林國輝，朱 靜，姜國強，錢芳樹，陳曉瑋，周永剛，黃群星

（1.浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027）

0 引言

燃煤鍋爐在運行過程中，容易出現(xiàn)受熱面結(jié)渣的情況，結(jié)渣嚴(yán)重時，積聚形成的大渣塊掉落會造成安全事故［1］，及時投用吹灰器吹灰是避免爐內(nèi)結(jié)渣惡化的有效措施［2-3］。發(fā)展煤粉鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣實時監(jiān)測方法，準(zhǔn)確獲取爐內(nèi)結(jié)渣位置、結(jié)渣程度等信息，對吹灰器的高效投用、燃燒優(yōu)化以及保障鍋爐安全經(jīng)濟運行具有重要意義［4-6］。

現(xiàn)有的結(jié)渣監(jiān)測技術(shù)可以分為爐內(nèi)整體結(jié)渣狀況監(jiān)測和局部區(qū)域結(jié)渣監(jiān)測。整體結(jié)渣監(jiān)測主要是通過爐膛出口煙溫變化或鍋爐整體熱平衡和傳熱計算等參數(shù)對爐內(nèi)整體結(jié)渣情況進行診斷［7-9］。鄧喆等［10］通過聲學(xué)測溫裝置實時測量爐膛出口煙溫，并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種在線監(jiān)測爐膛整體結(jié)渣的監(jiān)測方法。周永剛等［11］利用彩色相機監(jiān)測爐膛出口溫度，根據(jù)吹灰后的溫升速率來監(jiān)測爐內(nèi)結(jié)渣情況。閻維平等［12］采用熱平衡計算原理，開發(fā)了積灰結(jié)渣在線監(jiān)測系統(tǒng)。劉經(jīng)華等［13］利用鍋爐尾部對流受熱面測點處煙氣的溫度和壓力準(zhǔn)確計算受熱面的積灰厚度，實現(xiàn)了受熱面積灰厚度的實時監(jiān)測。局部區(qū)域結(jié)渣監(jiān)測是基于聲學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)［14］等手段對爐內(nèi)受熱面局部的結(jié)渣進行定位。童通通［15］基于到達時間差比值的網(wǎng)格定位法，利用落渣掉落產(chǎn)生的振動信號實現(xiàn)了爐內(nèi)落渣的定位。Afonso 等［16］在爐膛不同方位布置紅外成像儀來測量水冷壁的發(fā)射率，根據(jù)發(fā)射率的大小指導(dǎo)吹灰器的投用。高繼錄等［17］設(shè)計了超細(xì)高溫?zé)崃饔嫞瑢崿F(xiàn)了受熱面熱流密度的準(zhǔn)確測量，并基于該熱流計開發(fā)了水冷壁結(jié)渣實時監(jiān)測系統(tǒng)。張劍等［18］利用熱電偶測溫技術(shù)監(jiān)測水冷壁的溫度變化，建立了爐膛局部結(jié)渣監(jiān)測模型。Zhou等［19-20］提出在爐底撈渣機布置溫度矩陣測點，結(jié)合吹灰器的運行來反演落渣大小和位置。

準(zhǔn)確掌握爐內(nèi)結(jié)渣的位置及結(jié)渣程度，對于指導(dǎo)爐內(nèi)吹灰器的高效投用至關(guān)重要，而整體結(jié)渣監(jiān)測技術(shù)只能獲得結(jié)渣趨勢，較難得到具體結(jié)渣的位置?，F(xiàn)有的基于聲學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)等手段的局部區(qū)域結(jié)渣監(jiān)測由于爐內(nèi)高溫、高飛灰的環(huán)境，較難實現(xiàn)長時間監(jiān)測。本文根據(jù)爐內(nèi)落渣圖像，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)在顆粒粒徑、速度等參數(shù)測量方面的應(yīng)用［21-23］，提出基于落渣圖像的煤粉鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)測方法，結(jié)合壓縮空氣冷卻相機鏡頭并利用氣簾防止鏡頭玷污的技術(shù)，通過對記錄落渣圖像進行處理，確定渣塊大小、落渣位置和亮度等參數(shù)，獲得不同負(fù)荷吹灰器投用下爐內(nèi)落渣的分布特征，實現(xiàn)了爐內(nèi)落渣的實時監(jiān)測。

