基于落渣圖像的煤粉鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)測試驗(yàn)研究

林國輝，朱 靜，姜國強(qiáng)，錢芳樹，陳曉瑋，周永剛，黃群星

（1.浙江巨化熱電有限公司，浙江 衢州 324000；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）

0 引言

燃煤鍋爐在運(yùn)行過程中，容易出現(xiàn)受熱面結(jié)渣的情況，結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)，積聚形成的大渣塊掉落會(huì)造成安全事故［1］，及時(shí)投用吹灰器吹灰是避免爐內(nèi)結(jié)渣惡化的有效措施［2-3］。發(fā)展煤粉鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，準(zhǔn)確獲取爐內(nèi)結(jié)渣位置、結(jié)渣程度等信息，對吹灰器的高效投用、燃燒優(yōu)化以及保障鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義［4-6］。

現(xiàn)有的結(jié)渣監(jiān)測技術(shù)可以分為爐內(nèi)整體結(jié)渣狀況監(jiān)測和局部區(qū)域結(jié)渣監(jiān)測。整體結(jié)渣監(jiān)測主要是通過爐膛出口煙溫變化或鍋爐整體熱平衡和傳熱計(jì)算等參數(shù)對爐內(nèi)整體結(jié)渣情況進(jìn)行診斷［7-9］。鄧喆等［10］通過聲學(xué)測溫裝置實(shí)時(shí)測量爐膛出口煙溫，并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種在線監(jiān)測爐膛整體結(jié)渣的監(jiān)測方法。周永剛等［11］利用彩色相機(jī)監(jiān)測爐膛出口溫度，根據(jù)吹灰后的溫升速率來監(jiān)測爐內(nèi)結(jié)渣情況。閻維平等［12］采用熱平衡計(jì)算原理，開發(fā)了積灰結(jié)渣在線監(jiān)測系統(tǒng)。劉經(jīng)華等［13］利用鍋爐尾部對流受熱面測點(diǎn)處煙氣的溫度和壓力準(zhǔn)確計(jì)算受熱面的積灰厚度，實(shí)現(xiàn)了受熱面積灰厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。局部區(qū)域結(jié)渣監(jiān)測是基于聲學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)［14］等手段對爐內(nèi)受熱面局部的結(jié)渣進(jìn)行定位。童通通［15］基于到達(dá)時(shí)間差比值的網(wǎng)格定位法，利用落渣掉落產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)落渣的定位。Afonso 等［16］在爐膛不同方位布置紅外成像儀來測量水冷壁的發(fā)射率，根據(jù)發(fā)射率的大小指導(dǎo)吹灰器的投用。高繼錄等［17］設(shè)計(jì)了超細(xì)高溫?zé)崃饔?jì)，實(shí)現(xiàn)了受熱面熱流密度的準(zhǔn)確測量，并基于該熱流計(jì)開發(fā)了水冷壁結(jié)渣實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。張劍等［18］利用熱電偶測溫技術(shù)監(jiān)測水冷壁的溫度變化，建立了爐膛局部結(jié)渣監(jiān)測模型。Zhou等［19-20］提出在爐底撈渣機(jī)布置溫度矩陣測點(diǎn)，結(jié)合吹灰器的運(yùn)行來反演落渣大小和位置。

準(zhǔn)確掌握爐內(nèi)結(jié)渣的位置及結(jié)渣程度，對于指導(dǎo)爐內(nèi)吹灰器的高效投用至關(guān)重要，而整體結(jié)渣監(jiān)測技術(shù)只能獲得結(jié)渣趨勢，較難得到具體結(jié)渣的位置?，F(xiàn)有的基于聲學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)等手段的局部區(qū)域結(jié)渣監(jiān)測由于爐內(nèi)高溫、高飛灰的環(huán)境，較難實(shí)現(xiàn)長時(shí)間監(jiān)測。本文根據(jù)爐內(nèi)落渣圖像，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)在顆粒粒徑、速度等參數(shù)測量方面的應(yīng)用［21-23］，提出基于落渣圖像的煤粉鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)測方法，結(jié)合壓縮空氣冷卻相機(jī)鏡頭并利用氣簾防止鏡頭玷污的技術(shù)，通過對記錄落渣圖像進(jìn)行處理，確定渣塊大小、落渣位置和亮度等參數(shù)，獲得不同負(fù)荷吹灰器投用下爐內(nèi)落渣的分布特征，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)落渣的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 監(jiān)測方法

