一种燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测的装置及方法，其中装置包括一组热电偶、红外镜头、红外CCD相机、计算机以及一套镜头相机冷却装置，红外CCD相机连接红外镜头用于记录进入红外镜头的壁面红外信息；一组热电偶用于测量监测范围内高温过热器壁面被测区域的温度；所述计算机，根据红外CCD相机采集到的壁面红外信息得到红外CCD相机所探测的不同位置下的测点的辐射强度计算出所监测区域内的温度分布，实现燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测。本发明具有以下优点，在线获取高温烟气遮蔽下的高温过热器壁面温度分布，实现多管道大范围壁面温度的同时监测，快速确定过热区域以及对过热区域进行采样分析。
【专利说明】
-种燃煤电站锅妒高溫过热器壁面溫度在线监测的装置及 方法
技术领域
[0001] 本发明设计一种燃煤电站锅炉高溫过热器壁面溫度在线监测的装置及方法，属于 溫度在线监测领域。 技术背景
[0002] 随着我国国民经济对电力需求的不断增长，火力发电近年来得到了长足的发展， 一大批低排放、大容量、高参数发电机组装机并投入生产，超(超)临界机组在电站锅炉机组 中所占比例越来越大。
[0003] 燃煤电站锅炉中高溫过热器在工作中承受着汽水系统中最高的溫度和压力，对超 溫现象尤为敏感，且过热器壁面的工作环境十分恶劣，运行中非常容易出现超溫现象，严重 时甚至引发爆管。超(超)临界机组固然拥有较高的发电效率、较少的污染物排放等优势，然 而由于容量的增大和参数的提高，高溫过热器超溫带来的后果也将更为严重，长期有效地 监测锅炉高溫过热器壁面溫度场状况，对生产运行、电力系统稳定有着十分重要的意义。
[0004] 红外热成像测溫技术是集红外测溫标定、红外信号探测和计算机图像处理等多种 高新技术的综合体，在非接触溫度测量领域得到了广泛的应用，与传统的测溫方法相比，红 外热成像测溫技术在溫度分布不均匀的大面积溫度场测量和快速确定过热区域方面具有 明显优势。
[0005] CCD相机由于自身低功耗、抗干扰强等突出的性质，可W长时间工作于恶劣环境 中，稳定地探测被测物的情况。然而在燃煤电站锅炉测量中，覆盖在壁面的高溫烟气给探测 的壁面溫度场分布带来影响，对于运种情况，现有的传统红外热成像测量方法已经无法进 行壁面溫度场的测量。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种抗干扰测量 精度高的燃煤电站锅炉高溫过热器壁面溫度在线监测的装置及方法。
[0007] 本发明装置所采用的技术方案是：
[000引一种燃煤电站锅炉高溫过热器壁面溫度在线监测的装置，其特征在于:包括一组 热电偶、红外镜头、红外CCD相机、计算机W及一套镜头相机冷却装置，
[0009] 所述红外CCD相机连接所述红外镜头用于记录进入所述红外镜头的壁面红外信 息；
[0010] 所述红外镜头调节所述红外镜头对被测表面的焦距；
[0011] 所述一组热电偶用于测量监测范围内高溫过热器壁面被测区域的溫度；
[0012] 所述计算机，根据所述红外CCD相机采集到的壁面红外信息得到红外CCD相机所探 测的不同位置下的测点的福射强度并根据运一福射强度得到广义源项Sia，r，Ω )，根据所 述一组热电偶采集到的壁面被测区域的溫度得到一组热电偶所探测的不同位置下的测点 的福射强度并得到广义源项S2(A，r，Ω );根据广义源项Sia，r，Ω )与S2a，r，Ω )获得校正 后的广义源项Sa，r，Ω );利用红外CCD相机获得所有测溫区域内的福射强度和校正后的广 义源项Sa，r，Ω )，计算出所监测区域内的溫度分布，实现燃煤电站锅炉高溫过热器壁面溫 度在线监测。
[001引所述红外CC时目机，探测器类型为非制冷焦平面，测溫范围：100°C~1500°C，帖率 为50Hz。
