CN101788343A - 炉膛辐射能信号检测方法及其用于控制锅炉燃烧的方法 - Google Patents

Abstract

炉膛辐射能信号检测方法及其用于控制锅炉燃烧的方法，属于燃烧监测及控制领域。本发明的检测方法，包括模数转换、提取颜色值和计算炉膛辐射能信号步骤。本发明控制炉膛燃烧风量的方法，将利用炉膛辐射能信号计算的最佳氧量与设定氧量和设定偏置量相加，送到氧量调节器，控制炉膛燃烧风量。本发明控制过热器减温水的方法，将炉膛辐射能信号与热量信号合并，形成热值信号，引入热量调节器控制过热器减温水。本发明所检测的辐射能信号稳定、可靠，准确实时反映炉膛空间燃烧状况，与机组运行参数关联性强；将其构造的新的热值信号引入机组的送风及减温水控制回路中，可优化机组控制效果，提高机组的效率，适用于火电机组煤粉燃烧锅炉的燃烧优化控制。

Description

炉膛辐射能信号检测方法及其用于控制锅炉燃烧的方法

技术领域

本发明属于燃烧监测及控制领域，适用于火电机组煤粉燃烧锅炉的燃烧优化控制。

背景技术

火电机组是一个多级能量转换系统：从燃料进入炉膛到释放出辐射能量(快速过程)、通过导热和对流等方式将辐射能量进一步传递到锅炉出口蒸汽(缓慢过程)、蒸汽进入汽轮机带动发电机发出电力(快速过程)，整个能量转换体系可看作是两头快、中间慢的能量转换过程。现行的机组负荷控制策略还没有有效的办法克服中间慢的过程的影响，导致机组变负荷运行能力和机组运行热经济性的提高受到制约。

热量信号是一个构造信号，采用锅炉汽包蓄热、过热器换热和再热器换热的动态变化来计算，代表了单位时间内燃料燃烧传递给锅炉的热量。虽然相对于主蒸汽压力，热量信号用于锅炉的燃烧优化控制，在响应速度上有了很大改善，但是相对于炉内燃烧放热过程，仍然存在较大滞后，这是因为炉膛辐射换热后，在经过了水冷壁和过热器、再热器的换热表面才得到热量信号。由于热量信号易于测量并且稳态精度较高，因此机炉控制中基本上仍沿用这一信号。

目前，用于锅炉控制的热量信号是汽水侧参数的表征，稳定性好。由于辐射能、热量信号都能反映炉膛燃烧情况，而辐射能信号的物理本质上和热量信号有相似之处，因此，如果将热量信号与辐射能信号进行融合，能得到反映稳定性的锅侧热量信号，以及反映快速性的炉侧辐射能信号，二者的结合，综合考虑了锅、炉各自的特点，可以更好地进行燃烧调整和控制。

浙江大学常瑞丽、王飞等在“煤粉炉内辐射能信号光谱分布特性试验研究”一文中(发电设备，2006，no.2：81-84)提出了辐射能信号的计算方法，但是由于按此方法得到的辐射能信号测量复杂，实际应用困难。

哈工大的于达仁等在“炉膛辐射能信号和热量信号的信息融合方法”一文中(中国电机工程学报，2003，23(4)：158-161)进行了炉膛辐射能信号和热量信号的信息融合的研究，通过对辐射能信号进行频谱分析，利用互补FRF(频率响应函数)对，在领域内进行信号融合，设计的方案经仿真试验对提高系统的控制品质有一定的作用，但实际工程性应用的探索尚未开展。

华北电力大学杨大锚、刘禾等人在“炉内辐射能的测量理论分析与试验研究”一文中(现代电力，2006，23(4)：53-56)开展了在黑体炉上炉内辐射能的测量理论分析和试验研究，仅限于理论分析。