1.1 落渣大小和位置測量

通過相機(jī)記錄渣塊的圖像，并利用圖像處理技術(shù)獲得落渣的大小和位置等信息是實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)測的方法之一。為得到落渣的高度參數(shù)，提出了延長曝光時(shí)間記錄落渣軌跡的方法，如圖1所示。根據(jù)軌跡的寬度和長度計(jì)算落渣的大小和速度，進(jìn)而反演落渣的高度，計(jì)算過程如下。

圖1 渣塊軌跡圖像

1）根據(jù)相機(jī)的成像倍率x得到渣塊的直徑d：

式中：W為渣塊軌跡的寬度。

2）渣塊掉落的速度V可表示為：

式中：L為渣塊軌跡長度；t為相機(jī)的曝光時(shí)間。

3）渣塊在重力作用下從受熱面上脫落，而受熱面附近煙氣流速小，因此假設(shè)渣塊做初速度為零的自由落體運(yùn)動(dòng)，則渣塊的高度H為：

式中：k為考慮爐內(nèi)高溫、高灰環(huán)境的修正系數(shù)，根據(jù)爐內(nèi)標(biāo)定結(jié)果取0.99；g為重力加速度。

1.2 渣塊軌跡識(shí)別

長時(shí)間記錄爐內(nèi)落渣圖像發(fā)現(xiàn)，由于鍋爐負(fù)荷變化以及爐內(nèi)燃燒波動(dòng)，導(dǎo)致圖像背景火焰閃爍，渣塊軌跡圖像與背景區(qū)別不明顯，如圖2（a）所示?，F(xiàn)有的全局閾值、自適應(yīng)閾值或顆粒模板提取顆粒軌跡方法較難準(zhǔn)確識(shí)別渣塊。通過分析前后兩幀中渣塊的圖像發(fā)現(xiàn)，相鄰兩幀圖像背景變化很小，渣塊在兩幀圖像中的位置明顯不同。因此，利用前后兩幀圖像的差異對相鄰圖像做差處理，進(jìn)一步對做差圖像進(jìn)行二值化處理后，可以較準(zhǔn)確地判斷圖像內(nèi)是否有渣塊，從而提取渣塊軌跡，如圖2（b）所示，由此計(jì)算渣塊的位置和亮度。

圖2 渣塊軌跡圖像及提取

2 影響渣塊軌跡識(shí)別的因素分析

2.1 落渣冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為了分析曝光時(shí)間，渣塊數(shù)量、形狀及渣塊與鏡頭距離等因素對渣塊軌跡識(shí)別的影響，搭建了爐內(nèi)落渣冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，尺寸參數(shù)如圖3 所示，爐膛截面為1.84 m×1.84 m，冷灰斗傾角分別為31.4°和31.6°。相機(jī)布置在前、后墻的中間，距離側(cè)墻0.92 m，高度2.2 m，相機(jī)的焦平面基本在冷灰斗斜面上。落渣高度在冷灰斗折角上方約1.5 m處，人工控制落渣的位置、數(shù)量等參數(shù)。相機(jī)選用大恒MER-132-30GC工業(yè)相機(jī)，分辨率為1 292×964，像素尺寸3.75 μm，相機(jī)快門時(shí)間20 μs～1 s，最大幀率30 fps。通過已知尺寸的標(biāo)定板對視場大小進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)際視場大小為1.30 m×0.98 m。實(shí)驗(yàn)渣塊的尺寸為橫截面40 mm×40 mm，長40 mm、50 mm、60 mm不等。

圖3 爐內(nèi)落渣冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

2.2 影響因素分析

不同曝光時(shí)間下渣塊的軌跡如圖4所示，曝光時(shí)間越長，渣塊的運(yùn)動(dòng)軌跡越長。實(shí)際測量過程中，視場內(nèi)會(huì)同時(shí)存在多個(gè)渣塊，如果曝光時(shí)間太長，勢必會(huì)有多個(gè)渣塊的軌跡發(fā)生重疊、交叉，這會(huì)給渣塊軌跡的識(shí)別及速度的準(zhǔn)確計(jì)算帶來很大難度。因?yàn)楫?dāng)渣塊軌跡重疊時(shí)，一般會(huì)將交叉的渣塊識(shí)別為同一個(gè)，軌跡的長寬比將發(fā)生變化。如果相機(jī)的曝光時(shí)間太短，渣塊的運(yùn)動(dòng)軌跡很短，則會(huì)引起較大的速度計(jì)算誤差。一般采用顆粒軌跡計(jì)算速度時(shí)，軌跡的長寬比L/W應(yīng)該在3～8。假設(shè)L/W為5，不同大小渣塊曝光時(shí)間隨下落高度的變化如圖5所示，隨著落渣高度的增加，最優(yōu)曝光時(shí)間呈指數(shù)率減少，渣塊越大，所需要的曝光時(shí)間越長?？紤]到實(shí)際落渣的位置主要在燃燒器上方附近（高度30～40 m），在落大渣前會(huì)有征兆地掉落小渣，故曝光時(shí)間應(yīng)設(shè)置在約20 ms。