[0014] 所述红外镜头中屯、波长为ΙΟμπι，运个波段可W有效地避开水蒸气和二氧化碳的吸 收峰，减少空气对福射测溫的影响。
[0015] 所述一套冷却系统，主要利用冷却气体冷却所述的红外CCD相机与所述红外镜头， 使其处于的正常的工作溫度中，同时隔绝烟气飞灰和环境灰尘，保护装置。
[0016] -种燃煤电站锅炉高溫过热器壁面溫度测量的方法，包括W下步骤：
[0017] 步骤一:对所述的红外CCD相机进行黑体标定，得出探测到的热图像灰度与黑体溫 度的拟合曲线，红外CCD相机探测经过所述的红外镜头处理后的中屯、波长为10皿的红外线， 得到被测壁面的热图像，提取图像灰度，通过标定所得的拟合曲线，将所得灰度转化为对应 的福射强度I;
[0018] 步骤二:布置热电偶于所测壁面区域内，获得溫度数组tl、t2、……tm，通过朗特克 定律求出对应福射强度数组Ii、l2……Im，式中，m为热电偶的个数；
[0019] 步骤燃煤电站锅炉，烟气均匀覆盖被侧壁面，可W认为锅炉中的高溫烟气为折 射率均匀的介质，因此壁面福射能量在溫度弛豫时间内处于平衡状态，壁面福射的能量在 经过高溫烟气时，会由于烟气自身的福射和其他方向的散射而导致增强，定义广义源项S (λ，Γ，Ω )表示导致福射强度增加的发射增强项和散射增强项之和，即：
[0020]
(1)
[0021] 式中：Sa，r，Q)表示介质在位置r处、沿Ω方向、在波长λ下的广义福射源项，Κ表 示吸收系数，Ib(A，r)表示介质本身的福射强度大小，Os表示散射系数；Φ ( Ω，Ω / )表示来自 Ω /方向的入射且从Ω方向散射出去的散射相函数大小，Ω /为在Ω /方向上的立体角大小。
[0022] 步骤四：假设烟气物性参数吸收系数K1、散射系数osi，代入福射传递方程，利用有 限体积法可W计算出介质内部的福射强度I(r，Q/)，根据公式（1)即可求得广义源项，记为 8ι(λ,Γ,Ω)；
[0023] 步骤五:高溫烟气遮蔽下的壁面溫度测量的数学物理模型可W根据源项多流法推 导出递推公式：
[0024]
[0025] 式中：等号左侧1(。，Ω )表示通过红外CCD相机探测信号所获得的福射强度数组 ……1\，下标m表示所对应的热电偶测点的个数，I(rw，Q)表示通过热电偶所获得 对应区域内同位置下的福射强度数组Il、l2……Im，将步骤一中假设的物性参数应用于公式 (2)中，利用LSQR算法，可W反演得到广义源项，记为52(λ，Γ，Ω);
[0026] 步骤六:在同样的物性参数下得到不同的广义源项Sia，r，Ω )与S2a，r，Ω )，利用 量子微粒群算法整合广义源项Sia，r，Ω )与S2a，r，Ω )校正步骤Ξ中所假设的物性参数， 接着循环步骤四、步骤五和步骤六，直到所校正的物性参数误差满足要求，即：
并更新所假设的物性参数；
[0027] 步骤屯:将步骤六所获得的满足要求的烟气物性参数，结合步骤四获得校正后的 广义源项Sa，r，Ω )，再根据红外CCD相机实时测量得到的福射强度1(。，Ω )，根据公式(2) 可W获得燃煤电站锅炉高溫过热器壁面的福射强度，进而根据普朗克定律获得实时溫度数 据。
[0028] 有益效果:本发明利用红外CCD相机结合冷却装置实现了燃煤电站锅炉高溫过热 器的实时在线溫度测量，考虑到燃煤电站锅炉烟气对红外CCD的测溫有较大的影响，通过反 演的方法得到了烟气的福射物性参数，并利用运些物性参数对红外CCD相机进行了修正，提 高了溫度测量的精度，从而实现了对燃煤电站锅炉高溫过热器的实时在线准确溫度测量。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明测量装置的布置示意图。
