李框宇，高鵬，杜峰，胡智超，邢小玉，弓慧芳，閆偉杰，周懷春

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.華電國(guó)際電力股份有限公司鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273500)

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)，風(fēng)電、光電和生物質(zhì)等清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比大幅提高。大量“陰晴不定”新能源電并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)很大的調(diào)峰壓力，此時(shí)傳統(tǒng)燃煤電站機(jī)組可以通過(guò)深度調(diào)峰的方式穩(wěn)定電網(wǎng)負(fù)荷[1]，起到壓艙石的作用。電站煤粉鍋爐在變負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)鍋爐效率下降、燃燒污染物增加[2]和受熱面超溫等一系列問(wèn)題[3]。鍋爐爐膛溫度分布是反應(yīng)鍋爐燃燒狀態(tài)的重要參數(shù)，準(zhǔn)確地測(cè)量爐膛溫度分布對(duì)于電站鍋爐的優(yōu)化燃燒運(yùn)行具有重要意義。

基于火焰圖像對(duì)燃煤電站鍋爐進(jìn)行燃燒檢測(cè)的相關(guān)研究文獻(xiàn)中已有報(bào)道。LOU等[4]提出了一種可見(jiàn)光波段的輻射圖像處理技術(shù)，并在670 t/h和1 025 t/h煤粉鍋爐上進(jìn)行了應(yīng)用，測(cè)量結(jié)果表明：在爐內(nèi)燃燒區(qū)，煤粉濃度的增加會(huì)使火焰發(fā)射率和吸收系數(shù)顯著增大，其中火焰發(fā)射率與鍋爐負(fù)荷變化呈成正比例關(guān)系。JIANG等[5]提出了一種無(wú)關(guān)相機(jī)傳感器光譜響應(yīng)特性的圖像測(cè)溫技術(shù)，并在480 t/h循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行了應(yīng)用，研究結(jié)果表明該方法測(cè)得的火焰溫度與熱電偶讀數(shù)的最大誤差為10%。

煤粉火焰在可見(jiàn)光波段內(nèi)的輻射主要由火焰中的固體顆粒物熱輻射產(chǎn)生，基于可見(jiàn)光波段的輻射圖像可以測(cè)量火焰溫度，研究過(guò)程中通常簡(jiǎn)單假設(shè)燃燒火焰在測(cè)量波段內(nèi)為灰體[6]，或者借助文獻(xiàn)中已有的發(fā)射率模型[7]。TOTH P等[8]利用雙色高溫計(jì)測(cè)了生物質(zhì)快速熱解油的噴霧燃燒火焰溫度場(chǎng)，高溫計(jì)的測(cè)量波長(zhǎng)分別為500 nm和600 nm，由于難以區(qū)分火焰中的碳煙輻射和固體顆粒物輻射，測(cè)溫過(guò)程中作者假設(shè)火焰在500 nm和600 nm波長(zhǎng)下滿足灰性，研究結(jié)果表明雙色高溫計(jì)測(cè)得的溫度高于TDLAS技術(shù)的結(jié)果；DRAPER T S等[9]分別基于灰性假設(shè)和Hottel發(fā)射率模型對(duì)煤粉火焰溫度和發(fā)射率進(jìn)行了同時(shí)測(cè)量，研究結(jié)果表明灰性假設(shè)模型的溫度測(cè)量結(jié)果偏高，而發(fā)射率計(jì)算結(jié)果偏低?；倚约僭O(shè)可能是造成雙色法測(cè)溫結(jié)果偏高的重要原因，由此可見(jiàn)發(fā)射率模型選擇的準(zhǔn)確性將影響到測(cè)量結(jié)果的精度[10-13]。

本文提出在基于輻射圖像測(cè)量高溫火焰燃燒溫度與發(fā)射率的過(guò)程中采用線性發(fā)射率模型，以提高溫度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用自主設(shè)計(jì)的便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)基于線性發(fā)射率模型測(cè)量1 000 MW超臨界鍋爐爐膛中不同觀測(cè)點(diǎn)的煤粉燃燒溫度與發(fā)射率的二維分布，測(cè)量結(jié)果將與基于灰性假設(shè)的溫度測(cè)量結(jié)果和發(fā)射率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

1 測(cè)量原理

在400～700 nm的可見(jiàn)光波段內(nèi)，煤粉火焰的輻射主要是由火焰中的固體顆粒熱輻射產(chǎn)生的[14]。火焰輻射圖像中每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度都與該像素對(duì)應(yīng)的火焰溫度和發(fā)射率有關(guān)。根據(jù)普朗克定律，黑體輻射強(qiáng)度是溫度及波長(zhǎng)的函數(shù)：

