火焰图像探头及用其实现火焰图像采集的方法

摘要

一种火焰图像探头及用其实现火焰图像采集的方法，用于图像处理和工程热物理领域。本发明探头是一种多层套管结构，光纤镜头套在金属散热管内，之间由微型漏空扇形圆盘架固定，在金属散热管外再套绝热陶瓷管，热线阻隔半球形玻璃罩设置在绝热陶瓷管最前端，最外层由绝热陶瓷管和热线阻隔半球形玻璃罩连接构成光纤镜头的绝热层。采集方法如下：火焰图像探头安装在锅炉二次风的风道中，光学镜头安置于二次风口后端，调节光纤曲率来改变光学镜头仰角，镜头产生的光学成像通过光纤导向传至锅炉外墙设置的电荷耦合器，经电荷耦合器转换后的彩色图像电子信号经视频电缆远距离送至中央控制室对图像进行处理，并根据控制系统的控制策略计算控制量输出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种火焰图像探头及用其实现火焰图像采集的方法，具体是一种双风冷热线阻隔火焰图像探头及用其实现锅炉燃烧器火焰图像采集的方法。用于图像处理和工程热物理领域。

背景技术

为了提高热力发电厂燃料燃烧率控制品质，仅仅依靠热电偶采集炉膛温度是不够的，直接观测锅炉燃烧器火焰图像才是保证控制目标的技术关键。由于被观测火焰温度一般都在1400℃以上，受锅炉原有结构设计和火焰图像采集技术的限制至今尚没有最为完善的燃烧器火焰观测技术。

经文献检索发现，周怀春在《动力工程》第23卷第1期(2003年2月)上刊登的文章“炉膛燃烧温度场三维可视化监测方法模拟研究”，该文章介绍一种针孔成像条件下快速方法计算CCD靶面接收的辐射能重建三维燃烧温度场的方法。同时得出结论：炉膛四周沿高度方向每隔5m左右交叉对角布置两个辐射图像采集装置能够获得较好的全炉膛温度场可视化结果。文献系基于针孔成像条件下的正则化计算建立模拟可视化温度场，没有对燃烧器全彩色火焰图像进行采集，更无相关的采集装置。在进一步的检索中还发现，张新伟在《华东电力》2002年第5期上报道的“对锅炉火焰检测装置的探析”介绍采集火焰图像所采用的一种探头结构。该结构由光纤靠近火焰，将探头放置于光纤后部，并由冷却风集中对探头进行冷却。该技术对前部光纤冷却保护和光学成像的效果不如光学镜头放置前部聚焦成像效果好。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种火焰图像探头及用其实现火焰图像采集的方法，通过设计图像采集光纤镜头的冷却结构和采集点的布置设置法，使其能采集锅炉燃烧器火焰图像的完整信息，提高光纤镜头冷却效果，不必对现有锅炉设备做任何破坏性改动，现场安装简捷。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明火焰图像探头是一种多层套管结构，包括光纤镜头、金属散热管、绝热陶瓷管、热线阻隔半球形玻璃罩、微型漏空扇形圆盘架。光学镜头与光导纤维连接而成的光纤镜头套在金属散热管内，在金属散热管外再套绝热陶瓷管，热线阻隔半球形玻璃罩设置在绝热陶瓷管最前端，整个探头的最外层由绝热陶瓷管和热线阻隔半球形玻璃罩连接构成光纤镜头的绝热层，在绝热层的内侧间隔一定距离设置一个首尾敞开式的传热系数很高的金属圆管，为金属散热管。光纤镜头处于金属散热管内侧的中轴位置上，其镜头通过微型漏空扇形圆盘架与金属散热管内侧相紧固，保证了冷却空气的强制流通。

本发明探头冷却过程分内芯冷却和外层冷却两种，可以保证光纤镜头在三层次散热保护技术下工作。首先火焰图像探头整个处于锅炉二次风的流道中，最外层始终接受二次风从外至里地直吹式吹风冷却。其次，热线阻隔半球形玻璃罩和绝热陶瓷管可以最大限度地阻断了锅炉炉膛对火焰图像探头的热辐射，使得传到火焰图像探头里层的温度已经可以降到180℃以下。最后再加上最里层(即内芯)的强制对流冷却，利用锅炉助燃二次风的现成风源，取其一小部分作为冷却空气对光纤镜头进行吹风。气流首先从光纤镜头的尾部进入，经头部向四周急速散流，在气压的作用下经由金属散热管、绝热陶瓷管之间的小间隙使得气流高速流出，将光纤镜头上的所有热量即时、不间断且最大限度地带出管外，因此大大降低了最里层的工作环境温度。

