东北大学博士学位论文摘要 件设计。用该测量系统结合径向基函数( r b f ) 神经网络温度场重建算法实现了偏 斜燃烧火焰和对称燃烧火焰温度场的重建。并与富里叶正则化法温度场重建算法、 最小二乘法温度场重建算法温度场重建结果进行了比较，结果表明：基于径向基 函数( r b f ) 神经网络的温度场重建算法温度场重建质量优于其它算法。 关键词：声学测温炉膛温度场重建广义相关时延估计温度场重建算法 径向基函数神经网络 东北大学博士学位论文 a b s t r a e t t h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ho na c o u s t i c r e c o n s t r u c t i o no ff u r n a c ef l a m e t e m p e r a t u r e f i e l d so fc o a lb o i l e r a b s t r a c t t h ef u r n a c ef l a m et e m p e r a t u r ef i e l do fh u g ec o a lb o i l e ri st h em o s td i r e c t p a r a m e t e rf o ri n s p e c t i o n a n dc o n t r o lo ft h ef u r n a c ef l a m e b u tb e c a u s eo ft h e i n s t a n t a n e o u sc h a n g e s ，r a n d o mo nf l o w , h u g es i z eo ft h ed e v i c e sa n df o u le n v i r o n m e n t o ft h ei n d u s t r i a lc o m b u s t i o np r o c e s s i ti sd i m c u ht om e a s u r et h ef u r n a c et e m p e r a t u r e f i e l d so n - l i n e n o wn o l a r g e s c a l e v i s u a l i z a t i o nm e a s u r i n gm e t h o df o rf u m a c e t e m p e r a t u r ef i e l d si se f f i c i e n t t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h em e a s u r e m e n tm e t h o do f c o a lb o i l e rt e m p e r a t u r ef i e l d sb a s e do na c o u s t i c ss e n s o r sc o m b i n e dw i t hr e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y , a n ds t u d i e do ns o m ek e yp r o b l e m so ft h i sf i e l d w o r k sh a v ed o n ea s f o l l o w s ： 1 t h ep a p e rh a ss u m m a r i z e dt h ea c t u a l i t y , d i m c u i t ya n de v o l u t i o nt r e n do ft h e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yv a r i o u sc o a lb o i l e rt e m p e m t u r ef i e l d s 2 d i r e c tc o r r e l a t i o n t i m e d e l a ye s t i m a t i o n ，g e n e r a l i z e dc o r r e l a t i o nt i m e d e l a y e s t i m a t i o na n dg e n e r a l i z e dt i m e - d e l a ye s t i m a t i o nb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma r e i n v e s t i g a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tw h e n s t a n d a r dd