电站锅炉烟道内飞灰图像采集装置及光谱衰减系数和散射反照率的在线测量方法

摘要

本发明公开了一种电站锅炉烟道内飞灰的图像采集装置及飞灰光谱衰减系数和散射反照率的在线测量方法，其中图像采集装置包括一个一次空气滤净器；一个二次空气滤净器；一个炉墙基板；一个红外镜头；一个红外相机以及一个可调装置，该可调装置用于将红外镜头从舒适镜头穿孔伸进或伸出烟道，在红外镜头和红外相机的外侧还设置有一空心的罩壳，在所述罩壳内通入从所述罩壳前端开口喷出用于形成一保护气膜的压缩空气。本发明可以同时测量烟道内飞灰的光谱衰减系数、散射反照率和高温过热器表面的光谱发射率，具有较高的稳定性，可为电站锅炉重要位置温度在线监测及寿命评估等技术提供基础数据支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电站锅炉烟道内飞灰光谱衰减系数和散射反照率的在线测量方法及装置，属于材料热辐射物性测量技术领域。

背景技术

电站锅炉的重要部件，如：高温过热器、高温再热器、蒸汽联箱等，长期处在高温、高压、气体腐蚀、颗粒冲刷的恶劣坏境下，容易出现爆管事故，而超温蠕变是影响最大的原因之一，因此为了保障电站锅炉的安全稳定运行，需要对这些重要部件的壁面温度进行在线测量并进行寿命评估。目前常见的热电偶无法长期耐受高温环境，带冷却装置的红外相机实时在线监测炉膛和烟道内的高温物体的温度参数逐渐成为一种趋势。

由于红外相机测温利用的是热辐射的传输理论，在电站锅炉内承受高温高压的重要部件在烟道中，被热辐射参与性的气体和飞灰所覆盖，由于飞灰的存在，对相机探测的红外光线发生吸收、散射甚至发射作用，影响到红外相机的测温精度，因此必须要对电站锅炉烟道内飞灰光谱衰减系数和散射反照率进行测量，从而修正红外相机的测量温度。

锅炉烟道内飞灰的光谱衰减系数和散射反照率等热辐射物性参数跟飞灰的种类、流速、团聚、浓度都有关系，因此离线测量不能得到准确的热辐射物性参数，需要对它们进行在线测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种测量准确度高的电站锅炉烟道内飞灰光谱衰减系数和散射反照率的在线测量方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明装置所采用的技术方案是：

一种电站锅炉烟道内飞灰的图像采集装置，其特征是，包括：

一个一次空气滤净器，用于粗略过滤电厂杂用压缩空气中的水和油；

一个二次空气滤净器，用于精细过滤由一次空气滤净器粗过滤的压缩空气；

一个炉墙基板，用于连接炉墙并密封炉墙开孔，在炉墙基板内设有镜头穿孔，在炉墙基板内还设有一与所述镜头穿孔连通的内部腔体，在所述内部腔体通用于冷却的压缩空气；

一个红外镜头，用于收集进入视场内的红外信号；

一个红外相机，用于对红外镜头所收集的红外信号进行成像；

一个可调装置，安装在炉墙基板上，所述红外镜头及红外相机均连接在可调装置上，该可调装置用于将所述红外镜头从舒适镜头穿孔伸进或伸出烟道，在所述红外镜头和红外相机的外侧还设置有一空心的罩壳，该罩壳具有一位于红外镜头前端的开口，经所述二次空气滤净器过滤后的压缩空气通入罩壳与所述红外镜头和红外相机之间，在所述罩壳内通入从所述罩壳前端开口喷出用于形成一保护气膜的压缩空气。

在所述红外镜头内置一个10μm的滤波片。

一种在线测量电站锅炉烟道内飞灰光谱衰减系数和散射反照率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在锅炉停炉期间，在红外相机的视场范围内布置不少于6个热电偶测点；

S2：设置红外相机的帧率、曝光时间，将红外相机对焦到重要部件表面；

S3：在锅炉起炉后采集热电偶的温度数据和红外相机的图像数据，并将温度数据和图像数据接入计算服务器中，计算得到电站锅炉烟道内飞灰的光谱衰减系数和散射反照率，以及视场内重要部件壁面的光谱发射率。

所述计算服务器计算电站锅炉烟道内飞灰的光谱衰减系数和散射反照率，以及视场内重要部件壁面的光谱发射率的具体方法是：

步骤一、假设辐射物性参数：飞灰介质的光谱衰减系数β_λ、光谱散射反照率ω_λ，重要壁面的光谱发射率ε_λ，代入烟温T(r)，联立边界条件和稳态辐射传递方程，通过有限体积法计算得到烟道内飞灰的热辐射强度I(λ,r,Ω)；

