三维温度场技术交流2015409

CCD9
CCD10
3-D temperature reconstruction computer
1 5
2 6
3 7
4 8
9 10 11 12 13 14 15 16
Video signals Monitoring computer Flame image Frame-maker
裂解炉温度场分布
炉内 三维 温度 分布
炉内三维温度场实时监测
提出正则化三维温度场重建算法
T BTm
温度场可视化处理过程： 1、采集图像，从图像中计算二维温度图像Tm 2、矩阵B与向量Tm 相乘，得到三维温度场T 刷新时间：2-5秒之内
燃烧火焰温度和黑度检测
图像探测器的标定 实际检测前必须经过黑体炉严格标定，得到单色辐射IR和
裂解炉温度场分布
裂解炉温度场分布
裂解炉温度场分布
光谱仪温度和黑度检测系统
14000 mm
m m
Rear
34
70
Right
CCD7 CCD6 CCD5 CCD4
7550 mm
CCD8
10688 mm
CCD1
c
6667 mm
d
CCD2
CCD3
CCD15
CCD14
CCD13
CCD12
图像处理燃烧监控技术思路
14000 mm Outlet Inlet
Rear
m
34
70
Reactor Tube
m
R
CCD7 CCD6 CCD5 CCD4
ig h
t
7550 mm
CCD8
10688 mm
CCD1
CCD2
CCD3
CCD15
CCD14
CCD13
CCD12
2100 mm
CCD11
CCD16
发表论文及专题特邀报告
• 2003-2007年，周怀春教授应邀在亚太国际燃烧 会议等国际学术会议上作燃烧可视化监控研究 专题特邀报告3次。
8
10th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers
International journal of Thermal Sciences (SCI)
第三部分 茂名乙烯裂解炉三维温度场监控系统
USC- 80U型裂解 炉采用美国斯通-韦 伯斯公司专利技术， 炉管设计为U型，主 要裂解原料为石脑油。 USC-80U型裂解 炉的整体布置为2个 辐射段共用1个对流 段。每个辐射室底部 有16台燃烧器，分 两列布置。
每台炉的48根USC “U”型炉管 沿沪膛中心线安装成一排。对每 个辐射段,物料基本走向为“上进 上出”。在第一管程内,气态物料 从横跨管出来自辐射室的顶部进 入辐射段,接着向下,经过U型弯管 从而进入第二管程。在第二管程 内,物料以自下向上的方向流动。 对流段处于2个辐射段的正上方, 目的是回收来自辐射段的烟道气 中的热量。
（c）左边风门复原，右边风门开大
辐射能变化与COT变化趋势对比
通过三维温度场系统测得的辐射能变化与COT变化趋势的对 比，可以看到开大左侧风门（100-125时），辐射能先上升，紧 接着COT也开始上升。COT上升略有延迟，这与裂解气的停留 时间以及烟气导热时间差有关。恢复左侧风门开大右侧风门 （125-200时），辐射能先降后升，COT也随之先下降后上升。 200以后风门恢复原状，COT也下降恢复到调整前温度。
R0 ck (T0 273.15)k
k 0
L
R 0 R0 (T0 )
图像探测器的标定
图像探测器的标定
1173 K
1273K
1373 K
1473K
辐射图像处理三维温度场可视化重建过程
CCD1 CCD2 CCD3
1350 1367 1384 1401 1418 1435 1452 1470 1487 1504 1521 1538 1555 1572 1589 1606 1623 1640 1657 1675 1692 1709 1726 1743 1760
对三维温度场可视化技术鉴定评价
中国工程院院士、哈尔滨工业 大学秦裕琨教授等鉴定认为： “在用辐射图象处理检测实际 锅炉炉内三维温度分布方面达到国 际领先水平”；
主要研究论文及专著
出版专著
• 2005年，本研究成果在国家自然科学基金委员 会资助下，在科学出版社出版《炉内火焰可视 化检测原理与技术》。这是国内外唯一的一部 电站锅炉/工业炉窑燃烧三维温度场可视化检测 技术方面的专著。

A(1, i ) A( j , i )

