基于火焰圖像分析的1 000 MW電站鍋爐爐膛溫度及發射率同時測量研究

李框宇，高鵬，杜峰，胡智超，邢小玉，弓慧芳，閆偉杰，周懷春

(1.中國礦業大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116；2.華電國際電力股份有限公司鄒縣發電廠，山東 鄒城 273500)

為實現我國經濟社會的可持續發展和“碳達峰”、“碳中和”目標，風電、光電和生物質等清潔能源在能源結構中的占比大幅提高。大量“陰晴不定”新能源電并網給電網帶來很大的調峰壓力，此時傳統燃煤電站機組可以通過深度調峰的方式穩定電網負荷[1]，起到壓艙石的作用。電站煤粉鍋爐在變負荷運行過程中，會出現鍋爐效率下降、燃燒污染物增加[2]和受熱面超溫等一系列問題[3]。鍋爐爐膛溫度分布是反應鍋爐燃燒狀態的重要參數，準確地測量爐膛溫度分布對于電站鍋爐的優化燃燒運行具有重要意義。

基于火焰圖像對燃煤電站鍋爐進行燃燒檢測的相關研究文獻中已有報道。LOU等[4]提出了一種可見光波段的輻射圖像處理技術，并在670 t/h和1 025 t/h煤粉鍋爐上進行了應用，測量結果表明：在爐內燃燒區，煤粉濃度的增加會使火焰發射率和吸收系數顯著增大，其中火焰發射率與鍋爐負荷變化呈成正比例關系。JIANG等[5]提出了一種無關相機傳感器光譜響應特性的圖像測溫技術，并在480 t/h循環流化床鍋爐上進行了應用，研究結果表明該方法測得的火焰溫度與熱電偶讀數的最大誤差為10%。

煤粉火焰在可見光波段內的輻射主要由火焰中的固體顆粒物熱輻射產生，基于可見光波段的輻射圖像可以測量火焰溫度，研究過程中通常簡單假設燃燒火焰在測量波段內為灰體[6]，或者借助文獻中已有的發射率模型[7]。TOTH P等[8]利用雙色高溫計測了生物質快速熱解油的噴霧燃燒火焰溫度場，高溫計的測量波長分別為500 nm和600 nm，由于難以區分火焰中的碳煙輻射和固體顆粒物輻射，測溫過程中作者假設火焰在500 nm和600 nm波長下滿足灰性，研究結果表明雙色高溫計測得的溫度高于TDLAS技術的結果；DRAPER T S等[9]分別基于灰性假設和Hottel發射率模型對煤粉火焰溫度和發射率進行了同時測量，研究結果表明灰性假設模型的溫度測量結果偏高，而發射率計算結果偏低。灰性假設可能是造成雙色法測溫結果偏高的重要原因，由此可見發射率模型選擇的準確性將影響到測量結果的精度[10-13]。

本文提出在基于輻射圖像測量高溫火焰燃燒溫度與發射率的過程中采用線性發射率模型，以提高溫度檢測結果的準確性。利用自主設計的便攜式爐膛溫度檢測系統基于線性發射率模型測量1 000 MW超臨界鍋爐爐膛中不同觀測點的煤粉燃燒溫度與發射率的二維分布，測量結果將與基于灰性假設的溫度測量結果和發射率測量結果進行比較。

1 測量原理

在400～700 nm的可見光波段內，煤粉火焰的輻射主要是由火焰中的固體顆粒熱輻射產生的[14]。火焰輻射圖像中每個像素對應的輻射強度都與該像素對應的火焰溫度和發射率有關。根據普朗克定律，黑體輻射強度是溫度及波長的函數：

(1)

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

I(λ，T)=ε(λ)Ib(λ，T)

(2)

式(2)中，ε(λ)為光譜發射率。對于固體表面[15]、火焰可見光波段內的連續光譜[16-17]等熱輻射對象，其光譜發射率可表示為波長的多項式函數：

ε(λ)=a0+a1λ+a2λ2+…+amλm

(3)

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

I(λ，T)=(a0+a1λ)Ib(λ，T)

(4)

根據黑體爐輻射標定的結果可以將圖像探測器中工業相機R、G和B三個通道的單色圖像強度SR、SG、SB轉換為輻射強度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三個通道對應的中心波長。對于方程組中a0、a1和T三個未知量，方程組正定，可以根據最小二乘法求得最優解。

2 便攜式爐膛溫度檢測系統及其標定

便攜式爐膛溫度檢測系統由圖像探測器和裝有控制軟件的平板電腦組成。圖像探測器外殼材質為304不銹鋼，分為前后兩個腔體。前腔體前端開孔裝有石英玻璃，內部裝有鏡桿，較長的前腔體足以伸入鍋爐觀火孔以獲得大的視場角，并保護后腔體內的電子元件免受高溫損傷。圖像探測器的后腔體內裝有工業相機、主板及電源，外部裝有手柄和提把，便于攜帶與使用。

前腔體內的鏡桿與后腔體內的工業相機相連，工業相機型號為PROSILICA GT 1290 C，R、G、B三個通道對應的中心波長分別為610 nm、535 nm、452 nm。工業相機通過GigE接口與型號為MIO-3260的主板相連，工業相機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發的軟件，與主板通過千兆Wi-Fi通訊，用于遙控圖像探測器采集輻射圖像。便攜式爐膛溫度檢測系統結構圖如圖1所示，工業相機光譜響應特性曲線如圖2所示。

