基于落渣圖像的煤粉鍋爐爐內結渣監測試驗研究

林國輝，朱 靜，姜國強，錢芳樹，陳曉瑋，周永剛，黃群星

（1.浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000；2.浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027）

0 引言

燃煤鍋爐在運行過程中，容易出現受熱面結渣的情況，結渣嚴重時，積聚形成的大渣塊掉落會造成安全事故［1］，及時投用吹灰器吹灰是避免爐內結渣惡化的有效措施［2-3］。發展煤粉鍋爐爐內結渣實時監測方法，準確獲取爐內結渣位置、結渣程度等信息，對吹灰器的高效投用、燃燒優化以及保障鍋爐安全經濟運行具有重要意義［4-6］。

現有的結渣監測技術可以分為爐內整體結渣狀況監測和局部區域結渣監測。整體結渣監測主要是通過爐膛出口煙溫變化或鍋爐整體熱平衡和傳熱計算等參數對爐內整體結渣情況進行診斷［7-9］。鄧喆等［10］通過聲學測溫裝置實時測量爐膛出口煙溫，并結合BP神經網絡提出了一種在線監測爐膛整體結渣的監測方法。周永剛等［11］利用彩色相機監測爐膛出口溫度，根據吹灰后的溫升速率來監測爐內結渣情況。閻維平等［12］采用熱平衡計算原理，開發了積灰結渣在線監測系統。劉經華等［13］利用鍋爐尾部對流受熱面測點處煙氣的溫度和壓力準確計算受熱面的積灰厚度，實現了受熱面積灰厚度的實時監測。局部區域結渣監測是基于聲學、光學、熱力學［14］等手段對爐內受熱面局部的結渣進行定位。童通通［15］基于到達時間差比值的網格定位法，利用落渣掉落產生的振動信號實現了爐內落渣的定位。Afonso 等［16］在爐膛不同方位布置紅外成像儀來測量水冷壁的發射率，根據發射率的大小指導吹灰器的投用。高繼錄等［17］設計了超細高溫熱流計，實現了受熱面熱流密度的準確測量，并基于該熱流計開發了水冷壁結渣實時監測系統。張劍等［18］利用熱電偶測溫技術監測水冷壁的溫度變化，建立了爐膛局部結渣監測模型。Zhou等［19-20］提出在爐底撈渣機布置溫度矩陣測點，結合吹灰器的運行來反演落渣大小和位置。

準確掌握爐內結渣的位置及結渣程度，對于指導爐內吹灰器的高效投用至關重要，而整體結渣監測技術只能獲得結渣趨勢，較難得到具體結渣的位置。現有的基于聲學、光學、熱力學等手段的局部區域結渣監測由于爐內高溫、高飛灰的環境，較難實現長時間監測。本文根據爐內落渣圖像，結合數字圖像處理技術在顆粒粒徑、速度等參數測量方面的應用［21-23］，提出基于落渣圖像的煤粉鍋爐爐內結渣監測方法，結合壓縮空氣冷卻相機鏡頭并利用氣簾防止鏡頭玷污的技術，通過對記錄落渣圖像進行處理，確定渣塊大小、落渣位置和亮度等參數，獲得不同負荷吹灰器投用下爐內落渣的分布特征，實現了爐內落渣的實時監測。

1 監測方法

1.1 落渣大小和位置測量

通過相機記錄渣塊的圖像，并利用圖像處理技術獲得落渣的大小和位置等信息是實現爐內結渣監測的方法之一。為得到落渣的高度參數，提出了延長曝光時間記錄落渣軌跡的方法，如圖1所示。根據軌跡的寬度和長度計算落渣的大小和速度，進而反演落渣的高度，計算過程如下。

