數字化爐膛火焰監測系統研究與應用

張 勝， 楊 勤

（韶關發電廠，廣東 韶關 512132）

發電技術

數字化爐膛火焰監測系統研究與應用

張 勝， 楊 勤

（韶關發電廠，廣東 韶關 512132）

介紹某發電廠針對在運燃煤機組采用傳統爐膛火焰檢測存在自身難以解決的缺陷，研究探討解決爐膛燃燒診斷及溫度場測量實際問題。為實現爐膛優化燃燒、節能減排、提高燃燒效率、降低煤耗等目標，應用先進的燃燒溫度場紅外監測系統設備，基于圖像校正的爐膛火焰燃燒診斷算法，改善燃燒診斷效果，加強爐膛燃燒任意區域的溫度在線監控，提供爐膛直觀可靠的檢測手段，為運行人員掌握被監視區域的燃燒工況、火焰形狀及溫度場分布變化等信息提供依據。

燃煤鍋爐；研究探討；智能化測溫在線系統；溫度監測

0 引言

爐膛內煤粉燃燒是發生在大空間范圍的、復雜的物理和化學過程，具有瞬態變化性、隨機湍流性，爐內溫度等熱物理量參數的在線監測困難。國內外通常采用傳統接觸式熱電偶測溫方法，這種方法因感溫元件耐溫性的限制，只能做短時間測量，無法實現實時在線測量。國外已開展測定整個爐膛溫度分布的研究，主要有激光光譜法、CO2光譜分析法及聲學法等，但其裝置昂貴、安裝精度要求高、操作困難等，檢測手段都不能實現大范圍溫度場的全面測量。

目前國內在有關爐膛燃燒監視技術方面已有較多的研究報道，其中有涉及到采用耐高溫內窺視廣角鏡頭、高分辨的CCD圖像傳感器、圖像技術、可視化技術等方面的內容，另外亦有涉及到針對300 MW機組的爐膛進行監測研究等方面的內容，在300 MW機組W型火焰鍋爐上使用爐膛火焰數字化監測技術和布置廣角探測儀，可實現探測范圍內任意一點或任意一個區域內的火焰溫度實時監測，但類似本文使用單臺探測儀監測全爐膛火焰燃燒工況等研究應用方面的內容還未見體現。

某發電廠2臺330 MW燃煤鍋爐為東方鍋爐廠生產的亞臨界參數、W型燃燒方式的Π型汽包鍋爐，采用模擬信號展現火焰圖像的方式進行溫度處理，通過FSSS爐膛安全監控系統、鍋爐火焰檢測裝置、爐膛火焰電視監控系統3套爐膛火焰監控系統來監視燃燒系統的運行參數、燃燒器運行情況、檢測目標火焰的頻率和振幅特性、監測爐膛內被監視位置的火焰狀態。但這種方式不能掌握全爐膛內部溫度分布情況和燃燒狀況，無法提供可靠全面的溫度測量、變化趨勢及視頻檢測等功能。依據人工方式，根據火苗圖像的大小來判斷爐膛火焰的溫度情況，對人的依賴性大，且由于工藝和技術原因以及爐膛高溫易引起設備損壞。

通過視頻圖像靠經驗判斷爐膛內著火運行方式，實質上是根據觀察到的火苗圖形結合專業知識推知爐膛溫度場分布，建立燃燒控制模型，建立模型的關鍵數據是表征鍋爐燃燒溫度場的實際溫度分布。因此，如何在線獲取鍋爐內燃燒溫度場分布是實現燃煤機組燃燒優化控制的關鍵。國內采用的測量手段一般根據熱交換機理推測燃燒溫度場分布，建立燃燒控制模型，其測量區域有限，難以實現真正的燃燒優化控制。

1 智能化在線測溫系統

針對2臺330 MW燃煤鍋爐存在現狀，為提高燃燒效率，優化爐膛燃燒，首先在1臺鍋爐引進爐膛燃燒測溫監控系統，應用GS-V系列窯爐燃燒溫度場紅外監測系統，及時掌握爐膛內部溫度分布情況和爐內燃燒狀況，為燃燒及工藝調整提供可靠的依據。

