（工程热物理专业论文）可视化火焰测量系统的开发及应用.pdf

摘要 李志宏( 工程热物理) 指导教师：刘石研究员 我国是能源消耗大国，煤炭作为燃料在能源消耗中占了很大比重。电站锅炉 作为电能生产的主要方式，面临着提高燃烧经济性和减少污染的双重任务。只有 更好的优化炉内燃烧工况，才能满足上述要求。另外，合理燃烧还可减少锅炉事 故的发生。总之，优化燃烧控制是锅炉各项性能全面提高的必然要求。目前燃烧 控制的特点是主要信号均取自燃烧室以外。从燃料入炉燃烧到蒸汽压力变化是个 纯滞后大延迟的过程，难以迅速跟踪炉内燃烧的变化。 而内涵丰富，直接反映炉内燃烧状况的火焰信息未被充分利用。本课题目的 既是探索火焰信息的获取方法，并为优化燃烧控制提供参考。 本课题通过研究燃烧的辐射成像模型、图像采集系统的光电特性、火焰温度 场算法、可视化测量系统原理，从测量对象、测量模型、测量工具、测量应用等 方面阐述了针对燃烧火焰所建立的较完善的研究方法，并以此为基础开发了新型 的燃烧测量系统。 本课题以可视化实时场测量为主要目标，以c c d 相机、分光系统及相关图 像采集及处理设备为主要测量工具，以电站锅炉煤粉燃烧火焰为主要研究对象， 实现了对燃烧火焰的多参数测量。通过对火焰特性的研究确定了测量波长，对图 像采集系统光电特性的研究选取了c c d 相机，对测量原理的研究设计了测量方 案并研制了分光系统，在此基础上开发了整套新颖的可视化燃烧火焰采集及分析 系统。通过温度标定获得了温度灰度标准数据库，并应用于某电站3 0 0 m w 锅炉 的实际测量。测量结果表明，本系统能够准确及时跟踪运行工况的变化，反映燃 烧的实际情况。 运用最小二乘支持向量机，通过火焰信息的提取和优化组合对锅炉负荷进行 了预测，找到了与之紧密相关的火焰参数，为燃烧的优化控制提供了新的借鉴。 本课题开发的燃烧测量系统具有波长及光路选择灵活，测量准确度高，运行 稳定可靠等特点，并且具有较好的燃料适应性，可广泛用于非透明或半透明火焰 的燃烧测量。 关键词：测量、燃烧、火焰、可视化、电站锅炉、向量机 a b s t r a c t l i 动m o n g ( e 蟛n e c f h 喀n 黜1 0 p h 蜘c s ) d i r c c t c db vp r o 晒rl i us h i c k n ai so n eo fm el a r g e s te n e r g yc o n s 啪e r si l ll 量l e 、o r l d al a r g ep o 俺o no ft l l e 矗l c lc 砌鼯矗d mc o a l a sam 旬o rp o w e rg 锄e r a t i o nf a d l i t y ，p o w e rs t a t i o nb o i l e r sf a c e ad o 证b l em i s s i o no fi n c r e 鹊i n gc o m b u s 虹o ne 衔c i e i l c y 姐dr e d u c i n g 即v i r o n m e n t a l p o i l u t i o 玛w h i c hc a b ea 出e v e do n l yw h e nt h ec o m b u s t i o np r o c e s si so p 吐m i 乃e d m e a n w h i l e ，印p m 阳a t ec o m b u s 廿o nw i l l 硎u c eb o i l 盯a c c i d 锄t s a sac o n s e q u e n c e ， o 砸m i z e d m b u s t i o nc o n 仃o li sb e c o m 证ge s s e n t i a lf o rt l l ei m p r o v 咖吼to fo v 眦1 1 b o i l e rp b 渤衄a n c e h o w c v 叫煳n yt l l eo v e 九砌e h n i n gs t r a 把g yo fc o n 如u s t i o n c o n 台o li 8b a s o d 衄也es i 弘a l s ( s u c h 髂t h ep r e 鼯u r eo f 也es t e a ma n d 协ec o m p o s i t i o i l s o ft h en u eg a s ) m a i n i yc o l l e c t c do u t s i d ec o m b u s t j o nc h 锄b e r s ，w h i c hi n e v i t a b l y 啪s i l l gd e l a y sb e t 、v e c l l 血ec o l l e c t e dd a 协删l es p o n t a n 。