e v i a t i o ni sz e t o ，t h e c o r r e s p o n d i n gs n ro fd i r e c t c o r r e l a t i o n t i m e d e l a ye s t i m a t i o n ，g e n e r a l i z e dc o r r e l a t i o nt i m e - d e l a ye s t i m a t i o na n d g e n e r a l i z e dt i m e - d e l a ye s t i m a t i o nb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma r e 一8 d b ，一9 d b a n d 一9 d br e s p e c t i v e l y t h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo fg e n e r a l i z e dc o r r e l a t i o n t i m e d e l a ye s t i m a t i o na n dt h a to fg e n e r a l i z e dt i m e - d e l a ye s t i m a t i o nb a s e do n w a v e l e tt r a n s f o r ma r eb o t hb e t t e rt h a nt h a to fd i r e c tc o r r e l a t i o nt i m e d e l a y e s t i m a t i o n f u r t h e r m o r e ，g e n e r a l i z e dt i m e d e l a ye s t i m a t i o nb a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r md o e sn o tn e e dk n o w s i g n a l sa n dp r i o rk n o w l e d g eo f n o i s e 3 t h et e m p e r a t u r ef i e l di m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mb a s e do nr b fn e u r a l n e t w o r ki sp r o p o s e da n di n v e s t i g a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s n l e m e a n - r o o t - s q u a r ee l l o r so fs i n g l e p e a kt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，s i n g l e - p e a k a s y m m e t r i c a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dd o u b l e - p e a kt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n u s i n g r b fn e u r a ln e t w o r kr e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m ，l e a s ts q u a r e r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h ma n df o u r i e rr e g u l a r i z a t i o nr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m a r e1 5 ，1 9 9 a n d3 8 ；1 7 ，2 6 2 a n d2 1 ：1 1 ，4 3 4 a n d4 1 r e s p e c t i v e l y t h et e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t r u c t i o ns p e e d sa r els ，7 sa n d8 5 s ；ls ， 1 1 1 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t 7 5 sa n d8 9 s ；l s 。