一种燃煤火电机组炉内燃烧能量辐射能信号的构建方法

摘要

一种燃煤火电机组炉内燃烧能量辐射能信号的构建方法，属于火力发电厂锅炉燃烧监测及控制技术领域。首先，通过沿炉膛不同高度位置上布置的多只火焰图像探测器获得燃烧火焰的图像信息，实时计算每一幅图像的灰度值并转化到与机组实发电功率相同的量程范围，将其定义为初始辐射能信号。再次，利用机组实发电功率的值对初始辐射能信号进行动态补偿的数据处理，得到最终的辐射能信号。最后，将该辐射能信号作为炉内能量水平的检测量输出到火电机组的协调控制系统中。应用结果表明，该方法构建的辐射能信号能够有效反映炉膛火焰的脉动性，并消除了因探测器积灰、结焦等因素造成的信号偏差，能够适用于不同类型、不同容量机组的连续在线优化控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃煤火电机组炉内燃烧能量辐射能信号的构建方法，属于火力发电 厂锅炉燃烧监测及控制技术。

背景技术

利用炉内火焰辐射成像监测系统获取辐射能信号，准确反映炉内燃烧过程释放能量 的在线监测技术(周怀春，炉内火焰可视化检测原理与技术，科学出版社，2005年5 月，pp.306-309)在火电机组协调优化控制领域取得一定成果。

该技术是通过在煤粉燃烧锅炉不同高度、位置上安装多只高温火焰图像探测器，拍 摄炉内火焰图像，经图像处理技术、辐射传热理论及先进求解策略获取辐射能信号。由 于火焰彩色图像亮度直接正比于图像探测器接收到的辐射能，在图像采集和处理条件固 定的情况下(镜头光圈、照相机快门、增益和白平衡等影响图像信息的条件不发生变化)， 可直接从图像的灰度值中获得相对辐射能信号，可以称之为辐射能信号初始值。该值能 够快速反映炉膛空间燃烧状况，与机组的关联性强，但探测器在使用过程中受结焦、积 灰、镜片变色等影响，初始辐射能信号值会出现不稳定，脉动大、可靠性差的情况。在 此基础上，中国专利文献公开了一种修正辐射能静态偏差的方法【申请号： 201310301791.7】，介绍了一种具体的解决办法，在一定程度上消除了各因素对辐射能信 号准确性的影响。

为了完善对初始辐射能的优化计算，更好的适应不同类型、各种容量的机组，并经 长期的工程实践应用，现提出一种最新的辐射能信号检测及构造方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种燃煤火电机组炉内燃烧能量辐射能信号构建方法，使其获 得的辐射能信号具有准确度高、适用性强、不受干扰等特点。

本发明的技术方案如下：

一种燃煤火电机组炉内燃烧能量辐射能信号的构建方法，其特征在方法包括如下步 骤：

1)、沿炉膛不同高度位置上安装多只火焰图像探测器，获取炉内火焰辐射图像信息， 经图像处理技术实时计算图像的灰度值GSU_i,j，其表达式:

GSU_i,j＝0.11R+0.59G+0.23B        (1)

其中，i为火焰探测器的个数，j为每个探测器采集图像的张数，每张图像计算得到一 个灰度值；R、G、B分别为图像三原色红、绿、蓝信息值，并定义图像的灰度值GSU_i,j为初始辐射能值；

2)、以机组的实发功率作为基准对初始辐射能值做动态量程换算，依据式(2-3):

$k_{1,i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{P}_j/{\mathrm{GSU}}_{i,j}}{M}---\left(2\right)$

E_i,M＝k_1,i·GSU_i,M       (3)

其中，k_1,i为第i个探测器获得的初始辐射能信号的比例系数，M为计算比例系数数据段 的数据长数，GSU_i,M为第i个探测器获得的初始辐射能信号在第M时刻的数,E_i,M即为 M时刻换算到与机组负荷同量程的辐射能值；

3)、筛选其中正确反映机组负荷变化的初始辐射能信号，依据式(4-5):

|E_i,M-P_M|≤E_thr       (4)

$E_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{N^{\prime }}{\Sigma }}{E}_{i,M}}{N^{\prime }}(N^{\prime }\le N)---\left(5\right)$

其中，P_M为对应M时刻的实发功率值，E_thr为设定的阈值，N为总探测器个数，N′为 满足式(4)的探测器个数，E₀即为筛选后的正确反映能量变化的辐射能信号均值；

4)、对机组在负荷变化剧烈阶段的辐射能信号E₀优化：

$k_2=(a^{\prime }+b^{\prime }·P)/(a^{\prime }+b^{\prime }·\bar{P})---\left(6\right)$

