基于圖像處理的爐膛火焰溫度場測定

稅淼+諶貴輝+周權+李瑞

摘 要：應用數字圖像處理技術進行爐膛火焰檢測是火檢技術的發展趨勢。文中介紹了數字式圖像火焰檢測系統的基本構成、工作原理和燃燒器火焰熄火、著火的判據。重點介紹了通過比色法測溫原理重建爐內火焰溫度場分布，并對已有的方法進行了優化。此方法不僅具有普通雙色法標定簡單的特點，而且因為不同波長的輻射圖像是在同一幅彩色圖像上得到的，省去了同時獲取同一燃燒對象在不同波長下的輻射圖像的困難，因而十分便于應用。采用圖像中紅色分量或者綠色分量就可以計算火焰圖像中任一點的溫度，從而構建圖像二維溫度場分布。程序運算結果表明，該方法能夠快速測定溫度場分布，并且誤差較小。

關鍵詞：火焰檢測器；數字圖像火焰；檢測系統；溫度場

中圖分類號：TK31 文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2014）07-0020-02

0引言

大型火電機組中，為了保證鍋爐安全、平穩地運行，必須對鍋爐的火焰燃燒狀況進行實時監控，以便對鍋爐的燃料控制裝置連鎖，保證鍋爐滅火時停止燃燒供應，防止可燃性物質在爐膛或管道內聚積，發生爆燃甚至引起爆炸。

對于鍋爐安全系統（FSSS）而言，火焰檢測器是至關重要的部件，它的主要功能就是鑒別燃燒器是否正常工作、當燃料送入爐膛而未被點燃和燃燒時可能導致爐膛爆炸的潛在危險。全爐膛滅火以及燃燒喪失這兩個重要的跳爐（WFT）信號都是由火焰檢測裝置檢測和判斷得出的，火焰檢測無火信號也是進行爐膛吹掃的必要條件。

1系統構成原理

1.1火焰圖像檢測

火焰圖像檢測系統是一套人工監視火焰圖像和計算機自動檢測火焰相結合的智能型燃煤鍋爐安全監控系統，該系統由光纖圖像傳感器（CCD）、冷卻系統、視頻信號處理器、火焰檢測器、工作主機、下位機、火焰圖像監視管理系統、火焰圖像錄放系統和通信模塊等構成，圖1所示是火焰圖像檢測裝置系統圖。其中火焰檢測器是核心部件，由它檢測及判斷得出全爐膛滅火及燃料喪失這兩個重要的跳爐（MFT）信號。火焰圖像檢測系統煩呢單個燃燒器的火焰圖像檢測和全爐膛火焰圖像檢測兩部分，對于單個燃燒器火焰圖像檢測主要是判斷該燃燒器的工作狀況，發出熄火、著火和燃燒不穩的報警信號。對于全爐膛火焰檢測主要是通過火焰圖像信息利用計算機計算出全爐膛火焰溫度場分布狀況以及火焰燃燒的能級，通過建立一套完整的火焰圖像的分析計算理論，預測火焰的各種態勢，計算全爐膛火焰燃燒的能量，將能量信號、溫度信號和全爐膛熄滅著火信號送往FSSS系統，及時進行燃燒調整，保證鍋爐的安全和經濟運行。

圖1火焰圖像檢測裝置系統圖

1.2火焰圖像檢測器的基本原理

火焰圖像檢測器基本原理如圖2所示，將帶有冷卻風的傳像光纖伸入爐膛，將所檢測的燃燒器火焰圖像或全爐膛火焰圖像的光信號傳到CCD攝像機的靶面上，CCD將圖像轉化為標準模擬視頻信號并通過視頻電纜傳給圖像火焰檢測器內的視頻輸入處理器。視頻處理器將模擬視頻信號經過A/D轉換，變成數字圖像存儲于圖像存儲器重。計算機則將圖像存儲器中數字化的圖像信息按照一定的判斷體系進行計算，得出燃燒器火焰的ON/OFF信號和其他診斷信息，并送至FSSS系統。

圖2圖像火焰檢測器基本原理圖

2比色法測火焰溫度場

火焰溫度場參數能直接反映爐內燃燒運行組織的優劣，燃燒火焰溫度場的瞬態變化直接體現燃燒過程的穩定性，溫度場分布與燃燒效率、氣體污染物排放以及爐膛出口未燃盡碳損失都有重要關系。

