基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统及方法与流程

本发明涉及一种锅炉在线调整系统及方法，属于煤粉锅炉燃烧控制领域，具体是涉及一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统及方法。

背景技术：

煤炭在中国的一次能源结构中占重要地位，以燃煤为主的火力发电占中国电力工业的比重达60％,这种能源结构在相当长的一段时期不会发生根本变化。中国煤炭资源分布不均，不同产地的煤种煤质差异较大，煤炭市场供应形势紧张，煤燃料成本呈现不断上涨趋势，使得大多数电厂都采用多煤种进行混配掺烧。锅炉燃用非设计煤种，如果不进行科学的燃烧优化，可能会导致锅炉运行的稳定性、安全性下降，锅炉效率和经济性降低。

在锅炉的燃烧调节中，风煤比的在线检测和控制是燃煤火电机组深度负荷调控的难点，即考虑经济性和燃烧稳定性之间的平衡。根据数字化煤场可以配置合理的入炉煤质，通过炉内燃烧检测可以能反馈风煤比状况，将二者有效融合，能够在灵活性运行中的大幅度负荷变化过程中维持良好的经济性和燃烧稳定性。燃烧火焰图像的灰度反映了炉内脉动情况，采样时间的取值直接影响着计算的结果，通常采样时间t越大，数据变化曲线越平滑，而对于炉膛的突然熄火不能给出及时地诊断，降低诊断的灵敏度；采样时间t太小，则由于火焰的闪烁和脉动，会影响着计算结果的准确，产生随机误差。在通过炉膛火焰分析来研究燃烧稳定性时，利用数字图像处理技术对炉膛燃烧分析时，可获得各像素点的灰度，即辐射能数值。相对于火焰有效辐射能和高温区域辐射能的面积，火焰面积作为表征燃烧状况的几何特征量，在燃烧理论中已有大量的研究，其对应与ccd垂直方向的面积，通过统计原始火焰中一定辐射能级以上的所有像素点的个数，由于每个像素占的像素面积大致相同，所以可以以像素个数来表示火焰面积的相对值，炉内燃烧状况和火焰面积有着十分紧密的联系。

结合实时的入炉煤煤质信息，辐射能可以反映炉内燃烧状况，入炉煤的煤质信息改变或者送风的变化都会使辐射能迅速变化。因此，寻求深度调峰时锅炉风煤比调控系统和方法是机组正常运行的保障。

本发明的煤质信息专指入炉混配煤的煤种成分、各煤种的品质、各煤种的掺烧比例。未经混配的各单一煤种均视为特殊的混配煤。

在本领域已公开的专利技术中，公开号为cn1388340a，名称为“测量锅炉燃烧辐射能及温度场并控制燃烧的方法及其系统”的专利采用由ccd摄像头、红外测温仪、可见光探头构成的燃烧检测系统检测炉内部分测点的辐射能量和温度，系统复杂，未能实现对典型区域及深度变负荷时炉内燃烧稳定性的检测，也未针对不同入炉煤情况进行优化。

公开号为cn101078526a，名称为“基于红外辐射能信号的电站锅炉燃烧优化方法及装置”的专利利用安装在炉膛某一高度的近红外辐射能传感器获取炉内辐射能信号并用于锅炉燃料控制，这种方法只取了一个断面测量辐射能，检测方法过于简单，未能代表整个炉膛空间的辐射能分布，可靠性不足。

此外，公开号为cn105117808a名称为“一种配煤掺烧寻优方法”的专利从经济性角度提供了配煤掺烧的寻优方法，但忽略了炉内实际燃烧过程的复杂性，未涉及炉内过程的在线检测信息，无法实现燃烧优化。

实用新型专利zl200420076978.8，名称为“燃煤锅炉炉内三维温度场实时监测装置”，利用炉膛空间内布置的多只火焰探头，实时监测炉膛火焰信息，再利用数字计算和图像处理技术，得到炉内燃烧三维温度场，可以迅速反映炉膛中燃料燃烧的状况，但没能考虑炉内燃烧稳定性及入炉煤参数，已不适用于现今的机组灵活性运行中。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的等的技术问题，提供了一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统及方法。该系统及方法通过实时监测入炉煤燃烧前煤质信息、炉内燃烧状况以及对火焰图像的深度分析，在线优化锅炉给煤和送风。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统，包括：

