一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置及方法

一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置及方法，其中裝置包括一組熱電偶、紅外鏡頭、紅外CCD相機、計算機以及一套鏡頭相機冷卻裝置，紅外CCD相機連接紅外鏡頭用于記錄進入紅外鏡頭的壁面紅外信息；一組熱電偶用于測量監測范圍內高溫過熱器壁面被測區域的溫度；所述計算機，根據紅外CCD相機采集到的壁面紅外信息得到紅外CCD相機所探測的不同位置下的測點的輻射強度計算出所監測區域內的溫度分布，實現燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測。本發明具有以下優點，在線獲取高溫煙氣遮蔽下的高溫過熱器壁面溫度分布，實現多管道大范圍壁面溫度的同時監測，快速確定過熱區域以及對過熱區域進行采樣分析。
【專利說明】
-種燃煤電站鍋妒高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置及 方法
技術領域
[0001] 本發明設計一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置及方法，屬于 溫度在線監測領域。 技術背景
[0002] 隨著我國國民經濟對電力需求的不斷增長，火力發電近年來得到了長足的發展， 一大批低排放、大容量、高參數發電機組裝機并投入生產，超(超)臨界機組在電站鍋爐機組 中所占比例越來越大。
[0003] 燃煤電站鍋爐中高溫過熱器在工作中承受著汽水系統中最高的溫度和壓力，對超 溫現象尤為敏感，且過熱器壁面的工作環境十分惡劣，運行中非常容易出現超溫現象，嚴重 時甚至引發爆管。超(超)臨界機組固然擁有較高的發電效率、較少的污染物排放等優勢，然 而由于容量的增大和參數的提高，高溫過熱器超溫帶來的后果也將更為嚴重，長期有效地 監測鍋爐高溫過熱器壁面溫度場狀況，對生產運行、電力系統穩定有著十分重要的意義。
[0004] 紅外熱成像測溫技術是集紅外測溫標定、紅外信號探測和計算機圖像處理等多種 高新技術的綜合體，在非接觸溫度測量領域得到了廣泛的應用，與傳統的測溫方法相比，紅 外熱成像測溫技術在溫度分布不均勻的大面積溫度場測量和快速確定過熱區域方面具有 明顯優勢。
[0005] CCD相機由于自身低功耗、抗干擾強等突出的性質，可W長時間工作于惡劣環境 中，穩定地探測被測物的情況。然而在燃煤電站鍋爐測量中，覆蓋在壁面的高溫煙氣給探測 的壁面溫度場分布帶來影響，對于運種情況，現有的傳統紅外熱成像測量方法已經無法進 行壁面溫度場的測量。

【發明內容】

[0006] 本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種抗干擾測量 精度高的燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置及方法。
[0007] 本發明裝置所采用的技術方案是：
[000引一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置，其特征在于:包括一組 熱電偶、紅外鏡頭、紅外CCD相機、計算機W及一套鏡頭相機冷卻裝置，
[0009] 所述紅外CCD相機連接所述紅外鏡頭用于記錄進入所述紅外鏡頭的壁面紅外信 息；
[0010] 所述紅外鏡頭調節所述紅外鏡頭對被測表面的焦距；
[0011] 所述一組熱電偶用于測量監測范圍內高溫過熱器壁面被測區域的溫度；
[0012] 所述計算機，根據所述紅外CCD相機采集到的壁面紅外信息得到紅外CCD相機所探 測的不同位置下的測點的福射強度并根據運一福射強度得到廣義源項Sia，r，Ω )，根據所 述一組熱電偶采集到的壁面被測區域的溫度得到一組熱電偶所探測的不同位置下的測點 的福射強度并得到廣義源項S2(A，r，Ω );根據廣義源項Sia，r，Ω )與S2a，r，Ω )獲得校正 后的廣義源項Sa，r，Ω );利用紅外CCD相機獲得所有測溫區域內的福射強度和校正后的廣 義源項Sa，r，Ω )，計算出所監測區域內的溫度分布，實現燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫 度在線監測。
