周怀春-三维温度场测量原理

周怀春：摄像头热成像原理生成炉膛内三维温度场锅炉燃烧的基本要求在于建立和保持稳定的燃烧火焰，在典型的四角切圆燃烧锅炉中，燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙等是导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因。

因此，电站燃煤锅炉燃烧诊断具有很重要的现实意义。

但由于我国电站燃煤煤质和煤种经常变动，参数整定困难，另外，工业燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、环境恶劣等特征，给有关热物理量场参数的在线测量带来了困难，难以获得描述实际燃烧过程的热物理量场参数，特别是温度分布的测量很困难，这样导致燃烧调整得不到可靠的依据，燃烧最优化运行无法实现。

目前这已成为提高大型燃烧设备安全性和经济性的瓶颈。

因此，在工程应用方面，寻找一种简便、快捷的方法进行温度场的测量显得尤为重要。

传统的伸入式测量方法，例如用热电偶或水冷式抽气热电偶来测量，费力费时，一般它们仅限于在短时的试验中应用。

近年来国内外在高温火焰温度测量方面研究较多的是激光CT技术、全息技术，但由于大型燃烧设备中的含尘火焰大光学厚度特征，以及这类技术所需的装置昂贵、安装精度高、操作困难等原因，目前国内外尚未见其实际用于工业性煤粉火焰的多相流测量中。

本文介绍了当前世界上最先进的两种锅炉炉膛温度场的测量方法，即声学高温测量法和基于图像处理的温度场测量法，包括其原理及应用，并进行了分析和讨论。

1 声学高温测量原理声波在气体混合物内的传播速度是绝对温度的第一函数，在较小的程度上气体组分也是其函数。

在大多数应用条件下，气体的组分和它们的相对含量是已知的而且在很小范围内变化，因此沿声波从声源到接受器的路线上的平均温度可以先测量声波的“飞行时间”(即从声源到声接受器所需的时间)，然后根据已知的该两点之间的距离，算出烟气的温度。

从炉膛一边以压缩空气为动力发出一个宽频带声学信号，该信号被位于对面的一个接收传感器所检测到，从发声到检测经历的时间即声波的“飞行时间”，它被用来计算充满在该两点之间的烟气平均温度。

声学高温计的基本原理可用下面的公式来表示：式中W——在某种气体中的声速，m/s；d——声波传播距离，m;t——声波飞行时间，s;r——特定气体在定压定容下的系数；R——气体常数，8.314 J/(mol.K)；T——绝对温度，K；M——气体分子量，kg/mol。

由于声波发射器和接收器这两点之间的距离是已知的常数，测定声波的飞行时间就可算出沿飞行路线的气体平均温度。

为算得气体温度，可将上述公式写成：T=(d/Bτ)2×106-273.16式中T——气体温度，℃；d——距离，m；B——，声学常数；τ——飞行时间，ms。

加拿大CSI集团公司据此原理研究开发出了名为BOILERWATCH的锅炉炉膛温度场实时监测系统，该系统可以设计成测量8条单一路线上的平均温度或按阵列编排的多达24条路线来测量温度的分布。

BOILERWATCH测得的温度数据可以直接输入厂内的分散控制系统(DCS)、数据采集系统(DAS)或输入计算机供数据显示和提取。

可通过DCS来向运行人员提供温度—时间曲线，或在一台装有CSI公司的TMS—WIN软件的计算机屏幕上显示出来，也可以通过TMS—WIN软件令计算机画出空间温度分布形态或提供其它的数据显示方式。

2 基于图像处理的温度场测量原理［1］［2］该方法的温度测量基于Plank辐射定律，在煤粉燃烧火焰辐射的波长范围400～750 nm及温度范围3 000 K以下，Plank辐射定律可由Wien辐射定律取代：Eλ(T)=(C1/λ5)exp(-C2/λT)ε(λ,T)式中，Eλ(T)为火焰辐射能，ε(λ，T)为辐射率，λ为波长，C1、C2为常数。

如果在两个波长λ1和λ2下同时测量到同一点发出的单色辐射能Eλ1(T)和Eλ2(T)，则根据两者的比值即可计算出该点的温度：一个典型的彩色CCD(Charge Coupled Devices,电荷藕合器件)摄像机测温系统中，火焰的图像通过摄像机和图像卡后，以数字的形式储存在计算机内。

彩色CCD的任务是把入射光分解为波长分别为700 nm、546.1 nm、435.8 nm的红、绿、蓝三基色，因而火焰图像在计算机内实际上是三色图像，利用其中的两个颜色的图像，根据上述比色法测温原理，就可以进行温度场计算。

同其它非接触式测温方法一样，该方法所测得的温度场是三维空间温度在二维平面上的叠加，要想得到炉内真实的三维温度场，需进行三维温度场重建。

方法有二：一是基于CT(Computer Tomography，计算机层析成像)技术，从不同方向所摄取的多幅二维辐射图像中识别同一截面，按火焰辐射衰减的先验理论反演内部温度场；二是基于炉内辐射理论的重建，数值模拟技术可以给出炉内燃烧过程各个参量在炉内三维分布的定性可靠的结果，而炉内辐射图像则反映炉膛辐射能传递在CCD照像机上的累积效应，将二者结合起来，则可从二维辐射图像中重建出炉内三维温度分布。

将炉膛内体积分成M个微元体，壁面分成N个微元面。

假设：在微元面和微元体内温度均匀，辐射减弱系数取同一值。

利用能量守衡关系求出炉内燃烧放热量分布，通过燃烧过程数值模拟结合炉内火焰图像给出的炉内不同位置气体及煤粉颗粒浓度及其燃烬度的分布，进而确定炉内介质的辐射特性参数分布，将其代入到二维辐射图像同炉内三维温度分布的关系式(光通量计算式)中，更新炉膛燃烧三维温度分布，循环进行，直到收敛。

