基于图像处理的在线火焰检测技术在燃烧实验中的应用

基于图像处理的在线火焰检测技术在燃烧实验中的应用 基于图像处理的在线火焰检测技术在燃烧实验中的应 用 ? 论文作者签名:五蠼 指导教师签名: 论文评阅人: 评阅人: 评阅人: 评阅人: 评阅人: 答辩委员会主席: 奎亘选院?堑江太堂 委员: 圃昱熬援浙江态堂 委员: 睦验红副数援逝堑态堂 委员: 昱堂盛副熬援逝江盔堂 委员: 赵瞳苤副教援主国让量堂瞳 委员: 答辩日期: 纽宦二芷盘浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已 经发 表或撰写过的研究成果,也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的学位或 证 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文 中作了明确的说明并表示谢意。 签字日期: 学位论文作者签名:‘平望 刀?年;月刀日 学位论文版权使用授权书 有权保留并向国家有关部门或机 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂 构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿太鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采 用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 导师签名: 学位论文作者签名:寻呼 签字日期:?乡年谚月习日 签字日期:如彦年;月砑日致谢 时光荏苒,两年多的研究生时光过得充实而快乐,在实验室的点点滴滴更是 人生宝贵的财富,在这里我要对帮助我完成学业的人表示衷心的感谢和发自内心 的祝福,希望在今后的人生道路上能一帆风顺。 首先要感谢我的导师周吴教授,是周教授提供了悉心的指导和无微不至的关 心,在实验进行和论文的写作指导方面更是给予了专业的建议。周教授扎实的学 术知识和严谨的治学作风,为我今后的学习和工作做出了很好的榜样,是我一生 宝贵的财富。 感谢浙江大学热能所提供的先进的实验设备和学术交流的平台,在这里我认 识到了专业方向上很多的良师益友,他们给我鼓励和支持,让我可以在专业道路 上踏实前行。 感谢煤粉组的师兄,在学习和实践中给我很多建议,感谢我的师兄汤琪、任 涛、胡善涛、吴剑波、林阿平、莫桂源、芮淼;感谢我同级的各位同学,刘建成、 刘子豪、屈会格、孙胜、杨玉、周斌;感谢我的师弟师妹,丁建忠、杨林彬、张 志中、程明、董康、徐艳冰、孔俊俊、周康等。 感谢我的舍友同时也是我的热能所同专业同学,郭龙、吴建成,是他们给予 我生活中的关心,并在科研道路上相互支持和鼓励,让我获益良多。 最后感谢我的家人和朋友,他们在背后默默地关心我,在我实验不顺利的时 候,鼓励和支持我,是我的精神不竭的动力,在学业完成的成果中也有他们一 份 不可或缺的一部分。 于甲军 年月于浙大求是园逝江太堂亟?金奎 擅噩 摘 要 我国是一个能源消费大国,国内的煤炭消费比例大约占能源总体消费水平的 %左右,而煤炭中用于燃烧发电的部分占%左右。燃煤发电要求加强对炉内 燃烧情况的检测,及时调整,做好运行保障工作。燃烧中的火焰信息是炉内燃 烧 情况的直接反应,特别是温度、燃烧频率等。 本文实验介绍的火焰图像的检测是在一维炉燃煤火焰检测实验台上进行的, 主要利用相机和图像处理技术相互结合,利用双色法对火焰图像进行温度 场转化。 本文一维炉燃烧实验中,设计了个煤种,共个工况,对不同的影响因 素进行分析,如煤种、过量空气系数、给煤速度、不同一、二次风配比等。 煤种 的个工况相互对比,可以说明过量空气系数对燃煤火焰的影响,即在一定范 围内火焰温度和亮度随着过量空气系数的增加而增加。同时尾部烟气中的 含量由于温度增加,会随着过量空气系数的增加而增加。煤种的个设计工况, 体现的是不同给煤速度下,火焰的燃烧情况。结果表明,在一定范围内,给煤速 度加快,火焰温度和亮度增加。煤种的个设计工况是在相同给煤速度和过量 空气系数的情况下进行的,但其中一、二次风的配比不同,设计使用了两套不同 的一、二次风配比的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。实验结果表明一、二次风配比方案对燃烧有着一定的 影响,相同风煤供给情况下,一种配风方案下的火焰平均温度要比另一种方案的 要高。 关键词:一维炉;相机;图像处理;双色法;温度场唱, %. ,%. ,喇 .锄 , .?,锄 ,曲觚 .印, ,懿 , 帅, ,,’ .,曲 ,伍,舶 . ., 锄 .,., ,:., 岱: ,锄 , ’’.郫: ;锄; ;;目录 致谢. 摘要 仃?.. 第一章绪论? .引言?.. .研究的意义?一 .国内外火焰检测技术有关研究进展.. ..传统的火焰检测技术~ ..数字图像处理技术在火焰检测中的应用.本文主要研究内容? 第二章 实验台介绍及双色法测温原理?. .实验台介绍? ..实验台本体介绍..实验设备介绍 .双色法测温原理介绍 .. 彩色原理 ..双色法测温? ..双色法测温主要的误差来源 .本章小结第三章测枪的黑体炉标定实验??. .黑体炉介绍. .标定实验及标定结果分析? .本章小结第四章 燃煤火焰检测试验. .