CN107356200A - 基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，包括以下步骤：(1)锅炉运行时，拍摄锅炉冷灰斗斜面上渣块的轨迹，连续记录轨迹图像；(2)根据渣块在图像中的运动轨迹，判断落渣的位置和渣块大小；本发明还公开了基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量系统；本发明只需在炉底冷灰斗位置布置图像采集系统，通过渣块轨迹的分析计算，就可以得到煤粉锅炉的落渣大小和落渣位置，操作简单，易推广；同时对落渣大小和落渣位置的测量有助于指导运行人员对燃烧进行优化调整，从而减弱炉内结渣，避免锅炉掉大渣。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉燃烧领域，特别涉及基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法和系统。
背景技术
煤粉锅炉炉膛水冷壁及屏上结渣是一种普遍现象，同时炉内结渣会使受热面的传热能力降低，造成炉膛出口烟温升高，锅炉效率降低。结渣严重时，大块渣落下可能会砸坏炉底水冷壁或阻塞排渣口，造成锅炉灭火停炉，甚至发生安全事故。1993年3月10日，国内某电厂600MW机组因炉内结渣严重引起锅炉爆炸，设备损坏严重，造成23人死24伤的特大事故。
锅炉炉内结渣所带来的危害是非常巨大的，如何准确获得炉内的结渣位置和结渣程度，对指导燃烧调整，减弱炉内结渣，避免锅炉掉大渣具有重要的意义。多年来国内外学者对炉膛结渣的影响因素进行了广泛的研究，提出了多种结渣监测方法。Thompson等人利用安装在水冷壁上的热流计表面的沾污模拟其附近水冷壁的沾污过程，根据结渣造成的热流变化对其进行监控诊断。Afonso等人采用安装在不同位置的红外成像仪测量水冷壁表面的辐射发射率，直接反映壁面的结渣状况。王斌忠等人的研究发现鳍片式水冷壁背火侧鳍端温度受炉内结渣影响显著，有较好的温度特性曲线，提出了以水冷壁背火侧鳍端温度作为诊断炉内结渣严重程度的特征值。阎维平等人将实际传热系数与理想传热系数的比值作为清洁因子，在锅炉整体热平衡的基础上，通过受热面的热平衡和传热计算，从而监测受热面的灰污状态。炉膛水冷壁的沾污状况直接影响炉膛传热，因而炉膛出口烟温的变化过程可以反映炉内结渣的整体情况，目前国内外几乎所有的结渣监控系统都采用炉膛出口烟温作为主要或重要的辅助诊断手段。张世平等人提出了基于声学方法测量炉膛出口烟温，结合LS-SVM的炉膛受热面污染监测方法，较准确的实现了锅炉炉膛整体的灰污监测。杨祥良等人进一步沿炉膛高度布置声学测点监测水冷壁向火侧表面温度，选择动态灰污特征参数，实现了炉膛局部结渣在线监测。
虽然国内外对炉内结渣的在线监测做了较深的研究，也开发了相应的系统，但都存在着各自的不足。利用热流计可较准确地诊断不同位置的结渣，简单可靠而实用，但热流计的布置比较麻烦，要焊接在水冷壁上，改变了水冷壁的结构，降低了水冷壁的强度，且测点维护也有难度。直接诊断法需要将探测器件伸入炉膛内部，尽管有水冷却的保护套管以及避免飞灰污染的气膜，但是炉内的高温、高飞灰环境使得长时间监测较难实现。采用炉膛出口烟温的诊断技术能对炉膛整体的结渣状况作出判断，但不能反映炉内结渣的分布情况，且由于烟温较难准确测量，一般只作为辅助的诊断手段。
目前已有的研究基本都是采用基于烟气和壁面温度的间接结渣分析方法，除了需要安装大量的传感器，系统复杂，测量准确性差外，只能获得炉膛结渣的趋势，无法获得具体结渣的位置，落渣的大小等关键信息。同时已有的研究尚未见应用于实际锅炉。
发明内容
本发明提供了基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，通过图像采集系统记录渣块的运动轨迹，计算渣块的大小、速度和落渣的高度，统计炉内落渣的规律，为指导锅炉燃烧优化调整提供数据支撑。
基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，包括以下步骤：
(1)锅炉运行时，拍摄锅炉冷灰斗斜面上渣块的轨迹，连续记录轨迹图像；
(2)根据渣块在图像中的运动轨迹，判断落渣的三维位置和渣块大小。
其中，用于拍摄的图像采集设备安装过程如下：
1、基于测量视场的大小，以及达到能够分辨最小渣块的要求，选择记录CCD和镜头的参数，测量视场要覆盖冷灰斗斜面；
2、锅炉停炉时，在锅炉冷灰斗两侧安装记录相机，且相机的芯片与冷灰斗斜面相平行；
