電站鍋爐煙道內飛灰圖像采集裝置及光譜衰減系數和散射反照率的在線測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種電站鍋爐煙道內飛灰的圖像采集裝置及飛灰光譜衰減系數和散射反照率的在線測量方法，其中圖像采集裝置包括一個一次空氣濾凈器；一個二次空氣濾凈器；一個爐墻基板；一個紅外鏡頭；一個紅外相機以及一個可調裝置，該可調裝置用于將紅外鏡頭從舒適鏡頭穿孔伸進或伸出煙道，在紅外鏡頭和紅外相機的外側還設置有一空心的罩殼，在所述罩殼內通入從所述罩殼前端開口噴出用于形成一保護氣膜的壓縮空氣。本發明可以同時測量煙道內飛灰的光譜衰減系數、散射反照率和高溫過熱器表面的光譜發射率，具有較高的穩定性，可為電站鍋爐重要位置溫度在線監測及壽命評估等技術提供基礎數據支撐。
【專利說明】
電站鍋爐煙道內飛灰圖像采集裝置及光譜衰減系數和散射反 照率的在線測量方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種電站鍋爐煙道內飛灰光譜衰減系數和散射反照率的在線測量方 法及裝置，屬于材料熱輻射物性測量技術領域。
【背景技術】
[0002] 電站鍋爐的重要部件，如：高溫過熱器、高溫再熱器、蒸汽聯箱等，長期處在高溫、 高壓、氣體腐蝕、顆粒沖刷的惡劣壞境下，容易出現爆管事故，而超溫蠕變是影響最大的原 因之一，因此為了保障電站鍋爐的安全穩定運行，需要對這些重要部件的壁面溫度進行在 線測量并進行壽命評估。目前常見的熱電偶無法長期耐受高溫環境，帶冷卻裝置的紅外相 機實時在線監測爐膛和煙道內的高溫物體的溫度參數逐漸成為一種趨勢。
[0003] 由于紅外相機測溫利用的是熱輻射的傳輸理論，在電站鍋爐內承受高溫高壓的重 要部件在煙道中，被熱輻射參與性的氣體和飛灰所覆蓋，由于飛灰的存在，對相機探測的紅 外光線發生吸收、散射甚至發射作用，影響到紅外相機的測溫精度，因此必須要對電站鍋爐 煙道內飛灰光譜衰減系數和散射反照率進行測量，從而修正紅外相機的測量溫度。
[0004] 鍋爐煙道內飛灰的光譜衰減系數和散射反照率等熱輻射物性參數跟飛灰的種類、 流速、團聚、濃度都有關系，因此離線測量不能得到準確的熱輻射物性參數，需要對它們進 行在線測量。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種測量準確度 高的電站鍋爐煙道內飛灰光譜衰減系數和散射反照率的在線測量方法及裝置。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明裝置所采用的技術方案是：
[0007] -種電站鍋爐煙道內飛灰的圖像采集裝置，其特征是，包括：
[0008] -個一次空氣濾凈器，用于粗略過濾電廠雜用壓縮空氣中的水和油；
[0009] -個二次空氣濾凈器，用于精細過濾由一次空氣濾凈器粗過濾的壓縮空氣；
[0010] -個爐墻基板，用于連接爐墻并密封爐墻開孔，在爐墻基板內設有鏡頭穿孔，在爐 墻基板內還設有一與所述鏡頭穿孔連通的內部腔體，在所述內部腔體通用于冷卻的壓縮空 氣；
[0011] -個紅外鏡頭，用于收集進入視場內的紅外信號；
[0012] -個紅外相機，用于對紅外鏡頭所收集的紅外信號進行成像；
