电厂锅炉火焰综合监测系统

侯一民 伦向敏

(东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

大型锅炉是电力、化工及冶金等行业的重要设备，其运行状态的安全性和经济性对生产过程尤为重要。锅炉的燃烧管理也是整个电站安全且经济运行的关键。

近年来，随着数字技术和多媒体技术的发展，有一些学者利用数字图像处理技术测量炉膛中的火焰温度场等参数，并用于锅炉的燃烧控制，王补宣等通过小型发光火焰温度分布测量的研究，建立了图像亮度信号与火焰温度间的关系，经黑体炉标定获得了多项式回归模型，在国内火焰图像处理领域开创了先河[1]，但其精度不高，仅能建立比较稀疏的等温线；姜志伟等在图像控制器前加装单色滤光片，获取了火焰的单色辐射图像，并根据辐射定律，将单色图像与其中某一参考点的辐射强度进行比较建立温度场，其参考点用双色高温计或热电偶测温获得[2]；谌贵辉等设计了一种锅炉安全监测专家系统，其中涉及到火焰图像的温度场建立，但并未针对温度场的计算展开详细论述[3]。

笔者针对电力锅炉设计其火焰监测系统，包括锅炉火焰的多种参数检测，以及基于三色测温法的图像温度场的建立。

1.1 热辐射测温原理

热辐射原理是可见光测温的依据。一切温度高于绝对零度的物体都能发射出电磁波，从而产生热辐射。根据普朗克定律和维恩位移定律，当物体的辐射波长很小时，非黑体的辐射亮度和波长之间的关系可以用维恩公式表示为[4]：

(1)

式中C1——第一辐射常数；

C2——第二辐射常数；

T——物体的温度；

λ——物体的辐射波长；

ε(λ,T)——非黑体的发射率。

可以看出，辐射体的光谱辐射亮度是波长和温度的函数。

根据黑体和辐射理论，各种辐射能可以按照其电磁波的波长或频率排列。波长在40～100nm的电磁波(包括可见光和红外线短波部分)的热效应最显著，这个范围内的电磁波称为热射线或热辐射。因此，辐射能可以表示辐射源发出的电磁波的能量，也可以表示被辐射表面接收到的电磁波的能量。

电厂煤粉锅炉的炉膛火焰温度测量工作可以基于黑体辐射理论展开，结合辐射理论，经过一系列的分析和计算，得到的结论是：当空间温度发生较小的变化时，可以引起辐射的较大变化。因此，根据辐射度，能够反推出温度的变化，进而测量某些点的温度。

1.2 三色测温法

火焰温度场是能够直接体现燃烧情况的数据组合，目前能够获取的是火焰的图像数据。又由于物体的辐射与其光谱分布有直接关系，因此可以通过火焰图像处理分析火焰光谱得到其辐射度，进而计算温度，即根据基色辐射模型确定温度值[5]。

通过计算整个视野范围内的光谱分布，可以计算相应空间内的温度分布，建立温度场。再经过简化和修正，能够较为准确地显示出视野内的温度分布情况。利用三色测温法进行温度测定，是通过火焰3个波长的相对辐射信号实现的。

根据式(1)， R、G、B单色辐射的亮度的计算式分别为：

(2)

(3)

(4)

若选取两个波长λr和λg的辐射图像进行比较，对于相同温度下同一物体不同波长的单色辐射系数而言，两个辐射率的比值为1，那么就可计算出对象的温度值，即：

(5)

对于3个颜色的波长，再附加第三个波长λb代入，则有：

(6)

基于式(6)，根据由彩色CCD摄像机摄取的火焰图像温度场中某一点像素灰度值(R、G、B)的分量，并引入适当的带宽和灰性假设补偿修正，即可测得对应点的温度值，进而建立温度场。

2 火焰图像的特征提取

获取了火焰温度场，还不能直接作为火焰燃烧控制的依据，温度场的视图效果仅能给操作人员提供火焰燃烧是否安全、正常和稳定的定性依据，在视觉上完成火焰燃烧过程的处理任务，对于计算机监控系统还需要定量的数值加以描述，火焰图像本身还有较多的有效特征需要呈现。