3、调整相机的焦距，使锅炉冷灰斗斜面上的物体能够被相机清晰的记录，同时标定计算相机的成像倍率；
4、在相机的镜头前安装衰减片，调整镜头光圈大小，保证相机不过曝光。
为了实现炉内落渣的全方位测量，相机测量视场要覆盖冷灰斗斜面，至少布置2个相机，且对侧布置。
为了保证炉内落渣都能够被测量，且图像处理的工作量尽量少，图像采集的帧率为20～25帧/s。
为了有效提取渣块轨迹，优选的，步骤(2)中，采用亮度阈值的方法提取渣块轨迹参数。由于渣块的温度要高于周围环境的温度，在拍摄的渣块运动轨迹图像中，渣块轨迹的亮度明显高于背景，利用亮度阈值的方法提取渣块轨迹参数。
为了准确计算落渣位置，优选的，步骤(2)中，根据渣块轨迹在图像中的位置，判断渣块在冷灰斗上的位置，初步确定落渣点在锅炉水平截面上的位置。
为了准确计算落渣位置，优选的，步骤(2)中，根据渣块在图像中的运动轨迹，获得落渣高度的具体步骤如下：
2-1、计算渣块的速度，渣块速度的计算公式如下：
其中，
u为渣块下落的速度，单位m/s；
Ls为渣块运动轨迹的长度，单位m；
θ为冷灰斗斜面与水平面的夹角，单位为°；
W为记录渣块轨迹的宽度，单位m；
β为记录相机的成像倍率。
t为相机的曝光时间，单位s；
2-2、计算落渣的高度，确定落渣位置的三维参数，落渣高度的计算公式如下：
其中，
H为落渣的高度，单位m；
g为重力加速度，单位m2/s；
k为修正系数。
为了准确计算渣块大小，优选的，步骤(2)中，根据渣块在图像中的运动轨迹，获得落渣渣块大小的具体步骤如下：
计算渣块大小的计算公式如下：
其中，
ds为渣块的大小，单位为m；
W为记录渣块轨迹的宽度，单位m；
β为记录相机的成像倍率。
为了提高测量的准确性，优选的，步骤(1)中，拍摄分辨率的计算公式如下：
其中，
N为拍摄分辨率；
L为记录视场的边长，单位m；
d为要求能够分辨最小渣块的直径，单位m。
相机镜头焦距的计算公式如下：
其中，
f为相机镜头的焦距，单位m；
P为拍摄的像素尺寸大小，单位m；
l为相机距离拍摄平面的距离，单位m。
本发明还提供了基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量系统，包括：
记录相机，安装在锅炉冷灰斗两侧用于拍摄对面的冷灰斗侧面；
数字图像处理模块，接收记录相机拍摄的渣块的运动轨迹并计算渣块的大小、速度和落渣的高度。
为了减少图像的存储量，数字图像处理模块能够自动识别渣块轨迹图像，并对图像进行保存，对无渣块轨迹的图像不保存。
为了保证相机的长时间稳定工作，不被炉内高温辐射损坏，优选的，所述记录相机包括：
冷却罩，设有拍摄窗口；
相机本体，密封安装在所述冷却罩内且相机镜头朝向拍摄窗口。相机本体包括CCD和配套的镜头、衰减片，安装在冷却罩内部。冷却罩实现相机的冷却，同时防止积灰对镜头的沾污。
优选的，所述冷却罩为双层的套筒结构，包括进风口和出风口，所述出风口设置在所述拍摄窗口的周向区域。冷却罩为双层套筒结构，安装相机的内部密封，防止相机受灰尘的影响。
优选的，所述出风口包括径向朝内的第一出风口。优选的，所述出风口包括轴向的第二出风口。第一出风口和第二出风口可以分段设置，也可以设置成环形。
其中，第一出风口和第二出风口可以单独设置，还可以同时设置，风出口为径向和轴向两股，有效防止积灰。
为了提高去灰效果，优选的，第一出风口面积与第二出风口面积之比为1.5～2.5。
本发明的有益效果：
本发明的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法和系统只需在炉底冷灰斗位置布置图像采集系统，通过渣块轨迹的分析计算，就可以得到煤粉锅炉的落渣大小和落渣位置，操作简单，易推广；同时对落渣大小和落渣位置的测量有助于指导运行人员对燃烧进行优化调整，从而减弱炉内结渣，避免锅炉掉大渣。
附图说明
图1为炉膛冷灰斗的结构示意图。
图2为本发明的记录相机在炉膛冷灰斗安装位置示意图。
图3本发明的记录相机的结构示意图。
图4使用本发明方法和系统采集的渣块轨迹的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法易于了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本实施例的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量系统安装在炉底冷灰斗位置，冷灰斗结构特征如图1所示，1为冷灰斗斜面，2为排渣口。一般炉膛截面为接近正方形的矩形，为了便于加工制造以及工艺上的考虑，冷灰斗排渣口为狭长的矩形。相机的安装位置与冷灰斗的相对位置如图2所示，其中，3为冷灰斗，4-1和4-2分别为相机5-1和5-2的记录视场。
