侯一民 倫向敏

(東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

大型鍋爐是電力、化工及冶金等行業(yè)的重要設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的安全性和經(jīng)濟(jì)性對生產(chǎn)過程尤為重要。鍋爐的燃燒管理也是整個電站安全且經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

近年來，隨著數(shù)字技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，有一些學(xué)者利用數(shù)字圖像處理技術(shù)測量爐膛中的火焰溫度場等參數(shù)，并用于鍋爐的燃燒控制，王補(bǔ)宣等通過小型發(fā)光火焰溫度分布測量的研究，建立了圖像亮度信號與火焰溫度間的關(guān)系，經(jīng)黑體爐標(biāo)定獲得了多項(xiàng)式回歸模型，在國內(nèi)火焰圖像處理領(lǐng)域開創(chuàng)了先河[1]，但其精度不高，僅能建立比較稀疏的等溫線；姜志偉等在圖像控制器前加裝單色濾光片，獲取了火焰的單色輻射圖像，并根據(jù)輻射定律，將單色圖像與其中某一參考點(diǎn)的輻射強(qiáng)度進(jìn)行比較建立溫度場，其參考點(diǎn)用雙色高溫計(jì)或熱電偶測溫獲得[2]；諶貴輝等設(shè)計(jì)了一種鍋爐安全監(jiān)測專家系統(tǒng)，其中涉及到火焰圖像的溫度場建立，但并未針對溫度場的計(jì)算展開詳細(xì)論述[3]。

筆者針對電力鍋爐設(shè)計(jì)其火焰監(jiān)測系統(tǒng)，包括鍋爐火焰的多種參數(shù)檢測，以及基于三色測溫法的圖像溫度場的建立。

1.1 熱輻射測溫原理

熱輻射原理是可見光測溫的依據(jù)。一切溫度高于絕對零度的物體都能發(fā)射出電磁波，從而產(chǎn)生熱輻射。根據(jù)普朗克定律和維恩位移定律，當(dāng)物體的輻射波長很小時(shí)，非黑體的輻射亮度和波長之間的關(guān)系可以用維恩公式表示為[4]：

(1)

式中C1——第一輻射常數(shù)；

C2——第二輻射常數(shù)；

T——物體的溫度；

λ——物體的輻射波長；

ε(λ,T)——非黑體的發(fā)射率。

可以看出，輻射體的光譜輻射亮度是波長和溫度的函數(shù)。

根據(jù)黑體和輻射理論，各種輻射能可以按照其電磁波的波長或頻率排列。波長在40～100nm的電磁波(包括可見光和紅外線短波部分)的熱效應(yīng)最顯著，這個范圍內(nèi)的電磁波稱為熱射線或熱輻射。因此，輻射能可以表示輻射源發(fā)出的電磁波的能量，也可以表示被輻射表面接收到的電磁波的能量。

電廠煤粉鍋爐的爐膛火焰溫度測量工作可以基于黑體輻射理論展開，結(jié)合輻射理論，經(jīng)過一系列的分析和計(jì)算，得到的結(jié)論是：當(dāng)空間溫度發(fā)生較小的變化時(shí)，可以引起輻射的較大變化。因此，根據(jù)輻射度，能夠反推出溫度的變化，進(jìn)而測量某些點(diǎn)的溫度。

1.2 三色測溫法

火焰溫度場是能夠直接體現(xiàn)燃燒情況的數(shù)據(jù)組合，目前能夠獲取的是火焰的圖像數(shù)據(jù)。又由于物體的輻射與其光譜分布有直接關(guān)系，因此可以通過火焰圖像處理分析火焰光譜得到其輻射度，進(jìn)而計(jì)算溫度，即根據(jù)基色輻射模型確定溫度值[5]。

通過計(jì)算整個視野范圍內(nèi)的光譜分布，可以計(jì)算相應(yīng)空間內(nèi)的溫度分布，建立溫度場。再經(jīng)過簡化和修正，能夠較為準(zhǔn)確地顯示出視野內(nèi)的溫度分布情況。利用三色測溫法進(jìn)行溫度測定，是通過火焰3個波長的相對輻射信號實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)式(1)， R、G、B單色輻射的亮度的計(jì)算式分別為：

(2)

(3)

(4)

若選取兩個波長λr和λg的輻射圖像進(jìn)行比較，對于相同溫度下同一物體不同波長的單色輻射系數(shù)而言，兩個輻射率的比值為1，那么就可計(jì)算出對象的溫度值，即：

(5)

對于3個顏色的波長，再附加第三個波長λb代入，則有：

(6)

基于式(6)，根據(jù)由彩色CCD攝像機(jī)攝取的火焰圖像溫度場中某一點(diǎn)像素灰度值(R、G、B)的分量，并引入適當(dāng)?shù)膸捄突倚约僭O(shè)補(bǔ)償修正，即可測得對應(yīng)點(diǎn)的溫度值，進(jìn)而建立溫度場。