0 l l sc o n d i t i o l l si i l s i d em e c o n l b u s t i o nc ha 】b e t 1 1 lf a 瓯t h e f ee x i s t sa b 吼d a n ti n f o n n a t i o nhan 狮e 也a td i r e c t l yr e f i e c t s 也e c o m b l l s t i o nc o n d i t i o n s u n f o l t u n a t e l yt h c s ei 1 1 f 0 1 m a t i o nh a v en o t b e 吼缸l l ye x p l o i t e d t 1 1 i st h e s j s p r e s 肋f sm yr c s e a r c hw o 瘦抽妇锄ej n 南m l a t o na c q u i s j t j o na n d f a c i l i t a t i o n ，f o rt l l ep m p o s eo f c o m b u s t i o no p 垃i n i z a d o n t h e 蚰l d yi n c l u d e st h e 讲砌p l eo f 饥鲫l a lm e a s u r i n gs y s t e m ，t l l er a d i o a c t i v e m o d d sf o rn 锄ei m a g 协g ，n l el i g h ts p l i 出n g 锄d 仃锄s l i t t i n gs y s t e i n ，a n dt 1 1 e t e n l p 啪h 鹏r e c o n s 廿u c d o na l g o m mn o v e lo p t i c a li m a 百n gs ”t e mj sd e v e l 叩e dw 油 c o m p l e c ei m 礤i 培d l 鲥m m s t h es y s t 锄i sa b l et op 晌n nf e a l - t i m e8 n df i e l dm e a s w 锄e n to f m u l 6 p i ef l 锄e p a r 鼬c t e r s i tc o n s i s t so fa no p t i c a lp r o b e ，ac c dc 锄e 强a no p t i c a la s s 锄b l yw i t l l o p 虹c 8 if i i t e r s ，af i 锄eg a b b e ra n dam i c r o c o m p u 衄w i d la p p l i c a t i o ns o 疗w a 豫t h e 叩t i c a la s s 锄1 b l y c o m p r i s i n gb 姗s p l i 钍e r s ，p r i 锄sa n db 锄d p 嬲sf i l t e r s ，s p l i t sm e n 锄el i 鲥“od i 鼢咖b e 黜sw 油d i s t i n c tw a v e l 翎g 吐l s 1 1 1 es e l e c t i o n so fm e b 瓤l d - w i d 也so f l ef i l t e r sa r ec o n f i 加w db ym ec h a r a c t 甜s t i c so fn 锄em e 船u r 咖锄t 锄dm es e l e c t ! i o o ft h ec c dc 锄盯ab yc u n c n “l l u m i n a t i o nc h 锄c t 硎s t i c s t 1 1 m u g h i i a b s t r a c t t e l l 叩e r a t i 】r ec a l i b r a t i o n ，ad a t ab a r l kw a se s t a b l i s h e dp m v i d i n g t l l ef e l a t i o n s l l i p b e t w e e n 懈n p e m l m e 趾dt l l e 掣a yl “e lo f m ei m a g e s 1 1 l es y s t 黜w a sa p p l i e do na3 0 0 m wb o i l e f 距dv a l u a b l ed a t aa r ec o l l e c t e d c o n f i m i n gm ea b i l i 锣o f t l l es y s t c n lt of o l l o 惭n gm ev 硝蕊o n so f t l l ew o r k n d i t i o n s a n dt or e n e c to n l 证ec o m b u s t i o nc i 啪c t e i i s t i c s b y 廿1 em e m o do fl e a s ts q l l a r es u p p o r t c 自d rm a c h i n e s ，w es u e y e dm eb o i l e r l o a d 丘d mn 锄ei n f o n i l a t i o n t h en 锄e sp a r 黜e t e r sc 锄嬲s i s to p t i m i z et l l e c 0 耐b u s t i o nc o m r o lt e c h o l o g y t h en o v e li n s 蛔朋1 