沈忠民

摘要：汽包水位是生物質(zhì)電站鍋爐運(yùn)行中的一個(gè)重要監(jiān)控參數(shù)，汽包水位電視監(jiān)視裝置可對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。分析汽包水位電視監(jiān)視裝置在設(shè)計(jì)與安裝中存在的問(wèn)題，應(yīng)用光、機(jī)、電等多學(xué)科技術(shù)對(duì)該裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期為提高該裝置可靠性、保障鍋爐安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：水位監(jiān)視裝置;安裝距離;圖像質(zhì)量;問(wèn)題;改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TK31? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2020）05-0027-03

發(fā)展清潔能源是推進(jìn)節(jié)能減排的重要舉措。近年來(lái)，國(guó)家在加強(qiáng)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)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(guó)第一個(gè)秸稈燃燒發(fā)電廠在河北省晉州市建成以來(lái)，全國(guó)每年新增數(shù)十家生物質(zhì)電站。鍋爐機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行是保證生物質(zhì)電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。汽包是電站鍋爐的主要設(shè)備，汽包水位是鍋爐運(yùn)行中的一個(gè)重要監(jiān)控參數(shù)，反映鍋爐負(fù)荷與給水的平衡關(guān)系。汽包水位過(guò)高會(huì)造成蒸汽空間縮小，影響汽水分離效果，導(dǎo)致蒸汽帶水，在過(guò)熱器管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生鹽垢沉積，使管子過(guò)熱、金屬?gòu)?qiáng)度降低而發(fā)生爆破;水位過(guò)低會(huì)破壞鍋爐水循環(huán)，使水冷壁管超溫過(guò)熱。因此，加強(qiáng)對(duì)汽包水位的控制和調(diào)整至關(guān)重要。

1 汽包水位電視監(jiān)視裝置

汽包上配有水位計(jì)對(duì)汽包內(nèi)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證鍋爐安全運(yùn)行。汽包水位電視監(jiān)視裝置是電站鍋爐運(yùn)行中監(jiān)測(cè)汽包水位必不可少的監(jiān)控設(shè)備。在汽包水位計(jì)前方加設(shè)一個(gè)攝像頭，將攝像頭所攝的水位計(jì)實(shí)時(shí)液位圖像傳送到控制室的監(jiān)視器上，運(yùn)行人員在控制室即可實(shí)時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)與安裝中存在的問(wèn)題

由于實(shí)際生產(chǎn)條件不同，汽包水位電視監(jiān)視裝置在設(shè)計(jì)與安裝中存在一些問(wèn)題，急需加以改進(jìn)，以免對(duì)鍋爐安全運(yùn)行造成隱患。

1） 水位計(jì)前空間狹小，無(wú)法正常進(jìn)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(jì)前空間過(guò)于狹小，無(wú)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(chǎng)角相對(duì)較小，也無(wú)法全量程監(jiān)視到較大可視范圍的水位計(jì)液位變動(dòng)情況。

2） 受外部光線及現(xiàn)場(chǎng)灰塵影響，水位計(jì)電視監(jiān)視圖像不清晰。有些電站汽包水位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光線變化大，如汽包水位計(jì)露天布置，晝夜光照度變化大，導(dǎo)致夜間水位電視監(jiān)視圖像不清晰。有些電站現(xiàn)場(chǎng)粉塵較大，對(duì)水位計(jì)窗口及攝像頭造成污染，導(dǎo)致無(wú)法全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)視汽包水位計(jì)液位變動(dòng)情況。

3 汽包水位電視監(jiān)視裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

3.1 水位計(jì)前空間狹小的解決方案

1） 各項(xiàng)參數(shù)的確定。攝像頭的安裝距離由水位計(jì)的量程（即可視范圍）、鏡頭視場(chǎng)角和攝像機(jī)靶面尺寸3個(gè)因素決定。由于各種鍋爐爐型及汽包運(yùn)行壓力不同，汽包的上下限水位值（量程）也不同?，F(xiàn)以常見(jiàn)余熱鍋爐高壓汽包雙色水位計(jì)為例進(jìn)行探討，水位計(jì)可視范圍900 mm。攝像頭所需視場(chǎng)與鏡頭的焦距的關(guān)系為焦距越小、視場(chǎng)角越大。為保證雙色水位計(jì)汽紅水綠圖像色澤清晰，需采用可變光圈的電動(dòng)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(jìn)行計(jì)算。攝像機(jī)靶面尺寸多為1/3"，這里選用1/3"靶面攝像機(jī)。

3） 利用鏡像成像原理進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)場(chǎng)距離限制，最大可安裝距離只有1 m，無(wú)法全量程監(jiān)視汽包水位。利用鏡像成像原理，在水位計(jì)前方加1面反射鏡，對(duì)水位計(jì)可視窗口進(jìn)行一次成像。根據(jù)鏡像成像特點(diǎn)——像和物關(guān)于平面鏡對(duì)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(duì)第一面反射鏡中的鏡像再一次成像，使水位計(jì)二次鏡像為正像。

