电厂锅炉火焰综合监测系统

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1、化工自动化及仪表第42卷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)摘要基于图像技术设计电厂锅炉火焰监测系统，采集到火焰图像后，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。系统还包括火焰有效区面积争高温区面积的提取、平均温度和最高温度的显示功能。关键词火焰监测系统锅炉温度场标定中图分类号TH862+．7文献标识码B文章编号1000-3932(2015)12．1336-04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

2、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⋯，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心3；谌贵辉

3、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‘引。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测温基本原理和方法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H1：Lcr，=÷FcA，r，÷exp(斋)㈩式中C。——第一辐射常数；c：——第二辐射常数；r——物体的温度；A——物体的

4、辐射波长；占(A，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

5、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收稿日期：2015．10．11(修改稿)基金项目：国家自然科学基金资助项目(60662003)；吉林省“十二五”科研规划项目([2011]80)；吉林市科技计划项Ifl(201362507)第12期侯一民等．电厂锅炉火焰综合监测系统合，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”。。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

6、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：，^r(耻上'IT砌∥)丢唧(岳)(2)，^g㈩』'IT小，，和(§)㈩kc耻÷砌。，r，丢唧(品)c4，若选取两个波长A，和A。的辐射图像进行Lt卜蒜禹㈣卜硪泰药@’r：：兰：【圭：圭：圭11，n!!兰群+5-nI[AAr。A：b／T)(A。，)2＼A。2／(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

7、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(并i，乃)都对应一个温度值t(并i，乃)，那么火焰图像温度分布可以用矩阵r表示：T=[￡(x．，，，，)]。．，(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丁¨那么有效区域的面积s

8、，定义为：s，=三∑叭￡