8sa n d8 6 sr e s p e c t i v e l y t h es p e e da n dp r e c i s eo ft h e t e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mb o t ho v e r m a t c ht h a to fl e a s ts q u a r e r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h ma n df o u r i e rr e g u l a r i z a t i o nr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m r e g r e s s i v ea n a l y s i so ft h er e c o n s t r u c t i o nr e s u l ti sd o n et or a n d o ms a m p l e so f t e m p e r a t u r ef i e l d s 1 1 1 er e s u l to fr e g r e s s i v e a n a l y s i ss h o wt h a to u t p u to f t e m p e r a t u r er e c o n s t r u c t i o na k o r i l h mc o i n c i d e s 谢t lt a r g e tt e m p e r a t u r ef i e l d s a n dh a sm i n o rs q u a r ee r r o r i no r d e rt o 也ei n f l u e n c eo fm e a s u r ee r r o r so nt h e n e wa l g o r i t h m ，t h er a n d o me r r o r sa r i s i n gi nt h em e a s u r e m e n ta r cr e g a r d e da s n o i s ew i t hn o f n l a ld i s t r i b u t i o n t e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l sa r er e c o n s t r u c t e d u n d e rd i f f e r e n tl e v e lo fs n rs u c ha s4 0 d b3 0 d ba n d2 4 d br e s p e c t i v e l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l to fr e c o n s t r u c t i o ni n d i c a t e st h a tt h e a l g o r i t h m c a n a p p r o x i m a t e l yr e c o v e rt h et a r g e tt e m p e r a t u r ef i e l du n d e ra b o v e m e n t i o n e ds n r l e v e l 弧l er e s u l to fr e g r e s s i v ea n a l y s i so nr a n d o ms a m p l e sa l s os h o w st h a te v i t - o r o fs i m u l a t i o nw i l lr i s ew i t ht h ei n c 托i s eo fs n rl e v e l ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o n c o i n c i d e sw i t ht h et a r g e tt e m p e r a t u r ef i e l d so n 也ew h o l e 4 a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n ti sd e s i g n e d i nt h i s p a p e rt h eh a r d w a r ea n ds o f l w m 蛤o ft h i sm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t a ls y s t e ma g e i n t r o d u c e di nd e l a i l ；硼豫r e c o n s t n 聆t i o no fs y m m e t r ym a