人工智能-图像处理-基于数字图像处理技术的锅炉火焰检测与污染物排放特性研究.pdf资源-CSDN文库

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ＩＮ

第一章绪论

１．１课题背景

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少有的几个能源以煤

炭为主的国割１１。在我国的能源结构中，煤炭具有举足轻重的地位，约占一次

能源的７０％以上，因而燃煤为主的火力发电机组在我国的电力上业中占重要地

位，预计到２０１０年煤电仍占我国发电总量的６５．５％。随着我国社会经济的进一

步发展，对于既是污染大户，又是能源生产重要设备的燃煤电站锅炉提出了更

加苛刻的要求。特别是对于大容量燃煤电站锅炉，对其排放指标（氮氧化物、

硫氧化物、二氧化碳等）提出了更严格的控制要求。另一方面，近年来电站锅

炉要适应电力需求的启停和中问负荷运行，燃烧器的点熄火变得频繁，同时由

于燃煤种类的多样，使燃烧状态越来越复杂化。因此燃煤发电的安全、经济运

行、清洁燃烧对国家经济的发展、人民生活的提高和生活环境的改善有着十分

重要的意义［２－３１。

电站锅炉燃烧的基本要求在于建立和保持稳定的燃烧火焰。燃烧不稳定，

不仅会降低锅炉热效率，产生污染物和噪声，而且在极端情况下会引起锅炉炉

膛灭火，如处理不当就会诱发炉膛爆燃，造成事故。为了能及时、灵敏、可靠

地检测炉内燃烧工况，防止在点火、低负荷等燃烧不稳定工况下发生事故，电

站锅炉必须配备功能齐全、性能可靠的炉膛安全监视系统。燃烧火焰是表征燃

烧状态稳定与否最直接的反映，炉膛安全监视系统投运成功与否，在很大程度

上，取决于所用的火焰检测器和炉膛灭火保护装置是否可靠与完善。在电力生

产工业中，随着电站煤粉锅炉容量的增大，蒸汽初参数的提高，大型电站煤粉

锅炉的安全性、经济性问题更加突出，对机组的燃烧调整提出了更高的要求。

因此，安全可靠的燃烧诊断技术成为电厂安全性的重要条件和基本要求１４］。

为了实现火焰燃烧控制系统的自动化监控，我们需选取一些能够及时表征

燃烧过程的热物理参数来反映设备的运行工况。目前普遍认为，采用火焰温度

场参数作为控制参量，比以汽包压力变化作为锅炉燃料的控制参量具有明显的

优越性【５】，因为燃料量扰动首先引起燃烧放热的变化，然后通过水冷壁吸热，

基于数字图像处理技术的锅炉火焰检测与污染物捧放特性研究

最后引起蒸汽出口压力变化，从总体而言这是一个纯延迟、大滞后的环节。燃

烧火焰温度场的瞬态变化直接体现了燃烧过程的稳定性，温度分布能够为燃烧

方式提供调整的依据。对于燃煤锅炉，由于炉内风、煤配比的不适当，或者燃

烧工况的改变，容易造成火焰中心偏斜。此时，气流冲刷壁面，炉膛出口两侧

烟温偏差大，导致水冷壁磨损爆管和对流受热面局部过热及高温蒸汽爆管。水

冷壁及其它对流受热面的局部高温还容易引起结渣和积灰的加剧，对锅炉的安

全性带来严重影响。另外，温度场分布与燃烧效率、气体污染物排放以及炉膛

出口未燃尽碳损失都有重要关系。由此可见，先进有效的火焰温度场参数测量

方法对于深入研究煤粉燃烧过程具有十分重大的科学意义和实用价值。

燃烧火焰具有丰富的信息，如几何参数（火焰位置、尺寸、张角、重心、

着火点）、亮度参数、温度场分布、闪烁频率等。如果温度场测量的范围是一个

“场”而不是个别点，则能够较全面地反映炉内燃烧情况，如火焰的充满度、

火焰是否偏斜或冲刷炉墙、结焦、局部高温等，流动和燃烧的组织效果也能在

炉内火焰温度场中得到同步响应。

当前煤粉炉还没有将炉内的快速、丰富的信息充分利用，对燃烧的分布情

况难以做出较全面的诊断。如何才能保证燃煤锅炉煤粉燃烧火焰检测、诊断信号

的准确无误、反应迅速，提高燃烧效率及热经济性是电厂安全运行需要解决的具

体问题，也是当前国内外电力工业部门的科研设计人员和电站运行人员研究开发

的重点课题之—阐。

由于现有火焰检测系统存在的局限性，近年来，随着摄像机和计算机技术

的不断发展，越来越多的国内外研究者把眼光投向了可视化的燃烧控制系统。

在工业ＣＣＤ（Ｃｈ鹏ｅ

Ｃｏｕｐｌｅｄ

Ｄｃｖｉｏｅ，电荷耦合器件）摄像机出现后，由于其

具有耐灼伤、图像清晰度高、工作稳定可靠、对震动和冲击损伤的抵抗力较强

等优点，迅速在电厂锅炉中以火焰电视的形式得到应用，为锅炉点火及运行调

整提供了直观的监视功能，已经成为大容量机组中必备的火焰监测手段。

基于数字图像处理的温度场检测技术是在摄像机型火焰检测技术基础上发

展起来。它融合了数字图像处理和辐射测温技术，使摄像机火焰检测技术的功

能更加多样，应用范围进一步拓宽。它不同于现有的全炉膛火焰监视，而是应

用了现代光学、计算机技术、ＣＴ层析技术和人工智能技术在内的智能化燃烧诊

