便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置和诊断方法与流程

本发明涉及锅炉检测技术领域，特别涉及一种便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置和一种锅炉燃烧诊断方法。

背景技术：

炉膛内的燃烧状态是影响电站锅炉运行效率的关键因素之一，因此准确诊断炉内燃烧状态具有重要意义。目前运行的电站锅炉通常采用在炉内布置的热电偶进行测温，通过热电偶采集的温度信息来判断炉内的燃烧状态。当炉内出现火焰偏斜、温度分布不均、炉内高温区上下偏移等问题时，由于炉内布置的热电偶数量的有限，采集的温度信息量太少，将难以准确反映出炉内的燃烧状态。

基于可见光图像的三维温度场技术能够在线测量炉内的温度场分布，采用此技术能够对上述燃烧状态做出一定的判断。但三维温度场技术需要在锅炉炉膛上布置相当数量的光学探头，这一方面硬件成本上升，另一方面光学探头数量增多后系统出现故障的概率也将增大；此外，三维温度场技术在温度场重建过程中仅利用ccd相机在2个波长或3个波长下的可见光图像，利用的有效信息量相对较少，这将影响到三维温度场重建的准确性。

利用声波法或激光吸收光谱法也可重建得到炉内温度场分布，但此两种方法在技术上都具有一定的弊端。声波法需要在炉膛上安装一定数量的发射器和接收器，这增加了施工难度和硬件成本，并且现场震动等因素会影响到系统运行的稳定性。激光吸收光谱法的成本较高，并且对现场操作的要求也相对较高，不便于电厂现场工作人员的使用。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置和诊断方法，装置构造简单，成本低，稳定性高，并且便于操作，通过该装置和诊断方法能够实现锅炉燃烧诊断，能够较为准确地反映出锅炉内的燃烧状态。

本发明提出的一种便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置，包括壳体、设置在所述壳体之内的光谱采集模块和图像采集模块，所述壳体包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的第一端设置有多孔板出风口，所述第一腔体的第二端设置有冷却风入口和冷却风出口，其中，所述光谱采集模块包括：沿所述第一腔体的第一端和第二端贯穿所述第一腔体的光纤；与所述光纤的第一端相连的准直透镜；与所述光纤的第二端相连，且设置在所述第二腔体内的光谱仪，所述光谱仪具有用于传输光谱数据和供电的第一接口，所述图像采集模块包括：沿所述第一腔体的第一端和第二端贯穿所述第一腔体的镜杆；设置在所述镜杆的第一端的镜头；在所述镜杆内沿镜杆的第一端至第二端间隔设置的多个光学透镜和一个双带通滤光片；与所述镜杆的第二端相连，且设置在所述第二腔体内的ccd相机，所述ccd相机具有用于传输图像数据的第二接口；设置在所述第二腔体内的电源，所述电源通过相机电源开关连接到所述ccd相机。

所述的便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置，还包括在所述第一腔体内沿所述第一腔体的第一端和第二端设置的多个多孔支撑架，所述多孔支撑架用以支撑所述光纤和所述镜杆。

所述的便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置，还包括套设在所述第一腔体之外的阻火板。

所述的便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置，还包括设置在所述第一腔体之外且位于所述第一腔体的第二端的手持把手。

所述第一接口为usb接口，所述第二接口为网络接口。

本发明提出的基于上述锅炉燃烧诊断装置进行的锅炉燃烧诊断方法，包括以下步骤：以所述第一腔体的第一端将所述锅炉燃烧诊断装置插入所述锅炉的观火孔；以预设频率分别通过所述第一接口采集所述光谱数据和通过所述第二接口采集所述图像数据；通过光谱分析得到可见光波段内的光谱发射率；基于采集的所述图像数据和光谱分析得到的光谱发射率计算二维温度场分布；根据多个观火孔的二维温度场分布判断所述锅炉内的燃烧状态。

本发明的装置构造简单，成本低，稳定性高，并且便于操作，通过该装置和诊断方法能够实现锅炉燃烧诊断，能够较为准确地反映出锅炉内的燃烧状态。

附图说明

图1为本发明一个实施例的便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的准直透镜光线入射示意图；

图3为本发明一个实施例的双带通滤光片及ccd相机的光谱响应特性曲线图；

图4为本发明一个实施例的锅炉燃烧诊断系统的结构示意图；

图5为本发明一个实施例的锅炉燃烧诊断方法的流程图。

附图标记：

1-壳体；2-多孔板出风口；3-冷却风入口；4-冷却风出口；5-光纤；6-准直透镜；7-光谱仪；8-第一接口；9-镜杆；10-镜头；11-光学透镜；12-双带通滤光片；13-ccd相机；14-第二接口；15-电源；16-相机电源开关；17-多孔支撑架；18-阻火板；19-手持把手。