[001引所述紅外CC時目機，探測器類型為非制冷焦平面，測溫范圍：100°C~1500°C，帖率 為50Hz。
[0014] 所述紅外鏡頭中屯、波長為ΙΟμπι，運個波段可W有效地避開水蒸氣和二氧化碳的吸 收峰，減少空氣對福射測溫的影響。
[0015] 所述一套冷卻系統，主要利用冷卻氣體冷卻所述的紅外CCD相機與所述紅外鏡頭， 使其處于的正常的工作溫度中，同時隔絕煙氣飛灰和環境灰塵，保護裝置。
[0016] -種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度測量的方法，包括W下步驟：
[0017] 步驟一:對所述的紅外CCD相機進行黑體標定，得出探測到的熱圖像灰度與黑體溫 度的擬合曲線，紅外CCD相機探測經過所述的紅外鏡頭處理后的中屯、波長為10皿的紅外線， 得到被測壁面的熱圖像，提取圖像灰度，通過標定所得的擬合曲線，將所得灰度轉化為對應 的福射強度I;
[0018] 步驟二:布置熱電偶于所測壁面區域內，獲得溫度數組tl、t2、……tm，通過朗特克 定律求出對應福射強度數組Ii、l2……Im，式中，m為熱電偶的個數；
[0019] 步驟燃煤電站鍋爐，煙氣均勻覆蓋被側壁面，可W認為鍋爐中的高溫煙氣為折 射率均勻的介質，因此壁面福射能量在溫度弛豫時間內處于平衡狀態，壁面福射的能量在 經過高溫煙氣時，會由于煙氣自身的福射和其他方向的散射而導致增強，定義廣義源項S (λ，Γ，Ω )表示導致福射強度增加的發射增強項和散射增強項之和，即：
[0020]
(1)
[0021] 式中：Sa，r，Q)表示介質在位置r處、沿Ω方向、在波長λ下的廣義福射源項，Κ表 示吸收系數，Ib(A，r)表示介質本身的福射強度大小，Os表示散射系數；Φ ( Ω，Ω / )表示來自 Ω /方向的入射且從Ω方向散射出去的散射相函數大小，Ω /為在Ω /方向上的立體角大小。
[0022] 步驟四：假設煙氣物性參數吸收系數K1、散射系數osi，代入福射傳遞方程，利用有 限體積法可W計算出介質內部的福射強度I(r，Q/)，根據公式（1)即可求得廣義源項，記為 8ι(λ,Γ,Ω)；
[0023] 步驟五:高溫煙氣遮蔽下的壁面溫度測量的數學物理模型可W根據源項多流法推 導出遞推公式：
[0024]
[0025] 式中：等號左側1(。，Ω )表示通過紅外CCD相機探測信號所獲得的福射強度數組 ……1\，下標m表示所對應的熱電偶測點的個數，I(rw，Q)表示通過熱電偶所獲得 對應區域內同位置下的福射強度數組Il、l2……Im，將步驟一中假設的物性參數應用于公式 (2)中，利用LSQR算法，可W反演得到廣義源項，記為52(λ，Γ，Ω);
[0026] 步驟六:在同樣的物性參數下得到不同的廣義源項Sia，r，Ω )與S2a，r，Ω )，利用 量子微粒群算法整合廣義源項Sia，r，Ω )與S2a，r，Ω )校正步驟Ξ中所假設的物性參數， 接著循環步驟四、步驟五和步驟六，直到所校正的物性參數誤差滿足要求，即：
并更新所假設的物性參數；
[0027] 步驟屯:將步驟六所獲得的滿足要求的煙氣物性參數，結合步驟四獲得校正后的 廣義源項Sa，r，Ω )，再根據紅外CCD相機實時測量得到的福射強度1(。，Ω )，根據公式(2) 可W獲得燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面的福射強度，進而根據普朗克定律獲得實時溫度數 據。
[0028] 有益效果:本發明利用紅外CCD相機結合冷卻裝置實現了燃煤電站鍋爐高溫過熱 器的實時在線溫度測量，考慮到燃煤電站鍋爐煙氣對紅外CCD的測溫有較大的影響，通過反 演的方法得到了煙氣的福射物性參數，并利用運些物性參數對紅外CCD相機進行了修正，提 高了溫度測量的精度，從而實現了對燃煤電站鍋爐高溫過熱器的實時在線準確溫度測量。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發明測量裝置的布置示意圖。
