基于火焰图像分析的1 000 MW电站锅炉炉膛温度及发射率同时测量研究

李框宇，高鹏，杜峰，胡智超，邢小玉，弓慧芳，闫伟杰，周怀春

(1.中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116；2.华电国际电力股份有限公司邹县发电厂，山东 邹城 273500)

为实现我国经济社会的可持续发展和“碳达峰”、“碳中和”目标，风电、光电和生物质等清洁能源在能源结构中的占比大幅提高。大量“阴晴不定”新能源电并网给电网带来很大的调峰压力，此时传统燃煤电站机组可以通过深度调峰的方式稳定电网负荷[1]，起到压舱石的作用。电站煤粉锅炉在变负荷运行过程中，会出现锅炉效率下降、燃烧污染物增加[2]和受热面超温等一系列问题[3]。锅炉炉膛温度分布是反应锅炉燃烧状态的重要参数，准确地测量炉膛温度分布对于电站锅炉的优化燃烧运行具有重要意义。

基于火焰图像对燃煤电站锅炉进行燃烧检测的相关研究文献中已有报道。LOU等[4]提出了一种可见光波段的辐射图像处理技术，并在670 t/h和1 025 t/h煤粉锅炉上进行了应用，测量结果表明：在炉内燃烧区，煤粉浓度的增加会使火焰发射率和吸收系数显著增大，其中火焰发射率与锅炉负荷变化呈成正比例关系。JIANG等[5]提出了一种无关相机传感器光谱响应特性的图像测温技术，并在480 t/h循环流化床锅炉上进行了应用，研究结果表明该方法测得的火焰温度与热电偶读数的最大误差为10%。

煤粉火焰在可见光波段内的辐射主要由火焰中的固体颗粒物热辐射产生，基于可见光波段的辐射图像可以测量火焰温度，研究过程中通常简单假设燃烧火焰在测量波段内为灰体[6]，或者借助文献中已有的发射率模型[7]。TOTH P等[8]利用双色高温计测了生物质快速热解油的喷雾燃烧火焰温度场，高温计的测量波长分别为500 nm和600 nm，由于难以区分火焰中的碳烟辐射和固体颗粒物辐射，测温过程中作者假设火焰在500 nm和600 nm波长下满足灰性，研究结果表明双色高温计测得的温度高于TDLAS技术的结果；DRAPER T S等[9]分别基于灰性假设和Hottel发射率模型对煤粉火焰温度和发射率进行了同时测量，研究结果表明灰性假设模型的温度测量结果偏高，而发射率计算结果偏低。灰性假设可能是造成双色法测温结果偏高的重要原因，由此可见发射率模型选择的准确性将影响到测量结果的精度[10-13]。

本文提出在基于辐射图像测量高温火焰燃烧温度与发射率的过程中采用线性发射率模型，以提高温度检测结果的准确性。利用自主设计的便携式炉膛温度检测系统基于线性发射率模型测量1 000 MW超临界锅炉炉膛中不同观测点的煤粉燃烧温度与发射率的二维分布，测量结果将与基于灰性假设的温度测量结果和发射率测量结果进行比较。

1 测量原理

在400～700 nm的可见光波段内，煤粉火焰的辐射主要是由火焰中的固体颗粒热辐射产生的[14]。火焰辐射图像中每个像素对应的辐射强度都与该像素对应的火焰温度和发射率有关。根据普朗克定律，黑体辐射强度是温度及波长的函数：

(1)

式(1)中，Ib(λ,T)为黑体辐射强度，W/(m3·sr)；h为普朗克常数，J·s；c为光速，m/s；k为玻尔兹曼常数，J/K；λ为波长，m；T为热辐射对象的温度。对于煤粉火焰等实际热辐射对象，发射率是波长的函数，其辐射强度可以表示为：

I(λ，T)=ε(λ)Ib(λ，T)

(2)

式(2)中，ε(λ)为光谱发射率。对于固体表面[15]、火焰可见光波段内的连续光谱[16-17]等热辐射对象，其光谱发射率可表示为波长的多项式函数：

ε(λ)=a0+a1λ+a2λ2+…+amλm

(3)

式(3)中，m为多项式的阶数，本文取m=1，用一阶多项式表示发射率，即线性发射率模型[18]。则式(2)可以表示为：

I(λ，T)=(a0+a1λ)Ib(λ，T)

(4)

根据黑体炉辐射标定的结果可以将图像探测器中工业相机R、G和B三个通道的单色图像强度SR、SG、SB转换为辐射强度I(λR，T)、I(λG，T)、I(λB，T)，则可以得到方程组：

I(λj，T)=(a0+a1λj)Ib(λj，T)，j=R，G，B

(5)