燃煤火焰检测试验方法介绍 .设计工况介绍?... 设计煤种?. ..设计煤种?. ..设计煤种?. .火焰图像特征参数介绍和燃煤试验的实验数据预处理? .. 火焰图像特征参数介绍.. 图像预处理? .本章小 结??. 第五章 燃煤实验数据处理和分析. .实验数据处理 .. 计算平均图像以及图像的亮度、平均温度. ..计算火焰频率 .三种煤种实验工况的数据处理结果和分析 ..设计煤种?. ..设计煤种?. ..设计煤种?. .三个煤种工况间的对比分析 .本章小结第六章全文 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 与展望?. .全文总结.工作展望参考文献:?. 第一章绪论 我国是一个能源消费大国,随着社会经济总量的增长,对于能源的需求也越 来越大。据年《世界能源统计年鉴》,能源消费仍然侧重于化石燃料, 化石燃料在能源消费中占%,可再生能源的份额继续提高,但仅占全球能源消 费的%。年全球一次能源消费增长.%,石油仍是全球主导型燃料,占 全球能源消费的.%,但是石油所占份额已经出现连续下滑的迹象。全球煤炭 产量增长.%,占全球能源消费的.%,增长.%,再次成为增长最快的化 石燃料。 根据《年中国统计年鉴》可知,我国煤炭产量增长.%,原煤占能源 生产总量的.%,煤炭占能源消费总量的%左右,煤炭消费增长.%。 年煤炭消费份额中发电部分占%,能源加工转换总效率为.%,其中发电 及电站供热效率为.%。年电力生产总量为.亿千瓦小时,其中 火电为.亿千瓦小时,占.%,平均每天电力消费量为.亿千瓦小 时。 表. 年~年我国能源消费总量及其构成 年份 能源消费总量 占能源消费总量的比重 万吨 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤 煤炭 石油 天然气 水电、核电、风电 .......................我国煤炭储量丰富,煤炭发电占据国内电力生产的主要市场。电力行业是我 国能源行业的基石,关系到国内经济发展命脉和人民日常生活。国际社会对于燃 煤发电中的低污染排放和低碳经济也做出呼吁,燃烧安全、经济和低污染排放成为发展的趋势,洁净煤技术已经成为我国能源格局下的重大战略措施。洁净煤技 术的主旨是减少环境污染的同时提高煤炭利用效率,提高煤炭的利用潜能,主要 包括煤炭的加工领域、煤炭的高效洁净燃烧技术领域和煤炭的转化和污染控制领 域【】 国内经济发展对能源的需求越来越多,但是化石能源的储存总量有限,每年 的开采量也比较紧张。在煤炭供量紧张,锅炉燃烧使用劣质煤、难烧的贫煤、无 烟煤的情况下,对于锅炉的燃烧性能要求也越来越高。燃煤电站机组围绕着高参 数、大容量的方向发展,同时各种降低污染物排放的设备和技术也在研发和电站 推广中,比如脱硫、脱氮等吐 .研究的意义 燃煤电站锅炉燃烧是一个复杂的物理、化学过程,炉内充满了高温、高灰分 的恶劣复杂环境。锅炉体积巨大,运行条件十分恶劣,这就对锅炉本身构造和运 行技术带来了一定的挑战。在实际运行过程中,为了配合锅炉启停要求、变负荷 要求、不同煤种掺烧要求,锅炉燃烧必须有严格的监控系统锅炉运行中要保证 燃烧的稳定性、可靠性和经济性。稳定的燃烧工况是运行的基本要求,燃烧过程 中要保持着火稳定、燃烧完全,火焰充满炉膛,不结渣,火焰不贴墙等。燃烧 不 稳定会给锅炉运行带来很多问题,不仅会降低锅炉的热效率,而且产生更多污染 排放和噪音。 燃烧不稳定会产生火焰脉动、热声振动等,严重时会造成锅炉振动,造 成安全问题。 炉内火焰温度过低或者一、二次配风不合理,会影响着火和火焰的炉内 分布,甚至在极端情况下会导致炉膛灭火。处理不当的话,更是可能会诱发炉膛 爆燃,造成安全事故。 炉内温度过高或者火焰中心偏斜,造成水冷壁过热或者结焦,并能增大 过热器的热偏差,造成局部管壁温度升高。 火焰分布不均直接会导致温度场分布不合理,影响煤粉燃烧效率,造成 飞灰中不完全燃烧增加,烟气进入过热器以及尾部受热面,会增大与管道的摩擦, 降低设备使用寿命【】。 ,上述的问题会对电厂运行带来巨大的经济损失和安全隐患,为了避免上述现 象的产生,锅炉运行过程中应该加强各种参数的监控。燃煤锅炉在提高燃烧热效 率,降低燃烧损失的同时,降低锅炉运行的安全隐患。要提高对煤粉燃烧参数的 测量精度,及时、准确、直接地反馈炉膛火焰的燃烧信息以便于运行人员进行监 控调整。 目前,普遍认为可以采用火焰温度场参数作为燃煤锅炉运行过程控制量。燃 料量的输入扰动在第一时间内反映的是锅炉内燃烧放热的变化,所以温度场的变 化在控制反馈的及时性方面,是有明显优势的。而且火焰图像从外表的形状、颜 色和充满程度等直观的信号上来看比较客观、形象直接、快速,是表征燃烧状态 是否稳定和燃烧优劣情况的最为直接的反应。炉膛安全监视系统运行的成功与否, 很大程度上取决于火焰检测器和炉膛灭火保护装置是否可靠、准确和及时【】。 以下机组一般只需要检测全炉膛火焰,及其以上机组的单 个燃烧器容量很大,不仅需要检测全炉膛火焰,还要检测单个燃烧器火焰。全炉 膛火焰监测是对整个炉膛内的火焰进行检测,观测燃烧的整体情况,如火焰是否 存在、燃烧的组织情况、火焰中心有无偏斜等。单个燃烧器火焰检测是对燃烧器 喷口一定范围内的火焰进行检测,主要是检测煤粉气流一开始进入炉膛后的 着火 情况【】 除了可以看得见的火焰表面信息,燃烧火焰还具有其他的丰富信息,如几何 参数火焰中心位置、高温火焰面积和圆形度、平均亮度、温度场分布、闪烁 频率等。