[0030] 其中：1、計算機，2、紅外CCD相機，3、冷卻裝置，4、紅外鏡頭，5、鍋爐壁面，6、高溫煙 氣，7、高溫過熱器，8、熱電偶。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖1和具體實施例，進一步闡述本發明。應理解運些實施例僅用于說明 本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種 等價形式的修改落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0032] 本發明的工作原理:首先布置一組熱電偶于被監測壁面局部范圍之內，利用熱電 偶獲取壁面的真實溫度，并計算出其實際的福射強度，將紅外CCD相機所探測到的同位置下 的紅外信號轉變為探測到的福射強度，結合穩態下的福射傳輸方程、源項多流法、LSQR算法 W及量子微粒群算法，反演出覆蓋于高溫過熱器壁面的高溫煙氣的物性參數，最后利用煙 氣的物性參數和CCD相機探測到的壁面整體的福射信號，通過穩態福射傳輸正問題W及普 朗克定律計算獲得壁面真實的溫度場分布。
[0033] 如附圖1所示，本發明燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置主要包 括一組熱電偶、紅外鏡頭、紅外CCD相機、計算機W及一套鏡頭相機冷卻裝置組成，所述的紅 夕FCCD相機連接所述的紅外鏡頭，調節紅外鏡頭對被測表面的焦距。高溫過熱器壁面福射出 的紅外線，穿過鍋爐高溫煙氣，再經過紅外鏡頭的處理，最后被所述的紅外CCD相機所記錄， 最后紅外CCD相機所采集的壁面紅外信息經由所述的計算機處理得到壁面溫度場分布圖像 和溫度場分布數據，完成測量。
[0034] 如附圖1所示，數據采集中所選用的紅外CCD相機為上海巨哥電子有限公司生產， 型號為MAG62,探測器類型為非制冷焦平面，像素大小為640X480,像素尺寸為17皿，測溫范 圍：100°C~1500°C，帖率為50化。選用的紅外鏡頭型號為:ASY-00012,中屯、波長：10um，工作 距離：250mm，視場區域：ISOmmX 140mm，CCD尺寸：10.88mmX8.16mm，焦距：15mm，水平視場 角：39.9°，豎直視場角：30.4°，調焦范圍：0.1米~2米，可W有效的避開水蒸氣和二氧化碳 的吸收峰，減少空氣對福射測溫的影響。所述的一套冷卻系統，主要利用冷卻氣體冷卻紅外 CCD相機與紅外鏡頭，使其處于的正常的工作溫度中，同時隔絕煙氣飛灰和環境灰塵，保護 裝置。計算機通過數據線與紅外CCD相機相連，用于處理圖像數據得到溫度場。一組熱電偶， 一組八根熱電偶布置于高溫過熱器壁面監測范圍內局部區域。
[0035] -種采用上述裝置的燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度測量的方法，其特征在于 包括W下步驟：
[0036] 步驟一:對所述的紅外CCD相機進行黑體標定，得出探測到的熱圖像灰度與黑體溫 度的擬合曲線，紅外CCD相機探測經過所述的紅外鏡頭處理后的中屯、波長為10皿的紅外線， 得到被測壁面的熱圖像，提取圖像灰度，通過標定所得的擬合曲線，將所得灰度轉化為對應 的福射強度I;
[0037] 步驟二:布置熱電偶于所測壁面區域內，獲得溫度數組tl、t2、……tm，通過朗特克 定律求出對應福射強度數組11、12……Im;
[0038] 步驟燃煤電站鍋爐，煙氣均勻覆蓋被側壁面，可W認為鍋爐中的高溫煙氣為折 射率均勻的介質，因此壁面福射能量在溫度弛豫時間內處于平衡狀態，壁面福射的能量在 經過高溫煙氣時，會由于煙氣自身的福射和其他方向的散射而導致增強，定義廣義源項S (λ，Γ，Ω )表示導致福射強度增加的發射增強項和散射增強項之和，即：
[0039]
(1)
[0040] 式中：Sa，r，Q)表示介質在位置r處、沿Ω方向、在波長λ下的廣義福射源項，Κ表 示吸收系數，Ib(A，r)表示介質本身的福射強度大小，Os表示散射系數；Φ ( Ω，Ω / )表示來自 Ω /方向的入射且從Ω方向散射出去的散射相函數大小，Ω /為在Ω /方向上的立體角大小。
