稅淼+諶貴輝+周權(quán)+李瑞

摘 要：應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行爐膛火焰檢測(cè)是火檢技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。文中介紹了數(shù)字式圖像火焰檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理和燃燒器火焰熄火、著火的判據(jù)。重點(diǎn)介紹了通過比色法測(cè)溫原理重建爐內(nèi)火焰溫度場(chǎng)分布，并對(duì)已有的方法進(jìn)行了優(yōu)化。此方法不僅具有普通雙色法標(biāo)定簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的輻射圖像是在同一幅彩色圖像上得到的，省去了同時(shí)獲取同一燃燒對(duì)象在不同波長(zhǎng)下的輻射圖像的困難，因而十分便于應(yīng)用。采用圖像中紅色分量或者綠色分量就可以計(jì)算火焰圖像中任一點(diǎn)的溫度，從而構(gòu)建圖像二維溫度場(chǎng)分布。程序運(yùn)算結(jié)果表明，該方法能夠快速測(cè)定溫度場(chǎng)分布，并且誤差較小。

關(guān)鍵詞：火焰檢測(cè)器；數(shù)字圖像火焰；檢測(cè)系統(tǒng)；溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TK31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2014）07-0020-02

0引言

大型火電機(jī)組中，為了保證鍋爐安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，必須對(duì)鍋爐的火焰燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便對(duì)鍋爐的燃料控制裝置連鎖，保證鍋爐滅火時(shí)停止燃燒供應(yīng)，防止可燃性物質(zhì)在爐膛或管道內(nèi)聚積，發(fā)生爆燃甚至引起爆炸。

對(duì)于鍋爐安全系統(tǒng)（FSSS）而言，火焰檢測(cè)器是至關(guān)重要的部件，它的主要功能就是鑒別燃燒器是否正常工作、當(dāng)燃料送入爐膛而未被點(diǎn)燃和燃燒時(shí)可能導(dǎo)致爐膛爆炸的潛在危險(xiǎn)。全爐膛滅火以及燃燒喪失這兩個(gè)重要的跳爐（WFT）信號(hào)都是由火焰檢測(cè)裝置檢測(cè)和判斷得出的，火焰檢測(cè)無火信號(hào)也是進(jìn)行爐膛吹掃的必要條件。

1系統(tǒng)構(gòu)成原理

1.1火焰圖像檢測(cè)

火焰圖像檢測(cè)系統(tǒng)是一套人工監(jiān)視火焰圖像和計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)火焰相結(jié)合的智能型燃煤鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光纖圖像傳感器（CCD）、冷卻系統(tǒng)、視頻信號(hào)處理器、火焰檢測(cè)器、工作主機(jī)、下位機(jī)、火焰圖像監(jiān)視管理系統(tǒng)、火焰圖像錄放系統(tǒng)和通信模塊等構(gòu)成，圖1所示是火焰圖像檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖。其中火焰檢測(cè)器是核心部件，由它檢測(cè)及判斷得出全爐膛滅火及燃料喪失這兩個(gè)重要的跳爐（MFT）信號(hào)?；鹧鎴D像檢測(cè)系統(tǒng)煩呢單個(gè)燃燒器的火焰圖像檢測(cè)和全爐膛火焰圖像檢測(cè)兩部分，對(duì)于單個(gè)燃燒器火焰圖像檢測(cè)主要是判斷該燃燒器的工作狀況，發(fā)出熄火、著火和燃燒不穩(wěn)的報(bào)警信號(hào)。對(duì)于全爐膛火焰檢測(cè)主要是通過火焰圖像信息利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出全爐膛火焰溫度場(chǎng)分布狀況以及火焰燃燒的能級(jí)，通過建立一套完整的火焰圖像的分析計(jì)算理論，預(yù)測(cè)火焰的各種態(tài)勢(shì)，計(jì)算全爐膛火焰燃燒的能量，將能量信號(hào)、溫度信號(hào)和全爐膛熄滅著火信號(hào)送往FSSS系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整，保證鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1火焰圖像檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖

