浙江大学
博士学位论文
基于计算机图像处理技术的火焰温度场测量和燃烧诊断
姓名：王飞
申请学位级别：博士
专业：工程热物理
指导教师：倪明江;岑可法
2000.11.1
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利用ＣＣＤ摄像机和图像处理系统对燃烧火焰进行场参数测量和燃烧诊断是一项富有挑战性的新兴技术。它是随着近年来计算机技术、光学技术和数学方法的进展而发展起来的。我们将这一技术应用于火焰温度场测量和燃烧诊断上面，对于提高电厂运行的经济性和安全性具有重要的意义。
在这一领域的研究中，三维温度场的重建和火焰燃烧诊断是核心，也是难点。根据火焰图像重建温度场，在数学上是对辐射传递的逆问题求解。由于方程组十分庞大，而且是非线性方程组，在模型和求解上都必须有一一套切实可行的方法。将图像处理系统应异：ｌ丁：火焰的燃烧诊断，也是近年来人们关注较多的一个课题。如何表征火焰的燃烧状态、如何对火焰的燃烧状态进行判别，己成为人们研究的重点。
本文根据煤粉炉辐射传递方程和弥散介质辐射特性，主要研究了投影温度场、二维温度场和炭粒浓度场的重建模型、算法和工程应用。介绍了在３００ＭＷｅ的煤粉锅炉上进行韵；品度场测量和燃烧诊断结果。建立了火焰光谱分布曲线与燃烧状态的关系，并堤出根据火焰测像进行燃烧诊断和ＮＯ。预测的方法，最后将神经网络模型应用于火焰燃烧状态的预测，本文首先根据Ｍｉｅ氏理论研究了煤粉炉内弥散介质，主要是炭粒和Ｅ灰在可见光波段的辐射特性，推导了煤粉炉内火焰辐射的传递方程。提出在炉膛燃烧器区域内辐射传递方璀和辐射特性系数的简化方法，为建立三维求解模型奠定了基础。
本文在对辐射传递微分方程进行网格化处理之后，分别建立了比笆法投影温度场测鼙模型、三维温度场测量模型和截面炭粒浓度场测量模型。根据模型，对影响重建计算的各种冈素进行了数值模拟分析，找出了误差最小的晟佳参数殴置。同时，剥Ｊ‘１Ｆ线陛方稗组的算ｉ去，进行了详细的分析和比较，提出了合适的求解策略。在各种炉型上进行丁温度场州浓度场的实测试验，并对误差的来源进行了分析。
本文介纠了开发的火焰酗像处理系统住３００ＭＷｅ电站煤粉锚炉上的府－Ｈ。闸述ｊ‘系统的主要功能、指导思想平¨基本概况。利＿Ｌ｝ｊ这套系统，对３００ＭＷｅｉＵ站煤粉锚炉炉内温度分布进行了详细的计算。分别计算了某一时刻炉内二维温度场分布、锚炉ｊ冀火过阳Ｉ，炉内诫面温度场的变化以及正常运行时截面温度场禾ｌ高温区位置的变化。结粜＆忉ｒ漠刑汁倬较女ｒ地反映炉内温度场的变化。
本文探索了幽像处理系统庄燃绕诊断上的麻用。研究了火焰的ｊ匕瞒分佑曲线川燃烧状．告的关系，指ｆＵ了根据火焰光谱进行过射空气系数、燃烧完全张！Ｊ变干¨艟终燃烧产物（＃ｓｉｉＮＯ、
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摘要和ｓ０２等）预测的方法。携基了表征火焰燃烧状态的特征参数。建立了预测火焰燃烧状态的ＢＰ神经网络模型，根据某一时刻的特征参数，预测下一时刻的火焰燃烧状态。最后：还研究了由火焰图像中与Ｎｏｘ生成相关的特征参数预测ＮＯ。生成量的方法。
本文在对辐射传递方程和介质辐射特性研究的基础上．提出了基于Ｉ虱像处理的三维温度场重建和燃烧诊断方法，并对模型的建立、计算的影响因素、可能的误差、算法的选择和计
算的策略等进行了详细的分析。进行了不同的炉型和不同的工况时的测温试验，并与热电偶实测值进行了对比。在此基础上，将研究结果投入了工程的实际应用。开发了３００ＭＷｅ电站煤粉锅炉图像监测系统，对炉内温度场、火焰燃烧状态、ＮＯ。排放进行预测和监控。实践结果表明，本文所提出的基于图像处理的温度场测量和燃烧诊断方法计算结果准确，具有较高的实用价值和推广前景。
关键词：图像处理，三维重建，燃烧诊断，逆问题，ＡＲＴ，浓度场，最优化方法，神经网络
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第一章绪论，
§１．本课题的研究意义
∥§１．１准确及时的炉膛燃烧诊断是保证电厂安全运行的重要条件