e n 协舡o ns y s t 锄f o rt h em s 埘砌e n to fm ec o m b 删o nf l 锄e s h a sm a n ya d v a n a g e s ：n e x i b i l i 哆i n w a v e l e l l g t h ss e l e c t i o n s ，h i 曲a c c u r a c yo f m e 蛔蜘l 雠t ，s a f 酞ya n ds t a ! b i l i t y i n o p e f 8 t i o n i tc a nb eu s e de x t a 商v e l yi n m e a s u r 锄e n to f s d b 仃 m s p a r e n t 姐dn o n 咖s p 蝴l tf l 锄e s k e y w o r d s ：m e a s l l r e m e n t ；c o m b u s d o n ；n 锄e ；“s u a l i z a t i o n ；p o w e rs 协t i o nb o i l e r ； s v m i l l 符号表 符号表 惩罚因子 第一辐射常数，w m 2 第二辐射常数，m k 直径，m 辐射强度、光照度，w m 2 焦距，m 灰度 吸收系数 散射系数 距离，m 辐射亮度 气体平均摩尔质量，k g ( k g m 0 1 ) 图像灰度级数 概率 相关系数 符号函数 气体温度，k 积分时间 孔径角 体积，m 3 输入变量 输出变量 放大率 正规化参数 辐射率 透射率 波长，n m 松弛变量 方差、核参数 光通量 2 范数 图像能量( 第六章) 火焰几何厚度( 第三章) 波长透过率( 第三章) ) r x y c q q d e f h k l w m m p h 唧t 。u v k 弘p t 岱九 a 中 脚 第一章绪论 第一章绪论 l 课题背景 煤是世界上储量最丰富的燃料，约占全部化石燃料的8 0 。我国煤炭资源丰 富，约占世界煤炭总储量的l l 【l 】。我国的能源结构以煤炭为主，在今后相当长 时j 日j 内，以煤炭为主的能源结构不会改变，表1 1 所示为我国的能源结构。我国 目前正处于经济迅速发展阶段，2 0 0 5 年全国一次能源生产量达到1 3 2 亿吨标准 煤。据国家信息中心预测，2 0 1 0 年我国能源需求将达到2 1 6 亿至2 3 2 亿吨标准 煤。这使我国的能源供应和环境保护面临很大压力，必然要求我们提高能源利用 率，降低污染水平。 表1 1 我国的能源结构( 单位：) 年份煤炭石油天然气水能核能新能源 1 9 8 57 2 82 0 92 04 3 2 0 0 07 01 9 54 06 02 o 2 0 5 0 6 0 7 0 5 o 5 o 6 0 1 0 2 05 0 我国煤炭消耗中，电煤的消耗量占到了煤炭总产量的一半以上。因此，提高 燃煤机组的燃烧效率，降低燃煤过程产生的污染，是我国能源结构实现可持续发 展的一项重要课题【2 】。 燃烧火焰直接反应燃烧状态的稳定程度。燃烧调整不好或燃烧不稳定会导致 锅炉热效率下降，产生更多的污染物等。在极端情况下，还可能引起炉膛灭火， 甚至诱发炉膛爆炸，造成事故。电站锅炉燃烧的基本要求就是在炉膛内建立并维 持稳定、均匀的燃烧火焰。为了预防潜在的危险，必须对电站锅炉进行切实有效 的燃烧诊断和火焰监测。在电力生产行业中，随着电站煤粉锅炉容量的增大，蒸 汽初参数的提高，大型电站煤粉锅炉的安全性、经济性问题更加突出，对机组的 燃烧调整提出了更高的要求。因此，安全可靠的燃烧诊断技术成为电厂安全性的 重要条件和基本要求，其重要性主要体现在以下几个方面： 1 新投运的大型电站燃煤锅炉日益增多，锅炉机组的容量不断增大，锅炉 设备的机构及其附属变得越来越复杂，可能影响锅炉运行的不利因素也 随之增多，这对炉内的火焰检测和诊断技术提出了更高要求： 旦鲨些坐些型墨墨竺箜堑茎墨生旦 一 2 电厂煤质变动频繁、煤质下降，实际燃用煤种与设计煤种相差较大p “， 造成炉内燃烧参数整定困难，影响到火焰检测的准确性，容易引起锅炉 灭火、扣炮等事故； 3 大容量机组越来越多的参与调峰，为了满足调峰的需要，机组负荷变化 频繁，要求锅炉运行能够适应较大幅度的负荷调节，也给燃烧调整带束 了困难； 4 燃烧参数的波动已成为不容忽略的污染原因。随着国家闩益严格的环境 保护法规的逐渐出台，工业企业及民用设施的排污量将受到越来越严的 限制6 。0 1 ，这将需要越来越严格的燃煤控制系统。 这些问题都对锅炉火焰检测和诊断技术提出了更高的要求。如何彳能保证燃 煤锅炉煤粉燃烧火焰检测诊断信号的准确性、实时性，是电厂安全运行面临的实 际问题。 为了实现火焰燃烧控制系统自动控制，需要选取一些能够及时表征燃烧过程 的热物理量来反映设备的运行状况。常规燃烧控制方法的特点之一是基于恒定的 燃料特性，主要信号( 如烟温，烟气含氧量、过热汽压力、汽包压力等) 取自燃 烧室以外( 如烟道) ，因此不能预测或及时跟踪燃料进料特性以及炉内工况的瞬 时变化。这种控制方式将越来越不适应现代的检测和控制要求。因此，多方位和 快速、早期信息在增强控制、减轻污染方面的作用受到密切关注。火焰温度场作 为燃烧的直接信息具有明显的优越性。它有随个特点：一是直接和快速，二是内 容丰富。 