圖1 渣塊軌跡圖像

1）根據相機的成像倍率x得到渣塊的直徑d：

式中：W為渣塊軌跡的寬度。

2）渣塊掉落的速度V可表示為：

式中：L為渣塊軌跡長度；t為相機的曝光時間。

3）渣塊在重力作用下從受熱面上脫落，而受熱面附近煙氣流速小，因此假設渣塊做初速度為零的自由落體運動，則渣塊的高度H為：

式中：k為考慮爐內高溫、高灰環境的修正系數，根據爐內標定結果取0.99；g為重力加速度。

1.2 渣塊軌跡識別

長時間記錄爐內落渣圖像發現，由于鍋爐負荷變化以及爐內燃燒波動，導致圖像背景火焰閃爍，渣塊軌跡圖像與背景區別不明顯，如圖2（a）所示。現有的全局閾值、自適應閾值或顆粒模板提取顆粒軌跡方法較難準確識別渣塊。通過分析前后兩幀中渣塊的圖像發現，相鄰兩幀圖像背景變化很小，渣塊在兩幀圖像中的位置明顯不同。因此，利用前后兩幀圖像的差異對相鄰圖像做差處理，進一步對做差圖像進行二值化處理后，可以較準確地判斷圖像內是否有渣塊，從而提取渣塊軌跡，如圖2（b）所示，由此計算渣塊的位置和亮度。

圖2 渣塊軌跡圖像及提取

2 影響渣塊軌跡識別的因素分析

2.1 落渣冷態實驗臺

為了分析曝光時間，渣塊數量、形狀及渣塊與鏡頭距離等因素對渣塊軌跡識別的影響，搭建了爐內落渣冷態模擬實驗臺，尺寸參數如圖3 所示，爐膛截面為1.84 m×1.84 m，冷灰斗傾角分別為31.4°和31.6°。相機布置在前、后墻的中間，距離側墻0.92 m，高度2.2 m，相機的焦平面基本在冷灰斗斜面上。落渣高度在冷灰斗折角上方約1.5 m處，人工控制落渣的位置、數量等參數。相機選用大恒MER-132-30GC工業相機，分辨率為1 292×964，像素尺寸3.75 μm，相機快門時間20 μs～1 s，最大幀率30 fps。通過已知尺寸的標定板對視場大小進行標定，實際視場大小為1.30 m×0.98 m。實驗渣塊的尺寸為橫截面40 mm×40 mm，長40 mm、50 mm、60 mm不等。

圖3 爐內落渣冷態模擬實驗臺示意圖

2.2 影響因素分析

不同曝光時間下渣塊的軌跡如圖4所示，曝光時間越長，渣塊的運動軌跡越長。實際測量過程中，視場內會同時存在多個渣塊，如果曝光時間太長，勢必會有多個渣塊的軌跡發生重疊、交叉，這會給渣塊軌跡的識別及速度的準確計算帶來很大難度。因為當渣塊軌跡重疊時，一般會將交叉的渣塊識別為同一個，軌跡的長寬比將發生變化。如果相機的曝光時間太短，渣塊的運動軌跡很短，則會引起較大的速度計算誤差。一般采用顆粒軌跡計算速度時，軌跡的長寬比L/W應該在3～8。假設L/W為5，不同大小渣塊曝光時間隨下落高度的變化如圖5所示，隨著落渣高度的增加，最優曝光時間呈指數率減少，渣塊越大，所需要的曝光時間越長。考慮到實際落渣的位置主要在燃燒器上方附近（高度30～40 m），在落大渣前會有征兆地掉落小渣，故曝光時間應設置在約20 ms。

圖4 不同曝光時間下渣塊的軌跡圖像

圖5 最優曝光時間設置隨落渣高度的變化

實際燃煤鍋爐爐內落渣的形狀是不規則的，而渣塊的形狀對渣塊下落速度的計算有較大影響，從而影響落渣高度的定位。長方體形渣塊橫著落下的軌跡如圖6 所示，可以發現當其橫著落下時，渣塊豎直方向的軌跡長度L會小于軌跡的寬度W，這就會引起計算錯誤。同理，當其豎著落下時，軌跡長度L大于實際運動軌跡的長度，從而引起高度的計算誤差。在L＜W時，可以引入新的判據去掉該數據，但第二種情況很難判斷渣塊是從高處落下還是長方體形渣塊豎著落下。為了避免不規則形狀渣塊高度的測量偏差引起結渣位置誤判，采用長時間記錄渣塊軌跡的方法，利用大量渣塊的軌跡數據來統計分析結渣位置。

圖6 長方體形渣塊軌跡圖像

通過兩個相機分別記錄冷灰斗處的渣塊軌跡，渣塊不可避免地會在鏡頭處留下運動軌跡。在渣塊距離鏡頭較近時，其圖像亮度明顯高于背景，而對應冷灰斗處的渣塊軌跡亮度明顯降低，利用亮度閾值可以減少渣塊軌跡的重復統計和誤判。