1.1 系統結構原理

GS-V系列窯爐燃燒溫度場紅外監測系統是內窺式雙波成像測溫系統，系統采用“可見光+紅外線”雙探測器檢測技術，攝像儀的耐高溫針孔成像鏡頭將爐內視場內可見光與紅外輻射引導到爐外，將可見光與紅外線分光后再分別成像，系統可見光視頻與紅外線熱成像經計算機融合處理顯示，既可以對爐膛內燃燒工況進行彩色視頻監視，又可以對爐膛內燃燒溫度場溫度進行全視場溫度檢測，檢測系統原理見圖1。

圖1 檢測系統原理

1.2 系統組成及特點

系統主要由測溫攝像儀、傳動裝置、控制柜（內含數采控制箱及氣控單元）、冷卻及保護裝置、傳輸線纜、圖像數據服務器及顯示終端幾部分組成，系統組態如圖2所示。

（1）一體化測溫攝像儀具有攝像、測溫、特種高溫鏡頭進退控制等功能，采用多光譜寬動態紅外探測器，采用雙波長比色測溫技術、外殼選用耐高溫不銹鋼材質、渦旋冷卻風道結構，從而保證測溫精度高、測溫范圍廣、冷卻效率高，能滿足在高溫、強腐蝕等惡劣條件下長期工作的要求。同時自身集成氣缸結構，能夠自動根據外部氣源變化調整測溫攝像儀的前后位置。

圖2 系統組態

攝像儀的一體性結構，使得該相機可以確保2路圖像的融合，2幅圖像的一致性達到了四分之一個像素。

（2）控制箱內含工業交換機、電磁閥、電接點壓力表等。主要功能包括：電接點壓力表通過設置系統保護使用值輸送信號給電磁閥，自動控制一體化測溫攝像儀的推進退出；雙電源設計，為攝像儀及電磁閥提供獨立的直流12 V電源；實現數字信號的光轉換，避免信號干擾，加大傳輸距離；箱體為Rittal箱體，擁有非常好的密封性和防護等級，保證箱體內設備運行的可靠性，箱體自帶的安裝底座方便現場安裝和固定。

（3）氣路裝置中的過濾裝置包含空氣凈化處理器、精密過濾器和含過濾組件的冷干機，其組合使用，對氣體進行凈化、過濾和儲存、冷卻等功能。

1.3 系統分析軟件

分析軟件采用VC++開發平臺，軟件界面見圖3，主要具有以下功能：24位真彩色寬動態視頻圖像瀏覽功能；最多16個ROI區域的溫度分析功能；彩色可見光視頻及紅外熱圖同步顯示功能；多種不同紅外熱圖顯示模式；彩色可見光圖像任意點溫度瀏覽功能；直方圖溫度分析功能；最多8個ROI區域的溫度曲線實時顯示和分析功能；二級用戶權限管理功能；一機雙屏顯示模式；ROI區域溫度歷史記錄和分析功能；3D線性分析功能；遠程控制現場傳動裝置，并接收現場報警反饋功能。

1.4 系統特點

系統采用氣動傳動方式控制測溫攝像儀推進爐膛，測溫攝像機獲取爐膛內的二維可見光及紅外溫度場視頻圖像，通過控制柜內的工業級交換機將信號傳輸到圖像數據服務器，圖像數據服務器對采集現場圖像、實時溫度信號并進行分析處理，且實現多元化顯示，通過服務器主機實時顯示爐膛內的可見光彩色圖像及溫度信息，實現遠程控制現場傳動裝置及接收現場報警信號的綜合管理設備。該系統具有以下特點：

（1）動態范圍寬，可清晰觀察從點火到正常燃燒過程的火焰、爐膛內工況。

（2）采用比色測溫技術，測溫精度高，測溫范圍寬。

（3）特殊設計的加長耐高溫鏡頭，將測溫攝像儀與高溫區隔離，可靠性高。

（4）鏡頭采用藍寶石窗口，耐高溫、防刮擦，使用壽命長。

（5）探頭采用壓縮空氣強制渦旋冷卻，測溫攝像儀能在2 000℃的高溫下長期穩定工作。

（6）通用性強，適用于對沖爐、四角噴燃爐及W爐等各種爐型使用安裝。

（7）全密封結構，能在高溫、高壓、腐蝕的工況環境下長期穩定運行。

（8）信號無損傳輸，實現全線路抗電磁干擾。（9）系統運行參數自動檢測，傳動裝置保護動作可靠。

圖3 系統軟件界面

（10）定制化軟件，滿足用戶個性化需求。

2 溫度檢測

智能化在線測溫系統主要采用紅外測溫攝像儀的溫度校正、寬范圍溫度場的標定算法、微弱紅外輻射信號的檢測等3項技術完成對爐膛任一區域火焰溫度的實時精準檢測。

（1）近紅外測溫的溫度校正過程是測量準確性的關鍵步驟。依據普朗克定律，通過數值計算得出不同的發射率、物體溫度、環境溫度和輻射波長下的環境溫度影響比率及它們的相互關系，通過合理設置光學參數，采用濾波、插值修正等處理方法進行溫度校正。