A( N , i )
A(1, M ) A( j , M ) A( N , M )
火焰二 维温度 图像
T 4 (1) 4 T (i ) T 4 (M )
辐射能变化与燃料量变化趋势对比
通过燃烧调整期间辐射能变化与燃料量变化趋势的对比，可以 看到辐射能的变化基本符合燃料量的变化趋势，值得注意的是在开 大左风门和开大右风门期间，有一个阶段辐射能处于同样的水平， 但是燃料量却不一致，说明燃料量的调整有富余。这也告诉我们以 后裂解炉的调整应该主要调风，从这段燃烧调整数据可以看到， 2108.2 kg/h的燃料量与2090.3 kg/h的燃料量产生的辐射能一样，那 也就是说如果要维持一样的辐射能我们可以节约燃料气17.9 kg/h。
2100 mm
CCD11
2 hc 2 I ( , T ) ( ) 5 hc kT e 1
CCD16
CCD9
a
1425 mm
CCD10
b
6187 mm
11229 mm
光谱仪温度和黑度检测系统
2 hc 2 I ( , T ) ( ) 5 hc kT e 1
Application of the Monitoring Technology of Visualization of 3-D Temperature in Combustion Furnaces
炉内燃烧三维温度场可视化 在线监测技术及应用
报告人：万大阳
清华大学
洛阳瑞昌石油化 工设备有限公司
Hale Waihona Puke Baidu
目
第一部分 第二部分 第三部分
dP 2 fG 2Y dL Dout 2
Y
( Ls 60Din ) ( Ls Lb )
基于三维温度场的产物收率分布 石脑油裂解分子反应动力学模型
ki Ai exp(Ei / RT )
ri = dN ki N m = dt ki N m N n first order reaction second order reaction
炉内 燃烧
3、如何将火焰图像处 理信息反馈到加热炉 燃烧及运行优化控制？
1、炉内火 焰温度场如 何影响辐射 成像？需要 建立定量模 型
2、如何从 火焰图像中 重建出炉内 三维温度场？
总体技术思路
• 本项技术应用多学 科知识的交叉融合， 提出了独特的火焰 温度图像检测方法， 建立了炉内火焰辐 射能量和温度成像 模型，提出了改进 的 正则化方法重 建三维温度场的算 法，从而创立了炉 膛燃烧三维温度场 实时可视化监测技 术。
CCD5
CCD6
CCD7
CCD8
火焰原始图像
火焰二维温度图像
炉内 三维 温度 分布
CCD4
基于辐射能最大的炉内风量和氧量优化控制策略 控制原理
• 工业炉燃烧优化控制的直接目标是调节最佳风量与燃料量相适应，使炉内 热效率达到最佳；氧量和炉内热效率实时准确监测的困难是炉内效率实时 优化的困难所在 • 使辐射能信号达到最佳的风量能够使相同的燃料在炉内释放出最多的热量。 本项技术构造了根据辐射能变化趋势在线调节风量、使炉内效率达到最佳 的搜索策略 • 在达到相当的较高炉内热效率的条件下（A-B区域），进一步将风量控制 在风量较少的区域（A-C区域），能够同时达到抑制氮氧化物排放的目的
炉内断面（二维）温度场在线监测技术，对剧烈变化的瞬 态燃烧工况检测能力不足，也不能实现炉内三维温度场的 在线检测，同时对物体表面（例如炉管和炉壁）温度的测 量也无能为力。
常用燃烧火焰温度测量方法 ：
在管式工业炉中，目前大多采用声学法和图像法进行火焰温度测量
总体技术思路
本项目采用火焰辐射图像处理技术作为主要手段，充分挖掘火焰辐射图像中携带的 炉内高温燃烧辐射能量分布及其传递信息，从而建立燃烧温度场在线检测技术，并 进一步提炼用于炉内燃烧优化控制的燃烧火焰辐射能概念。
录
三维温度场可视化在线监测技术简介 三维温度场可视化在线监测技术原理 茂名乙烯裂解炉三维温度场监控系统
工业炉优化运行的瓶颈
在实际运行中，工业炉运行的安全性、经济性及自动化 水平的进一步提高仍受到一些关键技术问题的制约。
缺乏炉内三维燃烧工况实时在线检测技术，这是一项世 界性的难题。
现有的燃烧检测技术，如热电偶、红外高温计及热像仪、 基于激光的燃烧诊断技术等，均不能实现炉内燃烧温度场 的在线测量。目前世界上已投入商业应用的基于声波法的
I ( , T ) 1 5 1 T C2 / ln 5 I ( , T ) ( )
最大温差<2%
燃烧器调整实验
（a）调整前
（b）左边风门开大
调整前左边温度高于右边，最高 温度1007℃；左边风门开大，温度升 高到1015℃；右边风门开大，高温区 右移，最高温度1026℃。
裂解炉三维温度场可视化监测系统后续功能展望
将辐射能信号引入控制系统，寻找最优温度场，以实现燃 料最优 将辐射能信号与乙烯炉产物收率关联，寻找产物最优温度 场
谢谢各位! 请各位领导批评指正！
基于三维温度场的产物收率分布
炉管表面热流分布
4 q pi S pi Rd gp ( j i )4 a T Vgj Rd wp ( j i ) wj Twj S wj j 0 4 gj j 0 5152 1828
Rd
j 0
480
pp
4 4 ( j i ) pj Tpj S pj pi Tpi S pi
q pi Tpi T fi
总换热系数

Dout Dout ( Dout 2 ) t ( Dout 2 )
f Din
1
物料换热系数
f ( ,C p , f ,T f ) 0.023Re0.8 Pr 0.33
压降方程
第二部分 三维温度场可视化在线监测技术原理
炉内三维温度场实时监测
创建立了炉内火焰辐射温度成像模型
Tm AT
4 Tm (1) A(1,1) T 4 ( j ) A( j ,1) m T 4 ( N ) A( N ,1) m
dNl S 3600 dL V
1 i 22
1 l 18
i, l r
i 1
22
i
基于三维温度场的产物收率分布 物料各参数分布图
最大误差<4%
三维温度场系统的预期功能和后续展望
裂解炉三维温度场可视化监测系统可实现的功能
看火电视功能 炉管壁温在线精确监测 炉内三维温度场在线精确监测 历史数据分析
IG同图像的R和G值之间的关系，以及温度(K)与其黑体图 像的红色R0之间的关系：
I R ai R i
i 0 M
标定
IG b j G j
j 0
N
5 1 I R R 1 T0 C2 / ln 5 R G I G G
计算