毕业设计论文电厂锅炉火焰安全监控系统设计.doc

1 绪 论1.1选题目的和意义1.1.1选题背景90年代后，随着计算机图像处理技术的发展，基于工业电荷耦合器件CCD与计算机图像处理相结合的技术是炉膛火焰监测系统中较为热门的研究方向之一。锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并维持稳定、均匀的燃烧火焰。燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与否最直接的反映。燃烧调整不好或者燃烧不稳定会导致锅炉热效率下降，产生更多的污染物、噪声等，在极端情况下可能引起锅炉炉膛灭火，甚至诱发炉膛爆炸造成事故。为了预防潜在的危险，必须进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。因此，安全、可靠的燃烧诊断技术成为锅炉安全运行的重要条件和基本要求。锅炉的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，防止引发炉膛爆燃事故。对于煤粉炉，燃料在炉膛内悬浮燃烧，它的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，产生脉动和火焰内动易引起炉膛压力不稳，造成炉墙损坏。如果炉内温度场不均匀，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由于加热不足破坏锅炉水循环平衡，金属热应力增加，锅炉寿命减少。如果炉内温度场不均匀，低温煤粉得不到充分燃烧，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目的和意义大中型锅炉都配备炉膛安全监控装置，即FSSS（Furnace Safeguard Supervisory System），其最重要的组成部分是火焰安全监控系统。对大型燃煤锅炉而言，锅炉燃烧工况的组织和监控对电厂运行的可靠性、安全性和经济性有较大的影响。锅炉的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，防止引发炉膛爆燃事故。对于煤粉炉，燃料在炉膛内悬浮燃烧，它的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，产生脉动和火焰内动易引起炉膛压力不稳，造成炉墙损坏。如果炉内温度场不均匀，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由于加热不足破坏锅炉水循环平衡，金属热应力增加，锅炉寿命减少。如果炉内温度场不均匀，低温煤粉得不到充分燃烧，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。为了提高对火力发电厂的认识，为了增强对火焰图像传感器的认识，故选择电厂锅炉火焰安全检测系统设计课题进行研究。本研究课题采用先进的传像光纤，运用计算机技术、数字图像处理原理和燃烧理论实现煤粉燃烧器火焰图像信号分析，准确地发出单火焰燃烧器有无火的On/Off信号，并能够实时显示火焰图像燃烧情况，对锅炉燃烧的经济性和稳定性具有重要的意义。1.2 国内外情况目前国内在锅炉火焰安全监控设计方面主要侧重于软件方面的设计来提高锅炉火焰监控的可靠性、安全性，如小波分析、模糊控制、模式识别、频谱分析等，特点是：基于计算机的软件处理速度快，但现场安装不方便；而国外主要侧重于硬件的设计，如采用专用的DSP控制器、ARM单片机、硬件电路设计、开发并集成摄像头等，在图像处理方面用硬件电路来检波、滤波，并用处理芯片来对锅炉的火焰进行控制，特定是：硬件设计难，控制方便。目前国内外大量应用检测可见光与红外光、可见光与红外光和紫外光、声学法、图像法等来监控锅炉火焰以提高火焰检测的可靠性、安全性。1.2.1国内情况国内这方面的研究起步较晚，典型的例子是上海交大和重庆大学等单位分别对此进行了研究。（1）上海交大的徐伟勇、孙江等用三色波长光谱测量法和温度分段线性化的方法来计算火焰温度为火焰温度分布的确定提出了较准确的方法。还研制了一套图像火焰检测系统，能实现火焰伪彩色显示，燃烧直方图显示，亮度分布及亮度历史记录和变化趋势，输出燃烧器“有”、“无”的开关量信号等。（2）上海交大的赵铁成等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DSP和数字视频技术的火焰检测系统，解决了复杂判据无法实时运行的。（3）重庆大学的良熹利用现代谱估计、神经网络模式识别等现代检测技术，对提高火焰的分辨能力和识别能力分别作了探讨，并根据讨论的结果，以HHG-98红外动态火焰检测器为基础，建立了一套具有自适应、自学习能力的新型火焰检测设备。（4）国内一些企业也做了相关的研究，并研发出了炉膛火焰检测设备，例如常州远泰电子有限公司的SG-GJ拐角内窥式炉膛火焰电视设备，如图1-1所示。