[0041] 步驟四：假設煙氣物性參數吸收系數K1、散射系數〇si，代入福射傳遞方程，利用有 限體積法可W計算出介質內部的福射強度I(r，Q/)，根據公式（1)即可求得廣義源項，記為 8ι(λ,Γ,Ω)；
[0042] 步驟五:高溫煙氣遮蔽下的壁面溫度測量的數學物理模型可W根據源項多流法推 導出遞推公式：
[0043]
[0044] 式中：等號左側1(。，Ω )表示通過紅外CCD相機探測信號所獲得的福射強度數組 ……1\，下標m表示所對應的熱電偶測點的個數，I(rw，Q)表示通過熱電偶所獲得 對應區域內同位置下的福射強度數組Il、l2……Im，將步驟一中假設的物性參數應用于公式 (2)中，利用LSQR算法，可W反演得到廣義源項，記為S2(λ，r，Ω );
[0045] 步驟六:在同樣的物性參數下得到不同的廣義源項Sia，r，Ω )與S2a，r，Ω )，利用 量子微粒群算法整合廣義源項Sia，r，Ω )與S2a，r，Ω )校正步驟Ξ中所假設的物性參數， 接著循環步驟四、步驟五和步驟六，直到所校正的物性參數誤差滿足要求，即：
并更新所假設的物性參數；
[0046]步驟屯:將步驟六所獲得的滿足要求的煙氣物性參數，結合步驟四獲得校正后的 廣義源項Sa，r，Ω )，再根據紅外CCD相機實時測量得到的福射強度1(。，Ω )，根據公式(2) 可W獲得燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面的福射強度，進而根據普朗克定律獲得實時溫度數 據。
【主權項】
1. 一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置，其特征在于：包括一組熱 電偶、紅外鏡頭、紅外CCD相機、計算機以及一套鏡頭相機冷卻裝置， 所述紅外C⑶相機連接所述紅外鏡頭用于記錄進入所述紅外鏡頭的壁面紅外信息； 所述紅外鏡頭調節所述紅外鏡頭對被測表面的焦距； 所述一組熱電偶用于測量監測范圍內高溫過熱器壁面被測區域的溫度； 所述計算機，根據所述紅外CCD相機采集到的壁面紅外信息得到紅外CCD相機所探測的 不同位置下的測點的輻射強度并根據這一輻射強度得到廣義源項31〇，1 Ω )，根據所述一 組熱電偶采集到的壁面被測區域的溫度得到一組熱電偶所探測的不同位置下的測點的輻 射強度并得到廣義源項S 2(X，r，Ω );根據廣義源項ΞΚλ,Γ，Ω )與32〇，1 Ω )獲得校正后的 廣義源項S(A，r，Ω );利用紅外CCD相機獲得所有測溫區域內的輻射強度和校正后的廣義源 項S(A，r，Ω )，計算出所監測區域內的溫度分布，實現燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在 線監測。2. 根據權利要求1所述的一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置，其 特征在于：廣義源項S(A，r，Ω )表示導致輻射強度增加的發射增強項和散射增強項之和， 即：式中：S(A，r，Ω)表示介質在位置r處、沿Ω方向、在波長λ下的廣義輻射源項，κ表示吸 收系數，Ib(X，r)表不介質本身的福射強度大小，〇3表不散射系數；Φ ( Ω，Ω ')表不來自Ω ' 方向的入射且從Ω方向散射出去的散射相函數大小，Ω '為在Ω '方向上的立體角大小。3. 根據權利要求2所述的一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝置，其 特征在于:得到校正后的廣義源項S(A，r，Ω )的方法是： 步驟一、假設煙氣物性參數吸收系數^、散射系數〇sl，代入輻射傳遞方程，利用有限體 積法可以計算出介質內部的輻射強度I(r，Ω')，根據公式（1)即可求得廣義源項，記為Si (λ,Γ, Ω )； 步驟二、高溫煙氣遮蔽下的壁面溫度測量的數學物理模型根據源項多流法推導出遞推 公式：式中：等號左側I(rP，Ω )表示通過紅外CCD相機探測信號所獲得的輻射強度數組IS、 I7 2 I、，下標m表示所對應的熱電偶測點的個數，I (rw，Ω )表示通過熱電偶所獲得對應 區域內同位置下的輻射強度數組Ii、I2……Im，將步驟一中假設的物性參數應用于公式(2) 