袁成志，萬(wàn)大陽(yáng)，王國(guó)耀

(1.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101；2.洛陽(yáng)瑞昌環(huán)境工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003；3.合肥金星智控科技股份有限公司，安徽 合肥 230000)

在加熱爐生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，爐膛溫度是一項(xiàng)至關(guān)重要的工藝指標(biāo)。爐膛溫度分布不僅關(guān)系到生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時(shí)還與加熱爐運(yùn)行過(guò)程中的安全、環(huán)保、節(jié)能及二氧化碳排放等息息相關(guān)。目前常規(guī)的爐膛測(cè)溫手段主要還是采用熱電偶或手持式測(cè)溫槍人工采集監(jiān)測(cè)關(guān)鍵位置的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)加熱爐內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)采集不夠全面、及時(shí)，因而也無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)的分析和應(yīng)用。如果能對(duì)爐膛溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的采集分析并加以應(yīng)用，可以使加熱爐操作更加智能化，從而獲得更好的操作效益。

前人在加熱爐溫度數(shù)據(jù)的分析方面已經(jīng)進(jìn)行了一定的基礎(chǔ)研究，比如對(duì)于爐內(nèi)三維溫度場(chǎng)重建技術(shù)，周懷春教授等已經(jīng)開(kāi)展了較深入的研究，在試驗(yàn)爐上進(jìn)行過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，并在某煉廠乙烯裂解爐上開(kāi)展了進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用【1-3】。此外，行業(yè)中也有大量針對(duì)爐內(nèi)爐膛溫度場(chǎng)及爐管熱點(diǎn)的監(jiān)測(cè)等方面的有關(guān)研究案例【4-7】。

由于二維溫度數(shù)據(jù)生成的熱成像圖已經(jīng)具備了圖像屬性，所以一些圖像分析手段同樣也可以應(yīng)用于加熱爐溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析中，從而獲得大量具有加熱爐操作指導(dǎo)價(jià)值的分析結(jié)果。

在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)完整采集加熱爐內(nèi)各個(gè)方向的二維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，基于其溫度和圖像雙重屬性，利用雙重分析手段，并深度結(jié)合加熱爐的工藝需求、操作特點(diǎn)進(jìn)行分析，更加系統(tǒng)、完整、全面地提取爐膛溫度特征，并將其轉(zhuǎn)化為工藝參數(shù)指標(biāo)，可為加熱爐生產(chǎn)操作過(guò)程提供更加完善的指導(dǎo)依據(jù)和自動(dòng)控制數(shù)據(jù)，極大地提高了爐膛溫度數(shù)據(jù)的利用效率和效益。

1 爐膛測(cè)溫系統(tǒng)

前端爐膛測(cè)溫系統(tǒng)主要由測(cè)溫?cái)z像儀、傳動(dòng)裝置、控制柜、傳輸線纜、圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器及顯示終端等部分組成，系統(tǒng)組態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 前端爐膛測(cè)溫系統(tǒng)組態(tài)

系統(tǒng)采用氣動(dòng)傳動(dòng)方式控制測(cè)溫?cái)z像機(jī)向爐膛推進(jìn)。測(cè)溫?cái)z像儀可獲取爐膛內(nèi)的二維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)控制柜內(nèi)的工業(yè)級(jí)交換機(jī)將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。測(cè)溫系統(tǒng)需要具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)還需結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、安裝方便，以便能夠在高溫、腐蝕的工況環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并可方便快捷地檢維修及更換配件。

測(cè)溫?cái)z像儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：

爐內(nèi)測(cè)量范圍600～1 800 ℃；

示值誤差為±2%量程；

視場(chǎng)角102°；

最高工作溫度≤2 000 ℃；

冷卻方式為氣冷。

圖2為系統(tǒng)實(shí)物。為了方便采集爐膛溫度數(shù)據(jù)，采集探頭可選擇直視與斜視2種方式。

圖2 前端測(cè)溫探頭結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)基于普朗克輻射定律，以紅外輻射檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)圖像處理和溫度數(shù)據(jù)分析算法等多項(xiàng)技術(shù)研發(fā)而成。普朗克輻射定律公式如下：

式中：Ebλ——黑體光譜輻射力，W/m3；

c1——第一輻射常量；

c2——第二輻射常量；

λ——波長(zhǎng)，m；

T——黑體熱力學(xué)溫度，K。

在石化加熱爐中除了600 ℃以上的高溫監(jiān)測(cè)需求外，還有100～600 ℃低溫段的監(jiān)測(cè)需求，這就需要內(nèi)窺式熱像儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)窺式熱像儀與測(cè)溫?cái)z像儀整體結(jié)構(gòu)類(lèi)似，區(qū)別在于響應(yīng)波段不同。