1.2火焰圖像檢測(cè)器的基本原理

火焰圖像檢測(cè)器基本原理如圖2所示，將帶有冷卻風(fēng)的傳像光纖伸入爐膛，將所檢測(cè)的燃燒器火焰圖像或全爐膛火焰圖像的光信號(hào)傳到CCD攝像機(jī)的靶面上，CCD將圖像轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)并通過視頻電纜傳給圖像火焰檢測(cè)器內(nèi)的視頻輸入處理器。視頻處理器將模擬視頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字圖像存儲(chǔ)于圖像存儲(chǔ)器重。計(jì)算機(jī)則將圖像存儲(chǔ)器中數(shù)字化的圖像信息按照一定的判斷體系進(jìn)行計(jì)算，得出燃燒器火焰的ON/OFF信號(hào)和其他診斷信息，并送至FSSS系統(tǒng)。

圖2圖像火焰檢測(cè)器基本原理圖

2比色法測(cè)火焰溫度場(chǎng)

火焰溫度場(chǎng)參數(shù)能直接反映爐內(nèi)燃燒運(yùn)行組織的優(yōu)劣，燃燒火焰溫度場(chǎng)的瞬態(tài)變化直接體現(xiàn)燃燒過程的穩(wěn)定性，溫度場(chǎng)分布與燃燒效率、氣體污染物排放以及爐膛出口未燃盡碳損失都有重要關(guān)系。

2.1比色法測(cè)溫原理

通過CCD采集的圖像，轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像之后，圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)都可以通過三個(gè)分量來表示： R（紅）、 G（綠）、 B（藍(lán)）。這樣就可以用（1）式來表達(dá)一張數(shù)字圖像：

（1）

當(dāng)測(cè)量波長(zhǎng)小于780 nm，溫度小于3 400 K時(shí)，通過Wien輻射定律可知：

（2）

上式中，Eλ（T）為燃燒火焰的單色輻射能W/sr/m3，ε（λ，T）為人工黑體輻射率，幾乎與波長(zhǎng)無關(guān)，且近似于1。λ為輻射波長(zhǎng)，C1、C2為常數(shù)。因?yàn)榭諝鈱?duì)可見光波段的輻射減弱系數(shù)很低，抵達(dá)圖像探測(cè)器表面的單色輻射強(qiáng)度可近似等于黑體輻射的單色輻射強(qiáng)度。標(biāo)定系數(shù)kr、kg、kb分別來修正三個(gè)分量R、G、B，分別得到在RGB三基色波長(zhǎng)下的單色輻射強(qiáng)度：

（3）

結(jié)合式（2）和式（3），可得到：

（4）

式中，λr、λg、λb分別為RGB三基色光的代表波長(zhǎng)，其值分別為700 nm、546.1 nm和435.8 nm；T為黑體爐溫度，單位為K。

本文采用的標(biāo)定方式是將其中一種基色保持不變，對(duì)其他兩個(gè)基色的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使得修正后的紅藍(lán)綠三基色R1、G1、B1之間的相對(duì)大小正確地反映火焰的相對(duì)光譜分布特性：

R1=R，G1=cg×G，B1=cb×B （5）

其中，cg和cb分別為對(duì)分量G和B進(jìn)行修正的系數(shù)。

由式（3）和式（5）可得：

cg=kg /krcb=kb /kr（6）

由此可以得到溫度的表達(dá)式：

（7）

式（7）中，僅有參數(shù)cg，根據(jù)具體的火焰燃燒圖像就可以標(biāo)定此參數(shù)，依此可以得到火焰圖像中任一像素的溫度。

2.2溫度場(chǎng)重建

對(duì)于不同的火焰視頻圖像，cg是一個(gè)變化量，對(duì)同一幅火焰圖像取亮點(diǎn)不同的N個(gè)點(diǎn)，假定各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，根據(jù)這N個(gè)點(diǎn)的綠色分量和對(duì)應(yīng)溫度，就可以擬合出cg的值，再根據(jù)每一個(gè)像素的綠色分量，就能得出火焰的溫度場(chǎng)分布。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采取某電站鍋爐的一段錄像視頻作為研究數(shù)據(jù)，利用軟件化的模型分析運(yùn)算，在秒級(jí)范圍內(nèi)得到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，圖3所示為三維溫度場(chǎng)分布圖，圖4所示為程序運(yùn)行界面。

