电站锅炉炉膛火焰监测图像处理技术

作者：北京东方中科集成科技有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 1 发电站设备展厅 电力锅炉, 汽轮机, 水轮机, 燃气轮机, 核电设备... 引 言 面阵电荷藕合器件CCD（charge-couple device）动态或静态图像摄取器件已为众人所熟悉。它接收物体表面反射出的或自身发出的光辐射能量，记录物体的表面视觉信息。电站锅炉采用全炉膛看火电视，使运行值班人员直接观察炉膛火焰图像，从一些火焰特征判断当前的燃烧状态，以保证锅炉系统安全稳定高效地运行。近几年来，人们利用数字计算和图像处理技术，从火焰图像之中提取更多的燃烧监视和诊断信息，获得炉膛辐射水平的定量描述，重建燃烧火焰内部的温度场分布。此项应用技术已成为燃烧学科目前较为热门的研究方向之一。 燃烧过程是一个相当复杂剧烈的物理化学反应过程。炉膛燃烧空间弥散着大量的高温C02、H20、SO2等三原子气体和烟黑、碳粒、飞灰等悬浮粒子，这些介质的辐射传热占锅炉总传热量的95%以上。它们之间同时存在着复杂的辐射、散射、透射、反射和吸收等能量传递过程，致使分析处理火焰图像信息较为困难和特殊。弥散的高温气体和颗粒介质的辐射特性与燃烧空间的温度分布密切相关，如果能测得妒膛温度的分布，对锅炉设计、正确计算求解锅炉的辐射特性和效率、评估锅炉的实际运行状况意义重大。然而，实时测量大尺寸的炉膛温度分布是不可能的，只有借助间接的方法重建炉膛温度场，实现炉膛监测的可视化。 2、火炮探测器 2.1结构和特点 CCD火焰探测器的结构很简单，主要由可伸缩的探测杆和套筒支座组成。探杆的前端安装风冷光学镜头，经传像系统（光路或传像光纤）将火焰图像送至炉壁外侧，由CCD摄像头转换为视频信号输出。探杆由电动装置驱动伸入和退出炉膛。改进型的火焰探测器探杆前端还装有指向性较强的双色测温镜头，如图1所示。 火焰监视的主要目的包括观察燃烧器的点火过程，判别炉膛是否熄火，燃烧过程是否稳定，燃烧火焰是否处于正常的位置和形态。然而，在火焰图像中还有许多反映燃烧状态和特征的信息值得研究和利用。根据普通CCD器件的光电转换特性，它在350-760nm可见光波长范围内有较好的响应特性。煤粉燃烧火焰辐射的波长在300-1000nm范围内，所以采用面阵CCD监测炉膛中火焰的辐射信号能在较大程度上从局部反映燃烧过程的状态及形式特征，具有代表性。 2.2CCD成像 理想的投影成像模型是光学中的小孔成像模型。但CCD组成的摄像成像系统仍然是透镜成像，如力a所示。由物距u、像距υ和透镜焦距f得 炉膛火焰监视应用中，通常满足u》f，于是有υ≈f，所以可将透镜成像模型近似地用小孔模型代替。另外，为了获得较大的炉膛观察视角，采用的摄像镜头焦距一般都较短。面阵CCD物理尺寸相对较小，为了计算分析方便，采用成正实像的投影变换坐标系，并假设不考虑景深限制带来的影响，成像示意如图2b所示。图2c为对应的视觉坐标系，常称为摄像机坐标系。其中原点O为视点，视平面距视点O的距离为f，观察空间中点P（X，Y，Z）与视平面（CCD靶面）上的点p(x,y)之间具有如下几何关系： CCD象素密度反映了监视装置对于空间景物的分辨率。对于弥散着的高温气体和悬浮粒子的炉膛空间，在视平面上的某一象素，不仅会记录下以OP为轴线，立体角为Ω的锥体单元范围内的燃烧物质和气体沿PO方向的辐射和散射的能量份额，而且还受到其余空间辐射在该锥体单元形成的散射的影响。 2.3安装位置 炉膛是一个非常恶劣的高温环境，火焰探测器的安装位置既受到锅炉结构、燃烧方式的限制，也受到火焰探测器的物理性能和工作条件的限制。炉膛内侧壁面火焰监视孔位置的选择，必须考虑： （1）水冷壁、屏式过热器及其它结构部件的布局和设计要求； （2）必须考虑烟气、飞灰和结渣的影响； （3）必须考虑传像光纤的光学性能和CCD摄像器件本身的技术限制。 目前大多数全炉膛火焰监视系统，仅采用一台火焰探测器监测。为了具有较好的视角和观察角度，通常安装于炉膛上侧角或侧面，如图3a所示。由（1）式可知，单台摄像获得的图像，其深度信息已经丢失，不利用其它约束条件试图恢复深度关系是不可能的。 为了进一步分析计算炉膛内的三维燃烧数据，从不同的侧面、不同的横断面和不同的监视角度获得炉膛火焰图像，可以选择多点监测方式。即根据监测需要安装多台火焰探测器，从不同的方位和角度对炉膛进行观察。同一时刻不同方位的火焰图像，为解决三维重建或恢复的病态计算问题提供了可行的途径，几种具有代表性的安装位置如图3b所示。 3、比色测温 3.1 比色测温原理 比色测温是一种非接触的光学测温法，较适用于测量燃烧火焰中介质的温度。