氣化爐火焰智能化檢測系統

閆玉強，蘇 毅，程慕鑫，梁 健，曾磊赟，李 宇

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所 上海齊耀熱能工程有限公司，上海 201108）

氣化爐火焰智能化檢測系統

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所 上海齊耀熱能工程有限公司，上海 201108）

近年來，智能可視化燃燒測控技術成為燃燒領域研究的熱點問題。針對粉煤氣化爐內燃燒火焰圖像的智能化檢測，開發了同時具備火檢、視頻圖像和溫度預報三種功能的“三合一”氣化爐火焰智能化檢測系統。該系統無論在氣化爐點火、升壓還是投煤等工況波動階段均能夠表現出穩定的性能。目前已經在2 000t/d干煤粉氣化爐中得到廣泛應用。

氣化爐；火焰檢測；圖像處理；測溫

1 前言

能源短缺和環境污染是制約國內經濟發展的主要因素，我國擁有儲量豐富的煤炭資源，為了將煤炭資源轉換為各種便利的技術產品，煤氣化技術發展迅速，各種氣化爐型不斷在工業化裝置中得到改進和完善[1-3]。在煤氣化過程中，爐內溫度達到1 200～1 400℃，煤灰在高溫下呈熔融狀態，掛滿爐內膜式水冷壁，并沿垂直方向向渣口流淌。在這樣的爐內環境條件下，直接測溫法無法找到耐磨損，耐高溫同時又耐氧化的熱電偶材料；而間接測溫，例如激光測溫等，難以穿透氣化爐水冷壁上的高溫熔渣，無法獲得爐內的真實火焰溫度，甚至無法直接觀察到火焰的狀態。因此，對于氣化爐爐內溫度和火焰狀態的判斷一直是煤氣化行業的主要技術難題之一。

隨著計算機技術的不斷發展，國內外的研究者越來越多把眼光投向了可視化的燃燒監測系統[4]。火焰圖像最初只是作為一種火焰監控的輔助手段，在工業CCD攝像機出現后，由于其圖像清晰度高、還原真實、工作穩定可靠以及耐熱沖擊等優點，因此使得人們有機會利用高性能CCD圖像對爐內燃燒狀態以及溫度做數字化處理，甚至對其進行定量分析[5]。

日立公司1985年問世的HIACS-3000系統中采用了爐膛火焰圖像識別技術，可以對溫度場分布進行判斷，估算燃燒經濟型以及NOx排放量等[6]。Shimoda等[7]提出了最初的基于比色法概念的圖像溫度測量方法，并將該裝置在日本仙臺燃煤電站鍋爐中得到了應用。三菱光學圖像掃描（OPTIS，Optical Image Flame Scanner）系統采用光學圖像傳感器來提高對火焰鑒別的靈敏度，該裝置對爐膛背景熱輻射的干擾過濾能力較強[8]。

吳占松等[9]老師最早在黑體爐中研究了圖像亮度信號與火焰溫度之間的關系，給出了火焰三維溫度分布測量的重建算法。上海交通大學的徐偉勇等[10]、華中科技大學的周懷春等[11-12]將數字圖像處理技術應用于電站鍋爐燃燒火焰的研究，通過單色圖像與參考點位置的輻射強度的對比來獲得圖像范圍內的溫度場，而參考點熱電偶通過直接測溫獲得其溫度。這一方法雖然簡單，但是參考點溫度的準確獲得往往是實施的關鍵。浙江大學熱能所[13-15]基于火焰輻射的三色信息，在不需要參考點溫度的條件下可以較準確的獲得爐內的溫度場，并且在自建的燃油、燃煤試驗臺中進行了驗證。

與煤粉鍋爐等燃燒反應室相比，氣化爐內具有高壓、純氧、高溫以及熔渣沖刷等極端惡劣的環境，目前針對氣化爐內火焰診斷鮮有報道。華東理工大學的王輔臣等[16]采用平面激光誘導熒光系統分析了模擬四噴嘴氣化爐內柴油撞擊火焰的高度和脈動，并建立了三維溫度場。于廣鎖等[17]在模擬四噴嘴氣化爐中對火焰聲學特性進行了分析。還未見針對真實煤氣化爐中火焰檢測的相關研究工作。