圖1 便攜式爐膛溫度檢測系統結構圖

圖2 工業相機光譜響應特性曲線

便攜式爐膛溫度檢測系統經過黑體爐輻射標定后可以將圖像強度轉化為輻射強度[19]，輻射標定實驗得到的圖像強度S與黑體爐輻射強度采用便攜式爐膛溫度檢測系統標定曲線如圖3所示。標定結果均用二階多項式進行了擬合，R、G、B三個通道擬合曲線的擬合優度均大于0.99。由于黑體爐輻射特性近似于黑體，在進行輻射標定試驗后，在灰性發射率模型的基礎上，利用標定過程中采集的輻射圖像對黑體爐的溫度與發射率進行了反算。計算結果表明便攜式爐膛溫度檢測系統的輻射標定誤差小于2%，其精度符合后續實驗的需求。

圖3 便攜式爐膛溫度檢測系統標定曲線

3 實驗測量和結果分析

3.1 輻射圖像采集

本文在鄒縣電廠1 000 MW超超臨界鍋爐(型號為DG3000/26.15-II1型高效超超臨界參數變壓直流爐)上開展了現場檢測實驗。該鍋爐前后墻分上、中、下三層對沖布置了共48只噴燃器，噴燃器的結構為旋流筒體式。實驗共選取了鍋爐右墻上3個高度處(37 m、27 m、23 m)的5個觀火孔作為火焰圖像探測器的觀測點。觀測點位置分布如圖4所示，其中37 m高度處的三個觀測點位于燃燒區上層中間位置和兩側燃燒器的出口位置，27 m高度處的觀測點位于燃燒區中層的燃燒器出口位置，23 m高度處的觀測點位于燃燒區下層的燃燒器出口位置。此外，該型鍋爐的制粉系統為正壓直吹式，設計煤種為兗礦煤和濟北煤礦的混煤，煤質分析如表1所示。從表1可以看出，設計煤種揮發分含量為27.9 %，煤質接近煙煤。

表1 煤質分析

圖4 觀測點位置分布

3.2 結果與分析

在鍋爐運行的過程中，將便攜式爐膛溫度檢測系統前端依次插入五個觀測點的觀火孔，各觀測點采集到的典型煤粉火焰輻射圖像如圖5所示(采集過程中鍋爐負荷維持在710 MW左右)。

圖5 各觀測點采集到的典型煤粉火焰輻射圖像

首先基于灰性假設對觀測點1的輻射圖像進行了處理，其中每兩個通道的輻射強度之間可以求得一個溫度分布，R、G、B三個通道一共可以求得三個溫度分布，取平均后得到煤粉火焰溫度分布如圖6(a)所示，并且可以進一步得到煤粉火焰發射率和發射率比值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，檢測系統采集到的R通道中心波長對應的發射率和G通道中心波長對應的發射率比值εR/εG最大為0.95，這表明煤粉火焰并非灰性，測量過程中采用線性發射率模型是有必要的。

圖6 基于灰性假設測得的煤粉火焰燃燒參數二維分布

基于線性發射率模型，根據式(5)和圖5中煤粉火焰輻射圖像R、G、B三個通道對應的輻射強度，計算出對應的煤粉火焰溫度二維分布如圖7所示。可以看出，整個燃燒區的煤粉火焰燃燒溫度在1 799～1 992 K之間；水平方向上，燃燒區上層遠離燃燒器出口的爐膛中間區域的煤粉火焰平均燃燒溫度(1 902 K)低于前后墻兩側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)；燃燒區上層三個觀測點的煤粉火焰最高溫度(1 992 K、1 959 K、1 971 K)均高于燃燒區中層(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在前墻的燃燒器出口附近，分別為1 951 K和1 992 K。

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

圖7 煤粉火焰溫度二維分布

根據火焰探測器R和G通道中心波長對應的的發射率測量結果，可以計算出發射率比值εR/εG二維發布如圖9所示。可以看出，燃燒區上層燃燒器出口附近的煤粉平均發射率比值最高，為0.89，最接近灰性；不同觀測點的平均發射率比值εR/εG均小于1，這說明鍋爐爐膛中的煤粉燃燒火焰并非灰性，并且發射率隨波長的增大而減小。前期研究結果表明[20]，在生物質半氣化燃燒火焰的溫度測量過程中采用灰性假設將造成較大的誤差，因此本文采用線性發射率模型測量煤粉火焰的燃燒溫度與發射率是有必要的。

圖8 煤粉火焰發射率二維分布

圖9 煤粉火焰發射率比值εR/εG二維分布

上述圖7～圖9中的溫度與發射率測量結果的分布特性見表2，其中煤粉火焰平均溫度與平均發射率的測量結果略高于LOU[4]等在300 MW機組煤粉鍋爐中的測量結果。

表2 溫度與發射率測量結果的分布特性

4 結語

本文報道了一種基于線性發射率模型的煤粉火焰輻射圖像處理技術，并利用自主設計的便攜式爐膛溫度檢測系統測量了1 000 MW超超臨界鍋爐在鍋爐負荷為710 MW時爐膛燃燒區不同高度處(37 m、27 m、23 m)的煤粉火焰溫度與發射率(535 nm)的二維分布。測量結果表明：

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

(2)水平方向上，燃燒區上層前后墻兩側燃燒器出口附近的火焰平均溫度(1 951 K、1 924 K)和平均發射率(0.56、0.56)均高于遠離燃燒器出口的爐膛中間區域(1 902 K、0.50)；垂直方向上，燃燒區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)燃燒區最高平均溫度、最高溫度、最高平均發射率和最高發射率均出現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，該區域在爐膛的水平和垂直方向上都是最接近灰性的區域。