氣化爐火焰智能化檢測系統(tǒng)

閆玉強(qiáng)，蘇 毅，程慕鑫，梁 健，曾磊赟，李 宇

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所 上海齊耀熱能工程有限公司，上海 201108）

氣化爐火焰智能化檢測系統(tǒng)

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所 上海齊耀熱能工程有限公司，上海 201108）

近年來，智能可視化燃燒測控技術(shù)成為燃燒領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。針對粉煤氣化爐內(nèi)燃燒火焰圖像的智能化檢測，開發(fā)了同時具備火檢、視頻圖像和溫度預(yù)報三種功能的“三合一”氣化爐火焰智能化檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)無論在氣化爐點(diǎn)火、升壓還是投煤等工況波動階段均能夠表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能。目前已經(jīng)在2 000t/d干煤粉氣化爐中得到廣泛應(yīng)用。

氣化爐；火焰檢測；圖像處理；測溫

1 前言

能源短缺和環(huán)境污染是制約國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，我國擁有儲量豐富的煤炭資源，為了將煤炭資源轉(zhuǎn)換為各種便利的技術(shù)產(chǎn)品，煤氣化技術(shù)發(fā)展迅速，各種氣化爐型不斷在工業(yè)化裝置中得到改進(jìn)和完善[1-3]。在煤氣化過程中，爐內(nèi)溫度達(dá)到1 200～1 400℃，煤灰在高溫下呈熔融狀態(tài)，掛滿爐內(nèi)膜式水冷壁，并沿垂直方向向渣口流淌。在這樣的爐內(nèi)環(huán)境條件下，直接測溫法無法找到耐磨損，耐高溫同時又耐氧化的熱電偶材料；而間接測溫，例如激光測溫等，難以穿透氣化爐水冷壁上的高溫熔渣，無法獲得爐內(nèi)的真實(shí)火焰溫度，甚至無法直接觀察到火焰的狀態(tài)。因此，對于氣化爐爐內(nèi)溫度和火焰狀態(tài)的判斷一直是煤氣化行業(yè)的主要技術(shù)難題之一。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外的研究者越來越多把眼光投向了可視化的燃燒監(jiān)測系統(tǒng)[4]。火焰圖像最初只是作為一種火焰監(jiān)控的輔助手段，在工業(yè)CCD攝像機(jī)出現(xiàn)后，由于其圖像清晰度高、還原真實(shí)、工作穩(wěn)定可靠以及耐熱沖擊等優(yōu)點(diǎn)，因此使得人們有機(jī)會利用高性能CCD圖像對爐內(nèi)燃燒狀態(tài)以及溫度做數(shù)字化處理，甚至對其進(jìn)行定量分析[5]。

日立公司1985年問世的HIACS-3000系統(tǒng)中采用了爐膛火焰圖像識別技術(shù)，可以對溫度場分布進(jìn)行判斷，估算燃燒經(jīng)濟(jì)型以及NOx排放量等[6]。Shimoda等[7]提出了最初的基于比色法概念的圖像溫度測量方法，并將該裝置在日本仙臺燃煤電站鍋爐中得到了應(yīng)用。三菱光學(xué)圖像掃描（OPTIS，Optical Image Flame Scanner）系統(tǒng)采用光學(xué)圖像傳感器來提高對火焰鑒別的靈敏度，該裝置對爐膛背景熱輻射的干擾過濾能力較強(qiáng)[8]。

吳占松等[9]老師最早在黑體爐中研究了圖像亮度信號與火焰溫度之間的關(guān)系，給出了火焰三維溫度分布測量的重建算法。上海交通大學(xué)的徐偉勇等[10]、華中科技大學(xué)的周懷春等[11-12]將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于電站鍋爐燃燒火焰的研究，通過單色圖像與參考點(diǎn)位置的輻射強(qiáng)度的對比來獲得圖像范圍內(nèi)的溫度場，而參考點(diǎn)熱電偶通過直接測溫獲得其溫度。這一方法雖然簡單，但是參考點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確獲得往往是實(shí)施的關(guān)鍵。浙江大學(xué)熱能所[13-15]基于火焰輻射的三色信息，在不需要參考點(diǎn)溫度的條件下可以較準(zhǔn)確的獲得爐內(nèi)的溫度場，并且在自建的燃油、燃煤試驗(yàn)臺中進(jìn)行了驗(yàn)證。