煤场数字化装置，用于实时采集计量入煤数据并自动归类汇总存放到相应煤场区域；

风煤比在线优化装置，用于从炉膛火焰图像中提取燃烧信息并结合所述入煤数据生成送风机构和/或给煤机构的控制信号。

优选的，上述的一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统，所述风煤比在线优化装置包括：

炉膛火焰图像采集模块，用于利用分布于炉膛四周的火焰探头(1)采集炉膛火焰图像，所述火焰探头(1)与视频分割器(3)的输入端相连，所述视频分割器(3)输出为两路，分别连接显示器(4)和风煤比在线优化装置。

优选的，上述的一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统，所述风煤比在线优化装置包括：

入炉煤标单设置模块，根据实时采集的给煤机入炉数据计算得出实时入炉煤综合标单，将所述实时入炉煤综合标单与相同基准下的历史入炉煤综合标单进行竞优，综合比较给出入炉煤建议。

优选的，上述的一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统，所述入煤标单设置模块按照以下逻辑推荐配煤方案：选择满足预设边界条件并且煤种库存满足阈值的配煤方案作为备选方案，根据历史使用情况对所述备选方案进行排名，选择排名靠前的若干个备选方案作为推荐配煤方案；其中，所述预设边界条件包括安全性、经济性、环保性中的一种或多种。

优选的，上述的一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统，风煤比在线优化装置包括：

燃烧信息提取模块，用于从炉膛火焰图像中提取燃烧信息；所述燃烧信息提取模块具体包括：

颜色提取单元，通过视频采集卡提取每幅炉膛火焰图像中每个像素点的红、绿、蓝颜色值ri，j，gi，j，bi，j；i为像素点在数字图像中的横坐标，j为像素点在数字图像中的纵坐标；

辐射能计算单元，基于下式计算炉膛辐射能信号gi,j：

gi,j＝0.11ri,j+0.59gi,j+0.23bi,j，

实时灰度值计算单元，基于下式计算第i次采样时图像的平均灰度值gavi：式中，p─图像象素个数；gj,i─由式d计算出的第i次采样时刻象素点j的灰度值；

燃烧状态计算单元，基于下式计算t时间内的图像平均灰度值式中，t为t时间内特征量提取采样的次数；表征一段时间以来图像的平均亮度，根据确定炉膛燃烧状态。

优选的，上述的一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整系统，所述燃烧信息提取模块还包括：

有效及高温辐射能计算单元，基于下式计算火焰有效辐射能和高温区域辐射能

式中m和n为火焰图像中沿x轴和y轴方向的像素个数，gi,j为图像中第j列第i行像素点的辐射能，fy为预先设定的阈值。

k和l为火焰图像中有效像素个数，即x>0时为有效；

燃烧状况检测单元，基于下式计算火焰有效面积sy和高温区域面积sg以对炉内燃烧状况进行检测：

式中l(x)为域值函数，其定义为：

并基于下式计算图像高温区的面积率gm:

一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整方法，包括：

煤场数字化管理步骤，用于实时采集计量入煤数据并自动归类汇总存放到相应煤场区域；

风煤比在线优化步骤，用于从炉膛火焰图像中提取燃烧信息并结合所述入煤数据生成送风机构和/或给煤机构的控制信号。

优选的，上述的一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整方法，所述风煤比在线优化步骤包括：炉膛火焰图像采集子步骤和/或入炉煤标单设置子步骤；

其中：

所述炉膛火焰图像采集子步骤，利用分布于炉膛四周的火焰探头(1)采集炉膛火焰图像，将所述炉膛火焰图像经视频分割器(3)分割后分别送至接显示器(4)和风煤比在线优化装置；

所述入炉煤标单设置子步骤，用于根据实时采集的给煤机入炉数据计算得出实时入炉煤综合标单，将所述实时入炉煤综合标单与相同基准下的历史入炉煤综合标单进行竞优，综合比较给出入炉煤建议。

优选的，上述的一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整方法，所述风煤比在线优化步骤中用于从炉膛火焰图像中提取燃烧信息的过程进一步包括：

颜色提取子步骤，通过视频采集卡提取每幅炉膛火焰图像中每个像素点的红、绿、蓝颜色值ri，j，gi，j，bi，j；i为像素点在数字图像中的横坐标，j为像素点在数字图像中的纵坐标；