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电站锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并维持稳定、均匀的燃烧火焰。燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与否最直接的反映。燃烧不稳定不仅会降低锅炉热效率，产生污染物、噪声等，而且在极端情况下可能引起锅炉炉膛灭火，如处理不当就会诱发炉膛爆燃造成事故。为了预防这种潜在的危险必须进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。
近年来，我国电站的燃煤主力机组因炉内燃烧不正常发生的事故频繁不断，对电厂运行的可靠性、安全性和经济性影响较大。据统计，我国的火力发电站由于锅炉事故引起的机组非计划停机占全年总停机时间的一半以上。其原因是多方面的：ａ．新投运的大型电站燃煤锅炉日益增多，锅炉机组的容量不断增大，锅炉设备的机构及其附属设备变得越来越复杂，影响锅炉运行的因素也随之增加，这就对炉内的火焰检测和诊断技术提出了更高的要求；ｂ．电厂煤质变动频繁，炉内燃烧参数整定困难，影响到火焰检测的准确性，容易使锅炉灭火、“放炮”，甚至引起炉膛爆炸等恶性事故；为满足调峰的需要，负荷变化频繁，要求锅炉能适应较大幅度的负荷调节，给燃烧调整带来更多的困难：ｃ．为了满足环境保护要求，需要越来越严格的燃烧控制系统‘”。这些问题都对锅炉火焰检测和诊断技术提出了更高的要求。如何才能保证燃煤锅炉煤粉燃烧火焰检测诊断信号的准确无误、反映迅速，是电厂急需解决的具体问题，也是当前国内外电力工业部门的科研设计人员和电厂运行人员集中力量开发研究的重要科研项目之～。
炉膛爆燃的主要原因在于炉膛或烟道中积聚了一定数量未经燃烧的燃料平¨空气混合形成的可燃混合物，在遇有着火源时，如锅炉启动点火、锅炉熄火后重新点火或炉膛内燃料本身所积存的能量使可燃混合物突然点燃。由于火焰传播速度极快．积存的可燃混合物近于同时点燃，生成烟气后容积突然增人，一时来不及由炉膛排出，因而使炉膛压力骤增，这种现象称为“爆燃”（俗称“打炮”）。严重的爆燃即为爆炸。由于炉膛压力过高，超过炉膛结构所能承受的压力，使炉墙外延崩塌，称为“外爆”口Ｊ．锅炉制粉燃烧系统任何一个环柑出现
星＝兰．一一——————————————————————————————＝。—ｊ！丝一问题，都可能造成炉膛爆燃。以下情况可能导致大量燃料在炉膛和烟道中积聚”１?、（Ｉ）锅炉启动点火初期没有及时点燃。．
（２）燃烧器突然熄火，燃料未及时切断。
（３）空气／燃料匹配不当，燃烧不充分，火焰叉处于临界状态。
（４１停燃烧器程序不当或设备故障．燃料继续进入炉膛。
要预防炉膛爆燃的发生，火焰检测器应对不正常燃烧作出正确判别，尤其是对处于临界状态的火焰进行火焰“有”或“无”的检测和判别。在锅炉点火过程中，对单个燃烧器火焰有无判断可以有效地指导运行人员正确操作，减少点火的工作量。在锅炉的运行过程中，由于种种原因，会出现由于炉内局部缺氧、风煤比不合适或暂时断粉等情况导致的炉膛局部熄火或完全熄火，若此时不能有效地给出火焰熄灭的诊断信息，仍然往炉内输送煤粉，则很可雒发生由于煤粉爆燃而导致的炉膛爆炸。
对于炉膛火焰检测器，应该能够连续不断地进行监控，一旦发现熄火或火焰处于熄火临界状态时，发出报警信号并迅速切断燃烧器的燃料，并作出其它的控制动作。
除了对火焰的有无进行判别之外，由于人们控制环境的呼声越来越高，要求现代化电厂降低污染、提高效率。因此，需要建立有效、便捷的测试技术，来对炉膛燃烧的稳定性、经济’眭和清洁性进行评估。
§１．２炉膛火焰温度场测量是火焰检测的核心内容
为了实现火焰燃烧控制系统的自动化监控，我们需选取一些能够及时表征燃烧过程的热物理参数来反映设备的运行工况。目前普遍认为，采用火焰温度场作为控制参量，比以汽包压力变化作为锅炉燃料的控制参量ｃ４１具有明显的优越性，因为燃料量扰动首先引起燃烧放热的变化，然后通过水冷壁吸热，最后引起蒸汽出口压力变化，从总体而言这是一个纯延迟、大滞后的环节。燃烧火焰温度场的瞬态变化直接体现了燃烧过程的稳定性，并且温度在炉膛截面分布能够为四角燃烧方式提供切圆调整的依据。对于四角切圆燃烧的煤粉炉，由于炉内