燃烧火焰能全面的反应炉内燃烧情况,如火焰的充满程度、火焰是否偏 斜或者刷炉墙、结焦、局部高温等。本文所研究的火焰信息主要是火焰的温度场 信息和火焰的闪烁频率等信息。 燃烧火焰的温度场信息表现的是炉膛内实时燃烧的情况,可以反映燃烧的稳 定性,气固两相流的流动和燃烧的组织效果也能在炉内火焰温度场中得到同步响 应,给燃烧的运行调整做出很好的依据。 温度场是锅炉燃烧负荷变动、风煤比变动、煤种变动等诸多情况下,在炉膛 内反应出来的比较快速的反应信号,真实的反应了燃烧的优劣。在恶劣的炉内环 境和复杂的工况变动要求下,火焰温度场信号可以作为比较准确、及时的信号输 入来指导工况的运行。此外,燃烧的火焰情况和锅炉的整体燃烧情况有着重要的联系,温度场于尾部烟气污染物的排放、飞灰含碳量等也有重要的联系。所以说, 火焰所体现出的温度场对于监测锅炉的运行工况具有重要的意义。 燃烧火焰的闪烁现象是由于锅炉内部燃烧工况的复杂性、不稳定性决定的, 火焰随炉内温度辐射、压力、燃料配风比以及两相流预混湍流程度等信号波动【】。 火焰的闪烁在外观上看似杂乱无章,但是却可以反应燃料的着火和炉内的燃烧组 织情况。从简单的炉膛内有无灭火到燃烧组织的稳定程度,都可以在火焰的闪烁 过程中反馈出来的信号中得以体现。 从外观上表现为形状、位置、高度、偏转角度等特征,电厂运行中要求用一 个可以代表燃烧稳定性的参数来影响炉膛安全监测系统,目前一般用闪烁频率来 作为火焰是否稳定的评价标准,对于燃烧诊断和优化燃烧方面具有一定的指导意 义。而且火焰燃烧频率与火焰信号强弱和跟信号收器件的距离无关【,这就给燃 煤电厂中的火焰频率测量提供了理论基础和可行性基础。 . 国内外火焰检测技术有关研究进展 ..传统的火焰检测技术 传统的火焰检测技术可以分为接触式和非接触式两种。 ...接触式火焰检测器 接触式火检是将探测器直接与火焰相接触,来检测火焰的状态,有电极法、 差压法、声波法和温度法等。最典型的有离子式火焰检测器,它是利用火焰中导 电离子具有导电性的原理来检测火焰的状态。 对于炉内温度测量来说,接触式测温就是将测温仪表置入炉内,感受炉内的 热量,等达到热力平衡的时候,选择一个参考温度,测温仪表就会显示所测位置 的温度。接触式测温仪表从结构上比较简单、使用比较可靠,测量的精度也比较 高。但是物理式测量可能会破坏原有的温度场分布,还会有一定的时间反应延迟 情况。燃煤锅炉内部环境比较恶劣,高温、高压还伴有各种飞灰及腐蚀气体等, 这就对测量材料有了严格的使用要求【。 以常用的经典测温方法一一热电偶测温来说明。热电偶从结构和使用角度来 讲都比较简单,成本不高,但是也存在各种具体应用中的问题,可能会导致巨大 的测温误差。 在使用一段时间以后,由于炉内环境的氧化、污染和腐蚀,热电偶在温 度变化等因素影响下,热电偶的热电特性会发生变化,这就会导致一定的测温误 差,严重情况下可能会严重偏离被测温度‘。 热电偶的动态响应比较差,不能及时的反馈炉内时时的温度变化。在炉 内温度瞬时脉动情况下,热电偶的测温必然会导致一定范围的误差。 热电偶生产时,由于金属加工工艺问题,引起金属内部晶格不均匀,也 会导致一定的测温误差。 参考端温度变化,带有套管的热电偶的传热、辐射损失等,导致一定的 测温误差。 由于接触式火焰检测器存在着损坏率高、检测不准、使用环境限制等多方面 的缺点,目前几乎不再使用。 表.接触式测温仪表种类及优缺点【】 常用测温范 温度计种类 测温原理 优点 缺点 围摄氏度 结构简单,使 测量上限和准确 液体体积随温 用方便,测量 度受玻璃质量限 .~ 玻璃液体 度变化 准确,价格低 制,易碎,不能 膨 胀 廉 记录和远传 式 不提热膨胀变 准确度低,量程 结构紧凑,牢 .~ 双金属 形与温度的关 和使用范围有限 固可靠 系 制 .~ 液体 定容气体或液 耐震,坚固, 压 准确度低,测温 .~ 如 气体 体压力随温度 防爆,价格低 距离短,滞后大 式 变化 廉 ~ 蒸汽 测温范围广, 铂铑.铂 ~ 准确度高,便 需冷端温度补 执 金属导体的热 ~ 镍铬.镍铝 电 于远距离、多 偿,在低温段测 效应 偶 点、集中测量 量准确度较低 ~ 镍铬.考铜 和自动控制 测温准确度 铂 ~ 金属导体或半 高,便于远距 不能测高思,须 执 铜 .~ 电 导体的热电阻 离、多点、集 注意环境温度的 阻 效应 中测量和自动 影响 .~ 热敏 控制...非接触式火焰检测器 非接触式火检是利用热辐射的原理来检测火焰的,分为光学辐射式和红外线 式两种。 非接触式火检在炉内测量中不与被测介质接触,避免了破坏炉内的火焰温度 场信息,也无需等到和周围环境达到热力平衡,有很高的测温上限。同时,非 接 触式测温仪可以离开火焰一段距离,在动态火焰和时时变动的温度场测量方 面有 很大的优势,但是和被测温温度有一定的温差。 光学辐射式测温仪包括单色光学高温仪、光学高温仪、金辐射高温仪、比色 高温计等,红外线式辐射仪包括全红外辐射仪、单红外辐射仪、比色仪等。 表. 非接触式测温仪表种类及优缺点【】 常用测湿范 测温原理 优点 缺点 温度计种类 围摄氏度 ~ 辐射式 辐 低温段不准,环 ~ 射 光学式 不破坏温度场 境条件影响大 式 物体全辐射能 ~ 比色式 随温度变化特 .