（2）結合多光譜攝像測溫儀，研究多重曝光圖像合成技術，采用標準黑體源，突破傳統單傳感器測溫范圍小的問題，實現1 000℃以上的測量帶寬。

（3）選擇近紅外波段紅外能量輻射進行高溫溫度的檢測，通過多級放大電路的優化設計，實現微弱信號的檢測。

智能化在線測溫系統可實現在集控室對爐膛燃燒的監測，由光纜完成跟現場的檢測設備連接，并通過TCP/IP協議將現場所得數據傳輸到監控主機，經過主機軟件系統進行分析、建模，獲得現場溫度場的分部情況，形成被檢測火焰溫度區的三維波形圖，如圖4所示。

圖4 現場溫度場檢測三維波形

在研究應用過程中，分別使用測溫槍和該套在線測溫系統對被測點溫度進行測量，經過多頻次動態溫度標定，獲得數字化爐膛火焰在線監測系統動態溫度標定數據見表1。

表1 某發電廠數字化爐膛火鍋在線監測系統動態溫度標定數據

經過3次溫度對比，軟件顯示溫度與實測溫度誤差非常小，接近真實值。

3 取得效果

應用該套爐膛火焰在線監測系統，克服長期以來感溫元件耐溫、耐磨性能差的限制，實現爐膛大空間燃燒溫度場關鍵參數的監測，可指導運行人員優化鍋爐配風、配煤燃燒運行方式，提高鍋爐的熱效率，降低鍋爐穩定燃燒對燃料的依賴性。可減少鍋爐結焦、結垢，防止受熱面爆管，對提高發電廠燃煤鍋爐燃燒效率、保障設備長期穩定運行有著重要的作用和意義。

數字化爐膛火焰監測系統投運后，運行人員能夠通過對主燃燒區域鍋爐溫度場的精確監控，進行燃燒調整，使得爐膛溫度場分布更加均勻，燃燒更加充分，該套監測系統投運以來，能夠根據煤種的變化，確定最佳的燃燒方式，使得爐膛出口排煙溫度、NOX排放濃度及減溫水用量均明顯下降，進而達到節能的效果。

4 結語

通過應用數字化爐膛火焰監測系統，優化調整運行工況，降低煙溫和過熱器減溫水消耗量，對提高鍋爐的燃燒效率，保障安全生產，實現節能降耗具有重要意義。

[1]余俊輝.爐膛火焰溫度場及燃燒診斷算法的研究[D].保定：華北電力大學，2007.

[2]徐勇，汪升，萬力，等.基于紅外熱像儀的電解槽極板故障在線監測系統[J].安徽科技，2015（7）∶43-45.

[3]王敦敦.W型火焰鍋爐三維溫度場檢測與運行[D].武漢：華中科技大學，2009.

[4]彭敏，繆楚雄.爐膛火焰圖像數字技術在電廠鍋爐燃燒優化控制中的應用[J].中國電力，2003，36（10）∶34-37.

（本文編輯：張 彩）

Research and Application of a Digital Furnace Flame Diagnosis System

ZHANG Sheng，YANG Qin
（Shaoguan Power Plant，Shaoguan Guangdong 512132，China）

∶The paper introduces the shortcomings of a power plant in the traditional furnace fire detection for coal-fired units，and discusses the furnace combustion diagnosis and temperature field measurement.In order for optimal furnace combustion，energy saving and emission reduction，combustion efficiency improvement and coal consumption reduction，an advanced infrared monitoring system for combustion temperature field is applied.A furnace flame diagnosis algorithm based on image correction improves the combustion diagnosis effect，strengthens on-line temperature monitoring in furnace combustion and gives intuitive and reliable diagnosis means of the furnace to provide operation personnel with combustion condition，flame shape and temperature field distribution change.

∶coal-fired boiler；study and discussion；intelligent online temperature measurement system；temperature monitoring

.201704008

1007-1881（2017）04-0031-04

：TK39

：B

2016-11-23

張 勝（1972），男，高級工程師，從事電力設備檢修與維修技術管理。