火焰图像监测系统研究 第2页
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第1章绪论
§1.1选题目的和意义
1.1.1选题背景
我国火力发电厂大型锅炉以燃煤为主由于容量大煤粉燃烧器数
量多至16个以上炉膛内燃料燃烧情况复杂受多种因素的影响会引起
炉膛灭火和爆炸为此大型锅炉都配备炉膛安全监控装置即FSSS
其最重要的组成部分是火焰检测系统根据防爆规程每一个燃烧器应
安装单独的火焰检测器当出现灭火现象或异常情况时发出报警信号
并通过锅炉燃烧管理系统(BMS)或FSSS切断燃料的供应防止锅炉爆炸
目前我国电厂广泛使用的火焰监测器多属于紫外线性红外线型
可见光型或者上述组合型火焰监测器这种火焰探头对准火焰的初始燃
烧区检测着火区的亮度和闪烁频率探头的视场角一般在10 15
仅让火焰初始燃烧区的那部分火焰进入探头然而在实际的运行过程
中很难做到探头正对着火焰着火区因为我国的电厂用煤来源不固定
不同的煤种的成分不同也会影响煤粉火焰的着火区的位置此外在不同
的负荷下煤量不同风量不同也会影响着火区的位置着火区经常的
漂移严重影响了初始燃烧区的位置即使在引进机组配套的FSSS系统中
也同样存在上述问题因此可靠地火焰检测是我国电厂亟待解决的技
术难题
1.1.2目前情况
燃烧是一种剧烈的物理和化学反应其进行过程伴随着声光电
热力等多种物理现象因此火焰检测方法主要有温度法压力法声波
法电离式和光学法等这些方法的主要应用原理示于表1.1
1
1.早期的火焰检测方法
早期的火焰检测方法主要有温度法压力法和声波法这些方法的特
点参考表1.1华北电力大学北京硕士学位论文
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表1.1传统火焰检测技术的应用原理与比较
火检方法原理简评
烟色监视仪用人工光源透过被测烟气入射到光电器件上平时间滞后元件易污
均光强随烟色的变化而变化染
检出电极法利用电极电阻值在着火点前后的变化而判别点轻油枪点火
火是否成功
声学法用麦克风监测燃烧噪声易积灰适合单燃烧器
差压法利用着火后气体膨胀产生的瞬间压力变化建立方法简单可靠性欠
风箱压力和检测出压力的差压变化判断着火佳
与否
电离法燃料的第一燃烧区存在离子火焰导电根据材料耐高温抗污
回路电流判断是否灭火染性要求高
温度法用热电偶或热流量计测量火焰的温度热流量易污染反映时间长
并根据此判断火焰的存在
紫外线火检利用火焰本身特有的紫外线强度来判断火焰的对天然气及无色透的
有无轻油火焰效果好
红外线火检利用火焰高频闪烁原理带有自动增益控制的无冷却长期运行差
红外探测器
可见光火检同时对火焰闪烁和可见光亮度进行逻辑加法运
算来鉴别相应对燃烧和火球火焰对有无
2.相关火焰检测
对于单个火焰燃烧器布置两个探头的视线相交于燃烧器的轴线上
并且视场重叠区域不受其他燃烧器的影响如图1.1
1
所示
图1.1相关火焰检测器原理图
当燃烧器火焰存在时两探头所接受的电磁辐射主要来自重叠区
最优检测区
光电元件
透镜华北电力大学北京硕士学位论文
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因而两探头的输出信号具有极大的相关性假设两探头的物理性质表
面污染程度完全一样当燃烧器火焰熄灭时两探头接受到的是炉内不
同背景的热辐射由于炉内得到燃烧无规律性不同位置的辐射基本统
计独立因而探头的输出信号表现为不相关或相关性极弱
3.火焰频率检测
2
由于各种随机扰动的存在,火焰辐射强度是随时间变化的,其频谱分
布可达到0 2000Hz而且煤粉火焰的波动要比油火焰大当燃烧不稳
定时火焰中的交流部分的强度增加其中低频部分的能量增加较多
由于红外辐射和可见光相比其强度波动较小频谱范围也窄所以频
率法检测一般使用可见光频率法的检验原理是把探头输出的强度信
号进行滤波取出交流部分经过整形后由施密特触发器把它变成一系
列的脉冲对脉冲计数确定火焰的频率经过大量的试验分析煤粉
火焰存在着3个基础闪烁频率的范围
1 15 50Hz火焰正常
2 7 15Hz火焰不稳定
3 7Hz火焰丧失
这种火焰检测方法可以检测到探头所能够接受到范围内的火焰频率
变化受火焰位置变化的影响相对较小目前的FSSS系统炉膛安全监
控系统常用火焰强度和火焰频率来综合判断火焰是否存在
4.摄像图像检测
近几年来计算机技术和处理技术的飞速发展给电厂锅炉火焰检测开
辟了一个新的领域将计算机技术和数字图像处理技术结合起来应用于
火焰检测是一种火焰监测方法本文所作的主要工作是设计一套完整的