~ 热敏探测 性 不破坏温度 红 易受外界干扰, ~ 外 光学探测 场,反应快, 标定困难 线 测温范围大 ~ 热电探测 目前燃煤电厂火焰检测装置中使用最广泛的检测器,根据被检测光线的光谱 波段的不同,可以分为红外火焰检测器、可见光火焰检测器和紫外光火焰检 测器 三类。 红外线火焰检测器通过检测燃烧火焰所发出的红外光来判断火焰的状态,炉 内煤粉燃烧时光强闪动比较厉害,为红外火焰检测器提供了检测的理论基础。锅 炉运行中高温炉膛虽然会产生很强的红外辐射,但是其强度的变化频率不超过 ,可以通过过滤器将燃烧区域火焰和炉膛背景火焰区分开。红外线检测器对 不同煤种都有较好的监视效果。 可见光火焰检测器基于检测火焰的闪烁频率和强度两个物理量来确认火焰 的状态,由于其采用双信号的检测方法,仪器在判断炉膛是否灭火方面的可信性 比较强。可见光火焰检测器能过滤红外光线,来自炉内烟尘和炉壁的干扰红外辐 射可以被屏蔽,进一步提高了火焰检测器的可靠性。缺点是可见光容易被灰尘颗 粒遮挡,穿透性比较差,造成对可见光的检测不准确?。 紫外线火焰检测器基于火焰本身发出光线中含有紫外线的原理来检测火焰 的状态,其常用的传感器是紫外光电倍增管。由于在低负荷运行状态下,煤粉燃 烧发出的紫外光非常弱,而且易被粉尘等介质吸收,因而一般对煤粉火焰不使用 紫外光火焰检测器,而在燃气、燃烧轻油的锅炉用得较多【】。 燃煤火焰向外发射的电磁辐射能中红外线和可见光占的比例比较大,而燃气 和燃油锅炉中火焰辐射能以紫外线比较多【】,所以现在燃煤电厂中普遍使用可 见光型、红外线型或它们的组合型的火焰检测器。 电厂中使用的传统的火焰检测器与原始的观火孔相比,有了很大的进步,但 是同时也存在着一些问题。传统火检装置不能转动,在炉膛中位置在安装时已经 固定,所以探头的观测位置和视角比较固定。在复杂的炉内燃烧工况下,火焰可 能偏离设计的位置,相邻的火焰存在一定的重合“偷看”现象,使用时智能性比 较低【】。 .. 数字图像处理技术在火焰检测中的应用 ... 数字图像处理的发展 数字图像处理 也叫做计算机图像处理 ,这项技术是将现实中的物体成像后变成电脑可以识别的数字 信号,然后利用计算机或者其他高速、大规模集成数字硬件,对所获得的数字信 号进行一系列的处理,比如图像的去噪音、边缘检测、图像加强等等,提高图像 质量或者满足其他的目的【】,同时也增强了一定的智能性,方便机器进行储存、 处理、分析等。 数字图像处理需要一定的硬件设备和软件技术相互支持,在两种技术的逐渐 发展的配合下,数字图像处理技术比较迅速的发展起来。在硬件方面,计算机硬 件和数字化设备都不断发展,包括超大集成电路、高速芯片、计算机大储存容量 以及数字摄像机等。在软件方面,计算机软件算法越来越全面完善,在具体的图 像处理软件方面也有了深入的进展,包括模式识别技术【】、小波变换技术四等 等。 图像处理与人的视觉官能是相近相像的,是计算机图形学和计算机视觉的结合,图像处理领域有着多种学科技术相处交叉的特点。从观察到目标物体开始, 然后开始对于周围物体的处理。视觉关注在目标物体上,并且大体知道目标物的 表面性质颜色、形状、大小等等。最后根据视觉的效果,产生对于目标物的 下一步动作。 图像在处理的操作中又分为三种典型的计算机处理模式,即低级处理、中级 处理和高级处理。低级处理是一种输入、输出都是图像的处理方式。中级处理关 于图像背景区分、分割明确目标物体,可以为计算机处理给出识别的目标基础。 中级处理输入的是图像,输出的是目标图像中可以提取的特征值如图像边缘、 图像亮度等等。高级处理涉及到对于目标物体的智能理解,以及之后的相关执 行和视觉识别等等。 图像获取是图像处理的第一步,一般包括设置比例尺操作等预处理。总体来 说,图像处理有以下几个方面的内容。 几何变换。主要是指对于图像位置的变动,如图像坐标移动、大小变化、 旋转等,几何变换是比较常见的图像处理方式。 简单的点处理。在计算机接受到的像素信号中,对每一点的信号进行简 单的加工,如加减乘除运算、大小对比等。 .图像增强。图像增强是图像处理中比较简单也是比较有趣的部分,是对 一幅图像中感兴趣的部分进行加强,对不感兴趣的部分进行一定的忽略,起到重 点突出的作用。最简单的图像增强就是图像的对比度,这样可以使图像中的信息 看起来比较好看,重点突出【】。 图像彩色处理及图像压缩。图像彩色处理是专门针对彩色图像的技术处 理,取得图像的相关信息,提取特征值。图像压缩是为了更好的达到图像在两个 终端进行传输的问题,减少图像储存的信息或者是降低传输时的频带,提高传输 的速度和质量】。 图像复原。图像复原是对一幅图像进行客观的复原,把已经模糊化,不 准确的图像进行复原,得到原来完整的图像信息。通常对现有的图像进行分析, 采取某种可行的滤波方法,尽量的做到原图复原。 形态学处理。图像的形态学处理可以对输出的图像进行图像特征的处理, 包括分割、细化和骨架分离等效果,在图像表现和图像描述形状方面有重要的作用。图像分割算法主要的是边缘检测分割法,区域跟踪分割法以及阈值分割法三 种方法。 表示与描述。表示要弄清楚要表达的区域,然后把区域内的信息表达成 计算机容易识别和处理的形式。描述也叫特征选择,是将容易区分图像信息的特 征提取出来。 图像重建。图像重建是利用已经采集到的图像信息对图像进行重建,主 要的方法是迭代法、代数法、卷积反投影法和傅里叶反投影法等。 随着图像处理技术的进步和完善,现在图像处理现在广泛应用于医学诊断、 电影电视、工业诊断、航天军事、天气预报、指纹识别等方面,为国民经济的发 展和国防科技的进步提供了基本的技术支持。 ...彩色介绍 ,是一种可以对信号进 全称电荷耦合元件,全拼为 行储存和传输的新型半导体电子器件。元件是一种高感光元件,光线照射在 其表面时,表面的光敏元件能够根据照射光强的情况产生对应的电荷信号,将光 学信号转化为模拟电流信号,电流信号经过放大和模数变换,从而可以实现信号 的获取、储存、传输和处理。取得的视频信号连接到显示器等显示终端,就可以 再现与原始图像相同的视频图像。 是由美国贝尔实验室的维拉.波义耳和乔治.史密斯在年发明的,到 年代已经可以使用简单的线性装置来捕捉图像。到年代的后期,技术取 得很大的进步,单位体积也越来越小,越来越轻便,提高了光线的光利用效率, 使得图像更加明亮。 随着半导体微电子技术的成熟和发展,相机已经具备了很多优良的性能, 适合应用推广,如体积小重量轻、功耗小、高分辨率、响应范围宽、灵敏度高、 噪声低、性能稳定、几何尺寸稳定、响应快速、适应过度曝光、耐振荡、适应恶 劣环境等特点。这就给相机的大规模应用、精密化生产和量化商业生产带来 了可能,也给多学科的交叉运用带来了希望,更是给在环境恶劣的工业环境下的 应用带来了可能。 技术可以实现对象的非接触测量检测,通过和其他科学的交叉结合,如 光电学、计算机技术等,可以实现传统接触式测量不能完成的任务,用于实验室环境和工业环境下的尺寸测量、表面磨损检测、位移检测和高温物体的温度测量 等等方面【。 从结构上来讲,可以分为面阵和线阵两种。面阵的靶面 是由很多感光元件组成的面,在任意快门下都可以对静止或者移动的物体进行一 次曝光拍摄,对黑白、彩色物体进行摄像。而线阵的使用方向只能沿着一个 方向,比如扫描仪,平面上另一个方向的扫描由机械装置移动来获得。线阵 的处理信息的能力比较快速,容易实现时时控制,但是获取信息能力低,处理复 杂图像的能力比较差【。 图. 买验用相机 使用较多的是彩色相机,本论文实验中使用的也是彩色相机,如图 .所示。相机输出彩色图像的原理是内部有三个图像传感器,可以接受来自三 棱镜的红、绿、蓝三种颜色的光线信息,形成光电效应,产生相应的信号。最后 经过编码整合在一起,这样就形成了最终的彩色图像。彩色相机的主要参数 指标如下: 像素数和分辨率 像素数和分辨率是一个相机输出图片尺寸和质量的重要衡量指标,像素 也是图像构成的基本单位。 像素是数码图像的基本单位,每个像素点是一个点,很多点堆积起来就构成 了整体彩色图像。总像素数是靶面上所有的感光元件的总数,但是在边缘的 地方有的像素接受不到光线,除去这部分像素点以后的像素就是有效像素。图像分辨率的要求是与像素有关系的,分辨率越高,要求的像素也就越多,比如分辨 率×是指水平和竖直方向上的像素数,即需要万像素。分辨率越高, 输出图像的放大比率也就越大,成像尺寸也越大。 信噪比 信噪比反映的是一个相机拍摄图像时的抗干扰能力,是指放大器的输出信号 的电压与噪声电压的比值,单位是分贝。在同样条件下,信噪比越高,干扰点对 相机输出图像的影响就越小,图像就越清晰。噪声是是在运行过程中设备自身产 生的干扰信号,跟外来的输入信号没有关系。噪声的来源是分为内部和外部两个 部分的,内部噪音是指电路设计、加工制造过程中产生的设备自身的因素。外部 因素是指设备使用中的周围环境干扰,如电磁波、恶劣的物理化学环境等等。当 然计算信噪比时,外部环境噪音是不计算在内的。 白平衡 我们人眼能够看到的白色光是由于光线中红、绿、蓝三色光的比例相同,再 加上一定强度的光照刺激,人眼看到的颜色就是白色的。当有色光照射白色物体 时,物体的反射光与入射光的颜色是相同的,物体呈现的颜色与物体对入射光线 的反射效应有关。白平衡就是让白色物体在有色光照射的情况下依然显示白色, 照射其他颜色物体时成像更靠近物体本身的颜色。这是通过对特定光源照射出现 偏色情况下,进行相应的补色来实现的。 黑平衡 黑平衡是指在相机拍摄黑色环境或者没有亮度入射时,输出的个基本色的 电压相等,屏幕上对应显示的是一团黑色。黑平衡也是相机的一个重要参数,在 使用前应该检查一下。 ... 图像处理在火焰检测中的应用 锅炉发电生产过程需要进行安全性全面保护,检测的指标数据需要真实可信、 及时可靠,炉膛的火焰是炉内生产过程安全与否的最直接、最可靠的信息。这就 要求对炉内的火焰进行时时监测,做到重要数据的及时反馈,并在生产过程出现 异常的情况下及时的进行报警和处理。随着相关技术的进步,火焰检测的重要性 由安全性保护延伸到锅炉经济性运行,降低尾部烟气排放、火焰在线诊断等 已经成为锅炉技术中重要的一个组成部分。图像处理技术以接受图像为基础,现在主要用相机对火焰信号进行捕捉, 继而转化、输入,将火焰的光学信号转化成为计算机可以处理的数字化信息。 这 样就把原来只能通过肉眼观察的火焰信号转化成为了能定量分析的具体数字信 号,给精确化描述和控制带来了可能性。 由于在工业实际中的应用要求,如坚固耐用、易更换、效率高、节能、信号 稳定可靠等,工业用相机的发展趋势是尺寸集成化、提高灵敏度、质量变轻、 高像素、实现摄影数字化、多种光学输出格式、减低并统一工作电压和提高制造 效率【。 在电站锅炉火焰检测的应用中,通过将火焰辐射与图像处理两者的结合,可 以对火焰进行更深入、更具体、更准确的检测,还可以通过图像处理技术、计算 机编程实现对火焰特征参数的获取,从而用于对锅炉电力生产过程的检测和控制。 通过相机对火焰进行跟踪拍摄检测,后续通过图像处理得到用来监控的数据, 达到保护炉膛安全、提高燃烧经济性能的作用,是电站锅炉火焰检测的发展方向。 