陈伟荣、崔巍等在“基于辐射能信号的机组负荷及燃烧控制优化”一文中(华东电力.2006，34(7)：79-82)利用红外辐射能信号快速反应炉内热量的特点，将其作为提前反馈量，接入DCS锅炉主控模块中进行了实验研究，但现场应用受到制约。

清华大学的马涛、徐向东等在“基于辐射能信号的锅炉燃烧调节系统研究”(电站系统工程，2004，20(1)：52-54)和“基于辐射能检测的智能燃烧进化优化系统研究”(热能动力工程，2004，19(3)：281-284)中提出采用基于辐射能信号的锅炉燃烧调节系统设计思想，但在大型机组及全炉膛多点检测和控制中，尚无好的解决办法。同时，要开展基于辐射能检测的智能燃烧进化优化系统时，没考虑辐射能信号的变化，只是将模糊控制器的参数引入，并且当煤种发生变化时，需要将煤质分析结果引入到系统中重新建立模型，这种控制方法在大型机组上的应用上仅处于理论分析阶段。

目前，火电机组燃烧优化研究，大都是基于模型反演进行的，美国Pegasus公司的Power Perfecter^TM燃烧优化软件就是典型代表。这种燃烧优化软件是基于神经网络技术、现代控制理论和非线性算法，通过建立多目标的动态优化控制器，智能优化调整DCS设定参数和控制偏差。上述燃烧优化控制方法，都是基于历史数据及先验条件的算法来实现的。由于炉内的实际燃烧过程复杂，尚没有有效的炉内燃烧检测手段，仅依靠有限的汽水侧和烟气侧测点，给出的燃烧调整指导不够可靠，也无法定量分析和判断炉内的燃烧状况。

王满家等(1995)在“能量平衡法及在线热效率的研究与应用”(中国电力.1995，28(12)：38-41)一文中提出利用炉内火焰辐射能信号的大小对锅炉的燃料、送风进行调节，使锅炉运行保持热效率最佳状况，但是这种辐射能信号的检测方法过于简单，不能代表炉膛整个空间内的燃烧状况，可靠性欠缺。

从上述火焰图像处理的方法可以看出，传统的炉膛辐射能信号是由单个火焰探头或红外探头经数字图像处理后得到的。由于燃烧时炉膛介质的灰性，火焰穿透有限(一般约为5米)，采用单只火焰检测器(无论是可见光或红外探头)，只是局部的燃烧反映，无法对炉膛三维空间的燃烧状况进行监视，所得到的火焰信息不能表征整个炉膛的燃烧工况，诸如火焰中心移动、层间燃烧调整、火焰偏斜等等，依靠单只火焰检测探头不足以给出准确判断，而且，按上述方法得到的辐射能信号脉动大，若引入到DCS集散控制系统(以下简称DCS)相关控制回路中，会导致执行机构频繁的动作，甚至扰动、误动，严重影响机组的运行。

燃料在炉膛内燃烧时立即释放出能量，这是一个瞬时的过程，华中科技大学的ZL200420076978.8实用新型专利，名称为“燃煤锅炉炉内三维温度场实时监测装置”，在电站锅炉的燃烧监视设备中，利用炉膛空间内布置的多只火焰探头，实时监测炉膛火焰信息，再利用数字计算和图像处理技术，得到炉内燃烧三维温度场，可以迅速反映炉膛中燃料燃烧的状况。

发明内容

本发明提供一种炉膛辐射能信号的检测方法，同时提供将该炉膛辐射能信号用于控制炉膛燃烧风量和控制过热器减温水的方法，解决现有检测方法采用单只火焰检测器所得到的辐射能信号脉动大，将其引入到集散控制系统(DCS)相关控制回路中，会导致执行机构频繁的动作，甚至扰动、误动，严重影响机组运行的问题。

