CN113776688B - 基于声学和火焰辐射图像的垃圾焚烧炉三维温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及温度测量技术，旨在提供一种基于声学和火焰辐射图像的垃圾焚烧炉三维温度测量方法。包括：利用声波测温传感器测定炉膛出口烟道区域中各路径发射、接收声波的飞渡时间；利用火焰图像采集单元采集炉膛火焰图像信号；对不同区域的平均温度进行评估，形成实时火焰辐射温度图像；对各截面温度离散分布数据进行计算，获得不同平面的温度分布值以构成炉膛内部三维温度场；进一步耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征。本发明基于温度的空间分布和时变特性，能够探明全炉膛内温度分布，延长锅炉运行周期；从源头减少二次污染物源强，最终使垃圾焚烧厂实现增能减耗，提升生产效益。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量技术，特别是涉及一种基于声学和火焰辐射图像的垃圾焚烧炉三维温度测量方法。通过声波测温系统耦合火焰辐射图像识别技术，重建获得全炉膛三维立体温度场，实时精准监控焚烧炉内温度分布。
背景技术
我国城市生活垃圾清运量逐年增长，垃圾焚烧处置已成为主流的城市生活垃圾无害化处置方式。垃圾焚烧锅炉可梯级回收利用焚烧过程中产生的余热，用于发电、供热供汽等。由于入炉垃圾的非均质性和组分多样，易使生活垃圾焚烧锅炉出现偏烧、漏烧、结焦、灭火等焚烧恶化工况，使炉膛内温度下降、焚烧过程中污染物源强增量，造成垃圾焚烧厂停炉维护频率上升，导致直接和间接经济损失；垃圾焚烧厂自动化和智能化水平亟待提升。
目前，垃圾焚烧厂内温度监测技术主要以热电偶为主，在实际生产过程中面临仅能接触式单点测量、需定期更换、温度漂移、无法测得烟道内部温度等问题。垃圾焚烧是一个发生在大空间范围、不断脉动的、具有明显三维特征的物理化学过程，垃圾焚烧锅炉内部温度场分布直接反映了炉内燃烧状况，但是由于炉内高温、多尘、强腐蚀的气氛环境，现有技术难以对炉内温度分布特别是三维温度分布进行直接测量。
传统炉膛内测温方式热电偶法是直接接触式测量，无法探明炉膛内部温度场分布；红外测温法易受炉内高粉尘气体成分干扰，使测温精度迅速下降；火焰辐射图像针对火焰焚烧温度，无法表征炉膛及烟道内温度。
目前已有针对炉膛测温的声波测温技术。相比于传统的测温手段，声波测温能够实时在线监测炉膛内燃烧场的二维空间温度分布状态；提供温度场分布图、区块平均温度、炉管泄露报警、独立通道温度、区块温度变化趋势等。但是，单独使用声波测温技术去监测炉膛温度，存在难以监测主燃区、难以探明三维特征的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于声学和火焰辐射图像的垃圾焚烧炉三维温度测量方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于声学和火焰辐射图像的垃圾焚烧炉三维温度测量方法，包括以下步骤：
(1)将至少2组声波测温单元分层布置在垃圾焚烧炉炉排上方的炉膛出口烟道区域，每一组声波测温单元包括多个声波测温传感器，利用声波测温传感器测定各路径发射、接收声波的飞渡时间；将至少2组火焰图像采集单元间隔布置在炉排后拱的位置，用于采集火焰图像信号；
(2)将采集到的声波飞渡时间数据和火焰辐射图像信号传送给数据中转处理单元，经滤波处理后传送给反馈控制单元；
(3)反馈控制单元对不同区域的平均温度进行评估，形成实时火焰辐射温度图像；
(4)反馈控制单元对各截面温度离散分布数据进行计算，获得不同平面的温度分布值以构成炉膛内部三维温度场；进一步耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征。
本发明进一步提供了用于实现所述方法的垃圾焚烧炉三维温度测量系统，该系统包括声波测温单元、火焰辐射图像采集单元、数据中转处理单元和反馈控制单元；
所述声波测温单元至少有2组，且分层布置在垃圾焚烧炉位于炉排上方的烟道区域，用于测量声波飞渡时间；每组声波测温单元均由隔热圈、防尘网、声导管、吹灰器、收发一体式声波测温传感器和连接紧固件组成；