[0013] -個可調裝置，安裝在爐墻基板上，所述紅外鏡頭及紅外相機均連接在可調裝置 上，該可調裝置用于將所述紅外鏡頭從舒適鏡頭穿孔伸進或伸出煙道，在所述紅外鏡頭和 紅外相機的外側還設置有一空心的罩殼，該罩殼具有一位于紅外鏡頭前端的開口，經所述 二次空氣濾凈器過濾后的壓縮空氣通入罩殼與所述紅外鏡頭和紅外相機之間，在所述罩殼 內通入從所述罩殼前端開口噴出用于形成一保護氣膜的壓縮空氣。
[0014] 在所述紅外鏡頭內置一個ΙΟμL?的濾波片。
[0015] -種在線測量電站鍋爐煙道內飛灰光譜衰減系數和散射反照率的方法，其特征在 于，包括以下步驟：
[0016] S1:在鍋爐停爐期間，在紅外相機的視場范圍內布置不少于6個熱電偶測點；
[0017] S2:設置紅外相機的幀率、曝光時間，將紅外相機對焦到重要部件表面；
[0018] S3:在鍋爐起爐后采集熱電偶的溫度數據和紅外相機的圖像數據，并將溫度數據 和圖像數據接入計算服務器中，計算得到電站鍋爐煙道內飛灰的光譜衰減系數和散射反照 率，以及視場內重要部件壁面的光譜發射率。
[0019] 所述計算服務器計算電站鍋爐煙道內飛灰的光譜衰減系數和散射反照率，以及視 場內重要部件壁面的光譜發射率的具體方法是：
[0020] 步驟一、假設輻射物性參數:飛灰介質的光譜衰減系數仇、光譜散射反照率ωλ，重 要壁面的光譜發射率^，代入煙溫T(r)，聯立邊界條件和穩態輻射傳遞方程，通過有限體積 法計算得到煙道內飛灰的熱輻射強度Ι(λ， Γ，Ω );
[0021 ]其中，穩態輻射傳遞方程為：
[0023]式中：Ι(λ，Γ，Ω )表示煙道內飛灰的在位置r處、沿Ω方向，在波長λ內的光譜熱輻 射強度，s表示在微元體內沿Ω方向的距離，表示飛灰在波長為λ內的光譜衰減系數，ωλ表 示飛灰在波長為λ內的光譜散射反照率，T(r)表示煙道內位置為r處的煙溫， C1表示普朗克 定律第一輻射常數，C2表示普朗克定律第二輻射常數，Φ ( Ω，Ω ')表示由Ω '方向入射由Ω 方向出射的散射相函數，Ω '表示立體角微元大小；
[0024]煙道的熱輻射邊界條件為：
[0027] 式中：/：；(足Ω)表示由重要壁面側到飛灰介質內的方向輻射強度，ελ表示重要壁面 在波長為λ下的光譜發射率，1^表示重要壁面的溫度，n wl表示重要壁面的法線方向向量， /:(1,Ω)表示飛灰介質內重要壁面處、沿Ω方向、波長為λ內的光譜輻射強度，/: 2(Α?!)表示 由鏡頭側到飛灰介質內的方向輻射強度；
[0028] 步驟二、計算得到飛灰的廣義源項S(A，r，Ω ):
[0030]式中：S(A，r, Ω )表不飛灰介質在位置r處、沿Ω方向、波長為λ內的廣義光譜福射 源項；
[0031]步驟三、計算由紅外相機探測得到的光譜輻射強度Icamera(A，Ω ):
[0033] 式中：Ι^_(λ，Ω)表示相機探測得到的沿Ω方向、波長為內的光譜輻射強度，下 標i和j分別表示紅外光線所經過的控制體編號，1到η表示由重要壁面側到相機側的順序編 號，C (1，Ω)為由熱電偶(8)測量得到的溫度值；
[0034] 步驟四、將光譜輻射強度Icamera(A，Ω )作為估計值，利用紅外相機(6)實際測量得 到的光譜輻射強度Ω )作為測量值，將兩者做最小二乘形式的目標函數
，設定目標函數的閾值ε < 1〇_6，通過量子微粒群算法可以 反演出飛灰的光譜衰減系數以和散射反照率《1，以及重要壁面的光譜發射率^代入由熱電 偶(8)測量得到的溫度值G GJi V