[0030] 其中：1、计算机，2、红外CCD相机，3、冷却装置，4、红外镜头，5、锅炉壁面，6、高溫烟 气，7、高溫过热器，8、热电偶。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图1和具体实施例，进一步阐述本发明。应理解运些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种 等价形式的修改落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0032] 本发明的工作原理:首先布置一组热电偶于被监测壁面局部范围之内，利用热电 偶获取壁面的真实溫度，并计算出其实际的福射强度，将红外CCD相机所探测到的同位置下 的红外信号转变为探测到的福射强度，结合稳态下的福射传输方程、源项多流法、LSQR算法 W及量子微粒群算法，反演出覆盖于高溫过热器壁面的高溫烟气的物性参数，最后利用烟 气的物性参数和CCD相机探测到的壁面整体的福射信号，通过稳态福射传输正问题W及普 朗克定律计算获得壁面真实的溫度场分布。
[0033] 如附图1所示，本发明燃煤电站锅炉高溫过热器壁面溫度在线监测的装置主要包 括一组热电偶、红外镜头、红外CCD相机、计算机W及一套镜头相机冷却装置组成，所述的红 夕FCCD相机连接所述的红外镜头，调节红外镜头对被测表面的焦距。高溫过热器壁面福射出 的红外线，穿过锅炉高溫烟气，再经过红外镜头的处理，最后被所述的红外CCD相机所记录， 最后红外CCD相机所采集的壁面红外信息经由所述的计算机处理得到壁面溫度场分布图像 和溫度场分布数据，完成测量。
[0034] 如附图1所示，数据采集中所选用的红外CCD相机为上海巨哥电子有限公司生产， 型号为MAG62,探测器类型为非制冷焦平面，像素大小为640X480,像素尺寸为17皿，测溫范 围：100°C~1500°C，帖率为50化。选用的红外镜头型号为:ASY-00012,中屯、波长：10um，工作 距离：250mm，视场区域：ISOmmX 140mm，CCD尺寸：10.88mmX8.16mm，焦距：15mm，水平视场 角：39.9°，竖直视场角：30.4°，调焦范围：0.1米~2米，可W有效的避开水蒸气和二氧化碳 的吸收峰，减少空气对福射测溫的影响。所述的一套冷却系统，主要利用冷却气体冷却红外 CCD相机与红外镜头，使其处于的正常的工作溫度中，同时隔绝烟气飞灰和环境灰尘，保护 装置。计算机通过数据线与红外CCD相机相连，用于处理图像数据得到溫度场。一组热电偶， 一组八根热电偶布置于高溫过热器壁面监测范围内局部区域。
[0035] -种采用上述装置的燃煤电站锅炉高溫过热器壁面溫度测量的方法，其特征在于 包括W下步骤：
[0036] 步骤一:对所述的红外CCD相机进行黑体标定，得出探测到的热图像灰度与黑体溫 度的拟合曲线，红外CCD相机探测经过所述的红外镜头处理后的中屯、波长为10皿的红外线， 得到被测壁面的热图像，提取图像灰度，通过标定所得的拟合曲线，将所得灰度转化为对应 的福射强度I;
[0037] 步骤二:布置热电偶于所测壁面区域内，获得溫度数组tl、t2、……tm，通过朗特克 定律求出对应福射强度数组11、12……Im;
[0038] 步骤燃煤电站锅炉，烟气均匀覆盖被侧壁面，可W认为锅炉中的高溫烟气为折 射率均匀的介质，因此壁面福射能量在溫度弛豫时间内处于平衡状态，壁面福射的能量在 经过高溫烟气时，会由于烟气自身的福射和其他方向的散射而导致增强，定义广义源项S (λ，Γ，Ω )表示导致福射强度增加的发射增强项和散射增强项之和，即：
[0039]
(1)
[0040] 式中：Sa，r，Q)表示介质在位置r处、沿Ω方向、在波长λ下的广义福射源项，Κ表 示吸收系数，Ib(A，r)表示介质本身的福射强度大小，Os表示散射系数；Φ ( Ω，Ω / )表示来自 Ω /方向的入射且从Ω方向散射出去的散射相函数大小，Ω /为在Ω /方向上的立体角大小。
[0041] 步骤四：假设烟气物性参数吸收系数K1、散射系数〇si，代入福射传递方程，利用有 限体积法可W计算出介质内部的福射强度I(r，Q/)，根据公式（1)即可求得广义源项，记为 8ι(λ,Γ,Ω)；
[0042] 步骤五:高溫烟气遮蔽下的壁面溫度测量的数学物理模型可W根据源项多流法推 导出递推公式：