所述火焰辐射图像采集单元至少有2组，且间隔布置在垃圾焚烧炉的炉排后拱位置，用于采集火焰辐射图像信号；每组火焰辐射图像采集单元均由工业火焰CCD摄像机、耐高温防腐蚀镜头和耐高温防腐蚀防护罩组成；
所述数据中转处理单元由就地电子柜和配电箱组成；就地电子柜用于接受声波测温单元的声波飞渡时间数据和火焰辐射图像采集单元的图像信号，并在滤波处理后传送给反馈控制单元；
所述反馈控制单元由DCS系统、火焰辐射图像识别模块、三维温度场重建模块和焚烧状态诊断模块组成；其中，火焰辐射图像识别模块用于对各截面不同区域的平均温度进行评估，并形成实时火焰辐射温度图像；三维温度场重建模块用于对各截面温度离散分布数据进行计算，获得不同平面的温度分布值以构成炉膛内部三维温度场；焚烧状态诊断模块用于耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征。
作为优选方案，所述声波测温单元中的声导管在炉膛内部具有露出段，在该露出段的两侧设有吹灰器；声导管的轴向垂直于炉膛中的烟气流动方向。
作为优选方案，在同一个测温断面层中布置四组声波测温单元，各声波测温单元中的声波测温传感器分别与其他声波测温传感器构成声波传播路径。
发明原理描述：
本发明在烟道壁(浇筑水冷壁、保温层和铁皮)外焊接安装声波测温传感器。声波测温传感器作为非接触式传感器，其声导管一般焊接于炉膛壁面外并发射声波，声导管只在烟道内部具有露出段，声波测温传感器的其它主体部件位于烟道外，这也是该传感器维护周期长、不易磨损的原因。
本发明布置了两层声波测温传感器，通过测量不同点位之间的飞渡时间，通过最小二乘算法重建获得三维温度场，并通过耦合火焰辐射图像识别装置，基于最小二乘算法进一步计算得到炉排垃圾火焰辐射图像的燃烧温度，从而破除炉内温度分布“黑匣子”，为智能焚烧反馈系统提供关键数据支持。
在炉排炉垃圾焚烧炉的烟道外侧焊接声波收发器并恢复保温层后，已知声波测温传感器之间的声波传播距离，通过测得不同测温路径间的声波飞渡时间，经过信号电缆传输至就地控制柜后传输至集控室内工控机，进而确定该传播路径上的平均气体温度，通过最小二乘算法插值计算后获得由点及面的三维温度场；以炉排后拱布置的工业火焰摄像头测得的二路火焰辐射信号经视频线传输至工控机处理，可覆盖测得炉排大部分主燃区火焰温度；以声波测温辅以火焰辐射图像测温耦合得到全炉膛三维温度场测量系统，精确表征全炉膛温度分布，为智能焚烧控制系统如输入数据调节焚烧温度场均衡性和配风闭环调节控制系统等提供关键数据支持。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的通过两层多点位布置的声波收发器，较传统热电偶测温方式而言，能够测得烟道断面的三维温度场分布；进而探明关键焚烧温度参数和表征焚烧状态，通过燃烧调整避免炉排上垃圾局部燃烧不完全及结焦，为运行安全性和经济性提升提供支持。
2、本发明提供的焚烧炉后拱布置的工业火焰辐射摄像头，在声波测温装置运行时可同步对炉排上方的火焰发射辐射图像进行监测，炉内看火数据经采集后，可根据普朗克定律和像素分析获得图像中火焰温度分布情况，补全炉内温度分布。
3、本发明根据垃圾焚烧锅炉的实际工况，基于温度的空间分布和时变特性，能够探明全炉膛内温度分布，延长锅炉运行周期；从源头减少二次污染物源强，最终使垃圾焚烧厂实现增能减耗，提升生产效益；对提高燃烧效率、垃圾焚烧优化控制、减少焚烧厂环境污染排放具有重要意义。
附图说明
图1为垃圾焚烧炉全炉膛温度场测量系统图；
图2为垃圾焚烧炉声波传感器布置示意图；
图3垃圾焚烧炉全炉膛温度场测量原理图；
图4声波测温单元的安装示意图。
图中：1声波测温单元；2火焰辐射图像采集单元；3数据中转处理单元；4反馈控制单元；炉内5；隔热圈6；防尘网7；声导管8；收发一体式声波测温传感器9；吹灰器10；连接紧固件11。
具体实施方式
首先需要说明的是，本发明涉及计算机技术，是计算机技术在数据处理和控制领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：火焰辐射图像识别模块、三维温度场重建模块和焚烧状态诊断模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。