100-锅炉燃烧诊断装置；200-便携式空气压缩机；300-计算机。

01-炉膛；02-炉墙；03-观火孔。

001-导气管；002-usb数据线；003-千兆网线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置和诊断方法。

如图1所示，本发明实施例的便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置，包括：壳体1、设置在壳体1之内的光谱采集模块和图像采集模块，壳体1包括第一腔体和第二腔体，第一腔体的第一端设置有多孔板出风口2，第一腔体的第二端设置有冷却风入口3和冷却风出口4。其中，如图1所示，光谱采集模块包括：沿第一腔体的第一端和第二端贯穿第一腔体的光纤5；与光纤5的第一端相连的准直透镜6；与光纤5的第二端相连，且设置在第二腔体内的光谱仪7，光谱仪7具有用于传输光谱数据和供电的第一接口8。图像采集模块包括：沿第一腔体的第一端和第二端贯穿第一腔体的镜杆9；设置在镜杆9的第一端的镜头10；在镜杆9内沿镜杆9的第一端至第二端间隔设置的多个光学透镜11和一个双带通滤光片12；与镜杆9的第二端相连，且设置在第二腔体内的ccd相机13，ccd相机13具有用于传输图像数据的第二接口14；设置在第二腔体内的电源15，电源15通过相机电源开关16连接到ccd相机13。

进一步地，如图1所示，便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置还可包括在第一腔体内沿第一腔体的第一端和第二端设置的多个多孔支撑架17，多孔支撑架17用以支撑光纤5和镜杆9。如图1所示，便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置还可包括套设在第一腔体之外的阻火板18，以及设置在第一腔体之外且位于第一腔体的第二端的手持把手19。

在本发明的一个具体实施例中，第一接口8可为usb接口，第二接口14可为网络接口，例如千兆网接口，usb接口和千兆网接口均可连接到计算机。

在本发明的一个具体实施例中，为适应装置的整体结构和使用环境，光纤5为铠甲光纤，镜头10为针孔镜头，电源15为锂电池。

基于上述便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置的结构，通入锅炉内的压缩空气可通过冷却风入口3进入该装置，此后，冷却风分成两路；一路通过冷却风出口4流出，另一路通过多孔板出风口2流出。通过多孔板出风口2可起到冷却镜头10和准直透镜6的作用。准直透镜6仅允许正对其前方的平行光进入，光线入射图如图2所示。锅炉炉膛内煤粉燃烧火焰的辐射光进入到准直透镜6后沿着光纤5进入到200-1100nm的光谱仪7中。进入镜头10的辐射光经过多个光学透镜11构成的透镜组后入射到双带通滤光片12，双带通滤光片12的中心波长分别为517nm和615nm，并且半带宽均为10nm，透过率均超过90％，双带通滤光片12及ccd相机13的光谱响应特性如3所示。其中ccd相机13的r谱带中心波长为600nm，g谱带的中心波长为540nm。多孔支撑架17的多孔结构也可以通过冷却风。光谱仪7通过第一接口8，如usb接口与计算机相连，usb数据线可同时起到供电和数据传输控制的作用。ccd相机13通过内置的锂电池进行供电，通过ccd相机13对应的相机电源开关16可控制电源开启或闭合。第二接口14，如千兆网接口可用于连接ccd相机13和计算机，ccd相机13的控制指令和数据的传送均通过千兆网线进行。

通过将上述便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置连接到进行锅炉燃烧诊断的系统，可实现锅炉燃烧诊断方法。

如图4所示，锅炉炉膛可包括位于前后左右墙的多个观火孔，上述便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置100可与便携式空气压缩机200、计算机300构成锅炉燃烧诊断系统。

在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，可以以第一腔体的第一端将锅炉燃烧诊断装置100插入锅炉炉膛01的炉墙02上的一个观火孔03，便携式空气压缩机200导气管001连接到锅炉燃烧诊断装置100的冷却风入口，以便向锅炉燃烧诊断装置100通入压缩空气。锅炉燃烧诊断装置100的usb接口通过usb数据线002连接到计算机300，千兆网接口通过千兆网线003连接到计算机300。