图1-1 SG-GJ拐角内窥式炉膛火焰电视设备SG-GJ拐角内窥式炉膛火焰电视监控设备主要适用于电厂燃烧炉、垃圾燃烧炉、钢厂动力炉，对燃油，燃煤，燃气炉该设备可将摄像镜头直接伸入炉内，在集控室连续实时地监视炉内火焰的工作状态，可清晰地观察到炉膛四角位置分布的4个燃烧喷火嘴及每个喷头嘴喷火形状，对于炉内油嘴雾化不良，漏油造成喷火不畅，火焰变小以及火嘴配风不好引起火焰过长而出现舔管现象，炉内炉管变形，烧结而爆管的事故都能实时监视并及时处理防止炉内事故发生，确保了锅炉炉膛经济运行的可靠性，还便于实现集中调度及生产过程的自动化。系统采用PLC可编程控制，具有停电、停气、超温自动退出保护功能。 1.2.2国外情况（1） ABB的UVISOR系列火焰检测系统UVISOR多种燃料火焰检测系统，由基于微处理器的智能单元MFD.SA、1个或2个UR系列检测器探头、MFD.SA参数管理软件三部分组成。MFD.SA智能单元体是基于微处理器的放大设备，具有同时接收两个检测器探头信号的能力，从每个探头来的信号送入它自己独立的通道，每个通道又有其自己的火焰继电器，各自提供010V或420mA的模拟输出。此外，它还有两个最为突出的功能： 参数选择功能针对不同燃烧工况分别选择不同参数组而且可根据当时的背景工况进行火焰跟踪，以实现对火焰检测的一一对应(例如，在平均负荷时是一组参数，在低负荷和高负荷工况时是另外不同参数组)，而且每一组参数的切换是根据锅炉的实际运行状况自动完成，无需手动。还引入了火焰光谱的自动分析，给出适合本火嘴的低频切断和高频切断频率，即低于低频率的火焰信号被滤除，高于高频率的火焰信号也被滤除。由于炉膛内的火焰和热管壁基本属于静态辐射，即使其火焰信号再强，但频率却远远低于低频率切断值，信号被滤除；其它火嘴的火焰由于都是尾部对本火嘴有影响，频率值也较低，同样被滤除；又由于气体和轻油等燃料燃烧的频率较高，基本高于煤粉燃烧时产生的频率，通过高频切断将信号滤除。这样就保证了火焰检测器只采集本火嘴的火焰信号，极大提高了检测准确度。 自动扫描功能及数据库它的参数设置，是通过智能单元内的微处理器自动扫描完成的，对于某一种特定工况，处理器只要经过有火和无火扫描后的计算，就能准确给出实现对当前这种工况的火焰检测的频率值、背景值、低频率切断频率、高频率切断频率以及增益值等参数，无需再手工设置，更无需像传统火检那样由于运行工况变化和燃料的变化而不断学习而频繁调整参数。（2）日本日立公司研制了火焰图像的锅炉燃烧监视系统(FIRES)，系统是由沿炉膛垂直向布置的多组单元火焰检测装置组成，锅炉中燃烧火焰的亮度用图像光纤传送到工业电视摄像机进行测量。图像光纤采用水冷，一个70视角的镜头固定在图像光纤的顶端，表面用石英玻璃覆盖。镜头检测的燃烧火焰亮度由工业电视摄像转换成电信号记录在录像带上，同时可用彩色电视机进行监视。（3）三菱公司经过多年的试验，研制开发出新一代的火焰检测装置光学影像火焰扫描仪(Optical Image Flame Scanner简称OPTIS)。该火焰监测器和检测原理和传统的火焰监测器不同，它采用了摄像机和传像光纤直接拍摄火焰图像，并利用信息处理来判断火焰的稳定性。（4）美国ABB-CE公司开发了SS1(SafeScan1)的燃烧诊断装置用于大型电站锅炉的燃烧火焰诊断。该装置对传统的UV摄像头在锅炉低负荷下的不敏感性进行了改进；提出用可见光区域的光导纤维及光电转化装置对火焰信号的频率和强度进行探测分析，从而得出火焰的状态。为避免高温损坏光纤，将光纤布置在二次风口。1.3 早期火焰检测方法及其缺点（1）烟色监视法基本工作原理：烟色监视仪是利用硅光电池的光生伏特效应制成的。硅光电池受到光照射时，光子便与硅原子相碰撞，光能量传给硅原子，因而产生空穴-电子对，从而产生电动势。通过光照在界面层产生的电子空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在硅光电池中形成的电流也越大。缺点：时间滞后，而且测试元件易被污染。（2）热电偶测温法热电偶测温法是最常用的接触式测温法，热电偶是用两种不同导体（或半导体）组成的闭合回路，两端接点分别处于不同温度环境中，与当地达成热平衡时会产生热电势，标定后可用来测量温度。从原理上说热电偶测温有较高的准确度和复现性，并能用于1001600范围内的温度测量，同时能把温度信号转变成电信号，便于信号的远传、实现多点切换和接入自动控制系统。热电偶测温装置简单，宜于操作及维护，测量时不必知道被测火焰中所含的气体组分热力学参数及辐射特性，因此曾广泛应用于工业燃烧的生产和科研领域中。（3）黑体腔式热辐射高温计黑体腔式热辐射高温计，亦称接触式光纤高温计，是近十几年来随着光纤技术发展起来的一种新型的接触测温方式。它是通过选择耐温可达19002000的蓝宝石单晶光纤作为基体材料，在其端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体腔，将其伸入高温火焰中和火焰达成局部热平衡，黑体腔内自发产生热辐射，并将辐射能经普通石英光纤传送到检测系统，利用双色测温方法测量出当点温度。