生物质电站锅炉汽包水位电视监视装置的改进设计

沈忠民

摘要：汽包水位是生物质电站锅炉运行中的一个重要监控参数，汽包水位电视监视装置可对水位进行实时监测。分析汽包水位电视监视装置在设计与安装中存在的问题，应用光、机、电等多学科技术对该装置进行改进设计，以期为提高该装置可靠性、保障锅炉安全生产提供技术支持。

关键词：水位监视装置;安装距离;图像质量;问题;改进

中图分类号：TK31    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2020）05-0027-03

发展清洁能源是推进节能减排的重要举措。近年来，国家在加强农村基础设施方面提出要积极发展沼气、秸秆发电等可再生能源，完善农村电网。自我国第一个秸秆燃烧发电厂在河北省晋州市建成以来，全国每年新增数十家生物质电站。锅炉机组安全稳定运行是保证生物质电站正常运转的关键。汽包是电站锅炉的主要设备，汽包水位是锅炉运行中的一个重要监控参数，反映锅炉负荷与给水的平衡关系。汽包水位过高会造成蒸汽空间缩小，影响汽水分离效果，导致蒸汽带水，在过热器管内会产生盐垢沉积，使管子过热、金属强度降低而发生爆破;水位过低会破坏锅炉水循环，使水冷壁管超温过热。因此，加强对汽包水位的控制和调整至关重要。

1 汽包水位电视监视装置

汽包上配有水位计对汽包内水位进行实时监测，保证锅炉安全运行。汽包水位电视监视装置是电站锅炉运行中监测汽包水位必不可少的监控设备。在汽包水位计前方加设一个摄像头，将摄像头所摄的水位计实时液位图像传送到控制室的监视器上，运行人员在控制室即可实时监视现场汽包水位，为锅炉安全生产提供保障。

2 汽包水位电视监视装置设计与安装中存在的问题

由于实际生产条件不同，汽包水位电视监视装置在设计与安装中存在一些问题，急需加以改进，以免对锅炉安全运行造成隐患。

1） 水位计前空间狭小，无法正常进行汽包水位电视监视。由于锅炉炉型不同，有些锅炉汽包水位计前空间过于狭小，无法安装摄像头。即使安装了摄像头，由于监视距离太近，摄像头视场角相对较小，也无法全量程监视到较大可视范围的水位计液位变动情况。

2） 受外部光线及现场灰尘影响，水位计电视监视图像不清晰。有些电站汽包水位计现场环境光线变化大，如汽包水位计露天布置，昼夜光照度变化大，导致夜间水位电视监视图像不清晰。有些电站现场粉尘较大，对水位计窗口及摄像头造成污染，导致无法全天候实时监视汽包水位计液位变动情况。

3 汽包水位电视监视装置改进设计方案

3.1 水位计前空间狭小的解决方案

1） 各项参数的确定。摄像头的安装距离由水位计的量程（即可视范围）、镜头视场角和摄像机靶面尺寸3个因素决定。由于各种锅炉炉型及汽包运行压力不同，汽包的上下限水位值（量程）也不同。现以常见余热锅炉高压汽包双色水位计为例进行探讨，水位计可视范围900 mm。摄像头所需视场与镜头的焦距的关系为焦距越小、视场角越大。为保证双色水位计汽红水绿图像色泽清晰，需采用可变光圈的电动三可变镜头，其最小焦距一般为5 mm，这里留有调整量，以6 mm焦距值进行计算。摄像机靶面尺寸多为1/3"，这里选用1/3"靶面摄像机。

3） 利用镜像成像原理进行产品设计。由于现场距离限制，最大可安装距离只有1 m，无法全量程監视汽包水位。利用镜像成像原理，在水位计前方加1面反射镜，对水位计可视窗口进行一次成像。根据镜像成像特点——像和物关于平面镜对称，像的大小相等、上下不变但左右相反，像和物的连线垂直于平面镜，以及像到平面镜的距离等于物到平面镜的距离，需再加1面反射镜对第一面反射镜中的镜像再一次成像，使水位计二次镜像为正像。

根据前述已确定的技术参数进行产品设计。摄像头距水位计之间最小安装距离为L=1 500 mm，摄像机靶面尺寸为1/3"，摄像头垂直视场角Qh=33 °，水位计可视范围（量程）H=900 mm，可安装距离L1=

