CN105021168B - 锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式在线测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式在线测量方法，包括：步骤S1，设立以管道中心线和弹性支吊架的空间坐标系；步骤S2，将弹性支吊架简化为上、下两节刚性杆和中间一节弹簧，在下节刚性杆上分别设立两个标记点；步骤S3，设立高清摄像机并通过无线网桥连接一主控机；步骤S4，采用三维重建算法获取标记点在坐标系中的空间坐标；步骤S5，同样可得到标记点蠕变后的坐标；步骤S6，建立弹性支吊架下节直线方程；步骤S7，结合直线方程与锅炉主蒸汽管道外表面的曲线方程，得到直线l₁方程与锅炉主蒸汽管道外表面的交点B′的坐标；考虑误差后，可准确计算出管道在各个方向的宏观位移。本发明能在线非接触地获得具有较高稳定性和较高精度的管道宏观位移。

Description

锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式在线测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式测量方法,特指通过双目视觉技术对所获取的数字图像识别，进行三维重构，得到三维场景，从而利用几何关系对锅炉主蒸汽管道宏观位移实现非接触式在线测量方法。本发明还涉及专用于所述方法的锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式测量装置。

背景技术

随着电力系统容量和规模的扩大，电力设备失效给人们的生产和现代生活所带来的影响越来越大，用户对电力系统的安全运行和可靠供电也提出了越来越高的要求。这使得电力系统安全可靠性问题变得越来越突出，因此，保障火电机组安全稳定运行，提高电力系统可靠性，是电力企业现代化管理的一项重要内容。

过热器、再热器、蒸汽管道和联箱等是锅炉汽水管道系统中承受蒸汽温度和压力参数最高的部件，也是对超温最为敏感的部件。随着超临界、超超临界机组新材料应用、运行参数提高和系统复杂化趋势，由于过热导致的过热器、再热器爆管事故时有发生，蒸汽管道、联箱等也常处于高温蠕变导致的带缺陷运行状态。因此，有效地监测重要部件的安全状态，实现材料寿命评估，是火电机组大容量、高参数发展趋势下，锅炉安全稳定运行亟待解决的问题。

经过几十年的开发与应用，尽管电站锅炉重要部件的失效分析和寿命评估方法已形成较为完善的体系，但其主要方法仍是基于离线的检测和实验数据来评估剩余寿命。近年来，针对单一部件的在线寿命评估系统开始出现，但由于这些系统大都没有考虑到多种失效机理的相互作用，存在监测和评估误差较大的问题。欧洲和日本的技术专家针对锅炉管道系统建立了系统的寿命评估导则，其中考虑了失效形式的交互影响，并开发了相应的计算软件，但是依然需要依靠离线检测数据输入来得到计算结果，很多关键参数如温度、蠕变和位移等都缺乏在线测量系统。另外，现有电厂锅炉管道外都包有一层绝热层，给直接测量管道应高温蠕变产生的位移带来了很大的不便。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式在线测量方法。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供专用于上述方法的锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式在线测量装置。

采用本发明的装置和方法，能在线、非接触地获得具有较高稳定性和较高精度的锅炉主蒸汽管道宏观位移，且具有应用简便的优点。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式在线测量方法，所述的锅炉主蒸汽管道通过包括若干与管道垂直的弹性支吊架悬吊，其特征是：所述方法包括以下步骤：

步骤S1，设立分别以所述锅炉主蒸汽管道中心线和选定的弹性支吊架为Y、Z轴、二轴交点为坐标系原点的空间坐标系(X，Y，Z)；

步骤S2，将弹性支吊架简化为上、下两节刚性杆和中间一节弹簧，在下节刚性杆上分别设立两个标记点A₁与A₂；

步骤S3，在所述弹性支吊架附近，非接触地设立专用支架固定双目高清摄像机，双目高清摄像机拍摄方向正对于各标记点，双目高清摄像机通过无线网桥连接一主控机；

步骤S4，在锅炉主蒸汽管道因高温蠕变出现宏观位移前，主控机得到由双目高清摄像机获取的二维数字图像后，对双目高清摄像机进行标定，建立有效的成像模型，获取双目高清摄像机的内外参数，然后对标记点、管道边缘进行识别和提取，最后进行立体匹配，采用三维重建算法获取所述标记点在所设空间坐标系中的空间坐标，设为A₁(0，0,z₁)与A₂(0，0,z₂)；(三维重构的方法为现有技术)

