張 勝， 楊 勤

（韶關(guān)發(fā)電廠，廣東 韶關(guān) 512132）

發(fā)電技術(shù)

數(shù)字化爐膛火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張 勝， 楊 勤

（韶關(guān)發(fā)電廠，廣東 韶關(guān) 512132）

介紹某發(fā)電廠針對(duì)在運(yùn)燃煤機(jī)組采用傳統(tǒng)爐膛火焰檢測(cè)存在自身難以解決的缺陷，研究探討解決爐膛燃燒診斷及溫度場(chǎng)測(cè)量實(shí)際問題。為實(shí)現(xiàn)爐膛優(yōu)化燃燒、節(jié)能減排、提高燃燒效率、降低煤耗等目標(biāo)，應(yīng)用先進(jìn)的燃燒溫度場(chǎng)紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，基于圖像校正的爐膛火焰燃燒診斷算法，改善燃燒診斷效果，加強(qiáng)爐膛燃燒任意區(qū)域的溫度在線監(jiān)控，提供爐膛直觀可靠的檢測(cè)手段，為運(yùn)行人員掌握被監(jiān)視區(qū)域的燃燒工況、火焰形狀及溫度場(chǎng)分布變化等信息提供依據(jù)。

燃煤鍋爐；研究探討；智能化測(cè)溫在線系統(tǒng)；溫度監(jiān)測(cè)

0 引言

爐膛內(nèi)煤粉燃燒是發(fā)生在大空間范圍的、復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，具有瞬態(tài)變化性、隨機(jī)湍流性，爐內(nèi)溫度等熱物理量參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)困難。國(guó)內(nèi)外通常采用傳統(tǒng)接觸式熱電偶測(cè)溫方法，這種方法因感溫元件耐溫性的限制，只能做短時(shí)間測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。國(guó)外已開展測(cè)定整個(gè)爐膛溫度分布的研究，主要有激光光譜法、CO2光譜分析法及聲學(xué)法等，但其裝置昂貴、安裝精度要求高、操作困難等，檢測(cè)手段都不能實(shí)現(xiàn)大范圍溫度場(chǎng)的全面測(cè)量。

目前國(guó)內(nèi)在有關(guān)爐膛燃燒監(jiān)視技術(shù)方面已有較多的研究報(bào)道，其中有涉及到采用耐高溫內(nèi)窺視廣角鏡頭、高分辨的CCD圖像傳感器、圖像技術(shù)、可視化技術(shù)等方面的內(nèi)容，另外亦有涉及到針對(duì)300 MW機(jī)組的爐膛進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究等方面的內(nèi)容，在300 MW機(jī)組W型火焰鍋爐上使用爐膛火焰數(shù)字化監(jiān)測(cè)技術(shù)和布置廣角探測(cè)儀，可實(shí)現(xiàn)探測(cè)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)或任意一個(gè)區(qū)域內(nèi)的火焰溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但類似本文使用單臺(tái)探測(cè)儀監(jiān)測(cè)全爐膛火焰燃燒工況等研究應(yīng)用方面的內(nèi)容還未見體現(xiàn)。

某發(fā)電廠2臺(tái)330 MW燃煤鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、W型燃燒方式的Π型汽包鍋爐，采用模擬信號(hào)展現(xiàn)火焰圖像的方式進(jìn)行溫度處理，通過FSSS爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、鍋爐火焰檢測(cè)裝置、爐膛火焰電視監(jiān)控系統(tǒng)3套爐膛火焰監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)視燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、燃燒器運(yùn)行情況、檢測(cè)目標(biāo)火焰的頻率和振幅特性、監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)被監(jiān)視位置的火焰狀態(tài)。但這種方式不能掌握全爐膛內(nèi)部溫度分布情況和燃燒狀況，無(wú)法提供可靠全面的溫度測(cè)量、變化趨勢(shì)及視頻檢測(cè)等功能。依據(jù)人工方式，根據(jù)火苗圖像的大小來判斷爐膛火焰的溫度情況，對(duì)人的依賴性大，且由于工藝和技術(shù)原因以及爐膛高溫易引起設(shè)備損壞。