圖4 不同曝光時(shí)間下渣塊的軌跡圖像

圖5 最優(yōu)曝光時(shí)間設(shè)置隨落渣高度的變化

實(shí)際燃煤鍋爐爐內(nèi)落渣的形狀是不規(guī)則的，而渣塊的形狀對渣塊下落速度的計(jì)算有較大影響，從而影響落渣高度的定位。長方體形渣塊橫著落下的軌跡如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)其橫著落下時(shí)，渣塊豎直方向的軌跡長度L會(huì)小于軌跡的寬度W，這就會(huì)引起計(jì)算錯(cuò)誤。同理，當(dāng)其豎著落下時(shí)，軌跡長度L大于實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的長度，從而引起高度的計(jì)算誤差。在L＜W時(shí)，可以引入新的判據(jù)去掉該數(shù)據(jù)，但第二種情況很難判斷渣塊是從高處落下還是長方體形渣塊豎著落下。為了避免不規(guī)則形狀渣塊高度的測量偏差引起結(jié)渣位置誤判，采用長時(shí)間記錄渣塊軌跡的方法，利用大量渣塊的軌跡數(shù)據(jù)來統(tǒng)計(jì)分析結(jié)渣位置。

圖6 長方體形渣塊軌跡圖像

通過兩個(gè)相機(jī)分別記錄冷灰斗處的渣塊軌跡，渣塊不可避免地會(huì)在鏡頭處留下運(yùn)動(dòng)軌跡。在渣塊距離鏡頭較近時(shí)，其圖像亮度明顯高于背景，而對應(yīng)冷灰斗處的渣塊軌跡亮度明顯降低，利用亮度閾值可以減少渣塊軌跡的重復(fù)統(tǒng)計(jì)和誤判。

對于爐內(nèi)復(fù)雜的測試環(huán)境，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)分析，提出利用渣塊軌跡的長寬比、亮度特征及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法來提高結(jié)渣監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

3 爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)測試驗(yàn)及分析

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)系統(tǒng)布置

為了獲得實(shí)際爐內(nèi)的落渣圖像，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)結(jié)渣的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在某發(fā)電廠超超臨界660 MW 機(jī)組鍋爐冷灰斗處安裝4 臺(tái)相機(jī)，位置如圖7（a）所示，爐膛橫截面長19.6 m，寬16.9 m，相機(jī)布置在爐底冷灰斗折角上方0.9 m，距離側(cè)墻3.6 m，前、后墻各布置兩臺(tái)。落渣圖像記錄系統(tǒng)布置如圖7（b）和7（c）所示，主要由保護(hù)氣源、測槍、控制柜和測槍進(jìn)出執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。為了減少爐內(nèi)對設(shè)備的輻射熱，采用1 mm針孔鏡頭，大大縮小了輻射面積。對鏡頭的保護(hù)采用雙層防護(hù)罩，由兩路氣體對鏡頭進(jìn)行冷卻，并將冷卻氣從防護(hù)罩前端吹出，可以壓住爐內(nèi)火焰，擋住灰塵。測槍進(jìn)出執(zhí)行機(jī)構(gòu)以帶自鎖電機(jī)作為動(dòng)力，采用高精密金屬導(dǎo)軌傳動(dòng)，使設(shè)備伸進(jìn)和退出平穩(wěn)可靠，減少了測槍運(yùn)動(dòng)周期（5 s 內(nèi)）。測槍控制系統(tǒng)采用PLC 可編程控制，提高了系統(tǒng)的可操作性和可靠性。為了進(jìn)一步保護(hù)鏡頭，在測槍頭部布置熱電偶，保護(hù)氣源管路上安裝壓力表以監(jiān)測鏡頭的溫度和氣源壓力，當(dāng)鏡頭溫度超過設(shè)定值（55 ℃）或氣源壓力低于規(guī)定值（0.1 MPa）時(shí)，測槍自動(dòng)退出，同時(shí)調(diào)小氣源流量。