2 火焰圖像的特征提取

獲取了火焰溫度場，還不能直接作為火焰燃燒控制的依據(jù)，溫度場的視圖效果僅能給操作人員提供火焰燃燒是否安全、正常和穩(wěn)定的定性依據(jù)，在視覺上完成火焰燃燒過程的處理任務(wù)，對于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還需要定量的數(shù)值加以描述，火焰圖像本身還有較多的有效特征需要呈現(xiàn)。

由于火焰圖像中的每一個像素點(diǎn)(xi,yj)都對應(yīng)一個溫度值t(xi,yj)，那么火焰圖像溫度分布可以用矩陣T表示：

T=[t(xi,yj)]X·Y

(7)

X、Y分別表示火焰圖像中水平和垂直方向上像素的值。根據(jù)火焰溫度場的分布設(shè)定有效區(qū)域溫度的閾值Tth，那么有效區(qū)域的面積sv定義為：

(8)

有效區(qū)域平均溫度Tv可以定義為：

(9)

式(9)中，L(x)為階躍函數(shù)，定義為：

(10)

根據(jù)火焰溫度場的分布設(shè)定高溫區(qū)域溫度的閾值Tth-H，那么高溫區(qū)域的面積Sh可以定義為：

(11)

高溫區(qū)域平均溫度Th可以定義為：

(12)

高溫面積率Hi是火焰圖像高溫區(qū)域面積Sh和有效區(qū)域面積Sv的比值，即：

Hi=Sh/Sv

(13)

3 測溫實(shí)驗(yàn)

通過對上述理論的有效借鑒和應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)有算法在LabVIEW 2011平臺設(shè)計(jì)爐膛火焰溫度監(jiān)測與分析系統(tǒng)，通過測溫實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該測溫系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際基本一致(圖1)。

圖1 煤燃燒火焰實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，基于三色測溫法和圖像處理技術(shù)的爐膛火焰溫度監(jiān)測與分析系統(tǒng)，得到的火焰三維溫度場的X-Z、Y-Z、X-Y視圖如圖2所示?？梢?，火焰的溫度在800～1 700℃，整個溫度呈四周低、中心高的分布。得到的火焰燃燒特征值：高溫區(qū)閾值1 300.0℃、最高溫度1 945.4℃、異常閾值2 000.0℃、有效區(qū)面積4.02m2,高溫區(qū)面積2.36m2；高溫區(qū)平均溫度1 051.92℃、高溫區(qū)面積率58.37%、有效區(qū)平均溫度959.86℃。

a

b

c

d

為了驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性并測試其準(zhǔn)確度，用不同燃料燃燒的火焰實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證，選取多個代表點(diǎn)，利用軟件計(jì)算出的溫度結(jié)果與熱電偶測得的實(shí)際溫度值進(jìn)行比較，驗(yàn)證該款測溫軟件計(jì)算結(jié)果的精度。

鎢錸熱電偶為高溫?zé)犭娕?，測溫范圍0～1 800℃，滿足此處的測溫要求，而且穩(wěn)定性好，故選擇鎢錸熱電偶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，與測溫二次表連接讀取溫度。并且認(rèn)為熱電偶所測為標(biāo)準(zhǔn)信號，圖像為t時(shí)刻采集得到的，熱電偶在t時(shí)刻前10次與后10次連續(xù)采集溫度值，計(jì)算得到熱電偶20次測量溫度的均值作為熱電偶t時(shí)刻的溫度值，并用取平均的方式去除干擾信號，用t時(shí)刻熱電偶測得的溫度值與t時(shí)刻圖像測得的溫度值作比較，結(jié)果見表1，可以看出系統(tǒng)誤差較小，證明了算法的可行性。

表1 煤火焰測量溫度與計(jì)算溫度誤差 ℃

4 結(jié)束語

基于圖像技術(shù)設(shè)計(jì)了電廠鍋爐火焰監(jiān)測系統(tǒng)，將采集到的火焰圖像采用三色測溫法計(jì)算圖像中各點(diǎn)的溫度，并重建溫度場。重建過程中為實(shí)現(xiàn)三色測溫法的標(biāo)定，用鎢錸熱電偶檢測實(shí)際火焰中各檢測點(diǎn)的溫度。最后通過實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了火焰有效區(qū)面積、高溫區(qū)面積提取、平均溫度和最高溫度的顯示功能，并且具有較高的準(zhǔn)確性，對于不同燃料燃燒的火焰具有一定的適用性。

[1] 王補(bǔ)宣,李天鐸,吳占松.圖像處理技術(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(bào),1989,10(4):446～448.

[2] 姜志偉,周懷春,婁春,等.基于圖像處理的火焰溫度及輻射率圖像檢測法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(9):49～51.

[3] 諶貴輝,劉巧燕,劉西成,等.基于圖像處理的鍋爐安全系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)的研究[J].電氣應(yīng)用,2012,31(4):50～52.

[4] 孫元,彭小奇,王一丁.基于彩色圖像分割的高溫輻射體識別方法[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2007,26(8):36～42.

[5] 黃本元,羅自學(xué),周懷春.爐膛燃燒穩(wěn)定性的火焰圖像診斷方法[J].熱力發(fā)電,2007,36(12):19～22.