由于火焰图像中的每一个像素点(xi,yj)都对应一个温度值t(xi,yj)，那么火焰图像温度分布可以用矩阵T表示：

T=[t(xi,yj)]X·Y

(7)

X、Y分别表示火焰图像中水平和垂直方向上像素的值。根据火焰温度场的分布设定有效区域温度的阈值Tth，那么有效区域的面积sv定义为：

(8)

有效区域平均温度Tv可以定义为：

(9)

式(9)中，L(x)为阶跃函数，定义为：

(10)

根据火焰温度场的分布设定高温区域温度的阈值Tth-H，那么高温区域的面积Sh可以定义为：

(11)

高温区域平均温度Th可以定义为：

(12)

高温面积率Hi是火焰图像高温区域面积Sh和有效区域面积Sv的比值，即：

Hi=Sh/Sv

(13)

3 测温实验

通过对上述理论的有效借鉴和应用，根据现有算法在LabVIEW 2011平台设计炉膛火焰温度监测与分析系统，通过测温实验，验证了该测温系统的计算结果与实际基本一致(图1)。

图1 煤燃烧火焰实验结果

实验中，基于三色测温法和图像处理技术的炉膛火焰温度监测与分析系统，得到的火焰三维温度场的X-Z、Y-Z、X-Y视图如图2所示。可见，火焰的温度在800～1 700℃，整个温度呈四周低、中心高的分布。得到的火焰燃烧特征值：高温区阈值1 300.0℃、最高温度1 945.4℃、异常阈值2 000.0℃、有效区面积4.02m2,高温区面积2.36m2；高温区平均温度1 051.92℃、高温区面积率58.37%、有效区平均温度959.86℃。

a

b

c

d

为了验证计算方法的可靠性并测试其准确度，用不同燃料燃烧的火焰实验对其进行验证，选取多个代表点，利用软件计算出的温度结果与热电偶测得的实际温度值进行比较，验证该款测温软件计算结果的精度。

钨铼热电偶为高温热电偶，测温范围0～1 800℃，满足此处的测温要求，而且稳定性好，故选择钨铼热电偶进行实验测量，与测温二次表连接读取温度。并且认为热电偶所测为标准信号，图像为t时刻采集得到的，热电偶在t时刻前10次与后10次连续采集温度值，计算得到热电偶20次测量温度的均值作为热电偶t时刻的温度值，并用取平均的方式去除干扰信号，用t时刻热电偶测得的温度值与t时刻图像测得的温度值作比较，结果见表1，可以看出系统误差较小，证明了算法的可行性。

表1 煤火焰测量温度与计算温度误差 ℃

4 结束语

基于图像技术设计了电厂锅炉火焰监测系统，将采集到的火焰图像采用三色测温法计算图像中各点的温度，并重建温度场。重建过程中为实现三色测温法的标定，用钨铼热电偶检测实际火焰中各检测点的温度。最后通过实验对系统进行测试，结果表明：系统运行比较稳定，实现了火焰有效区面积、高温区面积提取、平均温度和最高温度的显示功能，并且具有较高的准确性，对于不同燃料燃烧的火焰具有一定的适用性。

[1] 王补宣,李天铎,吴占松.图像处理技术用于发光火焰温度分布测量的研究[J].工程热物理学报,1989,10(4):446～448.

[2] 姜志伟,周怀春,娄春,等.基于图像处理的火焰温度及辐射率图像检测法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(9):49～51.

[3] 谌贵辉,刘巧燕,刘西成,等.基于图像处理的锅炉安全系统故障诊断专家系统的研究[J].电气应用,2012,31(4):50～52.

[4] 孙元,彭小奇,王一丁.基于彩色图像分割的高温辐射体识别方法[J].计算机测量与控制,2007,26(8):36～42.

[5] 黄本元,罗自学,周怀春.炉膛燃烧稳定性的火焰图像诊断方法[J].热力发电,2007,36(12):19～22.