近年来国内外专家学者对于相机在火焰检测中的应用进行了深入研究, 通过传感光纤、相机、图像采集卡以及微型计算机结合,可以对火焰进行研 究。 日本三菱公司比较早期就开始从事火焰图像检测方面的工作,他们发明研制 的系统可以比较准确的对火焰进行检测,能够对来自炉膛辐射等干扰辐射 进行有效屏蔽,识别火焰的稳定情况和外观形状等【】。 公司研制了一种 型火焰检测器,目前发展的型号是 即画 蚰,应用范围比较广泛。在火焰炉膛是否燃烧的判断上面比 较稳定,电厂应用比较多。 上海交通大学徐伟勇通过对火焰图像的亮度变化的研究,让火焰亮度可以实 现作为燃烧稳定与否的判断依据,在电厂运行中,希望利用图像处理技术作为运 行控制的有效扰动信号【粕】。 华中科技大学的周怀春等对图像处理技术在炉膛内火焰检测中的研究和应 用作了很多努力,并取得了一些可信的成果。 从比色测温方法入手,通过单色波长与辐射能之间对应的符合辐射定律的 关系,引进了参考点的温度,从而对比可以获得目标点的温度值。反应了一台锅炉炉内的温度场信息,一定程度上可以代表炉内燃烧情况。但是由于 参考点温度的引进使用的是高温计或者热电偶的方法,这就给这种测量方法带来 了不准确性【。】。 通过在镜头前加载三种不同波长的滤光片,来获得三种代表波长下的火焰 单色图像,通过三基色对比获得火焰温度场信息,这样可以有效的降低系统测温 的误差【。 建立模型来转化温度场从二维到三维的转变,推论出空间辐射和三维图像 之间定量的关系,并且在锅炉上进行了三维火焰检测系统的在线监测,证明了方 法的可行性。 根据数字图像处理技术和辐射定律,对炉膛内的二维和三维火焰进行重建, 并在锅炉现场做实验,获得了一定的可行性。在一定误差范围内,可以获取更多 炉内燃烧火焰的信息【。。 东南大学的王式民等也在从事电厂火焰检测方面的工作,通过数值模拟对伸 入炉膛内部的火焰探头进行传热计算,确定出冷却探头所需要的流体流量。在连 云港新海电厂对火焰检测系统进行现场运用,拍摄到了正常燃烧和炉膛灭火时的 火焰情况,并进行对比说明。。 浙江大学的薛飞、李晓东等提出了一种基于三波长信号的火焰二维温度场测 量办法,这种方法不需要参考光源和参考点温度,简化了系统的设备,提高了运 行使用的可行性‘。浙江大学的马增益等通过建立预混火焰模型,结合图像处 理技术,对火焰前沿的传播速度进行了在线检测,并对不同工况的传播速度进行 对比,证实方法的可行性‘。 中国科学院工程热物理研究所的姜凡、刘石等在一台甲烷.空气燃气试验台 上对火焰进行监测,实验对不同配比的燃料流量间的火焰图像进行了火焰参数的 对比,如火焰亮度、火焰中心位置等。 太原科技大学的刘明君提出了基于最小二乘法的数学计算模型,结合图像处 理技术对烟道尾部氮氧化物进行检测,引入了影响尾部排放的相关参数,如火焰 温度、火焰频率等‘。 英国大学的 等基于相机、图像采集卡和计算机软件, 对预混火焰的闪烁图像进行动态分析和光谱功率谱变换,对比研究了火焰的闪烁频率和燃烧器尺寸大小之间的关系【 。通过双色法对一台锅炉的燃煤火 焰和燃气火焰进行拍摄,建立了二位空间的温度场信息,并证实了双色法测温的 可行性【。在.锅炉上,对稳定燃烧的火焰进行相机拍摄,利用数字 图像技术和模式识另做到了燃煤火焰的煤质辨析工作【引。在.燃煤锅炉中, 通过调整烟气再循环率和炉内的含氧量水平,用图像处理技术计算出各个工况下 的火焰平均温度,并监测了尾部烟气中的二氧化碳的含量。通过实验数据显示出, 烟气再循环的开度对煤粉在炉内的燃烧具有一定的影响作用【。利用双色法原 理对丁烷火焰进行拍摄分析,对比了在不同燃料比例下的火焰图像情况,得 出了 火焰温度随燃料供给的变化曲纠。在燃气火焰实验台上,架设台摄像机,通 过个方向对目标火焰进行拍摄。计算机编程出三维重建模型,可以得到目标火 焰的三维重建图像,得到火焰的三维立体信息,如体积、表面面积、方向以及圆 形度等【】。 .本文主要研究内容 本文进行的工作主要是在一维炉燃煤火焰监测实验台中对不同煤种的煤粉 颗粒进行燃烧,通过测枪对炉内的火焰进行拍摄采集工作,利用双色法测温 原理,编程获得火焰图像的温度场信息。 主要的实验研究内容如下: 通过黑体炉对测枪进行温度和火焰图像的标定,拟合出黑体炉温度 与火焰图像像素点处的刚比值之间的关系。 对设计煤种的煤粉在一定给煤速度、三种过量空气系数下进行燃烧工况 的实验,对工况间的火焰信息进行对比。 对设计煤种的煤粉在两种给煤速度、三种过量空气系数下进行燃烧工况 的实验,对工况间的火焰信息进行对比。 对设计煤种的煤粉在一定给煤速度、三种过量空气系数且每种过量空气 系数有两种一、二次风配比的情况进行燃烧工况的实验,对工况间的火焰信息进 行对比。 对相同给煤速度和一、二次风配比的工况进行对比,可以得出煤种对燃烧 的影响,特别是其中的碳含量和低位发热量等。 第二章实验台介绍及双色法测温原理 本文进行的燃煤火焰检测主要在一维炉实验台上进行,下面对实验台的基本 组成、实验中使用的到的检测仪器进行介绍,并对双色法测温原理进行说明,在 公式推导以后对造成检测误差的主要原因进行介绍。 .实验台介绍 本文主要一部分介绍双色法测温来获得目标工况的温度场信息,并对不同工 况间的温度场信息进行对比。实验给电厂实际应用带来了可能,证实实验所用方 法和设备的可行性,并讨论了一些存在的问题和可能解决的办法。