E＝k₂·E₀       (7)

其中，k₂为第二个修正系数，a'，b'是k_1,i随机组功率变化的均值与发电功率P经 最小二乘法计算得到的系数，为发电功率均值，E即为反应炉内能量水平高低,最后输 出的辐射能值。

本发明与相应技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：

本发明主要是运用了两次比例系数修正环节和一次阀值判断环节，第一次比例修正 是将图像的灰度值，即初始辐射能值转化到与机组实发功率相同的量程；阀值判断环节 是剔除因图像探测器的运行过程中受到结焦、积灰等因素所带来的错误信息的影响。第 二次比例修正是依据第一个修正系数与机组功率的线性关系来消除剧烈变负荷阶段辐 射能信号过大或过小的偏差；最终得到的辐射能信号是炉内能量水平的检测信号，在燃 烧指令发生变化的时候辐射能信号能及时的反映出来，其值的过大或者过小反映了内燃 烧率要么“供大于求”，要么“供小于求”，并且该方法构建的辐射能信号不受测量噪声的 影响，可以作为机组的运行参数输送到协调控制系统中参与燃烧优化控制。因此该方法 可以消除由机组负荷升降剧烈时对辐射能修正过小或过大的影响，最终将辐射能信号输 出。经实践结果证明，输出的辐射能信号既能够有效反映炉膛火焰的脉动性，又消除了 探测器积灰结焦所造成的信号偏差，能够适用于不同型号、不同容量的燃煤机组。对参 与锅炉燃烧及机组协调的优化控制提供了一个很好的在线检测手段。

附图说明

图1为火焰在线监测系统结构图。

图2为辐射能信号构建方法流程图。

图3为图像的灰度值与实发功率对比曲线。

图4为探测器CCD13获得图像灰度值与实发功率对比，可以发现在9:10及9:40时 刻出现较大的错误信息。

图5对原始辐射能信号阀值判断，给出了4层火焰探测器中每层的代表，通过阀 值上下限剔除误差数值。

图6为经阀值判断后的原始辐射能信号均值，计算该均值的来源个数是动态的，与 机组实际发电功率对比，可以看出两者的差异。

图7a、图7b为升降负荷阶段的初始辐射能信号误差，偏小、偏大在图中用圆圈标 出。

图8a、图8b为最终辐射能信号与机组实发功率对比。

图9a、图9b和图9c分别为在200MW、300MW、600WM锅炉中辐射能检测系统 的应用，最终输出的辐射能信号与实发功率在一天的对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明提供的一种燃煤火电机组炉内燃烧能量辐射能信号构建方法，其具体的实现 方法如下：

一、安装在燃煤锅炉炉膛1内不同高度位置上的火焰探测器获取炉内的火焰辐射图 像信息，并通过视频采集系统2送到硬盘录像机中合成一副图像3，经图像处理技术实 时计算图像的RGB值，求其代表相对辐射能信号的灰度值GSU(gray-scale-unit)，如 表达式：

GSU_i,j＝0.11R+0.59G+0.23B       (1)

其中，i为火焰探测器的个数。j为每个探测器采集图像的张数，每张图像计算得 到一个灰度值。

二、炉膛辐射能信号是燃料在炉膛燃烧释放的能量反映，它通过辐射传热、对流 传热等方式传递到汽水系统中，并最终转换成发电机的输出电能。所以，炉膛辐射能的 变化最终导致机组发电量的变化，炉膛辐射能与机组的实际发电量变化方向是一致的。 基于此，以机组的实发功率作为基准对代表辐射能信号的灰度值GSU_i,j做动态跟踪计 算，依据式(9)：

$k_{1,i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{P}_j/{\mathrm{GSU}}_{i,j}}{M}---\left(2\right)$

k_1,i为第i个探测器获得的初始辐射能信号的比例系数，M为计算比例系数数据段的 数据长数，GSU_i,M为第i个探测器获得的初始辐射能信号在第M时刻的数值：

E_i,M＝k_1,i·GSU_i,M      (3)

E_i,M为M时刻换算到与机组发电功率同量程的辐射能值；

三、筛选其中正确反映机组负荷变化的原始辐射能信号，方法是将与机组发电功率 同量程的辐射能信号E_i,M与当前的实发功率P_M作差值计算，如下式：

|E_i,M-P_M|≤E_thr     (4)

E_thr为设定阈值，P_M为对应M时刻的实发功率值。不满足上式的辐射能信号说明 图片中含有的错误信息较大，需要剔除，依据式(5):