da s y m m e t r yf l a m e t e m l x ；r a t u r e f i e l d sa l er e a l i z e dw i t ht h em e a s u r e m e n te x p e r i m e n t a ls y s t e m c o m b i n e dw i t hr b fn e u r a ln e t w o r ka n dt h er e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h a to f f u r r i e rg e n e r a l i z e dt e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t r u c t i o na l g n r i t h ma n dt h a to f l e a s ts q u a r et e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t r u c t i o n a t g o r i t h r a t | 硷r e s u l to f c o m p a r i s o n s s h o w st h a tr b fn e u r a ln e t w o r k t e m p e r a t u r e f i e l d s r e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m i ss u p e r i o r t o o t h e r a l g o r i t h m s i n t e r m so f q u a l i t y k e y w o r d s ：a c o u s t i c sp y r o m e t e r , t e m p e r a t u r ef i e l d sr e c o n s t r u c t i o n ，g e n e r a l i z e d c o r r e l a t i o nt i m e d e l a ye s t i m a t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m ，r b f n e u r a ln e t w o r k ， - l v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：碉，j ，干 日期：沙i f 斗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：砧山牟 签字日期： 伽6 哆 导师签名： 签字日期： 枷。i ，彬 东北大学博士学位论文 绪论 第一章绪论 在大型锅炉燃烧过程中，要判断锅炉炉膛的燃烧状况实现燃烧的自动管理和 控制，火焰检测装置必不可少。先进的火焰检测装置不但能检测火焰的燃烧和熄 灭，还能检测火焰的稳定性。火焰检测装置在发电厂锅炉炉膛安全监控系统中起 着极其重要的作用。安全运行在很大程度上取决于燃烧的稳定性，煤粉锅炉要求 在炉膛内组织稳定均匀的火焰，保证强烈充分的燃烧，防止引发炉膛爆燃等事故。 燃料在炉膛内悬浮燃烧，其工况是极不稳定的脉动燃烧，炉内的温度场分布也不 均匀。如果燃烧不稳定，产生火焰脉动易引起炉膛压力不稳造成炉墙损坏。炉内 温度场不均匀，造成炉膛温度场的偏移，离火焰中心近的水冷壁过热或结焦，容 易引起热应力过高造成爆管，而离火焰中心远的水冷壁管则出于加热不足破坏锅 炉水循环平衡，金属热应力增加和锅炉寿命减少。炉内温度场不均匀，低温煤粉 得不到充分燃烧使得效率降低，还影响过热器的工作，因此迫切需要实时监控燃 烧过程，加强对燃烧过程的判断预测和诊断”1 1 2 3 1 。 目前国内容量在2 0 0 m w 以上的机组中相当多的火燃检测效果不理想，有的甚 至不能投入正常使用而不得不取消灭火保护功能，成为影响安全运行的一大隐患。 随着主力机组容量增大和环保标准的提高迫切需要在线监控燃烧过程，目前这己 成为提高大型燃烧设备安全性和经济性的瓶颈。因此寻求更为准确可靠的炉膛火 焰监控技术极为迫切1 4 _ 7 j 。 1 1 常用火焰测量方法介绍 1 1 1 辐射光能火焰检测 辐射光能火焰检测1 8 1 是用探头接收火焰发出的辐射，按其强度大小判断火焰 的存在与否。由于检测燃烧过程中的波段不同，又可分为紫外线、可见光、红外 线检测。 