一种吸热器能流密度测量装置及测量方法与流程

本发明属于塔式太阳能光热电站技术领域，具体涉及一种吸热器能流密度测量装置及测量方法。

背景技术：

塔式太阳能光热电站已开始商业化应用，其基本原理为：利用围绕吸热塔的众多定日镜，将太阳光反射到吸热塔顶部的吸热器管屏上，加热吸热器中的流动工质，工质再经过储热、换热等环节，产生蒸汽推动汽轮发电机进行发电。

布置于吸热塔顶部的吸热器是塔式光热电站的能量转换的关键设备，其高度通常在180米以上，因此在高空风载作用下，吸热器会产生低频晃动，晃动位移约-600mm至600mm；对于大型塔式光热电站，吸热器多采用多块管屏拼接的外置圆周型式。

吸热器光斑能流密度是塔式光热电站十分重要的参数，在电站运行时，应保证光斑能流在吸热器管屏的分布均匀，通过对能流密度的测量及对定日镜的调度避免管屏上出现超温。以此来保证吸热器的安全、高效运行。

由于吸热器管屏能流密度较高，可达兆瓦级每平方米，管屏最高温度高达600-700℃，常规的直接测量方法因无法承受高温而无法正常使用，且位于高空，不便于进行维护及检修。因此针对吸热器能流密度测量，尤其是吸热器管屏整体的能流密度测量，目前尚无简捷、高效与标准的测量仪器。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种吸热器能流密度测量装置及测量方法。

本发明所采用的技术方案是：一种吸热器能流密度测量装置，包括设置在吸热器周围的定日镜镜场内部的红外热像仪、安装在吸热器管屏背光侧的壁温测点、安装于吸热器管屏附近区域固定位置处的图像标识块，所述红外热像仪依次与图像数据处理装置和上位机连接，所述上位机分别与壁温测点及图像标识块内含的温度测点连接。

本发明还提供了一种吸热器能流密度测量方法，包括如下内容：

步骤一、红外热像仪获取与其对应的管屏的红外热辐射图像；

步骤二、图像处理装置对图像进行拉伸校正，得到红外热像仪视野所对应的展开图像；然后将展开图像的灰度值转换为温度值，得到红外热像仪视野展开图的每个像素的温度值；

步骤三、利用图像标识点与吸热器管屏的相对位置对视野展开图的温度值进行切割，得到视野范围内管屏的初步温度信息；

步骤四、利用红外热像仪图像转换得到的温度值和图像标识块内含的温度测点的温度值对管屏展开图的初步温度信息进行补偿，得到管屏展开图的精确温度信息；

步骤五、对每一台红外热像仪所采集的图像重复步骤二至四，得到各红外热像仪所对应管屏的展开图的精确温度信息，然后将这些温度信息进行拼接，得到吸热器管屏迎光侧外壁温的整体温度分布；

步骤六、将管屏迎光侧外壁温与壁温测点测得的背光侧外壁温进行一一对应，得到管屏给定点的迎光侧和背光侧的壁温，进而计算得到吸热器能流密度。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1、本发明采用多台红外热像仪对吸热器管屏进行能流密度测量，对热成像图像进行处理拼接计算，可以快速、可靠地得到吸热器管屏的整体能流密度；

2、本发明采用红外热像仪为非接触式测量方案，吸热器管屏的高温区域无易损元件，红外热像仪位于镜场内部，设备安全，维护方便；

3、本发明的计算方法中得到的吸热器管屏的整体温度分布，可以及时发现吸热器管屏局部高温点，可以实时指导镜场中定日镜与吸热器的调度，从而避免吸热器管屏爆管，保证能流密度分布均匀，进而保障吸热器安全高效运行；

4、本发明的图像标识点可以快速高效定位管屏边界，保证图像与实际管屏的一一对应，解决了因吸热器晃动、红外热像仪视野边界重合而导致的管屏边界不能准确测量的问题；

5、本发明的图像标识点可以对红外热像仪远距离、大面积测量进行温度补偿，提高了由红外热像仪成像转换而来的温度信息的精度，从而提高了能流密度测量精度；

6、本发明采用结合吸热器迎光侧与背光侧外壁温计算吸热器能流密度的方法，提高了能流密度的测量精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为红外热像仪能流密度测量装置，图中：1-吸热塔；2-吸热器；3-红外热像仪；4-图像数据处理装置；5-上位机；