以上散热的主要方式是依靠对流传热。根据传热学原理，对流传热是指流体与固体壁面之间的传热。对流传热所产生的传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。温度差主要集中在层流底层中。这就是锅炉炉膛中的火焰温度高达1400℃以上，也丝毫不会影响到光纤镜头的热力学工作环境的双重风冷却加热线阻隔技术工作机理。也就是说，炉膛高温传至光学镜头时已经经过二次降温，效果极为显著。同时，实验证明，光纤镜头始终能够获得＞350mmH₂O的冷却风压和足够流量的冷却风量，因此彻底保证了光纤镜头始终能够工作于150℃以下的热力学环境中。本发明技术不仅保证了探头的使用寿命，而且降低了对探头制作工艺的要求。

基于以上的双风冷热线阻隔火焰图像探头，本发明实现锅炉燃烧器火焰图像采集的方法如下：直接利用处于锅炉炉膛底部一次风喷枪下层的二次风风道进行火焰图像探头的安装，每层4角分布、4层12点(或5层20点)，火焰图像探头安置于二次风口后端，通过调节光纤曲率使光学镜头具有合适仰角，因此可以全信息地获取燃烧器的火焰图像。镜头产生的光学成像通过光纤导向传至离开锅炉外墙适合位置设置的CCD(电荷耦合器)。经CCD转换后的彩色图像电子信号(AV)经视频电缆远距离送至中央控制室对图像进行处理，并根据控制系统的控制策略计算控制量输出。这种设置火焰图像采集点的方式，使得每个摄像镜头可以做到近距离、大视角实时采集锅炉每个燃烧器的燃烧火焰状态。

以下对本发明火焰图像采集的方法作进一步说明，具体步骤如下：

(1)将按照本发明制作的火焰图像探头安装于锅炉16个二次风道中，绝热陶瓷管和热线阻隔半球形玻璃罩绝热系数必须达到0.033W/m·℃以下，最高允许工作环境温度达到400℃以上，同时火焰图像探头处于工作状态时内层冷却风不得中断，才能保证在火焰图像探头外层直吹冷却风因故短时间中断的情况下不至于使火焰图像探头被炉膛的1400℃高温所烧毁。其次火焰图像探头内层强制冷却风的进风与出风接口连接必须完好密封以保证风道气流具有足够动压头和流量；

(2)调整确定光学镜头的仰角后，将火焰图像探头与二次风道的固定机械结构进行安装，安装中必须保证结构牢固，避免因二次风气流的流量变动而引起火焰图像探头的三维震动和移位；

(3)火焰图像探头光学成像输出通过光纤接口与延伸传输光纤连接将光学信号输入至CCD；

(4)CCD将接收到的光学信号在线实时地经电荷耦合与处理转化后输出标准视频信号AV或直接符合IEEE1394通信协议的数字图像信号DV；

(5)AV或DV通过电缆远距离输至总控制室中的图像处理器进行图像后处理及识别计算；

(6)图像后处理及识别计算由计算软件实现，图像后处理包括图像的实时显示、异常状态下的图像数字化存储，识别计算，系指将彩色火焰图像进行多种处理和转换以获得火焰分层、温度梯度以及对燃烧器燃烧状态的综合评价；

(7)根据图像后处理和识别计算结果确定控制决策输出，控制输出包括燃烧控制系统的控制量输出、人工交互或干预的信息提示以及极端状态下的报警信号。

本发明的采集图像经过数据处理后，不仅可以获得清晰的实时燃烧景象，同时可以向热电厂自动控制系统及人机对话系统中的运行控制人员提供火焰分层温度与燃烧状态分析数据、图表和结论等相关信息。而且还可以根据锅炉燃烧控制性能指标要求，向电厂运行系统的高层管理提供多种决策信息输出。其中，多点(16至20点)燃烧状态的在线实时监视、向机组运行控制器提供燃风比控制决策的直接依据等是以往技术所欠缺的。当然电脑中所存储数字图像可以作为历史资料供日后查阅及运行故障分析等之用。