其中，稳态辐射传递方程为：

$\frac{dI(\lambda ,r,\Omega )}{{\beta }_{\lambda }ds}=-I(\lambda ,r,\Omega )+(1-{\omega }_{\lambda })\frac{c_1{\lambda }^{-5}/\pi }{\exp [c_2/\lambda T\left(r\right)]-1}+\frac{{\omega }_{\lambda }}{4\pi }{\int }_{4\pi }I(\lambda ,r,{\Omega }^{\prime })·\Phi (\Omega ,{\Omega }^{\prime }){\mathrm{d\Omega }}^{\prime }---\left(1\right)$

式中：I(λ,r,Ω)表示烟道内飞灰的在位置r处、沿Ω方向，在波长λ内的光谱热辐射强度，s表示在微元体内沿Ω方向的距离，β_λ表示飞灰在波长为λ内的光谱衰减系数，ω_λ表示飞灰在波长为λ内的光谱散射反照率，T(r)表示烟道内位置为r处的烟温，c₁表示普朗克定律第一辐射常数，c₂表示普朗克定律第二辐射常数，Φ(Ω,Ω′)表示由Ω′方向入射由Ω方向出射的散射相函数，Ω′表示立体角微元大小；

烟道的热辐射边界条件为：

$I_{w1}^{+}(\lambda ,\Omega )={ϵ}_{\lambda }\frac{c_1{\lambda }^{-5}/\pi }{\exp (c_2/{\mathrm{\lambda T}}_{w1})-1}+\frac{1-{ϵ}_{\lambda }}{\pi }{\int }_{n_{w1}·\Omega }{I}_{w1}^{-}(\lambda ,\Omega )|n_{w1}·\Omega |d\Omega ---\left(2\right)$

$I_{w2}^{-}(\lambda ,\Omega )=0---\left(3\right)$

式中：表示由重要壁面侧到飞灰介质内的方向辐射强度，ε_λ表示重要壁面在波长为λ下的光谱发射率，T_w1表示重要壁面的温度，n_w1表示重要壁面的法线方向向量，表示飞灰介质内重要壁面处、沿Ω方向、波长为λ内的光谱辐射强度，表示由镜头侧到飞灰介质内的方向辐射强度；

步骤二、计算得到飞灰的广义源项S(λ,r,Ω)：

$S(\lambda ,r,\Omega )=(1-{\omega }_{\lambda })\frac{c_1{\lambda }^{-5}/\pi }{\exp [c_2/\lambda T\left(r\right)]-1}+\frac{{\omega }_{\lambda }}{4\pi }{\int }_{4\pi }I(\lambda ,r,{\Omega }^{\prime })·\Phi (\Omega ,{\Omega }^{\prime }){\mathrm{d\Omega }}^{\prime }---\left(4\right)$

式中：S(λ,r,Ω)表示飞灰介质在位置r处、沿Ω方向、波长为λ内的广义光谱辐射源项；

步骤三、计算由红外相机探测得到的光谱辐射强度I_camera(λ,Ω)：

$\begin{array}{c}{I}_{camera}(\lambda ,\Omega )=I_{w1}^{+}(\lambda ,\Omega )·\exp (-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\beta }_{\lambda }{\mathrm{\Delta s}}_i)+S(\lambda ,r_n,\Omega )[1-\exp (-{\beta }_{\lambda }{\mathrm{\Delta s}}_n)]\\ +\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Sigma }}S(\lambda ,r_i,\Omega )[\exp (-\underset{j=i\mathrm{+1}}{\overset{n}{\Sigma }}{\beta }_{\lambda }{\mathrm{\Delta s}}_j)-\exp (-\underset{j=i}{\overset{n}{\Sigma }}{\beta }_{\lambda }{\mathrm{\Delta s}}_j)]\end{array}---\left(5\right)$

式中：I_camera(λ,Ω)表示相机探测得到的沿Ω方向、波长为内的光谱辐射强 度，下标i和j分别表示红外光线所经过的控制体编号，1到n表示由重要壁面侧到相机侧的顺序编号，为由热电偶(8)测量得到的温度值；

