生物質電站鍋爐汽包水位電視監視裝置的改進設計

沈忠民

摘要：汽包水位是生物質電站鍋爐運行中的一個重要監控參數，汽包水位電視監視裝置可對水位進行實時監測。分析汽包水位電視監視裝置在設計與安裝中存在的問題，應用光、機、電等多學科技術對該裝置進行改進設計，以期為提高該裝置可靠性、保障鍋爐安全生產提供技術支持。

關鍵詞：水位監視裝置;安裝距離;圖像質量;問題;改進

中圖分類號：TK31? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2020）05-0027-03

發展清潔能源是推進節能減排的重要舉措。近年來，國家在加強農村基礎設施方面提出要積極發展沼氣、秸稈發電等可再生能源，完善農村電網。自我國第一個秸稈燃燒發電廠在河北省晉州市建成以來，全國每年新增數十家生物質電站。鍋爐機組安全穩定運行是保證生物質電站正常運轉的關鍵。汽包是電站鍋爐的主要設備，汽包水位是鍋爐運行中的一個重要監控參數，反映鍋爐負荷與給水的平衡關系。汽包水位過高會造成蒸汽空間縮小，影響汽水分離效果，導致蒸汽帶水，在過熱器管內會產生鹽垢沉積，使管子過熱、金屬強度降低而發生爆破;水位過低會破壞鍋爐水循環，使水冷壁管超溫過熱。因此，加強對汽包水位的控制和調整至關重要。

1 汽包水位電視監視裝置

汽包上配有水位計對汽包內水位進行實時監測，保證鍋爐安全運行。汽包水位電視監視裝置是電站鍋爐運行中監測汽包水位必不可少的監控設備。在汽包水位計前方加設一個攝像頭，將攝像頭所攝的水位計實時液位圖像傳送到控制室的監視器上，運行人員在控制室即可實時監視現場汽包水位，為鍋爐安全生產提供保障。

2 汽包水位電視監視裝置設計與安裝中存在的問題

由于實際生產條件不同，汽包水位電視監視裝置在設計與安裝中存在一些問題，急需加以改進，以免對鍋爐安全運行造成隱患。

1） 水位計前空間狹小，無法正常進行汽包水位電視監視。由于鍋爐爐型不同，有些鍋爐汽包水位計前空間過于狹小，無法安裝攝像頭。即使安裝了攝像頭，由于監視距離太近，攝像頭視場角相對較小，也無法全量程監視到較大可視范圍的水位計液位變動情況。

2） 受外部光線及現場灰塵影響，水位計電視監視圖像不清晰。有些電站汽包水位計現場環境光線變化大，如汽包水位計露天布置，晝夜光照度變化大，導致夜間水位電視監視圖像不清晰。有些電站現場粉塵較大，對水位計窗口及攝像頭造成污染，導致無法全天候實時監視汽包水位計液位變動情況。

3 汽包水位電視監視裝置改進設計方案

3.1 水位計前空間狹小的解決方案

1） 各項參數的確定。攝像頭的安裝距離由水位計的量程（即可視范圍）、鏡頭視場角和攝像機靶面尺寸3個因素決定。由于各種鍋爐爐型及汽包運行壓力不同，汽包的上下限水位值（量程）也不同。現以常見余熱鍋爐高壓汽包雙色水位計為例進行探討，水位計可視范圍900 mm。攝像頭所需視場與鏡頭的焦距的關系為焦距越小、視場角越大。為保證雙色水位計汽紅水綠圖像色澤清晰，需采用可變光圈的電動三可變鏡頭，其最小焦距一般為5 mm，這里留有調整量，以6 mm焦距值進行計算。攝像機靶面尺寸多為1/3"，這里選用1/3"靶面攝像機。

3） 利用鏡像成像原理進行產品設計。由于現場距離限制，最大可安裝距離只有1 m，無法全量程監視汽包水位。利用鏡像成像原理，在水位計前方加1面反射鏡，對水位計可視窗口進行一次成像。根據鏡像成像特點——像和物關于平面鏡對稱，像的大小相等、上下不變但左右相反，像和物的連線垂直于平面鏡，以及像到平面鏡的距離等于物到平面鏡的距離，需再加1面反射鏡對第一面反射鏡中的鏡像再一次成像，使水位計二次鏡像為正像。