紫外线火焰检测器利用火焰本身特有的紫外线强度来判别火焰的有无，其光 电器件为紫外光敏管，紫外光敏管频谱响应在紫外光波段，在燃烧带的不同区域 紫外光的含量有急剧的变化，紫外光敏管对相邻燃烧器火焰有较高的鉴别能力， 可用作单火嘴的火焰检测，紫外线是煤粉着火初期产生的，所以用它可以很好地 1 东北大学博士学位论文 绪论 区分单个燃烧器的火焰，但由于炉膛内存在着大量的煤粉粒子、焦炭粒子对紫外 线的吸收严重，当紫外线光敏管被烟灰、水汽及其它污染物污染时，灵敏度明显 下降，尤其在煤粉炉上，当锅炉低负荷运行时，紫外线大量减少，其灵敏度更低， 所以在燃用煤粉的锅炉中，紫外线火焰检测器并不可靠，因此，紫外线检测不适 用煤粉燃料的锅炉。 可见光火焰检测器是美国c e 公司首先研制的，其工作波长在o 3 1 1 o n ，频 率检测范围在1 0 0 1 0 0 0 h z 。利用煤粉着火区同时检测火焰闪烁频率和可见光亮度， 并进行逻辑加运算来检测燃烧火焰的存在，同对采用火焰平均光强和脉动闪烁频 率双信号，可提高检测的可靠性。 红外线火焰检测器以美国f o r n e y 公司为代表，红外线火燃检测器通过检测 燃烧火焰辐射的光谱频率和光强( 光的亮度) 来判断火焰是否存在，其工作波长范 围为0 7 3 2 ：a n ，动态频率检测范围为1 5 7 5 0 0 h z ，当燃烧稳定时，火焰波动豹幅 度较小，频率中的交流分量也小；当燃烧不稳定时，频谱中的交流分量大大增加。 采用光电技术，尤其是应用先进的光纤传输技术，将红外光谱信号转变为具有一 定幅值的电压变化信号，根据不同燃料、不同负荷下稳定着火时的背景火焰信号 的设定值，当实际火焰信号的相应强度超过背景火焰的设定值时，则输出火焰存 在信号和火焰强度信号；反之，输出火焰消灭信号并实行灭火保护。探头采用硫 化铅光电管或硅光电二极管。由于炉膛完全燃烧着火区火焰闪烁频率通常不超过 2 h z ，因此，通过滤波电路红终线火焰检漫4 器熊区分燃烧器火焰和背景火焰。 1 1 2 基于火焰频率检测秘相关原理的数字火焰监视装置 火焰给人眼的直觉是亮度和火焰根部亮度的低频闪烁，根据燃烧理论和实验 结果表明，可以把火焰燃烧分为预热区，初始燃烧区、高温区和燃尽区。在着火 燃料的初始燃烧区存在光波内闪或脉动，其频率与燃料类别有关，应用光电转换 器件及相应检测电路可以检测其频率或脉动分量，燃烧越炽热亮度和频率越高， 燃烧不稳定则亮度减低火焰熄灭频率为零，根据该原理在初始燃烧区，可以把火 焰闪烁频率作为判定燃烧器是否正常工作的判据，而在火焰燃烧的高温区和燃尽 区，应以火焰的亮度和温度为燃烧工况的主要判据，因为在这一区域内火焰的脉 动分量很小。 燃料在炉膛内燃烧产生的火焰以各种形式向四周辐射，而最便于检测的是火 焰的光辐射( 包括紫外、红外) ，油燃烧器的火焰、煤粉燃烧器的火焰和具有较 强发光率的火焰一般都能发射出几乎连续的发光光谱，其放射源多为燃烧过程中 2 东北大学博士学位论文 产生的高温碳微粒子群( 碳墨) 及粉煤粒子群( 烧成碳) 等，其光谱主要分布于 可见光和红外区，因此利用光学原理检测火焰是如今大部分火焰检测器所采用的 方法，煤粉火焰的燃烧信号是一种不规则的脉动信号由火焰在燃烧过程中，微粒 的集结、运动、发光、燃尽的结果所致。煤粉的燃烧可分为如下4 个区段： 1 热区风粉混合物在逐步加热的过程中与燃烧中的明火开始接触，逐渐加热 至燃烧点。 2 初始燃烧区风粉混合物开始燃烧，大量地辐射光和热形成闪烁，这时火焰 的亮度不是最大但闪烁的频率达最大。 3 高温区这时火焰释放的光和热达到最高。 4 燃尽区燃料燃烧完毕形成灰粉，炽热的灰粉仍能发光但其亮度和闪烁频率 都很低。 由于火焰燃烧是一种剧烈的化学过程加上煤种送风和背景噪音等的影响，用 确切的数学模型来描述火焰燃烧图像还很困难，但是锅炉操作人员可以根据火焰 燃烧的特征判别燃烧情况，这说明火焰燃烧特征和火焰燃烧状况之间存在着一定 的对应关系。 火焰检测装置一般由石英透镜、光导纤维、光电传感器、放大器、电压一电 流转换器等构成。传感器及放大电路部分密封在探头内，传感器采用工作波长为 3 8 0 7 6 0 n m 的可见光传感器。对于燃煤火焰和燃油火焰的辐射，这种传感器能够 更有效地响应其波动特性，并根据初始燃烧区的火焰亮度和闪动判定火焰的是否 存在。以上两种方法都是用单个探头对火焰进行检测，探头接收的范围是一个顶 角较小的锥形区域，它们的缺点是受背景火焰的影响太大1 9 1 。 相关法火焰检测同时使用两只光电火焰检测器监视同一火焰，使检测区域在 燃烧区域相交，利用相关理论分析方法，根据相关系数的大小判断燃烧器的燃烧 状况，当火焰存在时，由于两火焰探测器都接收到了同一信号，因而具有较大的 相关性，一般相关系数大于7 0 时可以认为火焰正常，当火焰不存在时( 火焰熄 灭时) ，两检测器检测到不同的背景火焰信号，由于炉膛内不同地方的火焰信号 基本是独立的，所以两检测器的输出信号表现出较大的非相关性，相关系数低， 而且火焰的漂移和不稳定也引起相关系数降低，因此根据火焰相关系数的变化可 判断火焰燃烧状况，该方法主要用于单个燃烧器的火焰检测。相关性火焰检测方 法在原理上具有独到之处，原则上不受负荷变化的影响适用范围广，它不仅能监 视燃烧器是否有火而且能间接的反映着火位置和着火状态的变化。