內(nèi)窺式熱像儀主要技術(shù)指標(biāo)如下：

測(cè)量范圍80～800 ℃；

響應(yīng)譜段8～14 μm；

測(cè)溫準(zhǔn)確度為±2 ℃或±2%量程；

圖像分辨率384×288；

輸出信號(hào)為溫度視頻流。

為確保爐內(nèi)高、低溫區(qū)域溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，高溫探頭和內(nèi)窺式熱像儀在安裝調(diào)試之前，要先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)黑體進(jìn)行標(biāo)定。以高溫探頭為例，標(biāo)定過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 高溫探頭標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定結(jié)果顯示儀器示值與黑體溫度相關(guān)系數(shù)能達(dá)到0.999 96，出廠最大誤差0.38%。

2 試驗(yàn)爐及安裝方案

圖4(a)所示為該熱態(tài)試驗(yàn)爐實(shí)物，圖4(b)所示為探頭安裝位置示意。該試驗(yàn)爐設(shè)有1臺(tái)底部燃燒器，長(zhǎng)明燈在燃燒器主火焰內(nèi)部，爐內(nèi)溫度最高可達(dá)800 ℃，側(cè)墻為水冷盤(pán)管。本次試驗(yàn)需要安裝4個(gè)測(cè)溫探頭(C1、C2、C3、C4)，其中C1朝下監(jiān)測(cè)底部火焰溫度場(chǎng)及下部側(cè)墻溫度，同時(shí)用于主火焰及長(zhǎng)明燈的熄滅報(bào)警，C2朝上監(jiān)測(cè)頂部爐管溫度及上部側(cè)墻表面溫度，C3用于監(jiān)測(cè)記錄火焰在高度方向的溫度變化以及火焰偏燒情況，C4用于監(jiān)測(cè)低溫盤(pán)管的溫度變化情況。

圖4 試驗(yàn)爐

根據(jù)維恩位移定律，高溫物體需要使用短波傳感器檢測(cè)，低溫物體則需要使用長(zhǎng)波傳感器檢測(cè)。試驗(yàn)中，針對(duì)側(cè)墻低溫爐管的測(cè)溫探頭C4使用8～14 μm長(zhǎng)波熱像儀進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)量頂部高溫爐管的測(cè)溫探頭C2和火焰的測(cè)溫探頭C1、C3使用短波高溫探頭。本試驗(yàn)將長(zhǎng)波熱像儀與短波高溫探頭相結(jié)合，拓寬了系統(tǒng)的測(cè)溫范圍。

3 功能試驗(yàn)及結(jié)果分析

圖5所示為4個(gè)探頭分別采集到的爐內(nèi)二維溫度場(chǎng)偽彩分布圖，其中C1、C2、C3為高溫監(jiān)測(cè)探頭，C4為低溫監(jiān)測(cè)熱像儀。

圖5中，視場(chǎng)范圍內(nèi)每一個(gè)像素點(diǎn)均可采集到溫度數(shù)據(jù)。通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以直接實(shí)現(xiàn)如下基本功能：

1)通過(guò)圖像上的亮暗分布即可直觀地監(jiān)視異常熱點(diǎn)是否存在，也可通過(guò)算法進(jìn)行智能分析。

2)通過(guò)設(shè)置虛擬熱電偶(如圖5中C4)可以精準(zhǔn)采集關(guān)鍵點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，用于實(shí)現(xiàn)絕對(duì)溫度報(bào)警、溫度變化趨勢(shì)曲線分析等。圖中C4探頭對(duì)應(yīng)的是側(cè)墻低溫盤(pán)管，選定其中3根進(jìn)行了效果試驗(yàn)。試驗(yàn)前預(yù)先拆除了這些爐管表面的部分保溫棉；試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整燃燒器燃料量大小來(lái)改變爐膛溫度，從而改變爐管壁溫。

圖5 采集到的原始溫度數(shù)據(jù)偽彩效果

上述內(nèi)容是爐膛溫度數(shù)據(jù)的基本使用方式，通過(guò)數(shù)據(jù)的積累和算法研究的深入，還可以更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)如下功能。

3.1 三維溫度場(chǎng)顯示功能

本文利用某一時(shí)刻采集到的爐膛溫度數(shù)據(jù)模擬計(jì)算了爐內(nèi)氣氛的三維溫度分布情況，并進(jìn)行了可視化處理，其效果如圖6所示。將本可視化處理結(jié)果與加熱爐工藝核算軟件及溫度場(chǎng)模擬軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)吻合良好，爐膛溫度監(jiān)測(cè)熱電偶采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。該功能有助于輔助判斷爐內(nèi)整體燃燒狀態(tài)。三維溫度場(chǎng)重建的原理可參見(jiàn)文獻(xiàn)【1-3】。