與煤粉鍋爐等燃燒反應(yīng)室相比，氣化爐內(nèi)具有高壓、純氧、高溫以及熔渣沖刷等極端惡劣的環(huán)境，目前針對氣化爐內(nèi)火焰診斷鮮有報道。華東理工大學(xué)的王輔臣等[16]采用平面激光誘導(dǎo)熒光系統(tǒng)分析了模擬四噴嘴氣化爐內(nèi)柴油撞擊火焰的高度和脈動，并建立了三維溫度場。于廣鎖等[17]在模擬四噴嘴氣化爐中對火焰聲學(xué)特性進(jìn)行了分析。還未見針對真實(shí)煤氣化爐中火焰檢測的相關(guān)研究工作。

本文開發(fā)了一套基于計算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)的高壓、純氧燃燒火焰溫度圖像檢測系統(tǒng)，同時具備了火焰檢測器、火焰圖像視頻以及火焰溫度監(jiān)測的“三合一三個重要功能系統(tǒng)”。

2 “三合一”系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

單燒嘴頂置式干煤粉氣化爐僅在氣化爐頂部布置一臺燃燒器。氧氣和煤粉經(jīng)過燃燒器中特殊設(shè)計的通道噴出，確保煤粉和氧氣在氣化爐反應(yīng)室內(nèi)能夠充分混合，燃燒產(chǎn)生的火焰很好地充滿反應(yīng)室空間，并且形成合理的溫度場分布和最佳的合成氣組分。

本系統(tǒng)硬件設(shè)備布置在燒嘴的最末端，通過燒嘴中心的中空通道與氣化爐內(nèi)環(huán)境保持光線傳輸?shù)闹蓖ǎ鐖D1所示。

圖1 “三合一”系統(tǒng)布置圖

“三合一”系統(tǒng)與氣化爐中控系統(tǒng)連接如圖2所示。“三合一”系統(tǒng)同時具有：火焰檢測、火焰圖像視頻傳輸和氣化爐內(nèi)溫度檢測三大核心功能。

系統(tǒng)包括火焰監(jiān)測器、火焰CCD攝像機(jī)、視頻控制箱、防爆供電箱、圖像采集軟硬件和火焰溫度分析系統(tǒng)軟硬件等。

2.1 火焰檢測信號

燃料燃燒時，火焰以各種形式向四周輻射，而火焰的輻射光譜范圍是連續(xù)的，包含紫外光、可見光和紅外光等。火焰檢測信號傳輸原理就是將火焰的光信號傳遞到火檢探頭的光電二極管上面，光電二極管將火焰強(qiáng)度與頻率的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺?jīng)過內(nèi)部電路板的放大、濾波、比較處理后，輸出0～10V直流電壓信號，電壓信號與電路板內(nèi)部的設(shè)定閾值做比較，大于設(shè)定閾值，輸出火焰有火信號，反之，不輸出信號。“三合一”系統(tǒng)的火檢也可以經(jīng)過變換輸出連續(xù)的4～20mA模擬量信號，代表火焰強(qiáng)度信號。火檢的有無火開關(guān)量信號和火焰的強(qiáng)度信號作為爐膛安全系統(tǒng)檢測的一部分，對于現(xiàn)場工藝人員了解爐內(nèi)的正常燃燒情況至關(guān)重要。火檢按照不同的檢測形式分為普通型火檢、一體式火檢和分體式火檢。本“三合一”系統(tǒng)用的是既能檢測紅外線也能檢測紫外線的雙波段火檢，防止因?yàn)槁┑粢徊糠只鹧娴墓庾V范圍，火檢檢測不到信號，影響工藝人員判斷，“三合一”系統(tǒng)與氣化爐DCS系統(tǒng)連接圖見圖2。

圖2 “三合一”系統(tǒng)與氣化爐DCS系統(tǒng)連接圖

2.2 視頻信號

在氣化爐起爐點(diǎn)火、升溫、升壓過程中，燃燒過程主要依賴于火焰檢測器的監(jiān)控，即根據(jù)火檢的信號進(jìn)行氣化爐工藝控制；由于氣化爐反應(yīng)溫度高，爐內(nèi)壓力高，同時存在高溫熔渣，因此會影響到火檢的檢測效果。當(dāng)氣化爐負(fù)荷不穩(wěn)定、燃燒產(chǎn)生波動時，火焰會發(fā)生一定的變化，將會影響并削弱火焰檢測器的檢測效果，甚至檢測不到火焰信號，最終導(dǎo)致裝置連鎖停車。

為給現(xiàn)場工藝人員一個直觀的認(rèn)識，清晰地判斷爐膛內(nèi)是否真的有火焰信號，“三合一”系統(tǒng)中增加一個現(xiàn)場視頻信號，遠(yuǎn)傳到中央控制室，可以讓操作人員實(shí)時觀測爐膛內(nèi)火焰燃燒狀況。視頻利用光端收發(fā)器，通過光纖將信號傳輸至中央控制室的顯示器。