当温度范围处于800-2000K之间时，Plank辐射定律可由下面的Wien辐射定律取代： 式中：Eλ（T）表示波长为λ、绝对温度为T时的单色辐射强度；C1、C2分别为第一和第二Planck常数；δ为辐射率。 根据（2）式，若在两个不同波长λ1、λ2下同时测量到同一点发出的单色辐射能，并且假设不同波长下辐射率的变化可以忽略不计，可得测量区域比色法测温的温度T的表达式： 3.2 灰度归一化 由于CCD响应光辐射信号的动态范围有限，摄像镜头的光圈必须随时做相应的调整以避免器件工作于饱和状态，器件的光电特性也可能出现时漂和温漂，同一炉膛的不同CCD探测器件的光电转换特性或灵敏度不可能完全一致。另外，虽然采取了一定的措施，炉膛烟气和飞灰对于摄像镜头的光学特性污染的影响仍然不可避免。这些因素的变化都将使CCD对同等辐射产生不同的时变响应，事先进行标定不具有现实意义。对于实时监测的系统，要完整地知道这些参数及其随时间变化的规律是比较难的。 由（4）式可知，比色测温根据同一时刻测量到的两个相邻波长辐射能的“比值”确定温度值，镜头污染、器件特性漂移等时变因素相互抵消，因此测量过程是可重复、可延续的。文献提出了一种基于参考测温反推温度分布的检测计算方法，实时监测特定波长下的炉内辐射能及其变化率，重建炉膛温度场（二维或三维）。该方法是通过比色法实时测得视场中某一参考点（io，jo）的实际温度，计算出对应点在相应波长下的实际辐射能量Eλ（i0，jo）。假设CCD在可见光范围内的光电转换特性为f（·），可以通过光学电路设计或数字补偿方法线性化，确定当前测量条件下图像亮度Sλ（i0，jo）和Eλ（io，jo）之间的比例系数K，再由CCD图像数据计算出炉膛其它区域的实际辐射能量值已（i，j），最后反推出温度分布值。同理，彩色图像信号中其它单色信号也可用于相同的计算。可见比色测温是实现CCD火焰图像处理过程中的灰度归一化的有效方法。 4、火焰辐射图像处理 4.1 辐射计算 辐射以电磁波的形式传播，通过传播空间时将产生散射和被吸收，在充满气固两相流动介质的炉膛空间的过程更加复杂多变。针对这一过程的特殊性，火焰图像的处理基本上采用不确定性视觉计算的方法，重点在于辐射性质的研究和计算。假定炉膛空间的有效燃烧区域为一个由灰色固体壁面包围灰色气体组成的物理空间，理论上，具有m×n个象素的CCD器件的任一个象素E（i，j）所接收到的辐射能可归纳为下式： 式中：（x,y,z）为炉膛空间基准坐标系；（x’，y’）为炉膛周边各壁面在基准坐标系下的变换坐标；Kg为介质的消光系数；εω为壁面吸收率；Tg为微元温度；Rdg和Rdω分别为气体和壁面在相应体积微元和面积微元上CCD象素E（i,j）的辐射份额系数，称为READ数，它们由各个微元的辐射特性参数所决定，可采用结合Monte Carlo方法的快速算法得到。 READ数中包含了炉膛燃烧空间的多次散射和非独立散射的影响，以及其它非直接辐射区域的影响。另外，考虑到现有计算方法、计算机硬件和CCD器件分辨率及记录精度等性能的限制，一般只将镜头视角之内的有效燃烧区域划分为有限的子域进行分析计算，因此，（4）式演变成： 在这里，将有效燃烧监视区域划分为u个小单元，壁面划分为υ个单元，并设小单元内的辐射参数均匀一致。 4.2 温度场重逢 寻求快速有效的计算方法确保在一定的精度范围内获得正确的温度场数据是很重要的。将（3）式描述的问题表示为矩阵的形式： AT=E（６） 式中：A为（m+n）×（m+n）维矩阵，是反映炉膛空间介质特性的综合系数矩阵；T为（m+n）维列向量，其元素为绝对温度的4次方（K4）；E为（m+n）维列向量，其元素为CCD靶面象素所接受到的辐射能。 系数矩阵A是一个严重的病态矩阵，采用单元摄像机获得的图像数据无法获得正确的解。试验系统采用4个角置式CCD镜头，将A变成为4[（m+n）×（m+n）]维的矩阵，使得（5）式成为一个超定的线性议程组，然后用线性规划内点法进行优化求解，可以得到较为理想的效果。图4所示为对应同一炉膛断面体积微元集合的4个角置CCD水平象元组获得的辐射能及由它们重建的二维温度场。 5、结论 炉膛燃烧温度和辐射能分布是人们在锅炉系统设计和设备运行控制中极为关心的重要参数，但长期以来没有可利用的合适的测量方法和技术条件获得实际数据，采用理论或经验模型进行估算，无法得到实际验证，更不可能进行实时监测和控制。快速发展的计算机图像处理技术，使得人们能从CCD摄取的火焰图像中得出它们的定量描述，为研究总结燃烧理论和锅炉设计及其运行控制、管理维护和故障诊断提供实际数据。(end)

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