1 000 mm。水位计镜像成像原理如图2所示。

设计方案如下：1） 设计一密闭箱体，在水位计正前方加设一次反射镜，在水位计上方加设二次反射镜，摄像头安装在二次反射镜前，摄像头对二次镜像进行成像。根据镜像成像原理，确保不遮挡反射光线的前提下，根据摄像头可安装高度确定反射镜的大小及倾斜角度，完成箱体结构设计，使水位计和两组反射镜密闭在同一箱体内。2） 如图2所示，经过两次反射镜成像，将水位计窗口图像反射到摄像头正前方，摄像头与水位计图像间距离约为2 200 mm，垂直视场角为23 °，完全满足全量程监视要求。

3.2 外部光线及粉尘影响图像质量的解决方案

由于水位计与两组反射镜均密闭在同一箱体内，为保证光照度，在箱体内加设照明冷光源，确保箱体内光照稳定，不受外部光线干扰，同时解决了现场粉尘对水位计窗口的污染问题。为便于摄像头的安装及维护，将摄像头安装在箱体外。为保护摄像头不受外部光线干扰及粉尘污染，在箱体上加装一可拆卸摄像头密封罩，将摄像头进行封闭。

3.3 改进技术要点总结

1） 水位计的量程H及实际可安装距离L1的确定。根据最小安装距离计算公式L=fH/h=6H/3.6=1.66H得出，摄像头在水位计前的最小安装距离约为水位计量程的1.66倍。如图2所示，经过两次成像，水位计图像距第二反射镜距离（L2）约为第一反射镜与水位计距离（可安装距离L1）的2倍多，即L2≥2L1;为预留摄像头安装空间，可设定摄像头与第二反射镜距离L3=L1-500 mm;初步设计时可按如下公式进行验算：L2+L3≥L，即L2+L3=2L1+L1-500=3L1-500≥1.66H。通过以上计算可以得出结论：只要保证3倍的实际可安装距离（3L1）减去500 mm预留空间，所得值大于等于1.66倍的水位计量程（1.66H），即可保证对水位计的全量程监视。

2） 反射镜尺寸及倾斜角度的确定。如图2所示，经过两次反射，以最高和最低量程点与虚拟监视点的光线路径确保在镜面内、且不被遮挡为原则，确定两组反射镜尺寸;并根据结构尺寸要求，确定摄像头安装高度，依据摄像头的高度确定反射镜的倾斜角度。

3） 大量程水位计水位电视监视设计中注意事项。当水位计量程大于1 m时，两个反射镜尽量不要上下设置，可采用左右布置型式，这样可以避免箱体过高导致不易安装及不够稳定。

4） 生物质发电机组汽包水位电视监视设计中注意事项。由于生物质发电机组（如秸秆发电机组）炉体结构的特殊性，在锅炉启动及不同负荷条件下，汽包随着炉体上下浮动;同时，汽包本身随着冷热态变化产生热膨胀、冷收缩，汽包水位计也将随着汽包上下、左右位移。因此，在设计秸秆炉汽包水位电视监视装置时，封闭箱体与水位计之间需采用软连接封闭结构，避免因水位计发生位移而损坏箱体结构。

4 结语

本课题利用镜像成像原理解决了大多数情况下因汽包周围空间狭小而不能安装水位计监视装置或因水位计量程大、摄像头视场角小而无法全量程监视等问题;解决了自然光和灯光等外界光源对水位计中水汽颜色的干扰，同时避免了现场粉尘对水位计窗口的污染，确保汽红水绿的水位计图像清晰可靠;有效保护了水位计监视装置内摄像机的正常使用，摄像头对镜像成像，不直接照射水位计，防止了热辐射对摄像机的伤害和灰尘对摄像机镜头的污染，保证观测效果。利用镜像成像原理进行汽包水位电视监视装置改进设计，是采用多学科技术解决设计难题的一次成功应用。

参考文献

[1] 刘承坚.摄像机防逆光处理在长途客运中心的应用[J].电脑知识与技术，2012，8（18）：4 534-4 535，4 553.

[2] 邵毅，张连旭，郝欣，等.锅炉汽包水位异常波动原因分析与优化措施[J].东北电力技术，2020，41（1）：28-29，34.

[3] 郭新茹，石雪延.火电厂运行锅炉化学清洗质量事故调查与分析[J].清洗世界，2018，34（4）：5-9.