这种方法结合了接触测温和非接触测温法的优点，具有不存在光学窗口被垢污和不受背景杂光干扰、易于操作的特点。与热电偶测温方式相比，具有测温上限高、精度高、动态响应快的优势。（4）声学法该方法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引起的速率或频率变化来求解温度或温度场，其原理如下图1-2所示：图1-2 声学法原理图对于理想气体，声速与气体温度存在以下关系： (1-1)式中，k为气体的比热比；R为普适气体常数；M为气体的平均摩尔质量。因此只要测得声源发出的声波通过火焰的速度，便可由上式计算得到火焰的温度。声脉冲发射器在控制单元的控制下定时发射声脉冲，与此同时，控制单元的计时器开始计时，当声脉冲经过已知路程的火焰到达声脉冲检测器时，计时停止，这样就可得到声脉冲经过火焰的时间，从而得到声音在火焰中的传播速度，进而获得火焰温度。但是，这样获得的火焰温度是声脉冲所穿过的路径上温度的平均值，而不是空间某点的温度值。因此对于电站锅炉这样的大型燃烧对象，要想得到截面或者三维空间燃烧温度场，必须在一个层面内装设多对声脉冲传感器，并用特定的算法重建温度场。然而，要把声速高温计发展成为精确、适应性强的测温手段，还需要解决以下问题：声学高温计的测量原理是基于理想气体的，炉膛中的火焰并非严格遵守由理想气体导出的上面的公式。因此对于各种影响必须通过大量的实验研究回归出计算关系式；精确的确定烟气的各热力参数，如燃气成份、比热等，对于温度的准确测定十分重要，但事实上烟气的热力状态参数难于事先确定，这导致了测量结果的误差；当烟气中温度或速度存在突变区域时，采用声波法得到的将是路劲平均后的结果，难以体现出这种突变；燃烧炉膛内不可避免的会存在一些因素引起的燃烧背景噪声，对测量会产生干扰，如何选择合适的声波频率，减少背景噪声的干扰，是在研究开发和应用时必须加以考虑的问题。（5）离子式火焰检测方法离子式火焰检测器是利用火焰中导电离子具有导电性的原理来检测火焰的状态，由于它属于接触式火焰检测器，所以存在着安装不便、损坏率高、检测不准等缺点，目前几乎不使用。（6）红外线火检它通过检测燃烧火焰发出来的红外光来判断火焰的状态。由于煤粉或油雾燃烧时光强的闪动性，为红外检测器提供了依据，因为热的炉膛虽产生很强的红外辐射，但是其强度的变化率不超过2Hz。因此通过过滤器可以将燃烧器的火焰和背景区分开。红外检测器对不同的煤种有较好的监视效果，一般采用硅光电池作为光电敏感元件，将光信号转换成电信号，经电路处理后输出标准信号送到FSSS主机。缺点：因为红外火焰检测器也会吸收烟尘、炉壁的红外辐射，所以很容易误动作，且只适合煤粉锅炉。（7）可见光火检它是基于检测火焰的闪烁频率和强度两个物理量来确认火焰检测的状态，由于采用双信号的检测方法，提高了火焰检测器的可靠性。另外，可见光检测器对红外线有过滤作用，可滤除烟尘、炉壁的红外辐射，进一步提高了火焰检测器的可靠性。缺点：可靠性不高，易产生误动作。（8）紫外线火检它利用火焰本身发出光线中含有的紫外线的原理来检测火焰的状态，其常用的传感器是紫外光电倍增管。缺点：由于煤和重油燃烧发出的紫外光很微弱，而且易被介质吸收，因而一般对煤、重油燃烧不使用紫外光火焰检测器，而在燃气、燃烧轻油的锅炉用的比较多。1.4 本文的研究内容本章介绍了部分早期火检方法的优缺点，然而图像处理的方法正在火热的研究中，许多学者、老师、工程人员、企业都在为电厂锅炉的火焰图像监控而不断奋斗，本文的研究内容分以下两个方面进行：（1）系统硬件采用CCD摄像头、图像采集卡、传感光纤、工业PC等硬件。 （2）软件设计提出了简洁可靠的算法，主要完成图像采集、灰度化、中值滤波、二值化、形态学处理、边缘检测等。采用MATLAB完成图像处理的算法。（3）介绍了火力发电厂煤粉锅炉的基本结构以及原理，重点突出了炉膛安全监控系统FSSS系统与燃烧器管理系统BMS，FSSS的控制屏主要是用来发布运行人员的命令、查看锅炉运行的情况，逻辑屏可以看作是FSSS的大脑，所有运行人员的指令都是通过逻辑屏实现的，每个驱动装置和敏感元件的状态都是通过逻辑系统进行连续的监测，运行人员发出的指令只有通过逻辑屏判断满足一定的安全许可条件后才能执行。当出现危及设备安全运行情况，逻辑屏会自动停掉有关设备。现场设备主要是一些传感元件和执行机构。（4）在研究完三色温度场的火焰检测算法后，对canny算子做了介绍，并用它作为本文的边缘检测算子。2 火电厂锅炉结构2.1 典型燃煤电厂锅炉燃烧系统锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、油或者天然气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，使水变成蒸汽。蒸汽直接供给生产需要的热能，或通过蒸汽动力机械转变为机械能，或通过汽轮机转换为电能，所以现代锅炉的主要任务是把化学能转换为热能。1-水冷壁集箱 2-升降管3-燃烧器4-水冷壁5-炉膛 6-凝渣管束7-汽包8-饱和蒸汽引出管 9-过热器中间集箱 10-过热器 11-省煤管12-炉墙13-空气预热器14-烟气出口图2-1 某煤粉锅炉系统示意图下面我们以某一台燃煤锅炉为例简单介绍一下电站锅炉的基本工作原理，如图2-1所示。