步骤四、将光谱辐射强度I_camera(λ,Ω)作为估计值，利用红外相机(6)实际测量得到的光谱辐射强度I′_camera(λ,Ω)作为测量值，将两者做最小二乘形式的目标函数设定目标函数的阈值ε＜10^-6，通过量子微粒群算法可以反演出飞灰的光谱衰减系数β_λ和散射反照率ω_λ，以及重要壁面的光谱发射率ε_λ代入由热电偶(8)测量得到的温度值

本发明利用停炉检修期间布置几个热电偶测点，考虑到热电偶在烟道内的寿命，采集从起炉、升负荷、并网到稳定运行一周左右的数据，测量得到电站锅炉烟道内飞灰光谱衰减系数和散射反照率的一种在线测量方法及装置，具有较高的稳定性和实践性，可为电站锅炉重要位置温度在线监测及寿命评估等技术提供基础数据支撑。

附图说明

图1测量装置原理示意图；

图2烟道内热电偶布局；

图3手动退出装置内部相机和镜头布局；

其中：1.一次空气滤净器、2.含二次空气滤净器的控制箱、3.可调装置、4.炉墙基板、5.红外镜头、6.红外相机、7.计算服务器、8.热电偶、9.压缩空气、91.未经过滤的压缩空气、92.未经过滤的压缩空气、93.经过过滤的压缩空气、10.相机电源线、11.红外相机数据线、12.热电偶数据线、13.重要表面管路。

具体实施方式

参见附图1‐3，本发明的电站锅炉烟道内飞灰光谱衰减系数和散射反照率的一种在线测量装置实施例，其包括：

一个一次空气滤净器1，用于粗略过滤电厂杂用压缩空气中的水和油，以减 小二次空气滤净器2的过滤压力；

一个二次空气滤净器2，用于精细过滤由一次空气滤净器1粗过滤的压缩空气，过滤后的气体可直接与相机和镜头接触；

一个可调装置3，可通过手动或电动进行调节，安装在炉墙基板4上，可以伸进烟道对准锅炉重要位置，通过软管连接上二次空气滤净器2后，可为阻止烟道飞灰沉积在红外镜头5表面，同时还可带走红外镜头5和红外相机6的热量；另外一路压缩空气通道接未经过滤的压缩空气，可以形成一个冷却保护气膜，阻隔烟道内的高温烟气进入手动退出装置3；

一个炉墙基板4，用于密封炉墙开孔并连接炉墙和手动退出装置3，内部腔体通未经过滤的压缩空气，减小由炉墙给手动退出装置3的直接导热换热；

一个红外镜头5，用于收集进入视场内的红外信号，内置一个10μm的滤波片；

一个红外相机6，用于对红外镜头所收集的红外信号进行成像，并输出视场内的红外温度分布；

一个计算服务器7，放置在电厂集控室的电子间机柜中，通过光纤输入红外相机6温度数据、热电偶8温度数据、出口烟温数据，内置分析软件在线输出飞灰的光谱衰减系数和散射反照率，以及视场内重要部件壁面的光谱发射率。

为采用上述装置在线测量电站锅炉烟道内飞灰光谱衰减系数和散射反照率的方法的实施例，具体包括以下步骤：

S1：在锅炉停炉期间，如附图2所示，在红外相机6的视场范围内布置9个热电偶测点，通过电缆将温度数据接入计算服务器中；

S2：设置红外相机的帧率、曝光时间，将红外相机对焦到重要部件表面，通过光纤将温度数据接入计算服务器中；

S3：在锅炉起炉后采集温度数据，并利用分析软件计算得到电站锅炉烟道内飞灰的光谱衰减系数和散射反照率，以及视场内重要部件壁面的光谱发射率。

所述分析软件的计算原理为：

通过稳态辐射传递方程建立烟道内飞灰的热辐射强度与烟温和热辐射物性参数的联系，联立边界条件和稳态辐射传递方程，通过有限体积法计算得到烟道内飞灰的热辐射强度I(λ,r,Ω)；

稳态辐射传递方程为：

$\frac{dI(\lambda ,r,\Omega )}{{\beta }_{\lambda }ds}=-I(\lambda ,r,\Omega )+(1-{\omega }_{\lambda })\frac{c_1{\lambda }^{-5}/\pi }{\exp [c_2/\lambda T\left(r\right)]-1}+\frac{{\omega }_{\lambda }}{4\pi }{\int }_{4\pi }I(\lambda ,r,{\Omega }^{\prime })·\Phi (\Omega ,{\Omega }^{\prime }){\mathrm{d\Omega }}^{\prime }---\left(1\right)$