风、煤配比的不适当，或者燃烧ｒ况的改变，容易造成火焰中心偏斜。此时，气流冲刷肇面，炉膛出口两侧烟温偏差大，导致水冷壁磨损爆管平ＪＪ对流受热面局部过热及高温蒸汽爆管。水冷鼙及其它对流受热面的局部高温还容易引起结渣和积灰的加剧，对锅炉的安全性带来严重影Ｉ晌。另外．温度场分布与燃烧效率、气体污染物排放以及炉膛出口朱燃尽碳损失都有重要火系。由此可见，先进有效的火焰温度场参数测越方法对于深入研究煤粉燃烧过程具有十分重人的科学意义和实用价值。
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塑坚查兰苎主兰堡垒苎苎三生！塑里堡竺垄垫查丝ｉ兰丝ｉ曼垦！塑掣墨塑塑丝！！！Ｌ现有的温度测量方法大部分是基于单点测量的，广泛应用于电厂现场还存在一定的限制。因此，研究有效可靠的火焰温度场测量方法具有重要的意义。‘
§２国内外的研究现状
§２．１传统的火焰监测技术及其局限性
§２．１．１传统的火焰监测技术
在现有的锅炉热工控制系统中，对燃烧的监控和判断是通过炉膛安全监控系统（Ｆｕｒｎａｃｅ
ＳａｆｅｇｕａｒｄＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＳｙｓｔｅｍ。即ＦＳＳＳ）来实现的。它能在锅炉正常工作和启停等各种运行方式Ｆ，连续地密切监视燃烧系统的参数和状态，不断地进行逻辑判断和运算，必要时发出动作指令，以保证锅炉燃烧系统的安全。但是传统的锅炉检测和燃烧诊断的研究和应用主要集中在对燃烧火焰“有”或“无”的判断上。而对于炉内温度场的监测以及根据温度分布进行相应的诊断方面，由于测量手段的限制，还处于起步阶段。
传统的火检技术列于下表”Ｊ：
表１．Ｉ传统的火检技术
火检方法原理评价
烟色监视仪用人工光源透过被测烟气入射到光电器件上．平均时间滞后，元件易污染
光强随烟色的变化而变化
检出电极法利用电极电阻值在着火前后的变化而判别点火是否轻油枪点火
成功
声学法用壹克风检测燃烧噪声．易积灰、适台单燃烧器、易受干
扰差压法利用者火后气体膨胀产生的瞬间压力变化建立风箱方法简单、叮靠性较崖
压力和检测处压力的差压变化，判断着火与否
温度法用热电偶或热流计测量火焰的温度、热流量．并据易污染，反心时间Ｋ
此判断火焰的存在
电离法燃料的第一燃烧区存在离子．火焰导电，根据１日Ｊ路材料耐廓温、抗污染性能爱求廓
电流判断足古灭火
紫外线火榆器利用火焰奉身特有的紫外线强度束判别火焰的有无对天然气发光也透明的轻汕火焰
效果好，小适十煤粉、暖汕火焰红外线火检器利用火焰旆频闪烁原理，带有自动增益控制的红外长期运行差
线探测｛｝｝｝
第一蕈
算来鉴别相应的燃烧和火球火焰的有无
§２．１．２传统火焰监测技术的局限性
传统的火焰检测技术功能比较单一，仅仅是对火焰的有。无进行判断ａ运行实践表明它们具有较大的局限性：
ａ．火焰闪烁频率和强度的定值判断无法适应丈范围的负荷变化。
ｂ．火焰燃烧的闪烁频率是一个多因素参量，燃料种类、风煤配比、燃烧方式、燃烧器的几何尺寸都影响闪烁频率，另外邻近燃烧器的频率相互覆盖。
ｃ．燃料燃烧的闪烁区域位置不固定，着火点位置是燃料种类，负荷、一次风温风速和燃烧器出口形状的函数。
ｄ．炉膛内充满火焰，很难区分单只燃烧器火焰的光辐射，而且炽热的炉壁和炉渣热辐射影响火检探头的准确测试。其中后两点给火检器的安装与调试提出严格的要求，这无疑降低了检测设备的可靠性。
ｅ．只能对火焰的有无进行判别，不能计算温度场。
ｆ功能单一，不能直观地看到火焰图像。
§２．２温度场测量方法综述
温度场的测量是燃烧诊断的核心。煤耪燃烧是～个复杂的多相反应过程，燃烧过程脉动异常强烈，燃烧过程中伴随着连续不断进行的传热、传质及化学反应过程，不断发生着碳和碳氢化合物与氧的离解、复合，不断地产生二氧化碳、水蒸汽等气体产物并释放出热量．基于煤粉燃烧过程的这种强烈的不平衡过程特征，要求所采取的温度场测量方法要有足够高的响应速度来跟踪燃烧过程的变化；其次，锅炉燃烧系统内温度可达１４００～１６００＂Ｃ。如采用接触测温方式，所使用的测温介质要能承受高温环境，还要求能够经受长期运行的考验，必