對于爐內復雜的測試環境，通過實驗室試驗分析，提出利用渣塊軌跡的長寬比、亮度特征及大數據統計的方法來提高結渣監測的準確性。

3 爐內結渣監測試驗及分析

3.1 現場試驗系統布置

為了獲得實際爐內的落渣圖像，實現爐內結渣的實時監測，在某發電廠超超臨界660 MW 機組鍋爐冷灰斗處安裝4 臺相機，位置如圖7（a）所示，爐膛橫截面長19.6 m，寬16.9 m，相機布置在爐底冷灰斗折角上方0.9 m，距離側墻3.6 m，前、后墻各布置兩臺。落渣圖像記錄系統布置如圖7（b）和7（c）所示，主要由保護氣源、測槍、控制柜和測槍進出執行機構組成。為了減少爐內對設備的輻射熱，采用1 mm針孔鏡頭，大大縮小了輻射面積。對鏡頭的保護采用雙層防護罩，由兩路氣體對鏡頭進行冷卻，并將冷卻氣從防護罩前端吹出，可以壓住爐內火焰，擋住灰塵。測槍進出執行機構以帶自鎖電機作為動力，采用高精密金屬導軌傳動，使設備伸進和退出平穩可靠，減少了測槍運動周期（5 s 內）。測槍控制系統采用PLC 可編程控制，提高了系統的可操作性和可靠性。為了進一步保護鏡頭，在測槍頭部布置熱電偶，保護氣源管路上安裝壓力表以監測鏡頭的溫度和氣源壓力，當鏡頭溫度超過設定值（55 ℃）或氣源壓力低于規定值（0.1 MPa）時，測槍自動退出，同時調小氣源流量。

圖7 相機在爐底冷灰斗的布置位置

3.2 實驗結果與分析

連續記錄爐內落渣圖像，利用圖像相減的方法判斷視場內是否有渣塊。對有渣塊圖像中的渣塊特征進行識別，獲得落渣的位置，進一步計算落渣軌跡長度，得到落渣的高度信息。對所得信息進行統計，分析得出高負荷、低負荷、降負荷及吹灰時爐內的落渣規律。

3.2.1 爐內落渣量的變化

試驗期間落渣直徑d隨時間及鍋爐負荷、撈渣機出力的對應關系如圖8所示，渣塊直徑大部分在30 mm 左右，個別較大渣塊直徑有70 mm。在吹灰器投用、高負荷及降負荷過程中爐內的落渣量都較大，而且落渣大小比低負荷時間段內的大。吹灰器投用在16：40 左右，隨后在17：00—18：00落渣量明顯增多，說明吹灰器的投用使爐壁上的渣塊脫落，而撈渣機的油壓延遲15 min 才上升。對比隨后落渣量的增加和油壓上升，都有一定的延遲時間，推測是因為渣塊落到冷渣池，在冷渣池中運動產生的阻力較小，在撈渣過程中渣量的增加才會引起較明顯的油壓上升，渣塊在渣池中運動的時間造成油壓上升時間延遲。整體而言，根據落渣圖像判斷的落渣量增加與爐底撈渣機油壓的上升趨勢是一致的，驗證了監測系統測量結果的準確性。鍋爐高負荷運行過程中落渣量明顯高于低負荷，在降負荷過程中落渣量有明顯躍升的現象，后墻右和前墻的落渣直徑明顯增加，前墻右增幅最大，降負荷造成的高頻率落渣持續12 min。可見，鍋爐高負荷運行時，入爐煤量大，爐內溫度高，爐內易結渣，落渣量大；在降負荷的過程中，爐內空氣擾動加上爐內溫度水平降低，引起渣塊掉落。

圖8 爐內落渣大小隨時間變化

多次實驗發現，相機記錄到的基本都是小渣塊，渣塊的密度取2.3×103kg/m3，則落渣的質量范圍為9.6～260 g，未監測到質量大的渣塊掉落。也未觀測到大的渣塊。鍋爐燃用煤種為發電廠摻配的不易結渣煤，同時鍋爐每日的負荷波動大（中午和夜間低負荷運行），使得爐內很難發生嚴重結渣從而掉落大渣塊，這與實際監測結果一致。

