張 維，劉 禾，楊國田，馬 亮

（華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206）

鍋爐爐膛火焰溫度是反映燃煤發(fā)電機(jī)組煤粉燃燒過程特性的重要參數(shù)，對鍋爐的燃燒控制及其診斷等具有重要意義[1]。目前，工業(yè)生產(chǎn)廣泛應(yīng)用的測溫方法主要有熱電偶測溫法[2]、聲波測溫法以及紅外測溫法。熱電偶測溫法[3]儀器結(jié)構(gòu)簡單，測量方便，該技術(shù)相對成熟，但不適用于鍋爐火焰溫度的測量。聲波測溫法和紅外測溫法等非接觸式測溫法具有適用范圍廣，可靠性高，能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場較為惡劣的測量環(huán)境，實(shí)時(shí)性好，能滿足現(xiàn)代化電廠對于鍋爐測溫的高效性和實(shí)時(shí)性的要求，被廣泛用于火電機(jī)組的溫度檢測[4-9]。

然而，鍋爐內(nèi)的高溫?zé)煔鈯A雜著大量的炭灰及粉塵等顆粒，在爐內(nèi)高溫的湍流環(huán)境下，煙氣流動(dòng)情況十分復(fù)雜，煙氣中的飛灰等雜質(zhì)極易粘附在紅外溫度檢測系統(tǒng)的測量孔上，形成結(jié)焦，導(dǎo)致爐膛火焰溫度測量不準(zhǔn)確[10-11]?，F(xiàn)有紅外溫度檢測系統(tǒng)對于測量孔的結(jié)焦，沒有有效的處理方法，主要依靠人工拆卸進(jìn)行清焦，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也存在較大的安全隱患。因此，高效清除紅外溫度檢測系統(tǒng)結(jié)焦成為爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)急需解決的問題。

空氣炮作為一種清堵助流的裝置，利用氣流對靜止的物料進(jìn)行沖擊，具有清堵效果明顯、清潔度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便及安全性高等優(yōu)勢，目前廣泛用于鍋爐煤倉破拱、火車裝卸助流以及低溫電除塵器清灰等工業(yè)環(huán)境[12-14]?？諝馀谠趪姳螅瑲飧變?nèi)的氣體壓力迅速下降，為了獲得較大的沖擊力，往往需要儲(chǔ)存大量的壓縮氣體，因此需要較大空間來放置氣缸[15]。爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)安裝在鍋爐水冷壁上，整個(gè)安裝空間有限，因此本文基于空氣炮原理，設(shè)計(jì)了一種新型的清焦裝置，在利用紅外測溫法對鍋爐爐膛火焰溫度測量時(shí)，根據(jù)攝像頭采集的測量孔圖像，通過連通域提取算法完成對測量孔結(jié)焦堵塞的檢測與判別。當(dāng)系統(tǒng)判定測量孔結(jié)焦堵塞后，利用空氣炮清堵的原理，實(shí)現(xiàn)對溫度檢測系統(tǒng)測量孔結(jié)焦的清除。

1 溫度檢測系統(tǒng)結(jié)焦檢測與判別

近年來，隨著圖像分析與處理技術(shù)的飛速發(fā)展，其在故障檢測領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多[16-17]。在電廠鍋爐火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的工作環(huán)境較為惡劣，溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為封閉。因此，考慮對火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)的測量孔圖像進(jìn)行采集，同時(shí)結(jié)合連通域標(biāo)記算法等圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對測量孔結(jié)焦堵塞情況的自動(dòng)檢測與判別。

1.1 連通域標(biāo)記算法

連通域標(biāo)記算法指將二值圖像中屬于同一個(gè)連通域的所用像素點(diǎn)使用唯一的標(biāo)記值進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)對連通域的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。連通域標(biāo)記算法計(jì)算過程見表1，其具體計(jì)算示意如圖1所示。該算法能消除噪聲干擾，有效提取圖像中待識(shí)別對象。依據(jù)連通域的不同幾何屬性可以定義不同的連通域特征參數(shù)，主要包括連通域面積P、最小外接矩形長寬比T以及連通域內(nèi)最遠(yuǎn)距離L，三者的計(jì)算公式為：

式中，f(x,y)為連通域H內(nèi)坐標(biāo)為(x,y)的像素點(diǎn)，D和W分別為連通域H最小外接矩形的長和寬，μ20、μ02、μ11分別為連通域輪廓的二階中心距。

表1 連通域標(biāo)記算法計(jì)算過程Tab.1 The calculation process of connected domain algorithm