本发明的一种炉膛辐射能信号的检测方法，在锅炉炉膛四周不同高度布置N个火焰探头，各火焰探头连接到视频分割器，视频分割器将N个火焰探头拍摄的N幅图像合成为一幅图像输出到计算机，N为6～20，所述火焰探头由CCD摄像机和光学镜筒构成；其特征在于，包括以下步骤：

A.模数转换步骤：计算机将输入图像由模拟图像转换为数字图像；

B.提取颜色值步骤：计算机通过视频采集卡提取每幅数字图像中每个像素点的红、绿、蓝颜色值r_i，j，g_i，j，b_i，j；i为像素点在数字图像中的横坐标，j为像素点在数字图像中的纵坐标；

C.计算炉膛辐射能信号步骤：炉膛辐射能信号E计算如下：

G_i，j＝0.11r_i，j+0.59g_i，j+0.23b_i，j，

$G_{\mathrm{total}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{i,j}\right),$

G_ave＝G_total/(N*M*R)，

E＝G_ave/255，

其中G_i，j为每个像素的灰度值，G_total为N幅图像所有像素点总灰度值，G_ave为N幅图像的平均灰度；N个火焰探头拍摄N幅火焰图像，其中k代表第k幅图像，每个火焰探头的图像由M×R个像素组成，M、R分别代表每幅图像纵向和横向的像素点个数；火焰探头CCD摄像机选取的快门有500、1000、2000、4000四档，对应的转换系数λ_k分别为0.20、0.25、0.3和0.35。

由于每幅火焰图像在火焰探头CCD摄像机各自设定的快门下拍摄，在计算总的灰度值G_total时要利用转换系数λ_k将其转换为同一快门下灰度值。

本发明的一种利用炉膛辐射能信号控制炉膛燃烧风量的方法，其特征在于：

将最佳氧量与设定氧量和设定偏置量相加，送到氧量调节器，控制炉膛燃烧风量，最佳氧量计算步骤为：

A.实时采集炉膛氧量和炉膛辐射能信号，采集时间间隔为0.1～1秒；

B.将前P个炉膛氧量采样值的平均值与后P个炉膛氧量采样值的平均值相减，得到炉膛氧量偏差；将前P个炉膛辐射能信号采样值的平均值与后P个炉膛辐射能信号采样值的平均值相减，得到炉膛辐射能信号偏差；P为2～10；

C.将所述炉膛氧量偏差和炉膛辐射能信号偏差分别乘以限幅系数后，相加得到最佳氧量，限幅系数为10％～30％。

本发明的一种利用炉膛辐射能信号控制过热器减温水的方法，其特征在于，将炉膛辐射能信号与热量信号合并，形成热值信号，引入热量调节器控制过热器减温水，辐射能信号与热量信号合并步骤为：

A.实时采集炉膛热量信号和炉膛辐射能信号，采集时间间隔为0.1～1秒；

B.将每个热量信号乘以热量比例系数k2，将每个辐射能信号微分后乘以辐射能比例系数k1，两者相加，得到热值信号；0＜k1＜1，0＜k2＜1，且k1+k2＝1。

热值信号将传统热量信号的稳定性、与炉膛辐射能信号的快速性结合在一起，并回接至原减温水控制回路，并且通过比例系数的调节，可以方便地设置热量信号和辐射能信号的投入比例，由控制输出驱动喷水减温器动作，实现主汽温的优化控制。

本发明采用的辐射能信号检测装置与专利号zl200420076978.8的三维温度场实时监测装置相同，只是在工业控制计算机中进行图像处理时采用辐射能计算软件，将辐射能引入控制时，其装置包括一些现场执行机构、DCS系统、组态软件、风量及氧量控制系统、减温水控制系统。

本发明利用沿炉膛高度布置多只火焰探头，对炉膛空间不同区域的燃烧状况实时检测，通过视频分割合成为一幅画面，将视频信号分别引入到火焰监视器和图像处理计算机，实现对整个炉膛三维空间的燃烧监测；对拍摄的火焰图像，通过计算得出实时的炉膛辐射能信号，并将该辐射能信号应用到氧量控制回路和减温水控制回路，可以优化燃烧和提高主蒸汽温度控制品质。