式(5)中，λj为R、G、B三个通道对应的中心波长。对于方程组中a0、a1和T三个未知量，方程组正定，可以根据最小二乘法求得最优解。

2 便携式炉膛温度检测系统及其标定

便携式炉膛温度检测系统由图像探测器和装有控制软件的平板电脑组成。图像探测器外壳材质为304不锈钢，分为前后两个腔体。前腔体前端开孔装有石英玻璃，内部装有镜杆，较长的前腔体足以伸入锅炉观火孔以获得大的视场角，并保护后腔体内的电子元件免受高温损伤。图像探测器的后腔体内装有工业相机、主板及电源，外部装有手柄和提把，便于携带与使用。

前腔体内的镜杆与后腔体内的工业相机相连，工业相机型号为PROSILICA GT 1290 C，R、G、B三个通道对应的中心波长分别为610 nm、535 nm、452 nm。工业相机通过GigE接口与型号为MIO-3260的主板相连，工业相机与主板均与大容量锂电池相连，锂电池所供电源为12 V直流电。平板电脑中安装了自主开发的软件，与主板通过千兆Wi-Fi通讯，用于遥控图像探测器采集辐射图像。便携式炉膛温度检测系统结构图如图1所示，工业相机光谱响应特性曲线如图2所示。

图1 便携式炉膛温度检测系统结构图

图2 工业相机光谱响应特性曲线

便携式炉膛温度检测系统经过黑体炉辐射标定后可以将图像强度转化为辐射强度[19]，辐射标定实验得到的图像强度S与黑体炉辐射强度采用便携式炉膛温度检测系统标定曲线如图3所示。标定结果均用二阶多项式进行了拟合，R、G、B三个通道拟合曲线的拟合优度均大于0.99。由于黑体炉辐射特性近似于黑体，在进行辐射标定试验后，在灰性发射率模型的基础上，利用标定过程中采集的辐射图像对黑体炉的温度与发射率进行了反算。计算结果表明便携式炉膛温度检测系统的辐射标定误差小于2%，其精度符合后续实验的需求。

图3 便携式炉膛温度检测系统标定曲线

3 实验测量和结果分析

3.1 辐射图像采集

本文在邹县电厂1 000 MW超超临界锅炉(型号为DG3000/26.15-II1型高效超超临界参数变压直流炉)上开展了现场检测实验。该锅炉前后墙分上、中、下三层对冲布置了共48只喷燃器，喷燃器的结构为旋流筒体式。实验共选取了锅炉右墙上3个高度处(37 m、27 m、23 m)的5个观火孔作为火焰图像探测器的观测点。观测点位置分布如图4所示，其中37 m高度处的三个观测点位于燃烧区上层中间位置和两侧燃烧器的出口位置，27 m高度处的观测点位于燃烧区中层的燃烧器出口位置，23 m高度处的观测点位于燃烧区下层的燃烧器出口位置。此外，该型锅炉的制粉系统为正压直吹式，设计煤种为兖矿煤和济北煤矿的混煤，煤质分析如表1所示。从表1可以看出，设计煤种挥发分含量为27.9 %，煤质接近烟煤。

表1 煤质分析

图4 观测点位置分布

3.2 结果与分析

在锅炉运行的过程中，将便携式炉膛温度检测系统前端依次插入五个观测点的观火孔，各观测点采集到的典型煤粉火焰辐射图像如图5所示(采集过程中锅炉负荷维持在710 MW左右)。

图5 各观测点采集到的典型煤粉火焰辐射图像

首先基于灰性假设对观测点1的辐射图像进行了处理，其中每两个通道的辐射强度之间可以求得一个温度分布，R、G、B三个通道一共可以求得三个温度分布，取平均后得到煤粉火焰温度分布如图6(a)所示，并且可以进一步得到煤粉火焰发射率和发射率比值εR/εG的二维分布如图6(b)和图6(c)所示。从图6(c)可以看出，检测系统采集到的R通道中心波长对应的发射率和G通道中心波长对应的发射率比值εR/εG最大为0.95，这表明煤粉火焰并非灰性，测量过程中采用线性发射率模型是有必要的。

图6 基于灰性假设测得的煤粉火焰燃烧参数二维分布

基于线性发射率模型，根据式(5)和图5中煤粉火焰辐射图像R、G、B三个通道对应的辐射强度，计算出对应的煤粉火焰温度二维分布如图7所示。可以看出，整个燃烧区的煤粉火焰燃烧温度在1 799～1 992 K之间；水平方向上，燃烧区上层远离燃烧器出口的炉膛中间区域的煤粉火焰平均燃烧温度(1 902 K)低于前后墙两侧燃烧器出口处的煤粉火焰平均燃烧温度(1 951 K、1 924 K)；垂直方向上，燃烧区上层前墙燃烧器出口处的煤粉火焰平均燃烧温度最高(1 951 K)，燃烧区下层前墙燃烧器出口处的煤粉火焰平均燃烧温度次之(1 891 K)，燃烧区中层前墙燃烧器出口处的煤粉火焰平均燃烧温度最低(1 871 K)；燃烧区上层三个观测点的煤粉火焰最高温度(1 992 K、1 959 K、1 971 K)均高于燃烧区中层(1 929 K)和下层(1 943 K)前墙燃烧器出口处的煤粉火焰最高温度；煤粉火焰最高平均燃烧温度和最高燃烧温度均出现在前墙的燃烧器出口附近，分别为1 951 K和1 992 K。