圖3三維溫度場(chǎng)分布圖

圖4程序運(yùn)行界面圖

4結(jié)語

本算法在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將原本的參數(shù)函數(shù)簡(jiǎn)化為一個(gè)參數(shù)，進(jìn)一步減小了標(biāo)定的困難，也加速了運(yùn)算速度，減小了誤差。為整個(gè)系統(tǒng)判斷滅火保護(hù)功能提供了有效的保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]蘇忠陽，趙有鋮，劉之堯.能量管理系統(tǒng)和繼電保護(hù)信息系統(tǒng)集成平臺(tái)研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2008，2（6）：71-74.

[2]周鼎，段理，石東源，等.基于混合模式的繼電保護(hù)整定計(jì)算一體化系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，19（3）： 109-112.

[3]何樺，柴京慧，許文慶，等.繼電保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一建模新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（18）：66-69，93.

[4]謝善益，高新華，周伊琳，等.IEC TC57 CIM和IEC 61850 SCL模型整合及UCIM構(gòu)建 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（17）：51-65.

[5]馮馳，張崇關(guān)，王兆豐.比色測(cè)溫的波長(zhǎng)選擇[J].應(yīng)用科技，2013，40（3）：45-49.

[6]華彥平，鄒煜，呂震中.現(xiàn)代燃煤電站鍋爐火焰檢測(cè)綜述[J].熱能動(dòng)力工程，2001，（1）：3-7.

[7]梁其誠(chéng)，余愚.基于彩色火焰圖像測(cè)量柴油機(jī)燃燒火焰溫度[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39（3）：55-57.

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收稿日期：2014-03-20

摘 要：應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行爐膛火焰檢測(cè)是火檢技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。文中介紹了數(shù)字式圖像火焰檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理和燃燒器火焰熄火、著火的判據(jù)。重點(diǎn)介紹了通過比色法測(cè)溫原理重建爐內(nèi)火焰溫度場(chǎng)分布，并對(duì)已有的方法進(jìn)行了優(yōu)化。此方法不僅具有普通雙色法標(biāo)定簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的輻射圖像是在同一幅彩色圖像上得到的，省去了同時(shí)獲取同一燃燒對(duì)象在不同波長(zhǎng)下的輻射圖像的困難，因而十分便于應(yīng)用。采用圖像中紅色分量或者綠色分量就可以計(jì)算火焰圖像中任一點(diǎn)的溫度，從而構(gòu)建圖像二維溫度場(chǎng)分布。程序運(yùn)算結(jié)果表明，該方法能夠快速測(cè)定溫度場(chǎng)分布，并且誤差較小。

關(guān)鍵詞：火焰檢測(cè)器；數(shù)字圖像火焰；檢測(cè)系統(tǒng)；溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TK31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2014）07-0020-02

0引言

大型火電機(jī)組中，為了保證鍋爐安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，必須對(duì)鍋爐的火焰燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便對(duì)鍋爐的燃料控制裝置連鎖，保證鍋爐滅火時(shí)停止燃燒供應(yīng)，防止可燃性物質(zhì)在爐膛或管道內(nèi)聚積，發(fā)生爆燃甚至引起爆炸。

對(duì)于鍋爐安全系統(tǒng)（FSSS）而言，火焰檢測(cè)器是至關(guān)重要的部件，它的主要功能就是鑒別燃燒器是否正常工作、當(dāng)燃料送入爐膛而未被點(diǎn)燃和燃燒時(shí)可能導(dǎo)致爐膛爆炸的潛在危險(xiǎn)。全爐膛滅火以及燃燒喪失這兩個(gè)重要的跳爐（WFT）信號(hào)都是由火焰檢測(cè)裝置檢測(cè)和判斷得出的，火焰檢測(cè)無火信號(hào)也是進(jìn)行爐膛吹掃的必要條件。

1系統(tǒng)構(gòu)成原理

1.1火焰圖像檢測(cè)