下面结合附图对本发明的内容做进一步的说明。
垃圾焚烧炉三维声学温度场测量系统图如图1、3所示，包括声波测温单元1、火焰辐射图像采集单元2、数据中转处理单元3和反馈控制单元4。
所述声波测温单元1共有八组，且分为2层布置在垃圾焚烧炉炉膛出口的烟道区域，用于测量声波飞渡时间。每组声波测温单元1均由隔热圈6、防尘网7、声导管8、吹灰器10、收发一体式声波测温传感器9和连接紧固件11组成；各部件的位置关系如图4所示；具体为：隔热圈6紧临烟道壁面，与锥斗形的声导管8之间安装防尘网7起到防护作用，声导管8的轴向垂直于烟道中的烟气流动方向，在烟道内部具有露出段，且在该露出段的两侧设有吹灰器10，各部件间通过紧固件11进行连接；收发一体式声波测温传感器9置于声导管8的末端用于采集传输信号，并通过信号线传送至数据中转处理单元3。收发一体式声波测温传感器9是商业化产品，可市购获得。
八组声波测温单元1分为双层布置构成两个测温断面，在同一个测温断面层中布置四组声波测温单元1。各单元中的声波测温传感器分别与其它组的声波测温传感器构成声波传播路径，可构建二十四条声波传播测温路径(如图2所示)。不同传感器之间利用其声波通讯功能构建形成彼此的传播路径，以重建获得高温度分辨率和高精度的三维温度场。
火焰辐射图像采集单元2有两组，且间隔布置在垃圾焚烧炉的炉排后拱位置，用于采集火焰辐射图像信号，监测炉排燃烧段中部火焰温度；每组火焰辐射图像采集单元均由工业火焰CCD摄像机、耐高温防腐蚀镜头和耐高温防腐蚀防护罩组成；两个工业火焰CCD摄像机相距7米布置。
数据中转处理单元3由就地电子柜和配电箱组成；就地电子柜用于接受声波测温单元的声波飞渡时间数据和火焰辐射图像采集单元的图像信号，并在滤波处理后传送给反馈控制单元；
反馈控制单元4由DCS系统、火焰辐射图像识别模块、三维温度场重建模块和焚烧状态诊断模块组成；其中，火焰辐射图像识别模块用于对各截面不同区域的平均温度进行评估，并形成实时火焰辐射温度图像；三维温度场重建模块用于对各截面温度离散分布数据进行计算，获得不同平面的温度分布值以构成炉膛内部三维温度场；焚烧状态诊断模块用于耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征。
当垃圾燃烧出现偏差波动时，会使烟气温度分布偏差极大且呈异常火焰辐射图像温度；当关键运行参数如一二次风量，给料速度等对温度场分布无法产生影响时，则说明炉内出现结焦等异常情况。进一步地，可将所获得的三维温度场数据作为大权重参数耦合其他变量，提供关键数据支持，可进行实时焚烧诊断、焚烧波动预测、全局参数寻优等。据此，DCS系统可以进行工艺条件的操作调整。
基于上述垃圾焚烧炉三维温度测量系统，本发明所述基于声学和火焰辐射图像的垃圾焚烧炉三维温度测量方法，包括以下步骤：
(1)利用声波测温单元1测定各路径发射、接收声波的飞渡时间，利用火焰图像采集单元2采集火焰图像信号；
(2)将采集到的声波飞渡时间数据和火焰辐射图像信号传送给数据中转处理单元3，经滤波处理后传送给反馈控制单元4；
(3)反馈控制单元4对不同区域的平均温度进行评估，形成实时火焰辐射温度图像；具体包括：
在火焰图像采集单元采集到的图像中，每个像素点由R、G、B(即红、绿、蓝)三个灰度分量组成，其对应的波长λ分别为700nm，546.1nm和435.8nm；R、G、B三分量的灰度值均为0-255(共计256个灰度等级)，且每个像素点的R、G、B的灰度值由入射光的辐射强度决定；火焰图像采集单元经高温黑体炉校准后可测得火焰定向辐射强度I。在反馈控制单元内，基于Planck定律(见下式1)求解获得温度值；按此方式对所有像素点进行求解，即可获得全图像中火焰的温度分布情况。
式(1)中各符号或代号的含义分别是：I(λ)为火焰发射光谱的定向辐射强度；λ为光谱波长；T为高温黑体炉的设定温度；c1和c2分别为第一和第二辐射常量，且c1＝3.7419×10-16Wm2和c2＝1.4388×10-2mK；π为圆周率。