首先，炉内的火焰和温度场直接取自燃烧室，其信息将直接反映炉内的燃烧 状况，甚至当燃料在炉内刚开始燃烧或尚未燃尽时便可获得其火焰和温度信息。 其速度远超前于在炉膛以外的烟气成分信号( 根据国际上的研究报道，可在时间 上超前一个数量级) 。另一方面，火焰信息与燃烧过程的重要参数如喷燃器的燃 料配风的比例( 风粉比) 、燃烧产物中的氧气摩尔含量等有密切关系 。这 样，从实时测量的火焰信号可以几乎同步得到肛l 粉比、烟气中含氧量等信息。其 次，火焰具有丰富的信息，如几何参数( 火焰位置、尺寸、张角、重心、着火点) 、 亮度参数、温度场分布、闪烁频率，以及从火焰的特征实时判断燃料特性的变化 等。温度场测量的范围是一个场而不是个别点，因而能较全面地反映炉内情况， 第一章绪论 如火焰的充满度、火焰是否偏斜或冲刷炉墙、结焦、局部高温等等。在浓淡燃烧、 乏气送粉等低n o x 燃烧技术中，流动和燃烧的组织效果是否完善等也能在炉内 的火焰温度场中得到同步响应。 目前，煤粉炉还没有将炉内的快速信息充分纳入控制系统；同时火焰和温度 场的丰富信息也没有被充分利用，因此对燃烧的分布情况难以做出较全面的诊 断。目前煤粉炉上通常的火焰检测装置，主要检测火焰的振幅频率，以此判断是 否有火，主要目的是为了防止炉膛灭火或爆燃1 2 】。另外还有炉膛火焰的模拟图像 监视，简单地观察炉膛的燃烧情况，通过运行人员的经验判断炉膛燃烧情况，缺 乏定量分析。其它的监视手段就是炉膛温度监视，通过有限的温度监视点( 普通 煤粉炉一般不超过1 0 个，c f b b 不超过3 0 个) 来判断炉膛内燃烧情况。 为防止炉膛爆炸等恶性事故的发生，我国大型电站锅炉普遍安装了基于火焰 光谱检测的炉膛安全保护装置。目前使用的火焰检测装置一般为可见光、红外线 检测平均光强或同时检测平均光强和闪烁频率的双通道型，为肪止“偷看”现象， 这类火检装置的视角较小，要对准煤粉初始着火区。因其测量范围及测量参数有 限，加之受煤质变化、探头表面积灰结焦等因素的影响，这种类型的火检装置容 易产生误报，以致引起误动、拒动等问题，给机组安全带来隐患。因此，研发先 进有效的火焰温度场参数测量方法对于深入研究煤粉燃烧过程显得尤为重要。 2 温度场测量方法综述 鉴于温度参数对于火焰燃烧过程的重要性，温度测量方法的研究一直是燃烧 领域的热点问题。按测量原理分类，可将温度测量方法分为接触式测温和非接触 式测温两大类。接触式测温方法的感温原件直接嚣于被测温度场或介质中，不受 火焰的黑度、热物性参数等因素的影响，具有使用方便、经济耐用，对环境要求 不高等优点，基本能够满足工业现场测量精度要求。但是，对于工业炉内火焰这 样具有瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场测量手段。 主要原因在于接触法得到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个燃烧空间场 的信号，必须在燃烧空间内合理布点，才可以根据相应的方法获得对燃烧温度场 的近似，而这对于大空间来说，几乎不可能实现。另外，大多数接触式测温装置 的动态特性不够理想，在测量上有一定的时间滞后，难以及时反应出温度的快速 变化和火焰脉动，在对高温、高速烟气测量中会产生导热误差、辐射误差、速度 可视化火焰测量系统的开发厦应用 误差等测量误差。因此，其应用场合往往仅限于锅炉热态特性实验或在锅炉正常 运行时，测温点在炉壁附近，所检测的只能是锅炉的部分关键部位。 非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学特性参 数，进而求解出温度，如声学法。声学法是基于理想气体声速和温度之间的关系 进行的，而事实上燃烧气体的热力学性质很难用理想气体进行简单描述，因此这 方面的研究开展的很有限；另一类是利用高温火焰的辐射特性，通过光学法来测 量温度。这种测温方法由于测温原件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温 度场和流场；同时，感温原件热惯性小，因此可用于测量快变及不稳定热力过程 的温度，及时响应火焰温度的脉动。再者多数光学测量方法不仅在于对温度的测 量，同时还能得到燃烧产物组成及各组分的浓度【l ”。目前，众多研究正致力于将 这种方法和计算层析技术结合起来得到二、三维空间温度场分布【1 4 【”】。火焰温 度的测量方法分类如图1 1 所示。 图卜1 温度测量方法分类 非接触测温方法的测量上限不受材料性质的影响，可广泛应用于工业炉、焊 接、火箭发动机等高温场合，为大空间温度场测量提供了可能，是进行温度场测 量的必然趋势。尤其是计算机的广泛应用，为测温方法的数字化处理铺平了道路 【1 “1 舯。其中典型的温度场测量方法有光谱分析( g a y d o n1 9 7 4 ，h a s h i m o n o t o1 9 9 2 ， c l a u s e l l l 9 9 5 ) 、折射衍射法( f r i s 仃d m1 9 9 5 ) 、光散射法如l i f 4 第一章绪论 ( l a s e r _ i n d u c e df l u o r e s c e n c e ) 1 19 j 、l s m ( l a s e rs c a n e r i n go f m o l e c u l e s ) 【2 叭、l r r s ( l a s e rr 丑m a n i a y l e i g hs c a n e r i n g ) 川f 2 2 】以及辐射强度检测法f 2 3 2 7 1 、火焰频率 检测法、相关检测法等方法1 2 9 l 。