1 監(jiān)測方法

1.1 落渣大小和位置測量

通過相機記錄渣塊的圖像，并利用圖像處理技術(shù)獲得落渣的大小和位置等信息是實現(xiàn)爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)測的方法之一。為得到落渣的高度參數(shù)，提出了延長曝光時間記錄落渣軌跡的方法，如圖1所示。根據(jù)軌跡的寬度和長度計算落渣的大小和速度，進而反演落渣的高度，計算過程如下。

圖1 渣塊軌跡圖像

1）根據(jù)相機的成像倍率x得到渣塊的直徑d：

式中：W為渣塊軌跡的寬度。

2）渣塊掉落的速度V可表示為：

式中：L為渣塊軌跡長度；t為相機的曝光時間。

3）渣塊在重力作用下從受熱面上脫落，而受熱面附近煙氣流速小，因此假設(shè)渣塊做初速度為零的自由落體運動，則渣塊的高度H為：

式中：k為考慮爐內(nèi)高溫、高灰環(huán)境的修正系數(shù)，根據(jù)爐內(nèi)標(biāo)定結(jié)果取0.99；g為重力加速度。

1.2 渣塊軌跡識別

長時間記錄爐內(nèi)落渣圖像發(fā)現(xiàn)，由于鍋爐負(fù)荷變化以及爐內(nèi)燃燒波動，導(dǎo)致圖像背景火焰閃爍，渣塊軌跡圖像與背景區(qū)別不明顯，如圖2（a）所示?，F(xiàn)有的全局閾值、自適應(yīng)閾值或顆粒模板提取顆粒軌跡方法較難準(zhǔn)確識別渣塊。通過分析前后兩幀中渣塊的圖像發(fā)現(xiàn)，相鄰兩幀圖像背景變化很小，渣塊在兩幀圖像中的位置明顯不同。因此，利用前后兩幀圖像的差異對相鄰圖像做差處理，進一步對做差圖像進行二值化處理后，可以較準(zhǔn)確地判斷圖像內(nèi)是否有渣塊，從而提取渣塊軌跡，如圖2（b）所示，由此計算渣塊的位置和亮度。

圖2 渣塊軌跡圖像及提取

2 影響渣塊軌跡識別的因素分析

2.1 落渣冷態(tài)實驗臺

為了分析曝光時間，渣塊數(shù)量、形狀及渣塊與鏡頭距離等因素對渣塊軌跡識別的影響，搭建了爐內(nèi)落渣冷態(tài)模擬實驗臺，尺寸參數(shù)如圖3 所示，爐膛截面為1.84 m×1.84 m，冷灰斗傾角分別為31.4°和31.6°。相機布置在前、后墻的中間，距離側(cè)墻0.92 m，高度2.2 m，相機的焦平面基本在冷灰斗斜面上。落渣高度在冷灰斗折角上方約1.5 m處，人工控制落渣的位置、數(shù)量等參數(shù)。相機選用大恒MER-132-30GC工業(yè)相機，分辨率為1 292×964，像素尺寸3.75 μm，相機快門時間20 μs～1 s，最大幀率30 fps。通過已知尺寸的標(biāo)定板對視場大小進行標(biāo)定，實際視場大小為1.30 m×0.98 m。實驗渣塊的尺寸為橫截面40 mm×40 mm，長40 mm、50 mm、60 mm不等。

圖3 爐內(nèi)落渣冷態(tài)模擬實驗臺示意圖

2.2 影響因素分析

不同曝光時間下渣塊的軌跡如圖4所示，曝光時間越長，渣塊的運動軌跡越長。實際測量過程中，視場內(nèi)會同時存在多個渣塊，如果曝光時間太長，勢必會有多個渣塊的軌跡發(fā)生重疊、交叉，這會給渣塊軌跡的識別及速度的準(zhǔn)確計算帶來很大難度。因為當(dāng)渣塊軌跡重疊時，一般會將交叉的渣塊識別為同一個，軌跡的長寬比將發(fā)生變化。如果相機的曝光時間太短，渣塊的運動軌跡很短，則會引起較大的速度計算誤差。一般采用顆粒軌跡計算速度時，軌跡的長寬比L/W應(yīng)該在3～8。假設(shè)L/W為5，不同大小渣塊曝光時間隨下落高度的變化如圖5所示，隨著落渣高度的增加，最優(yōu)曝光時間呈指數(shù)率減少，渣塊越大，所需要的曝光時間越長。考慮到實際落渣的位置主要在燃燒器上方附近（高度30～40 m），在落大渣前會有征兆地掉落小渣，故曝光時間應(yīng)設(shè)置在約20 ms。