(1)

式(1)中，Ib(λ,T)為黑體輻射強(qiáng)度，W/(m3·sr)；h為普朗克常數(shù)，J·s；c為光速，m/s；k為玻爾茲曼常數(shù)，J/K；λ為波長(zhǎng)，m；T為熱輻射對(duì)象的溫度。對(duì)于煤粉火焰等實(shí)際熱輻射對(duì)象，發(fā)射率是波長(zhǎng)的函數(shù)，其輻射強(qiáng)度可以表示為：

I(λ，T)=ε(λ)Ib(λ，T)

(2)

式(2)中，ε(λ)為光譜發(fā)射率。對(duì)于固體表面[15]、火焰可見(jiàn)光波段內(nèi)的連續(xù)光譜[16-17]等熱輻射對(duì)象，其光譜發(fā)射率可表示為波長(zhǎng)的多項(xiàng)式函數(shù)：

ε(λ)=a0+a1λ+a2λ2+…+amλm

(3)

式(3)中，m為多項(xiàng)式的階數(shù)，本文取m=1，用一階多項(xiàng)式表示發(fā)射率，即線性發(fā)射率模型[18]。則式(2)可以表示為：

I(λ，T)=(a0+a1λ)Ib(λ，T)

(4)

根據(jù)黑體爐輻射標(biāo)定的結(jié)果可以將圖像探測(cè)器中工業(yè)相機(jī)R、G和B三個(gè)通道的單色圖像強(qiáng)度SR、SG、SB轉(zhuǎn)換為輻射強(qiáng)度I(λR，T)、I(λG，T)、I(λB，T)，則可以得到方程組：

I(λj，T)=(a0+a1λj)Ib(λj，T)，j=R，G，B

(5)

式(5)中，λj為R、G、B三個(gè)通道對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)。對(duì)于方程組中a0、a1和T三個(gè)未知量，方程組正定，可以根據(jù)最小二乘法求得最優(yōu)解。

2 便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)及其標(biāo)定

便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)由圖像探測(cè)器和裝有控制軟件的平板電腦組成。圖像探測(cè)器外殼材質(zhì)為304不銹鋼，分為前后兩個(gè)腔體。前腔體前端開(kāi)孔裝有石英玻璃，內(nèi)部裝有鏡桿，較長(zhǎng)的前腔體足以伸入鍋爐觀火孔以獲得大的視場(chǎng)角，并保護(hù)后腔體內(nèi)的電子元件免受高溫?fù)p傷。圖像探測(cè)器的后腔體內(nèi)裝有工業(yè)相機(jī)、主板及電源，外部裝有手柄和提把，便于攜帶與使用。

前腔體內(nèi)的鏡桿與后腔體內(nèi)的工業(yè)相機(jī)相連，工業(yè)相機(jī)型號(hào)為PROSILICA GT 1290 C，R、G、B三個(gè)通道對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)分別為610 nm、535 nm、452 nm。工業(yè)相機(jī)通過(guò)GigE接口與型號(hào)為MIO-3260的主板相連，工業(yè)相機(jī)與主板均與大容量鋰電池相連，鋰電池所供電源為12 V直流電。平板電腦中安裝了自主開(kāi)發(fā)的軟件，與主板通過(guò)千兆Wi-Fi通訊，用于遙控圖像探測(cè)器采集輻射圖像。便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，工業(yè)相機(jī)光譜響應(yīng)特性曲線如圖2所示。

圖1 便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 工業(yè)相機(jī)光譜響應(yīng)特性曲線

便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)黑體爐輻射標(biāo)定后可以將圖像強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為輻射強(qiáng)度[19]，輻射標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的圖像強(qiáng)度S與黑體爐輻射強(qiáng)度采用便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定曲線如圖3所示。標(biāo)定結(jié)果均用二階多項(xiàng)式進(jìn)行了擬合，R、G、B三個(gè)通道擬合曲線的擬合優(yōu)度均大于0.99。由于黑體爐輻射特性近似于黑體，在進(jìn)行輻射標(biāo)定試驗(yàn)后，在灰性發(fā)射率模型的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)定過(guò)程中采集的輻射圖像對(duì)黑體爐的溫度與發(fā)射率進(jìn)行了反算。計(jì)算結(jié)果表明便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)的輻射標(biāo)定誤差小于2%，其精度符合后續(xù)實(shí)驗(yàn)的需求。