3.2.2 爐內落渣位置分布

根據落渣的軌跡長度和曝光時間計算落渣高度。爐內落渣高度隨時間及鍋爐負荷的對應關系如圖9所示，結果表明大部分的落渣分布在燃燒器和燃盡風區域，即鍋爐20～45 m 高度的位置，45 m 以上落渣量較少。在爐內吹灰及降負荷的過程中，45 m 以上高度的落渣量明顯增加，且前墻右增幅最明顯。低負荷運行落渣的數量明顯減少，大部分是燃燒器區域的落渣。不同試驗工況下爐內各位置落渣頻率的統計值如圖10 所示，前墻右的落渣頻率最高，其次是后墻左，高負荷下的落渣頻率約為低負荷的5 倍。低負荷運行4.5 h 后吹灰，前墻右的落渣頻率增加為原來的2.7倍，對應爐膛燃盡風高度吹灰器投用，可以說明前墻右燃盡風附近局部區域結渣。

圖9 爐內落渣位置隨時間變化

圖10 爐內不同位置的落渣頻率

爐內不同位置的落渣平均高度如圖11 所示。由圖11可見落渣的平均高度在30 m左右，燃燒器區域的落渣占比較大。高負荷吹灰時落渣的平均高度略高于高負荷時吹灰器在燃盡風區域）。降負荷時落渣的平均高度增大，前墻的增幅大于后墻，平均高度從30 m增加到38 m，其中前墻右增幅大于前墻左，說明降負荷的過程中燃燒器上方的落渣量增加，增幅越大則該區域的結渣就越多。低負荷和低負荷吹灰時落渣平均高度變化不大，說明低負荷運行時爐內燃盡風區域結渣不明顯，這與低負荷時未投用上層燃燒器有關。

圖11 爐內不同位置的落渣平均高度

進一步分析降負荷期間各位置落渣高度的分布及大小，如圖12 所示，整體上燃燒器區域主要為小塊渣（d≤40 mm），而燃盡風區域分布了一些較大的渣塊（大小在50～70 mm），高于45 m 以上區域落渣量明顯降低，落渣直徑也有減小。燃燒器和燃盡風區域因爐膛熱負荷高，一般屬于易結渣的區域，未發生嚴重結渣時，在煙氣擾動的作用下結渣易脫落，故爐內落渣圖像監測系統在該區域監測到較多的小渣塊掉落。

圖12 降負荷期間爐內不同位置的落渣高度分布

3.2.3 落渣圖像的亮度特征

在相機記錄參數不變時，渣塊的亮度可間接反映渣塊的溫度。將提取的渣塊軌跡彩色圖像轉為灰度圖，并進行歸一化，統計3 446 個落渣圖像，爐內落渣亮度和高度關系如圖13 所示，隨著落渣高度的增加，亮渣的比例增大，線性擬合斜率為正。一般暗色的渣塊是在受熱面上冷卻后掉落的，而亮渣多為熔融態的渣，會使受熱面發生高溫腐蝕，且容易粘連形成大渣，所以應該通過燃燒調整避免爐內頻繁掉落亮渣。

圖13 爐內落渣亮度和高度關系

通過采用本文提出的落渣圖像監測系統，可以對爐內結渣位置、結渣大小、落渣頻率進行監測，統計得到頻繁落渣位置的參數。運行人員可以基于該數據調整吹灰器的投用，對頻繁落渣的區域進行加強吹灰，避免該局部區域的結渣惡化，在低負荷時降低吹灰頻次，從而實現結渣監測和燃燒調整的閉環控制。

4 結論

本文通過搭建爐內落渣冷態模擬實驗臺并在660 MW 機組鍋爐冷灰斗處安裝落渣圖像監測系統，分析影響渣塊軌跡識別的因素，對現場記錄的落渣圖像進行處理并統計爐內落渣規律，得出如下結論：

1）分析曝光時間、渣塊數量及形狀等因素對渣塊軌跡識別的影響，提出利用渣塊軌跡的長寬比、亮度特征及大數據統計的方法提高結渣監測的準確性。對于爐內復雜的測試環境，采用相鄰兩幀圖像相減的方法能夠較準確地提取渣塊軌跡。

2）根據長時間記錄爐內落渣圖像所判斷的落渣量增加與爐底撈渣機油壓上升趨勢的一致性，驗證了監測系統的準確性。

3）隨著落渣高度的增加，亮渣的比例增大。渣塊的亮度越大，溫度越高，由于熔融態的渣易造成高溫腐蝕，且容易粘連形成大渣，因此對于頻繁落亮渣的區域應予以關注。