图2为图像标识块装置，图中：1-单个红外热像仪对应的管屏；2-图像标识块；3-单个红外热像仪的视野；

图3为吸热器管屏背光侧壁温测点，图中：1-吸热器管屏背光侧；2-壁温测点；

图4为吸热器晃动示意，图中：1-吸热器管屏的正常位置；2-吸热器管屏晃动右极限位置；3-吸热器管屏晃动左极限位置；4-单个红外热像仪的视野；

图5为吸热器能流密度计算流程。

具体实施方式

一种吸热器能流密度测量装置，包括若干红外热像仪、若干图像数据处理装置、若干壁温测点、若干上位机及若干图像标识块等。

如图1所示，所述红外热像仪3环绕吸热器2布置于镜场内部，用于获取对应管屏表面红外辐射热成像图像，同时获取安装于管屏上方和下方的温度标识点的红外辐射热成像图像，特别地，红外热像仪采用旋转90度的布置方式。为获得吸热器管屏的整体图像信息，需要布置多个红外热像仪。

以具体项目为例，假定吸热器额定功率等级为300mwt，吸热器管屏采用外置圆周式，采用32块分屏构成吸热器，吸热器外径15m，高度16m，吸热器中心标高200m。一种可能的布置：在距离吸热塔约200米处的环形上，等间距布置4台红外热像仪，每台红外热像仪将测量8块管屏的红外热辐射图像。考虑到红外热仪布置在塔底，其光轴将与竖直管屏间存在夹角，从而导致图像的梯形失真。因此为避免梯形失真过大，设定红外热像仪光轴与地面夹角为45度，即4台红外热像仪等距离布置在距塔约200m处，每台红外热像仪对应8块管屏，每台红外热像仪主光轴对应第4、5块管屏的中心。红外热像仪成像元件，选用16mm×12mm尺寸。

红外热像仪视野宽度13m，红外热像仪视野高度26m。

像素点要求：按照每根吸热管获取一个温度点进行设置，则水平方向需要的有效像素点数至少为372个。

红外热像仪像素规格选取：鉴于视野区域宽度尺寸大于高度尺寸，而红外热像仪像素规格均为宽度尺寸大于高度尺寸，例如1024×768、640×480像素，特别地，本发明对红外摄像头旋转90度布置，使得对视野的图像采集宽度尺寸小于高度尺寸，更能充分利用像素点，提高图像分辨率，从而提高检测精度。据上例计算结果，考虑到视野余量，因此可选择1024×768像素规格的红外热像仪。

红外热像仪视场角：红外热像仪物距为282m，宽度方向视场角近似为2.64°，高度方向视场角近似为5.28°。

按上述视场角选取某品牌红外热像仪定焦镜头，焦距为150mm，视场角为5.5°×4.1°，像素规格为1024×768，像元尺寸16mm×12mm。

实际像素分辨率计算：按红外热像仪90度旋转布置及上述结论，可计算得到：宽度方向每个像素点分辨率26.3mm，高度方向每个像素点分辨率26.5mm。宽度方向的分辨率高于每根吸热管的外径，使得对于每根吸热管至少有一个像素点。因此上述设计及选型合理。

如图1所示，所述图像数据处理装置4就近布置于红外热像仪3旁，并与红外热像仪相连，图像处理装置包括工控机或嵌入式处理平台、用于网络传输的交换机及用于保护的就地盘柜等。图像数据处理装置用于处理红外热像仪的图像数据，对图像进行校正后，将图像信息转换为温度信息，并将该温度信息上传至所述上位机5。