但上述方法在其工作时，必须要有可供热辐 射光谱传播的通道( 光路) ，即非接触式测量方法通常需开设光学窗口，窗口的 透过率经常由于局部污染而造成不均匀性的减弱，增加了火焰温度测量的难度。 2 1 接触式测温方法 2 1 1 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( 半导体) 组成的闭合回路，其两端接点分别处于不用温度环境中与当地达成热平衡时会产 生热电势，标定后用来测量温度1 3 l j 。其原理如图1 2 所示。 图1 2 热电偶结构示意图 从原理上说热电偶测温有较高的准确性和复现性，并能用于炉膛内 1 0 0 0 1 6 0 0 范围内的高温测量，同时能把温度信号转变成电信号，便于信号的 远传，实现多点切换和介入自动控制系统。热电偶测温装置简单，易于操作及维 护，测量时不必知道被测火焰中所古的气体组分、热力学参数及辐射特性，目前 广泛应用于工业燃烧的生产和科研中【3 2 1 【3 3 j 。但由于伸到气流中的热电偶的热接 点平衡温度是下列几种热量传递的合成温度：热电偶与周围气流的对流换热：热 电偶与气流、悬浮粒子及燃烧室壁面的辐射换热；热电偶丝的导热；气流的动能 在热接点边界层内转化成的热能。这样测量得到的火焰温度值必然在不同程度上 带有辐射误差f 3 4 1 、导热误差d 5 1 和速度误差f 3 6 j 。某些情况下这些误差可能大到掩 盖真实值的程度。因此有必要对其结构作一些修改，或测量后通过计算加以修正。 这无疑增加了在线测量的难度，同时影响到测量的准确性。 ! 堡垡坐丝型墨墨堑塑堑篓丝坐旦 2 1 2 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 术而发展起来的一种新型的接触测温方法3 7 4 0 1 。其原理如图1 3 所示。 薯鹰掇头 准直透镜 0 二 图1 3 黑体腔式热辐射高温计测温原理囫 它通过选择耐温可达1 9 0 肚2 0 0 0 的蓝宝石单晶光纤作为基本材料，在其端 部涂覆铱等会属薄膜构成黑体腔，将其伸入高温火焰中和火焰达成局部热平衡， 依据黑体腔内产生自发热辐射，并经普通石英光纤将辐射能传送到检测系统，利 用双色测温方法测量当地温度。这种方法结合了接触测温法和非接触测温法的优 点，具有不存在光学窗口被污染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、动态响应快的优点，拓宽了接触式 测温方式在高温领域的应用范围，具有良好应用胁景。但与热电偶测温方式一样， 光纤测量属于点测量，相对于大空间的炉膛、大范围的火焰波动具有明显的局限 性。 2 1 3 其它接触式测量方法 除了上述常用的接触式火焰温度测量方法外，其它常用接触式温度测量方法 有：热电阻测温法、双金属温度计和压力式温度计等方法1 4 ”，下面对它们的测温 原理做一简单介绍。 利用一些金属和半导体材料的电阻随温度变化这一性质，把它做成温度测量 敏感元件就成了热电阻温度计。它要求被选择的材料具有以下性质：在测量范围 内物理和化学性能稳定、重复性好，电阻温度特性尽可能为线性。由于热电阻感 温部分体积较大，不太适合测量点温度和动态温度。 两种热膨胀系数不同的金属焊接在一起，一端固定一端自由，温度变化时双 金属片变形，其偏转角反映了被测温度的信息，这就是双会属温度计的原理。双 金属温度计的优点是抗震性好、坚固，但是其精度低，只能应用于工业中。 第一章绪论 压力式温度计是根据封闭系统中的液体或气体受热后压力变化的原理制作 而成。由于参考压力的变化对测温值影响大，所以精度差，此外其测量温度范围 较低，不太适合于高温高压的燃烧温度测量。 2 2 非接触式测温方法 非接触式测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温 度场和流场，同时受传热惯性的影响很小，因此可用于测量不稳定热力过程的温 度。其测量上限不受材料性质的影响，可测诸如火焰等的高温。但对于现场火焰 温度测量，非接触式测量方法需要丌设光学窗口，窗口的透过率经常由于局部污 染而造成不均匀的减弱，这增加了火焰温度测量的难度。 2 2 1 声学法 声学法是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的方法，其原理如图1 4 所示。 幽1 ，4 声学法测温原理 其中考虑速率变化特征的声速法已经在锅炉燃烧测量中得到实际应用，其原 理如下： 对于理想气体，声速a 与气体温度t f 之间存在以下关系： a = k r t f m ( 1 1 ) 式中：k 为气体的比热；r 为普适气体常数；m 为气体的平均摩尔质量。 