基于红外机器视觉技术的空预器积灰监测系统设计

习伯泉，许志浩，康 兵，宋 文，王宗耀

（南昌工程学院电气工程学院，江西南昌 330099）

0 引言

目前，“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式，国家对企业污染物的排放要求更高。国内的火电厂都装设了脱硝脱硫装置。空预器在运行的过程中逃逸的氨气、燃料中的硫元素以及设备内部的水分极易在空预器冷端形成硫酸铵和硫酸氢氨[1]。由于硫化物质具有严重的吸附性和粘性，易将空气中的灰尘吸附在空预器的换热元件上。久而久之，空预器将会产生堵灰现象，轻则造成燃料的损耗，利用率不高；重则易将空预器中的可燃物点燃产生二次燃烧现象，燃烧严重会造成爆炸，后果不堪设想。经研究表明，空预器波纹板某部位发生堵塞而导致自燃，燃烧蔓延至该波纹板至少需要1 h，再从整个波纹板蔓延至整个波纹箱至少需要3 h[2]。如此看来，只要在空预器发生堵灰的时候及时检测并吹灰，就能预防空预器二次燃烧现象的发生。因此，为了保障空预器的安全稳定的运行，对空预器进行检测及时采取相应的措施迫在眉睫。

国内对于空预器的热点检测技术研究已经比较成熟，主要采用热电偶和红外传感器进行监测，用来判断是否发生堵塞[3]。虽然起步比较晚但是也取得了不错的成就。文献[1]采用了基于温度场分布分析的方法对空预器热点进行检测，在国内是较早使用温度场概念辅助分析空预器诊断的。文献[4]提出基于红外阵列测温传感器的空预器热点检测方法。文献[5]对空预器红外热点监测采用plc 技术，采用了触摸屏使其操作便捷并节省了大量的人力、物力和财力。文献[6]建立回转式空预器折算压差模型，能够直观的反映受热面积灰情况，对指导电站运行人员进行合理的吹灰操作有实际意义。文献[7]提出了以一种视频监控与故障分析系统，实现了在热态环境下对空气预热器转子积灰程度、热点分布、堵塞程度的估算与可视化。文献[8]提出一种基于条件生成对抗网络（cGAN）的恶劣工业环境下红外补光监控视频图像清晰化方法，实现了空预器红外补光监控图像清晰化处文献[9]设计了一种基于红外视频的零照度环境视频处理方法，通过红外图像增强方法来改善图像清晰度，实现了在零照度环境下对转子积灰程度、热点分布的估算。

文中在上述研究的基础上，提出了一种基于红外机器视觉技术的空预器积灰监测方案，采用无接触方式并采集空预器换热元件的高清红外视频数据，能全区域监测换热元件的运行状态可视化[7]，以进一步标识空预器积灰区域，能够进行及时处理保证空预器安全稳定的运行。

1 功能需求分析

1.1 数字图像采集处理模块

该模块主要通过红外摄像头进行红外图像的采集，能够检测出红外图像疑是积灰故障区域。通过处理模块对所获得的图片进行滤波、增强等处理、提取出相应的特征能够准确获得积灰区域的面积、位置以及严重情况等特点。其监测系统技术流程如图1 所示，主要具体功能需求分析如下：

图1 检测系统技术流程图

1）能对空预器进行全区域的检测，实时获取四个红外摄像头拍摄的视频数据；

2）能将红外摄像头所采集到的视频通过RS45双绞线传输到pc端进行图像的预处理；

3）能检测出疑似积灰故障区域，通过特征提取，图像分割获得故障区域的相关特征；

4）能够图像处理结果综合分析，得出是否有积灰堵塞区域；

5）能为精确的对积灰区域进行吹灰操作提供了基础；

6）能将视频信息以及单帧画面记录、积灰报警记录上传到pc端。

红外视频与图像的处理是该模块的核心，主要将采集到数据信息传递给pc 端，再对图像进行预处理、提取和选择相应的特征值对疑似积灰故障区域进行判断识别。综合处理的结果分析，确定积灰区域的位置与堵灰严重程度。pc 端将信息存储起来并展示给工作人员。

1.2 人机交互模块

该模块主要是用于工作人员通过pc 端的软件对监测所收集到的数据进行操作。能对空预器冷热端实时监视、了解传感器状态、积灰区域的图片、控制套管弹出装置、保存监测信息、历史处理信息查阅等功能。具体需求如下：

1）能实时观察空预器冷热两端转子的运行状况；

2）能获取到温度传感器目前的温度状态；

3）能将红外图片处理后所获得积灰区域截图展示；

4）能把装有红外探头的套管，在不运行的情况下弹出保护红外探头；

5）能监控的视频数据以及处理的数据保存；

6）能查阅以往的历史处理信息。

2 监测系统设计

依据满足上述功能需求，文中空预器监测系统主要由数据监控采集系统、控制系统、交换机、视频编码器、电源适配器、RJ45 双绞线等组成。空预器监测系统结构图如图2所示。

