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烟台龙源电力技术股份有限公司图像火焰监测系统介绍一、图像火焰检测系统简介目前我国电站锅炉采用的火焰检测器是以CE为代表的可见光光敏元件和以FORNEY为代表的红外光敏元件的检测器，两种均是利用火焰着火区辐射能量的交流分量，火焰的脉动幅值和脉动频率来检测火焰着火与熄火。这类火检探头的视角比较小（一般是3°—15°），以便使探头对准火焰着火区，这样探头只能检测到火焰的脉动频率和脉动幅值，然而在锅炉运行过程中，由于锅炉负荷及配风的变化，尤其是我国电站燃煤锅炉煤种变化较大，引起着火区的位置经常发生漂移，致使火检探头很难对准着火区，容易造成火检发出错误信息。针对目前国内锅炉火检状况，我公司推出了新一代火焰检测装置——图像火焰检测装置，它是一种利用火焰图像来全程监视火焰燃烧状况，而且判断火焰是否存在，不受煤种和负荷变化影响的火焰检测装置。我们采用广角长焦距工作镜头（视角约90°）和彩色CCD摄像机直接拍摄燃烧器火焰图像，燃烧火焰图像包含着大量的信息，利用传像技术、计算机数字图像处理技术、模式识别技术对火焰图像进行处理，实现对燃烧器出口火焰图像的采样、数据处理和特征识别，准确发出单个燃烧器火焰的ON/OFF信号，并提供给操作人员丰富的可视化图像信息，将各燃烧器火焰图像直观的显示在CRT上，锅炉运行人员根据燃烧器的火焰图像调整一、二次风配比，提高煤粉的燃烬度和锅炉燃烧效率，减少烟气污染，最终使之能够指导燃烧，保证锅炉运行在最佳工况，实现稳定、经济、洁净燃烧的目的。二、LY2000-Ⅱ型图像火焰检测系统功能及特点1、能够实时、准确、可靠地输出每个燃烧器火焰ON/OFF的开关量信号。采用广角长焦距工作镜头和彩色CCD摄像机直接拍摄燃烧器火焰，大大提高了火焰检测的直观性、灵敏性、准确性和鉴别能力。火焰图像传感器视角可达90度，能够摄取单火咀燃烧火焰图像，该图像包含火焰的所有特征区，确保后续检测的准确性，提高系统适应能力。这种大视角的火焰图像采集是确保图像火检系统能够不受煤种、负荷变化影响，准确发出ON/OFF信号的主要原因，大大提高了火检对锅炉工况变化的适应性。对比：常规的火检是根据炉膛火焰的脉动频率和强度来发出有火/无火信号的,为避免偷看,它的探头视角必须设计在3度-5度之间,探头的必须对准火焰的着火区,这样才能准确发灭火信号,当锅炉负荷或煤种发生变化的时候,火焰发生了漂移,这样常规火检的检测区域就不在着火区,容易发出误动.2、检测方法和判据准确有效系统利用数字图像处理技术建立的检测判据实现了对单个燃烧喷口火焰有火/无火的准确判断，解决了长期以来常规火检所无法解决的因受煤种、负荷变化引燃烧器喷口火焰漂移造成的火检“误判”的问题和因背景干扰所引起的火检“偷看”问题。利用图像检测技术和模式识别技术，通过有效区域选择的方式，把偷看到的邻角图像屏蔽，解决“偷看”邻角火焰的问题，减少误动的可能性。系统只有检测到煤火焰的特征区才发出有火信号。对比：常规的火检是根据炉膛火焰的脉动频率和强度来发出有火/无火信号的,由于可见光火检、红外光火检和紫外光火检的共同特点都是对火焰中一定波长的光谱进行采样，由于光和波具有叠加性，使得传统火检的火焰强度和脉动频率的采样中不仅包含了本燃烧器喷口火焰的光谱，同时还包含了炉膛中心火焰的光谱、相邻燃烧器火焰的光谱以及经炉膛反射后的多种光谱，这种相同波长信号的叠加使得后续的检测判断无法区分本燃烧器的信息和干扰信息，会导致因偷看和背景干扰而引起误判发生。3、火焰图像检测器（下位机）快速高效火焰图像处理器是对图像探头（CCD）传回来的图像视频（Video）信号进行检测处理，图像视频的数据量是传统火检的104-105倍，数据量很大，所以必须采用有效的模式识别技术进行有效检测判断。火焰图像处理器采用专业的图像处理芯片DSP，可快速完成海量图像处理运算，运算速度快，增强了系统的实时性。