圖4 不同曝光時間下渣塊的軌跡圖像

圖5 最優(yōu)曝光時間設(shè)置隨落渣高度的變化

實際燃煤鍋爐爐內(nèi)落渣的形狀是不規(guī)則的，而渣塊的形狀對渣塊下落速度的計算有較大影響，從而影響落渣高度的定位。長方體形渣塊橫著落下的軌跡如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)其橫著落下時，渣塊豎直方向的軌跡長度L會小于軌跡的寬度W，這就會引起計算錯誤。同理，當(dāng)其豎著落下時，軌跡長度L大于實際運動軌跡的長度，從而引起高度的計算誤差。在L＜W時，可以引入新的判據(jù)去掉該數(shù)據(jù)，但第二種情況很難判斷渣塊是從高處落下還是長方體形渣塊豎著落下。為了避免不規(guī)則形狀渣塊高度的測量偏差引起結(jié)渣位置誤判，采用長時間記錄渣塊軌跡的方法，利用大量渣塊的軌跡數(shù)據(jù)來統(tǒng)計分析結(jié)渣位置。

圖6 長方體形渣塊軌跡圖像

通過兩個相機分別記錄冷灰斗處的渣塊軌跡，渣塊不可避免地會在鏡頭處留下運動軌跡。在渣塊距離鏡頭較近時，其圖像亮度明顯高于背景，而對應(yīng)冷灰斗處的渣塊軌跡亮度明顯降低，利用亮度閾值可以減少渣塊軌跡的重復(fù)統(tǒng)計和誤判。

對于爐內(nèi)復(fù)雜的測試環(huán)境，通過實驗室試驗分析，提出利用渣塊軌跡的長寬比、亮度特征及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法來提高結(jié)渣監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

3 爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)測試驗及分析

3.1 現(xiàn)場試驗系統(tǒng)布置

為了獲得實際爐內(nèi)的落渣圖像，實現(xiàn)爐內(nèi)結(jié)渣的實時監(jiān)測，在某發(fā)電廠超超臨界660 MW 機組鍋爐冷灰斗處安裝4 臺相機，位置如圖7（a）所示，爐膛橫截面長19.6 m，寬16.9 m，相機布置在爐底冷灰斗折角上方0.9 m，距離側(cè)墻3.6 m，前、后墻各布置兩臺。落渣圖像記錄系統(tǒng)布置如圖7（b）和7（c）所示，主要由保護氣源、測槍、控制柜和測槍進出執(zhí)行機構(gòu)組成。為了減少爐內(nèi)對設(shè)備的輻射熱，采用1 mm針孔鏡頭，大大縮小了輻射面積。對鏡頭的保護采用雙層防護罩，由兩路氣體對鏡頭進行冷卻，并將冷卻氣從防護罩前端吹出，可以壓住爐內(nèi)火焰，擋住灰塵。測槍進出執(zhí)行機構(gòu)以帶自鎖電機作為動力，采用高精密金屬導(dǎo)軌傳動，使設(shè)備伸進和退出平穩(wěn)可靠，減少了測槍運動周期（5 s 內(nèi)）。測槍控制系統(tǒng)采用PLC 可編程控制，提高了系統(tǒng)的可操作性和可靠性。為了進一步保護鏡頭，在測槍頭部布置熱電偶，保護氣源管路上安裝壓力表以監(jiān)測鏡頭的溫度和氣源壓力，當(dāng)鏡頭溫度超過設(shè)定值（55 ℃）或氣源壓力低于規(guī)定值（0.1 MPa）時，測槍自動退出，同時調(diào)小氣源流量。

圖7 相機在爐底冷灰斗的布置位置

3.2 實驗結(jié)果與分析

連續(xù)記錄爐內(nèi)落渣圖像，利用圖像相減的方法判斷視場內(nèi)是否有渣塊。對有渣塊圖像中的渣塊特征進行識別，獲得落渣的位置，進一步計算落渣軌跡長度，得到落渣的高度信息。對所得信息進行統(tǒng)計，分析得出高負(fù)荷、低負(fù)荷、降負(fù)荷及吹灰時爐內(nèi)的落渣規(guī)律。