式中：I(λ,r,Ω)表示烟道内飞灰的在位置r处、沿Ω方向，在波长λ内的光谱热辐射强度，s表示在微元体内沿Ω方向的距离，β_λ表示飞灰在波长为λ内的光谱衰减系数，ω_λ表示飞灰在波长为λ内的光谱散射反照率，T(r)表示烟道内位置为r处的烟温，c₁表示普朗克定律第一辐射常数，c₂表示普朗克定律第二辐射常数，Φ(Ω,Ω′)表示由Ω′方向入射由Ω方向出射的散射相函数，Ω′表示立体角微元大小；

烟道的热辐射边界条件为：

$I_{w1}^{+}(\lambda ,\Omega )={ϵ}_{\lambda }\frac{c_1{\lambda }^{-5}/\pi }{\exp (c_2/{\mathrm{\lambda T}}_{w1})-1}+\frac{1-{ϵ}_{\lambda }}{\pi }{\int }_{n_{w1}·\Omega }{I}_{w1}^{-}(\lambda ,\Omega )|n_{w1}·\Omega |d\Omega ---\left(2\right)$

$I_{w2}^{-}(\lambda ,\Omega )=0---\left(3\right)$

式中：表示由重要壁面侧到飞灰介质内的方向辐射强度，ε_λ表示重要壁面在波长为λ下的光谱发射率，T_w1表示重要壁面的温度，n_w1表示重要壁面的法线方向向量，表示飞灰介质内重要壁面处、沿Ω方向、波长为λ内的光谱辐射强度，表示由镜头侧到飞灰介质内的方向辐射强度；

在计算得到烟道内飞灰的热辐射强度后，进而通过下式计算得到飞灰的广义源项S(λ,r,Ω)：

$S(\lambda ,r,\Omega )=(1-{\omega }_{\lambda })\frac{c_1{\lambda }^{-5}/\pi }{\exp [c_2/\lambda T\left(r\right)]-1}+\frac{{\omega }_{\lambda }}{4\pi }{\int }_{4\pi }I(\lambda ,r,{\Omega }^{\prime })·\Phi (\Omega ,{\Omega }^{\prime }){\mathrm{d\Omega }}^{\prime }---\left(4\right)$

式中：S(λ,r,Ω)表示飞灰介质在位置r处、沿Ω方向、波长为λ内的广义光谱辐射源项；

通过离散传递法得到红外相机(6)探测得到的光谱热辐射强度与广义光谱辐射源项之间的关系：

$\begin{array}{c}{I}_{camera}(\lambda ,\Omega )=I_{w1}^{+}(\lambda ,\Omega )·\exp (-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\beta }_{\lambda }{\mathrm{\Delta s}}_i)+S(\lambda ,r_n,\Omega )[1-\exp (-{\beta }_{\lambda }{\mathrm{\Delta s}}_n)]\\ +\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Sigma }}S(\lambda ,r_i,\Omega )[\exp (-\underset{j=i\mathrm{+1}}{\overset{n}{\Sigma }}{\beta }_{\lambda }{\mathrm{\Delta s}}_j)-\exp (-\underset{j=i}{\overset{n}{\Sigma }}{\beta }_{\lambda }{\mathrm{\Delta s}}_j)]\end{array}---\left(5\right)$

式中：I_camera(λ,Ω)表示相机探测得到的沿Ω方向、波长为内的光谱辐射强度，下标i和j分别表示红外光线所经过的控制体编号，1到n表示由重要壁面侧到相机侧的顺序编号。

计算服务器7计算电站锅炉烟道内飞灰的光谱衰减系数和散射反照率，以及视场内重要部件壁面的光谱发射率的具体方法是：

假设辐射物性参数：飞灰介质的光谱衰减系数β_λ、光谱散射反照率ω_λ，重要壁面的光谱发射率ε_λ，代入烟温T(r)，联立边界条件(公式(2)和(3))和稳态辐射传递方程(公式(1))，通过有限体积法计算得到烟道内飞灰的热辐射强度I(λ,r,Ω)；根据公式(4)进而计算得到飞灰的广义源项S(λ,r,Ω)，代入由热电偶(8)测量得到的温度值根据公式(5)即可计算由红外相机探测得到的光谱辐射强度I_camera(λ,Ω)，将其作为估计值，利用红外相机(6)实际测量得到的光谱辐射强度I′_camera(λ,Ω)作为测量值，将两者做最小二乘形式的目标函数设定目标函数的阈值ε＜10^-6，通过量子微粒群算法可以反演出飞灰的光谱衰减系数β_λ和散射反照率ω_λ，以及重要壁面的光谱发射率ε_λ。