圖6 爐管三維溫度場(chǎng)分布效果

3.2 爐管變形監(jiān)測(cè)功能

基于二維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的圖像屬性，通過(guò)與基準(zhǔn)溫度分布圖進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的爐管變形和移位監(jiān)測(cè)。由于本次試驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)生爐管變形的情況，所以通過(guò)人為對(duì)探頭施加外力造成的探頭與爐管的相對(duì)位移來(lái)模擬爐管變形移位，產(chǎn)生了圖7中效果。圖7中亮綠色部分為亮色標(biāo)示的超標(biāo)報(bào)警偏移位置。本次試驗(yàn)通過(guò)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏移量進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)和超幅度偏移報(bào)警的目標(biāo)。

圖7 爐管移位顯示效果

目前在試驗(yàn)爐上實(shí)現(xiàn)的爐管位移檢測(cè)刷新率為5 min/次。可通過(guò)硬件升級(jí)和軟件優(yōu)化來(lái)提升刷新率，縮短時(shí)間間隔，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

3.3 火焰燃燒診斷功能

圖4中C1和C3探頭綜合分析可用于火焰燃燒診斷。

石化加熱爐運(yùn)行狀況受火焰燃燒過(guò)程的多個(gè)因素影響，其中火焰是否偏燒、火焰長(zhǎng)度、火焰溫度以及長(zhǎng)明燈燃燒狀態(tài)等等都是重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。基于熱成像技術(shù)的綜合性多維度的火焰燃燒監(jiān)測(cè)診斷設(shè)備在這方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，能夠在溫度監(jiān)測(cè)的同時(shí)提供一種圖像分析手段。

如圖8所示，兩個(gè)探頭，一個(gè)安裝于加熱爐下部直視火焰，另一個(gè)正交安裝于加熱爐上部斜視火焰及長(zhǎng)明燈，這樣可以同時(shí)從兩個(gè)方向采集火焰的二維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。將二維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為熱像圖后，即可利用成熟的圖像分析算法進(jìn)行分析，對(duì)主火焰及長(zhǎng)明燈熄滅與否、主火焰強(qiáng)度、火焰溫度分布、火焰偏燒狀態(tài)等均可進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且這些監(jiān)測(cè)均可實(shí)現(xiàn)量化并發(fā)送給DCS系統(tǒng)用于報(bào)警。本試驗(yàn)也進(jìn)行了相關(guān)操作以驗(yàn)證上述猜想。

圖8 火焰診斷邏輯示意

試驗(yàn)利用C3探頭監(jiān)測(cè)火焰的偏燒情況。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)人為調(diào)節(jié)爐膛燃燒器燃料和助燃空氣量大小，使?fàn)t膛火焰燃燒形態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)偏斜等情況，以便進(jìn)行測(cè)試。圖9為火焰偏燒的監(jiān)測(cè)效果。由圖9可見(jiàn)，左側(cè)火焰基本不偏，右側(cè)火焰向右偏15.3°。

圖9 火焰偏燒

通過(guò)C1探頭進(jìn)行主火焰及長(zhǎng)明燈的熄滅報(bào)警試驗(yàn)(與前述試驗(yàn)燃燒器不同)。試驗(yàn)過(guò)程中，人為切斷主火焰或長(zhǎng)明燈燃料，造成熄火情況。圖10為主火焰及長(zhǎng)明燈圖像及算法提取的火焰形態(tài)。該技術(shù)將監(jiān)測(cè)到的火焰強(qiáng)度信息及火焰形態(tài)變化相結(jié)合，獲得對(duì)火焰燃滅的判斷能力，通過(guò)控制圖像監(jiān)測(cè)范圍，規(guī)避了火焰飄忽帶來(lái)的誤報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 主火焰及長(zhǎng)明燈圖像及算法提取的火焰形態(tài)

試驗(yàn)證明：本方案可以實(shí)現(xiàn)主火焰熄滅報(bào)警；提前框選標(biāo)識(shí)長(zhǎng)明燈和主火焰的大概區(qū)域，則可以在主火焰熄滅后，繼續(xù)完成對(duì)長(zhǎng)明燈的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，加熱爐爐膛二維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)兼具溫度和圖像雙重屬性，結(jié)合工藝需求對(duì)其進(jìn)行深入挖掘，可以提煉出大量有價(jià)值的信息。這些信息與加熱爐本身的工藝運(yùn)行狀態(tài)、操作條件等息息相關(guān)。經(jīng)過(guò)本文所述的分析和試驗(yàn)，挖掘出了部分爐膛溫度場(chǎng)信息可實(shí)現(xiàn)的功能，證明二維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)可以較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)三維溫度場(chǎng)重建、爐管熱點(diǎn)監(jiān)視及超溫報(bào)警、爐管變形及移位監(jiān)測(cè)、火焰燃燒診斷等。受限于試驗(yàn)條件，無(wú)法模擬復(fù)雜的不同工藝加熱爐型，也暫時(shí)無(wú)法證明上述功能的普適性，針對(duì)不同爐型的復(fù)雜爐膛溫度監(jiān)測(cè)，還有進(jìn)一步開(kāi)展研究的空間。