须对燃烧全过程进行时间序列测试，以揭示过程物理量的时间特性，并为自动控制系统提供定域的依据；另外，电站锅炉的炉膛都具有尺寸较大的特点，采用接触式测量存在布点的困旋，而非接触测量方式往往不能得到特定点的温度参数，而只能得到沿程平均的“投影值”或某区域的总体反戍值：对ｒ电站锅炉炉膛火焰这样人型的测温对象，三维温度场测堵要综合考虑测量方法、测麓点的分布及安装、故备成本及运行成本、计算的实时性、系统的维护】：作垃等问题，目前还较少见诸文献报导，因此有必要引入新的测量手段进行开发研究。Ｆ
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、
§２，２．１火焰温度场测量方法的分类
鉴于温度参数对于火焰燃烧过程的重要性，测温方法的研究一直是燃烧领域的热点问题，研究者基于物体的某些物理化学性质（例如物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等）与温度的关系，结合科学技术的新成果ｔ经过长期不懈的努力，开发了形式繁多的温度测量方法及其相应的测量装置，图（卜Ｉ）按测量方法进行了分类。
一声速法
一声学法～一
～频牢法
非接触测温方法’
一辐射光谱法
光学法一谱线反转法
＿吸收发光法二鬈一辐射强度法—一多色法红外吸收ｃｒ法一全色法
图象法全息法
干涉法一纹影法
一激光光谱法。
一剪切法
一瑞利散射光谱法
一热电偶温度计一－喇曼散射光谱法
一热电阻温度计
一散射光谱法一一相干反ｓｔ。ｋｅｓ光谱法一接触测温方法——紫登苎鎏璧芝ｉ诱导荧光光谱法
一压力表温度汁
…………
黑体腔式热辐射温度
圈卜ｆ温度测量方法的分类
§２．２．２接触式测温方法．
接触式测温方法的感温元件直接置丁被测温度场（域介质）中，不受火焰的黑度、热物性参数等冈素影响，具有测域精度高、使＿ｌ｛ｊ方便的优点。住高温火焰测罐中，主要麻用传统的热电偶测温法以及近年来发展起来的黑体腔式热辐射高温计。
对『．煤粉火焰这样其有瞬态脉动特性的测髓对絮，从严格意义上来说，接触洲渝比较适合单点测温而不能作为真止的温度场测龄手段。我１ｆＪ知道，接触法得到的是某个局部何置的温度信号．如果要得到铭个燃烧空间的场信号，必须在燃烧空间内进行合理的布点，『ｆ吐根据相席的方法（如采川插戗法等）获得对燃烧漏Ｊ叟场的近似。但是，布点过多会引起系统维护赞川过高以及水冷避开扎、、止管笆问题。冈此，实际心川时往往只住锅炉热态特性实验中．
５
利用测枪进行一次较全面的多点测量，而在锅炉正常运行时，选择锅炉的关键罾１５位霉何｛显厦
测量或控制，另外，在发展非接触式测量方式时，经常利用接触法不受魍气成分影ｑｉ｜！测量
精度高的特点作为温度标定的重要手段【６１１７１。
§２．２．３非接触式测温方法
非接触式测量方法分为两大类，第一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参数再求解温。
度场，目前最典型的是采用声学手段的声波法；第二类是利用高温火焰的辐射特性通过光学．
法来测量温度场。
各种非接触测温方法理论上可以通过扫描的方法完成场参数的测量，但在现场火焰温度、测量中，存在着开光学窗口的困难，取样窗口的透过率经常由于污染而造成测量误差。另外，
所使用的仪器设备往往比较精密，难于在现场使用，特别需要指出的是，关于辐射亮度和辐
射强度的概念都是从固体表面辐射概念真接引用过来的，对于燃烧火焰特别是燃煤火焰这种
半透明介质，既有气体组分的辐射，又有碳黑、飞灰等固体颗粒的辐射作用，而气体的辐射
面积又无从定义，增加了火焰温度测量的困难。
§２．３基于图像处理的可视化燃烧诊断和温度场测量
近年来，随着计算机技术的不断发展，国内外的研究者越来越把眼光投向了可视化的燃
烧监控系统。火焰图像最初是作为一种火焰监控的辅助手段引入锅炉检测领域的。电站燃煤
锅炉往往具有尺寸庞大、环境恶劣的特点，使上述的温度场测量方法难以在炉内实施。传统
的火检装置火焰误报、漏报现象时有发生，可靠性不高，无法使运行人员真正了解炉内燃烧
的真实情况并在此基础上合理组织燃烧。在工业型ＣＣＤ摄像机出现以后，由于其具有耐灼
伤、图像清晰度高、工作稳定可靠、对震动和冲击损伤的抵抗力较强等优点，因此迅速在电
厂锅炉中以火焰电视（ＦＩｍ－ａｅＴＶ）的形式得到应用，为锅炉点火以及运行调整提供了直观的监
视功能，因此，在大容量机组中已经成为必备的火焰监测手段，我国１９９４年颁布的《火力
●