一台典型的电厂锅炉主要包括炉膛、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器以及钢架炉墙等部分，称之为锅炉本体。除此之外，锅炉还有一些重要的辅助装置，包括磨煤装置、送风装置、引风装置、给水装置、燃料供应装置、除灰装置、除尘装置等。在锅炉的工作流程中，首先将煤送进磨煤机磨成煤粉。两侧炉墙装有燃烧器，煤粉由空气携带送入炉膛燃烧，燃烧器喷出的煤粉与空气混合燃烧，在炉膛内释放出大量的热量。燃烧后的热烟气上升，流经凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经除尘装置清除其中的飞灰，最后由引风机送往烟筒排入大气。电厂汽机分场的给水加热器把冷水加热到一定的温度，经过省煤器后进入汽包，沿升降管进入水冷壁。水冷壁组成的炉膛受热面吸收炉膛内高温烟气辐射传过来的热量，水冷壁内的水经过加热变成高温高压的汽水混合物上升回到汽包内，经过汽水分离装置，蒸汽从汽包上部离去，流往过热器。在过热器内，饱和蒸汽继续吸热变成过热蒸汽，然后送往汽轮机中去，推动汽轮机产生机械能，由汽轮机带动发电机把机械能转变为电能。2.2 锅炉安全监控系统事故2.2.1 炉膛常见事故（1）炉膛爆燃事故炉膛爆燃指的是在锅炉炉膛烟道和通风管道中积存的可燃混合物突然同时被点燃，而使烟气侧压力升高造成炉墙结构破坏的现象。在我国通常和炉膛灭火事故联系在一起，俗称“灭火放炮”。爆燃三条件：炉内积存可燃物；可燃物的浓度达到爆炸浓度；火源。（2）炉膛爆燃的防止炉膛灭火后必须吹扫后才能点火；防止重复点火；防止燃料漏进停用的锅炉；防止一个或几个燃烧器突然失去火焰。2.2.2 水冷壁泻漏爆管事故如果炉内结焦，又造成水冷壁爆管可能造成炉内爆燃事故，因燃尽的焦炭与水起化学反应而产生水煤气。2.2.3 引风中断事故该事故将造成炉膛压力增大，燃烧恶化。2.2.4 送风中断事故该事故将造成炉膛灭火和炉膛压力过低。2.2.5 给水中断事故将造成水冷壁管内失水而烧坏水冷壁管，直流炉的这种事故比汽包炉的危险更大。2.2.6 掉焦事故炉膛顶部掉焦砸坏下联箱造成灭火爆燃事故。2.3 炉膛安全监控系统FSSS 当锅炉启动、点火、运行或工况突变时，保护系统监视有关参数和状态的变化，防止锅炉或燃烧系统煤粉的爆燃，并对危险状态作出逻辑判断和进行紧急处理，停炉后和点火前进行炉膛吹扫等保护措施。实现炉膛安全监控的系统叫炉膛安全监控系统FSSS（Furnace Safeguard Supervisory System）。FSSS主要是保证锅炉安全运行，不参与调节，它的联锁等级是最高的，具体的安全联锁条件要根据机组的燃料系统的物理特性和燃料种类决定。（1）FSSS系统的组成：系统由控制盘、逻辑盘和现场设备三部分组成。控制盘：包括运行人员控制盘、模拟盘和就地操作盘；运行人员控制屏包括操作开关、按钮和指示灯，运行人员可远控现场设备和观察现场运行情况，显示事故原因。模拟屏装设在逻辑盘的各个煤层控制盘和油层控制盘中，为热工人员调试逻辑系统和查找逻辑故障提供有力的工具，可以模拟一层，也可以模拟整个机组。就地操作盘因机组而有不同设置，一般包括磨煤机操作盘、给煤机操作盘以及油枪角操作盘，就地操作盘主要是就地操作调试方便，在正常运行时方式开关均置在远程位置。现场设备：包括液压和气压传动装置、风机、水泵、炉膛压力变送器、液位计、蒸汽压力变送器、火焰检测器、点火器、磨煤机、给煤机、档板、喷嘴阀、跳闸阀等设备。逻辑盘：逻辑盘可以看作是FSSS的大脑，所有运行人员的指令都是通过逻辑盘实现的，每个驱动装置和敏感元件的状态都是通过逻辑系统进行连续的监测，运行人员发出的指令只有通过逻辑盘判断满足一定的安全许可条件后才能执行。（2）FSSS的功能监视锅炉各燃烧器火焰及全炉膛火焰；当炉膛正、负压力超过规定值时，发出报警信号，提醒运行人员注意；当炉膛火焰出现燃烧不稳的临界状态时，及时发出报警信号，警告运行人员迅速进行燃烧调整；当出现危及锅炉安全运行情况，如突然灭火、给水中断、送风中断等，立即切断锅炉的所有燃料供给，防止锅炉发生恶性事故，这称为主燃料跳闸功能(MFT)；当主燃料跳闸以后，在满足一定的吹扫条件下进行自动吹扫，消除炉膛内残余的可燃物质，防止点火时爆燃；自动记忆引起主燃料跳闸的首次原因及事故发生的时间，以供分析判断事故情况参考；在吹扫完成以后，对每个燃烧器进行自动点火；当燃烧器点燃以后，对于直吹式锅炉，应自动启动磨煤系统，煤粉燃烧器自动投入远行；锅炉炉膛安全监控系统是一个非常重要的装置，所有设备本身及接口可进行自检，保证装置的可靠性；能对事故发生的原因和参数进行追忆，按顺序打印出产生事故的各种原因及参数变化情况。2.4 燃烧器管理系统BMS燃烧器管理系统BMS是指对锅炉的各层燃烧器进行切投控制，以满足机组起停及增减负荷的要求，对锅炉的运行状态进行监视，并确保锅炉安全的一个控制、保护系统。在锅炉冷态起动阶段，点火前BMS对锅炉进行油阀和油管路的泄漏试验和炉膛吹扫。