圖1 連通域算法計(jì)算示意Fig.1 Schematic diagram of THE connected domain algorithm

1.2 基于連通域標(biāo)記算法的測量孔結(jié)焦檢測與判別

爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)測量孔結(jié)焦的檢測與判別，主要通過對攝像頭采集的測量孔圖像進(jìn)行分析與處理，攝像頭安裝于溫度檢測系統(tǒng)紅外測溫探頭的正上方5 mm處。

鍋爐爐膛內(nèi)火焰的亮度極高，亮度過高一方面會(huì)導(dǎo)致攝像頭的感光元件燒壞，另一方面也會(huì)使所采集的圖像全為亮點(diǎn)，無法有效識(shí)別測量孔。因此，需要在攝像頭前加設(shè)濾光片，來減小火焰亮度對堵塞判別系統(tǒng)的干擾。

攝像頭采集的圖像為RGB三通道圖像，首先需要將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度單通道的數(shù)值圖像，圖像灰度變換公式為

式中，R、G、B分別代表三原色，G'為轉(zhuǎn)換后的灰度值。

然后對灰度圖像二值化，設(shè)置閾值將圖像中每個(gè)高于閾值的像素點(diǎn)識(shí)別為亮點(diǎn)，低于閾值的像素點(diǎn)設(shè)置為暗點(diǎn)，具體公式為

式中，g(x,y)為原始圖像灰度值，θTh為閾值。

亮點(diǎn)數(shù)與暗點(diǎn)數(shù)為

式中：||·||表示矩陣的L0范數(shù)，用于統(tǒng)計(jì)矩陣非0元素個(gè)數(shù)；N表示圖像亮點(diǎn)數(shù)；E表示單位陣。

對于二值化處理后的測量孔圖像，正常情況下應(yīng)為1個(gè)較為規(guī)則的圓形亮斑。但分析圖像可知，得到的圖像呈現(xiàn)1個(gè)不規(guī)則的亮斑且有一些噪聲點(diǎn)。這是由于爐膛中火焰亮度過高，火焰溫度檢測裝置的管壁反射所產(chǎn)生的偽亮點(diǎn)。

為了排除偽亮點(diǎn)對于測量孔結(jié)焦判別的干擾，利用連通域標(biāo)記算法提取紅外溫度檢測系統(tǒng)測量孔的真實(shí)圖像。依據(jù)連通域標(biāo)記算法原理，通過計(jì)算，獲得圖像上不同連通域ψ=[τ1,τ2,…,τn]，其中火焰燃燒圖像應(yīng)屬于最大連通域τ=max(ψ)。利用式(1)計(jì)算得到連通域τ面積并通過對最大連通域中識(shí)別為亮點(diǎn)的像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得亮點(diǎn)數(shù)N。

最后，通過N的大小判斷測量孔的堵塞情況，設(shè)定紅外溫度檢測系統(tǒng)測量孔的堵塞報(bào)警值M，若N

圖2 結(jié)焦堵塞檢測與判別流程Fig.2 The flow chart of coking blockage detection and discrimination

2 溫度檢測系統(tǒng)清焦裝置

2.1 空氣炮原理

空氣炮依據(jù)氣壓平衡的原理，在使用前將空氣壓縮存儲(chǔ)于鋼制炮體中，當(dāng)炮體中的氣壓到達(dá)一定壓力時(shí)，通過手動(dòng)或氣動(dòng)元件切斷壓縮氣流，并將電磁閥打開，在短時(shí)間內(nèi)形成內(nèi)外壓力差，迫使缸內(nèi)活塞后移，將排氣口打開。此時(shí)，空氣炮系統(tǒng)在瞬間將壓力空氣能轉(zhuǎn)化為空氣射流動(dòng)力能，氣體出口的噴速達(dá)到音速以上，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，從而克服物料之間的靜摩擦力，促使堵塞物發(fā)生位移，達(dá)到清堵的目的[18]。

假設(shè)在空氣炮釋放之前炮體內(nèi)的壓力容積為p1V1，釋放后最終狀態(tài)炮體的壓力容積為p2V2，p2為當(dāng)?shù)氐臍鈮??？諝馀卺尫胚^程可近似為一絕熱過程，因此存在