本文開發了一套基于計算機視覺圖像處理技術的高壓、純氧燃燒火焰溫度圖像檢測系統，同時具備了火焰檢測器、火焰圖像視頻以及火焰溫度監測的“三合一三個重要功能系統”。

2 “三合一”系統原理和結構

單燒嘴頂置式干煤粉氣化爐僅在氣化爐頂部布置一臺燃燒器。氧氣和煤粉經過燃燒器中特殊設計的通道噴出，確保煤粉和氧氣在氣化爐反應室內能夠充分混合，燃燒產生的火焰很好地充滿反應室空間，并且形成合理的溫度場分布和最佳的合成氣組分。

本系統硬件設備布置在燒嘴的最末端，通過燒嘴中心的中空通道與氣化爐內環境保持光線傳輸的直通，如圖1所示。

圖1 “三合一”系統布置圖

“三合一”系統與氣化爐中控系統連接如圖2所示。“三合一”系統同時具有：火焰檢測、火焰圖像視頻傳輸和氣化爐內溫度檢測三大核心功能。

系統包括火焰監測器、火焰CCD攝像機、視頻控制箱、防爆供電箱、圖像采集軟硬件和火焰溫度分析系統軟硬件等。

2.1 火焰檢測信號

燃料燃燒時，火焰以各種形式向四周輻射，而火焰的輻射光譜范圍是連續的，包含紫外光、可見光和紅外光等。火焰檢測信號傳輸原理就是將火焰的光信號傳遞到火檢探頭的光電二極管上面，光電二極管將火焰強度與頻率的光信號轉變為電壓信號，經過內部電路板的放大、濾波、比較處理后，輸出0～10V直流電壓信號，電壓信號與電路板內部的設定閾值做比較，大于設定閾值，輸出火焰有火信號，反之，不輸出信號。“三合一”系統的火檢也可以經過變換輸出連續的4～20mA模擬量信號，代表火焰強度信號。火檢的有無火開關量信號和火焰的強度信號作為爐膛安全系統檢測的一部分，對于現場工藝人員了解爐內的正常燃燒情況至關重要。火檢按照不同的檢測形式分為普通型火檢、一體式火檢和分體式火檢。本“三合一”系統用的是既能檢測紅外線也能檢測紫外線的雙波段火檢，防止因為漏掉一部分火焰的光譜范圍，火檢檢測不到信號，影響工藝人員判斷，“三合一”系統與氣化爐DCS系統連接圖見圖2。

圖2 “三合一”系統與氣化爐DCS系統連接圖

2.2 視頻信號

在氣化爐起爐點火、升溫、升壓過程中，燃燒過程主要依賴于火焰檢測器的監控，即根據火檢的信號進行氣化爐工藝控制；由于氣化爐反應溫度高，爐內壓力高，同時存在高溫熔渣，因此會影響到火檢的檢測效果。當氣化爐負荷不穩定、燃燒產生波動時，火焰會發生一定的變化，將會影響并削弱火焰檢測器的檢測效果，甚至檢測不到火焰信號，最終導致裝置連鎖停車。

為給現場工藝人員一個直觀的認識，清晰地判斷爐膛內是否真的有火焰信號，“三合一”系統中增加一個現場視頻信號，遠傳到中央控制室，可以讓操作人員實時觀測爐膛內火焰燃燒狀況。視頻利用光端收發器，通過光纖將信號傳輸至中央控制室的顯示器。

2.3 溫度信號

“三合一”火焰測溫算法基于CCD彩色三基色原理、火焰物理特性（顏色、頻率和形狀）和普朗克定律的一個具體應用。

CCD由彼此之間可以發生電耦合的MOS電容器陣列組成，其中彩色CCD能把其像素點上火的的光信號轉換成電信號，通過紅 R（λr=700nm）、綠 G（λg=546.1nm）、藍 B（λb=435.8nm）λr三基色通道輸出像素點的三基色信號R、G、B信息。R、G、B信號可由如下公式得出：