这样，最后不仅得到炉膛燃烧三维温度分布，还可得到与介质辐射特性参数相关的热物理量。

这个结果比现行的数值计算结果更可靠，因为计算的边界条件是辐射图像所含的大量反映瞬时燃烧过程的辐射信息，不同时刻的重建结果将具有时间分辨特性，这是传统的数值模拟所不具有的。

3 应用温度测量系统可以作为全炉膛火焰的监测设备，也可将其安装于燃烧器、出口烟窗等锅炉重要区域作为单元监测设备。

知道了在炉内某一平面上的烟温和位置的关系可以为运行和设计人员提供一个有用的工具来提高效率、降低排放量以及减少维修费用。

表1列出了锅炉炉膛温度场的几种常见的应用。

4 分析与讨论声学高温测量系统直接测得的是某一条路径上的平均温度，BOILERWATCH提供这单一路线的测量并声称有许多应用和好处，但这种平均温度不能反映某一点的实际温度水平。

真正有价值的是阵列编排多达24条路线温度分布的测量，它可以比较快速准确地拟合某一重要平面(如燃烧器区表1锅炉炉膛温度场的几种常见的应用应用优点监视有无火焰直接冲刷水冷壁管的现象可据以调整火焰位置以避免直接冲刷水冷壁管，避免水冷壁管的损坏；改善炉水循环并提高运行效率。

识别有无低温区据以识别堵塞的或工作不正常的燃烧器，从而改善其空气/燃烧比例改善喷油或燃烧分配、混合和炉水循环，改善热力分配和运行效率监视四角喷燃炉膛等温线图形以发现偏斜的火球改变火焰控制方式以提高效率、减少水冷壁管的应力、延长使用寿命并降低热耗；此外，还能帮助发现工作不正常的燃烧器在炉膛出口平面规定的区域进行温度自动测量，作为吸收剂控制的输入信号可以实施喷入系统的自动控制，只在可被接受的温度范围内喷射，以优化喷射效果，最大限度降低NO x/SO x的排放，防止浪费化学药品和动力控制吹灰器的操作，判断吹灰器是否失效或处于非最佳运行方式仅在需要时使用吹灰器，减少蒸气或空气等的消耗；经常保持受热面的洁净，减少因受热面沾污/结渣，烟道阻力增加而限制出力，以及送、引风机没有足够静压头来克服流通阻力事故追忆将炉内燃烧状况记录下来，可作为档案提供事故调查使用域)的温度场分布(绘一温度分布图典型的时间为72 s)，对运行人员进行燃烧诊断有重要实用意义。

但目前炉内三维空间的温度分布尚不能获得，理论上可行，实际上要想得到炉膛空间的温度分布首先得在锅炉上下布置众多的声发生器和接收器，而现在的声发生器和接收器尺寸较大，需炉墙开孔也大，这对燃烧有一定的影响；另外，炉内燃烧复杂，各种气体组分相差悬殊，要精确地求解温度场需考虑的因素很多，这是一项很复杂的工作，需进一步研究。

众所周知，锅炉的内部经常会被飞灰、烟炱或融渣沾污，因此它们需要经常用常知的“吹灰器”来吹净。

吹灰器通常用蒸汽、压缩空气或高强度的声波来清洁受热面，所有种类的吹灰器都会发出高声频的噪声，它会干扰声学高温计的工作。

所以BOILERWATCH必须在吹灰器停用时使用，而且只有在背景噪声很低时才投入，这就限制了系统的应用。

因此今后声学高温计应当致力于以下三方面的研究：一是尽量减少发生器和接收器的尺寸，使得它们对燃烧的影响最小；二是加强炉内燃烧状况的研究，提高测量精度并争取得到炉内三维温度场的分布；三是增强系统抗干扰能力的研究，减低背景噪音的影响。

采用数字化摄像装置所测得的温度场实质上是三维空间温度在二维平面上的某种累积效应，要想得到炉内真实的三维温度场，需进行三维温度场重建。

研究表明，摄像镜头及图像传感器对燃烧介质辐射能的探测能力在10 m内，即图像传感器对10 m外的辐射已不敏感了。

初步分析表明：若①炉内空间需要求解温度值的点至少被两个摄像机观察到；②任何一个摄像机的任意一个用来建立一个方程的像素点所对应的该炉膛空间内成直线的三维各点均满足①的条件，则可建立起有解的方程组，求解温度场的分布。

这样对大型炉膛若要重建温度场将增加许多困难。

在建立二维辐射图像和三维辐射能量(温度)分布的数学关系式时，需考虑的因素很多，如固体颗粒的散射对辐射能的影响，炉内介质衰减系数的影响等等，但目前都将其忽略或假定是均匀的，无疑给温度场重建带来较大误差。

实际上炉内介质的衰减系数由于颗粒的组成、浓度分布、温度等不相同，导致辐射衰减系数相差很大，比如燃烧器区域达到0.6 m-1，而接近炉膛出口则只有0.2 m-1左右，因此今后将加强这方面的研究，进一步完善该方法。

另外系统硬件本身的测量误差、镜头沾污等各种因素也当考虑。

总的看，声学高温测量方法已经成熟并已有商业化应用(如BOILERWATCH 系统)，特别是对二维温度场的测量有重大实用价值。

基于图像处理的温度场测量方法现仍处于实验室阶段，未有工业应用，但无疑具有广阔的前景。

参考文献1周怀春，娄新生，等.炉膛火焰温度场图像处理试验研究.中国电机工程学报，1995，15(5)：295～2992王飞，薛飞,等.运用彩色CCD测量火焰温度场的试验研究及误差分析.热能动力工程，1998，13(2)：81～84。