由上式可见，只要测得声源发出的声波通过火焰的速度a ，即可由上式计算 得到火焰的温度t f o 声脉冲发射器在控制单元的控制下定时发射声脉冲，同时控 柳 一孔l 检 一 一埘一 中 一 一一 庐 一曾一 寻 一 町 见化火焰测量系统的开发及应用 制单元的计时器开始计时，当声脉冲经过已知路径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，进而得到火焰温度。这样得到的火焰温度是声脉冲所穿过的路径上温度的 平均值，而不是空问某点的温度值。因此对于煤粉锅炉这样的大型燃烧对象，要 想得到截面或三维空间燃烧温度场，必须在一个层面内安装多对声波传感器，并 用特定的算法重建温度场。 虽然声学法高温计作为种使用方便的炉内温度场实时监测工具，已经在大 型锅炉的断面温度测量和炉膛结渣等故障诊断方面得到应用，但要使声学高温计 成为更加精确、适应性更强的现场测温手段，仍需要解决如下问题： 1 声学高温计的测温原理是基于理想气体的，煤粉炉中的含尘火焰并非严 格遵守由理想气体导出的( 1 1 ) 式，颗粒浓度、粒度分布以及煤种变化 的影响必须通过大量的实验研究回归出计算关系式； 2 精确确定烟气的各种热力参数，如燃气组分、比热等，对于温度的准确 测定十分重要，但事实上烟气热力状态参数难以确定，这也就不可避免 的导致了测量结果的误差； 3 采用声波法得到的温度是沿程平均后的结果，当烟气中温度或速度存在 突变区域时，难以体现出这种变化； 4 煤粉燃烧的炉膛内不可避免的会存在一些由煤粉射流、湍流燃烧、煤粉 爆燃和燃烧器及管束震动引起的燃烧背景噪声，会对测量产生干扰。如 何选择合适的声波频率，减少背景噪声干扰，是在研究开发和应用声学 法测温时必须加以考虑的问题： 5 在锅炉水冷壁壁面附近和四个角的测量线难以布胃，测量线在壁面处难 以形成交叉，同时，在壁面的声波易受水冷壁形成的容腔影响 4 3 】，导致 边壁区测温困难，影响了测量结果的准确性。 2 - 2 2 辐射光谱法 辐射光谱法包括谱线反转法、辐射强度法、图像法、红外发射c t 法等。 谱线反转法测量原理如图l 一5 所示，其代表方法是钠线反转法。 第一章绪论 透镜 源。 t f 时，在谱线上观察到的是暗线光谱，只有在参考光源的亮度温度与火焰温度相同 时，钠谱线是不可见的。调整参考光源的t o 直至钠谱线消失即可测出火焰温度。 钠谱线反转法的主要优点是直观、装置简便易行，另外测量过程中不涉及火 焰的吸收率和发射率。它的主要缺点是谱线反转判定容易引入主观测量误差，并 且以此进行温度测量需要反复调节参考光源的亮度温度，试验量大，难以适应瞬 态火焰温度的测量，因而只能适用于小型稳态火焰温度的测量。 c t 法测温是c t 技术的应用之一，c t 技术是基于投影重建原理，它不仅已 经在医学诊断、工业无损检测、地震预报等领域等到了广泛应用，而且在工业诊 断中也发挥了极大的作用f 4 4 l 。随着对燃烧机理的深入研究并与激光技术、微电子 技术、计算机技术和相关技术相结合，许多学者探索了c t 技术在热物理量测量 中的应用。到目前为止，c t 技术主要集中在温度场和燃油喷雾测量两方面。红 外发射吸收c t 法即是c t 技术测温的应用之一i ”】。 如图1 6 所示，设f ( r ，庐) 为待测物理量，则f ( r ，矿) 的投影可表示为： s ( 1 ，口) = f ( r ，矽) d z ( 1 2 ) 式中：f ( r ，妒) 为被测场r ，矿处的折射率：s ( i ，毋) 为与o x 夹角为曰，与o x 距 离为l 的直线上点的折射率积分值。 上式称为r a d o n 变换。从投影值s ( 1 ，口) 重建原始场f ( r ，矿) 的方法很多，常用 的是滤波逆投影方法，解析式为： 町视化火焰测量系统的开发及应用 f ( r 棚： b ( 1 ，口) 吲r ) d 口 万i 式中：甙r ) 为滤波函数。 y 一喜f 式 l _ 一一 l乃f 一 圣 l 一 幽1 6 c t 坐标系统示意图 ( 1 3 ) 根据上式，利用光学c t 方法测量的量可以是介质折射率，也可以是辐射强 度。利用介质的发射、吸收特性与温度的关系进行温度测量是一种较为普遍的方 法。考虑到水分、气态燃烧产物的辐射和吸收区，测量的光谱波段常选择红外区， 因此又称为红外发射一吸收c t 法。利用这种方法在炭黑火焰的实验室研究中获 得了较好的测量结果4 6 】1 4 7 】，其主要优点在于实验应用较为简单，数据处理相对 容易，所得温度值对介质的参数不敏感。 2 2 - 3 辐射强度法 i 幺方法是通过测量火焰在燃烧过程中发出的辐射能，从而确定火焰中介质的 温度。测量原理是表征辐射能量分布的p l a i l c k 辐射定律： 民似j 卜商 舢 l 式中：e 。( 五，t ) 为黑体在波长五、温度t 时的单色辐射强度；c 】、c 2 分别为 第一、第二p l a n c k 常数。 p i a n c k 定律是针对黑体提出束的，实际物体与黑体的单色辐射强度之间可用 苎= 兰堕堕 一 物体的单色辐射率( 黑度) s ( 丑，t ) 来表征： 哪，t ) = 器 5 ) 一般情况下，s ( a ，t ) 是波长五、温度t 的函数，但在工程上为了简化计算， 引入了灰体的概念，即物体的辐射性质不随波长而变化，只与温度有关。根据上 述定律，针对不同的测量对象，开发了单色法、双色法和多色法等方法。这些方 法测量时不必事先知道测量对象的辐射特性，因此有较好的检测适应性，应用比 较广泛【4 8 】 4 9 。 