[0043]
[0044] 式中：等号左侧1(。，Ω )表示通过红外CCD相机探测信号所获得的福射强度数组 ……1\，下标m表示所对应的热电偶测点的个数，I(rw，Q)表示通过热电偶所获得 对应区域内同位置下的福射强度数组Il、l2……Im，将步骤一中假设的物性参数应用于公式 (2)中，利用LSQR算法，可W反演得到广义源项，记为S2(λ，r，Ω );
[0045] 步骤六:在同样的物性参数下得到不同的广义源项Sia，r，Ω )与S2a，r，Ω )，利用 量子微粒群算法整合广义源项Sia，r，Ω )与S2a，r，Ω )校正步骤Ξ中所假设的物性参数， 接着循环步骤四、步骤五和步骤六，直到所校正的物性参数误差满足要求，即：
并更新所假设的物性参数；
[0046]步骤屯:将步骤六所获得的满足要求的烟气物性参数，结合步骤四获得校正后的 广义源项Sa，r，Ω )，再根据红外CCD相机实时测量得到的福射强度1(。，Ω )，根据公式(2) 可W获得燃煤电站锅炉高溫过热器壁面的福射强度，进而根据普朗克定律获得实时溫度数 据。
【主权项】
1. 一种燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测的装置，其特征在于：包括一组热 电偶、红外镜头、红外CCD相机、计算机以及一套镜头相机冷却装置， 所述红外C⑶相机连接所述红外镜头用于记录进入所述红外镜头的壁面红外信息； 所述红外镜头调节所述红外镜头对被测表面的焦距； 所述一组热电偶用于测量监测范围内高温过热器壁面被测区域的温度； 所述计算机，根据所述红外CCD相机采集到的壁面红外信息得到红外CCD相机所探测的 不同位置下的测点的辐射强度并根据这一辐射强度得到广义源项31〇，1 Ω )，根据所述一 组热电偶采集到的壁面被测区域的温度得到一组热电偶所探测的不同位置下的测点的辐 射强度并得到广义源项S 2(X，r，Ω );根据广义源项ΞΚλ,Γ，Ω )与32〇，1 Ω )获得校正后的 广义源项S(A，r，Ω );利用红外CCD相机获得所有测温区域内的辐射强度和校正后的广义源 项S(A，r，Ω )，计算出所监测区域内的温度分布，实现燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在 线监测。2. 根据权利要求1所述的一种燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测的装置，其 特征在于：广义源项S(A，r，Ω )表示导致辐射强度增加的发射增强项和散射增强项之和， 即：式中：S(A，r，Ω)表示介质在位置r处、沿Ω方向、在波长λ下的广义辐射源项，κ表示吸 收系数，Ib(X，r)表不介质本身的福射强度大小，〇3表不散射系数；Φ ( Ω，Ω ')表不来自Ω ' 方向的入射且从Ω方向散射出去的散射相函数大小，Ω '为在Ω '方向上的立体角大小。3. 根据权利要求2所述的一种燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测的装置，其 特征在于:得到校正后的广义源项S(A，r，Ω )的方法是： 步骤一、假设烟气物性参数吸收系数^、散射系数〇sl，代入辐射传递方程，利用有限体 积法可以计算出介质内部的辐射强度I(r，Ω')，根据公式（1)即可求得广义源项，记为Si (λ,Γ, Ω )； 步骤二、高温烟气遮蔽下的壁面温度测量的数学物理模型根据源项多流法推导出递推 公式：式中：等号左侧I(rP，Ω )表示通过红外CCD相机探测信号所获得的辐射强度数组IS、 I7 2 I、，下标m表示所对应的热电偶测点的个数，I (rw，Ω )表示通过热电偶所获得对应 区域内同位置下的辐射强度数组Ii、I2……Im，将步骤一中假设的物性参数应用于公式(2) 中，利用LSQR算法，可以反演得到广义源项，记为&(λ，Γ，Ω); 步骤三:在同样的物性参数下得到不同的广义源项Ω )与&(λ，Γ，Ω )，利用量子 微粒群算法整合广义源项Ω )与&(λ，Γ，Ω )校正步骤三中所假设的物性参数，接着 循环步骤一、步骤二和步骤三，直到所校正的物性参数误差满足要求，即：，并更新所假设的物性参数，其中，ε < 10-6; 步骤四：将步骤三所获得的满足要求的烟气物性参数，结合步骤一获得校正后的广义 源项S(A，r，Ω )，再根据红外CCD相机实时测量得到的辐射强度I(rP，Ω )，根据公式(2)获得 燃煤电站锅炉高温过热器壁面的辐射强度，进而根据普朗克定律获得实时温度数据。