公式中，R、G、B為CCD輸出的三基色電信號；A為系數常數；PT（λ）輻射出射度；Ar（λ），Ag（λ），Ab（λ）為 R、G、B三個通道的增益和光電轉換系數的乘積；Tr，Tg，Tb為R、G、B三通道的光譜響應特性，由鏡頭、濾色器和攝像器件的特性組合決定，其特性曲線如圖3所示：

描述火焰顏色的模型有很多，通常使用的是HIS色彩空間內 H（0～60）S（110～255）I（100～255）范圍的顏色視為火焰色，以下為RGB與HSI色彩空間的轉換公式：

圖3 R、G、B三通道的光譜響應曲線

任何 HSI圖像中只要滿足 H＜60且 S＞110，I＞100的顏色都可以看作是火焰。

火焰溫度檢測采用雙色測溫法測量溫度，模型公式如下：

熱力學溫度T的非黑體的光譜輻射亮度可有普朗克輻射定律得出：物體表面的光譜法涉率；煤粉燃燒火焰的輻射光譜分布覆蓋從紫外線到紅外線的寬度波段。

對于其中的可見光波長從400nm到750nm范圍內及溫度在3 000K以下這種情況，普朗克（Planck）輻射定律可以有維恩（Wien）輻射定律計算。即，當乘積光譜輻射亮度，

λ：波長；C1，C2：輻射常數時，可簡化為維恩公式：

對于波長λ1和λ2可得：

測出亮度比值B的大小就可以計算理想灰體的溫度T。對于非理想灰體，每個波長下的輻射率不同，一般設若即輻射率隨波長的增大而減小，測出比色溫度高于物體的真實溫度；若即輻射率隨波長的增大而增大，測出比色溫度低于物體的真實溫度。由于絕大多數實際物體的灰度在較窄的波段范圍內變化，近似當作理想灰體利用上述公式測溫帶來的誤差可以忽略不計。

由積分中值定理，彩色CCD輸出的R、G值與其各自的光譜輻射亮度有如下近似關系：

其中K1、K2為比例系數，

這樣，把CCD三基色通道帶寬造成的誤差歸結到K1和K2中，最終可得溫度公式：確定后，由CCD輸出的R、G值可計算出被測溫度T。

3 “三合一”系統運行結果

該系統在2 000t/d單燒嘴頂置干煤粉氣化爐中進行了試驗測試。

1）正常點火時，火焰檢測器能夠迅速捕捉到火焰信號；火焰視頻信號同時接通，爐內火焰直觀地出現在顯示器上。操作人員通過視頻和火檢雙重信號判斷點火成功。

2）氣化爐投煤時，火焰檢測器信號和視頻信號均保持穩定。

3）氣化爐進入正常運行狀態時，“三合一”系統操作界面同時顯示火檢信號強度、火焰形態描述、火焰溫度、實時火焰視頻圖像以及歷史溫度曲線。如圖4所示。

其中

圖4 “三合一”系統操作界面

4 總結

針對煤氣化爐爐內火焰監測可靠性、爐內溫度場無法直接測量的難題，開發了同時具有火焰信號檢測、火焰視頻圖像傳輸和氣化爐火焰溫度測量三種功能的“三合一”火焰溫度圖像智能化檢測系統。該系統采用可靠的紅外紫外一體化火焰信號檢測器，搭建了高性能工業CCD無損長距離視頻傳輸系統；開發了基于CCD彩色三基色原理、火焰物理特性和普朗克定律三種理論的火焰溫度預報算法。通過在實際氣化爐中的實驗，該系統無論在點火、升壓還是投煤等工況條件下，對氣化爐內的火焰信號響應成功率為99%以上，視頻信號傳輸穩定，對氣化爐爐內溫度的預報為操作人員提供了良好的參考。目前，“三合一”系統已經在該型煤氣化裝置中得到大面積推廣應用。

[1] 趙麥玲.煤氣化技術及各種氣化爐實際應用現狀綜述[J].化工設計通訊，2011，37（18-11）.