[0035] 本發明利用停爐檢修期間布置幾個熱電偶測點，考慮到熱電偶在煙道內的壽命， 采集從起爐、升負荷、并網到穩定運行一周左右的數據，測量得到電站鍋爐煙道內飛灰光譜 衰減系數和散射反照率的一種在線測量方法及裝置，具有較高的穩定性和實踐性，可為電 站鍋爐重要位置溫度在線監測及壽命評估等技術提供基礎數據支撐。
【附圖說明】
[0036]圖1測量裝置原理示意圖；
[0037]圖2煙道內熱電偶布局；
[0038] 圖3手動退出裝置內部相機和鏡頭布局；
[0039] 其中：1. 一次空氣濾凈器、2.含二次空氣濾凈器的控制箱、3.可調裝置、4.爐墻基 板、5.紅外鏡頭、6.紅外相機、7.計算服務器、8.熱電偶、9.壓縮空氣、91.未經過濾的壓縮空 氣、92.未經過濾的壓縮空氣、93.經過過濾的壓縮空氣、10.相機電源線、11.紅外相機數據 線、12.熱電偶數據線、13.重要表面管路。
【具體實施方式】
[0040] 參見附圖1-3,本發明的電站鍋爐煙道內飛灰光譜衰減系數和散射反照率的一種 在線測量裝置實施例，其包括：
[0041] -個一次空氣濾凈器1，用于粗略過濾電廠雜用壓縮空氣中的水和油，以減小二次 空氣濾凈器2的過濾壓力；
[0042] -個二次空氣濾凈器2,用于精細過濾由一次空氣濾凈器1粗過濾的壓縮空氣，過 濾后的氣體可直接與相機和鏡頭接觸；
[0043] -個可調裝置3，可通過手動或電動進行調節，安裝在爐墻基板4上，可以伸進煙道 對準鍋爐重要位置，通過軟管連接上二次空氣濾凈器2后，可為阻止煙道飛灰沉積在紅外鏡 頭5表面，同時還可帶走紅外鏡頭5和紅外相機6的熱量;另外一路壓縮空氣通道接未經過濾 的壓縮空氣，可以形成一個冷卻保護氣膜，阻隔煙道內的高溫煙氣進入手動退出裝置3;
[0044] -個爐墻基板4,用于密封爐墻開孔并連接爐墻和手動退出裝置3,內部腔體通未 經過濾的壓縮空氣，減小由爐墻給手動退出裝置3的直接導熱換熱；
[0045] -個紅外鏡頭5，用于收集進入視場內的紅外信號，內置一個ΙΟμπι的濾波片；
[0046] -個紅外相機6,用于對紅外鏡頭所收集的紅外信號進行成像，并輸出視場內的紅 外溫度分布；
[0047] -個計算服務器7,放置在電廠集控室的電子間機柜中，通過光纖輸入紅外相機6 溫度數據、熱電偶8溫度數據、出口煙溫數據，內置分析軟件在線輸出飛灰的光譜衰減系數 和散射反照率，以及視場內重要部件壁面的光譜發射率。
[0048]為采用上述裝置在線測量電站鍋爐煙道內飛灰光譜衰減系數和散射反照率的方 法的實施例，具體包括以下步驟：
[0049] S1:在鍋爐停爐期間，如附圖2所示，在紅外相機6的視場范圍內布置9個熱電偶測 點，通過電纜將溫度數據接入計算服務器中；
[0050] S2:設置紅外相機的幀率、曝光時間，將紅外相機對焦到重要部件表面，通過光纖 將溫度數據接入計算服務器中；
[0051] S3:在鍋爐起爐后采集溫度數據，并利用分析軟件計算得到電站鍋爐煙道內飛灰 的光譜衰減系數和散射反照率，以及視場內重要部件壁面的光譜發射率。
[0052]所述分析軟件的計算原理為：
[0053] 通過穩態輻射傳遞方程建立煙道內飛灰的熱輻射強度與煙溫和熱輻射物性參數 的聯系，聯立邊界條件和穩態輻射傳遞方程，通過有限體積法計算得到煙道內飛灰的熱輻 射強度Ι(λ， Γ，Ω);