发电厂锅炉炉膛安全监控系统设计技术规定》中规定“容量为２２０咖及以上锅炉的炉膛安全
监控系统必须具有锅炉炉膛压力保护、锅炉火焰监视及灭火保护功能”，《规定》中明确指出
容摄为４１０ｔ／ｈ及以上锅炉，宣装设监视炉膛火焰的工业电视，在容量为６７０ｔ／ｈ及以下锅炉，
可采用全炉膛火焰监视和灭火保护，容量为１０００ｔ／ｈ及以上的锅炉，宜采用基于单个燃烧器
的火焰监视和灭火保护，充分说明了我国对炉膛火焰监视对于电厂锅炉安全运行的重要性的
认识。在火焰电视得到广泛应用的同时，也表现出了不能作为定量判断依据．不能联入自动
６
浙江大学博士学位论文基于计算机图像处理技术的火焰温度场测量和燃生诊堕控制系统的弱点，因此。跟踪现代科学技术的发展，进一步拓展火焰电视的内涵，尽可能发
挥其效能，使火焰监视由单纯的保证锅炉正常安全运行向提高锅炉运行经济性ｉ降低污染物捧放、形成锅炉燃烧在线诊断与调整专家系统等更高层次的应用领域延伸，已经成为锅炉安全监控研究的重点内容。
近年来，随着计算机技术特别是多媒体技术的发展，出现图像采集卡以后，使ＣＣＤ摄
像机输出的视频信号能转化为计算机可以处理的数字化图像．意味着原先定性的火焰图像信
号可以进行定量分析了，这样就为火焰的后续分析和自动监控提供了可能。因此。摄像型火
检成为火检技术发展的重要方向。
基于图像处理的燃烧监控系统不同于传统的全炉膛火焰监视．而是综合运用了现代光
学、计算机技术、ＣＴ技术和人工智能技术在内的智能化燃烧诊断系统。从目前炉膛火焰图
像处理的应用研究情况看，火焰辐射图像法是一种非常有前途的新技术，研究者们通过努力
已经取得了可喜的初步成果，利用火焰图像来进行燃烧诠断，其优点是明显的。它既可以通
过直观的图像指导运行人员，又可以通过计算机对炉内燃烧状况和火焰的“有”或“无”进
行智能判断。更为重要的是，通过这个系统，可以对炉膛的温度场和成分进行在线的分析，从而对污染物的排放和燃烧的经济性进行预测。
§２．３．Ｉ可视化燃烧诊断和温度场测量系统简介
一个典型的火焰图像处理系统如图（１－．４）所示，一般由光学系统、ＣＣＤ摄像机、图像采集卡和计算机组成。
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圈１．４火焰图像处理系统
光学系统的作用是将火焰发射出的辐射汇聚并传输到摄像机的靶面上。应用于燃烧诊断
的光学系统通常有两类，一类是光学透镜组，另一类是光纤。在我们的可视化燃烧诊断系统中，使用的是传像光纤。
摄像机是火焰图像处理系统的重要组成部分。ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ，电荷耦合器件）摄像机是７０年代初发展起来的一种新型半导体器件ｎＩｌ９ＩｌｔＯⅡ¨１。由于ＣＣＤ摄像机具有寿命长、耐灼伤、图像清晰度高、工作稳定可靠、对震动和冲击损伤的抵抗力较强、体积小、重蟹轻等优点，已经越来越广泛地运用于．１：业诊断和过程监视中．通过ＣＣＤ摄像机，
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墼．苎＝兰
光信号被转化为电信号。对于彩色ＣＣＤ而言，摄像机通过条纹滤波器把来自景物的入射光分解为不同比例的Ｒ、Ｇ、Ｂ三原色图案。‘图像卡的任务是将ＣＣＤ输出的模拟信号经过采样、离散后存储在计算机内。图像采集卡包括数字化仪、缓冲寄存器和显示逻辑。ＣＣＤ摄像机将拍摄对象转换成全电视信号，数字化仪对摄像机输出的模拟图像信号进行等时间间隔采样，把每个采样点的光强转换成０，２５６的灰度级，并按顺序存入缓冲寄存器，在缓冲寄存器中存储的便是数字化图像。这样，计算和处理时，计算机可经缓冲寄存器对每个象紊进行访问。
§２．３．２可视化燃烧诊断和温度场测量系统的研究现状
关于图像处理技术在燃烧诊断和温度场测量中的运用，国内外的研究者已经进行了一定的探索。
日本由于电站锅炉用煤是从世界各地进口的杂牌煤，煤质情况复杂，而本国的环保标准又十分严格，因此日本最早将图像技术应用到火焰监测中，并开展了与此相关的燃烧控锖Ⅱ技术的研究。日本的日立研究实验室Ｋｕｒｉｈａｒａ等［１２１研制了火焰图像识别系统（ＦＩＲＥＳ，ＦｌａｍｅＩｍａｇｅＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ），并在本公司１９８５年问世的ＨＩＡＣＳ－３０００系统（１训中应用该技术获得了火焰温度场的分布，同时进行了燃烧经济性和Ｎｏｘ的估算等。随后，该公司的Ｍ．Ｓｈｉｍｏｄａ提出了类似于比色法的图像温度测量方法，并提出了多燃烧器未燃烬碳生成的预测模型，在日本仙台电站１７５ＭＷ机组上得到实施【ｌ”。