圖3 便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定曲線

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和結(jié)果分析

3.1 輻射圖像采集

本文在鄒縣電廠1 000 MW超超臨界鍋爐(型號(hào)為DG3000/26.15-II1型高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐)上開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。該鍋爐前后墻分上、中、下三層對(duì)沖布置了共48只噴燃器，噴燃器的結(jié)構(gòu)為旋流筒體式。實(shí)驗(yàn)共選取了鍋爐右墻上3個(gè)高度處(37 m、27 m、23 m)的5個(gè)觀火孔作為火焰圖像探測(cè)器的觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)位置分布如圖4所示，其中37 m高度處的三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位于燃燒區(qū)上層中間位置和兩側(cè)燃燒器的出口位置，27 m高度處的觀測(cè)點(diǎn)位于燃燒區(qū)中層的燃燒器出口位置，23 m高度處的觀測(cè)點(diǎn)位于燃燒區(qū)下層的燃燒器出口位置。此外，該型鍋爐的制粉系統(tǒng)為正壓直吹式，設(shè)計(jì)煤種為兗礦煤和濟(jì)北煤礦的混煤，煤質(zhì)分析如表1所示。從表1可以看出，設(shè)計(jì)煤種揮發(fā)分含量為27.9 %，煤質(zhì)接近煙煤。

表1 煤質(zhì)分析

圖4 觀測(cè)點(diǎn)位置分布

3.2 結(jié)果與分析

在鍋爐運(yùn)行的過(guò)程中，將便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)前端依次插入五個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀火孔，各觀測(cè)點(diǎn)采集到的典型煤粉火焰輻射圖像如圖5所示(采集過(guò)程中鍋爐負(fù)荷維持在710 MW左右)。

圖5 各觀測(cè)點(diǎn)采集到的典型煤粉火焰輻射圖像

首先基于灰性假設(shè)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)1的輻射圖像進(jìn)行了處理，其中每?jī)蓚€(gè)通道的輻射強(qiáng)度之間可以求得一個(gè)溫度分布，R、G、B三個(gè)通道一共可以求得三個(gè)溫度分布，取平均后得到煤粉火焰溫度分布如圖6(a)所示，并且可以進(jìn)一步得到煤粉火焰發(fā)射率和發(fā)射率比值εR/εG的二維分布如圖6(b)和圖6(c)所示。從圖6(c)可以看出，檢測(cè)系統(tǒng)采集到的R通道中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的發(fā)射率和G通道中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的發(fā)射率比值εR/εG最大為0.95，這表明煤粉火焰并非灰性，測(cè)量過(guò)程中采用線性發(fā)射率模型是有必要的。

圖6 基于灰性假設(shè)測(cè)得的煤粉火焰燃燒參數(shù)二維分布

基于線性發(fā)射率模型，根據(jù)式(5)和圖5中煤粉火焰輻射圖像R、G、B三個(gè)通道對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的煤粉火焰溫度二維分布如圖7所示?？梢钥闯觯麄€(gè)燃燒區(qū)的煤粉火焰燃燒溫度在1 799～1 992 K之間；水平方向上，燃燒區(qū)上層遠(yuǎn)離燃燒器出口的爐膛中間區(qū)域的煤粉火焰平均燃燒溫度(1 902 K)低于前后墻兩側(cè)燃燒器出口處的煤粉火焰平均燃燒溫度(1 951 K、1 924 K)；垂直方向上，燃燒區(qū)上層前墻燃燒器出口處的煤粉火焰平均燃燒溫度最高(1 951 K)，燃燒區(qū)下層前墻燃燒器出口處的煤粉火焰平均燃燒溫度次之(1 891 K)，燃燒區(qū)中層前墻燃燒器出口處的煤粉火焰平均燃燒溫度最低(1 871 K)；燃燒區(qū)上層三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的煤粉火焰最高溫度(1 992 K、1 959 K、1 971 K)均高于燃燒區(qū)中層(1 929 K)和下層(1 943 K)前墻燃燒器出口處的煤粉火焰最高溫度；煤粉火焰最高平均燃燒溫度和最高燃燒溫度均出現(xiàn)在前墻的燃燒器出口附近，分別為1 951 K和1 992 K。

