引言

大型火電機(jī)組中，為了保證鍋爐安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，必 須對(duì)鍋爐的火焰燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便對(duì)鍋爐的燃料 控制裝置連鎖，保證鍋爐滅火時(shí)停止燃燒供應(yīng)，防止可燃性物 質(zhì)在爐膛或管道內(nèi)聚積，發(fā)生爆燃甚至引起爆炸。

對(duì)于鍋爐安全系統(tǒng)(FSSS)而言，火焰檢測(cè)器是至關(guān)重 要的部件，它的主要功能就是鑒別燃燒器是否正常工作、當(dāng) 燃料送入爐膛而未被點(diǎn)燃和燃燒時(shí)可能導(dǎo)致爐膛爆炸的潛在 危險(xiǎn)。全爐膛滅火以及燃燒喪失這兩個(gè)重要的跳爐(WFT) 信號(hào)都是由火焰檢測(cè)裝置檢測(cè)和判斷得出的，火焰檢測(cè)無火 信號(hào)也是進(jìn)行爐膛吹掃的必要條件。

1系統(tǒng)構(gòu)成原理

1.1火焰圖像檢測(cè)

火焰圖像檢測(cè)系統(tǒng)是一套人工監(jiān)視火焰圖像和計(jì)算機(jī)自 動(dòng)檢測(cè)火焰相結(jié)合的智能型燃煤鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng) 由光纖圖像傳感器(CCD)、冷卻系統(tǒng)、視頻信號(hào)處理器、火 焰檢測(cè)器、工作主機(jī)、下位機(jī)、火焰圖像監(jiān)視管理系統(tǒng)、火 焰圖像錄放系統(tǒng)和通信模塊等構(gòu)成，圖1所示是火焰圖像檢 測(cè)裝置系統(tǒng)圖。其中火焰檢測(cè)器是核心部件，由它檢測(cè)及判 斷得出全爐膛滅火及燃料喪失這兩個(gè)重要的跳爐(MFT)信 號(hào)?；鹧鎴D像檢測(cè)系統(tǒng)煩呢單個(gè)燃燒器的火焰圖像檢測(cè)和全 爐膛火焰圖像檢測(cè)兩部分，對(duì)于單個(gè)燃燒器火焰圖像檢測(cè)主 要是判斷該燃燒器的工作狀況，發(fā)出熄火、著火和燃燒不穩(wěn) 的報(bào)警信號(hào)。對(duì)于全爐膛火焰檢測(cè)主要是通過火焰圖像信息利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出全爐膛火焰溫度場分布狀況以及火焰燃燒 的能級(jí)，通過建立一套完整的火焰圖像的分析計(jì)算理論，預(yù) 測(cè)火焰的各種態(tài)勢(shì)，計(jì)算全爐膛火焰燃燒的能量，將能量信號(hào)、 溫度信號(hào)和全爐膛熄滅著火信號(hào)送往FSSS系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行燃 燒調(diào)整，保證鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2火焰圖像檢測(cè)器的基本原理

火焰圖像檢測(cè)器基本原理如圖2所示，將帶有冷卻風(fēng)的

傳像光纖伸入爐膛，將所檢測(cè)的燃燒器火焰圖像或全爐膛火焰 圖像的光信號(hào)傳到CCD攝像機(jī)的靶面上，CCD將圖像轉(zhuǎn)化 為標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)并通過視頻電纜傳給圖像火焰檢測(cè)器內(nèi) 的視頻輸入處理器。視頻處理器將模擬視頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn) 換，變成數(shù)字圖像存儲(chǔ)于圖像存儲(chǔ)器重。計(jì)算機(jī)則將圖像存 儲(chǔ)器中數(shù)字化的圖像信息按照一定的判斷體系進(jìn)行計(jì)算，得 出燃燒器火焰的ON/OFF信號(hào)和其他診斷信息，并送至FSSS 系統(tǒng)。

2比色法測(cè)火焰溫度場

火焰溫度場參數(shù)能直接反映爐內(nèi)燃燒運(yùn)行組織的優(yōu)劣, 燃燒火焰溫度場的瞬態(tài)變化直接體現(xiàn)燃燒過程的穩(wěn)定性，溫 度場分布與燃燒效率、氣體污染物排放以及爐膛出口未燃盡碳 損失都有重要關(guān)系。

2.1比色法測(cè)溫原理

通過CCD采集的圖像，轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像之后，圖像中每 一個(gè)像素點(diǎn)都可以通過三個(gè)分量來表示：R(紅)G(綠)B (藍(lán))這樣就可以用⑴ 式來表達(dá)一張數(shù)字圖像：

當(dāng)測(cè)量波長小于780 nm，溫度小于3 400 K時(shí)，通過 Wien輻射定律可知：

上式中,E(T)為燃燒火焰的單色輻射能W/sr/m3, e(X,T)為 人工黑體輻射率，幾乎與波長無關(guān)，且近似于1。人為輻射波長, Ci、C2為常數(shù)。因?yàn)榭諝鈱?duì)可見光波段的輻射減弱系數(shù)很低, 抵達(dá)圖像探測(cè)器表面的單色輻射強(qiáng)度可近似等于黑體輻射的 單色輻射強(qiáng)度。標(biāo)定系數(shù)k、、分別來修正三個(gè)分量R、G、, 分別得到在RGB三基色波長下的單色輻射強(qiáng)度：

結(jié)合式(2)和式(3),可得到：

式中,爲(wèi)分別為RGB三基色光的代表波長，其值分別 為700 nm、546.1 nm和435.8 nm；為黑體爐溫度，單位為K。

本文采用的標(biāo)定方式是將其中一種基色保持不變，對(duì)其 他兩個(gè)基色的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使得修正后的紅藍(lán)綠三基色Ri、

Gi、Bi之間的相對(duì)大小正確地反映火焰的相對(duì)光譜分布特性:

式(7)中，僅有參數(shù)cg,根據(jù)具體的火焰燃燒圖像就可以標(biāo) 定此參數(shù)，依此可以得到火焰圖像中任一像素的溫度。

2.2溫度場重建

對(duì)于不同的火焰視頻圖像，c是一個(gè)變化量，對(duì)同一幅 火焰圖像取亮點(diǎn)不同的N個(gè)點(diǎn)，假定各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，根 據(jù)這N個(gè)點(diǎn)的綠色分量和對(duì)應(yīng)溫度，就可以擬合出q的值, 再根據(jù)每一個(gè)像素的綠色分量，就能得出火焰的溫度場分布。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采取某電站鍋爐的一段錄像視頻作為研究數(shù)據(jù), 利用軟件化的模型分析運(yùn)算，在秒級(jí)范圍內(nèi)得到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的 溫度場分布數(shù)據(jù)，圖3所示為三維溫度場分布圖，圖4所示 為程序運(yùn)行界面。

4結(jié)語

本算法在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將原本的參數(shù)函數(shù)簡 化為一個(gè)參數(shù)，進(jìn)一步減小了標(biāo)定的困難，也加速了運(yùn)算速度, 減小了誤差。為整個(gè)系統(tǒng)判斷滅火保護(hù)功能提供了有效的保障。

20211122_619bab6dc99d7__基于圖像處理的爐膛火焰溫度場測(cè)定