火焰圖像檢測(cè)系統(tǒng)是一套人工監(jiān)視火焰圖像和計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)火焰相結(jié)合的智能型燃煤鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光纖圖像傳感器（CCD）、冷卻系統(tǒng)、視頻信號(hào)處理器、火焰檢測(cè)器、工作主機(jī)、下位機(jī)、火焰圖像監(jiān)視管理系統(tǒng)、火焰圖像錄放系統(tǒng)和通信模塊等構(gòu)成，圖1所示是火焰圖像檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖。其中火焰檢測(cè)器是核心部件，由它檢測(cè)及判斷得出全爐膛滅火及燃料喪失這兩個(gè)重要的跳爐（MFT）信號(hào)?；鹧鎴D像檢測(cè)系統(tǒng)煩呢單個(gè)燃燒器的火焰圖像檢測(cè)和全爐膛火焰圖像檢測(cè)兩部分，對(duì)于單個(gè)燃燒器火焰圖像檢測(cè)主要是判斷該燃燒器的工作狀況，發(fā)出熄火、著火和燃燒不穩(wěn)的報(bào)警信號(hào)。對(duì)于全爐膛火焰檢測(cè)主要是通過火焰圖像信息利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出全爐膛火焰溫度場(chǎng)分布狀況以及火焰燃燒的能級(jí)，通過建立一套完整的火焰圖像的分析計(jì)算理論，預(yù)測(cè)火焰的各種態(tài)勢(shì)，計(jì)算全爐膛火焰燃燒的能量，將能量信號(hào)、溫度信號(hào)和全爐膛熄滅著火信號(hào)送往FSSS系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整，保證鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1火焰圖像檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖

1.2火焰圖像檢測(cè)器的基本原理

火焰圖像檢測(cè)器基本原理如圖2所示，將帶有冷卻風(fēng)的傳像光纖伸入爐膛，將所檢測(cè)的燃燒器火焰圖像或全爐膛火焰圖像的光信號(hào)傳到CCD攝像機(jī)的靶面上，CCD將圖像轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)并通過視頻電纜傳給圖像火焰檢測(cè)器內(nèi)的視頻輸入處理器。視頻處理器將模擬視頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字圖像存儲(chǔ)于圖像存儲(chǔ)器重。計(jì)算機(jī)則將圖像存儲(chǔ)器中數(shù)字化的圖像信息按照一定的判斷體系進(jìn)行計(jì)算，得出燃燒器火焰的ON/OFF信號(hào)和其他診斷信息，并送至FSSS系統(tǒng)。

圖2圖像火焰檢測(cè)器基本原理圖

2比色法測(cè)火焰溫度場(chǎng)

火焰溫度場(chǎng)參數(shù)能直接反映爐內(nèi)燃燒運(yùn)行組織的優(yōu)劣，燃燒火焰溫度場(chǎng)的瞬態(tài)變化直接體現(xiàn)燃燒過程的穩(wěn)定性，溫度場(chǎng)分布與燃燒效率、氣體污染物排放以及爐膛出口未燃盡碳損失都有重要關(guān)系。

2.1比色法測(cè)溫原理

通過CCD采集的圖像，轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像之后，圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)都可以通過三個(gè)分量來表示： R（紅）、 G（綠）、 B（藍(lán)）。這樣就可以用（1）式來表達(dá)一張數(shù)字圖像：

（1）

當(dāng)測(cè)量波長(zhǎng)小于780 nm，溫度小于3 400 K時(shí)，通過Wien輻射定律可知：

（2）

上式中，Eλ（T）為燃燒火焰的單色輻射能W/sr/m3，ε（λ，T）為人工黑體輻射率，幾乎與波長(zhǎng)無關(guān)，且近似于1。λ為輻射波長(zhǎng)，C1、C2為常數(shù)。因?yàn)榭諝鈱?duì)可見光波段的輻射減弱系數(shù)很低，抵達(dá)圖像探測(cè)器表面的單色輻射強(qiáng)度可近似等于黑體輻射的單色輻射強(qiáng)度。標(biāo)定系數(shù)kr、kg、kb分別來修正三個(gè)分量R、G、B，分別得到在RGB三基色波長(zhǎng)下的單色輻射強(qiáng)度：