根據(jù)煤粉火焰輻射圖像還可以計(jì)算出煤粉火焰發(fā)射率的二維分布，探測(cè)器各個(gè)通道的中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的發(fā)射率分布特性相似，圖8僅給出了探測(cè)器G通道中心波長(zhǎng)535 nm對(duì)應(yīng)的煤粉火焰發(fā)射率εG的二維分布。從圖8可以看出，整個(gè)燃燒區(qū)的煤粉火焰發(fā)射率在0.32～0.66之間；水平方向上，燃燒區(qū)上層前后墻兩側(cè)燃燒器出口處的煤粉火焰平均發(fā)射率均為0.56，高于遠(yuǎn)離燃燒器出口的爐膛中間區(qū)域的煤粉火焰平均發(fā)射率(0.50)；垂直方向上，前墻燃燒器出口處的各觀測(cè)點(diǎn)的煤粉火焰平均發(fā)射率隨著高度增加而增加，從低到高依次為0.44、0.45、0.56；燃燒區(qū)上層三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的煤粉火焰最高發(fā)射率(0.66、0.60、0.62)均高于燃燒區(qū)中層(0.59)和下層(0.52)前墻燃燒器出口處的煤粉火焰最高發(fā)射率；煤粉火焰最高平均發(fā)射率和最高發(fā)射率均出現(xiàn)在前墻的燃燒器出口附近，分別為0.56和0.66，這說(shuō)明此處煙氣顆粒濃度最高[4]。值得注意的是，在觀測(cè)點(diǎn)1處圖6(a)中基于灰性假設(shè)的煤粉火焰溫度測(cè)量結(jié)果整體高于基于線性發(fā)射率模型的煤粉火焰溫度測(cè)量結(jié)果，而基于灰性假設(shè)的發(fā)射率測(cè)量結(jié)果整體低于基于線性發(fā)射率模型的煤粉火焰發(fā)射率測(cè)量結(jié)果，這與DRAPER T S等的結(jié)論一致。

圖7 煤粉火焰溫度二維分布

根據(jù)火焰探測(cè)器R和G通道中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的的發(fā)射率測(cè)量結(jié)果，可以計(jì)算出發(fā)射率比值εR/εG二維發(fā)布如圖9所示?？梢钥闯?，燃燒區(qū)上層燃燒器出口附近的煤粉平均發(fā)射率比值最高，為0.89，最接近灰性；不同觀測(cè)點(diǎn)的平均發(fā)射率比值εR/εG均小于1，這說(shuō)明鍋爐爐膛中的煤粉燃燒火焰并非灰性，并且發(fā)射率隨波長(zhǎng)的增大而減小。前期研究結(jié)果表明[20]，在生物質(zhì)半氣化燃燒火焰的溫度測(cè)量過(guò)程中采用灰性假設(shè)將造成較大的誤差，因此本文采用線性發(fā)射率模型測(cè)量煤粉火焰的燃燒溫度與發(fā)射率是有必要的。

圖8 煤粉火焰發(fā)射率二維分布

圖9 煤粉火焰發(fā)射率比值εR/εG二維分布

上述圖7～圖9中的溫度與發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的分布特性見(jiàn)表2，其中煤粉火焰平均溫度與平均發(fā)射率的測(cè)量結(jié)果略高于LOU[4]等在300 MW機(jī)組煤粉鍋爐中的測(cè)量結(jié)果。

表2 溫度與發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的分布特性

4 結(jié)語(yǔ)

本文報(bào)道了一種基于線性發(fā)射率模型的煤粉火焰輻射圖像處理技術(shù)，并利用自主設(shè)計(jì)的便攜式爐膛溫度檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量了1 000 MW超超臨界鍋爐在鍋爐負(fù)荷為710 MW時(shí)爐膛燃燒區(qū)不同高度處(37 m、27 m、23 m)的煤粉火焰溫度與發(fā)射率(535 nm)的二維分布。測(cè)量結(jié)果表明：

(1)煤粉火焰的燃燒溫度在1 799～1 992 K之間，煤粉火焰發(fā)射率在0.32～0.66之間；煤粉燃燒火焰并非灰性，發(fā)射率隨波長(zhǎng)的增大而減小，因此在利用煤粉火焰輻射圖像計(jì)算溫度的過(guò)程中采用線性發(fā)射率模型是有必要的，如果采用灰性假設(shè)將導(dǎo)致溫度測(cè)量結(jié)果偏高而發(fā)射率測(cè)量結(jié)果偏低。

(2)水平方向上，燃燒區(qū)上層前后墻兩側(cè)燃燒器出口附近的火焰平均溫度(1 951 K、1 924 K)和平均發(fā)射率(0.56、0.56)均高于遠(yuǎn)離燃燒器出口的爐膛中間區(qū)域(1 902 K、0.50)；垂直方向上，燃燒區(qū)上層前墻燃燒器出口附近的平均溫度最高(1 951 K)，下層次之(1 891 K)，中層最低(1 871 K)，前墻燃燒器出口附近的平均發(fā)射率隨著高度的增加而增加，依次為0.44、0.45、0.56。

(3)燃燒區(qū)最高平均溫度、最高溫度、最高平均發(fā)射率和最高發(fā)射率均出現(xiàn)在上層前墻燃燒器出口附近，分別為1 951 K、1 992 K、0.56和0.66，此外，該區(qū)域在爐膛的水平和垂直方向上都是最接近灰性的區(qū)域。