在点火过程中，BMS点电火花，轻油（重油）按对角点火原则点燃各层的轻油枪（重油枪），对锅炉进行暖炉。其后，根据运行要求投入若干层煤粉、锅炉升温、升压，当主汽参数达到额定值后，机组进入汽机冲转、带负荷阶段。在这期间，油枪和煤粉的火焰检测器投入运行，二次风档板根据相应燃烧器的运行状态而自动改变开度。主燃料跳闸功能亦进入热备用状态。如遇锅炉汽包水位低、断水等事故时，即实行主燃料跳闸（MFT），实现紧急停炉。当机组主要辅机发生故障时，BMS起动快速RB(RouBack，机组快速甩负荷)系统，把负荷减到相应水平。在机组满足负荷时如遇电网故障，可启动FCB(Fast Cut Back,机组甩负荷不停炉)系统快速切除锅炉部分燃烧器，做到停机不停炉或带厂用电运行。按照不同机组要求，BMS可以有不同功能，归纳起来有：炉膛吹扫、泄漏试验、油枪起停、制粉系统起停、火焰检测及全炉膛熄火保护、主燃料跳闸（MFT）、二次风档板控制机组故障快速切回负荷（RB），以及机组甩负荷不停炉（FCB）等。（1）主燃料跳闸（MFT）保护当锅炉设备发生重大故障，以及汽轮机由于某种原因跳闸或厂用电母线发生故障时，保护系统立即使整个机组停止运行，即切断供给锅炉的全部燃料，并使汽轮机跳闸。这种处理故障的方法，称为主燃料跳闸MFT(Maste Fuel Trip)保护。（2）机组快速甩负荷（RB）保护当锅炉的主要辅机(如给水泵、送风机、引风机)有一部分发生故障时，为了使机组能够继续安全运行，必须迅速降低锅炉及汽轮发电机的负荷。这种处理故障的方法，称为锅炉快速甩负荷RB(Run Back)保护。（3）机组甩负荷不停炉（FCB）保护当锅炉方面一切正常，而电力系统或汽轮机、发电机方面发生故障引起甩负荷时，为了能在故障排除后迅速恢复发送电，避免因机组启停而造成经济损失，采用锅炉继续运行，但迅速自动降低出力，维持在尽可能低的负荷下运行，以便故障排除后能迅速重新并网带负荷。这种处理故障的方法，称为机组甩负荷不停炉FCB(Fast Cut Back)保护。3 火焰图像监测系统硬件设计3.1 总体系统架构3.1.1 系统结构炉膛火焰图像硬件检测硬件系统原理图如图3-1所示。基于数字图像处理的锅炉火焰温度检测系统，通过彩色CCD摄像机和传像光纤，采集火焰的原始图像；再利用图像采集卡将火焰图像采集到计算机系统，通过图像处理单元对火焰图像进行分析处理，获取当前火焰温度和预估温度等信息来指导运行人员进行锅炉的燃烧系统控制。图3-1 炉膛火焰图像检测硬件系统原理图火焰温度检测系统的原理结构如图3-1所示，整套测温系统由光学系统、风冷系统，彩色CCD摄像机、图像采集卡和计算机图像处理单元几部分组成。带有冷却装置的传像光纤伸入炉膛，将检测到的燃烧器火焰图像以光信号的形式传送到CCD摄像机靶面，CCD将火焰图像转化为标准模拟视频信号并通过视频电缆传给图像采集卡，图像采集卡将模拟视频信号经过A/D转换，变成数字图像。数字图像由计算机中的图像处理软件单元进行分析处理，处理得出的相关信息输出到运行员工作站或工程师工作站指导燃烧系统的控制。3.1.2 系统功能（1）监视功能实时显示每个炉膛内火焰燃烧的情况；（2） 灭火保护功能通过图像处理可以输出单个火嘴的熄火开关量信号，并经计算机处理后送炉膛安全监控系统(FSSS)动作停炉；通过火焰图像传感器的故障诊断，提高系统的可靠性；（3）实时诊断功能利用炉膛看火电视装置，对炉膛燃烧火焰颜色、形状进行监视，实时显示锅炉内部温度；及时预报燃烧过程的异常情况，防止锅炉事故发生；对炉膛的稳定程度做出评价，以使锅炉经济运行。3.2 火焰图像传感器3.2.1 火焰图像传感器的组成火焰图像传感器由传像光纤、CCD摄像机和冷却系统组成，结构示意图如图3-2示：图3-2 传感器示意图传像光纤由1.5万传像束组成，光纤前端是成像物镜，直接深入炉膛获取单火焰燃烧图像；图像经过传像束传到光纤后端的一CCD摄像机，完成光电转换形成标准电视信号；CCD摄像机和传像光纤使用自然风进行冷却，风通过保护套管直接吹入炉膛内。3.2.2 传像光纤传像光纤是用石英、玻璃、稀土石英玻璃等光透视率高的媒质制作的极细纤维。在光学上是透明的，把光纤制成与导线或电缆相似的光导线材，能把光的信息（光强、光脉冲、光的相位变化等）从一端传送另一端。光纤能在弯曲的通道上传光，是利用光学上的全反射原理：入射光的入射角大于全反射的临界角时，入射光线就会被介质完全反射。这样，光线在光纤的界面之间进行反复的全反射，成“之”字型由光纤的入口传到光纤的出口。3.2.3 CCD与CMOS的比较CCD(Charge Coupled Device)，即“电荷耦合器件”，是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，但CCD没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存，所有图形数据都会不停留地送入一个模数转换器，一个信号处理器以及一个存储设备。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。