日本三菱公司的光学图像火焰扫描系．统（ｏＰＴｉｓ，ＯｐｔｉｃａｌＩｍａｇｅＦｌａｍｅＳｃａｎｎｅｒ）ｔ‘５心ｌ采用光学图像传感器提高了系统对火焰的灵敏度和鉴别能力．据称系统能够较好地克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器的火焰信号的干扰，该系统的功能主要为火焰形状识别和火焰稳定性判断等。我国上海宝山钢铁公司自各电厂的锅炉机组采用了该系统的第一代产品（ＯＰＴＩＳ．Ｉ），以监视整个炉膛火焰状况，该系统的图像效果清晰，可以清楚地观察到锅炉四角燃烧形成的切圆。
芬兰ＩＶＯ公司［１７１的燃烧监测与数字分析系统（ＤｌＭＡｃ，ＤｉｇｉｔａｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ），于１９８８年首先用于芬兰Ｒｕａｈａｌａｈｔｉ一台８０ＭＷ的泥煤和煤混烧的电厂锅炉，它采用光学系统将图像传送给炉外的图像传感器，通过专门开发的图像分析卡（ＩｍａｇｅＡｎａｌｙｚｉｎｇＢｏａｒｄｓ）转换成数字信号进行分析，据称该系统具有降低炉膛出１：３氧浓度，提高燃烧效率．减少辅助燃油量等功能。
在国内火焰图像处理领域中．清华大学吴占松［ｔｓＩ首先进行了小型发光火焰温度分布测量的研究．推导了图像亮度信号与火焰温度之间的关系，经黑体炉标定获得了多项式回归模
Ｉ
塑垩奎兰堡主兰垡笙壅苎三盐苎墼里竺丝墨苎查盟查塑墨堡薹翌墨塑塑！！！；生型，开创了国内火焰图像处理的先河。并且。随后开展了非对称火焰三维温度分布重建的研究，通过在计算中加入内部火焰分布平滑的先验假设，给出了非对称火焰的三维温度分布测量的重构算法【【…。
上海交通大学的徐伟勇洲叫等采用传象光纤和数字图像处理技术开展了电站锅炉燃烧火焰检铡的研究，将火焰亮度及其变化历史趋势作为判断燃烧稳定性的依据，并致力于通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环控制的研究。其研究成果已应用到电站锅炉的运行中－图像监测产生的“ＯＮ－ＯＦＦ”信号并入到锅炉燃烧控制系统（ＦＳＳＳ）中。
原电力部南京自动化研究院的许柯夫【“，提出在６００－７００ｈｍ波段内，避开炉壁面辐射的影响，使用中心波长不同的干涉滤光片同时摄取图像，利用比色测温的原理，消去中间介质吸收的影响，不需进行黑体标定，以进行辐射温度的测量。研究者在电厂中利用现有的内窥式光学系统采集火焰图像进行了实验，之后根据实验结果提出了应研究专门适用于比色测温法用的比色摄像机，以及使用传像光纤装置代替现有的潜望镜式光学装置等建议。
华中理工大学周怀春等［２３１口’心】【２６１通过在ＣＣＤ前加装单色滤光片，获取了火焰的单色辐射图像，并借助辐射定律将单色图像与其中某一参考点ａ嘲射强度进行比较以获得温度场．其参考点用双色高温计或热电偶测温获得。根据所溯得的温度场进行燃烧工况诊断。该方法比较简单，是～种能在电厂现场实施的二维温度场测量方法。
此外，东南大学王式民等１２７１［２８１【２９１研制的全炉膛火焰监测及图像处理系统已运用到多家电厂中。系统对火焰图像数据进行动态处理，进而获得火焰的亮度均值、面积和形心坐标等参数，可预报炉内燃烧程度和发展趋势．以便提前报警。
浙江大学热能工程研究所于１９９２年开始炉内燃烧诊断和火焰辐射图像处理的研究，建立了油燃烧火焰、小型煤粉燃烧火焰、煤粉辐射特性沉降炉等试验台，开展了投影温度场、断面温度场，三维温度场及燃烧诊断的试验研究。并设计了可用于电站锅炉的火焰图像监控系统，在多家电厂进行了现场试验。已经有两套系统应用于工业现场。
主要的可视化炉臆火焰监视系统列于表（１．２）。
§２．３．３对现有的可视化燃烧诊断和温度场测量技术的分析