对火焰信号的 检测，国外己开发出各种新型数字型火焰检测器。火焰检测器的算法主要分两大 1 东北大学博士学位论文 绪论 部分，其一是检测火焰有无，其二是区分油煤火焰。检测燃烧器和炉膛火焰有无 的核心判据是设定检测区域内火焰图象的平均亮度、火焰最高亮度点的位置、火 焰最高亮度点位置的脉动量以及燃烧器的开关状态。同时在锅炉点火后各阶段运 用模糊理论适时设置火焰图象识别定值算法简介如下： 停炉阶段，各燃烧器处于关闭状态系统强制认为无火焰。 启炉阶段，各燃烧器依次打开但此时火焰较弱亮度能级较低，故应以火焰 的最高亮度点的位置为主要题据，当火焰的平均亮度趋于增强，同时火焰 的最高亮度点的位置也趋向设定位置时，即可以判断燃烧器工作正常，反 之即可判燃烧器趋于灭火。 稳燃阶段。己形成稳定的火焰具有足够亮度此时应以平均亮度为主要判 据，同时辅助以火焰最高亮度点的脉动幅度来判断燃烧的稳定性。 失去燃料或灭火，此时火焰亮度迅速下降可用火焰最高亮度点的位置及其 脉动幅度来判断火焰状况。 首先将火焰信号分成2 路信号：强度信号和频率信号。强度信号代表火焰的 亮度，频率信号代表火焰的闪动。对强度信号的处理比较简单，只需将实时火焰 强度与强度阈值进行比较，当火焰强度高于强度阅值时判定火焰强度条件成立。 频率的处理实际上是对火焰信号波动部分的处理。频率信号包含信号的频谱、带 宽、峰一峰值等参数，要对这部分信号进行滤波交换，从中提取火焰的燃烧特征。 由于火焰的频率信号大约为1 2 0 0h z ，而炉膛内炽热的焦渣及灰粉发光的频率不 超过2h z ，所以通过频率信号的频谱分析可以确定火焰的存在。 对火焰频率信号不只是要进行简单的分析，还要对火焰的波形进行数字滤波、 傅立时变换，提供火焰波形巾最具火焰特征的信号。这些参数处理最终得到的综 合标量仍称为频率，作为判定火焰有无的依据。放大器响应由初始燃烧区火焰产 生的可见光辐射转变成为电信号反映火焰的燃烧状况。信号处理器将探头传送的 电信号分成强度频率进行处理判别火焰的有无。为实现燃油与燃煤燃烧器的区分， 所采用的方法是将空间域内火焰图象变换到频域里进行处理和识别的方法。这是 因为煤火焰和油火焰的火焰闪烁频率是不相同的【1 0 】。 1 1 3 基于图像处理的温度场测量方法 利用计算机图像处理技术是一种非接触的温度测量方法。它通过摄取燃烧室 内部某个时刻的瞬时火焰图像，借助于光学理论和计算机图像处理技术计算出整 个燃烧室内部的温度分布。燃烧过程的温度测量一般根据普朗克辐射定律，在煤 4 东北犬学博士学住论文 绪论 部分，其一是检测火焰有无，其二是区分油煤火焰。检测燃烧器和炉膛火焰有无 的核心判据是设定检测区域内火焰图象的平均亮度、火焰最高亮度点的位置、火 焰最高亮度点位置的脉动量以及燃烧器的开关状态。同时在铺炉点火后各阶段运 用模糊理论适时设置火焰图象识刘定值算法简介如下： 停炉阶段，各燃烧器处于关闭状态系统强制认为无火焰。 启炉阶段，各燃烧器依次打开但此时火焰较弱亮度能数较低，敲应以火焰 的最高亮度点的位置为主要羚据，当火焰的平均亮度趋于增强，同时火焰 的最高亮度点的位霞也趋向设定位置时，即可以判断燃烧器工作无常，匿 之即可判燃烧器趋子灭火。 稳燃阶段，己彤成稳定的火焰具有足够亮度，此时应以平均亮度为主要判 据，同时辅助以火焰最高亮度点的脉动幅度来判断燃烧的稳定性。 失去燃料或灭火，此时火焰亮度迅速下降可用火焰最高亮度点的位置及其 脉动幅度来判断火焰状况。 首先将火焰信号分成2 路信号：强度信号和频率信号。强度信号代表火焰的 亮度频率信号代表火焰的闪动。对强度信号的处理比较简单，只需将实时火焰 强度与强度阈值进行比较，当火焰强度高于强度阚值时判定火焰强度条件成立。 频率的处理实际上是对火焰信号波动部分的处理。频率信号包含信号的频谱、带 宽、峰一峰值等参数，要对这部分信号进行滤波交换，从中提取火焰的燃烧特征。 由于火焰的频率信号大约为1 2 t r ) h z ，而炉膛内炽热的焦渣及灰粉发光的频苹不 超过2h z ，所以通过频率信号的频谱分析可以确定火焰的存在。 对火焰频率信号不只是要进行简单的分析，还要对火焰的波形进行数字滤波、 傅立时变换，提供火焰波形中最具火焰特征的信号。这些参数处理最终褥到的综 合标量仍称为频率，作为判定火焰有无的依据。放大器响应由初始燃烧区火焰产 生的可见光辐射转变成为电信号反映火焰的燃烧状况。信号处理器将探头传送的 电信号分成强度频率进行处理判别火焰的有元。为实现燃油与燃煤燃烧器的区分， 所采用的方法是将空闽域内火焰图象变换到频域罩进行处理和识别的方法。这是 因为煤火焰和油火焰的火焰闪烁频率是不根i 司的【1 0 l 。 i 1 3 基于图像处理的温度场测囊方法 利用计算机图像处理技术是一种非接触的温度测量方法。它通过摄取燃烧室 内部某个时刻的瞬时火焰图像，借助于光学理论和计算机图像处理技术计算出整 个燃烧室内部的温度分布。