3常见的火焰检测方法 锅炉在运行过程中，燃烧火焰辐射出巨大的能量，其中包括光能( 红外线、 可见光、紫外线) 、热能和电磁波等。所有这些不同形式的能量构成了检测炉膛 火焰的基础。目前的火焰检测方法主要有光学式火焰检测方法、相关型火焰检测 方法、基于图像的火焰检测方法等。 3 1 光学式火焰检测方法 火焰在不同区域能发射宽波段的电磁辐射能，其电磁辐射状况是与火焰的状 念密切相关的。因此，利用光能与火焰状态的对应关系便可制造出各种火焰检测 器。此类火焰检测器通过光电转换器件，将火焰的辐射信号转变为电信号，经处 理后，使火焰辐射亮度和闪烁频率体现在电信号上，根据检测的电信号获得火焰 的辐射亮度和闪烁频率，进而判断出火焰的有无。火焰的闪烁频率是指火焰辐射 光强( 稳态分量) 上下波动( 闪动) 的频率。其稳态分量由燃烧的挥发分、火焰 的大小及周围热环境产生的光亮等因素决定。闪烁频率的低频分量( 0 5 0 h z ) 是由于空气动力场及对流引起的火焰形状的波动；而高频分量( 大于1 0 0 h z ) 反 映了中间产物间的振动能和旋转能的转换或者是反应物的能量辐射率的变化，是 燃烧正在进行的标志。 目前光学式火焰检测所使用的光电探测元件主要有：紫外线光敏管、光敏电 阻、硅光电池、c c d 元件等。不同类型的光电检测元件有不同的频谱响应特性。 而燃料不同，其燃烧频谱特性也不同。因此需要根据不同的火焰特性来选择相应 可视化火焰测量系统的开发及应用 的光电检测元件。紫外光敏管的频谱响应紫外线波段，光敏电阻和硅光电池的频 谱分别响应可见光和红外波段。 光学式火焰检测器主要有红外线、可见光和紫外线三种。红外线、可见光火 焰检测器是目前煤粉炉上使用得非常多的两种火焰检测方式。前者以美国 f o r n e y 公司的产品为代表，利用煤粉着火区火焰的红外线强度和闪烁频率来 判断。通过闪烁频率，利用滤波的方法可以将燃烧器火焰与背景火焰区别开来。 后者以美国c e 公司的产品为代表，它是利用煤粉着火区的可见光亮度和闪烁频 率来判断的。 紫外线火焰检测器主要适用于天然气及无色透明的轻油火焰，利用火焰本身 特有的紫外线强度来判断火焰有无。煤粉炉中，紫外线火检器在点火油枪的火焰 检测上被广泛应用。 目前，我国上述各类光学式火焰检测器的可靠性还不高，对于火焰丧失后的 误报、误跳仍时有发生，其主要原因有： 1 火焰检测器探头镜面易被烟灰污染； 2 火焰检测器传感器及接线常因高温老化而损坏； 3 火焰检测器安装的炉墙侧孔积灰和周边结渣； 4 火焰检测器装置静态整定值与实际运行动态值不相符： 5 火焰检测探头视角小，不利于检测火焰的偏移。 用冷风冷却和吹扫火焰检测探头是解决原因1 、2 、3 的有效措施；原因4 是 源于我国煤种煤质多变，供应不稳；原因5 视角狭窄是常规火焰检测器的最大弱 点。火焰检测器探头的视场角一般只有1 0 1 5 。，而实际运行中由于燃料成分变 化较大，加上一、二次风速的变化，使着火区的位置发生漂移，致使检测器的探 头很难随时对准火焰着火区，从而错误地检测到被检测燃烧器之外的火焰。对此 的解决办法有：利用同一火焰脉动的相关性检测火焰或扩大视角，或者采用摄像 机获取火焰图像并加以分析处理。 3 2 相关型火焰检测方法 相关火焰检测法是种很有发展潜力的火焰检测技术【50 1 。其工作原理于 1 9 7 3 年由n o l n n 然和r o b i n s o n 提出。假设两探头物理性质、表面污染程度完全 一致，当燃烧器火焰存在时，两探头所接收的电磁辐射主要来自该重叠区域，因 t 2 第一章绪论 而两探头的输出信号具有极大的相关性；当燃烧器火焰熄灭时，两探头接收的是 炉内不同背景的热辐射。由于炉膛内燃烧的无规律性，不同位置的辐射在统计上 基本独立，因而两探头输出信号表现为不相关或相关性极弱。根据探头输出信号 的相关性便可判别检测区域内火焰的有无。对于两探头的输出信号x ( t ) 、y ( t ) ， 用相关函数r ，。( r ) 可表示为： r x y ( r ) _ 吉f x ( t 叫y ( t ) d t ( 1 6 ) 当r ；，( f ) 等于零时，x ( t ) 、“t ) 统计独立。由于火焰辐射强度基本符合高斯分 布，因而可以用极性相关函数来代替相关函数。在实际应用时，两信号的极性相 关函数为： r w ( r ) 2 吉姜8 9 1 1 【x ( n - r ) 】s g i l 【y ( t ) 7 式中：r 。( r ) 为信号x ( t ) 、“t ) 的极性相关函数值：s g n 【x ( t ) 】、s 印 ) 心) 分别 为x ( t ) 、y ( t ) 的符号函数。 两探头输出信号x ( t ) 、“t ) 经放大滤波处理后，经过零检测器，得到两组脉 冲信号，两组信号相乘积分获得时间平均值，也就是得到极性相关函数值。通过 调整整定值得到两个闽值r 1 、r 2 ，当r ；。 r l 时，表明燃烧器有火，且燃烧 正常；当r 。 r 2 时，表明燃烧器熄火。用极性相关函数值来判断被监视燃烧 器是否熄火是一种行之有效的方法，算法简单，速度快。 与其它火焰检测方法相比，相关型火焰检测方法原理简单，具有一定的优越 性。