2.3 溫度信號

“三合一”火焰測溫算法基于CCD彩色三基色原理、火焰物理特性（顏色、頻率和形狀）和普朗克定律的一個具體應(yīng)用。

CCD由彼此之間可以發(fā)生電耦合的MOS電容器陣列組成，其中彩色CCD能把其像素點(diǎn)上火的的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過紅 R（λr=700nm）、綠 G（λg=546.1nm）、藍(lán) B（λb=435.8nm）λr三基色通道輸出像素點(diǎn)的三基色信號R、G、B信息。R、G、B信號可由如下公式得出：

公式中，R、G、B為CCD輸出的三基色電信號；A為系數(shù)常數(shù)；PT（λ）輻射出射度；Ar（λ），Ag（λ），Ab（λ）為 R、G、B三個通道的增益和光電轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積；Tr，Tg，Tb為R、G、B三通道的光譜響應(yīng)特性，由鏡頭、濾色器和攝像器件的特性組合決定，其特性曲線如圖3所示：

描述火焰顏色的模型有很多，通常使用的是HIS色彩空間內(nèi) H（0～60）S（110～255）I（100～255）范圍的顏色視為火焰色，以下為RGB與HSI色彩空間的轉(zhuǎn)換公式：

圖3 R、G、B三通道的光譜響應(yīng)曲線

任何 HSI圖像中只要滿足 H＜60且 S＞110，I＞100的顏色都可以看作是火焰。

火焰溫度檢測采用雙色測溫法測量溫度，模型公式如下：

熱力學(xué)溫度T的非黑體的光譜輻射亮度可有普朗克輻射定律得出：物體表面的光譜法涉率；煤粉燃燒火焰的輻射光譜分布覆蓋從紫外線到紅外線的寬度波段。

對于其中的可見光波長從400nm到750nm范圍內(nèi)及溫度在3 000K以下這種情況，普朗克（Planck）輻射定律可以有維恩（Wien）輻射定律計算。即，當(dāng)乘積光譜輻射亮度，

λ：波長；C1，C2：輻射常數(shù)時，可簡化為維恩公式：

對于波長λ1和λ2可得：

測出亮度比值B的大小就可以計算理想灰體的溫度T。對于非理想灰體，每個波長下的輻射率不同，一般設(shè)若即輻射率隨波長的增大而減小，測出比色溫度高于物體的真實(shí)溫度；若即輻射率隨波長的增大而增大，測出比色溫度低于物體的真實(shí)溫度。由于絕大多數(shù)實(shí)際物體的灰度在較窄的波段范圍內(nèi)變化，近似當(dāng)作理想灰體利用上述公式測溫帶來的誤差可以忽略不計。

由積分中值定理，彩色CCD輸出的R、G值與其各自的光譜輻射亮度有如下近似關(guān)系：

其中K1、K2為比例系數(shù)，

這樣，把CCD三基色通道帶寬造成的誤差歸結(jié)到K1和K2中，最終可得溫度公式：確定后，由CCD輸出的R、G值可計算出被測溫度T。

3 “三合一”系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

該系統(tǒng)在2 000t/d單燒嘴頂置干煤粉氣化爐中進(jìn)行了試驗(yàn)測試。

1）正常點(diǎn)火時，火焰檢測器能夠迅速捕捉到火焰信號；火焰視頻信號同時接通，爐內(nèi)火焰直觀地出現(xiàn)在顯示器上。操作人員通過視頻和火檢雙重信號判斷點(diǎn)火成功。

2）氣化爐投煤時，火焰檢測器信號和視頻信號均保持穩(wěn)定。

3）氣化爐進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)時，“三合一”系統(tǒng)操作界面同時顯示火檢信號強(qiáng)度、火焰形態(tài)描述、火焰溫度、實(shí)時火焰視頻圖像以及歷史溫度曲線。如圖4所示。

其中

圖4 “三合一”系統(tǒng)操作界面

4 總結(jié)

針對煤氣化爐爐內(nèi)火焰監(jiān)測可靠性、爐內(nèi)溫度場無法直接測量的難題，開發(fā)了同時具有火焰信號檢測、火焰視頻圖像傳輸和氣化爐火焰溫度測量三種功能的“三合一”火焰溫度圖像智能化檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可靠的紅外紫外一體化火焰信號檢測器，搭建了高性能工業(yè)CCD無損長距離視頻傳輸系統(tǒng)；開發(fā)了基于CCD彩色三基色原理、火焰物理特性和普朗克定律三種理論的火焰溫度預(yù)報算法。通過在實(shí)際氣化爐中的實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)無論在點(diǎn)火、升壓還是投煤等工況條件下，對氣化爐內(nèi)的火焰信號響應(yīng)成功率為99%以上，視頻信號傳輸穩(wěn)定，對氣化爐爐內(nèi)溫度的預(yù)報為操作人員提供了良好的參考。目前，“三合一”系統(tǒng)已經(jīng)在該型煤氣化裝置中得到大面積推廣應(yīng)用。

[1] 趙麥玲.煤氣化技術(shù)及各種氣化爐實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].化工設(shè)計通訊，2011，37（18-11）.