燃烧过程的温度测量一般根据普朗克辐射定律，在煤 个燃烧室内部的温度分布。燃烧过程的温度测量一般根据普朗克辐射定律，在煤 - 4 东北大学博士学位论文 绪论 粉燃烧火焰辐射的波长和温度范围内普朗克公式可由维恩公式代替： b ( t ) = 毛q 矿e ( 1 1 ) 其中e x ( t ) 为火焰的单色辐射能，x 为单色辐射率，t 为绝对温度，九为波长。 在两个波长九l 和沁下同时测量到由同一点发出的单色辐射能h l ( t ) 和e x 2 ( t ) ，假 设乱1 2 x 1 时，则两者的比值为： 争；萼p 一等挫 ：， e ，五i u 则温度t 为； 一c ：去一去l n ( 每分 s ， 利用上式就可依据火焰的数字图像计算该点的温度。式中各项需要从同一点 的全辐射信号中分离出两个波长九l 和如下的单色辐射能量e u ( t ) 和e x 2 ( t ) ，这需 要根据光学原理应用复杂精密的光学，机械系统得以实现。对于电站锅炉而言， 由于尺寸较大，光学条件和现场条件的限制，c c d 获取的射线数有限，而且摄取 的火焰图像为三维火焰在二维平面上的叠加结果。所以要应用光学原理及计算机 图像处理技术获取有效的数据重建炉内三维温度场。近年来研究开发的火焰图像 处理技术类似于工业c t 计算机断层成像技术，通过摄取火焰辐射在各个不同方向 的投射图像，运用辐射测温和重构的原理得出= 维和三维的温度场分布图像；有 的技术则是对单色，双色和全色火焰用计算机进行图像识别和处理。基于图像处 理的温度场测量方法就仪器构成来说，他们的结构特点主要是在图像采集系统和 信号处理系统。信号处理系统将所采集来的数据通过一定的图像重构方法将炉内 的温度场重建出来。 另一方面由于测量数据中包含光路中介质的热辐射信息，利用该信息可以得 到光路中介质的温度分布，辐射测温就是基于这一原理，把被测温度场作为介质， 通过改变设置在温度场外部辐射源的亮度得到不同投影数据，根据投影数据重建 温度场( 燃烧火焰) 的温度分布，以其达到提高温度测量精度的目的。 东北大学博士学位论文 绪论 图1 1c c d 火焰探测器结构 f i g i 1s t r u c t e ro f c c df l a m ed e c t e r c c d 火焰探测器的结构很简单，主要由可伸缩的探测杆和套筒支座组成。探 杆的前端安装风冷光学镜头，经传像系统( 光路或传像光纤) 将火焰图像送至炉 壁外侧由c c d 摄像头转换为视频信号输出。探杆由电动装置驱动伸入和退出炉膛， 外部辐射源的辐射经透镜聚焦与测量对象的辐射重合并经光圈使仅与光轴平行的 辐射投影到红外阵列传感器。根据所得到的投影数据进行燃烧火焰温度分布的重 建。然而在火焰图像中还有许多反映燃烧状态和特征的信息值得研究和利用。根 据普通c c d 器件的光电转换特性，它在3 5 0 7 6 0 n m 可见光波长范匿内有较好的响 应特性。煤粉燃烧火焰辐射的波长在3 0 0 1 0 0 0 n m 范围内，所以采用面阵c c d 监 测炉膛中火焰的辐射信号能在较大程度上从局部反映燃烧过程的状态及形式特征 具有代表性。理想韵投影成像模型是光学中的小孔成像模型。但c c d 组成的摄像 成像系统仍然是透镜成像。由物距i i 、像距1 ) 和透镜焦距f 得 l f = 1 褂+ l v( 1 4 ) 炉膛火焰监视应用中通常满足1 1 f ，于是有v f ，所以可将透镜成像模型近 似地用小孔模型代替。另外为了获得较大的炉膛观察视角，采用的摄像镜头焦距 一般都较短。目前温度场重构的方法有很多，总体上可分为两类：变换法和有限 级数扩展重构法。属于变换法范畴的重构算法是一直按连续问题处理，只是为了 计算机实现，才将最终公式离散化。而有限级数扩展重构类的算法，在一开始处 理问题时就将其离散化。属于变换法的重构算法主要有滤波反投影法，傅立叶变 换法，雷顿反变换法和考马克反变换法。这几种算法重构精度相似，其中滤波反 投影法最简单，直观，运算速度也快。因而得到了最普遍的应用。属于有限级数 扩展重构的算法很多，大体可分为：代数重建法，熵最大化法，准最优化法等等。 属于准最优化法技术的方法有好几种，如：最小模数法，分块重构法，最小二乘 技术，贝塞尔法，同时迭代重构法等等【。 东北大学博士学位论文 绪论 采用数字化摄像装置所测得的温度场实质上是三维空间温度在二维平面上的 某种累计效应，要想得到炉内真实的三维温度场，需要进行三维温度场重建。基 于图像处理技术的测温方法正是做了这方面的工作。在建立二维辐射图像和三维 辐射能量( 温度) 分布的数学关系式时，需要考虑的因素很多，如固体颗粒的散射对 辐射能的影响，炉内介质衰减系数的影响等等，但目前都将其忽略或假定为均匀 的，无疑给温度场重建带来较大的误差。所采用的内窥式风冷c c d 摄像头在高温， 粉尘和熔渣等现场恶劣环境的长期，连续工作的寿命维护问题等 1 5 , 1 6 1 。 