通過視頻圖像靠經(jīng)驗(yàn)判斷爐膛內(nèi)著火運(yùn)行方式，實(shí)質(zhì)上是根據(jù)觀察到的火苗圖形結(jié)合專業(yè)知識(shí)推知爐膛溫度場(chǎng)分布，建立燃燒控制模型，建立模型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是表征鍋爐燃燒溫度場(chǎng)的實(shí)際溫度分布。因此，如何在線獲取鍋爐內(nèi)燃燒溫度場(chǎng)分布是實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組燃燒優(yōu)化控制的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)采用的測(cè)量手段一般根據(jù)熱交換機(jī)理推測(cè)燃燒溫度場(chǎng)分布，建立燃燒控制模型，其測(cè)量區(qū)域有限，難以實(shí)現(xiàn)真正的燃燒優(yōu)化控制。

1 智能化在線測(cè)溫系統(tǒng)

針對(duì)2臺(tái)330 MW燃煤鍋爐存在現(xiàn)狀，為提高燃燒效率，優(yōu)化爐膛燃燒，首先在1臺(tái)鍋爐引進(jìn)爐膛燃燒測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用GS-V系列窯爐燃燒溫度場(chǎng)紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)掌握爐膛內(nèi)部溫度分布情況和爐內(nèi)燃燒狀況，為燃燒及工藝調(diào)整提供可靠的依據(jù)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

GS-V系列窯爐燃燒溫度場(chǎng)紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是內(nèi)窺式雙波成像測(cè)溫系統(tǒng)，系統(tǒng)采用“可見光+紅外線”雙探測(cè)器檢測(cè)技術(shù)，攝像儀的耐高溫針孔成像鏡頭將爐內(nèi)視場(chǎng)內(nèi)可見光與紅外輻射引導(dǎo)到爐外，將可見光與紅外線分光后再分別成像，系統(tǒng)可見光視頻與紅外線熱成像經(jīng)計(jì)算機(jī)融合處理顯示，既可以對(duì)爐膛內(nèi)燃燒工況進(jìn)行彩色視頻監(jiān)視，又可以對(duì)爐膛內(nèi)燃燒溫度場(chǎng)溫度進(jìn)行全視場(chǎng)溫度檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)原理

1.2 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

系統(tǒng)主要由測(cè)溫?cái)z像儀、傳動(dòng)裝置、控制柜（內(nèi)含數(shù)采控制箱及氣控單元）、冷卻及保護(hù)裝置、傳輸線纜、圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器及顯示終端幾部分組成，系統(tǒng)組態(tài)如圖2所示。

（1）一體化測(cè)溫?cái)z像儀具有攝像、測(cè)溫、特種高溫鏡頭進(jìn)退控制等功能，采用多光譜寬動(dòng)態(tài)紅外探測(cè)器，采用雙波長(zhǎng)比色測(cè)溫技術(shù)、外殼選用耐高溫不銹鋼材質(zhì)、渦旋冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)，從而保證測(cè)溫精度高、測(cè)溫范圍廣、冷卻效率高，能滿足在高溫、強(qiáng)腐蝕等惡劣條件下長(zhǎng)期工作的要求。同時(shí)自身集成氣缸結(jié)構(gòu)，能夠自動(dòng)根據(jù)外部氣源變化調(diào)整測(cè)溫?cái)z像儀的前后位置。

圖2 系統(tǒng)組態(tài)

攝像儀的一體性結(jié)構(gòu)，使得該相機(jī)可以確保2路圖像的融合，2幅圖像的一致性達(dá)到了四分之一個(gè)像素。

（2）控制箱內(nèi)含工業(yè)交換機(jī)、電磁閥、電接點(diǎn)壓力表等。主要功能包括：電接點(diǎn)壓力表通過設(shè)置系統(tǒng)保護(hù)使用值輸送信號(hào)給電磁閥，自動(dòng)控制一體化測(cè)溫?cái)z像儀的推進(jìn)退出；雙電源設(shè)計(jì)，為攝像儀及電磁閥提供獨(dú)立的直流12 V電源；實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的光轉(zhuǎn)換，避免信號(hào)干擾，加大傳輸距離；箱體為Rittal箱體，擁有非常好的密封性和防護(hù)等級(jí)，保證箱體內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的可靠性，箱體自帶的安裝底座方便現(xiàn)場(chǎng)安裝和固定。