2.1比色法測溫原理

通過CCD采集的圖像，轉化為數字圖像之后，圖像中每一個像素點都可以通過三個分量來表示： R（紅）、 G（綠）、 B（藍）。這樣就可以用（1）式來表達一張數字圖像：

（1）

當測量波長小于780 nm，溫度小于3 400 K時，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，幾乎與波長無關，且近似于1。λ為輻射波長，C1、C2為常數。因為空氣對可見光波段的輻射減弱系數很低，抵達圖像探測器表面的單色輻射強度可近似等于黑體輻射的單色輻射強度。標定系數kr、kg、kb分別來修正三個分量R、G、B，分別得到在RGB三基色波長下的單色輻射強度：

（3）

結合式（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，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。

本文采用的標定方式是將其中一種基色保持不變，對其他兩個基色的數據進行修正，使得修正后的紅藍綠三基色R1、G1、B1之間的相對大小正確地反映火焰的相對光譜分布特性：

R1=R，G1=cg×G，B1=cb×B （5）

其中，cg和cb分別為對分量G和B進行修正的系數。

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式：

（7）

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

2.2溫度場重建

對于不同的火焰視頻圖像，cg是一個變化量，對同一幅火焰圖像取亮點不同的N個點，假定各點對應的溫度值，根據這N個點的綠色分量和對應溫度，就可以擬合出cg的值，再根據每一個像素的綠色分量，就能得出火焰的溫度場分布。

3實驗結果

實驗中采取某電站鍋爐的一段錄像視頻作為研究數據，利用軟件化的模型分析運算，在秒級范圍內得到實時動態的溫度場分布數據，圖3所示為三維溫度場分布圖，圖4所示為程序運行界面。

圖3三維溫度場分布圖

圖4程序運行界面圖

4結語

本算法在原有基礎上進行了改進，將原本的參數函數簡化為一個參數，進一步減小了標定的困難，也加速了運算速度，減小了誤差。為整個系統判斷滅火保護功能提供了有效的保障。

參 考 文 獻

[1]蘇忠陽，趙有鋮，劉之堯.能量管理系統和繼電保護信息系統集成平臺研究[J]. 南方電網技術，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整定計算一體化系統[J].電力系統及其自動化學報，2007，19（3）： 109-112.

[3]何樺，柴京慧，許文慶，等.繼電保護數據庫的統一建模新方法[J].電力系統自動化，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構建 [J].電力系統自動化，2009，33（17）：51-65.

[5]馮馳，張崇關，王兆豐.比色測溫的波長選擇[J].應用科技，2013，40（3）：45-49.

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

[7]梁其誠，余愚.基于彩色火焰圖像測量柴油機燃燒火焰溫度[J].工業安全與環保，2013，39（3）：55-57.

————————————————

收稿日期：2014-03-20

摘 要：應用數字圖像處理技術進行爐膛火焰檢測是火檢技術的發展趨勢。文中介紹了數字式圖像火焰檢測系統的基本構成、工作原理和燃燒器火焰熄火、著火的判據。重點介紹了通過比色法測溫原理重建爐內火焰溫度場分布，并對已有的方法進行了優化。此方法不僅具有普通雙色法標定簡單的特點，而且因為不同波長的輻射圖像是在同一幅彩色圖像上得到的，省去了同時獲取同一燃燒對象在不同波長下的輻射圖像的困難，因而十分便于應用。采用圖像中紅色分量或者綠色分量就可以計算火焰圖像中任一點的溫度，從而構建圖像二維溫度場分布。程序運算結果表明，該方法能夠快速測定溫度場分布，并且誤差較小。

關鍵詞：火焰檢測器；數字圖像火焰；檢測系統；溫度場

中圖分類號：TK31 文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2014）07-0020-02

0引言

大型火電機組中，為了保證鍋爐安全、平穩地運行，必須對鍋爐的火焰燃燒狀況進行實時監控，以便對鍋爐的燃料控制裝置連鎖，保證鍋爐滅火時停止燃燒供應，防止可燃性物質在爐膛或管道內聚積，發生爆燃甚至引起爆炸。