２

第一章绪论

断系统。随着计算机技术特别是多媒体技术的发展，出现图像采集卡以后，使

ＣＣＤ摄像机输出的视频信号能转化为计算机可以处理的数字图像信号，意味着

原先只能定性分析的火焰图像信号可以进行定量分析，这样就为火焰的后续分

析和自动监控提供了可能。因此，摄像型火检已成为火检技术发展的重要方向。

燃烧诊断的主要研究方向是燃烧稳定性和经济性诊断，在某些燃烧领域也

常常需要对燃烧火焰的成分进行诊断。所谓燃烧诊断就是通过有效的方法获得

能反映燃烧工况的表象信息，如光谱【７－９１、微压信号［１０－１３】、色度信息ｎ４１、图象信

斛悔１研等，并采用数学方法从这些信息中获得能正确反映燃烧状况的特征信息，

经数学提炼后得到燃烧特性与燃烧工况的对应关系，将实测工况与特性工况相

比较，便可诊断燃烧的安全性或经济性。因此，实施燃烧诊断的关键是提出一

种有效的获取燃烧特性的方法，以及建立对于不同燃料，多模式的燃烧评估数

学模型。

目前，在工程上实际应用的燃烧诊断系统主要是智能化炉膛火焰检测和数

字图象处理系统，这些系统的主要诊断功能为：

（１）火焰温度场分布诊断；

（２）燃烧经济性诊断；

ａ在一定风煤比下，估算剩余可燃物；

ｂ在各种负荷下寻求优化的风煤比；

（３）燃烧稳定性监测；

（４）污染物排放量的监测与估算。

１．２温度场测量与燃烧稳定性监测

１．２．１温度场测量方法

炉膛火焰温度场的测量是燃烧诊断的核心内容ｎ他¨。鉴于温度参数对于火

焰燃烧过程的重要性，温度测量方法的研究一直是燃烧领域的热点问题。按测

量原理分类，可将温度测量方法分为接触式测温和非接触式测温两大类．

接触式测温方法的感温原件直接置于被测温度场或介质中，不受火焰的黑

度、热物性参数等因素的影响，具有使用方便、经济耐用，对环境要求不高等

优点，基本能够满足工业现场测量精度要求。但是，对于工业炉内火焰这样具

有瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场测量手段。主

３

基于数字图像处理技术的锅炉火焰检测与污染物捧放特性研究

要原因在于接触法得到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个燃烧空间场

的信号，必须在燃烧空间内合理布点，才可以根据相应的方法获得对燃烧温度

场的近似，而这对于大空间来说，几乎不可能实现。另外，大多数接触式测温

装置的动态特性不够理想，在测量上有一定的时间滞后，难以及时反应出温度

的快速变化和火焰脉动，在对高温、高速烟气测量中会产生导热误差、辐射误

差、速度误差等测量误差。因此，其应用场合往往仅限于锅炉热态特性实验或

在锅炉正常运行时，测温点在炉壁附近，所检测的只能是锅炉的部分关键部位。

非接触式测温方法分为两大类，一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参

数求解温度，如声学法【糊１和激光相位散射法渊：另一类是利用高温火焰的辐

射特性通过光学法来测量温度场【２５１，例如，谱线反转法【硐和基于图像处理的方

法［２７－３７】。基于图像处理的方法包括ＣＴ层析法和辐射强度法，其中辐射强度法

又分为单色法、双色法和三色法。

从测温原理来说，声学高温计是基于理想气体的性质，而锅炉烟气的热力

状态参数难以事先确定：另外声波法得到的是沿程平均后的结果，难以体现烟

气中温度场或流场的突变。因此，要把声速高温计发展成为精确、适用性强的

测温手段，还需解决许多问题。传统的激光相位和散射测量法要求大规模的光

学装置，信号调节和处理相当困难，不适应于吸收性太强的火焰温度测量，并

且只能测量单点温度，这些缺点限制了其应用范围。谱线反转法的主要优点是

直观、装置简便易行，另外测量过程中不涉及火焰的吸收率和发射率，它的主

要不足之处是谱线反转判定容易引入人为测量误差，并且一次温度测量需要反

复调节参考光源的亮度温度，试验量大，难以适应瞬态火焰温度的测量，因而

只适用于小型稳态火焰温度的测量。对于大型煤粉火焰温度场的测量。目前多

采用基于图像处理的方法，即ＣＴ法和辐射强度法。

１．２．２燃烧稳定性监测

电站锅炉燃烧的稳定性直接影响到电站的安全和经济运行。为了能及时可

靠地检测到炉内燃烧工况，防止在点火、低负荷等燃烧不稳定的工况下发生炉

膛爆炸、火焰刷墙、造成局部高温的温度场分布异常等情况的发生，电站锅炉

必须配备功能齐全、性能可靠的炉膛安全监视系统。在分散控制系统中，炉膛

安全保护监控系统作为其中的一个功能控制站，其主要作用是保证锅炉燃烧系

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