根据煤粉火焰辐射图像还可以计算出煤粉火焰发射率的二维分布，探测器各个通道的中心波长对应的发射率分布特性相似，图8仅给出了探测器G通道中心波长535 nm对应的煤粉火焰发射率εG的二维分布。从图8可以看出，整个燃烧区的煤粉火焰发射率在0.32～0.66之间；水平方向上，燃烧区上层前后墙两侧燃烧器出口处的煤粉火焰平均发射率均为0.56，高于远离燃烧器出口的炉膛中间区域的煤粉火焰平均发射率(0.50)；垂直方向上，前墙燃烧器出口处的各观测点的煤粉火焰平均发射率随着高度增加而增加，从低到高依次为0.44、0.45、0.56；燃烧区上层三个观测点的煤粉火焰最高发射率(0.66、0.60、0.62)均高于燃烧区中层(0.59)和下层(0.52)前墙燃烧器出口处的煤粉火焰最高发射率；煤粉火焰最高平均发射率和最高发射率均出现在前墙的燃烧器出口附近，分别为0.56和0.66，这说明此处烟气颗粒浓度最高[4]。值得注意的是，在观测点1处图6(a)中基于灰性假设的煤粉火焰温度测量结果整体高于基于线性发射率模型的煤粉火焰温度测量结果，而基于灰性假设的发射率测量结果整体低于基于线性发射率模型的煤粉火焰发射率测量结果，这与DRAPER T S等的结论一致。

图7 煤粉火焰温度二维分布

根据火焰探测器R和G通道中心波长对应的的发射率测量结果，可以计算出发射率比值εR/εG二维发布如图9所示。可以看出，燃烧区上层燃烧器出口附近的煤粉平均发射率比值最高，为0.89，最接近灰性；不同观测点的平均发射率比值εR/εG均小于1，这说明锅炉炉膛中的煤粉燃烧火焰并非灰性，并且发射率随波长的增大而减小。前期研究结果表明[20]，在生物质半气化燃烧火焰的温度测量过程中采用灰性假设将造成较大的误差，因此本文采用线性发射率模型测量煤粉火焰的燃烧温度与发射率是有必要的。

图8 煤粉火焰发射率二维分布

图9 煤粉火焰发射率比值εR/εG二维分布

上述图7～图9中的温度与发射率测量结果的分布特性见表2，其中煤粉火焰平均温度与平均发射率的测量结果略高于LOU[4]等在300 MW机组煤粉锅炉中的测量结果。

表2 温度与发射率测量结果的分布特性

4 结语

本文报道了一种基于线性发射率模型的煤粉火焰辐射图像处理技术，并利用自主设计的便携式炉膛温度检测系统测量了1 000 MW超超临界锅炉在锅炉负荷为710 MW时炉膛燃烧区不同高度处(37 m、27 m、23 m)的煤粉火焰温度与发射率(535 nm)的二维分布。测量结果表明：

(1)煤粉火焰的燃烧温度在1 799～1 992 K之间，煤粉火焰发射率在0.32～0.66之间；煤粉燃烧火焰并非灰性，发射率随波长的增大而减小，因此在利用煤粉火焰辐射图像计算温度的过程中采用线性发射率模型是有必要的，如果采用灰性假设将导致温度测量结果偏高而发射率测量结果偏低。

(2)水平方向上，燃烧区上层前后墙两侧燃烧器出口附近的火焰平均温度(1 951 K、1 924 K)和平均发射率(0.56、0.56)均高于远离燃烧器出口的炉膛中间区域(1 902 K、0.50)；垂直方向上，燃烧区上层前墙燃烧器出口附近的平均温度最高(1 951 K)，下层次之(1 891 K)，中层最低(1 871 K)，前墙燃烧器出口附近的平均发射率随着高度的增加而增加，依次为0.44、0.45、0.56。

(3)燃烧区最高平均温度、最高温度、最高平均发射率和最高发射率均出现在上层前墙燃烧器出口附近，分别为1 951 K、1 992 K、0.56和0.66，此外，该区域在炉膛的水平和垂直方向上都是最接近灰性的区域。