辐射能计算子步骤，基于下式计算炉膛辐射能信号g：

gi,j＝0.11ri,j+0.59gi,j+0.23bi,j，

实时灰度值计算子步骤，基于下式计算第i次采样时图像的平均灰度值gavi：式中，p─图像象素个数；gj,i─由式d计算出的第i次采样时刻象素点j的灰度值；

燃烧状态计算子步骤，基于下式计算t时间内图像平均灰度的平均值式中，t为t时间内特征量提取采样的次数；表征一段时间以来图像的平均亮度。

优选的，上述的一种基于入炉煤信息和火焰检测的锅炉在线调整方法，还包括：

有效及高温辐射能计算子步骤，基于下式计算火焰有效辐射能和高温区域辐射能

式中m和n为火焰图像中沿x轴和y轴方向的像素个数，gi,j为图像中第j列第i行像素点的辐射能，fy为预先设定的阈值。

k和l为火焰图像中有效像素个数，即x>0时为有效。

燃烧状况检测子步骤，基于下式计算火焰有效面积sy和高温区域面积sg以对炉内燃烧状况进行检测：

式中l(x)为域值函数，其定义为：

并基于下式计算图像高温区的面积率gm:

因此，本发明具有如下优点：1、数字化煤场能够实现入炉燃料的精确调配；2、利用沿炉膛高度布置多只火焰探头，可实现对炉膛典型区域燃烧状况的在线监测；3、通过火焰图像处理技术得到实时的炉膛辐射能信号，诊断炉膛燃烧稳定性，并对入炉煤进行有效调节，改善控制过程的品质；4、根据实时的入炉煤煤质信息进行燃烧检测和优化，针对性强，能够提高锅炉在燃用非设计煤种且还能配煤煤质波动条件下的运行稳定性，在机组灵活性运行和深度调峰时能保持较高的经济性和稳定性。

附图说明

图1是炉膛火焰图像示意图；

图2是本发明的控制系统示意图。

图中，火焰探头1，传输火焰图像的同轴电缆2，视频分割器3，显示器4，风煤比优化处理系统5，煤场数字化管理系统6，送风机构7，给煤机构8。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1

一种基于入炉煤信息及燃烧火焰检测的锅炉在线调整系统和方法，包括煤场数字化系统、炉内燃烧检测系统、图像数字处理、给煤控制单元、送风控制单元。

风煤比控制系统从煤场数字化系统数据获取入炉煤煤质信息；煤场数字化系统记录、调配实时的入炉煤煤质信息和燃料流量，并与风煤比调节系统进行数据交互。

风煤比控制系统通过炉内燃烧检测装置获取炉内辐射能信号。

炉内燃烧检测系统包括火焰探头、通讯线路、视频分割器、显示器和计算机。火焰探头分布在炉膛四周不同高度，探头个数n为2～8,各火焰探头连接到视频分割器，视频分割器将n个火焰探头拍摄的n幅图像合成为一幅图像输出至显示器和火焰图像处理计算机。

炉内燃烧检测系统从火焰图像中提取辐射能信息，包括以下步骤：

a.入炉煤标单设置：实时采集给煤机(和给粉机)入炉数据，统计每五分钟内的入炉煤种配比及量质价，汇总加权计算得出当前时点的入炉煤综合标单，再与历史相同基准下(相同负荷段、相同煤种组合、相同煤种价位)的入炉煤综合标单进行竞优，综合比较给出入炉煤建议。

b.燃烧图像数字处理，计算机将输入图像由模拟图像转换为数字图像；

c.提取颜色值，计算机通过视频采集卡提取每幅数字图像中每个像素点的红、绿、蓝颜色值ri，j，gi，j，bi，j；i为像素点在数字图像中的横坐标，j为像素点在数字图像中的纵坐标；