专业开发的图像处理器（下位机）是完全脱离PC平台的独立系统，具备软硬件自检功能和看门狗功能，使图像处理器免受病毒的侵袭，高效实时。系统参数的设置是通过上位机界面以通讯的方式传输给下位机，增强了下位机判断有火/无火逻辑判断的可靠性和真实性。进入系统参数设置界面必须有密码，增强了系统的安全性。对比：常规火检的检测处理器是对火检探头（变送器）传回来的1-5V或4-20mA信号进行处理，处理的信息量较小，大多是通过设定门限阈值的方法判断ON/OFF，检测判断方法简单，由于无法区分本火焰信息和偷看及背景干扰信息，会导致误判发生。早期的研究工作是在电脑上对火焰图像进行图像识别判断，这种大信息量的图像识别会占用电脑CPU很多资源，数据处理速度较慢，检测判断的实时性较差。由于这种基于Windows平台的检测处理，一旦发生电脑病毒或死机情况，就无法发出ON/OFF信号给DCS，导致因电脑故障发生非计划停运，给锅炉运行带来很大危险隐患。4、独特的广角高清晰探头火焰图像传感器（以下简称探头）用来摄取煤粉燃烧器的火焰图像并输出视频信号。作为一次传感元件，其工作环境是非常恶劣的，要经受住炉膛的高温辐射和炉内飞灰的冲刷，还要避免镜面的积灰。经过长期研究开发的第二代图像火检探头采用光学物镜和CCD，直接摄取火焰图像，采用光学透镜避免的火焰图像的衰减，小巧尺寸便于在二次风道内的安装，并具有挠性以适应摆动式燃烧器的需求。探头结构设计确保冷却风有效地阻断二次风传导热及炉膛高温辐射热的影响，并使镜面保持清洁。采用光学透镜、宽景深、大视角（90度）的探头确保图像采集范围大，图像清晰，避免了火焰图像的衰减.对比：电站锅炉上应用的单个燃烧器喷口火焰图像的视频采样，在早期是采用传像光纤和探头后端的CCD来实现的，由于传像光纤是上万根导光束按顺序排列组成，导光束之间的缝隙会使图像丢失许多信息，会影响后续检测判断的准确性。火焰图像传感器视角决定了图像可视范围，应该将在燃烧器喷口火焰的全貌采集回来，市场上有的探头视角较小，它所能采集的火焰图像范围就小，当锅炉负荷变化、煤质变化、配风变化发生时黑龙长度和初始着火区会发生漂移，如果探头视角过小，图像将无法包含火焰的所有特征区，会使后续检测判断发生错误。5、等离子点火或者小油枪点火燃烧器专业配套火检图像火检是等离子点火或小油枪系统的专业配合火检，等离子点火或小油枪系统采用分级点火技术，火焰形状是“粉包火”状态，燃烧器喷口火焰在等离子投入时表现为“粉包火”状态；燃烧器喷口火焰在等离子非投运状态时作为常规燃烧器使用，其火焰为正常状态；等离子投入与否其火焰形状有很大的差别。图像火检系统的视角范围宽特性保证等离子燃烧器的燃烧特征区在监视范围内，该系统的DSP智能处理系统可以自动根据负荷和等离子的投运状态来自动选择不同的检测判断，保证在不同工况下都能准确发出判断信号。对比：煤火焰在投入等离子或小油枪和等离子或小油枪在非投运状态时的火焰形状和着火点也有很大的变化，常规火检3的视角范围和探头固定安装，无法确保采集到初始着火点的火焰信号。在等离子或小油枪投入时燃烧器喷口火焰的“粉包火”燃烧状态，常规火检采集的火焰亮度很低；在等离子或小油枪非投运状态时燃烧器喷口火焰的正常燃烧状态，常规火检采集的火焰亮度很高；这使得常规火检无法满足其实际工况变化，无法准确检测燃烧器的着火状态。6、运行人员可以直观、清晰观察每个燃烧器喷口火焰运行人员可以直观、清晰地在中央控制室的大屏幕CRT上观察每个燃烧器及全炉膛的燃烧状态，及时进行燃烧调整，提高燃烧效率。运行人员可以有选择地观察单个燃烧器的火焰图像，或十六路的火焰图像。对比：常规火检是用“棒图”来显示火焰燃烧状况，用一组发光二极管构成的“棒图”只能反映出火检探头采集到的火焰的亮度大小，对应于1-5V或4-20mA的信号，而这个电压或电流信号与探头变送器的放大倍数调整和探头前端镜片的污染情况以及导光束的透光率都有直接的关系，只能相对的反应火焰亮度情况，不能为运行人员提供更丰富的信息。