如图5所示，基于上述锅炉燃烧诊断装置进行的锅炉燃烧诊断方法可包括以下步骤：

s1，以第一腔体的第一端将锅炉燃烧诊断装置插入锅炉的观火孔。

参照图4，可以以第一腔体的第一端将锅炉燃烧诊断装置插入前墙的6#观火孔，阻火板可防止观火孔中喷出的高温气体或煤灰灼伤操作人员。

s2，以预设频率分别通过第一接口采集光谱数据和通过第二接口采集图像数据。

在开启便携式空气压缩机、相机电源开关及计算机后，整个系统开启运行。然后，可通过计算机上的安装的软件界面程序控制光谱仪和ccd相机，分别开始采集火焰辐射光谱数据和辐射图像数据，采样频率均可设定为1hz。采样过程中可调整合适的积分时间，以便保证光谱仪采集到的光谱数据和ccd相机采集到的图像数据均非饱和，并且具有高的信噪比。光谱及图像数据采集完成后，计算机上的内置程序可通过步骤s3至步骤s5的算法进行数据处理。

s3，通过光谱分析得到可见光波段内的光谱发射率。

光谱仪测得的光谱辐射强度可用式(1)进行表示：

i(λ)＝ε(λ)·ib(λ)(1)

其中，i(λ)为光谱辐射强度，ε(λ)为光谱发射率，ib(λ)为黑体辐射强度。

根据普朗克定律，黑体辐射强度ib(λ)可表示为：

其中，c1和c2分别为第一辐射常量和第二辐射常量，ts为一维温度值。

则式(1)可变为：

假设煤粉火焰的光谱发射率模型如下：

lnε(λ)＝k0+k1λ+k2λ²+k3λ³+k4λ⁴(4)

则式(3)可变为：

式(5)中共有5个未知量：k0、k1、k2、k3、k4和ts，而光谱仪4输出的光谱为连续光谱，λ的数量大于5个，因此可通过牛顿迭代算法对式(5)进行数学求解，计算得到的k0、k1、k2、k3和k4代入式(4)中可得到煤粉火焰的光谱发射率分布。

s4，基于采集的图像数据和光谱分析得到的光谱发射率计算二维温度场分布。

根据双色法测温原理，温度分布可通过式(6)进行计算：

其中，λ517和λ615分别为517nm和615nm波长下的辐射强度值，可通过对ccd相机的rg通道黑体标定后获取，和分别为煤粉火焰在517nm和615nm波长下光谱发射率，可通过式(4)计算得到。至此，可通过式(6)计算得到正对检测装置视场角内的二维温度场分布。

s5，根据多个观火孔的二维温度场分布判断锅炉内的燃烧状态。

在此基础上，可通过检测多个观火孔的二维温度场分布，以便判断具体实施例中的四角切圆型炉膛内的高温燃烧中心是否偏斜。其中，对于判断高温区是否左右偏斜，可在通过检测炉膛左右墙的观火孔进行，以图4为例，若通过观测孔10#测得的二维温度场的均值大于正对方向的4#测得均值，则此正对区域的高温区偏向右墙，反之亦然。对于判断高温区是否前后偏斜，可在通过检测炉膛前后墙的观火孔进行，以图4为例，若通过观测孔1#测得的二维温度场的均值大于正对方向上的8#测得均值，则此正对区域的高温区偏向后墙，反之亦然。

并且，还可诊断炉膛高度方向上的高温区，具体可选定炉膛某一高度断面上前与后、左与右对称的观火孔，测得多个观火孔正对方向上的二维温度场分布，所选定的观火孔总数目大于等于12个。在此基础上，计算测得所有二维温度场的均值，此均值作为炉膛该高度上的温度代表值。以同样的方法，可测量炉膛不同高度上的温度代表值，具体以炉膛高度为横坐标，不同高度上的温度代表值为纵坐标绘图，可得到沿炉膛高度方向的温度分布，便可判断得到炉膛高度方向上的高温区。

根据本发明实施例的便携式耦合光谱及图像的锅炉燃烧诊断装置和诊断方法，装置构造简单，成本低，稳定性高，并且便于操作，通过该装置和诊断方法能够实现锅炉燃烧诊断，能够较为准确地反映出锅炉内的燃烧状态。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。