为了保证相机的长时间稳定工作，不被炉内高温辐射损坏，记录相机包括CCD5、配套的镜头6、衰减片7以及电源和数据传输线11，记录相机安装在冷却罩内部。冷却罩为双层套筒结构，安装相机的内部密封，防止相机受灰尘的影响，同时冷却风出口为径向的第一出风口9和轴向的第二出风口10两股，防止积灰，结构如图3所示。冷却罩上还设有冷却空气进气口8，第一出风口9和第二出风口10为连续的环形出口，径向的第一出风口9的面积与轴向的第二出风口10面积比为2:1。
基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法实施步骤如下：
(1)基于测量视场的大小，以及达到能够分辨最小渣块的要求，选择记录CCD和镜头的参数。
具体的记录CCD分辨率的计算公式如下：
其中，
N为CCD的分辨率；
L为记录视场的边长，单位m；
d为要求能够分辨最小渣块的直径，单位m。
相机镜头焦距的计算公式如下：
其中，
f为相机镜头的焦距，单位m；
P为记录CCD的像素尺寸大小，单位m；
l为相机距离拍摄平面的距离，单位m。
(2)锅炉停炉时，在锅炉冷灰斗两侧安装记录相机，且相机的芯片与冷灰斗斜面相平行，安装的位置如图2所示。
(3)调整相机的焦距，使锅炉冷灰斗斜面上的物体能够被相机清晰的记录，同时标定计算相机的成像倍率。
(4)在相机的镜头前安装衰减片，调整镜头光圈大小，保证相机不过曝光。
(5)锅炉运行时，调整相机的曝光时间，保证能够记录到渣块的轨迹，连续记录图像，为了保证炉内落渣都能够被测量，且图像处理的工作量尽量少，图像采集的帧率为20～25帧/s。
(6)根据渣块在图像中的运动轨迹，精确判断落渣的位置和渣块大小，具体获得落渣位置和渣块大小的步骤如下：
首先由于渣块的温度要高于周围环境的温度，在拍摄的渣块运动轨迹图像中，渣块轨迹的亮度明显高于背景，利用亮度阈值的方法提取渣块轨迹参数，局部区域渣块的轨迹图如图4所示；
根据渣块轨迹在图像中的位置，判断渣块在冷灰斗上的位置，初步确定落渣点在锅炉水平截面上的位置。
其次，计算渣块的大小和速度，渣块大小的计算公式如下：
其中，
ds为渣块的大小，单位为m；
W为记录渣块轨迹的宽度，单位m；
β为记录相机的成像倍率。
计算渣块的速度，渣块速度的计算公式如下：
其中，
u为渣块下落的速度，单位m/s；
Ls为渣块运动轨迹的长度，单位m；
θ为冷灰斗斜面与水平面的夹角，单位为°；
W为记录渣块轨迹的宽度，单位m；
β为记录相机的成像倍率。
t为相机的曝光时间，单位s；
2-2、计算落渣的高度，落渣高度的计算公式如下：
其中，
H为落渣的高度，单位m；
g为重力加速度，单位m2/s；
k为修正系数。
最后分析渣块落在冷灰斗的位置，基于渣块运动速度的计算，判断渣块掉落的高度，实现煤粉锅炉炉内落渣的测量。
Claims (10)
1.基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)锅炉运行时，拍摄锅炉冷灰斗斜面上渣块的轨迹，连续记录轨迹图像；
(2)根据渣块在图像中的运动轨迹，判断落渣的三维位置和渣块大小。
2.如权利要求1所述的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，其特征在于，步骤(2)中，采用亮度阈值的方法提取渣块轨迹参数。
3.如权利要求1所述的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，其特征在于，步骤(2)中，根据渣块轨迹在图像中的位置，判断渣块在冷灰斗上的位置，初步确定落渣点在锅炉水平截面上的位置。
4.如权利要求1或3所述的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，其特征在于，步骤(2)中，根据渣块在图像中的运动轨迹，获得落渣高度的具体步骤如下：
2-1、计算渣块的速度，渣块速度的计算公式如下：
<mrow>
<mi>u</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>/</mo>
<mi>sin</mi>
<mi>&theta;</mi>
<mo>-</mo>
