三维温度场技术交流PPT课件
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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 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。
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
2019/12/19
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。
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
2019/12/19
12
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
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：
• 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
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。
2019/12/19
14
图像探测器的标定
1173 K 1273K
2019/12/19
1373 K
1473K
15
辐射图像处理三维温度场可视化重建过程
火焰原始图像
CCD5 CCD4
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
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)
标定
M
IR ai Ri i0
N
IG bjG j j0
L
R0 ck (T0 273.15)k k 0
计算
T0
C2
1
R
1
G
/
ln
IR IG
R5 G5
0
R R0 (T0 )
2019/12/19
13
Baidu Nhomakorabea
图像探测器的标定
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
2019/12/19
Tm AT
Tm4 (1)
A(1,1)
Tm4 (
j)
A(
j,1)
Tm4 (N ) A(N ,1)
A(1, i) A( j,i) A( N , i)
火焰二 维温度
T 4 (1)
T 4 (i)
T 4 (M )
图像
A(1, M )
A( j, M )
A(N, M )
炉内 三维 温度 分布
11
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：
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。
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。
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。
1
目录
第一部分 三维温度场可视化在线监测技术简介 第二部分 三维温度场可视化在线监测技术原理 第三部分 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。
CCD6
CCD7
CCD8
火焰二维温度图像
炉内
三维
温度
分布
2019/12/19
16
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
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
2019/12/19
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。
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
2019/12/19
12
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
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：
• 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
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。
2019/12/19
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图像探测器的标定
1173 K 1273K
2019/12/19
1373 K
1473K
15
辐射图像处理三维温度场可视化重建过程
火焰原始图像
CCD5 CCD4
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
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)
标定
M
IR ai Ri i0
N
IG bjG j j0
L
R0 ck (T0 273.15)k k 0
计算
T0
C2
1
R
1
G
/
ln
IR IG
R5 G5
0
R R0 (T0 )
2019/12/19
13
Baidu Nhomakorabea
图像探测器的标定
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
2019/12/19
Tm AT
Tm4 (1)
A(1,1)
Tm4 (
j)
A(
j,1)
Tm4 (N ) A(N ,1)
A(1, i) A( j,i) A( N , i)
火焰二 维温度
T 4 (1)
T 4 (i)
T 4 (M )
图像
A(1, M )
A( j, M )
A(N, M )
炉内 三维 温度 分布
11
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：
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。
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。
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。
1
目录
第一部分 三维温度场可视化在线监测技术简介 第二部分 三维温度场可视化在线监测技术原理 第三部分 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。
CCD6
CCD7
CCD8
火焰二维温度图像
炉内
三维
温度
分布
2019/12/19
16
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