CCD和CMOS在制造上都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，这种转换的原理与太阳能电子计算机的太阳能电池效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱。 CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂而且速度较慢。而CMOS传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度也比CCD快很多。CCD制作技术采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS有一定优势。由于CMOS集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大。CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；而CCD传感器为被动式采集，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要1218V，因此CCD还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的耗电量远高于CMOS。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。总体说来，为了得到更好的图像效果，因此本文采用CCD摄像头。3.3 图像采集卡图像采集卡是机器视觉系统的重要组成部分，其主要功能是对相机所输出的视频数据进行实时的采集，并提供与计算机通讯的高速接口。3.3.1 图像采集卡的组成（1）视频输入模块；（2）模数转换（A/D）模块；（3）时序及采集控制模块；（4）图像处理模块；（5）总线接口及控制模块；（6）输出及控制模块。3.3.2 图像采集卡的分类（1）模拟图像采集卡和数字图像采集卡；（2）彩色图像采集卡和黑白图像采集卡；（3）面扫描图像采集卡和线扫描图像采集卡。3.3.3 图像采集卡的基本技术参数（1）输入接口：模拟、数字；（2）灰度等级；（3）分辨率；（4）带宽；（5）传输速率。3.3.4 图像采集卡的基本原则（1）硬件功能；（2）软件功能；（3）性价比；（4）技术支持；（5）色彩的还原性；（6）运动图像采集奇偶场锯齿的消除；（7）HDTV信号的采集；（8）RGB信号采集的相位调节；（9）彩色信号的DVD数据格式的实时压缩。本设计中采用的图像采集卡的型号是：MV-800高清图像采集卡。基本性能参数是：它的A/D转换器（模数转换器）位数是10位，分辨率为768576，帧数为30帧/S，支持DicrtShow，并采用自适应梳状滤波，动态采集图像流畅细腻，实时完成文字/字符/图形叠加, 可实现单帧/单场/黑白灰度采集，消除运动图像毛刺、脱影、拉毛现象。采用RS-232串口与计算机通讯。3.4 RS-232通信本系统采用9针RS-232串口通讯，为了简化系统的通讯，只用其中的2、3、5三个管脚进行通信，分别是数据接收线RxD、数据发送线TxD、信号的接地线GND，如图3-3所示。 图3-3 9针电缆连接数据终端设备DTE和数据通讯设备DCE之间的数据传输是通过两条RS-232通信线（RxD和TxD）进行的。TxD线处理PC机（DTE设备）传输的数据，RxD线处理调制解调器或DCE设备传过来的数据。在台式系统中TxD和RxD线通过起始和停止位组帧，以固定的速度传输异步信号。RS-232数据不同寻常的一个点：是对于通信线，低电平（小于-3伏）代表逻辑1,而高电平(大于3伏)代表逻辑0,所有的RS-232控制线都与之相反。图3-4所示的是RS-232线中传输的格式，线空闲时保持高电平，起始位的接收标志着字符传输的开始，起始位通常是低电平，以当前的波特率发出。起始位后是8个（有时少于8个）数据位，从最低位开始，最后发出一个或者多个高电平停止位。A=0x41 01000001B图3-4 通过RS-232传输一个字符UART（通用异步收发报机）是RS-232线的常用接口。UART将位组合成字节发送给CPU，UART通常做成一块可读写的串行数据芯片。位传输的时间取决于信号的传输速度，通常每秒位（bits per second）或者波特（baud）最为速度的单位，这两个单位可以互换。RS 232数据线空闲时称标记状态，该状态对应逻辑1。传输字符时，起始位和之后的1位称为间隔。4 火焰检测算法分析 炉膛火焰燃烧状况是否稳定直接关系着锅炉安全性和经济性，炉膛必须具有安全可靠的炉膛安全监测系统，而炉膛安全监测系统能否起到灭火保护作用，取决于炉膛火焰监测系统能否正确的给出火焰有无燃烧、是否稳定等信号。影响本系统检测可靠性和有效性的最重要因素之一就是火焰燃烧判断算法，设计可靠的火焰燃烧判断算法，将直接影响着锅炉运行的安全性。炉膛火焰检测算法主要是在数字图像上进行判断。