图2 空预器监测系统结构

数据监控采集系统由高分辨率红外热像仪、温度传感器、监控设备保护系统等组成。高分辨率红外热像仪主要实时监测空预器换热元件的运行状态，产生高清晰度的红外视频数据，为视频数据记录与处理系统做准备；温度传感器能够实时记录红外热像仪表面的温度，为保证红外热像仪能够运行在不超过额定温度的环境中；监控设备保护系统由红外热像仪保护罩和保护镜片、保护套管、数据监控采集系统弹出装置等组成，保障数据监控采集系统能运行在正常的温度环境下，防止被高温损坏。

控制系统主要由工业控制机和高清显示屏组成。控制器中的人机交互主要有换热元件冷热预览、温度传感器状态显示、红外视频处理、自动监控报警、查看历史数据、设备设置等功能[10]。总览模块能将空预器换热元件冷热两端的运行情况展示出来，通过换热元件的温度分布情况可以清晰的反应出空预器堵灰的情况与严重程度。总览模块界面设计结构图如图3 所示。控制模块主要对相机参数、红外视频图像分析、视频参数进行控制，以此满足空预器积灰监测系统需求。系统设置对系统的一些参数进行设置。历史记录模块主要是能查阅发生积灰事件的相关信息。

图3 总览模块界面设计结构

3 关键技术

3.1 红外成像技术

红外热像仪在对空预器进行监测的时候就等同于人眼对事物进行观测，红外热像仪中的镜头就相当人眼中的晶状体。如果红外热像仪没有安装镜头，就无法将观测的运行环境进行采集，更加无法形成红外图像传递给处理端。镜头的选择是非常重要的，主要是从工作距离、焦距、视场角等参数进行选择。红外成像的原理如图4所示。

图4 镜头成像原理图

在准备监测的时候，若已知需要监测的物体的大小形状、热像仪镜头到监测物体的距离、监测物体成像的大小，则可以求出焦距。

式中：F为焦距；h为成像的宽度；w为成像的长度；与此相对应的H为所监测范围矩形的宽度；W为监测范围矩形的长度。

在对监测对象进行监测的时候，从式（1）可以得出，焦距越大，目标像所占用的像素点越多，其探测距离更远。但另一方面，焦距越大，视场角越小，同时成本也更高。在选择合适的焦距同时，也要注意对视场角的选择。

视场角包含了水平视场角和垂直视场角，水平视场角是在同一水平面镜头与监测物体宽方向边缘的夹角，垂直视场角是在同一平面镜头与监测物体长方向边缘的夹角。通过视场角可以决定镜头的监测范围的大小，若需要监测范围比较大的物体，需要采用视场角大的镜头。反之可以选择视场角比较小的镜头。但是视场角越大，其光学倍率将越小。同过图4可以求得镜头的视场角。

若将监测物体置于外切矩形中，则该矩形即为红外热像仪可以监测的范围。已知该矩形的长和宽，红外热像仪与被监测物体之间的距离。计算水平视场角：

式中：θh为水平视场角；W为监测矩形的长度；D为红外热像仪与被监测物体之间的距离。

计算垂直视场角：

式中：θv为垂直视场角；H为监测矩形的宽度。

通过上述对视场角的确定，分辨率也是红外热像仪的重要参数之一。分辨率是用于度量位图图像内数据量多少的一个参数，通常用像素来表示。简单地说，摄像头的分辨率是指摄像头解析图象的能力，也即摄像头的影像传感器的像素数。最高分辨率就是指摄像头能最高分辨图像能力的大小，即摄像头的最高像素数。在对空预器的监测时，若已知红外热像仪的监测范围大小，要求的监测精度，可计算分辨率：

式中：p为像素点总数；H为监测范围的宽度；W为监测范围的长度；μ为监测精度。

根据上述对红外成像技术分析，将在半径为5 m 的空预器冷热两端各安装两台红外热像仪。空预器的半径为5 m 即为长度，安装的高度为1.6 m，通过视场角的求解公式可以计算所需水平视场角为57°22'51''。红外热成像仪主要技术参数如表1所示。

表1 红外热成像仪主要技术参数

3.2 红外套管设计技术

在工业中众多设备运行在高温、高尘的环境下，其相关设备外表的积灰程度对设备的散热保护影响较大。红外热像仪位于空预器内部，空预器本身是处于封闭状态。在空预器内部的温度高达500 ℃并时常伴随着灰尘的流动，因此如何对红外热像仪及其线路的保护显得尤为重要。针对上诉问题，文中设计了套管对红外热像仪进行保护[11]。该装置主要包括采集组件和冷却组件。其红外套管设计结构图如图5所示。