[0054] 穩態輻射傳遞方程為：
L0056J 式中：Ι(λ，Γ，Ω)表示煙道內飛灰的在位置r處、沿Ω方向，在波長λ內的光譜熱輻 射強度，s表示在微元體內沿Ω方向的距離，表示飛灰在波長為λ內的光譜衰減系數，ωλ表 示飛灰在波長為λ內的光譜散射反照率，T(r)表示煙道內位置為r處的煙溫， C1表示普朗克 定律第一輻射常數，C2表示普朗克定律第二輻射常數，Φ ( Ω，Ω ')表示由Ω '方向入射由Ω 方向出射的散射相函數，Ω '表示立體角微元大小；
[0057]煙道的熱輻射邊界條件為：
[0060]式中表示由重要壁面側到飛灰介質內的方向輻射強度，ελ表示重要壁面 在波長為λ下的光譜發射率，1^表示重要壁面的溫度，nwl表示重要壁面的法線方向向量， /J/Uil)表示飛灰介質內重要壁面處、沿Ω方向、波長為λ內的光譜輻射強度，Α: 2μ，Ω)表示 由鏡頭側到飛灰介質內的方向輻射強度；
[0061]在計算得到煙道內飛灰的熱輻射強度后，進而通過下式計算得到飛灰的廣義源項 S(A,r, Ω )：
[0063]式中：S(A,r, Ω )表不飛灰介質在位置r處、沿Ω方向、波長為λ內的廣義光譜福射 源項；
[0064]通過離散傳遞法得到紅外相機(6)探測得到的光譜熱輻射強度與廣義光譜輻射源 項之間的關系：
[0066] 式中：ΙΜ?^(λ，Ω )表示相機探測得到的沿Ω方向、波長為內的光譜輻射強度，下 標i和j分別表示紅外光線所經過的控制體編號，1到η表示由重要壁面側到相機側的順序編 號。
[0067] 計算服務器7計算電站鍋爐煙道內飛灰的光譜衰減系數和散射反照率，以及視場 內重要部件壁面的光譜發射率的具體方法是：
[0068]假設輻射物性參數:飛灰介質的光譜衰減系數以、光譜散射反照率〇^，重要壁面的 光譜發射率ελ，代入煙溫T(r)，聯立邊界條件（公式（2)和（3))和穩態輻射傳遞方程（公式 (1))，通過有限體積法計算得到煙道內飛灰的熱輻射強度Ι(λ，Γ，Ω);根據公式(4)進而計 算得到飛灰的廣義源項S(A，r，Ω )，代入由熱電偶(8)測量得到的溫度值/^μ,Ω)，根據公 式(5)即可計算由紅外相機探測得到的光譜輻射強度Ω )，將其作為估計值，利用 紅外相機(6)實際測量得到的光譜輻射強度Ι\_^(λ，Ω )作為測量值，將兩者做最小二乘 形式的目標函數
，設定目標函數的閾值ε<1〇Λ通過量子 微粒群算法可以反演出飛灰的光譜衰減系數以和散射反照率ωλ，以及重要壁面的光譜發射 率ελ〇
【主權項】
1. 一種電站鍋爐煙道內飛灰的圖像采集裝置，其特征是，包括： 一個一次空氣濾凈器(1)，用于粗略過濾電廠雜用壓縮空氣中的水和油； 一個二次空氣濾凈器(2)，用于精細過濾由一次空氣濾凈器(1)粗過濾的壓縮空氣； 一個爐墻基板(4)，用于連接爐墻并密封爐墻開孔，在爐墻基板(4)內設有鏡頭穿孔，在 爐墻基板(4)內還設有一與所述鏡頭穿孔連通的內部腔體，在所述內部腔體通用于冷卻的 壓縮空氣； 一個紅外鏡頭(5)，用于收集進入視場內的紅外信號； 一個紅外相機(6)，用于對紅外鏡頭所收集的紅外信號進行成像； 一個可調裝置(3)，安裝在爐墻基板(4)上，所述紅外鏡頭及紅外相機均連接在可調裝 置上，該可調裝置用于將所述紅外鏡頭從舒適鏡頭穿孔伸進或伸出煙道，在所述紅外鏡頭 和紅外相機的外側還設置有一空心的罩殼，該罩殼具有一位于紅外鏡頭前端的開口，經所 述二次空氣濾凈器（2)過濾后的壓縮空氣通入罩殼與所述紅外鏡頭和紅外相機之間，在所 述罩殼內通入從所述罩殼前端開口噴出用于形成一保護氣膜的壓縮空氣。