圖7 相機(jī)在爐底冷灰斗的布置位置

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

連續(xù)記錄爐內(nèi)落渣圖像，利用圖像相減的方法判斷視場內(nèi)是否有渣塊。對有渣塊圖像中的渣塊特征進(jìn)行識(shí)別，獲得落渣的位置，進(jìn)一步計(jì)算落渣軌跡長度，得到落渣的高度信息。對所得信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析得出高負(fù)荷、低負(fù)荷、降負(fù)荷及吹灰時(shí)爐內(nèi)的落渣規(guī)律。

3.2.1 爐內(nèi)落渣量的變化

試驗(yàn)期間落渣直徑d隨時(shí)間及鍋爐負(fù)荷、撈渣機(jī)出力的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示，渣塊直徑大部分在30 mm 左右，個(gè)別較大渣塊直徑有70 mm。在吹灰器投用、高負(fù)荷及降負(fù)荷過程中爐內(nèi)的落渣量都較大，而且落渣大小比低負(fù)荷時(shí)間段內(nèi)的大。吹灰器投用在16：40 左右，隨后在17：00—18：00落渣量明顯增多，說明吹灰器的投用使?fàn)t壁上的渣塊脫落，而撈渣機(jī)的油壓延遲15 min 才上升。對比隨后落渣量的增加和油壓上升，都有一定的延遲時(shí)間，推測是因?yàn)樵鼔K落到冷渣池，在冷渣池中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力較小，在撈渣過程中渣量的增加才會(huì)引起較明顯的油壓上升，渣塊在渣池中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間造成油壓上升時(shí)間延遲。整體而言，根據(jù)落渣圖像判斷的落渣量增加與爐底撈渣機(jī)油壓的上升趨勢是一致的，驗(yàn)證了監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行過程中落渣量明顯高于低負(fù)荷，在降負(fù)荷過程中落渣量有明顯躍升的現(xiàn)象，后墻右和前墻的落渣直徑明顯增加，前墻右增幅最大，降負(fù)荷造成的高頻率落渣持續(xù)12 min?？梢?，鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，入爐煤量大，爐內(nèi)溫度高，爐內(nèi)易結(jié)渣，落渣量大；在降負(fù)荷的過程中，爐內(nèi)空氣擾動(dòng)加上爐內(nèi)溫度水平降低，引起渣塊掉落。

圖8 爐內(nèi)落渣大小隨時(shí)間變化

多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相機(jī)記錄到的基本都是小渣塊，渣塊的密度取2.3×103kg/m3，則落渣的質(zhì)量范圍為9.6～260 g，未監(jiān)測到質(zhì)量大的渣塊掉落。也未觀測到大的渣塊。鍋爐燃用煤種為發(fā)電廠摻配的不易結(jié)渣煤，同時(shí)鍋爐每日的負(fù)荷波動(dòng)大（中午和夜間低負(fù)荷運(yùn)行），使得爐內(nèi)很難發(fā)生嚴(yán)重結(jié)渣從而掉落大渣塊，這與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果一致。

3.2.2 爐內(nèi)落渣位置分布

根據(jù)落渣的軌跡長度和曝光時(shí)間計(jì)算落渣高度。爐內(nèi)落渣高度隨時(shí)間及鍋爐負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系如圖9所示，結(jié)果表明大部分的落渣分布在燃燒器和燃盡風(fēng)區(qū)域，即鍋爐20～45 m 高度的位置，45 m 以上落渣量較少。在爐內(nèi)吹灰及降負(fù)荷的過程中，45 m 以上高度的落渣量明顯增加，且前墻右增幅最明顯。低負(fù)荷運(yùn)行落渣的數(shù)量明顯減少，大部分是燃燒器區(qū)域的落渣。不同試驗(yàn)工況下爐內(nèi)各位置落渣頻率的統(tǒng)計(jì)值如圖10 所示，前墻右的落渣頻率最高，其次是后墻左，高負(fù)荷下的落渣頻率約為低負(fù)荷的5 倍。低負(fù)荷運(yùn)行4.5 h 后吹灰，前墻右的落渣頻率增加為原來的2.7倍，對應(yīng)爐膛燃盡風(fēng)高度吹灰器投用，可以說明前墻右燃盡風(fēng)附近局部區(qū)域結(jié)渣。