根據(jù)前述已確定的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。攝像頭距水位計(jì)之間最小安裝距離為L(zhǎng)=1 500 mm，攝像機(jī)靶面尺寸為1/3"，攝像頭垂直視場(chǎng)角Qh=33 °，水位計(jì)可視范圍（量程）H=900 mm，可安裝距離L1=

1 000 mm。水位計(jì)鏡像成像原理如圖2所示。

設(shè)計(jì)方案如下：1） 設(shè)計(jì)一密閉箱體，在水位計(jì)正前方加設(shè)一次反射鏡，在水位計(jì)上方加設(shè)二次反射鏡，攝像頭安裝在二次反射鏡前，攝像頭對(duì)二次鏡像進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使水位計(jì)和兩組反射鏡密閉在同一箱體內(nèi)。2） 如圖2所示，經(jīng)過(guò)兩次反射鏡成像，將水位計(jì)窗口圖像反射到攝像頭正前方，攝像頭與水位計(jì)圖像間距離約為2 200 mm，垂直視場(chǎng)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(jì)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(shè)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(shí)解決了現(xiàn)場(chǎng)粉塵對(duì)水位計(jì)窗口的污染問(wèn)題。為便于攝像頭的安裝及維護(hù)，將攝像頭安裝在箱體外。為保護(hù)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(jìn)行封閉。

3.3 改進(jìn)技術(shù)要點(diǎn)總結(jié)

1） 水位計(jì)的量程H及實(shí)際可安裝距離L1的確定。根據(jù)最小安裝距離計(jì)算公式L=fH/h=6H/3.6=1.66H得出，攝像頭在水位計(jì)前的最小安裝距離約為水位計(jì)量程的1.66倍。如圖2所示，經(jīng)過(guò)兩次成像，水位計(jì)圖像距第二反射鏡距離（L2）約為第一反射鏡與水位計(jì)距離（可安裝距離L1）的2倍多，即L2≥2L1;為預(yù)留攝像頭安裝空間，可設(shè)定攝像頭與第二反射鏡距離L3=L1-500 mm;初步設(shè)計(jì)時(shí)可按如下公式進(jìn)行驗(yàn)算：L2+L3≥L，即L2+L3=2L1+L1-500=3L1-500≥1.66H。通過(guò)以上計(jì)算可以得出結(jié)論：只要保證3倍的實(shí)際可安裝距離（3L1）減去500 mm預(yù)留空間，所得值大于等于1.66倍的水位計(jì)量程（1.66H），即可保證對(duì)水位計(jì)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(guò)兩次反射，以最高和最低量程點(diǎn)與虛擬監(jiān)視點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(jì)水位電視監(jiān)視設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)。當(dāng)水位計(jì)量程大于1 m時(shí)，兩個(gè)反射鏡盡量不要上下設(shè)置，可采用左右布置型式，這樣可以避免箱體過(guò)高導(dǎo)致不易安裝及不夠穩(wěn)定。

4） 生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組汽包水位電視監(jiān)視設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)。由于生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組（如秸稈發(fā)電機(jī)組）爐體結(jié)構(gòu)的特殊性，在鍋爐啟動(dòng)及不同負(fù)荷條件下，汽包隨著爐體上下浮動(dòng);同時(shí)，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(jì)也將隨著汽包上下、左右位移。因此，在設(shè)計(jì)秸稈爐汽包水位電視監(jiān)視裝置時(shí)，封閉箱體與水位計(jì)之間需采用軟連接封閉結(jié)構(gòu)，避免因水位計(jì)發(fā)生位移而損壞箱體結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

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(jì)監(jiān)視裝置或因水位計(jì)量程大、攝像頭視場(chǎng)角小而無(wú)法全量程監(jiān)視等問(wèn)題;解決了自然光和燈光等外界光源對(duì)水位計(jì)中水汽顏色的干擾，同時(shí)避免了現(xiàn)場(chǎng)粉塵對(duì)水位計(jì)窗口的污染，確保汽紅水綠的水位計(jì)圖像清晰可靠;有效保護(hù)了水位計(jì)監(jiān)視裝置內(nèi)攝像機(jī)的正常使用，攝像頭對(duì)鏡像成像，不直接照射水位計(jì)，防止了熱輻射對(duì)攝像機(jī)的傷害和灰塵對(duì)攝像機(jī)鏡頭的污染，保證觀測(cè)效果。利用鏡像成像原理進(jìn)行汽包水位電視監(jiān)視裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)，是采用多學(xué)科技術(shù)解決設(shè)計(jì)難題的一次成功應(yīng)用。

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