d.计算炉膛辐射能，以平均灰度值gavi表示。炉膛灰度信号g计算公式如下：

gi,j＝0.11ri,j+0.59gi,j+0.23bi,j，

e.火焰图像特征量，第i次采样时图像的平均灰度值gavi计算如下：

p─图像象素个数；gj,i─由式d计算出的第i次采样时刻象素点j的灰度值。

f.t时间内图像平均灰度的平均值

t─t时间内特征量提取采样的次数；表征一段时间以来图像的平均亮度，物理意义上和火焰燃烧的光强相对应，能表征一定的燃烧状态。

g1.火焰有效辐射能和高温区域辐射能分别计算如下：

式中m和n为火焰图像中沿x轴和y轴方向的像素个数，gi,j为图像中第j列第i行像素点的辐射能，fy为预先设定的阈值。

k和l为火焰图像中有效像素个数，即x>0时为有效。

g2.定义火焰有效面积sy和高温区域面积sg来对炉内燃烧状况进行检测。火焰有效面积sy和高温区域面积sg分别计算如下：

式中l(x)为域值函数，其定义为：

g3.图像高温区的面积率gm计算如下：

实施例2

为更好的理解本实施例的内容，在此以一台200mw的四角切圆煤粉锅炉为例，对本实施例的方案说明如下：

1、实时采集sis系统给煤机(和给粉机)入炉数据，统计每五分钟内的入炉煤种配比及量质价，汇总加权计算得出当前时点的入炉煤综合标单，再与历史相同基准下(相同负荷段、相同煤种组合、相同煤种价位)的入炉煤综合标单进行竞优排名，综合比较并提供系统优化给煤建议；根据汇总加权计算得出的入炉煤综合标单，结合耗差系统采集的售电煤耗数据，综合比较并提供系统优化给煤建议。

2、配煤方案。对于步骤1中给出的优化建议，按照以下逻辑进行系统推荐配煤方案设置：

a，方案满足设定边界条件(安全性、经济性、环保性)；

b，参与配煤方案的煤种在当前库存结构中处于合理范围内，如若太少(小于一定边界量)，则弃用该方案；

c，按照历史方案使用效果最佳(成本最低或标单最低)的原则，综合比较竞优推荐前两名。

通过上述设置的配煤方案，通过数字化煤场管理系统对燃料的采购、存储、使用全生命周期管控，获得入炉煤的实时量化信息。本台200mw锅炉根据煤场数字化调配入炉煤量为三层共12台燃烧器共给煤89t/h。

3、系统设置了8个炉膛高温ccd图像火焰探头。炉膛开孔标高在11.0～28.0m区间，底层燃烧器标高为12.0m，顶层燃烧器标高为21.5m。其中，燃烧器下部及燃烧器区域的安装孔分别在左、右水冷壁和前、后水冷壁中部，其余层面开在四角。所监视的炉膛燃烧空间为标高在11.0m到28.4m之间的区域，即冷灰斗以上、折焰角以下的区域。利用该区域之间的4层过道，设计布置4层火焰探头，各层探头布置在炉膛四角附近(看火孔位置)。

4、每只火焰探头设置像素为30×30，8只火焰探头合成为一幅图像(含全炉膛看火电视，共9幅画面)的总像素为8100，由于沿炉膛不同高度和位置上布置的8只火焰探头，其检测范围覆盖了整个炉膛空间，因此，通过8只火焰图像计算而得到的炉膛辐射能信号，能完全反映炉膛燃烧工况。

5、将实时辐射能信号送入风煤比调控回路后，结合从煤场数字化系统下载的实时入炉煤煤质信息和燃料流量，利用上述的检测分析，调节给煤和送风回路的动作，实现深度调峰时经济入炉煤和炉膛稳燃调控的目的。

根据机组负荷从煤场数字化系统中选择对应该负荷的预设煤质作为该工况下的入炉煤。本发明的一种利用炉膛辐射能信号控制给煤的方法，将炉膛辐射能信号作为入炉煤的反馈信息，引入到风煤控制回路，诊断实时、经济入炉煤工况下的炉膛燃烧稳定性。辐射能信号诊断炉内燃烧稳定性的步骤为：

a.实时采集炉膛辐射能信号，采集时间间隔为0.1秒；

b.特征量提取采样的次数t＝50；

c.平均灰度值大于65，炉膛燃烧可维持稳定。设定像素面积方差阈值0.05，辐射能方差20，两者同时触发出燃烧稳定性预警。设定阈值辐射能为55、像素面积0.6，当两者都低于各自的阈值，同时辐射能方差和像素面积方差又高于各自阈值时，即可判断全炉膛灭火事故。

炉内检测分析表明，该200mw锅炉在正常入炉煤情况下，由于风煤比组织不合理，严重影响了炉内燃烧稳定性。辐射能信号出现了两处峰值，正是因燃烧不稳定而剧烈波动结果；在灵活性运行中，入炉煤及炉内过程的协调监测和控制是重要保证。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。