式中，p為狀態(tài)壓力，V為容積，K為絕熱常數(shù)，C為常數(shù)。

則絕熱過程所做功為

式中負(fù)號(hào)表示系統(tǒng)向外做功。

將式(7)代入式(8)后，可得

由式(9)可計(jì)算，若氣缸內(nèi)壓力為0.8 MPa，50 L空氣炮工作時(shí)所做功約43 kJ，所產(chǎn)生的沖擊力約4 000 N，當(dāng)空氣炮容量越大時(shí)，所產(chǎn)生的能量也就越高，沖擊力也越大[19]。

在空氣炮工作過程中，假定氣體出口足夠大，噴爆時(shí)氣缸內(nèi)的氣體密度不變，并且不計(jì)炮內(nèi)氣體流速與流體阻力損失，則可將氣體流動(dòng)的整個(gè)過程用可壓縮的絕熱變化能量方程表示，即為

式中，ρ1、ρ2分別為炮體內(nèi)與炮體外氣體密度，g為重力加速度。

當(dāng)炮內(nèi)氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，可以得到氣體出口速度為

由式(11)理論上可計(jì)算出出口壓縮氣體的流速。

2.2 基于空氣炮原理的清焦裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 空氣炮設(shè)計(jì)

根據(jù)空氣炮原理，若要獲得較大的沖擊力，需要配置體積較大的氣缸來存儲(chǔ)氣體。整個(gè)溫度檢測裝置的安裝空間有限，無法配置大體積的氣缸，氣缸的最大體積不超過2 L。經(jīng)過計(jì)算，在0.4~0.8 MPa的工作壓力下，2 L的空氣炮工作時(shí)做功見表2。

表2 不同壓力空氣炮做功計(jì)算Tab.2 The work of air cannon at different pressures

由表2可知，當(dāng)空氣炮壓力在0.6 MPa時(shí)，空氣炮工作時(shí)所做功已達(dá)10 kJ以上，理論上基本滿足清焦的需要。然而通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)，清焦效果并不如預(yù)期。主要因?yàn)榧t外溫度檢測系統(tǒng)前端呈圓錐形，氣體自空氣炮噴出后無法直接作用于測量孔的結(jié)焦塊，整個(gè)空氣炮清焦系統(tǒng)的能量損失較大，當(dāng)氣體到達(dá)測量孔時(shí)，氣流速度已經(jīng)大幅度降低，無法產(chǎn)生較強(qiáng)沖擊力。因此，需要對整個(gè)空氣炮系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

通過選用帶活塞的氣缸，將空氣炮中壓縮氣體的作用位置前移，有效減少整個(gè)空氣炮系統(tǒng)的能量損失，并在氣缸后連接機(jī)械撞錘，利用活塞帶動(dòng)機(jī)械撞錘產(chǎn)生較大的沖擊力。同時(shí)，將單一的氣缸改為左右雙氣缸同時(shí)作用，增大了沖擊力的同時(shí)，也使整個(gè)機(jī)械撞錘的受力較為平衡，取得較好的清焦效果。

2.2.2 清焦裝置安裝位置

整個(gè)爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于所設(shè)計(jì)的鍋爐爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)固定于鍋爐水冷壁所預(yù)留的測量孔上，整個(gè)系統(tǒng)過長會(huì)導(dǎo)致固定裝置斷裂，因此對整個(gè)系統(tǒng)的長度及體積有較嚴(yán)格的要求。依據(jù)爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)距離爐膛內(nèi)部的距離，可將其分為遠(yuǎn)火段、中間段以及近火段。由圖3可見，遠(yuǎn)火段溫度較低，安裝空間也較為充足，電磁閥、實(shí)時(shí)顯示屏以及火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)的測溫電子盒安裝于此，方便巡檢人員觀察測量孔狀態(tài)，調(diào)節(jié)有關(guān)測量參數(shù)。中間段溫度較高，可安裝具有一定耐熱能力的電子器件，氣缸、攝像頭以及紅外測溫探頭均安裝于此。近火段溫度最高，無法放置不耐高溫的電子器件，因此將不受溫度影響的清焦裝置安裝于此，便于清焦裝置近距離對結(jié)焦產(chǎn)生沖擊，獲得較好的沖擊效果。

圖3 爐膛火焰溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural diagram of the flame temperature detection device

對整個(gè)爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)而言，由于清焦裝置安裝在近火段，位于紅外溫度檢測系統(tǒng)的紅外測溫光路上，因此在進(jìn)行整個(gè)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮清焦裝置對紅外溫度檢測系統(tǒng)溫度檢測單元可能造成的影響，合理地選擇紅外測溫探頭以及清焦裝置的安裝位置。為了實(shí)現(xiàn)溫度檢測裝置的清焦功能，必須在近火段為清焦裝置預(yù)留足夠大的安裝空間，以便清焦裝置前后運(yùn)動(dòng)進(jìn)行清焦，因此紅外測溫探頭的安裝位置應(yīng)距離爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)前端盡可能遠(yuǎn)。