2. 根據權利要求1所述的電站鍋爐煙道內飛灰的圖像采集裝置，其特征是，在所述紅外 鏡頭(5)內置一個ΙΟμπι的濾波片。3. -種采用如權利要求1或所述圖像采集裝置在線測量電站鍋爐煙道內飛灰光譜衰減 系數和散射反照率的方法，其特征在于，包括以下步驟： SI:在鍋爐停爐期間，在紅外相機(6)的視場范圍內布置不少于6個熱電偶(8)測點； S2:設置紅外相機(6)的幀率、曝光時間，將紅外相機對焦到重要部件表面； S3:在鍋爐起爐后采集熱電偶的溫度數據和紅外相機的圖像數據，并將溫度數據和圖 像數據接入計算服務器(7)中，計算得到電站鍋爐煙道內飛灰的光譜衰減系數和散射反照 率，以及視場內重要部件壁面的光譜發射率。4. 根據權利要求3所述的在線測量方法，其特征在于:所述計算服務器(7)計算電站鍋 爐煙道內飛灰的光譜衰減系數和散射反照率，以及視場內重要部件壁面的光譜發射率的具 體方法是： 步驟一、假設輻射物性參數:飛灰介質的光譜衰減系數以、光譜散射反照率ωλ，重要壁 面的光譜發射率^，代入煙溫T(r)，聯立邊界條件和穩態輻射傳遞方程，通過有限體積法計 算得到煙道內飛灰的熱輻射強度Ι(λ， Γ，Ω ); 其中，穩態輻射傳遞方程為：式中：Ι(λ，Γ，Ω)表示煙道內飛灰的在位置r處、沿Ω方向，在波長λ內的光譜熱輻射強 度，s表示在微元體內沿Ω方向的距離，表示飛灰在波長為λ內的光譜衰減系數，ωλ表示飛 灰在波長為λ內的光譜散射反照率，T(r)表示煙道內位置為r處的煙溫，(^表示普朗克定律 第一福射常數，C2表不普朗克定律第二福射常數，φ ( Ω，Ω ')表不由Ω '方向入射由Ω方向 出射的散射相函數，Ω '表示立體角微元大小； 煙道的熱輻射邊界條件為：式中表示由重要壁面側到飛灰介質內的方向輻射強度，ελ表示重要壁面在波 長為λ下的光譜發射率，Twl表示重要壁面的溫度，nwl表示重要壁面的法線方向向量， 表示飛灰介質內重要壁面處、沿Ω方向、波長為λ內的光譜輻射強度，/、: 2μ.Ω)表示 由鏡頭側到飛灰介質內的方向輻射強度； 步驟二、計算得到飛灰的廣義源項S(A，r，Ω ):式中：S(A，r，Ω )表示飛灰介質在位置、沿Ω方向、波長為λ內的廣義光譜輻射源項； 步驟三、計算由紅外相機探測得到的光譜輻射強度Ω ):式中：Ι^*^(λ，Ω )表示相機探測得到的沿Ω方向、波長為內的光譜輻射強度，下標i和 j分別表示紅外光線所經過的控制體編號，1到η表示由重要壁面側到相機側的順序編號， 4 為由熱電偶⑶測量得到的溫度值； 步驟四、將光譜輻射強度Ι^?^(λ，Ω )作為估計值，利用紅外相機(6)實際測量得到的 光譜輻射強度V ，Ω )作為測量值，將兩者做最小二乘形式的目標函數τ設定目標函數的閾值ε < HT6，通過量子微粒群算法可以 反演出飛灰的光譜衰減系數以和散射反照率《1，以及重要壁面的光譜發射率^代入由熱電 偶(8)測量得到的溫度值(上Ω)。
【文檔編號】G01N1/34GK106017693SQ201610356752
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】張彪, 許傳龍, 任建新, 王式民
【申請人】東南大學