步骤S5，当锅炉主蒸汽管道因高温蠕变出现宏观位移时，同样可得到标记点在空间坐标系中的坐标，设为A′₁(x′₁，y′₁,z′₁)与A′₂(x′₂，y′₂,z′₂)；

步骤S6，建立弹性支吊架下节直线l₁在所建空间坐标系中的直线方程式：

步骤S7，根据锅炉主蒸汽管道不包含管道隔热层的外表面在所建空间坐标系中的圆柱体曲线方程，即：

x²+z²＝r² (2)，

结合直线l₁方程与锅炉主蒸汽管道外表面的曲线方程，得到直线l₁方程与锅炉主蒸汽管道外表面的交点B′的X、Z坐标为：

上式中，

将x、z坐标代入直线l₁方程，求得Y坐标，即：

B′点是由B(0,0,r)管道蠕变后所得，B点为弹性支吊架下节刚性杆延长线与锅炉主蒸汽管道外表面的交点；

因此，锅炉主蒸汽管道因高温蠕变在X、Y、Z三个方向的宏观位移为：

考虑图像测量算法所带来的误差，各个方向的实际宏观位移dx′、dy′、dz′可表示为：

dx′＝dx+e_x (9)；

dy′＝dy+e_y (10)；

dz′＝dz+e_z (11)；

其中e_x、e_y、e_z为误差修正因子，具体数值通过实测数据进行修正得到，从而准确计算出锅炉主蒸汽管道在各个方向的宏观位移。

解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：

专用于上述方法的锅炉主蒸汽管道3宏观位移的测量装置，其特征是包括：设立在简化为上、下两节刚性杆和中间一节弹簧的弹性支吊架1下节的两个标记点2、在所述弹性支吊架附近非接触地固定的对应于标记点数量的高清摄像机4，所述高清摄像机的拍摄方向正对于各标记点，所述的高清摄像机通过由发射网桥5和接收网桥6构成的无线网桥传输至一主控机7。

所述的高清摄像机有若干个，网线先汇总到一个工业交换机中，再通过由发射网桥和接收网桥构成的无线网桥传输至主控机。

所述的标记点为圆柱体或长方体模块，表面有彩色涂层。

所述高清摄像机为工业级高分辨率日夜型摄像机。

本发明原理：锅炉主蒸汽管道因高温蠕变发生宏观位移时，由弹性支吊架的结构决定了弹性支吊架会在空间中形成三段直线，如附图图2，以锅炉主蒸汽管道中心线和弹性支吊架为Y、Z轴，二者交点为坐标系原点建立空间坐标系，管道半径r已知，则可得到锅炉主蒸汽管道的圆柱体方程，通过双目视觉三维重构算法得到标记点在所建空间坐标系中的坐标，根据这对标记点坐标，得到空间直线方程l₁,结合管道圆柱体方程即可求得l₁与主蒸汽管道的交点B′的空间坐标，故锅炉主蒸汽管道因高温蠕变在X、Y、Z方向上宏观位移即为图2中点B′坐标与点B坐标之差的绝对值。

加上运用实测数据估算各方向的误差因子，从而对各方向的位移进行修正，最终准确计算出锅炉主蒸汽管道在各方向的实际位移。

有益效果：

本发明提出的锅炉主蒸汽管道宏观位移间接测量方法，相比于目前的离线测量系统，具有非接触测量、应用简便、实时记录等优点，通过数字图像的采集、处理、分析、计算等步骤，依此得到锅炉主蒸汽管道的高温蠕变量，进而评估主蒸汽管道的缺陷运行状态和剩余寿命，提供系统预警、记录查询等功能，从而保障锅炉的安全和稳定运行。

附图说明

图1是本发明的锅炉主蒸汽管道宏观位移间接在线测量方法的系统结构示意图；

图2是本发明中锅炉主蒸汽管道实际宏观位移计算方法示意图，以锅炉主蒸汽管道中心线和弹性支吊架为Y、Z轴建立空间坐标系，弹簧支吊架可以分为如图所示的弹性支吊架上中下三节，管道高温蠕变前在同一直线上，高温蠕变后变为三段直线，A₁与A₂为弹性支吊架下节所选取的一对标记点，B为锅炉管道蠕变前弹性支吊架延长线与管道外表面的交点；

图3为测量方法流程图；

图4为三维重构步骤流程图。

附图标记说明：1.锅炉弹性支吊架；2.标记点；3.锅炉主蒸汽管道；4.高清摄像机；5.发射网桥；6.接收网桥；7.主控机，8.工业交换机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