（3）

結(jié)合式（2）和式（3），可得到：

（4）

式中，λr、λg、λb分別為RGB三基色光的代表波長(zhǎng)，其值分別為700 nm、546.1 nm和435.8 nm；T為黑體爐溫度，單位為K。

本文采用的標(biāo)定方式是將其中一種基色保持不變，對(duì)其他兩個(gè)基色的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使得修正后的紅藍(lán)綠三基色R1、G1、B1之間的相對(duì)大小正確地反映火焰的相對(duì)光譜分布特性：

R1=R，G1=cg×G，B1=cb×B （5）

其中，cg和cb分別為對(duì)分量G和B進(jìn)行修正的系數(shù)。

由式（3）和式（5）可得：

cg=kg /krcb=kb /kr（6）

由此可以得到溫度的表達(dá)式：

（7）

式（7）中，僅有參數(shù)cg，根據(jù)具體的火焰燃燒圖像就可以標(biāo)定此參數(shù)，依此可以得到火焰圖像中任一像素的溫度。

2.2溫度場(chǎng)重建

對(duì)于不同的火焰視頻圖像，cg是一個(gè)變化量，對(duì)同一幅火焰圖像取亮點(diǎn)不同的N個(gè)點(diǎn)，假定各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，根據(jù)這N個(gè)點(diǎn)的綠色分量和對(duì)應(yīng)溫度，就可以擬合出cg的值，再根據(jù)每一個(gè)像素的綠色分量，就能得出火焰的溫度場(chǎng)分布。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采取某電站鍋爐的一段錄像視頻作為研究數(shù)據(jù)，利用軟件化的模型分析運(yùn)算，在秒級(jí)范圍內(nèi)得到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，圖3所示為三維溫度場(chǎng)分布圖，圖4所示為程序運(yùn)行界面。

圖3三維溫度場(chǎng)分布圖

圖4程序運(yùn)行界面圖

4結(jié)語

本算法在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將原本的參數(shù)函數(shù)簡(jiǎn)化為一個(gè)參數(shù)，進(jìn)一步減小了標(biāo)定的困難，也加速了運(yùn)算速度，減小了誤差。為整個(gè)系統(tǒng)判斷滅火保護(hù)功能提供了有效的保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]蘇忠陽，趙有鋮，劉之堯.能量管理系統(tǒng)和繼電保護(hù)信息系統(tǒng)集成平臺(tái)研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2008，2（6）：71-74.

[2]周鼎，段理，石東源，等.基于混合模式的繼電保護(hù)整定計(jì)算一體化系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，19（3）： 109-112.

[3]何樺，柴京慧，許文慶，等.繼電保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一建模新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（18）：66-69，93.

[4]謝善益，高新華，周伊琳，等.IEC TC57 CIM和IEC 61850 SCL模型整合及UCIM構(gòu)建 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（17）：51-65.

[5]馮馳，張崇關(guān)，王兆豐.比色測(cè)溫的波長(zhǎng)選擇[J].應(yīng)用科技，2013，40（3）：45-49.

[6]華彥平，鄒煜，呂震中.現(xiàn)代燃煤電站鍋爐火焰檢測(cè)綜述[J].熱能動(dòng)力工程，2001，（1）：3-7.

[7]梁其誠(chéng)，余愚.基于彩色火焰圖像測(cè)量柴油機(jī)燃燒火焰溫度[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39（3）：55-57.

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收稿日期：2014-03-20

摘 要：應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行爐膛火焰檢測(cè)是火檢技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。文中介紹了數(shù)字式圖像火焰檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理和燃燒器火焰熄火、著火的判據(jù)。重點(diǎn)介紹了通過比色法測(cè)溫原理重建爐內(nèi)火焰溫度場(chǎng)分布，并對(duì)已有的方法進(jìn)行了優(yōu)化。此方法不僅具有普通雙色法標(biāo)定簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的輻射圖像是在同一幅彩色圖像上得到的，省去了同時(shí)獲取同一燃燒對(duì)象在不同波長(zhǎng)下的輻射圖像的困難，因而十分便于應(yīng)用。采用圖像中紅色分量或者綠色分量就可以計(jì)算火焰圖像中任一點(diǎn)的溫度，從而構(gòu)建圖像二維溫度場(chǎng)分布。程序運(yùn)算結(jié)果表明，該方法能夠快速測(cè)定溫度場(chǎng)分布，并且誤差較小。