中，利用LSQR算法，可以反演得到廣義源項，記為&(λ，Γ，Ω); 步驟三:在同樣的物性參數下得到不同的廣義源項Ω )與&(λ，Γ，Ω )，利用量子 微粒群算法整合廣義源項Ω )與&(λ，Γ，Ω )校正步驟三中所假設的物性參數，接著 循環步驟一、步驟二和步驟三，直到所校正的物性參數誤差滿足要求，即：，并更新所假設的物性參數，其中，ε < 10-6; 步驟四：將步驟三所獲得的滿足要求的煙氣物性參數，結合步驟一獲得校正后的廣義 源項S(A，r，Ω )，再根據紅外CCD相機實時測量得到的輻射強度I(rP，Ω )，根據公式(2)獲得 燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面的輻射強度，進而根據普朗克定律獲得實時溫度數據。4. 根據權利要求1、2或3所述的一種燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測的裝 置，其特征在于:所述紅外鏡頭中心波長為λ= ΙΟμπι。5. -種采用權利要求1至4任一所述裝置的燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監 測的方法，所述CCD相機測量得到的輻射強度數組和熱電偶測量得到的輻射強度數組的方 法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:對所述紅外CCD相機進行黑體標定，將探測到的熱圖像灰度轉化為對應的輻射 強度I，找出熱電偶所對應的位置，即可獲得對應的輻射強度數組FhlS……1\; 步驟二:布置熱電偶于所測壁面區域內，獲得溫度數組t^ts、……tm，通過朗特克定律 求出對應輻射強度數組I i、12……Im; 步驟三:定義廣義源項S(A，r，Ω )表示導致輻射強度增加的發射增強項和散射增強項 之和，即：式中：Ib(A，r，t)表示介質本身的輻射強度大小，s表示Ω方向上的距離，κ表示吸收系 數，〇3表不散射系數；Φ ( Ω，Ω 7 )表不來自Ω 7方向的入射且從Ω方向散射出去的散射相函 數大小，Ω '為在Ω '方向上的立體角大小； 廣義源項中假設煙氣物性參數吸收系數^、散射系數〇sl、發射率m，結合步驟二中所得 的輻射強度數組Ii、I2……18,利用源項多流法獲得廣義源Ω ); 步驟四：建立高溫煙氣遮蔽下的壁面溫度測量得數學物理模型：式中：I(rP，Ω )表示通過計算紅外CCD相機探測信號所獲得的輻射強度數組IS、I 7 2……ι^,Κκ,Ω)表示通過熱電偶所獲得對應區域內同位置下的輻射強度數組1^12…… 18； 將步驟三中假設的物性參數應用于公式（2)中，利用LSQR算法，獲得廣義源項52(人，1 Ω); 步驟五:在同樣的物性參數下得到不同的廣義源項Ω )與&(λ，Γ，Ω )，利用量子 微粒群算法整合廣義源項Ω )與&(λ，Γ，Ω )校正步驟三中所假設的物性參數，分析 并更新所假設的物性參數； 接著循環步驟三、步驟四，步驟五……，直到所校正的物性參數誤差滿足要求，即：步驟六:撤下壁面熱電偶組，將步驟五所獲得的滿足要求的煙氣物性參數應用于方程 (1)中，獲得校正后的廣義源項S(A，r，Q)，結合步驟二，利用紅外CCD相機獲得所有測溫區 域內的輻射強度分布矩陣Ω )，將Ω )和校正后的廣義源項S(A，r，Ω )帶 入公式(2)中，獲得測溫區域內壁面輻射強度分布I(rw，Ω )，最后利用普朗克定律計算出所 監測區域內的溫度分布，最終實現燃煤電站鍋爐高溫過熱器壁面溫度在線監測。
【文檔編號】G01J5/00GK106066208SQ201610356754
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月26日 公開號201610356754.X, CN 106066208 A, CN 106066208A, CN 201610356754, CN-A-106066208, CN106066208 A, CN106066208A, CN201610356754, CN201610356754.X
【發明人】許傳龍, 任建新, 張彪, 王式民
【申請人】東南大學