7、预报警和自稳燃功能图像火检系统能够对火焰信息进行各种处理，当燃烧不稳定时，给运行人员发出预报警信号，提醒运行人员注意调整燃烧；当燃烧恶化到一定程度时，可以给等离子点火系统发出稳燃指令，可投入等离子点火系统，保证锅炉不灭火。其功能特别适合于安装有等离子点火装置的无油电厂，可以有效减少非计划停运次数，提高上网供电质量。对比：常规火检大都只能给出火焰有火/无火的ON/OFF，不能给出预报警信号。8、事故追忆功能能够滚动记录72小时内每个火嘴的火焰图像并可随时按要求回放。图像存储功能不仅有助于锅炉发生灭火后调查灭火原因且可用于分析燃烧工况，以提高锅炉运行效率。对比：常规火检只能通过DCS的历史曲线进行追忆，信息量非常少。9、采用计算机图像处理技术，可向运行人员提供丰富的火焰燃烧信息，有利于锅炉优化燃烧调整系统对采集到的图像信息进行数字化处理，显示每个燃烧器在燃烧历史曲线。能在集控室内显示每个燃烧器喷口火焰图像并给出火焰燃烧稳定性信息，以决定是否投入等离子点火器等稳燃设备进行稳燃，提高锅炉运行的安全性，减少非计划停运次数，降低机组启停消耗的费用。利用检测到的火焰图像特征，判断煤粉气流的着火距离是否合适，可分析出一次风煤粉气流变化与火焰图像特征的关系，通过调整一次风改变煤粉气流的着火距离，使其保持在合适位置，以实现炉膛内火球分布达到最佳位置。通过调整二次风配风方式改变煤粉气流周围的燃烧区温度，改善着火条件，使燃烧器喷口着火状况保持最佳。煤质变化会引起燃烧器喷口火焰图像的变化。在煤质发生变化时，通过对图像特征的分析，了解着火点及黑龙形态的变化；可以通过改变煤质、煤粉细度等，提高着火条件和燃烧的稳定性。三、LY2000-Ⅱ型图像火焰检测原理及系统构成1、检测原理我们采用广角长焦距工作镜头和彩色CCD摄像机直接拍摄燃烧器火焰图像(视角为85°～90°)，燃烧火焰图像包含着大量的信息，利用传像技术、计算机数字图像处理技术、模式识别技术对火焰图像进行处理，实现对燃烧器出口火焰图像的采样、数据处理和特征识别，准确发出单个燃烧器火焰的ON/OFF信号。煤粉火焰可以明显的分为三个区域，未燃烧区、燃烧区和燃烬区，统称之为火焰特征区，可见光火检视角示意图和图像火检视角示意图示意图如下：图3可见光火检视角示意图图4图像火检视角示意图通过对比，我们可以看出图像火检采用CCD型摄像机作为一次传感元件,视角约90，所以图像火检监视区域非常大，能获取丰富的火焰信息，ON/OFF信号不受煤种、负荷变化及背景火焰的影响。2、LY2000-Ⅱ型图像火焰检测系统构成LY2000-Ⅱ型图像火焰检测系统的核心是对煤粉燃烧火焰图像的分析，因此整个系统是围绕着火焰图像视频信号的摄取和处理来组成的，包括火焰图像视频信号的采集、传输、放大、录制、现实、分析等环节。整个系统主要有以下部分组成：（1）、火焰图像传感器（探头）火焰图像传感器（以下简称探头）用来摄取煤粉燃烧器的火焰图像并输出视频信号。作为一次传感元件，其工作环境是非常恶劣的，要经受住炉膛的高温辐射和炉内飞灰的冲刷，还要避免镜面的积灰。在LY2000系统的第一代产品中采用了图像光纤将火焰图像信号传输到炉外，再经CCD输出视频信号。但图像光纤在长期的高温环境下经常发生析胶，破坏了火焰图像。我公司经过长期研究，开发了第二代图像火检探头。该探头采用光学物镜和军用CCD，直接摄取火焰图像。探头特殊的结构，使冷却风有效地阻断二次风传导热及炉膛高温辐射热对其影响，并使镜面保持清洁。探头前端采用特种耐温玻璃，能抗1200℃熔融灰渣对镜面的冲刷。火焰图像传感器主要技术参数如下：A、长焦距工作镜头的视角85°～90°B、彩色CCD为PAL制式、1/4-英寸图像传感器、视频输出:1.0Vp-p合成视频、75欧姆,供电电源：DC12V±10﹪/65mA.工作环境温度：-20℃～50℃.C、图像传感器前端头部工作温度不超过200℃D、对每个火焰传感器的冷却风量应大于1.5Nm3/min,风压不小于200mmH2O（2）、火检冷却风系统火焰图像传感器中CCD部分耐温不超过50℃，因此