生物質(zhì)電站鍋爐汽包水位電視監(jiān)視裝置的改進設計

沈忠民

摘要：汽包水位是生物質(zhì)電站鍋爐運行中的一個重要監(jiān)控參數(shù)，汽包水位電視監(jiān)視裝置可對水位進行實時監(jiān)測。分析汽包水位電視監(jiān)視裝置在設計與安裝中存在的問題，應用光、機、電等多學科技術對該裝置進行改進設計，以期為提高該裝置可靠性、保障鍋爐安全生產(chǎn)提供技術支持。

關鍵詞：水位監(jiān)視裝置;安裝距離;圖像質(zhì)量;問題;改進

中圖分類號：TK31? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2020）05-0027-03

發(fā)展清潔能源是推進節(jié)能減排的重要舉措。近年來，國家在加強農(nóng)村基礎設施方面提出要積極發(fā)展沼氣、秸稈發(fā)電等可再生能源，完善農(nóng)村電網(wǎng)。自我國第一個秸稈燃燒發(fā)電廠在河北省晉州市建成以來，全國每年新增數(shù)十家生物質(zhì)電站。鍋爐機組安全穩(wěn)定運行是保證生物質(zhì)電站正常運轉的關鍵。汽包是電站鍋爐的主要設備，汽包水位是鍋爐運行中的一個重要監(jiān)控參數(shù)，反映鍋爐負荷與給水的平衡關系。汽包水位過高會造成蒸汽空間縮小，影響汽水分離效果，導致蒸汽帶水，在過熱器管內(nèi)會產(chǎn)生鹽垢沉積，使管子過熱、金屬強度降低而發(fā)生爆破;水位過低會破壞鍋爐水循環(huán)，使水冷壁管超溫過熱。因此，加強對汽包水位的控制和調(diào)整至關重要。

1 汽包水位電視監(jiān)視裝置

汽包上配有水位計對汽包內(nèi)水位進行實時監(jiān)測，保證鍋爐安全運行。汽包水位電視監(jiān)視裝置是電站鍋爐運行中監(jiān)測汽包水位必不可少的監(jiān)控設備。在汽包水位計前方加設一個攝像頭，將攝像頭所攝的水位計實時液位圖像傳送到控制室的監(jiān)視器上，運行人員在控制室即可實時監(jiān)視現(xiàn)場汽包水位，為鍋爐安全生產(chǎn)提供保障。

2 汽包水位電視監(jiān)視裝置設計與安裝中存在的問題

由于實際生產(chǎn)條件不同，汽包水位電視監(jiān)視裝置在設計與安裝中存在一些問題，急需加以改進，以免對鍋爐安全運行造成隱患。

1） 水位計前空間狹小，無法正常進行汽包水位電視監(jiān)視。由于鍋爐爐型不同，有些鍋爐汽包水位計前空間過于狹小，無法安裝攝像頭。即使安裝了攝像頭，由于監(jiān)視距離太近，攝像頭視場角相對較小，也無法全量程監(jiān)視到較大可視范圍的水位計液位變動情況。

2） 受外部光線及現(xiàn)場灰塵影響，水位計電視監(jiān)視圖像不清晰。有些電站汽包水位計現(xiàn)場環(huán)境光線變化大，如汽包水位計露天布置，晝夜光照度變化大，導致夜間水位電視監(jiān)視圖像不清晰。有些電站現(xiàn)場粉塵較大，對水位計窗口及攝像頭造成污染，導致無法全天候實時監(jiān)視汽包水位計液位變動情況。

3 汽包水位電視監(jiān)視裝置改進設計方案

3.1 水位計前空間狹小的解決方案

1） 各項參數(shù)的確定。攝像頭的安裝距離由水位計的量程（即可視范圍）、鏡頭視場角和攝像機靶面尺寸3個因素決定。由于各種鍋爐爐型及汽包運行壓力不同，汽包的上下限水位值（量程）也不同。現(xiàn)以常見余熱鍋爐高壓汽包雙色水位計為例進行探討，水位計可視范圍900 mm。攝像頭所需視場與鏡頭的焦距的關系為焦距越小、視場角越大。為保證雙色水位計汽紅水綠圖像色澤清晰，需采用可變光圈的電動三可變鏡頭，其最小焦距一般為5 mm，這里留有調(diào)整量，以6 mm焦距值進行計算。攝像機靶面尺寸多為1/3"，這里選用1/3"靶面攝像機。

3） 利用鏡像成像原理進行產(chǎn)品設計。由于現(xiàn)場距離限制，最大可安裝距離只有1 m，無法全量程監(jiān)視汽包水位。利用鏡像成像原理，在水位計前方加1面反射鏡，對水位計可視窗口進行一次成像。根據(jù)鏡像成像特點——像和物關于平面鏡對稱，像的大小相等、上下不變但左右相反，像和物的連線垂直于平面鏡，以及像到平面鏡的距離等于物到平面鏡的距離，需再加1面反射鏡對第一面反射鏡中的鏡像再一次成像，使水位計二次鏡像為正像。