炉膛空间内的多只燃烧火焰探测装置建立辐射能信号，所反映的燃烧工况更切实际，所检测的辐射能信号稳定、可靠，能准确实时反映炉膛空间燃烧状况，与机组的运行参数关联性强；考虑在控制回路中采用辐射能信号不能完全取代传统的热量信号，将构造的新的热值信号引入到机组控制回路，引入到氧量控制回路能够维持炉内最佳风煤比，引入到减温水控制回路，可以有效改善因控制动作迟延引起的控制性能下降，提高主蒸汽控制品质，实用性强。

附图说明

图1.本发明检测控制系统示意图；

图2.本发明风量控制原理框图；

图3本发明主汽温调节系统原理框图。

具体实施方式

本发明的检测并用于控制的系统，其结构如图1所示，在锅炉炉膛空间，冷灰斗以上，折焰角以下的区域，沿高度安装多只火焰探头，火焰图像经同轴电缆传输至视频分割器后，合成为一幅图像。考虑到图像数据处理的实时性，每只火焰探头设置的图像像素为30×30，合成后的视频信号，一路引至显示器，作为整个炉膛的实时火焰监视，另一路引至计算机，提取炉膛辐射能信号。利用辐射能信号优化控制的设备包括DCS系统、现场执行机构、组态软件、通讯线路、风量及氧量控制回路、减温水控制回路，都属现场已有设备。

对于一台由东方锅炉厂生产的300MW的四角切圆煤粉锅炉，配套使用的火焰图像监控设计如下：

1、系统设置了12个炉膛高温CCD图像火焰探头、和两台高性能工业控制计算机。炉膛开孔标高在16.69～38.4M区间，底层燃烧器标高为16.69M，顶层燃烧器标高为26.5M。其中，燃烧器下部及燃烧器区域的安装孔分别在左、右水冷壁和前、后水冷壁中部，其余层面开在四角。所监视的炉膛燃烧空间为标高在16690mm到38400mm之间的区域，即冷灰斗以上、折焰角以下的区域。利用该区域之间的6层过道，设计布置6层火焰探头，1～3层布置在炉膛中部，4～6层布置在炉膛四角附近(看火孔位置)。

2、每只火焰探头设置像素为30×30，12只火焰探头合成为一幅图像的总像素为10800，由于沿炉膛不同高度和位置上布置的12只火焰探头，其检测范围覆盖了整个炉膛空间，因此，通过12只火焰图像计算而得到的炉膛辐射能信号，能完全反映炉膛燃烧工况。

3、将实时辐射能信号送入DCS后，在协调控制回路、主汽温控制回路、送风控制回路中，将各控制回路的原热量信号通过图4所示的组态方法进行逻辑修改，分别引入辐射能信号。工作时，利用基于火焰图像处理技术的辐射能监控系统，结合DCS控制回路，根据监测得到的炉膛辐射能信号的变化，超前调节相关控制回路的动作，实现炉侧和锅侧双稳调控的目的，控制性能得到极大改善。

如图2所示，现有风量控制逻辑流程由设定氧量、设定偏置量、加法器、氧量测量、氧量调节器、设定风量、风量修正、风量测量和风量调节器构成，本发明的一种利用炉膛辐射能信号控制炉膛燃烧风量的方法，将最佳氧量与设定氧量和设定偏置量相加，送到氧量调节器，控制炉膛燃烧风量，最佳氧量计算步骤为：

A.实时采集炉膛氧量和炉膛辐射能信号，采集时间间隔为0.1秒；

B.将前5个炉膛氧量采样值的平均值与后5个炉膛氧量采样值的平均值相减，得到炉膛氧量偏差；将前5个炉膛辐射能信号采样值的平均值与后5个炉膛辐射能信号采样值的平均值相减，得到炉膛辐射能信号偏差；