见图1和图2所示，本发明的专用于上述方法的锅炉主蒸汽管道3宏观位移的测量装置实施示例，包括：设立在简化为上、下两节刚性杆和中间一节弹簧的弹性支吊架1下节的两个标记点2，标记点为圆柱体或长方体模块，表面有彩色涂层；在弹性支吊架附近非接触地固定的对应于标记点数量的双目高清摄像机4，其为工业级高分辨率日夜型摄像机；高清摄像机的拍摄方向正对于各标记点，高清摄像机网线先汇总到一个工业交换机8中，再通过由发射网桥5和接收网桥6构成的无线网桥传输至一主控机7。

若是一台双目高清摄像机，则直接通过由发射网桥和接收网桥构成的无线网桥传输至主控机。

本发明的锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式在线测量方法，锅炉主蒸汽管道通过若干与管道垂直的弹性支吊架悬吊，方法包括以下步骤：

步骤S1，设立分别以所述锅炉主蒸汽管道中心线和某一弹性支吊架为Y、Z轴、二轴交点为坐标系原点的空间坐标系(X，Y，Z)；

步骤S2，将弹性支吊架简化为上、下两节刚性杆和中间一节弹簧，在下节刚性杆上分别设立两个标记点A₁与A₂；

步骤S3，在所述弹性支吊架附近，非接触地设立专用支架固定高清摄像机，高清摄像机拍摄方向正对于各标记点，高清摄像机通过无线网桥连接一主控机；

步骤S4，在锅炉主蒸汽管道因高温蠕变出现宏观位移前，主控机得到由摄像机获取的二维数字图像后，对双目摄像机进行标定，建立有效的成像模型，获取摄像机的内外参数，然后对标记点、管道边缘进行识别、提取，最后进行立体匹配，采用三维重建算法获取所述标记点在所设空间坐标系中的空间坐标，设为A₁(0，0,z₁)与A₂(0，0,z₂)；

步骤S5，当锅炉主蒸汽管道因高温蠕变出现宏观位移时，同样可得到标记点在空间坐标系中的坐标，设为A′₁(x′₁，y′₁,z′₁)与A′₂(x′₂，y′₂,z′₂)；

步骤S6，参见图2，锅炉主蒸汽管道因高温蠕变产生宏观位移时，弹性支吊架由三节在同一直线变为三段直线，弹性支吊架下节的标记点A₁与A₂移动到图2中A′₁和A′₂。在主控机中，得到由摄像机获取到二维数字图像，对双目摄像机进行标定，建立有效的成像模型，得到摄像机的内外参数，然后对标记点，管道边缘进行识别、提取，最后进行立体匹配，从而实现三维重建算法以获知这对标记点在所建空间坐标系中的空间坐标,管道因高温蠕变前，设为A₁(0，0,z₁)与A₂(0，0,z₂)，当锅炉主蒸汽管道因高温蠕变出现宏观位移时，同样可得到标记点在空间坐标系中的坐标，设为A′₁(x′₁，y′₁,z′₁)与A′₂(x′₂，y′₂,z′₂),显然，根据A′₁与A′₂的空间坐标可以得到弹性支吊架下节所在直线l₁在所建空间坐标系中的直线方程式：

步骤S7，又已知锅炉主蒸汽管道在所见坐标系中的曲线方程是圆柱体，即：

x²+z²＝r² (2)

结合直线l₁方程与锅炉主蒸汽管道的曲线方程，可以得到它们的交点B′的X、Z坐标为：

上式中，的将x、z坐标代入直线l₁方程，即可求得Y坐标，即

因B′点是由图2中点B(0,0,r)管道蠕变后所得，因此，锅炉主蒸汽管道因高温蠕变在X、Y、Z三个方向的宏观位移为：

考虑图像测量算法所带来的误差，各个方向的实际宏观位移dx′、dy′、dz′可表示为：

dx′＝dx+e_x (9)

dy′＝dy+e_y (10)

dz′＝dz+e_z (11)

其中e_x、e_y、e_z为误差修正因子，具体数值可通过实测数据进行修正得到，从而可准确计算出锅炉主蒸汽管道在各个方向的宏观位移。

本发明提供的锅炉主蒸汽管道宏观位移间接测量方法及装置，通过在锅炉主蒸汽管道弹性支吊架上安装特殊标记点，运用数字图像识别技术计算标记点并通过三维重构算法计算出各标记点在所建空间坐标系中的空间坐标，然后得出关键的直线方程进行计算，实现一种稳定性好、非接触式、精度较高且算法简单的锅炉主蒸汽管道宏观位移间接在线测量方法。