3.2.1 爐內(nèi)落渣量的變化

試驗期間落渣直徑d隨時間及鍋爐負(fù)荷、撈渣機出力的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示，渣塊直徑大部分在30 mm 左右，個別較大渣塊直徑有70 mm。在吹灰器投用、高負(fù)荷及降負(fù)荷過程中爐內(nèi)的落渣量都較大，而且落渣大小比低負(fù)荷時間段內(nèi)的大。吹灰器投用在16：40 左右，隨后在17：00—18：00落渣量明顯增多，說明吹灰器的投用使?fàn)t壁上的渣塊脫落，而撈渣機的油壓延遲15 min 才上升。對比隨后落渣量的增加和油壓上升，都有一定的延遲時間，推測是因為渣塊落到冷渣池，在冷渣池中運動產(chǎn)生的阻力較小，在撈渣過程中渣量的增加才會引起較明顯的油壓上升，渣塊在渣池中運動的時間造成油壓上升時間延遲。整體而言，根據(jù)落渣圖像判斷的落渣量增加與爐底撈渣機油壓的上升趨勢是一致的，驗證了監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。鍋爐高負(fù)荷運行過程中落渣量明顯高于低負(fù)荷，在降負(fù)荷過程中落渣量有明顯躍升的現(xiàn)象，后墻右和前墻的落渣直徑明顯增加，前墻右增幅最大，降負(fù)荷造成的高頻率落渣持續(xù)12 min。可見，鍋爐高負(fù)荷運行時，入爐煤量大，爐內(nèi)溫度高，爐內(nèi)易結(jié)渣，落渣量大；在降負(fù)荷的過程中，爐內(nèi)空氣擾動加上爐內(nèi)溫度水平降低，引起渣塊掉落。

圖8 爐內(nèi)落渣大小隨時間變化

多次實驗發(fā)現(xiàn)，相機記錄到的基本都是小渣塊，渣塊的密度取2.3×103kg/m3，則落渣的質(zhì)量范圍為9.6～260 g，未監(jiān)測到質(zhì)量大的渣塊掉落。也未觀測到大的渣塊。鍋爐燃用煤種為發(fā)電廠摻配的不易結(jié)渣煤，同時鍋爐每日的負(fù)荷波動大（中午和夜間低負(fù)荷運行），使得爐內(nèi)很難發(fā)生嚴(yán)重結(jié)渣從而掉落大渣塊，這與實際監(jiān)測結(jié)果一致。

3.2.2 爐內(nèi)落渣位置分布

根據(jù)落渣的軌跡長度和曝光時間計算落渣高度。爐內(nèi)落渣高度隨時間及鍋爐負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系如圖9所示，結(jié)果表明大部分的落渣分布在燃燒器和燃盡風(fēng)區(qū)域，即鍋爐20～45 m 高度的位置，45 m 以上落渣量較少。在爐內(nèi)吹灰及降負(fù)荷的過程中，45 m 以上高度的落渣量明顯增加，且前墻右增幅最明顯。低負(fù)荷運行落渣的數(shù)量明顯減少，大部分是燃燒器區(qū)域的落渣。不同試驗工況下爐內(nèi)各位置落渣頻率的統(tǒng)計值如圖10 所示，前墻右的落渣頻率最高，其次是后墻左，高負(fù)荷下的落渣頻率約為低負(fù)荷的5 倍。低負(fù)荷運行4.5 h 后吹灰，前墻右的落渣頻率增加為原來的2.7倍，對應(yīng)爐膛燃盡風(fēng)高度吹灰器投用，可以說明前墻右燃盡風(fēng)附近局部區(qū)域結(jié)渣。