$E_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{N^{\prime }}{\Sigma }}{E}_{i,M}}{N^{\prime }}(N^{\prime }\le N)---\left(5\right)$

其中，N为总探测器个数，N′为满足式(4)的探测器个数，E₀即为筛选后的正确 反映能量变化的辐射能信号均值。E_thr的选取既要保留能反应炉内正常能量波动的探测 器信息，又要将无效的或者受到结焦等因素较大的探测器信息剔除，起到一个限定误差 范围的作用。需要注意，由于燃烧工况与探测器工作状况的不同，其中正确反映炉内能 量变化的原始辐射能信号的数量N′也是动态变化的。

四、在机组负荷变化剧烈阶段的单个辐射能信号修正时，由于辐射能值是由当前测 量值与修正系数k_1,i的乘积获得。由于辐射能信号受到燃烧量增加时，本身的快速反应 能力，导致辐射能值会迅速增加，而此时机组功率受到汽水传热系统的延迟的影响，增 加速度较辐射能信号缓慢，此时由两者的均值计算得到的修正系数k_1,i会偏小，导致辐 射能信号初始值E₀也会偏小，同理机组降负荷时，辐射能信号初始值E₀会偏大。因此 引入第二个比例修正系数k₂，设定为k_1,i随机组功率变化的平均值，用与机组发电 功率的线性关系行动态修正，如式(6-7)：

${\bar{k}}_1=a^{\prime }+b^{\prime }·P---\left(6\right)$

$k_2=(a^{\prime }+b^{\prime }·P)/(a^{\prime }+b^{\prime }·\bar{P})---\left(7\right)$

其中，P为当前时刻机组负荷值，为一段时间的负荷均值。

经过该步骤的处理后，最终辐射能信号值E的表达式为：

E＝k₂·E₀     (8)

实施例：

本发明有相应的软硬件支持，其具体的实现方法如下：

安装在炉膛不同高度位置上的火焰探测器获取炉内的火焰辐射图像信息，以16只 火焰探测器分4层，每层4只在300MW的亚临界锅炉上应用为例，其结构如图1所示。

首先设置火焰探测器中CCD相机的参数固定，保证图像清晰，又不能饱和的状态， 驱动SDK2000视频采集卡完成火焰辐射图像的采集。将16路视频信号由硬盘录像机合 成一幅火焰辐射图像输送到计算机系统。

构建辐射能信号的步骤流程如图2所示。每个探测器捕捉的正常的火焰图像亮度代 表着炉壁面及CCD视场角内空间的能量经发射、吸收、散射到达靶面的有效辐射能量， 因此其值与实际发电功率具有相同的变化趋势，但是受到探测器工作环境及状态的影 响，会出现结焦、积灰的现象，造成图像的不真实，相应的代表辐射能的图像灰度值出 现偏差，例如图3中的探测器CCD13。局部放大图4，可以清楚的发现在9:10及9:40 时刻出现较大的波动，这是由于探测器结焦造成的，等到焦脱落后，图像灰度值又恢复 到正常值。

利用修正系数一，对初始的灰度值进行动态计算，完成了与机组实发功率相同量程 的处理。设定阀值E_thr＝30，即原始辐射能值与实发功率的差大于该阀值时，该对应的 辐射能信号会被剔除，不参与后面的辐射能计算。如图5所示，经阀值上下限判断的中 间数值为正常信号，满足要求的原始辐射能信号求其均值得到辐射能信号初始值，如图 6所示。

当机组在变负荷阶段运行时，如在升负荷，由于辐射能信号受到燃烧量增加的响应 速度快于机组实发功率导致第一个修正系数会偏小，从而得到的辐射能初始值偏小，同 理机组降负荷时辐射能初始值会偏大。如图7a和图7b中圆圈标示所示。利用各负荷下 修正系数k_1,i的均值机组功率的线性关系，利用式(7)得到的第二个修正系数k₂对辐 射能信号初始值比例微调，注意其中计算实发功率均值的时间段长度可以根据实际效 果调节。最后由式(8)计算最终辐射能信号E，结果如图8a和图8b所示。

通过该方法构建的辐射能信号能够正确地反映炉内燃烧能量的变化，其物理意义代 表的是当前炉膛内燃烧放热量与机组功率能量需求的对应关系。本发明的辐射能计算方 法适用于各种类型、各种容量的机组，如图9a、图9b和图9c所示。辐射能信号与机组 负荷两者的差异反映了炉内燃烧调整并没有到位。进一步缩小两者之间的差异是优化锅 炉汽轮机热力系统控制的目标，也是本发明的意义所在。