4. 根据权利要求1、2或3所述的一种燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测的装 置，其特征在于:所述红外镜头中心波长为λ= ΙΟμπι。5. -种采用权利要求1至4任一所述装置的燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监 测的方法，所述CCD相机测量得到的辐射强度数组和热电偶测量得到的辐射强度数组的方 法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一:对所述红外CCD相机进行黑体标定，将探测到的热图像灰度转化为对应的辐射 强度I，找出热电偶所对应的位置，即可获得对应的辐射强度数组FhlS……1\; 步骤二:布置热电偶于所测壁面区域内，获得温度数组t^ts、……tm，通过朗特克定律 求出对应辐射强度数组I i、12……Im; 步骤三:定义广义源项S(A，r，Ω )表示导致辐射强度增加的发射增强项和散射增强项 之和，即：式中：Ib(A，r，t)表示介质本身的辐射强度大小，s表示Ω方向上的距离，κ表示吸收系 数，〇3表不散射系数；Φ ( Ω，Ω 7 )表不来自Ω 7方向的入射且从Ω方向散射出去的散射相函 数大小，Ω '为在Ω '方向上的立体角大小； 广义源项中假设烟气物性参数吸收系数^、散射系数〇sl、发射率m，结合步骤二中所得 的辐射强度数组Ii、I2……18,利用源项多流法获得广义源Ω ); 步骤四：建立高温烟气遮蔽下的壁面温度测量得数学物理模型：式中：I(rP，Ω )表示通过计算红外CCD相机探测信号所获得的辐射强度数组IS、I 7 2……ι^,Κκ,Ω)表示通过热电偶所获得对应区域内同位置下的辐射强度数组1^12…… 18； 将步骤三中假设的物性参数应用于公式（2)中，利用LSQR算法，获得广义源项52(人，1 Ω); 步骤五:在同样的物性参数下得到不同的广义源项Ω )与&(λ，Γ，Ω )，利用量子 微粒群算法整合广义源项Ω )与&(λ，Γ，Ω )校正步骤三中所假设的物性参数，分析 并更新所假设的物性参数； 接着循环步骤三、步骤四，步骤五……，直到所校正的物性参数误差满足要求，即：步骤六:撤下壁面热电偶组，将步骤五所获得的满足要求的烟气物性参数应用于方程 (1)中，获得校正后的广义源项S(A，r，Q)，结合步骤二，利用红外CCD相机获得所有测温区 域内的辐射强度分布矩阵Ω )，将Ω )和校正后的广义源项S(A，r，Ω )带 入公式(2)中，获得测温区域内壁面辐射强度分布I(rw，Ω )，最后利用普朗克定律计算出所 监测区域内的温度分布，最终实现燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测。
【文档编号】G01J5/00GK106066208SQ201610356754
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月26日 公开号201610356754.X, CN 106066208 A, CN 106066208A, CN 201610356754, CN-A-106066208, CN106066208 A, CN106066208A, CN201610356754, CN201610356754.X
【发明人】许传龙, 任建新, 张彪, 王式民
【申请人】东南大学