如图1所示，所述上位机5用于对各个图像数据处理装置上传的温度信息、壁温测点上传的温度信息及图像标识块的温度信息进行分析处理得到吸热器整体的能流密度分布。

如图3所示，所述壁温测点2安装在吸热器管屏背光侧1，用于检测管屏背面壁温。例如针对某300mwt等级的外置圆周式吸热器，其吸热器外径约为15米，高度约为16米，一种可能的布置：在吸热器管屏上成行列均匀分布800个温度测点，即约每平方米布置1个测点。

如图2所示，所述图像标识块2安装于每个红外热像仪所对应视野的吸热器管屏1的上方与下方的附近区域，所述标识块含温度测点，用于实时测量图像标识块的温度，并传递至上位机。进一步地，图像标识块可安装于吸热器紧靠管屏上下的区域，此处环境温度较高，图像标识块可利用高反光材料制作，例如反光不锈钢或反光铝材，以保证标识块的低温；同样地，图像标识块可安装于距离吸热器管屏上下一定距离低温区域处，如此时环境温度为60℃，图像标识块背部可安装加热元件，控制标识块的温度到高温，例如300℃；总之，标识块的温度能明显区分于周围的环境温度，这将使得在红外热像仪视野中能轻易提取到图像标识块。本实例中，图像标识块以这样的方式实现：标识块与吸热器管屏采用同样的材料，以使得它们具备同样的反射率，这将提高温度校正精度；标识块设置4个，分别安装于距管屏边沿垂直距离4m处。上方两标识块及下方两标识块的水平间距为8m，该区域为低温区域；标识块背部设置加热元件，例如加热夹套，加热温度设置为300℃，较大的温度差使得标识块轻易在图像上被提取；标识块选用220mm×220mm尺寸，根据前述计算，每个标识块将占用约8×8个像素点。

由于标识块的位置与吸热器管屏位置固定且已知，如果吸热器受到风等影响而低幅晃动，可以利用标识块与管屏的位置关系来提取管屏尺寸边界，排除吸热器晃动的影响。如图4所示，同时由于标识块的温度已知，可以用来校正红外热像仪远距离测量时的精度。一种可能的标识块布置形式如图2所示：对于每一个红外热像仪的视野所对应的管屏，在管屏上方及下方布置2个220mm×220mm的方形块。

如图5所示，本发明还提出一种吸热器能流密度测量方法，详细说明如下：

1、获取图像

由布置于吸热器周围的红外热像仪获取与其对应的管屏的红外热辐射图像；需要注意的是，由于红外热像仪在宽度方向上的视野余量，使得对于相邻布置的红外热像仪的成像将会有难以以图像特征识别的方式区分的交叉重合的部分。

2、图像校正

由于红外热像仪与管屏间存在角度，因此将导致图像畸变，在图像数据处理装置中进行图像校正。

红外热像仪的安装与管屏在竖直方向成45°夹角，将使得图像产生梯形失真，首先对图像进行梯形失真校正。

同时红外热像仪的图像获取为平面图像，而吸热器管屏为圆柱形，因此再对图像进行拉伸校正，得到红外热像仪视野所对应的展开图像。在本实例中，对于每个红外热像仪，将检测8块管屏，红外热像仪光轴正对于第4和第5块中间位置，由于图像采集为圆柱形管屏在平面上投影图，对于每块管屏将与该平面存在一定的夹角，容易算出，第1块与第8块均与该平面成约39.4°的夹角，在该角度下，单根吸热管外径投影至平面的宽度为27mm，大于前述计算结果宽度方向，每个像素点实际分辨率为26.3mm，因此，再次保证对于每根吸热管至少有一个像素点。

3、图像转换为温度

在图像处理装置中，将步骤2所得的图像根据灰度值处理为对应的温度值，得到红外热像仪视野展开图的每个像素的温度值。接下来步骤的计算将在上位机中完成。

4、温度切割

由图像标识点与吸热器管屏相对位置对步骤3得到的视野展开图的温度值进行切割，得到视野范围内管屏的初步温度信息。具体如下：

首先对步骤3得到的温度值进行搜索，获取低温区域的高温图像标识块，图像标识块为8×8个像素点，对多个像素点求解中心，得到标识块的中心位置，再利用标识块与管屏固定的位置关系获取管屏边界。如图2所示，在本实例中，标识块水平向外1300mm处即为管屏水平边沿，上标识块下4m和上标识块4m处即为管屏高度边沿，即得到管屏边界。利用管屏边界，逐一确定每根吸热管与步骤3中温度值的一一对应关系；同时利用图像边界去掉步骤1中相邻红外热像仪的重合部分。据此得到与实际吸热器单管物理位置逐点对应的管屏整体展开图温度信息。