它原则上不受负荷变化的影响，同时燃料适应性广，检测区域能自动搜索， 不仅能监视燃烧器是否有火，还能间接地反映燃烧器着火点的位置和着火状态的 变化。但是，相关火焰检测器在实用方面存在不少问题。因为当燃烧器着火点前 后变动而跑出检测区时，相关火焰检测器就要误动作。另外，该方法还要求两个 检测器的特性完全一致，在实践中不易满足检测要求。 3 3 基于图像的火焰检测技术 随着电子计算机技术的高速发展，利用数字图像处理技术重建温度场成为可 能，即利用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e 讲c e ，电荷耦合器件) 获取火焰视频信号， 可视化火焰测量系统的开发及心用 经过图像采集卡量化处理后送入计算机，再由计算机进行相应处理，最后获得温 度分布的相关信息【5 ”。 图像火焰检测系统就是利用传像光纤或工业窥镜等光学传像装置和c c d 摄 像机作为传感元件，经图像采集卡，将火焰图像实时采集到计算机中。利用图像 处理技术进行处理，获得炉膛火焰的燃烧状况及其丰富的燃烧信息，更好的实现 了炉膛燃烧的可视化。该方法可准确判断火焰的有无，并根据火焰图像的亮度值 与锅炉燃烧强度的对应关系，通过一定的数据标定，获得炉膛的温度场。随着图 像火焰检测技术的发展，在保证锅炉安全燃烧的情况下，图像火焰检测技术把经 济燃烧作为追求目标。拟定的实现途径如下：把采集到的图像所包含的能量信息 引入燃烧控制系统，应用于调节主蒸汽压力使之具有良好的动态响应品质；更重 要的是通过调节送引风量、风粉比，使锅炉在不同负荷下均能达到经济燃烧所需 要的风量和燃料量。 图像火焰检测技术把图像处理技术、计算机技术应用到了炉膛火焰检测领 域。比起前面介绍的几种火焰检测方法，基于图像的检测方法不仅在可视化燃烧 方面有了很大进步( 图像更全面、清晰) ，而且得到的火焰燃烧图像比起单纯的 光学检测器得到的光强包含更多的燃烧信息，是非常有应用前景的火焰检测方 法。 4 基于图像的火焰检测技术的发展现状 由于现有火焰检测系统存在的局限性，近年来，随着摄像机和计算机技术的 不断发展，越来越多的国内外研究者把眼光投向了可视化的燃烧控制系统。在工 业c c d 摄像机出现后，由于其具有耐灼伤、图像清晰度高、工作稳定可靠、对 震动和冲击损伤的抵抗力较强等优点，迅速在电厂锅炉中以火焰电视的形式得到 应用，为锅炉点火及运行调整提供了直观的监视功能，已经成为大容量机组中必 备的火焰监测手段。 我国火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统设计技术规定中明确指出容量为 2 2 0 讹及以上锅炉的炉膛安全监控系统必须具有锅炉火焰监视功能；4 l o 怕及以 上锅炉，宜装设监视炉膛火焰的工业电 见；在容量6 7 0 讹及以下锅炉，可采用全 炉膛火焰监视，容量为1 0 0 0 锄及以上的锅炉宜采用基于单个燃烧器的火焰监视， 充分说明了炉膛火焰监视对于电厂锅炉安全运行的重要性。在得到广泛应用的同 4 第一章绪论 时，火焰电视系统也表现出了不能作为定量判断依据，不能联入自动控制系统的 弱点。因此，跟踪现代科学技术的发展，进一步拓展火焰电视的内涵，尽可能发 挥其效能，使火焰监视由单纯的保证锅炉正常安全运行向提高锅炉运行的经济 性、降低污染物排放、形成锅炉燃烧在线诊断与调整专家系统等更高层次的应用 领域延伸，已经成为锅炉安全监控研究的重点内容。 基于数字图像处理的温度场检测技术即是在摄像机型火焰检测技术基础上 发展起来。它融合了数字图像处理和辐射测温技术，使摄像机火焰检测技术的功 能更加多样，应用范围进一步拓宽。它不同于现有的全炉膛火焰监视，而是应用 了现代光学、计算机技术、c t 层析技术和人工智能技术在内的智能化燃烧诊断 系统。随着计算机技术特别是多媒体技术的发展，出现图像采集卡以后，使c c d 摄像机输出的视频信号能转化为计算机可以处理的数字图像信号，意味着原先定 性的火焰图像信号可以进行定量分析，这样就为火焰的后续分析和自动监控提供 了可能。因此，摄像型火检已成为火检技术发展的重要方向。 关于基于图像处理技术的火焰可视化和燃烧智能诊断的研究，国内外学者已 经进行了一定的探索。目前的研究主要集中在以下几个方面： 1 把数字图像处理原理应用于燃烧量测量； 2 锅炉火焰图像监控系统集成的研究开发； 3 把人工智能、神经网络和模式识别等理论应用于多参数、非线性的锅炉 火焰参数测量。 在火焰图像处理领域，国外开展此项研究较早，其中具有代表性的成果有： 日立公司1 9 8 5 年问世的h i a c s ，3 0 0 0 系统中采用了炉膛火焰图像识别技术吲【5 3 ， 可以得出火焰温度场分布，燃烧经济性估算以及n o x 排放量估算等结果，对于 稳定锅炉燃烧、提高燃烧效率具有重要意义。随后，该公司的m s h 曲o d a 提出 了类似于比色法的图像温度测量方法，并提出了多燃烧器未燃尽碳生成预测模 型，在日本仙台电厂1 7 5 m w 机组上应用【5 4 。 芬兰ot e c l m o 】o 舒公司的燃烧监测与数字分析系统( d m c ，d j 掣t a j m o n i t o r i n ga n d a 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| 5 5 】。它是专门为燃煤 锅炉