[2] 匡建平，郭偉，井云環，等.單噴嘴頂置干煤粉氣化燒嘴與氣化爐匹配性能研究[J].煤炭科學技術，2015（s1）.

[3] 馬銀劍，匡建平，井云環，等.工業運行GSP氣化爐數值模擬研究[J].化肥工業，2014，41（6）：40-43.

[4] 顏卓勇，梁欽鋒，牛苗任，等.用數字圖像分析氣化爐內燃燒狀態的試驗研究[J].計算機與應用化學，2006，23（3）：203-208.

[5] 徐亞昆.神華寧煤GSP氣化裝置點火與火檢系統的改造[J].化工自動化及儀表，2014，41（4）：429-433.

[6] 劉維.HIACS-3000系統技術的最新進展[J].中國電力，1993，（10）：58-59.

[7] Shimoda M，Sugano A，Kimura T，et al.Prediction method of unburnt carbon for coal fired utility boiler using image processing technique of combustion flame[J].IEEE Transactions on Energy Conversion（Institute of Electrical and Electronics Engineers）；（United States），1990，5：4（4）：640-645.

[8] Mitsubishi Heavy Industries L.Specification of Flame Detector[R].1997.

[9] 王補宣，李天鐸，吳占松.圖象處理技術用于發光火焰溫度分布測量的研究[J].工程熱物理學報，1989，V10（4）：446-448.

[10] 徐偉勇，余岳峰.數字圖像處理技術在火焰檢測上的應用[J].中國電力，1994（zg）：41-44.

[11] 周懷春，婁新生，肖教芳，等.爐膛火焰溫度場圖象處理試驗研究[J].中國電機工程學報，1995（5）：295-300.

[12] 周懷春，鄧元凱.基于輻射圖象處理的爐膛燃燒三維溫度分布檢測原理及分析[J].中國電機工程學報，1997，（1）：1-4.

[13] 王飛，馬增益，衛成業，等.根據火焰圖像測量煤粉爐截面溫度場的研究[J].中國電機工程學報，2000，（7）：40-43.

[14] 王飛，薛飛.運用彩色CCD雙色信息測量燃燒火焰的溫度場[J].發電設備，1998（fa）：2-5.

[15] 薛飛，黃國權，李曉東，等.CCD計測量燃燒室截面溫度場的原理研究[J].動力工程學報，1999，（5）：390-393.

[16] 王輔臣，李偉鋒.湍流多相混合與氣化反應耦合機理、過程強化及火焰結構特征研究[J].科技資訊，2016，14（4）：165-166.

[17] 顧彧，郭慶華，龔巖，等.氣流床撞擊火焰聲學特性與壓力波動分析[J].噪聲與振動控制，2013，（4）：84-88.

An Intelligent Flame Monitor System for Coal Gasifier

Yan Yu-qiang，Su Yi，Cheng Mu-xin，Liang Jian，Zeng Lei-yun，Li Yu

In recent years，Intelligent flame measurement and control technology is becoming a hot issue in combustion field.In this work，a “3 in 1” system for gasifier flame monitor is developed and tested，which is a combination of flame detector， flame image display and temperature prediction.A serial of tests of this system were conducted on a real coal gasifier.Results show that the performance of this system is very reliable under any condition such as ignition，furnace warming and coal feeding processes.The presented system is now widely equipped on 2000t/d coal gasifier.

gasifier； flame monitor；image processing；temperature measurement

TK32；TQ546.8

A

1003–6490（2017）10–0121–03

2017–07–05

上海市青年科技啟明星項目（16QB1404800）.上海市科委科研計劃項目（16dz1206302）.張江國家自主創新專項發展資金（201701-MH-c1085-010）。

閆玉強（1984—），男，河北邢臺人，工程師，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置。