同时，由于吸热器安装于高塔，存在低频晃动的情况，如图4所示，位置1为吸热器正常位置，位置2与3为吸热器晃动后的极限位置，需要注意的是，上述3个位置均在在红外热像仪视野4范围内。在晃动时，由于图像标识点与管屏的位置是固定且已知的，因此可以利用该固定的尺寸边界对晃动时获取的温度信息进行提取，进而得到在吸热器晃动下的管屏展开图的初步温度信息。

5、温度校正

在步骤3中，搜索得到由红外热像仪图像转换而来的图像标识块的温度值，同时上位机得到来自图像标识块温度测点的温度值反馈，理论上，若红外热像仪测量完全准确，上述两个温度值应完全相等。实际上，由于红外热像仪与被测管屏距离较远，加之大气穿透率、光学穿透率、环境温度、空气湿度等诸多外界条件影响，由红外热像仪直接转换而来的温度信息存在误差。因此，本发明提出，利用图像标识块的真实温度对吸热器管屏的温度进行补偿，即对步骤4得到的管屏展开图的初步温度信息进行补偿，得到管屏展开图精准温度信息。

6、多管屏温度拼接

对于布置在吸热器周围的4台红外热像仪所采集的图像，分别重复上述步骤2-5，得到在同一时刻的红外热像仪所对应管屏的展开图精确温度信息，即4张管屏展开图的温度信息；将这些温度信息按照红外热像仪的布置次序逐一拼接，得到吸热器管屏迎光侧的整体温度分布。

由于该温度分布与实际单根吸热管一一对应，且为实时快速测量，可以即时发现吸热器管屏局部高温点，可以实时指导镜场中定日镜与吸热器的调度，从而避免吸热器管屏爆管，保证能流密度分布均匀，进而保障吸热器安全高效运行。

7、吸热器能流密度计算

由壁温测点测得的吸热器背光侧外壁温与步骤6得到的迎光侧外壁温，结合传热理论计算得到吸热器能流密度。具体如下：

1)提取壁温测点位置所在的吸热管迎光侧温度

由于迎光侧温度点远多于壁温测点，因此首先根据壁温测点的安装位置信息，提取壁温测点的位置处的迎光侧壁温。

2)利用背光侧与迎光侧壁温计算能流密度

取一竖直方向两个壁温测点之间的管子做为研究对象，其长度取l；

该管段入口的背光侧吸热管壁温tb1，迎光侧吸热器外壁温tw1；

该管段出口的背光侧吸热管壁温tb2，迎光侧吸热器外壁温tw2；

tb1、tb2、tw1、tw2即上述计算获取得到的l段吸热器单管两端的背光侧与迎光侧温度；

条件：背光侧外壁温近似等于管内工质温度；

取该管段工质入口温度为tf1，出口温度为tf2，可计算得到平均温度为tf；

由迎光侧出入口的外壁温可计算得到该管段迎光侧外壁平均温度为tw，

迎光侧内壁平均温度为tn；

取该管段管内工质与迎光侧内壁温差△t，即△t＝tn-tf；

由传热理论可得：

hfa△t＝qmcp(tf2-tf1)公式1

由上述计算得到△t

其中：

hf：内壁传热系数；

a：管段内壁面积；

qm：工质流量；

cp：工质定压比热；

进而计算得到tn，

该段内管子所受热流近似均匀，则吸热器单管能流密度q：

其中：

q：吸热单管受光侧热流密度；

λ：吸热单管导热系数；

rw/rn：吸热单管外/内半径。

由公式2，计算得到吸热器单管能流密度q，根据管子与壁温测点数量可得到吸热器管屏整体热流密度q。