可视化燃烧诊断和温度场测量技术的域重要的目标一是判别火焰的灭火与否。二是进行场参数的测量．三是评判燃烧经济性和预测燃烧产物．但燃烧的判断和测量相当复杂，它不仅需要对火焰信号的正确获取，合适的探头安装位置。而且要考虑怎样避免背景光的影响．怎样避免由于燃料和风量的变化导致的着火位置的变化，以及建立正确的测量模型、选择可行的算法等等综合因素．
９
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蠢荽二≥麓茹，ｆ
第一章
袭卜２田内外炉腱火焰图像研究进展
单位型号（或研制嗣墨方法监视对童主要功齄应用场合１
者）
日本日立公（ＦｌＲＥＳ）比色法单元火焰火焰特征、日立实验室
司ＨＩＡＣ￥３０００ＮｏＩ、ＵＢＣ
日本三菱重ＯｐｌｌＳ单元火焰香港拉玛电
芬兰ＩＶＯ公ＤｌＭＡＣ单元火焰燃烧效率、安芬兰Ｉｎｋｏｏ电
司全运行厂
清华大学吴占松直接辐射单元火焰铡温、ＮＯ。实验室
上海交通大徐伟勇单元火焰伪彩锦州电厂
堂
华中理工大周怀春参考点法垒炉膛神经同络诊青山电厂
学断
南自所许柯夫比色法单元火焰景Ｉ温实验室
安搬大学葛传力垒炉臆灭火报警九江电厂
东南大学麻庭光参考点法全炉艟铡温、诊断新海电厂
浙江大学热能所三维重建单元火焰灭火报警、温嘉兴电厂
度场测量、燃
烧诊断
分析国内外现有的火焰图像处理系统，我们可以发现还存在以下的一些问题：
１．火焰检测不够准确
首先，探头安装位置难以选择。可视化火检器的功能无非有三个：监视单个煤粉燃烧器、
监视单个燃油燃烧器、全炉膛火焰监视。因此，如果是监视单个煤粉燃烧器，必须将探头对
准燃烧器出口，可以看到煤粉从喷出到完全燃烧整个过程。如果是全炉艟火焰监视，就必须
对整个炉膛的火球进行监视。但是，从目前的情况看，由于ＣＣＤ摄像机的视场角和景深的
限制，要选择一个能够较为全面反映炉膛火球的位置并非易事。变通的方法是在炉膛顶部和
３其它特征部位安装ＣＣＤ，然后将其综合分析后作为灭火依据．上海交大的智能型火检器提
出了根据燃烧器出口着火点位置判断灭火与否的算法。为了减小火焰波动对判别结果的影
响，采用特征值多帧平均的方法予以校正．
其次，燃烧状态变化带来的火焰漂移也会对燃烧的诊断带来影响。对于单个燃烧器的火
检，当来煤的挥发分较多．水分、灰分较少．热值较高时，着火点提前，着火闪烁区域也前
移．火焰传播速度也会随煤粉空气比例的不同、灰分的多少而变化，火焰燃烧的闪烁频率和
ｌＯ
塑！三盔堂堡主堂堡堡壅墨±生苎垫望堡些里垫查塑丝塑墨鏖孥型苎塑丝堡垒！．＿光谱强度信号要经常整定；有时，着火点甚至可能移至火焰检测点视角范围以寅卜，降低了检测的可靠性，也会给电厂运行操作带来很大困难。东锅厂的火焰监视系统采用分层判断的逻辑进行全炉膛火焰是否灭火的判断。由于相邻燃烧器的偷看现象，无法实现单个火嘴的火焰检测。
“偷看”现象也会给判别的正确性带来影响。这个问题主要是针对单火检而言。实际应用表明，偷看现象的影响来自两个方面，一是锅炉炉膛中心的火球对单个燃烧器的影响；二是不同层的邻近燃烧器带来的影响。正是由于偷看现象的影响，才导致了火检装置的误报。
２．温度场三维重建刚刚起步
运用摄像型图像处理系统从事温度场分布的测量是一项复杂的技术。目前见诸报导的此项技术有：日本日立公司的ＨＬＡＣＳ．３０００系统，采用双色法计算温度场，并由此计算未燃烬炭的分布；清华大学吴占松运用双色法计算了温度场分布；华中理工大学周怀春提出了利用参考点计算二维温度场分布的方法。但这些计算都是基于二维投影温度场的。
由于ＣＣＤ获取的图像是三维的火焰辐射在成像方向上的投影，所以只有进行“由投影重建”的过程，这样计算出的场参数才有意义。而现有的火焰图像处理系统大部分都还没有涉及到三维重建。华中理工大学的研究人员提出了将图像法与数值模拟相结合，以及将温度场和光学参数进行同时迭代的方法，但未见有现场实施报导。
３．缺乏对火焰辐射特性的深入研究
火焰的辐射衰减系数是一个很复杂的参数，与火焰成分、测量波长、粒子分布和大小和温度等一系列因素有关。而现有的研究和应用基本上没有考虑辐射衰减对温度场计算的影响。
４．应用于大型锅炉炉膛火焰的温度场测量系统较少
开发火焰温度场测量和燃烧监控系统的重要目的是应用于锅炉现场。到目前为止，研究者在大容量电站上开发的系统一般只具有燃烧监视功能，要做到进行温度场的在线测量，特别是三维的在线钡４量还很匿难。因为这不仅涉及到－［程上的安装和设计，更重要的是，必须要有一套完整的测量方法。测量方法的建立，涉及到模型、算法、对误差的评估等一系列的问题。日立公司开发出预测ＵＢＣ的炉膛图像处理系统较为完善，但是它是建立在投影温度场测城的基础上的。