(4)反馈控制单元对各截面温度离散分布数据进行计算，获得不同平面的温度分布值以构成烟道内三维温度场；进一步耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征。
(4.1)对各截面温度离散分布数据进行计算，利用不同平面的温度分布值构成三维温度场；包括：对于待测区域中的所有三维层面的声波传播路径，利用最小二乘法使各路径声波飞渡时间的实测值和理论值间误差平方和最小，求解正则方程，获得分布温度矩阵T；进一步地，根据求得的分布温度矩阵T，通过Multiquadric径向基函数插值计算得到待测区域温度温度函数T(x，y)，最终实现三维温度场重建；
该过程的具体实现过程包括：
对各截面温度离散分布数据进行计算，通过三维温度场最小二乘算法求解正则方程和插值计算，利用不同平面的温度分布值构成三维温度场；其中，
最小二乘算法重建温度场的计算原理为：
t′k＝∫adlk (2)
式(2)中，a表示声波信号在待测区域中的空间特性，即声波传播速度倒数，lk表示声波传播路径，tk′表示该路径的声波飞渡时间理论值。以ΔSki表示第k条声波传播路径穿过第i个测温断面划分区域的长度，则式(2)可改写为：
式(3)中，ai表示声波信号在第i个待测区域中的空间特性，该式中i表示离散温度区域中的第i个区域；N表示待测区域的划分总数。
对于待测区域中的所有三维层面的声波传播路径，利用最小二乘法使各路径声波飞渡时间的实测值和理论值间误差平方和最小，使下式成立：
式(4)中，k表示特定的第k条声波飞渡路径，tk表示第k条路径的实测声波飞渡时间，M表示声波飞渡路径的总数。
由式(4)可进一步推得正则方程：
STSA＝STt (5)
式(5)中，A为声波信号的空间特性矩阵，t为飞渡时间矩阵，S为距离矩阵，ST为距离矩阵的转置矩阵；
求解该正则方程，计算得矩阵A：
A＝(STS)-1STt (6)
进而可根据声波传播速度与温度之间的对应关系求解获得温度矩阵T：
式(5)中，B为气体特征常数；
根据最小二乘法所得分布温度矩阵T，构建Multiquadric径向基函数插值模型：
式(8)中，T(x)，y)为待测区域温度分布函数，x，y为空间坐标值，该式中i表示离散温度区域中的第i个区域；i＝1，2，3，…，N；N为待测区域的划分总数；ωi为待定系数，
为Multiquadric径向基函数，其表达式为
式(9)中，x，y为空间坐标值；xi，yi为第i个已知离散温度区域的中心位置坐标；γ，β为固定常数；
将最小二乘法解得的N个划分待测区域的平均温度T＝[T1，T2，…，TN]T作为该N个区块对应几何中心点的温度值，则存在N个离散初始数据点{(xi，yi)，Ti}，i＝1，2，…，N，满足如下方程组：
将式(10)改写为矩阵形式并求解：
式(11)中，ω为待定系数矩阵，T为式7求解获得的平均温度矩阵，
为Multiquadric径向基矩阵的逆矩阵；
将求解得到的系数矩阵ω的具体取值ωi代入式(7)即可得到温度插值分布模型，最终实现三维温度场重建。
(4.2)耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征；具体包括：
将重建获得的垃圾焚烧炉内主燃区和烟道温度分布数据经由Profibus-DP接口导入DCS系统，将炉排火焰温度场分布和烟道内三维声学温度场与DCS系统耦合，以等温线图或热力图的形式呈现于集控室屏幕上；通过计算、对比声波测温和火焰辐射图像测温的对应区域平均温度，对焚烧状态进行定量表征：
如当炉排某划分区域的平均火焰温度低于所设定的最低温度(如Tmin＝1100K)且烟道内对应区域的平均温度出现显著异常(超过设定阈值，如高/低于周围温度25％时)，即可认为焚烧状况出现异常，适当降低该区域的给料速度和增大一、二次风量，以达到稳燃效果；
当烟道壁面附近由声波测温单元测得的区域温度显著偏高(超过设定阈值时，如Tmin＞500℃)且炉排对应划分区域的平均火焰温度正常，则可判断壁面出现严重结焦，需及时处理。
Claims (3)