实验在浙江大 学一维炉燃煤火焰监测实验台上进行,下面就对实验台及实验中用到的主要设备 进行介绍。 ..实验台本体介绍 图.燃煤火焰监测试验台系统示意图 送风机加热器给料装置点火系统图像采集系统 炉膛除尘系统引风机烟囱图.为一维炉燃煤火焰监测试验台的系统示意图。试验台可以分为锅炉炉 膛、给煤系统、点火系统、烟风通道系统、火焰采集系统以及冷却除尘系统 等, 组成了试验台的基本构架。 锅炉炉膛为筒式结构,上端为点火装置及给料开口,下端为烟气出口管道和 防爆门用于掏渣。炉膛分段,共有段,由内而外分别为耐火材料、冷却套 层、保温材料和金属外壳。炉膛上有若干开口,用于测枪火焰监测以及尾 部烟气分析等。图.是试验台单级炉膛结构示意图。 冷却 冷却 风道 风道 层 图.单级炉膛结构示意图 锅炉从上到下一共有级,分别为第一级、第二级、第三级、第四级。段 炉膛堆积成整体锅炉结构,炉膛内径宽为毫米,上下高度为毫米,每 段炉膛高度为毫米【。 在燃烧实验的过程中,煤粉经给煤机从顶端送入,一次风和二次风流量由风 速仪测定,手动阀门控制。产生的热量由炉墙夹层内的冷却水换热带走,高温烟 气经过冷却和除尘后排入大气。实验结束后,产生的炉渣量比较少,可以用工具 手动清除。 锅炉的给煤机在炉膛上部,将已经晒干、磨好的煤粉经过蛟龙旋转送入炉内。 给煤速度由控制台的转速表标定得来,即一定的转速对应一定的给煤速度,在实 】验中可以调节转速表来获得希望的给煤量。转速越大,蛟龙旋转的速度也越大, 对应的给煤量也越大,但不是线性增长的关系。 炉膛所有的给风都来自送风机,送风机给出的风一路作为炉膛在一定情况下 使用的冷却用风,一路作为炉膛内的燃烧用风,即用于燃烧的一、二次风。一、 二次风在进入炉膛前经过电加热器的加热,升温到一定温度,便于煤粉干燥和及 时燃烧。一次风携带煤粉吹入炉膛,二次风可以加强空气动力场的扰动、补充燃 烧用风以及调整炉内燃烧情况。 一、二次风压由风速仪读出,通过阀门手动控制。试验使用压差式流量计, 通过标定压差就可以得到通过已知截面的流体流量。流量计的原理是伯努利方程, 即、厂而,是流体质量流量,是一个与流体和管道性质有段的系数, ?是流体的压差。 图.是燃料燃烧器结构示意图,展示了实验台中燃烧器的整体形状。二次 风包围在一次风外面,有效的形成扰动,在一定范围内形成煤粉气流的回流区, 更有利于煤粉燃烧。一、二次风的相互配合情况也是煤粉锅炉着火和燃烧情况优 劣的保障,通过与给煤计的配合可以将煤粉吹入炉膛,形成高效的燃烧工况,达 到实验要求。 \ \ ,、、 道 』 乏 图.燃料燃烧器结构示意图 ..实验设备介绍 燃烧的过程中,锅炉内安装的热电偶会时时监测级炉膛内部的温度。热电 偶采用型热电偶即铂铑.铂型,热电偶丝直径为.,测温范围是.?。 在炉内恶劣的测温条件下,型热电偶具有稳定性能好、使用寿命长等突出优 点。 在温度范围.?内,测温准确度最高,不宜长期使用在?以上,容 易造成热电偶损坏。 热电偶产生的热电势由温度变送器统一化,然后送入显示仪表。实验台中采 用的是 型采集模块,型主机,使用 测温软件,在电脑上对温度进行柱状读数显示。唧型采集模块拥 有个单端多路转换器,型主机包括了台式数字多用表的功能,带 有内部信号调节的通用输入。锅炉内部测温系统可以出色的完成实验室条件 下对 温度测量所要求的速度和精度。测温原理如图.所示。 图.温度采集示意图 图.是燃烧实验中对末级炉膛烟气的分析过程示意图。实验过程中对炉内 尾部第级炉膛处进行抽气成分分析,由于烟气中含硫成分比较多,为了防止硫 分凝结,专门用电加热带对采样的橡胶管进行加热,维持橡胶管在一定的温度。 电加热带的温度由温控仪来控制,可以调整温度高低。烟气经过电加热带的加热 后进入烟气预处理器,最后进烟气分析仪。烟气预处理器 可以对抽出烟气中的浮质,如飞灰等进行过滤,防止进入烟气分析仪造成仪器坏 损。烟气分析仪可以高精度地检测燃烧尾气中种成分,即、、 、和。重量轻、体积小,而且适合在锅炉燃烧环境下长时间运 行。篷圉 膛二 拗幽差鉴零 进气管 闷 、温控仪 ,??一????????????? 图.烟气分析过程示意图 燃烧实验过程中用测枪对设计的燃烧工况进行火焰信息的采集和记录, 测枪实物如图.所示。测枪可以由金属套管、分光镜、相机、光电 管、光强采集板和微型计算机等几个部分组成。测枪尾部的机盒由金属盒子通过 螺丝固定,内部的相机通过焊接来固定,这样可以对镜头进行一次性固定, 防止拍摄过程中的偏动。 图.测枪实物图 分光镜的主要性能参数如下,尺寸为.×.,波长范围是 ?,两个方向的分光比为:,光圈大小占据整体长度和宽度的% 以上,表面粗糙度大于光圈半径刈。 相机获取火焰图像是双色法测温的第一步,相机利用 小孔成像原理来 获取火焰图像,然后经过分光镜转向后,一路投射在相机的靶面上,另一 路通过光电管。火焰辐射经过相机转换后变成数字信号输入到计算机中, 计算机中有编辑好的程序可以对火焰图像进行分析、处理和统计。 相机选用的型号是 .,相机自带有图像采集软件 ,可以方便的对火焰进行拍摄测量工作,相机主要的性能参数如表.所 示。 表. 相机主要性能参数酬 传感器类型 快门系统 电子滚动快门 特性 线性 读出模式 逐行扫描 分辨率等级 分辨率 ×像素 高宽比 :光传感器尺寸 /英寸 精确敏感区 .×. 精确的对角线 .像素大小 .相机的传感器随波长变动的灵敏度如图.所示。 图。 相机在不同波长下的灵敏度‘ 光电管的型号为西门子的,可以用于. 