根據前述已確定的技術參數進行產品設計。攝像頭距水位計之間最小安裝距離為L=1 500 mm，攝像機靶面尺寸為1/3"，攝像頭垂直視場角Qh=33 °，水位計可視范圍（量程）H=900 mm，可安裝距離L1=

1 000 mm。水位計鏡像成像原理如圖2所示。

設計方案如下：1） 設計一密閉箱體，在水位計正前方加設一次反射鏡，在水位計上方加設二次反射鏡，攝像頭安裝在二次反射鏡前，攝像頭對二次鏡像進行成像。根據鏡像成像原理，確保不遮擋反射光線的前提下，根據攝像頭可安裝高度確定反射鏡的大小及傾斜角度，完成箱體結構設計，使水位計和兩組反射鏡密閉在同一箱體內。2） 如圖2所示，經過兩次反射鏡成像，將水位計窗口圖像反射到攝像頭正前方，攝像頭與水位計圖像間距離約為2 200 mm，垂直視場角為23 °，完全滿足全量程監視要求。

3.2 外部光線及粉塵影響圖像質量的解決方案

由于水位計與兩組反射鏡均密閉在同一箱體內，為保證光照度，在箱體內加設照明冷光源，確保箱體內光照穩定，不受外部光線干擾，同時解決了現場粉塵對水位計窗口的污染問題。為便于攝像頭的安裝及維護，將攝像頭安裝在箱體外。為保護攝像頭不受外部光線干擾及粉塵污染，在箱體上加裝一可拆卸攝像頭密封罩，將攝像頭進行封閉。

3.3 改進技術要點總結

1） 水位計的量程H及實際可安裝距離L1的確定。根據最小安裝距離計算公式L=fH/h=6H/3.6=1.66H得出，攝像頭在水位計前的最小安裝距離約為水位計量程的1.66倍。如圖2所示，經過兩次成像，水位計圖像距第二反射鏡距離（L2）約為第一反射鏡與水位計距離（可安裝距離L1）的2倍多，即L2≥2L1;為預留攝像頭安裝空間，可設定攝像頭與第二反射鏡距離L3=L1-500 mm;初步設計時可按如下公式進行驗算：L2+L3≥L，即L2+L3=2L1+L1-500=3L1-500≥1.66H。通過以上計算可以得出結論：只要保證3倍的實際可安裝距離（3L1）減去500 mm預留空間，所得值大于等于1.66倍的水位計量程（1.66H），即可保證對水位計的全量程監視。

2） 反射鏡尺寸及傾斜角度的確定。如圖2所示，經過兩次反射，以最高和最低量程點與虛擬監視點的光線路徑確保在鏡面內、且不被遮擋為原則，確定兩組反射鏡尺寸;并根據結構尺寸要求，確定攝像頭安裝高度，依據攝像頭的高度確定反射鏡的傾斜角度。

3） 大量程水位計水位電視監視設計中注意事項。當水位計量程大于1 m時，兩個反射鏡盡量不要上下設置，可采用左右布置型式，這樣可以避免箱體過高導致不易安裝及不夠穩定。

4） 生物質發電機組汽包水位電視監視設計中注意事項。由于生物質發電機組（如秸稈發電機組）爐體結構的特殊性，在鍋爐啟動及不同負荷條件下，汽包隨著爐體上下浮動;同時，汽包本身隨著冷熱態變化產生熱膨脹、冷收縮，汽包水位計也將隨著汽包上下、左右位移。因此，在設計秸稈爐汽包水位電視監視裝置時，封閉箱體與水位計之間需采用軟連接封閉結構，避免因水位計發生位移而損壞箱體結構。

4 結語

本課題利用鏡像成像原理解決了大多數情況下因汽包周圍空間狹小而不能安裝水位計監視裝置或因水位計量程大、攝像頭視場角小而無法全量程監視等問題;解決了自然光和燈光等外界光源對水位計中水汽顏色的干擾，同時避免了現場粉塵對水位計窗口的污染，確保汽紅水綠的水位計圖像清晰可靠;有效保護了水位計監視裝置內攝像機的正常使用，攝像頭對鏡像成像，不直接照射水位計，防止了熱輻射對攝像機的傷害和灰塵對攝像機鏡頭的污染，保證觀測效果。利用鏡像成像原理進行汽包水位電視監視裝置改進設計，是采用多學科技術解決設計難題的一次成功應用。

參考文獻

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