1 2 声学法炉膛温度场重建技术 声学c t 炉膛火焰温度场重建技术由于具有测温原理简单、非接触、在线测量、 测温范围宽( o 一1 9 0 0 。c ) 、测量精度高等优点。8 0 年代中期以来不断受到各国学者、 工程技术人员的关注。利用声学方法进行燃煤锅炉炉膛火焰检测的研究已经成为 一个新的研究领域 1 2 - 1 4 , 1 7 - 5 5 , 9 1 , 9 4 。 1 2 1 声学法锅炉炉膛火焰温度场重建技术的应用研究现状 早在1 8 7 3 年，m a y e r 就第一次提出了利用声学方法来确定气体介质的温度。 直到2 0 世纪7 0 年代初，声学测温技术才作为一门新兴的科学技术正式被提出。 到了8 0 年代才得到深入的研究和发展，主要的奠基人是美国内华达大学的j o h n a k l e p p e 教授，他在前人的基础上，做了大量的总结和创新工作。到了9 0 年代初期， 声学测温系统在国外已经被开发成了产品，并商业化，被应用到燃煤、燃油火力 发电厂、垃圾焚烧炉、化学用品回收锅炉、水泥回转窑等工业的热力过程控制中。 在英国，德国，意大利，曰本，韩国也受到极大的重视。 东京电力技术研究所的伊腾文夫，三菱重工长崎研究所的坂井正康设计了一 套基于声波传感器的高温测量系统( 电声系统) ，在实验室高温实验炉上进行了实 验，得出一些有价值的结论 4 5 】： ( 1 ) 声波在炉膛烟气中的衰减与烟气中的c 02 浓度、声波的频率成正比； ( 2 ) 高温烟气中声波频率越高，声波衰减越大，温度越高，声波的衰减也越 大； ( 3 ) 炉膛烟气温度越高声波飞行速度越快； ( 4 ) 从测量精度和衰减两方面考虑声发生接收器的频率应在1 2 k h z 以内； ( 5 ) 声波高温计的测量结果与抽气式热电偶测量结果相差5 ： 7 东北走学博士学位论文 ( 6 ) 用最小二乘法可实现炉膛温度场的重建。 并提出为适应现场测量需要，今后应改进声学传感器的耐热性，该研究为日 本声学法炉膛温度场测量系统的研究奠定了基础。 美国电力研究院( e p r j ) 和英国发电委员会( c e g b ) 资助使用声学高温测量 系统对电站锅炉进行了炉膛燃烧诊断和测温的实验【5 9 - 6 0 1 ，结果表明：声学高温计 测量结果基本与抽气型热电偶所得结果一致，而声学高温计在实时性、可维护性 上要明显优于抽气型热电偶。而辐射高温计在准确度上是无法与其匹敌的。他们 预言：声学高温计将成为一种新型的锅炉诊断工具及科研开发工具。并随后向市 场推出产品。 日本g i f i l 大学的k a z u n o r iw a k a i 等人开发出基于声波传感器的垃圾处理炉 炉膛温度场测量系统( 电声系统) ，通过对垃圾处理炉炉膛温度场测量和控制提高 燃烧效率，降低污染物排放 4 5 1 ，但系统没有详细报道。 美国n e v a d a 大学的j a k l e p p e 等人研究开发了声学高温测量系统1 4 7 - 4 9 ，据称 系统在各种恶劣的、嘈杂的工业环境中可以精确、反复的测量( 主要应用在电站 锅炉) 。所用发生接收单元为气声系统。既声发生接收单元的发生部分以压缩空 气( 工业用气) 经波导管内孔板产生5 0 0 - 2 0 0 0 h z 的宽频带声波，作为系统的声源。 接收部分是用耐腐蚀镍基合金钢制成的压电式传感器，用来接收发生单元的声波 信号。同时成立科学工程仪器公司s e i ( s c i e n t i f i ce n g i n e e r i n gi n s t r u m e n t si n c ) 专 门从事声学高温计的研究与应用，并在多个国家设有分公司。在中国也曾有其代 销处，但根据调研结果由于该系统安装复杂，需铺设专门的管道，声波发生接收 单元尺寸较大，给现场实际安装带来困难，且售价较高等原因在国内一直没有用 户。 意大利p i s a 大学的m a u r ob r a m a n t i 等人成功研制出一套声学高温计5 q ( 电声 系统) ，通过信号发生器产生一个频率为1 8 k 的正弦信号，并由微处理器控制门 电路产生一个6 6m s 的脉冲，经放大后由扬声器发出，在介质中传播一定时间后 被麦克风接收，再经过放大、滤波、a d 转换、峰值检测等过程，最后由处理器 计算出传播时间，送存储、显示。几位学者还对图像重建算法等问题做了一定的 探讨，提出一种傅立叶正则温度场重建算法，该算法存在的主要问题是将声波传播 路径按直线处理，无法修正声波路径“弯曲效应”对温度场重建的影响，且温度场图 像重建结果存在一定的边缘效应，文中提出了今后改进温度场重建精度的几个方 向： 考虑声波飞行路径的“弯曲效应”，通过对声波路径“弯曲效应”的修正，提 r 东北大学博士学位论文 绪论 高温度场重建精度； 研究新的火焰先验信息矩阵； 研究新的温度场重建算法。 并针对单峰火焰温度场提出一种通过抛物线插值方法重建温度场的基本思 想，算法详细实现过程没有