锅炉过热器壁面温度红外图像测量技术研究

摘要

温度是燃煤电站锅炉安全运行中最重要的参数之一，高温过热器由于承受很高的温度且所处环境十分恶劣，其壁面温度的精确测量一直都是锅炉技术中的重点也是难点。研究高温过热器壁面温度测量技术，有助于了解高温过热器运行过程中的物理化学变化，掌握设备的运行过程规律及使用寿命情况，也有助于锅炉重要高温部件的工程设计改进和运行优化。本文提出了一种高温过热器壁面温度的非接触式测量方法，基于红外图像法获取壁面的真实温度分布。
　　本论文首先介绍了热辐射传输机理的相关概念，在此基础上阐述了热辐射测温的基本原理，接着介绍了以红外CCD相机为主的测温系统的结构及其工作原理，阐述了广义源项有限体积法在快速求解弥散介质中任意方向的辐射强度大小上的应用，然后结合该方法将红外图像测温法引入高温过热器壁面温度测量中，从而建立烟气遮蔽下的高温壁面温度红外图像测量数学物理模型，通过模型简化，在求解辐射传输方程正问题的基础上，提出采用量子微粒群算法(QPSO)和最小二乘QR分解法(LSQR)来分别反演烟气物性参数和壁面温度场的真实分布。
　　为了研究介质物性参数变化对辐射传输以及温度反演的影响，本文先后对广义源项有限体积法、LSQR算法和QPSO算法在模型中的可靠性进行了验证，并在此基础上通过数值模拟的方法，分析了壁面发射率、烟气物性参数对壁面温度测量的影响，结果证明了红外图像法测温的有效性。
　　在实验方面，首先利用黑体炉对CCD相机进行了二次标定实验，建立了温度与辐射强度的关系。接着搭建了基于红外图像法的测温实验台，实验台包括环境模拟系统、相关数据处理系统以及红外成像系统，利用烟气发生装置产生不同厚度和浓度的烟气，进行了烟气浓度和厚度变化对测温的影响实验研究，确定烟气物性参数，实现温度数据的重建。
　　结合红外图像温度测量方法，研制出了一套基于CCD相机的烟气遮蔽下的壁面温度测量系统，测温系统应用于广东靖海电厂4＃1000MW机组，对高温过热器第二片管屏温度进行了测量，系统主要包括成像装置的冷却系统和现场数据的处理系统，冷却系统充分考虑了炉内外环境因素对设备的影响，保证成像设备所处环境温度正常;现场数据处理系统满足了主控室对现场数据的接收要求。最后并对现场试验数据进行了提取和分析，结果证明了红外图像测温法测量烟气遮蔽下的高温过热器壁面温度的有效性，并且具有很好的灵敏性和稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 高温过热器壁面温度测量现状

1．2．1 高温受热面热力计算方法的发展

1．2．2 锅炉过热器壁温测量技术的发展

1．3 红外图像测温技术研究进展

1．4 课题研究内容

第二章 壁面温度的红外图像测量原理

2．1 红外图像法测温模型

2．1．1 热辐射传递机理

2．1．2 红外CCD相机工作原理

2．2 热辐射传输的计算方法

2．2．1 辐射传输的基本原理

2．2．2 广义源项有限体积法’

2．3 烟气物性参数及温度反演方法

2．3．1 最小二乘QR分解法(LSQR)

2．3．2 量子微粒群算法(QPSO)

2．4 本章小结

第三章 壁面红外辐射测温数值模拟研究

3．1 广义源项有限体积法的验证

3．1．1 一维大平板介质

3．1．2 二维方形介质

3．1．3 三维圆柱介质

3．2 反演算法的验证

3．2．1 最小二乘QR分解法的验证

3．2．2 量子微粒群算法的验证

3．3 物性参数的影响

3．3．1 发射率的影响

3．3．2 吸收系数的影响

3．3．3 散射系数的影响

3．3．4 散射反照率的影响

3．4 本章小结

第四章 红外图像测温系统及实验研究

4．1 实验设备介绍

4．1．1 环境模拟系统

4．1．2 红外成像系统

4．1．3 数据处理系统

4．2 相机二次标定实验

4．2．1 相机标定实验

4．2．2 辐射强度标定

4．3 红外图像测温实验

4．3．1 烟气厚度的影响

4．3．2 烟气浓度的影响

4．3．3 烟气物性参数的确定

4．3．4 温度的校正

4．4 本章小结

第五章 在线测温系统开发及现场数据分析

5．1 在线测温系统设计

5．1．1 成像装置的冷却系统

5．1．2 现场数据的采集系统

5．2 红外图像法测温系统的现场应用

5．2．1 靖海电厂2016年6月份启炉过程实验

5．2．2 在线测温装置的温度数据

5．2．3 现场数据可靠性分析

5．3 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介