（3）氣路裝置中的過濾裝置包含空氣凈化處理器、精密過濾器和含過濾組件的冷干機(jī)，其組合使用，對(duì)氣體進(jìn)行凈化、過濾和儲(chǔ)存、冷卻等功能。

1.3 系統(tǒng)分析軟件

分析軟件采用VC++開發(fā)平臺(tái)，軟件界面見圖3，主要具有以下功能：24位真彩色寬動(dòng)態(tài)視頻圖像瀏覽功能；最多16個(gè)ROI區(qū)域的溫度分析功能；彩色可見光視頻及紅外熱圖同步顯示功能；多種不同紅外熱圖顯示模式；彩色可見光圖像任意點(diǎn)溫度瀏覽功能；直方圖溫度分析功能；最多8個(gè)ROI區(qū)域的溫度曲線實(shí)時(shí)顯示和分析功能；二級(jí)用戶權(quán)限管理功能；一機(jī)雙屏顯示模式；ROI區(qū)域溫度歷史記錄和分析功能；3D線性分析功能；遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)裝置，并接收現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警反饋功能。

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用氣動(dòng)傳動(dòng)方式控制測(cè)溫?cái)z像儀推進(jìn)爐膛，測(cè)溫?cái)z像機(jī)獲取爐膛內(nèi)的二維可見光及紅外溫度場(chǎng)視頻圖像，通過控制柜內(nèi)的工業(yè)級(jí)交換機(jī)將信號(hào)傳輸?shù)綀D像數(shù)據(jù)服務(wù)器，圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像、實(shí)時(shí)溫度信號(hào)并進(jìn)行分析處理，且實(shí)現(xiàn)多元化顯示，通過服務(wù)器主機(jī)實(shí)時(shí)顯示爐膛內(nèi)的可見光彩色圖像及溫度信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)裝置及接收現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信號(hào)的綜合管理設(shè)備。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）動(dòng)態(tài)范圍寬，可清晰觀察從點(diǎn)火到正常燃燒過程的火焰、爐膛內(nèi)工況。

（2）采用比色測(cè)溫技術(shù)，測(cè)溫精度高，測(cè)溫范圍寬。

（3）特殊設(shè)計(jì)的加長(zhǎng)耐高溫鏡頭，將測(cè)溫?cái)z像儀與高溫區(qū)隔離，可靠性高。

（4）鏡頭采用藍(lán)寶石窗口，耐高溫、防刮擦，使用壽命長(zhǎng)。

（5）探頭采用壓縮空氣強(qiáng)制渦旋冷卻，測(cè)溫?cái)z像儀能在2 000℃的高溫下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

（6）通用性強(qiáng)，適用于對(duì)沖爐、四角噴燃爐及W爐等各種爐型使用安裝。

（7）全密封結(jié)構(gòu)，能在高溫、高壓、腐蝕的工況環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（8）信號(hào)無(wú)損傳輸，實(shí)現(xiàn)全線路抗電磁干擾。（9）系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)，傳動(dòng)裝置保護(hù)動(dòng)作可靠。

圖3 系統(tǒng)軟件界面

（10）定制化軟件，滿足用戶個(gè)性化需求。

2 溫度檢測(cè)

智能化在線測(cè)溫系統(tǒng)主要采用紅外測(cè)溫?cái)z像儀的溫度校正、寬范圍溫度場(chǎng)的標(biāo)定算法、微弱紅外輻射信號(hào)的檢測(cè)等3項(xiàng)技術(shù)完成對(duì)爐膛任一區(qū)域火焰溫度的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)。

（1）近紅外測(cè)溫的溫度校正過程是測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。依據(jù)普朗克定律，通過數(shù)值計(jì)算得出不同的發(fā)射率、物體溫度、環(huán)境溫度和輻射波長(zhǎng)下的環(huán)境溫度影響比率及它們的相互關(guān)系，通過合理設(shè)置光學(xué)參數(shù)，采用濾波、插值修正等處理方法進(jìn)行溫度校正。

（2）結(jié)合多光譜攝像測(cè)溫儀，研究多重曝光圖像合成技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)黑體源，突破傳統(tǒng)單傳感器測(cè)溫范圍小的問題，實(shí)現(xiàn)1 000℃以上的測(cè)量帶寬。