Claims (1)

1.一种锅炉主蒸汽管道宏观位移的非接触式在线测量方法，所述的锅炉主蒸汽管道通过包括若干与管道垂直的弹性支吊架悬吊，其特征是：所述方法包括以下步骤：

步骤S1，设立分别以所述锅炉主蒸汽管道中心线和选定的弹性支吊架为Y、Z轴、二轴交点为坐标系原点的空间坐标系(X，Y，Z)；

步骤S2，将弹性支吊架简化为上、下两节刚性杆和中间一节弹簧，在下节刚性杆上分别设立两个标记点A₁与A₂；

步骤S3，在所述弹性支吊架附近，非接触地设立专用支架固定双目高清摄像机，双目高清摄像机拍摄方向正对于各标记点，双目高清摄像机通过无线网桥连接一主控机；

步骤S4，在锅炉主蒸汽管道因高温蠕变出现宏观位移前，主控机得到由双目高清摄像机获取的二维数字图像后，对双目高清摄像机进行标定，建立有效的成像模型，获取双目高清摄像机的内外参数，然后对标记点、管道边缘进行识别和提取，最后进行立体匹配，采用三维重建算法获取所述标记点在所设空间坐标系中的空间坐标，设为A₁(0，0,z₁)与A₂(0，0,z₂)；

步骤S5，当锅炉主蒸汽管道因高温蠕变出现宏观位移时，同样可得到标记点在空间坐标系中的坐标，设为A′₁(x′₁，y′₁,z′₁)与A′₂(x′₂，y′₂,z′₂)；

步骤S6，建立弹性支吊架下节直线l₁在所建空间坐标系中的直线方程式：

$\frac{x-x_1^{\′}}{x_2^{\′}-x_1^{\′}}=\frac{y-y_1^{\′}}{y_2^{\′}-y_1^{\′}}=\frac{z-z_1^{\′}}{z_2^{\′}-z_1^{\′}}---\left(1\right);$

步骤S7，根据锅炉主蒸汽管道不包含管道隔热层的外表面在所建空间坐标系中的圆柱体曲线方程，即：

x²+z²＝r² (2)；

上式中，r为圆柱体管道半径，结合直线l₁方程与锅炉主蒸汽管道外表面的曲线方程，得到直线l₁方程与锅炉主蒸汽管道外表面的交点B′的X、Z坐标为：

$X=\frac{t\sqrt{(r^2-a^2)(t^2+1)+t^2{a}^2}+1}{t^2+1}---\left(3\right);$

$z=\frac{t\sqrt{(r^2-a^2)(t^2+1)+t^2{a}^2}-ta}{t^2+1}---\left(4\right);$

上式中，

将x、z坐标代入直线l₁方程，求得Y坐标，即：

$y=(\frac{t\sqrt{(r^2-a^2)(t^2+1)+t^2{a}^2}+1}{t^2+1}-x_1^{\′})\frac{y_2^{\′}-y_1^{\′}}{x_2^{\′}-x_1^{\′}}+y_1^{\′}---\left(5\right);$

B′点是由B(0,0,r)管道蠕变后所得，B点为弹性支吊架下节刚性杆延长线与锅炉主蒸汽管道外表面的交点；

因此，锅炉主蒸汽管道因高温蠕变在X、Y、Z三个方向的宏观位移为：

$dx=\left|\frac{t\sqrt{(r^2-a^2)(t^2+1)+t^2{a}^2}+1}{t^2+1}\right|---\left(6\right);$

$dy=|(\frac{t\sqrt{(r^2-a^2)(t^2+1)+t^2{a}^2}+1}{t^2+1}-x_1^{\′})\frac{y_2^{\′}-y_1^{\′}}{x_2^{\′}-x_1^{\′}}+y_1^{\′}|---\left(7\right);$

$dz=(\frac{t\sqrt{(r^2-a^2)(t^2+1)+t^2{a}^2}-ta}{t^2+1}-r|---\left(8\right);$

考虑图像测量算法所带来的误差，各个方向的实际宏观位移dx′、dy′、dz′可表示为：

dx′＝dx+e_x (9)；

dy′＝dy+e_y (10)；

dz′＝dz+e_z (11)；

其中e_x、e_y、e_z为误差修正因子，具体数值通过实测数据进行修正得到，从而准确计算出锅炉主蒸汽管道在各个方向的宏观位移。