C.将所述炉膛氧量偏差和炉膛辐射能信号偏差分别乘以限幅系数后，相加得到最佳氧量，限幅系数为10％。

如图3所示，现有减温水控制逻辑流程由锅炉负荷控制、锅炉主控操作站、热量调节器、燃料调节器、燃料输送、燃料流量测量、热量信号构成，本发明的一种利用炉膛辐射能信号控制过热器减温水的方法，将炉膛辐射能信号与热量信号合并，形成热值信号，引入热量调节器控制过热器减温水，辐射能信号与热量信号合并步骤为：

A.实时采集炉膛热量信号和炉膛辐射能信号，采集时间间隔为0.1秒；

B.将每个热量信号乘以热量比例系数0.5，将每个辐射能信号微分后乘以辐射能比例系数0.5，两者相加，得到热值信号。

Claims (3)

1.一种炉膛辐射能信号的检测方法，在锅炉炉膛四周不同高度布置N个火焰探头，各火焰探头连接到视频分割器，视频分割器将N个火焰探头拍摄的N幅图像合成为一幅图像输出到计算机，N为6～20，所述火焰探头由CCD摄像机和光学镜筒构成；其特征在于，包括以下步骤：

A.模数转换步骤：计算机将输入图像由模拟图像转换为数字图像；

B.提取颜色值步骤：计算机通过视频采集卡提取每幅数字图像中每个像素点的红、绿、蓝颜色值r_i，j，g_i，j，b_i，j；i为像素点在数字图像中的横坐标，j为像素点在数字图像中的纵坐标；

C.计算炉膛辐射能信号步骤：炉膛辐射能信号E计算如下：

G_i，j＝0.11r_i，j+0.59g_i，j+0.23b_i，j，

$G_{\mathrm{total}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_k\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{i,j}\right),$

G_ave＝G_total/(N*M*R)，

E＝G_ave/255，

其中G_i，j为每个像素的灰度值，G_total为N幅图像所有像素点总灰度值，G_ave为N幅图像的平均灰度；N个火焰探头拍摄N幅火焰图像，其中k代表第k幅图像，每个火焰探头的图像由M×R个像素组成，M、R分别代表每幅图像纵向和横向的像素点个数；火焰探头CCD摄像机选取的快门有500、1000、2000、4000四档，对应的转换系数λ_k分别为0.20、0.25、0.3和0.35。

2.一种利用权利要求1所述检测方法得到的炉膛辐射能信号控制炉膛燃烧风量的方法，其特征在于：

将最佳氧量与设定氧量和设定偏置量相加，送到氧量调节器，控制炉膛燃烧风量，最佳氧量计算步骤为：

A.实时采集炉膛氧量和炉膛辐射能信号，采集时间间隔为0.1～1秒；

B.将前P个炉膛氧量采样值的平均值与后P个炉膛氧量采样值的平均值相减，得到炉膛氧量偏差；将前P个炉膛辐射能信号采样值的平均值与后P个炉膛辐射能信号采样值的平均值相减，得到炉膛辐射能信号偏差；P为2～10；

C.将所述炉膛氧量偏差和炉膛辐射能信号偏差分别乘以限幅系数后，相加得到最佳氧量，限幅系数为10％～30％。

3.一种利用权利要求1所述检测方法得到的炉膛辐射能信号控制过热器减温水的方法，其特征在于，将炉膛辐射能信号与热量信号合并，形成热值信号，引入热量调节器控制过热器减温水，辐射能信号与热量信号合并步骤为：

A.实时采集炉膛热量信号和炉膛辐射能信号，采集时间间隔为0.1～1秒；

B.将每个热量信号乘以热量比例系数k2，将每个辐射能信号微分后乘以辐射能比例系数k1，两者相加，得到热值信号；0＜k1＜1，0＜k2＜1，且k1+k2＝1。

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