對于鍋爐安全系統（FSSS）而言，火焰檢測器是至關重要的部件，它的主要功能就是鑒別燃燒器是否正常工作、當燃料送入爐膛而未被點燃和燃燒時可能導致爐膛爆炸的潛在危險。全爐膛滅火以及燃燒喪失這兩個重要的跳爐（WFT）信號都是由火焰檢測裝置檢測和判斷得出的，火焰檢測無火信號也是進行爐膛吹掃的必要條件。

1系統構成原理

1.1火焰圖像檢測

火焰圖像檢測系統是一套人工監視火焰圖像和計算機自動檢測火焰相結合的智能型燃煤鍋爐安全監控系統，該系統由光纖圖像傳感器（CCD）、冷卻系統、視頻信號處理器、火焰檢測器、工作主機、下位機、火焰圖像監視管理系統、火焰圖像錄放系統和通信模塊等構成，圖1所示是火焰圖像檢測裝置系統圖。其中火焰檢測器是核心部件，由它檢測及判斷得出全爐膛滅火及燃料喪失這兩個重要的跳爐（MFT）信號。火焰圖像檢測系統煩呢單個燃燒器的火焰圖像檢測和全爐膛火焰圖像檢測兩部分，對于單個燃燒器火焰圖像檢測主要是判斷該燃燒器的工作狀況，發出熄火、著火和燃燒不穩的報警信號。對于全爐膛火焰檢測主要是通過火焰圖像信息利用計算機計算出全爐膛火焰溫度場分布狀況以及火焰燃燒的能級，通過建立一套完整的火焰圖像的分析計算理論，預測火焰的各種態勢，計算全爐膛火焰燃燒的能量，將能量信號、溫度信號和全爐膛熄滅著火信號送往FSSS系統，及時進行燃燒調整，保證鍋爐的安全和經濟運行。

圖1火焰圖像檢測裝置系統圖

1.2火焰圖像檢測器的基本原理

火焰圖像檢測器基本原理如圖2所示，將帶有冷卻風的傳像光纖伸入爐膛，將所檢測的燃燒器火焰圖像或全爐膛火焰圖像的光信號傳到CCD攝像機的靶面上，CCD將圖像轉化為標準模擬視頻信號并通過視頻電纜傳給圖像火焰檢測器內的視頻輸入處理器。視頻處理器將模擬視頻信號經過A/D轉換，變成數字圖像存儲于圖像存儲器重。計算機則將圖像存儲器中數字化的圖像信息按照一定的判斷體系進行計算，得出燃燒器火焰的ON/OFF信號和其他診斷信息，并送至FSSS系統。

圖2圖像火焰檢測器基本原理圖

2比色法測火焰溫度場

火焰溫度場參數能直接反映爐內燃燒運行組織的優劣，燃燒火焰溫度場的瞬態變化直接體現燃燒過程的穩定性，溫度場分布與燃燒效率、氣體污染物排放以及爐膛出口未燃盡碳損失都有重要關系。

2.1比色法測溫原理

通過CCD采集的圖像，轉化為數字圖像之后，圖像中每一個像素點都可以通過三個分量來表示： R（紅）、 G（綠）、 B（藍）。這樣就可以用（1）式來表達一張數字圖像：

（1）

當測量波長小于780 nm，溫度小于3 400 K時，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，幾乎與波長無關，且近似于1。λ為輻射波長，C1、C2為常數。因為空氣對可見光波段的輻射減弱系數很低，抵達圖像探測器表面的單色輻射強度可近似等于黑體輻射的單色輻射強度。標定系數kr、kg、kb分別來修正三個分量R、G、B，分別得到在RGB三基色波長下的單色輻射強度：

（3）

結合式（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，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。

本文采用的標定方式是將其中一種基色保持不變，對其他兩個基色的數據進行修正，使得修正后的紅藍綠三基色R1、G1、B1之間的相對大小正確地反映火焰的相對光譜分布特性：

R1=R，G1=cg×G，B1=cb×B （5）

其中，cg和cb分別為對分量G和B進行修正的系數。

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式：

（7）

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

2.2溫度場重建

對于不同的火焰視頻圖像，cg是一個變化量，對同一幅火焰圖像取亮點不同的N個點，假定各點對應的溫度值，根據這N個點的綠色分量和對應溫度，就可以擬合出cg的值，再根據每一個像素的綠色分量，就能得出火焰的溫度場分布。