1.一种基于声学和火焰辐射图像的垃圾焚烧炉三维温度测量方法，其特征在于，该方法是基于垃圾焚烧炉三维温度测量系统实现的：该系统包括声波测温单元、火焰辐射图像采集单元、数据中转处理单元和反馈控制单元；
所述声波测温单元至少有2组，且分层布置在垃圾焚烧炉位于炉排上方的烟道区域，用于测量声波飞渡时间；每组声波测温单元均由隔热圈、防尘网、声导管、吹灰器、收发一体式声波测温传感器和连接紧固件组成；
所述火焰辐射图像采集单元至少有2组，且间隔布置在垃圾焚烧炉的炉排后拱位置，用于采集火焰辐射图像信号；每组火焰辐射图像采集单元均由工业火焰CCD摄像机、耐高温防腐蚀镜头和耐高温防腐蚀防护罩组成；
所述数据中转处理单元由就地电子柜和配电箱组成；就地电子柜用于接收声波测温单元的声波飞渡时间数据和火焰辐射图像采集单元的图像信号，并在滤波处理后传送给反馈控制单元；
所述反馈控制单元由DCS系统、火焰辐射图像识别模块、三维温度场重建模块和焚烧状态诊断模块组成；其中，火焰辐射图像识别模块用于对各截面不同区域的平均温度进行评估，并形成实时火焰辐射温度图像；三维温度场重建模块用于对各截面温度离散分布数据进行计算，获得不同平面的温度分布值以构成炉膛内部三维温度场；焚烧状态诊断模块用于耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征；
所述垃圾焚烧炉三维温度测量方法具体包括以下步骤：
（1）将至少2组声波测温单元分层布置在垃圾焚烧炉炉排上方的炉膛出口烟道区域，每一组声波测温单元包括多个声波测温传感器，利用声波测温传感器测定各路径发射、接收声波的飞渡时间；将至少2组火焰图像采集单元间隔布置在炉排后拱的位置，用于采集火焰图像信号；
（2）将采集到的声波飞渡时间数据和火焰辐射图像信号传送给数据中转处理单元，经滤波处理后传送给反馈控制单元；
（3）反馈控制单元对不同区域的平均温度进行评估，形成实时火焰辐射温度图像；
在火焰图像采集单元采集到的图像中，每个像素点灰度分量的灰度值由入射光的辐射强度决定；火焰图像采集单元经校准后测得火焰定向辐射强度I，进而基于Planck定律求解获得温度值，对所有像素点进行求解即获得全图像中火焰的温度分布情况；
（4）反馈控制单元对各截面温度离散分布数据进行计算，获得不同平面的温度分布值以构成炉膛内部三维温度场；进一步耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征；具体包括：
（4.1）对各截面温度离散分布数据进行计算，利用不同平面的温度分布值构成三维温度场；具体包括：
对于待测区域中的所有三维层面的声波传播路径，利用最小二乘法使各路径声波飞渡时间的实测值和理论值间误差平方和最小，求解正则方程，获得分布温度矩阵T；进一步地，根据求得的分布温度矩阵T，通过Multiquadric径向基函数插值计算得到待测区域温度温度函数T(x,y)，最终实现三维温度场重建；
（4.2）耦合火焰辐射温度图像数据，实现焚烧炉内温度场分布和焚烧状态的定量表征；具体包括：
将重建获得的垃圾焚烧炉内主燃区和道温度分布数据导入DCS系统，将炉排火焰温度场分布和烟道内三维温度场与DCS系统耦合，以等温线图或热力图的形式呈现于显示设备上；通过计算、对比声波测温和火焰辐射图像测温的对应区域平均温度，对焚烧状态进行定量表征：
当炉排某划分区域的平均火焰温度低于所设定的最低温度，且烟道内对应区域的平均温度超过设定阈值时，即认为焚烧状况出现异常；
当烟道壁面附近由声波测温单元测得的区域温度超过设定阈值，且炉排对应划分区域的平均火焰温度正常，则判断壁面出现严重结焦。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声波测温单元中的声导管在炉膛内部具有露出段，在该露出段的两侧设有吹灰器；声导管的轴向垂直于炉膛中的烟气流动方向。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在同一个测温断面层中布置四组声波测温单元，各声波测温单元中的声波测温传感器分别与其他声波测温传感器构成声波传播路径。
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