§３．本文的主要研究内容和创新点
本文的主要研究内容是：以图像处理技术为手段，建立了一套进行火焰温度场、浓度场
苎＝苎—一———————■咝一测量和燃烧诊断的方法并实现了在３００ＭＷｅ燃煤电站上的工程应用．首先?对测量对象（炭
粒、飞灰和气体等炉内弥散介质）、测量模型（投影温度场测量模型、截面温度场测量模型、
三维温度场测量模型）、计算方法（求解温度场的ＡＲＴ算法和求解浓度场的最优化算法）进
行了研究。在此基础上，将火焰图像处理技术投入实际应用。分别在实验室、流化床锅炉和
燃煤锅炉上进行了试验研究，开发出嘉兴电厂降炉火焰监控系统，并在该系统上进行了温
度场测量和燃烧监控的研究。最后，对图像处理系统在燃烧诊断、污染物预测上的应用进行
了探讨，并且将人工神经网络用于火焰燃烧状态的预测．
本文的主要创新点是：
１．在对炉内辐射介质研究的基础上，建立了二维温度场测量模型，并且提出了运用ＡＲＴ
进行求解的方法。整套温度场测量模型得到了工程实践的检验。
２．首次在３００ＭＷｅ的大型燃煤机组上实现了三维温度场的测量。负荷变化时的测量结果准
确地反映了炉内燃烧状况，并且能够对高温区的位置进行判断。
３．运用图像处理的方法，进行了火焰截面炭粒浓度场的计算。
４．对火焰燃烧诊断方法进行了研究，提取了判断炉膛火焰燃烧状态的特征参数，运用人工神经网络判断火焰的燃烧状态，并且在应用中得到了验证。
５．对火焰的光谱进行了分析，研究了火焰光谱与燃烧状态的关系。
６．在炉内温度场计算的基础上，提出了根据火焰图像进行污染物ＮＯ。预测的方法。
本文按照理论和应用部分分为上下两篇。
上篇是理论篇，包括三章：
第二章对炉内弥散介质的辐射特性进行研究。包括对辐射传递方程的研究和简化，以及
计算炉内的炭粒和飞灰的辐射特性，最后导出弥散介质辐射衰减系数的求解方法。
第三章建立了温度场和浓度场测量的数学模型。提出了计算投影温度场的比色法，在分
析了如何选择测量波跃后，建立了截面温度场和浓度场的求解模型以及三维温度场的求解模
ｌ
型。
第四章研究求解算法，并进行数值模拟计算。提出了复杂非线性方程的求解策略，建立
了温度场和浓度场的解法，通过数值模拟进行计算误差的估计和现场布置参数的选择。
下篇是应用篇，包括三章：
第五章是火焰温度场和浓度场测量的试验研究和误差分析。包括燃油火焰、小型燃煤火
焰、流化床燃烧火焰、大型电站火焰的投影温度场和截面温度场、浓度场以及三维温度场的
测量．并对测量中可能出现的误差进行分析。
第六章是图像处理系统在３００ＭＷｅ燃煤电站锅炉上的应用，介绍嘉兴电厂Ｊ＃炉图像监
１２
场的变化大致推断出高温区的偏置情况。．。
第七章是图像处理系统在燃烧诊断方面的应用。主要研究火焰的光谱分布与燃烧状态的关系、火焰特征参数、基于神经网络的燃烧状态判别和污染物Ｎｏｘ的预测方法。
浙江大学博士学位论文基于计算机图像处理技术的火焰温度场测量和燃烧诊断
上篇
理论篇
４
塑堑查堂苎主兰竺堡塞苎王生墨墨堕堡竺堡垫查堕盔丝塑堡蓼掣曼塑塑塑堡堑第二章炉内弥散介质的辐射特性和传递模
型，．
煤粉炉炉内燃烧系统是一个极为复杂的非线性系统。火焰燃烧过程是与空气、燃料及燃烧产物的流动过程同时进行的，与炉内辐射密切相关的不仅有各种固体颗粒（炭粒和飞灰等），而且还与具有辐射和吸收能力的气体有关。基于辐射图像的燃烧场测量系统中，ＣＣＤ获得的信号是沿光线的某一传播方向上的一束射线的辐射强度累积值，因此，必须考察所得到的累积辐射强度是如何传递而来的。
在火焰的传递过程中，弥散介质中的固体和气体粒子云都会对辐射产生吸收和散射作用，最终导致了沿传递方向上的辐射衰减。在本文所建立的火焰图像处理系统中，所选用的测量波长是可见波长波段。因此本章着重对炉内弥散介质在可见光测量波长５６０ｎｍ处的辐射特性进行了研究。关于测量波长的选择，在本文后面的第三章§２有详细的讨论。
§１．火焰辐射传递方程
我们取一微元体△Ｖ，考查进入微元体ｓ方向的辐射能和离开微元体ｓ方向的辐射能之间的能量平衡，微元体的几何参数如图（２．Ｉ）所示。
△ｕ
圈２－ｌ微元体能量平衡示意图