[2] 匡建平，郭偉，井云環(huán)，等.單噴嘴頂置干煤粉氣化燒嘴與氣化爐匹配性能研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（s1）.

[3] 馬銀劍，匡建平，井云環(huán)，等.工業(yè)運(yùn)行GSP氣化爐數(shù)值模擬研究[J].化肥工業(yè)，2014，41（6）：40-43.

[4] 顏?zhàn)坑拢簹J鋒，牛苗任，等.用數(shù)字圖像分析氣化爐內(nèi)燃燒狀態(tài)的試驗(yàn)研究[J].計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2006，23（3）：203-208.

[5] 徐亞昆.神華寧煤GSP氣化裝置點(diǎn)火與火檢系統(tǒng)的改造[J].化工自動化及儀表，2014，41（4）：429-433.

[6] 劉維.HIACS-3000系統(tǒng)技術(shù)的最新進(jìn)展[J].中國電力，1993，（10）：58-59.

[7] Shimoda M，Sugano A，Kimura T，et al.Prediction method of unburnt carbon for coal fired utility boiler using image processing technique of combustion flame[J].IEEE Transactions on Energy Conversion（Institute of Electrical and Electronics Engineers）；（United States），1990，5：4（4）：640-645.

[8] Mitsubishi Heavy Industries L.Specification of Flame Detector[R].1997.

[9] 王補(bǔ)宣，李天鐸，吳占松.圖象處理技術(shù)用于發(fā)光火焰溫度分布測量的研究[J].工程熱物理學(xué)報，1989，V10（4）：446-448.

[10] 徐偉勇，余岳峰.數(shù)字圖像處理技術(shù)在火焰檢測上的應(yīng)用[J].中國電力，1994（zg）：41-44.

[11] 周懷春，婁新生，肖教芳，等.爐膛火焰溫度場圖象處理試驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，1995（5）：295-300.

[12] 周懷春，鄧元凱.基于輻射圖象處理的爐膛燃燒三維溫度分布檢測原理及分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，1997，（1）：1-4.

[13] 王飛，馬增益，衛(wèi)成業(yè)，等.根據(jù)火焰圖像測量煤粉爐截面溫度場的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，（7）：40-43.

[14] 王飛，薛飛.運(yùn)用彩色CCD雙色信息測量燃燒火焰的溫度場[J].發(fā)電設(shè)備，1998（fa）：2-5.

[15] 薛飛，黃國權(quán)，李曉東，等.CCD計測量燃燒室截面溫度場的原理研究[J].動力工程學(xué)報，1999，（5）：390-393.

[16] 王輔臣，李偉鋒.湍流多相混合與氣化反應(yīng)耦合機(jī)理、過程強(qiáng)化及火焰結(jié)構(gòu)特征研究[J].科技資訊，2016，14（4）：165-166.

[17] 顧彧，郭慶華，龔巖，等.氣流床撞擊火焰聲學(xué)特性與壓力波動分析[J].噪聲與振動控制，2013，（4）：84-88.

An Intelligent Flame Monitor System for Coal Gasifier

Yan Yu-qiang，Su Yi，Cheng Mu-xin，Liang Jian，Zeng Lei-yun，Li Yu

In recent years，Intelligent flame measurement and control technology is becoming a hot issue in combustion field.In this work，a “3 in 1” system for gasifier flame monitor is developed and tested，which is a combination of flame detector， flame image display and temperature prediction.A serial of tests of this system were conducted on a real coal gasifier.Results show that the performance of this system is very reliable under any condition such as ignition，furnace warming and coal feeding processes.The presented system is now widely equipped on 2000t/d coal gasifier.

gasifier； flame monitor；image processing；temperature measurement

TK32；TQ546.8

A

1003–6490（2017）10–0121–03

2017–07–05

上海市青年科技啟明星項(xiàng)目（16QB1404800）.上海市科委科研計劃項(xiàng)目（16dz1206302）.張江國家自主創(chuàng)新專項(xiàng)發(fā)展資金（201701-MH-c1085-010）。

閆玉強(qiáng)（1984—），男，河北邢臺人，工程師，主要研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動化裝置。