数字图像是由图像传感器从锅炉内部直接摄取燃烧器的燃烧图像然后传送到计算机，经过采样后得到的。图像传感器的安装位置直接影响到最终看到的图像。图像的不同，使用的判断算法也就会有很大的差别，甚至是完全的相反。在这套系统中，根据不同情况设计了对应的算法，使得该火焰检测系统具有了更强的适应性。对于不同的火焰燃烧情况，只需要调出对应算法就可以准确判断火焰的燃烧状况。4.1 色度值火焰检测算法4.1.1 火焰判断某一行的r、g、b三个色度值在行上的空间分部情况是，依次经历了初燃烧区（x19）、燃烧区（20x106）、火焰尾迹（107x240）在正常无偷火现象时一般火焰图像具有如下特征：（1）在初燃烧区Z内像素（x ，y）上的三个色度值R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)都很低。（2）在燃烧区H内像素（x，y）上的三个色度值R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)都接近饱和，单色度值一般均在220以上。（3）在火焰尾迹区J内，B（x，y）色度值较低，R(x,y)、G(x,y)值比未照射黑区Z的R(x,y)、G(x,y)值要高即 (4-1)（4）在火焰未燃区W内R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)三个色度值较低，但比初燃烧区的R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)三个色度值要高一些，尤其是R(x,y)值即 （4-2）（5）当燃烧器灭火时，图像R、G、B特性与火焰未燃区W的R、G、B特性相近。（6）当有物体挡住镜头或光纤断等故障即黑屏时，图像R、G、B特性与未照射黑区内的R、G、B特性一致，与灭火图像的R、G、B特性不同。（7）燃烧区域大小与负荷、风量及煤种有关。燃烧器灭火情况下的两种图像特征：一是断粉无火，这时背景火焰进入检测图像中，火焰图像R、G、B特性与火焰燃烧区R、G、B特性相近；另一种是喷粉熄火，图像中大部分为“初燃烧区”，火焰图像特性就是火焰未燃区的R、G、B特性。因此通过分析，可知火焰像具有以下特征：（1）在黑区内，像素（x，y）上的R、G、B三个色度值都很低；（2）在火焰未燃区（黑龙区）内R、G、B三个色度值较低，但R值比黑区的R值要高些；（3）在燃烧区内R、G、B都很高；（4）在火焰尾迹G、B值较低，R值较高；（5）当有物体挡住镜头或光纤断等故障时，图像R、G、B特性与黑区内的R、G、B特性一致。在第一类火焰图像中，当燃烧器灭火时，图像特性与火焰未燃区的特性相近。在第二类火焰图像中，当燃烧器灭火时有两种情况：一是断粉灭火，这时背景火焰进入检测图像中，图像特性与火焰燃烧特性相近；另一种是喷粉灭火，图像中大部分为“黑龙”，图像特性就是火焰未燃烧黑区的特性。4.1.2 算法分析对于不同的图像采用不同火焰检测算法。对于第一类火焰图像特征，提出如下的火焰检测算法：（1）检测区域为图4-1中由火焰图像边缘和直线L组成的阴影区域。在检测区域S内，如果 （4-3）成立，即B色度值大于阈值的像素点数是域内总像素数的一半以上,则为有火,否则转（2）；图4-1检测区域（2）如果 （4-4）成立，转（3）；否则左移直线L，缩小判别区域，如 （4-5）成立，转（1）；否则右移直线L，直到满足 （4-6）则转（1）。（3）如果检测区域改为不含偷火图像的所有图像区域，在判别区域内，如果 （4-7）成立即B、R色度值同时大于阈值的像素点数大于阈值则为有火，否则如果（4-8）成立,则为灭火，式中为未照射黑区内的R色度值均值，即R色度值大于未照射黑区内R均值的像数占区域总像数的百分之八十，否转（4）（4）在所有火焰图像区域S内如果 （4-9）式中：、为未照射黑区的R、G、B色度值均值，010、010、010，即R、G、B色度值均值与未照射黑区内的R、G、B色度值均值相近，则为无图像故障，否则为灭火。算法中检测初始区域阈值、阈值、阈值、偷火区域和、均由上位机根据现场的实际情况确定后通信下传。根据第二类火焰图像特征(如图3.1 b所示)，在火焰检测算法中，火焰的存在与否不是以着火区域面积为依据，而是以黑龙区域面积为依据，其逻辑判断关系与图3.1 a的火焰检测算法正好相反，这样可避免由于“偷火”而误报，其具体算法结构与步骤和图3.1(a)的火焰检测算法很相似，火焰检测算法简述如下（1）在所有图像区域如果式3.9成立,则为无图像故障，否则转（2）；（2）在所有图像区域内，如果 （4-10）成立，R色度值小于阈值的像素点数大于阈值，则为灭火，否则转（3）；（3）在检测区域内，如果（4-11）成立，即R色度值小于阈值的像素点数是域内总像素数的一半以上，则为有火，否则转（4）；（4）如果式3.6成立转（5），否则缩小检测区域，如式（3.5）成立,转（3），否则右移直线L，至到满足式（3.5）则转（3）；（5）如果 （4-12）成立，则有火，否则为灭火。同前一样算法中检测初始区域、阈值、阈值、阈值和阈值均由上位机根据现场实际情况确定后通信下传。