另一方面，整個(gè)紅外溫度檢測系統(tǒng)的近火段為一開孔約10 mm的圓錐形套筒，所以紅外測溫探頭安裝目標(biāo)直徑應(yīng)在小于10 mm的距離段內(nèi)。由于錐形套筒前端內(nèi)套清焦裝置的撞錘，因此必須考慮撞錘前端的厚度對測溫光路的影響。紅外測溫探頭的測溫光路如圖4所示。由圖4可見，為使整個(gè)爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)同時(shí)滿足測溫與清焦正常工作的需要，紅外測溫探頭的安裝位置應(yīng)為距爐膛火焰溫度測量孔約305 mm處。整個(gè)清焦裝置的安裝位置為自鍋爐火焰溫度測量孔至紅外測溫探頭安裝處。

圖4 紅外測溫探頭測溫光路Fig.4 The light path diagram of the infrared temperature probe temperature measurement system

2.2.3 清焦裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅外溫度檢測系統(tǒng)清焦裝置的結(jié)構(gòu)主要包括靠近測量孔位置的清焦機(jī)械裝置及置于控制套筒內(nèi)的氣動(dòng)控制裝置，清焦裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 清焦裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of the decoking device

由圖5可見，整個(gè)清焦機(jī)械裝置主要包括撞錘、帶活塞的氣缸、基座以及振動(dòng)氣錘。帶活塞的氣缸與撞錘相連接，便于氣缸在進(jìn)行噴爆時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力帶動(dòng)撞錘對測量孔的結(jié)焦進(jìn)行清除。撞錘的前端呈U型的圓柱結(jié)構(gòu)，是為了避免遮擋攝像頭的光路。帶活塞的氣缸的末端通過支撐桿及激振連接板與振動(dòng)氣錘相連接，當(dāng)振動(dòng)氣錘工作時(shí)，引起支撐桿及氣缸振動(dòng)，從而帶動(dòng)撞錘振動(dòng)，避免在進(jìn)行清堵時(shí)，飛灰粘在撞錘前端，導(dǎo)致清堵效果變差并對測溫造成影響。冷卻風(fēng)從基座上的進(jìn)氣口進(jìn)入整個(gè)清焦裝置內(nèi)部，既能對系統(tǒng)內(nèi)各元件冷卻，也可以防止清除結(jié)焦時(shí)飛灰等倒灌對紅外測溫探頭及攝像頭等形成二次污染。

圖5 中氣動(dòng)控制裝置包括匯流排、電磁閥以及氣源，該裝置通過電磁閥控制整個(gè)清焦裝置的充放氣過程。當(dāng)單通電磁閥導(dǎo)通后，氣體進(jìn)入振動(dòng)氣錘，促使撞錘跟隨振動(dòng)氣錘一起振動(dòng)。二位五通電磁閥用于控制氣缸帶動(dòng)撞錘的前進(jìn)和后退動(dòng)作，從而完成整個(gè)清焦過程?？梢酝ㄟ^控制二位五通電磁閥的通斷電來控制清焦裝置的工作頻率，同時(shí)還可以控制每次工作時(shí)的清焦次數(shù)。

2.3 清焦裝置工作流程

清焦裝置工作流程如圖6所示。由圖6可見，當(dāng)系統(tǒng)判定測量孔發(fā)生結(jié)焦時(shí)，二位五通電磁閥通電控制壓縮氣缸的氣體噴出，帶動(dòng)撞錘向前產(chǎn)生極大的沖擊力，促使撞錘沿著錐筒向前推進(jìn)，將測量孔的結(jié)焦擊落；同時(shí)氣體由單通電磁閥進(jìn)入振動(dòng)氣錘，引起振動(dòng)氣錘振動(dòng)，將撞錘前端所粘附固體顆粒抖落，配合振動(dòng)氣錘出口以及來自基座進(jìn)氣口的冷卻風(fēng)將擊落和抖落的顆粒吹入爐膛，完成整個(gè)除焦過程。整個(gè)清焦過程操作簡便，安全系數(shù)高，極大地降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率。