關(guān)鍵詞：火焰檢測(cè)器；數(shù)字圖像火焰；檢測(cè)系統(tǒng)；溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TK31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2014）07-0020-02

0引言

大型火電機(jī)組中，為了保證鍋爐安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，必須對(duì)鍋爐的火焰燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便對(duì)鍋爐的燃料控制裝置連鎖，保證鍋爐滅火時(shí)停止燃燒供應(yīng)，防止可燃性物質(zhì)在爐膛或管道內(nèi)聚積，發(fā)生爆燃甚至引起爆炸。

對(duì)于鍋爐安全系統(tǒng)（FSSS）而言，火焰檢測(cè)器是至關(guān)重要的部件，它的主要功能就是鑒別燃燒器是否正常工作、當(dāng)燃料送入爐膛而未被點(diǎn)燃和燃燒時(shí)可能導(dǎo)致爐膛爆炸的潛在危險(xiǎn)。全爐膛滅火以及燃燒喪失這兩個(gè)重要的跳爐（WFT）信號(hào)都是由火焰檢測(cè)裝置檢測(cè)和判斷得出的，火焰檢測(cè)無火信號(hào)也是進(jìn)行爐膛吹掃的必要條件。

1系統(tǒng)構(gòu)成原理

1.1火焰圖像檢測(cè)

火焰圖像檢測(cè)系統(tǒng)是一套人工監(jiān)視火焰圖像和計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)火焰相結(jié)合的智能型燃煤鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光纖圖像傳感器（CCD）、冷卻系統(tǒng)、視頻信號(hào)處理器、火焰檢測(cè)器、工作主機(jī)、下位機(jī)、火焰圖像監(jiān)視管理系統(tǒng)、火焰圖像錄放系統(tǒng)和通信模塊等構(gòu)成，圖1所示是火焰圖像檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖。其中火焰檢測(cè)器是核心部件，由它檢測(cè)及判斷得出全爐膛滅火及燃料喪失這兩個(gè)重要的跳爐（MFT）信號(hào)?；鹧鎴D像檢測(cè)系統(tǒng)煩呢單個(gè)燃燒器的火焰圖像檢測(cè)和全爐膛火焰圖像檢測(cè)兩部分，對(duì)于單個(gè)燃燒器火焰圖像檢測(cè)主要是判斷該燃燒器的工作狀況，發(fā)出熄火、著火和燃燒不穩(wěn)的報(bào)警信號(hào)。對(duì)于全爐膛火焰檢測(cè)主要是通過火焰圖像信息利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出全爐膛火焰溫度場(chǎng)分布狀況以及火焰燃燒的能級(jí)，通過建立一套完整的火焰圖像的分析計(jì)算理論，預(yù)測(cè)火焰的各種態(tài)勢(shì)，計(jì)算全爐膛火焰燃燒的能量，將能量信號(hào)、溫度信號(hào)和全爐膛熄滅著火信號(hào)送往FSSS系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行燃燒調(diào)整，保證鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1火焰圖像檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖

1.2火焰圖像檢測(cè)器的基本原理

火焰圖像檢測(cè)器基本原理如圖2所示，將帶有冷卻風(fēng)的傳像光纖伸入爐膛，將所檢測(cè)的燃燒器火焰圖像或全爐膛火焰圖像的光信號(hào)傳到CCD攝像機(jī)的靶面上，CCD將圖像轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)并通過視頻電纜傳給圖像火焰檢測(cè)器內(nèi)的視頻輸入處理器。視頻處理器將模擬視頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字圖像存儲(chǔ)于圖像存儲(chǔ)器重。計(jì)算機(jī)則將圖像存儲(chǔ)器中數(shù)字化的圖像信息按照一定的判斷體系進(jìn)行計(jì)算，得出燃燒器火焰的ON/OFF信號(hào)和其他診斷信息，并送至FSSS系統(tǒng)。