范围内的波长检测, 峰值为,具有很强的光敏性,光电管外面有金属外套进行密封,可以承担 ?的温度。 测枪金属套管枪杆上有三路开口,两路用于冷却水出入,一路用于压缩空气 吹扫。测枪采用水冷方案,一路用于进水,一路用于出水。冷却水通过橡 胶皮管与测枪开口进行连接,可以保护测枪金属外套避免炉内燃烧时高温环境的 灼烧。另外一路是通入压缩空气,空压机通过细管连接测枪开口,压缩空气通过 测枪前段的开口喷出,对相机镜头前飘落的烟尘进行清扫,确保相机保持在清晰 可用的状态。 微型计算机的型号是,处理器是 ,尺寸为 ×。主频为.,总线频率为。系统内存是有管脚的小外 形双列内存模组,支持。最佳工作温度为?.?,支持个串行通信端 口和个接口,硬盘驱动接口,输入电压,最小工作功率为 。 实验时测枪架设在炉膛第一级处,用刚性套管固定,确保相机拍摄同一位置 的火焰,测枪系统如图.所示。 圈日 图. 测枪系统示意图 .双色法测温原理介绍 .. 彩色原理 人类的眼睛每天都要从外界接收到很多的图像信息,反映呈现在脑海中的是 五颜六色的世界。而人的眼睛的结构看到的颜色可以由三种基本的颜色组成, 即 三原色红、绿、蓝。根据照明委员会在年的规定,三基色的典型波长分别 为哪、.、.,通过三种基色不同比例的混合覆盖可以形成五光十色的颜色。 使用的彩色相机就选用了这三种可见光波段,通过比例混合来输出彩 色信息。常用的彩色相机是接收通过分光棱镜的三种红、绿、蓝光信号, 经过光电效应后,形成各自的电势信号。实际物体中的任意一点在相机中 最终呈现出来的像素点上都对应着红、绿、蓝三种光强信号,通过信号处理, 计 算机逐行逐点扫描来读取和储存。每种颜色都用二进制的个来记录,十进 制的范围是.,共有个数值可能,三个颜色一起一共是个,在计 算机内存中每一个像素点对应个的数据空间。 呈现出来的像素点准确的说是空间三维物体辐射在二维平面靶面上的 一种能量积累,镜头成像的空间示意图如图.所示。 图.相机像素点和买物之间的对应图 相机镜头拍摄的对象是锅炉内部具有辐射特性的悬浮介质,镜头是 一个立体视角,调整相机的焦距,使得对准的靶面是面,那么空间 .立体范围内的辐射都在相机上成像。平面上的每一个点在相机 靶面上都有一个点与之对应,而与炉内实际火焰对比,相机的成像面是非 常小的,而且靶面上的像素感光点是不连续的,一个一个独立存在的。这样就不 可避免的存在一个问题,就是连续的物体的实像,在成像面上实际上是不连续的。 我们假设靶面是一个 大小的面积,那么成像对应的面也可以 被分成×份。对应的像素点的坐标,如果面在面上对应的坐标 是,那么在相机靶面上对应的是第,个像素点。从三维空间的实像到靶面上的映射过程,实际上是炉内映射的立体空 间里的辐射沿着映射直线在途中衰减和叠加的过程。由于空气对于火焰辐射发出 的光的反射、吸收和散射比较少,所以可以近似的忽略空气对于相机成像 的影响。对于复杂的炉内环境来说,辐射主要来自煤粉固体颗粒的高温辐射。人 工调整相机的焦距,尽量的让成像清晰,那么对准的靶面的辐射信息就可以很好 的在相机上展现出来。这样相机输出的对应像素点处的信号是正比于对准靶面上 的火焰横截面的辐射能量的。具体的图像亮度还与相机的性能设置有关系,如光 圈大小、曝光时间等。 ..双色法测温 炉 膛内高温环境的双色法测温是在辐射火焰的灰体假设,基于斯忒 藩一波尔兹曼定律、普朗克定律和维恩定律原理来推导出来的,基于燃烧过程中 未完全燃烧颗粒的热辐射实现。 燃烧过程中的火焰温度测量基于普朗克定律,当火焰辐射的波长在..岬, 温度在以下时,普朗克定律可由维恩辐射定律代替,灰体发射的光谱辐 懿如为 ? ?..鲁.一莉 式中:,仉为燃烧火焰光谱辐射力/?岬】, 九为灰体火焰单色辐 射率,九为辐射波长岬,为绝对温度,、为普朗克常数,分别为. ב?盯和.ב【】。 在实际的火焰图像输出中,由于输出的各个像素点的灰度值和靶面上 感受到的辐射强度成正比,输入到计算机中每个像素点对应的信息由.红、绿、 蓝三个值构成,图像上的单色灰度值可以表示为 ,. ????一翱 。 ,?争.一景 咿???,???一书 其中为系统常数,与镜头及信号转化特性有关外,还反映了辐射衰减、观测距离远近等影响。对于黑体则有, .??一翱 。黍吒 一希 乳?争?一景 叭碱?睾?一拘【意 人。 \,吣/ 在应用中,我们把炉内燃烧的固体颗粒发射出的火焰假定为灰体火焰,火焰 的发射率在一定的波长范围内与波长无关,即 九 ,则有 由式可知,对于黑体为的函数,可由多项式拟合为 ?坠 由式可知, 印,器器器 四 于是有, 黑:黑: 而丽 【 .是图像任一像素点上值与值的比值,对于灰体和黑体而言是相同 的,可以拟合为的函数。同样温度也可以拟合为与的比值的函数,即 ?各毛。 双色法测温的内涵就是利用两种波长下的单色辐射强度进行对比,得出来黑 体和灰体单色辐射强度在两种波长下的比值与被测物体温度之间的对应关系。在 相机工作原理中,我们采用相机内部的红色和绿色光强之间进行对比,利 用计算机读取出的值和值直接进行对比。 选用的红光波长和绿光波长分别是和.,两者之间的波行差距 不是太大,避免了波长差距过大引起的光谱单色辐射率直接差异过大的问题。实 验过程中相机镜头是通过测枪 伸入炉膛内的,测量距离比较近,避免了长距离的 介质对火焰辐射的散射和吸收, 否则接收到的辐射就会有很大偏差。 实验中相机采集的是可见光信息,即波长从. 微米到.微米的范 围,实验为高温环境,约从