<mi>W</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>&beta;</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，
u为渣块下落的速度，单位m/s；
Ls为渣块运动轨迹的长度，单位m；
θ为冷灰斗斜面与水平面的夹角，单位为°；
W为记录渣块轨迹的宽度，单位m；
β为记录相机的成像倍率。
t为相机的曝光时间，单位s；
2-2、计算落渣的高度，确定落渣位置的三维参数，落渣高度的计算公式如下：
<mrow>
<mi>H</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msup>
<mi>u</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>g</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>k</mi>
</mrow>
其中，
H为落渣的高度，单位m；
g为重力加速度，单位m2/s；
k为修正系数。
5.如权利要求1所述的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，其特征在于，步骤(2)中，根据渣块在图像中的运动轨迹，获得落渣渣块大小的具体步骤如下：
计算渣块大小的计算公式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>W</mi>
<mi>&beta;</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，
ds为渣块的大小，单位为m；
W为记录渣块轨迹的宽度，单位m；
β为记录相机的成像倍率。
6.如权利要求1所述的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量方法，其特征在于，步骤(1)中，拍摄分辨率的计算公式如下：
<mrow>
<mi>N</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>L</mi>
</mrow>
<mi>d</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，
N为拍摄分辨率；
L为记录视场的边长，单位m；
d为要求能够分辨最小渣块的直径，单位m。
相机镜头焦距的计算公式如下：
<mrow>
<mi>f</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>P</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>N</mi>
</mrow>
<mi>L</mi>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mi>l</mi>
</mrow>
其中，
f为相机镜头的焦距，单位m；
P为拍摄的像素尺寸大小，单位m；
l为相机距离拍摄平面的距离，单位m。
7.基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量系统，其特征在于，包括：
记录相机，安装在锅炉冷灰斗两侧用于拍摄对面的冷灰斗侧面；
数字图像处理模块，接收记录相机拍摄的渣块的运动轨迹并计算渣块的大小、速度和落渣的高度。
8.如权利要求7所述的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量系统，其特征在于，所述记录相机包括：
冷却罩，设有拍摄窗口；
相机本体，密封安装在所述冷却罩内且相机镜头朝向拍摄窗口。
9.如权利要求8所述的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量系统，其特征在于，所述冷却罩为双层的套筒结构，包括进风口和出风口，所述出风口设置在所述拍摄窗口的周向区域。
10.如权利要求9所述的基于渣块轨迹的煤粉锅炉炉内落渣测量系统，其特征在于，所述出风口包括径向朝内的第一出风口；所述出风口包括轴向的第二出风口。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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