由于检测区域的自适性，即区域位置和大小的可变性，解决了以往火检装置因煤种、负荷、风量等条件变化时造成火焰漂移而产生误报问题。在灭火判别过程中，将偷火区域排除检测区域外，解决了因“偷看”火焰而造成误报问题。算法进行传感器故障判断避免了因传感器故障而产生灭火误报，提高了系统的可靠性。4.2 边缘检测算法色度值为图像检测的一种方法，但过于复杂，为了简单起见，本系统的设计采用canny算法进行边缘检测。根据视觉理论可知：识别一个对象是从其边缘开始的，一幅图像不同部分的边缘往往是模式识别最重要的特征。边缘是其周围像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的像素的集合，它广泛存在于物体与物体，物体与背景之间，基元与基元之间。边缘为图像中灰度发生急剧变化的区域边界，边缘是图像的基本特征。物体的边缘是以图像局部特征不连续的形式出现的，也就是指图像局部亮度变化最显著的部分，图像边缘有方向(灰度的变化方向)和幅度(灰度的变化率)两个特征，通常沿边缘的走向灰度变化平缓，垂直于边缘走向的像素灰度变化剧烈。轮廓跟踪也称边缘点连接，是一种基于梯度的图像分割方法，是指从梯度图中一个边界点出发，依次通过对前一个边界点的考察而逐步确定下一个新的边界点，并将它们连接进而逐步检测出边界的方法。对于连续图像f(x，y)其方向导数在边缘(法线)方向上有局部最大值，因此，边缘检测就是求f(x，y)梯度的局部最大值和方向。已知f(x，y)在方向沿r的梯度定义如下： （4-13）达到最大值的条件是=0 ，即 （4-14）得到梯度最大值，一般称之为梯度模。梯度模算子具有位移不变性和各向同性的性质，适用于边缘检测，而灰度变化的方向，即边界的方向则可得到。在实际应用中，一般将算子以微分算子的形式表示，然后采用快速卷积函数来实现。常用的微分算子有Roberts算子、Canny算子等，本文用canny算子实现边缘检测。canny算子是最优的阶梯型边缘 (Step Edge)检测算子。从以下三个标准意义来说，canny边缘检测算子对受白噪声影响的阶跃型边缘是最优的。(1)检测标准。不丢失重要边缘，不应有虚假的边缘。(2)定位标准。实际边缘与检测到的边缘位置之间的偏差最小。(3)单响应标准。将多个响应降底为单个边缘响应。canny算子的实现步骤如下:（1）首先用ZD高斯滤波模板与原始图像进行卷积，以消除噪声。（2）利用导数算子(如Prewitt算子、Sobel算子)找到图像灰度沿着两个方向的导数、，并求出梯度的大小：（3）利用（2）的结果计算出梯度的方向（4）求出了边缘的方向，就可以把边缘的梯度方向大致分为4种(水平、垂直、45度方向和135度方向)，并可以找到这个像素梯度方向的邻接像素。（5）遍历图像。若某个像素的灰度值与其梯度方向上前后两个像素的灰度值相比不是最大的，那么将这个像素值置为0，即不是边缘。（6）使用累计直方图计算两个域值。凡是大于高域值的一定是边缘；凡是小于低域值的一定不是边缘。如果检测结果在两个域值之间，则根据这个像素的相邻像素中有没有超过高域值的边缘像素，如果有，则它就是边缘，否则不是。5 基于MATLAB的数字图像处理5.1 数字图像处理的主要步骤本文处理的主要步骤是：首先图像采集信息，然后把锁采集到得图像灰度化，然后进行直方图变换，然后经过中值滤波和锐化滤波，再后进行二值化处理，再进行形态学处理，最后进行边缘检测和火焰图像判断。图像处理的流程图如图5-1所示。开始图像采集中值滤波二值化形态学处理边缘检测判断有无火焰图5-1 图像处理流程图5.2 MATLAB软件介绍MATLAB语言是由美国MathWorks公司推出的计算机软件，经过多年的逐步发展与不断完善，己成为国际公认的最优秀的科学计算与数学应用软件之一，是近几年来在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境，而且还具有可扩展性特征。MATLAB中的数字图像是以矩阵形式表示的，这意味着MATLAB强大的矩阵运算能力用于图像处理非常有利，矩阵运算的语法对MATLAB中的数字图像同样适用。MATLAB的数字图像处理功能很强大，其自带的图像获取工具箱(Image Acquisition Toolbox)和图像处理工具箱(Image Processing Toolbox)包括了经典图像处理的许多方面，如图像的几何操作、邻域和区域操作、图像变换、图像的恢复和增强、线性滤波器和滤波器设计、图像分折和统计、色彩、集合及形态操作等方面。同时，MATLAB还提供了对多种图像文件格式的读写和显示，这使得在MATLAB的集成环境中可以轻松实现图像处理。在图像采集方面，图像采集工具箱扩展MATLAB的强大科学计算能力，允许直接在MATLAB环境下通过工业标准硬件设备获取图像和视频信号。通过该工具箱，可以直接将 MATLAB环境同图像采集设备连接起来，预览图像，采集数据，并且利用MATLAB提供的强大数学分析功能完成图形图像的处理。在图像几何操作方面，MATLAB的图像几何操作提供了插值函数，图