火焰图像检测系统研究并开发相应的火焰判断算法编制应用软件
并应用于现场
1.1.3存在问题
目前我国的火焰检测装置可靠性还不高火焰丧失后误报时有发
生即使引进机组配套的FSSS中也有同样的问题其中主要的原因有
1火焰检测器头镜面易被污染2火焰检测器接线常因高温老化而
损伤3火焰检测器安装的炉墙侧孔积灰和周边结渣4火焰检测华北电力大学北京硕士学位论文
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装置静态整定值与实际运行值不符5火焰检测探头视角小检测不
到火焰偏移用冷风冷却和吹扫火焰检测探头是解决上述1 3
问题的有效措施,但冷却风源应彻底无油净化其风压应满足点火前
15min至熄火停炉后1.5h过程不中断供应问题4产生于我国煤种煤
质多变,供应不稳定的实际国情,视角狭窄是常规火焰检测器的最大弱点
火焰检测器探头视场角一般为10 15而在实际运行中由于燃料成
分变化较大一二次风的变化以致着火区的位置经常发生漂移致
使检测器的探头很难随时对准着火区会产生误报对此解决办法有
利用同一火焰的脉动相关性检测火焰或扩大视角和采用摄像机获取火
焰图像并加以处理
§1.2相关研究
1.2.1国外情况
日本三菱公司经过多年的试验研制开发出新一代的火焰检测装置
光学影像火焰扫描仪Optical Image Flame Scanner简称OPTIS
[3]
该
火焰监测器和检测原理和传统的火焰监测器不同它采用了摄像机和传
像光纤直接拍摄火焰图像并利用信息处理来判断火焰的稳定性OPTIS
在日本广岛电厂进行工业实验及在香港拉码电厂首次运行以来以其先
进的技术和优越的性能向人们展示了良好的应用前景且已经向国内做
了商业性推出国内由于价格问题没有能够引进日本日立公司推出
了的HIACS 5000计算机分散控制系统中的火焰监测器也采用了数字图
像处理技术
芬兰IVO公司的燃烧检检测与数字分析系统DIMAC Digital
Monitoring and Analysis of Combustion
4,5
该系统通过改进锅炉效率和
可靠性来改善安全性和减少NOx排放DIMAC系统自动存储单喷嘴或整
个锅炉卸负荷时最后两分钟的测量和计算结果这样可以帮助运行人员
发现事故的原因同时运行人员也可以随时存入当前的工况和数值到数
据库中这些信息有助于比较不同煤种间的燃烧质量
目前国外的火焰检测系统已经不仅仅局限于判断火焰的有无给出
on/off信号还进一步研究火焰的稳定性燃烧的经济性和燃烧效率华北电力大学北京硕士学位论文
1.2.2国内情况
国内这方面的研究起步较晚其中清华大学吴占松
6,7
在其博士论文
中不仅对图像处理的方法的选择做出了很多的工作还推导了火焰图
像亮度信号和火焰温度之间的关系并置黑体炉内进行标定最后建立
了多变量线性回归模型得到了NOx生成量与高温区面积温度边界
距喷嘴的距离及温度分布的方差之间的关系为国内火焰图像研究开创
了先河
华中理工大学的周怀春等
8,9
借助于辐射定理采用参考点法从火焰辐
射能量分布中计算出二文温度场并根据温度场的信息诊断燃烧工况
采用点双色法温度计进行测量定标计算机还将识别火焰的中心位置
火焰刷墙炉膛温度高可能结焦等信息通过神经网络进行自学习从
而提取燃烧工况的特征信息
南京自动化所许柯夫
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推导了火焰辐射测温公式并提出了提取各
火焰图像特征量如高温点位置及温度着火点与喷嘴之间的距离火
焰投影面积等参数完成燃烧诊断的方法研究
上海交通大学徐伟勇
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等人利用图像获得火焰信息进行火焰燃烧
判别取得了较好的成果但仍处在探索阶段现场应用还在改进
§1.3研究内容及意义
为了提高火焰燃烧器的可靠性有效性为炉膛灭火保护及其经济燃
烧提供可视化开发平台开发一套火焰图像监测系统以替代国外同类
产品故选择火焰图像监测系统研究 第2页课题进行研究本研究课题采
用先进的传像光纤运用计算机技术模式识别方法数字图像处理原
理和燃烧理论实现煤粉燃烧器火焰图像信号分析准确地发出单火焰燃
烧器有无火On/Off信号并能够实时显示火焰图像燃烧情况提供火焰
燃烧强度历史曲线温度场及伪彩色温度场等燃烧状况信息对锅炉
燃烧的经济性稳定性具有重要的意义
主要的研究分为以下几个方面进行:
(1)图像硬件系统集成
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