根據(jù)前述已確定的技術參數(shù)進行產(chǎn)品設計。攝像頭距水位計之間最小安裝距離為L=1 500 mm，攝像機靶面尺寸為1/3"，攝像頭垂直視場角Qh=33 °，水位計可視范圍（量程）H=900 mm，可安裝距離L1=

1 000 mm。水位計鏡像成像原理如圖2所示。

設計方案如下：1） 設計一密閉箱體，在水位計正前方加設一次反射鏡，在水位計上方加設二次反射鏡，攝像頭安裝在二次反射鏡前，攝像頭對二次鏡像進行成像。根據(jù)鏡像成像原理，確保不遮擋反射光線的前提下，根據(jù)攝像頭可安裝高度確定反射鏡的大小及傾斜角度，完成箱體結構設計，使水位計和兩組反射鏡密閉在同一箱體內(nèi)。2） 如圖2所示，經(jīng)過兩次反射鏡成像，將水位計窗口圖像反射到攝像頭正前方，攝像頭與水位計圖像間距離約為2 200 mm，垂直視場角為23 °，完全滿足全量程監(jiān)視要求。

3.2 外部光線及粉塵影響圖像質(zhì)量的解決方案

由于水位計與兩組反射鏡均密閉在同一箱體內(nèi)，為保證光照度，在箱體內(nèi)加設照明冷光源，確保箱體內(nèi)光照穩(wěn)定，不受外部光線干擾，同時解決了現(xiàn)場粉塵對水位計窗口的污染問題。為便于攝像頭的安裝及維護，將攝像頭安裝在箱體外。為保護攝像頭不受外部光線干擾及粉塵污染，在箱體上加裝一可拆卸攝像頭密封罩，將攝像頭進行封閉。

3.3 改進技術要點總結

1） 水位計的量程H及實際可安裝距離L1的確定。根據(jù)最小安裝距離計算公式L=fH/h=6H/3.6=1.66H得出，攝像頭在水位計前的最小安裝距離約為水位計量程的1.66倍。如圖2所示，經(jīng)過兩次成像，水位計圖像距第二反射鏡距離（L2）約為第一反射鏡與水位計距離（可安裝距離L1）的2倍多，即L2≥2L1;為預留攝像頭安裝空間，可設定攝像頭與第二反射鏡距離L3=L1-500 mm;初步設計時可按如下公式進行驗算：L2+L3≥L，即L2+L3=2L1+L1-500=3L1-500≥1.66H。通過以上計算可以得出結論：只要保證3倍的實際可安裝距離（3L1）減去500 mm預留空間，所得值大于等于1.66倍的水位計量程（1.66H），即可保證對水位計的全量程監(jiān)視。

2） 反射鏡尺寸及傾斜角度的確定。如圖2所示，經(jīng)過兩次反射，以最高和最低量程點與虛擬監(jiān)視點的光線路徑確保在鏡面內(nèi)、且不被遮擋為原則，確定兩組反射鏡尺寸;并根據(jù)結構尺寸要求，確定攝像頭安裝高度，依據(jù)攝像頭的高度確定反射鏡的傾斜角度。

3） 大量程水位計水位電視監(jiān)視設計中注意事項。當水位計量程大于1 m時，兩個反射鏡盡量不要上下設置，可采用左右布置型式，這樣可以避免箱體過高導致不易安裝及不夠穩(wěn)定。

4） 生物質(zhì)發(fā)電機組汽包水位電視監(jiān)視設計中注意事項。由于生物質(zhì)發(fā)電機組（如秸稈發(fā)電機組）爐體結構的特殊性，在鍋爐啟動及不同負荷條件下，汽包隨著爐體上下浮動;同時，汽包本身隨著冷熱態(tài)變化產(chǎn)生熱膨脹、冷收縮，汽包水位計也將隨著汽包上下、左右位移。因此，在設計秸稈爐汽包水位電視監(jiān)視裝置時，封閉箱體與水位計之間需采用軟連接封閉結構，避免因水位計發(fā)生位移而損壞箱體結構。

4 結語

本課題利用鏡像成像原理解決了大多數(shù)情況下因汽包周圍空間狹小而不能安裝水位計監(jiān)視裝置或因水位計量程大、攝像頭視場角小而無法全量程監(jiān)視等問題;解決了自然光和燈光等外界光源對水位計中水汽顏色的干擾，同時避免了現(xiàn)場粉塵對水位計窗口的污染，確保汽紅水綠的水位計圖像清晰可靠;有效保護了水位計監(jiān)視裝置內(nèi)攝像機的正常使用，攝像頭對鏡像成像，不直接照射水位計，防止了熱輻射對攝像機的傷害和灰塵對攝像機鏡頭的污染，保證觀測效果。利用鏡像成像原理進行汽包水位電視監(jiān)視裝置改進設計，是采用多學科技術解決設計難題的一次成功應用。

參考文獻

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