圖2圖像火焰檢測(cè)器基本原理圖

2比色法測(cè)火焰溫度場(chǎng)

火焰溫度場(chǎng)參數(shù)能直接反映爐內(nèi)燃燒運(yùn)行組織的優(yōu)劣，燃燒火焰溫度場(chǎng)的瞬態(tài)變化直接體現(xiàn)燃燒過程的穩(wěn)定性，溫度場(chǎng)分布與燃燒效率、氣體污染物排放以及爐膛出口未燃盡碳損失都有重要關(guān)系。

2.1比色法測(cè)溫原理

通過CCD采集的圖像，轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像之后，圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)都可以通過三個(gè)分量來表示： R（紅）、 G（綠）、 B（藍(lán)）。這樣就可以用（1）式來表達(dá)一張數(shù)字圖像：

（1）

當(dāng)測(cè)量波長(zhǎng)小于780 nm，溫度小于3 400 K時(shí)，通過Wien輻射定律可知：

（2）

上式中，Eλ（T）為燃燒火焰的單色輻射能W/sr/m3，ε（λ，T）為人工黑體輻射率，幾乎與波長(zhǎng)無關(guān)，且近似于1。λ為輻射波長(zhǎng)，C1、C2為常數(shù)。因?yàn)榭諝鈱?duì)可見光波段的輻射減弱系數(shù)很低，抵達(dá)圖像探測(cè)器表面的單色輻射強(qiáng)度可近似等于黑體輻射的單色輻射強(qiáng)度。標(biāo)定系數(shù)kr、kg、kb分別來修正三個(gè)分量R、G、B，分別得到在RGB三基色波長(zhǎng)下的單色輻射強(qiáng)度：

（3）

結(jié)合式（2）和式（3），可得到：

（4）

式中，λr、λg、λb分別為RGB三基色光的代表波長(zhǎng)，其值分別為700 nm、546.1 nm和435.8 nm；T為黑體爐溫度，單位為K。

本文采用的標(biāo)定方式是將其中一種基色保持不變，對(duì)其他兩個(gè)基色的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使得修正后的紅藍(lán)綠三基色R1、G1、B1之間的相對(duì)大小正確地反映火焰的相對(duì)光譜分布特性：

R1=R，G1=cg×G，B1=cb×B （5）

其中，cg和cb分別為對(duì)分量G和B進(jìn)行修正的系數(shù)。

由式（3）和式（5）可得：

cg=kg /krcb=kb /kr（6）

由此可以得到溫度的表達(dá)式：

（7）

式（7）中，僅有參數(shù)cg，根據(jù)具體的火焰燃燒圖像就可以標(biāo)定此參數(shù)，依此可以得到火焰圖像中任一像素的溫度。

2.2溫度場(chǎng)重建

對(duì)于不同的火焰視頻圖像，cg是一個(gè)變化量，對(duì)同一幅火焰圖像取亮點(diǎn)不同的N個(gè)點(diǎn)，假定各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，根據(jù)這N個(gè)點(diǎn)的綠色分量和對(duì)應(yīng)溫度，就可以擬合出cg的值，再根據(jù)每一個(gè)像素的綠色分量，就能得出火焰的溫度場(chǎng)分布。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采取某電站鍋爐的一段錄像視頻作為研究數(shù)據(jù)，利用軟件化的模型分析運(yùn)算，在秒級(jí)范圍內(nèi)得到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，圖3所示為三維溫度場(chǎng)分布圖，圖4所示為程序運(yùn)行界面。

圖3三維溫度場(chǎng)分布圖

圖4程序運(yùn)行界面圖

4結(jié)語

本算法在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將原本的參數(shù)函數(shù)簡(jiǎn)化為一個(gè)參數(shù)，進(jìn)一步減小了標(biāo)定的困難，也加速了運(yùn)算速度，減小了誤差。為整個(gè)系統(tǒng)判斷滅火保護(hù)功能提供了有效的保障。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2014-03-20