3實驗結果

實驗中采取某電站鍋爐的一段錄像視頻作為研究數據，利用軟件化的模型分析運算，在秒級范圍內得到實時動態的溫度場分布數據，圖3所示為三維溫度場分布圖，圖4所示為程序運行界面。

圖3三維溫度場分布圖

圖4程序運行界面圖

4結語

本算法在原有基礎上進行了改進，將原本的參數函數簡化為一個參數，進一步減小了標定的困難，也加速了運算速度，減小了誤差。為整個系統判斷滅火保護功能提供了有效的保障。

參 考 文 獻

[1]蘇忠陽，趙有鋮，劉之堯.能量管理系統和繼電保護信息系統集成平臺研究[J]. 南方電網技術，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整定計算一體化系統[J].電力系統及其自動化學報，2007，19（3）： 109-112.

[3]何樺，柴京慧，許文慶，等.繼電保護數據庫的統一建模新方法[J].電力系統自動化，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構建 [J].電力系統自動化，2009，33（17）：51-65.

[5]馮馳，張崇關，王兆豐.比色測溫的波長選擇[J].應用科技，2013，40（3）：45-49.

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

[7]梁其誠，余愚.基于彩色火焰圖像測量柴油機燃燒火焰溫度[J].工業安全與環保，2013，39（3）：55-57.

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收稿日期：2014-03-20

摘 要：應用數字圖像處理技術進行爐膛火焰檢測是火檢技術的發展趨勢。文中介紹了數字式圖像火焰檢測系統的基本構成、工作原理和燃燒器火焰熄火、著火的判據。重點介紹了通過比色法測溫原理重建爐內火焰溫度場分布，并對已有的方法進行了優化。此方法不僅具有普通雙色法標定簡單的特點，而且因為不同波長的輻射圖像是在同一幅彩色圖像上得到的，省去了同時獲取同一燃燒對象在不同波長下的輻射圖像的困難，因而十分便于應用。采用圖像中紅色分量或者綠色分量就可以計算火焰圖像中任一點的溫度，從而構建圖像二維溫度場分布。程序運算結果表明，該方法能夠快速測定溫度場分布，并且誤差較小。

關鍵詞：火焰檢測器；數字圖像火焰；檢測系統；溫度場

中圖分類號：TK31 文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2014）07-0020-02

0引言

大型火電機組中，為了保證鍋爐安全、平穩地運行，必須對鍋爐的火焰燃燒狀況進行實時監控，以便對鍋爐的燃料控制裝置連鎖，保證鍋爐滅火時停止燃燒供應，防止可燃性物質在爐膛或管道內聚積，發生爆燃甚至引起爆炸。

對于鍋爐安全系統（FSSS）而言，火焰檢測器是至關重要的部件，它的主要功能就是鑒別燃燒器是否正常工作、當燃料送入爐膛而未被點燃和燃燒時可能導致爐膛爆炸的潛在危險。全爐膛滅火以及燃燒喪失這兩個重要的跳爐（WFT）信號都是由火焰檢測裝置檢測和判斷得出的，火焰檢測無火信號也是進行爐膛吹掃的必要條件。

1系統構成原理

1.1火焰圖像檢測

火焰圖像檢測系統是一套人工監視火焰圖像和計算機自動檢測火焰相結合的智能型燃煤鍋爐安全監控系統，該系統由光纖圖像傳感器（CCD）、冷卻系統、視頻信號處理器、火焰檢測器、工作主機、下位機、火焰圖像監視管理系統、火焰圖像錄放系統和通信模塊等構成，圖1所示是火焰圖像檢測裝置系統圖。其中火焰檢測器是核心部件，由它檢測及判斷得出全爐膛滅火及燃料喪失這兩個重要的跳爐（MFT）信號。火焰圖像檢測系統煩呢單個燃燒器的火焰圖像檢測和全爐膛火焰圖像檢測兩部分，對于單個燃燒器火焰圖像檢測主要是判斷該燃燒器的工作狀況，發出熄火、著火和燃燒不穩的報警信號。對于全爐膛火焰檢測主要是通過火焰圖像信息利用計算機計算出全爐膛火焰溫度場分布狀況以及火焰燃燒的能級，通過建立一套完整的火焰圖像的分析計算理論，預測火焰的各種態勢，計算全爐膛火焰燃燒的能量，將能量信號、溫度信號和全爐膛熄滅著火信號送往FSSS系統，及時進行燃燒調整，保證鍋爐的安全和經濟運行。