圖9 爐內(nèi)落渣位置隨時(shí)間變化

圖10 爐內(nèi)不同位置的落渣頻率

爐內(nèi)不同位置的落渣平均高度如圖11 所示。由圖11可見落渣的平均高度在30 m左右，燃燒器區(qū)域的落渣占比較大。高負(fù)荷吹灰時(shí)落渣的平均高度略高于高負(fù)荷時(shí)吹灰器在燃盡風(fēng)區(qū)域）。降負(fù)荷時(shí)落渣的平均高度增大，前墻的增幅大于后墻，平均高度從30 m增加到38 m，其中前墻右增幅大于前墻左，說明降負(fù)荷的過程中燃燒器上方的落渣量增加，增幅越大則該區(qū)域的結(jié)渣就越多。低負(fù)荷和低負(fù)荷吹灰時(shí)落渣平均高度變化不大，說明低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)燃盡風(fēng)區(qū)域結(jié)渣不明顯，這與低負(fù)荷時(shí)未投用上層燃燒器有關(guān)。

圖11 爐內(nèi)不同位置的落渣平均高度

進(jìn)一步分析降負(fù)荷期間各位置落渣高度的分布及大小，如圖12 所示，整體上燃燒器區(qū)域主要為小塊渣（d≤40 mm），而燃盡風(fēng)區(qū)域分布了一些較大的渣塊（大小在50～70 mm），高于45 m 以上區(qū)域落渣量明顯降低，落渣直徑也有減小。燃燒器和燃盡風(fēng)區(qū)域因爐膛熱負(fù)荷高，一般屬于易結(jié)渣的區(qū)域，未發(fā)生嚴(yán)重結(jié)渣時(shí)，在煙氣擾動(dòng)的作用下結(jié)渣易脫落，故爐內(nèi)落渣圖像監(jiān)測系統(tǒng)在該區(qū)域監(jiān)測到較多的小渣塊掉落。

圖12 降負(fù)荷期間爐內(nèi)不同位置的落渣高度分布

3.2.3 落渣圖像的亮度特征

在相機(jī)記錄參數(shù)不變時(shí)，渣塊的亮度可間接反映渣塊的溫度。將提取的渣塊軌跡彩色圖像轉(zhuǎn)為灰度圖，并進(jìn)行歸一化，統(tǒng)計(jì)3 446 個(gè)落渣圖像，爐內(nèi)落渣亮度和高度關(guān)系如圖13 所示，隨著落渣高度的增加，亮渣的比例增大，線性擬合斜率為正。一般暗色的渣塊是在受熱面上冷卻后掉落的，而亮渣多為熔融態(tài)的渣，會(huì)使受熱面發(fā)生高溫腐蝕，且容易粘連形成大渣，所以應(yīng)該通過燃燒調(diào)整避免爐內(nèi)頻繁掉落亮渣。

圖13 爐內(nèi)落渣亮度和高度關(guān)系

通過采用本文提出的落渣圖像監(jiān)測系統(tǒng)，可以對爐內(nèi)結(jié)渣位置、結(jié)渣大小、落渣頻率進(jìn)行監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)得到頻繁落渣位置的參數(shù)。運(yùn)行人員可以基于該數(shù)據(jù)調(diào)整吹灰器的投用，對頻繁落渣的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)吹灰，避免該局部區(qū)域的結(jié)渣惡化，在低負(fù)荷時(shí)降低吹灰頻次，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)渣監(jiān)測和燃燒調(diào)整的閉環(huán)控制。

4 結(jié)論

本文通過搭建爐內(nèi)落渣冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)并在660 MW 機(jī)組鍋爐冷灰斗處安裝落渣圖像監(jiān)測系統(tǒng)，分析影響渣塊軌跡識(shí)別的因素，對現(xiàn)場記錄的落渣圖像進(jìn)行處理并統(tǒng)計(jì)爐內(nèi)落渣規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）分析曝光時(shí)間、渣塊數(shù)量及形狀等因素對渣塊軌跡識(shí)別的影響，提出利用渣塊軌跡的長寬比、亮度特征及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法提高結(jié)渣監(jiān)測的準(zhǔn)確性。對于爐內(nèi)復(fù)雜的測試環(huán)境，采用相鄰兩幀圖像相減的方法能夠較準(zhǔn)確地提取渣塊軌跡。

2）根據(jù)長時(shí)間記錄爐內(nèi)落渣圖像所判斷的落渣量增加與爐底撈渣機(jī)油壓上升趨勢的一致性，驗(yàn)證了監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3）隨著落渣高度的增加，亮渣的比例增大。渣塊的亮度越大，溫度越高，由于熔融態(tài)的渣易造成高溫腐蝕，且容易粘連形成大渣，因此對于頻繁落亮渣的區(qū)域應(yīng)予以關(guān)注。