圖6 清焦裝置工作流程Fig.6 Work flow chart of the decoking device

3 清焦裝置應(yīng)用實(shí)例

3.1 測量孔結(jié)焦堵塞判別實(shí)例

圖7 為采集與處理后爐膛火焰溫度檢測裝置測量孔圖像，由圖7可見，連通域標(biāo)記算法能有效實(shí)現(xiàn)從測量孔采集圖像的二值化。通過對二值化圖像中亮點(diǎn)數(shù)的判斷，完成對紅外溫度檢測系統(tǒng)堵塞情況的判別。實(shí)際結(jié)果表明結(jié)焦堵塞判別過程具有較強(qiáng)的可靠性和精確性，能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

圖7 采集與處理后溫度檢測裝置測量孔圖像Fig.7 The image acquisition and processing of measuring hole of the flame temperature detection device

3.2 紅外溫度檢測系統(tǒng)及清焦裝置有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的有效性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，安裝該紅外溫度檢測系統(tǒng)，采樣間隔為5 s，記錄24 h內(nèi)機(jī)組負(fù)荷、所測爐膛火焰溫度以及溫度測量孔圖像亮點(diǎn)數(shù)。所測爐膛火焰溫度、機(jī)組負(fù)荷以及測量孔圖像亮點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8和圖9所示，圖10為結(jié)焦清除前后測量孔實(shí)際圖像。由圖8、圖9可見，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，隨著爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)的運(yùn)行，爐膛溫度跟隨機(jī)組負(fù)荷的變化而變化，同時(shí)攝像頭采集到的圖像亮點(diǎn)數(shù)呈下降趨勢，當(dāng)亮點(diǎn)數(shù)下降到堵塞判別值時(shí)，系統(tǒng)判定測量孔發(fā)生堵塞，此時(shí)圖像中的亮點(diǎn)數(shù)僅為未堵塞時(shí)的37%，則系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)清焦裝置進(jìn)行清焦。由圖10可知，清焦后圖像中光斑面積有明顯增大，基本恢復(fù)到未堵塞時(shí)狀態(tài)。圖10中的亮點(diǎn)數(shù)曲線也出現(xiàn)明顯上升，亮點(diǎn)數(shù)基本回升至初始值，說明在清焦后，紅外溫度檢測系統(tǒng)的結(jié)焦塊被有效清除。另外，若紅外溫度檢測系統(tǒng)發(fā)生堵塞，爐膛火焰溫度曲線應(yīng)該發(fā)生明顯的變化，存在較大測量誤差，而本文溫度檢測裝置在加裝了所設(shè)計(jì)的清焦裝置后（圖8），所測的爐膛溫度曲線基本跟隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，并未出現(xiàn)明顯突變，說明在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，機(jī)組運(yùn)行時(shí)紅外溫度檢測系統(tǒng)的結(jié)焦被有效清除，鍋爐火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)并未發(fā)生因測量孔堵塞而導(dǎo)致測溫不準(zhǔn)的情況。

圖8 爐膛火焰溫度隨機(jī)組負(fù)荷變化Fig.8 Changes of the furnace flame temperature with unit load

圖9 測量孔亮點(diǎn)數(shù)隨爐膛火焰溫度變化Fig.9 Changes of the number of bright spots of the measuring hole with the flame temperature

圖10 結(jié)焦清除前后測量孔實(shí)際圖像Fig.10 The actual state images of the measuring hole before and after the coking of the measuring hole is cleared

由此可得，本文設(shè)計(jì)的清焦裝置能有效實(shí)現(xiàn)清焦功能，確保紅外溫度檢測系統(tǒng)對爐膛火焰溫度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量，具有較強(qiáng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 語

針對電廠鍋爐爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)易結(jié)焦堵塞而影響測溫的問題，基于空氣炮原理設(shè)計(jì)了一種新型清焦裝置，用于溫度檢測系統(tǒng)測量孔除焦。通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置能有效清除檢測系統(tǒng)測量孔的結(jié)焦，使整個(gè)紅外溫度檢測系統(tǒng)測量實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，具有較高的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，長期基于振動(dòng)與撞擊實(shí)現(xiàn)對爐膛火焰紅外溫度檢測系統(tǒng)測量孔結(jié)焦的清除，會(huì)造成敏感精密的紅外測溫裝置位置變化，出現(xiàn)一定的測量偏差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中對紅外測溫裝置的定期檢修與清洗不可或缺。同時(shí)，合理改進(jìn)系統(tǒng)，降低或消除清焦裝置對測量裝置的影響也是下一步的重要工作。