圖1火焰圖像檢測裝置系統圖

1.2火焰圖像檢測器的基本原理

火焰圖像檢測器基本原理如圖2所示，將帶有冷卻風的傳像光纖伸入爐膛，將所檢測的燃燒器火焰圖像或全爐膛火焰圖像的光信號傳到CCD攝像機的靶面上，CCD將圖像轉化為標準模擬視頻信號并通過視頻電纜傳給圖像火焰檢測器內的視頻輸入處理器。視頻處理器將模擬視頻信號經過A/D轉換，變成數字圖像存儲于圖像存儲器重。計算機則將圖像存儲器中數字化的圖像信息按照一定的判斷體系進行計算，得出燃燒器火焰的ON/OFF信號和其他診斷信息，并送至FSSS系統。

圖2圖像火焰檢測器基本原理圖

2比色法測火焰溫度場

火焰溫度場參數能直接反映爐內燃燒運行組織的優劣，燃燒火焰溫度場的瞬態變化直接體現燃燒過程的穩定性，溫度場分布與燃燒效率、氣體污染物排放以及爐膛出口未燃盡碳損失都有重要關系。

2.1比色法測溫原理

通過CCD采集的圖像，轉化為數字圖像之后，圖像中每一個像素點都可以通過三個分量來表示： R（紅）、 G（綠）、 B（藍）。這樣就可以用（1）式來表達一張數字圖像：

（1）

當測量波長小于780 nm，溫度小于3 400 K時，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，幾乎與波長無關，且近似于1。λ為輻射波長，C1、C2為常數。因為空氣對可見光波段的輻射減弱系數很低，抵達圖像探測器表面的單色輻射強度可近似等于黑體輻射的單色輻射強度。標定系數kr、kg、kb分別來修正三個分量R、G、B，分別得到在RGB三基色波長下的單色輻射強度：

（3）

結合式（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，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。

本文采用的標定方式是將其中一種基色保持不變，對其他兩個基色的數據進行修正，使得修正后的紅藍綠三基色R1、G1、B1之間的相對大小正確地反映火焰的相對光譜分布特性：

R1=R，G1=cg×G，B1=cb×B （5）

其中，cg和cb分別為對分量G和B進行修正的系數。

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式：

（7）

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

2.2溫度場重建

對于不同的火焰視頻圖像，cg是一個變化量，對同一幅火焰圖像取亮點不同的N個點，假定各點對應的溫度值，根據這N個點的綠色分量和對應溫度，就可以擬合出cg的值，再根據每一個像素的綠色分量，就能得出火焰的溫度場分布。

3實驗結果

實驗中采取某電站鍋爐的一段錄像視頻作為研究數據，利用軟件化的模型分析運算，在秒級范圍內得到實時動態的溫度場分布數據，圖3所示為三維溫度場分布圖，圖4所示為程序運行界面。

圖3三維溫度場分布圖

圖4程序運行界面圖

4結語

本算法在原有基礎上進行了改進，將原本的參數函數簡化為一個參數，進一步減小了標定的困難，也加速了運算速度，減小了誤差。為整個系統判斷滅火保護功能提供了有效的保障。

參 考 文 獻

[1]蘇忠陽，趙有鋮，劉之堯.能量管理系統和繼電保護信息系統集成平臺研究[J]. 南方電網技術，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整定計算一體化系統[J].電力系統及其自動化學報，2007，19（3）： 109-112.

[3]何樺，柴京慧，許文慶，等.繼電保護數據庫的統一建模新方法[J].電力系統自動化，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構建 [J].電力系統自動化，2009，33（17）：51-65.

[5]馮馳，張崇關，王兆豐.比色測溫的波長選擇[J].應用科技，2013，40（3）：45-49.

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

[7]梁其誠，余愚.基于彩色火焰圖像測量柴油機燃燒火焰溫度[J].工業安全與環保，2013，39（3）：55-57.

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收稿日期：2014-03-20