圖9 爐內(nèi)落渣位置隨時間變化

圖10 爐內(nèi)不同位置的落渣頻率

爐內(nèi)不同位置的落渣平均高度如圖11 所示。由圖11可見落渣的平均高度在30 m左右，燃燒器區(qū)域的落渣占比較大。高負(fù)荷吹灰時落渣的平均高度略高于高負(fù)荷時吹灰器在燃盡風(fēng)區(qū)域）。降負(fù)荷時落渣的平均高度增大，前墻的增幅大于后墻，平均高度從30 m增加到38 m，其中前墻右增幅大于前墻左，說明降負(fù)荷的過程中燃燒器上方的落渣量增加，增幅越大則該區(qū)域的結(jié)渣就越多。低負(fù)荷和低負(fù)荷吹灰時落渣平均高度變化不大，說明低負(fù)荷運行時爐內(nèi)燃盡風(fēng)區(qū)域結(jié)渣不明顯，這與低負(fù)荷時未投用上層燃燒器有關(guān)。

圖11 爐內(nèi)不同位置的落渣平均高度

進一步分析降負(fù)荷期間各位置落渣高度的分布及大小，如圖12 所示，整體上燃燒器區(qū)域主要為小塊渣（d≤40 mm），而燃盡風(fēng)區(qū)域分布了一些較大的渣塊（大小在50～70 mm），高于45 m 以上區(qū)域落渣量明顯降低，落渣直徑也有減小。燃燒器和燃盡風(fēng)區(qū)域因爐膛熱負(fù)荷高，一般屬于易結(jié)渣的區(qū)域，未發(fā)生嚴(yán)重結(jié)渣時，在煙氣擾動的作用下結(jié)渣易脫落，故爐內(nèi)落渣圖像監(jiān)測系統(tǒng)在該區(qū)域監(jiān)測到較多的小渣塊掉落。

圖12 降負(fù)荷期間爐內(nèi)不同位置的落渣高度分布

3.2.3 落渣圖像的亮度特征

在相機記錄參數(shù)不變時，渣塊的亮度可間接反映渣塊的溫度。將提取的渣塊軌跡彩色圖像轉(zhuǎn)為灰度圖，并進行歸一化，統(tǒng)計3 446 個落渣圖像，爐內(nèi)落渣亮度和高度關(guān)系如圖13 所示，隨著落渣高度的增加，亮渣的比例增大，線性擬合斜率為正。一般暗色的渣塊是在受熱面上冷卻后掉落的，而亮渣多為熔融態(tài)的渣，會使受熱面發(fā)生高溫腐蝕，且容易粘連形成大渣，所以應(yīng)該通過燃燒調(diào)整避免爐內(nèi)頻繁掉落亮渣。

圖13 爐內(nèi)落渣亮度和高度關(guān)系

通過采用本文提出的落渣圖像監(jiān)測系統(tǒng)，可以對爐內(nèi)結(jié)渣位置、結(jié)渣大小、落渣頻率進行監(jiān)測，統(tǒng)計得到頻繁落渣位置的參數(shù)。運行人員可以基于該數(shù)據(jù)調(diào)整吹灰器的投用，對頻繁落渣的區(qū)域進行加強吹灰，避免該局部區(qū)域的結(jié)渣惡化，在低負(fù)荷時降低吹灰頻次，從而實現(xiàn)結(jié)渣監(jiān)測和燃燒調(diào)整的閉環(huán)控制。

4 結(jié)論

本文通過搭建爐內(nèi)落渣冷態(tài)模擬實驗臺并在660 MW 機組鍋爐冷灰斗處安裝落渣圖像監(jiān)測系統(tǒng)，分析影響渣塊軌跡識別的因素，對現(xiàn)場記錄的落渣圖像進行處理并統(tǒng)計爐內(nèi)落渣規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）分析曝光時間、渣塊數(shù)量及形狀等因素對渣塊軌跡識別的影響，提出利用渣塊軌跡的長寬比、亮度特征及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法提高結(jié)渣監(jiān)測的準(zhǔn)確性。對于爐內(nèi)復(fù)雜的測試環(huán)境，采用相鄰兩幀圖像相減的方法能夠較準(zhǔn)確地提取渣塊軌跡。

2）根據(jù)長時間記錄爐內(nèi)落渣圖像所判斷的落渣量增加與爐底撈渣機油壓上升趨勢的一致性，驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3）隨著落渣高度的增加，亮渣的比例增大。渣塊的亮度越大，溫度越高，由于熔融態(tài)的渣易造成高溫腐蝕，且容易粘連形成大渣，因此對于頻繁落亮渣的區(qū)域應(yīng)予以關(guān)注。