图5 红外套管设计结构

红外热像仪保护套管工作原理：将红外热像仪安装在保护头罩中，通过支架将红外热像仪进行固定，红外热像仪的RS485 双绞线和电源线通过导线套管连接信号收发器。同时，导线套管可以使得线路排布更加有序，不会显得杂乱无章。为了保护红外热像仪能够在高温的条件下安全稳定的运行，不被高温，高尘的环境所损坏。文中主要对红外热像仪加装了红外透镜阻挡热量的传递和通过冷却气体进行冷却。冷却空气主要通过冷却气体进口进入导管内部，通过导线套管壁上和中间套管壁上的洞孔，冷却空气能够进入中间套管和固定套管内部。由于冷却空气在设备内部是处于流动状态，能够将部分热量带走，进而能够对红外热像仪的线路进行有效的降温。由于红外透镜与保护罩之间有一定的间隙，并存在一定的角度。当高压冷却气体流通过两者之间的缝隙，可以形成一个锥形气体保护罩。气体保护罩对红外透镜和红外热像仪来说，就是一层保护屏障。该保护屏障能够阻挡高温气流入侵红外热像仪并带走部分热量。同时高压冷却气体也能够对红外透镜进行吹灰，防止有飞灰附着在镜面上，以保证热像仪能够采集到高清晰度的视频数据。红外套管实物图如图6所示。

图6 红外套管实物

3.3 红外套管弹出设计技术

火电厂在运行的情况下，空预器是处于高温、高压的环境中。上节中对数据监控采集系统经行了保护，但空预器换热元件发生积灰的过程是比较缓慢的。文中设计红外套管弹出有诸多作用，其中一方面为了进一步保证数据监控采集系统的安全运行，需要在其不对空预器换热元件进行监测时将其弹出用来进一步保护。另一方，红外热像仪在监测状态时，其镜头保护镜片上有顽固灰尘，控制系统发出清洗指令后仍不能将顽固灰尘清除。在此情况下可以将红外套管弹出，工作人员可以亲自进行清洗，清洗之后可将其重新装回进行监测任务。红外套管弹出设计结构图如图7 所示。红外套管弹出装置使得空预器积灰监测系统的安全稳定性、灵活性、鲁棒性得以提高，非常具有工程意义。

图7 红外套管弹出设计结构

火电厂处于运行的状态下，工作人员在保障设备安全运行同时将运行的成本最小化。数据监控采集系统无需对换热元件进行全天的监测，此时工作人员需要将其弹出进行保护和降低成本。在监测状态，红外套管4安装在传感器驱动板3上并处于远离主梁尾板的状态；支撑环气缸7与支撑环气阀导轨13处于重合状态，支撑环16和气阀垫片15与基板1处于紧贴状态；驱动板气闸气缸10与对应的气阀导轨处于分离状态。红外热像仪装置暴露在基板1外，能够实时的采集空预器换热元件的堵灰情况。当数据监控采集系统无需处于工作状态或需要对红外热像仪进行清洗的情况下，控制系统发出弹出指令时，主要是利用高压气体对气缸进行操作。红外套管弹出过程中，传感器气闸气缸19受到气压作用，红外套管4沿着气阀导轨14运动至紧贴主梁尾板，红外热像仪装置弹回至基板1内；支撑环气缸受到高压气体的作用与支撑环气阀导轨分离，支撑环16和气阀垫片15与基板1处于分离状态；驱动板气闸气缸10受到高压气体的作用，运动到与相应驱动板气闸导轨重叠位置，此时气闸驱动板向上运动将基板1上红外传感器窗口关闭，阻断热量的传递保护红外传感器。红外套管弹出装置实物图如图8所示。红外套管弹出装置的功能能顺利的运行，其主要是依赖高压气体的作用。红外套管弹出装置动作流程如图9所示。

图8 红外套管弹出装置实物

图9 红外套管弹出装置动作流程

4 系统测试结果

为了验证系统的准确性与可靠性，系统对于空预器的换热元件进行了实时监测。该红外监测系统安装在某火电厂，对空气预热器换热元件冷热两端进行监测。红外热像仪采集冷热两端的高清晰度的红外视频。为了便于分析系统提取了换热元件冷热两端的红外视频中的其中一帧如图10、11 所示。监测系统通过对采集到图片进行图像处理，将红外图像依据换热元件的梁将图片进行区域分块化。将每个扇形区域再分为四个小区域，同时每个小区域再根据空预器换热元的横梁分为若干个区域如图12 所示。软件系统对每个小区域进行分析，识别出换热元件是否发生堵灰。具体分析如图12 所示，由实验可以清晰的识别换热元件是否发生积灰现象，以确保设备的安全稳定运行。

图10 空预器换热元件冷端红外图像

图11 空预器换热元件热端红外图像

图12 红外图像区域分割处理

5 结语

文中针对空预器在高温、高压、高腐蚀环境下运行，提出了一种基于红外机器视觉技术的空预器积灰监测系统，主要采用机器视觉和红外图像处理技术来对空预器换热元件是否发生堵灰进行识别。该系统能够实时监控换热元件的运行状态，并采集高清晰度的红外视频数据。通过软件系统的红外图像处理技术，能够有效的判断空预器换热元件的积灰状况，并将积灰状态的位置进行定位，同时将处理的信息展示给操作人员。该系统能够提醒工作人员进行吹灰，能够有效的排除设备发生的故障。系统采用无接触式监测能够充分保证设备的安全运行，对提高设备的安全稳定性具有重要工程意义。