（3）選擇近紅外波段紅外能量輻射進(jìn)行高溫溫度的檢測(cè)，通過多級(jí)放大電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)。

智能化在線測(cè)溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在集控室對(duì)爐膛燃燒的監(jiān)測(cè)，由光纜完成跟現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)設(shè)備連接，并通過TCP/IP協(xié)議將現(xiàn)場(chǎng)所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)，經(jīng)過主機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析、建模，獲得現(xiàn)場(chǎng)溫度場(chǎng)的分部情況，形成被檢測(cè)火焰溫度區(qū)的三維波形圖，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)溫度場(chǎng)檢測(cè)三維波形

在研究應(yīng)用過程中，分別使用測(cè)溫槍和該套在線測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)被測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過多頻次動(dòng)態(tài)溫度標(biāo)定，獲得數(shù)字化爐膛火焰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1。

表1 某發(fā)電廠數(shù)字化爐膛火鍋在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)

經(jīng)過3次溫度對(duì)比，軟件顯示溫度與實(shí)測(cè)溫度誤差非常小，接近真實(shí)值。

3 取得效果

應(yīng)用該套爐膛火焰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，克服長(zhǎng)期以來感溫元件耐溫、耐磨性能差的限制，實(shí)現(xiàn)爐膛大空間燃燒溫度場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)，可指導(dǎo)運(yùn)行人員優(yōu)化鍋爐配風(fēng)、配煤燃燒運(yùn)行方式，提高鍋爐的熱效率，降低鍋爐穩(wěn)定燃燒對(duì)燃料的依賴性?？蓽p少鍋爐結(jié)焦、結(jié)垢，防止受熱面爆管，對(duì)提高發(fā)電廠燃煤鍋爐燃燒效率、保障設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的作用和意義。

數(shù)字化爐膛火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)后，運(yùn)行人員能夠通過對(duì)主燃燒區(qū)域鍋爐溫度場(chǎng)的精確監(jiān)控，進(jìn)行燃燒調(diào)整，使得爐膛溫度場(chǎng)分布更加均勻，燃燒更加充分，該套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投運(yùn)以來，能夠根據(jù)煤種的變化，確定最佳的燃燒方式，使得爐膛出口排煙溫度、NOX排放濃度及減溫水用量均明顯下降，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過應(yīng)用數(shù)字化爐膛火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行工況，降低煙溫和過熱器減溫水消耗量，對(duì)提高鍋爐的燃燒效率，保障安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要意義。

[1]余俊輝.爐膛火焰溫度場(chǎng)及燃燒診斷算法的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2007.

[2]徐勇，汪升，萬(wàn)力，等.基于紅外熱像儀的電解槽極板故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].安徽科技，2015（7）∶43-45.

[3]王敦敦.W型火焰鍋爐三維溫度場(chǎng)檢測(cè)與運(yùn)行[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[4]彭敏，繆楚雄.爐膛火焰圖像數(shù)字技術(shù)在電廠鍋爐燃燒優(yōu)化控制中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力，2003，36（10）∶34-37.

（本文編輯：張 彩）

Research and Application of a Digital Furnace Flame Diagnosis System

ZHANG Sheng，YANG Qin
（Shaoguan Power Plant，Shaoguan Guangdong 512132，China）

∶The paper introduces the shortcomings of a power plant in the traditional furnace fire detection for coal-fired units，and discusses the furnace combustion diagnosis and temperature field measurement.In order for optimal furnace combustion，energy saving and emission reduction，combustion efficiency improvement and coal consumption reduction，an advanced infrared monitoring system for combustion temperature field is applied.A furnace flame diagnosis algorithm based on image correction improves the combustion diagnosis effect，strengthens on-line temperature monitoring in furnace combustion and gives intuitive and reliable diagnosis means of the furnace to provide operation personnel with combustion condition，flame shape and temperature field distribution change.

∶coal-fired boiler；study and discussion；intelligent online temperature measurement system；temperature monitoring

.201704008

1007-1881（2017）04-0031-04

：TK39

：B

2016-11-23

張 勝（1972），男，高級(jí)工程師，從事電力設(shè)備檢修與維修技術(shù)管理。