同时采用本项发明可以使火焰图像采集点的布置不必对现有锅炉设备做任何破坏性改动，本发明技术使光纤镜头更加有效地获得冷却，因此光纤镜头的使用寿命明显延长，并可以工作于比现有同类产品更高的温度环境。安装镜头时，可以更深入靠近燃烧器、调节角度较大，因此容易获得更加清晰的火焰图像。

附图说明

图1本发明探头结构图

图2本发明方法火焰图像采集点布置示意图

图2-a采集点俯视平面布置图

图2-b采集点立面布置图

具体实施方式

如图1所示，本发明火焰图像探头是一种多层套管结构，包括：光纤镜头1、金属散热管2、绝热陶瓷管3、热线阻隔半球形玻璃罩4，微型漏空扇形圆盘架5，是一种多层套管结构，光纤镜头1套在金属散热管2内，两者之间由微型漏空扇形圆盘架5固定，在金属散热管2外再套绝热陶瓷管3，热线阻隔半球形玻璃罩4设置在绝热陶瓷管3最前端，整个探头的最外层由绝热陶瓷管3和热线阻隔半球形玻璃罩4连接构成光纤镜头1的绝热层。

光纤镜头1处于金属散热管2内侧的中轴位置上，其镜头通过微型漏空扇形圆盘架5与金属散热管2内侧相紧固。金属散热管2是在绝热层的内侧间隔设置的一个首尾敞开式的传热系数很高的金属圆管。

如图2所示，一旦实施了锅炉炉膛燃烧器火焰图像采集点的布置与安装，火焰图像探头在上述冷却风的作用下确保探头工作的安全和可靠，并实现对火焰图像的采集、光电转换、信号传输、信号处理与识别，直至控制信息的输出和显示。

火焰图像探头处于工作状态时，最外层利用锅炉二次风由外向里直吹进行外层冷却；内层强制冷却风取自锅炉二次风进入光纤镜头至热线阻隔半球形玻璃罩4内侧向四面急速散射，经由金属散热管2与绝热陶瓷管3之间的间隙反向流出。

镜头的光学成像通过外部的光纤对成像进行延伸传送至CCD。

以下结合本发明方法的内容提供以下实施例：

对象：30万千瓦单元机组

火焰图像采集点数：16

火焰图像探头至CCD光导距离：15～25m

CCD至总控室视频电缆距离：35～60m

图像采集与处理过程如下：

1、将按照本发明制作地火焰图像探头安装于锅炉16个二次风道中，并确保强制风冷却的进风与出风接口需保证连接完好密封以保证风道气流具有足够的动压头和流量。

2、调整确定光学镜头的合适仰角后，将火焰图像探头单元通过与二次风道的固定机械结构进行现场安装，并做到结构牢固没有因二次风气流的流量变动而引起火焰图像探头的三维震动和移位。

3、16个火焰图像探头光学成像输出通过光纤接口与延伸传输光纤连接将光学信号分别并行输入至16个CCD。16点火焰图像探头获得的16路光学成像分别经16只CCD转换成16路AV；

4、16路AV分别经由16根特性阻抗为75Ω的视频电缆输至16通道图像采集卡。

5、图像采集卡将视频信号AV转换为PC-104总线协议，由PCM-9577嵌入式系统实现对图像信号的处理、识别和控制量输出。

6、基于火焰图像信息计算地燃烧控制系统实现全新的燃烧直接控制效果。

7、同时实现极端状态的火焰图像自动记录和在人工干预下的数字图像存储。

实施效果十分显著：

1、16点火焰图像并行传至图像处理系统，并实时显示锅炉燃烧器火焰的实际燃烧状况。

2、火焰图像经过处理与识别，实时纠正每个燃烧器的燃风比，结合炉膛温度测量确保了每个燃烧器燃烧优化。经过实际检测证明使得单元机组地总体效率可以提高0.5～1.0％，经济效益十分可观。

3、根据图像识别系统自动完成燃烧器极端状态的声光报警，并极大地提高人工干预的准确性和可靠性。运行人员在人机交互过程多次及时对燃烧极端状态实施了人工干预，避免了因燃料的燃烧状态欠佳所存在的隐患。

4、在人工监视中实现对16点火焰显示的任意组合，即最多可以同时16个火焰，也可以全屏单独显示1个火焰。

5、实现对火焰图像的数字存储，供查阅和分析之用。