加熱爐溫度場分析研究及試驗

袁成志，萬大陽，王國耀

(1.中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101；2.洛陽瑞昌環(huán)境工程有限公司，河南 洛陽 471003；3.合肥金星智控科技股份有限公司，安徽 合肥 230000)

在加熱爐生產(chǎn)運行過程中，爐膛溫度是一項至關(guān)重要的工藝指標。爐膛溫度分布不僅關(guān)系到生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時還與加熱爐運行過程中的安全、環(huán)保、節(jié)能及二氧化碳排放等息息相關(guān)。目前常規(guī)的爐膛測溫手段主要還是采用熱電偶或手持式測溫槍人工采集監(jiān)測關(guān)鍵位置的溫度數(shù)據(jù)，對加熱爐內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)采集不夠全面、及時，因而也無法進行系統(tǒng)的分析和應用。如果能對爐膛溫度數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的采集分析并加以應用，可以使加熱爐操作更加智能化，從而獲得更好的操作效益。

前人在加熱爐溫度數(shù)據(jù)的分析方面已經(jīng)進行了一定的基礎(chǔ)研究，比如對于爐內(nèi)三維溫度場重建技術(shù)，周懷春教授等已經(jīng)開展了較深入的研究，在試驗爐上進行過相關(guān)試驗，并在某煉廠乙烯裂解爐上開展了進一步的工業(yè)應用【1-3】。此外，行業(yè)中也有大量針對爐內(nèi)爐膛溫度場及爐管熱點的監(jiān)測等方面的有關(guān)研究案例【4-7】。

由于二維溫度數(shù)據(jù)生成的熱成像圖已經(jīng)具備了圖像屬性，所以一些圖像分析手段同樣也可以應用于加熱爐溫度場數(shù)據(jù)的分析中，從而獲得大量具有加熱爐操作指導價值的分析結(jié)果。

在前人研究的基礎(chǔ)上，通過完整采集加熱爐內(nèi)各個方向的二維溫度場數(shù)據(jù)，基于其溫度和圖像雙重屬性，利用雙重分析手段，并深度結(jié)合加熱爐的工藝需求、操作特點進行分析，更加系統(tǒng)、完整、全面地提取爐膛溫度特征，并將其轉(zhuǎn)化為工藝參數(shù)指標，可為加熱爐生產(chǎn)操作過程提供更加完善的指導依據(jù)和自動控制數(shù)據(jù)，極大地提高了爐膛溫度數(shù)據(jù)的利用效率和效益。

1 爐膛測溫系統(tǒng)

前端爐膛測溫系統(tǒng)主要由測溫攝像儀、傳動裝置、控制柜、傳輸線纜、圖像數(shù)據(jù)服務器及顯示終端等部分組成，系統(tǒng)組態(tài)見圖1。

圖1 前端爐膛測溫系統(tǒng)組態(tài)

系統(tǒng)采用氣動傳動方式控制測溫攝像機向爐膛推進。測溫攝像儀可獲取爐膛內(nèi)的二維溫度場數(shù)據(jù)，通過控制柜內(nèi)的工業(yè)級交換機將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務器。測溫系統(tǒng)需要具有較強的適應性，同時還需結(jié)構(gòu)簡潔、安裝方便，以便能夠在高溫、腐蝕的工況環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，并可方便快捷地檢維修及更換配件。

測溫攝像儀主要技術(shù)指標如下：

爐內(nèi)測量范圍600～1 800 ℃；

示值誤差為±2%量程；

視場角102°；

最高工作溫度≤2 000 ℃；

冷卻方式為氣冷。

圖2為系統(tǒng)實物。為了方便采集爐膛溫度數(shù)據(jù)，采集探頭可選擇直視與斜視2種方式。

圖2 前端測溫探頭結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)基于普朗克輻射定律，以紅外輻射檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，采用計算機圖像處理和溫度數(shù)據(jù)分析算法等多項技術(shù)研發(fā)而成。普朗克輻射定律公式如下：

式中：Ebλ——黑體光譜輻射力，W/m3；

c1——第一輻射常量；

c2——第二輻射常量；

λ——波長，m；

T——黑體熱力學溫度，K。

在石化加熱爐中除了600 ℃以上的高溫監(jiān)測需求外，還有100～600 ℃低溫段的監(jiān)測需求，這就需要內(nèi)窺式熱像儀來實現(xiàn)。內(nèi)窺式熱像儀與測溫攝像儀整體結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于響應波段不同。

內(nèi)窺式熱像儀主要技術(shù)指標如下：

測量范圍80～800 ℃；

響應譜段8～14 μm；

測溫準確度為±2 ℃或±2%量程；

圖像分辨率384×288；

輸出信號為溫度視頻流。

為確保爐內(nèi)高、低溫區(qū)域溫度測量的準確性，高溫探頭和內(nèi)窺式熱像儀在安裝調(diào)試之前，要先在實驗室內(nèi)通過標準黑體進行標定。以高溫探頭為例，標定過程見圖3。

圖3 高溫探頭標定試驗

標定結(jié)果顯示儀器示值與黑體溫度相關(guān)系數(shù)能達到0.999 96，出廠最大誤差0.38%。

2 試驗爐及安裝方案

圖4(a)所示為該熱態(tài)試驗爐實物，圖4(b)所示為探頭安裝位置示意。該試驗爐設(shè)有1臺底部燃燒器，長明燈在燃燒器主火焰內(nèi)部，爐內(nèi)溫度最高可達800 ℃，側(cè)墻為水冷盤管。本次試驗需要安裝4個測溫探頭(C1、C2、C3、C4)，其中C1朝下監(jiān)測底部火焰溫度場及下部側(cè)墻溫度，同時用于主火焰及長明燈的熄滅報警，C2朝上監(jiān)測頂部爐管溫度及上部側(cè)墻表面溫度，C3用于監(jiān)測記錄火焰在高度方向的溫度變化以及火焰偏燒情況，C4用于監(jiān)測低溫盤管的溫度變化情況。

圖4 試驗爐

根據(jù)維恩位移定律，高溫物體需要使用短波傳感器檢測，低溫物體則需要使用長波傳感器檢測。試驗中，針對側(cè)墻低溫爐管的測溫探頭C4使用8～14 μm長波熱像儀進行測溫，測量頂部高溫爐管的測溫探頭C2和火焰的測溫探頭C1、C3使用短波高溫探頭。本試驗將長波熱像儀與短波高溫探頭相結(jié)合，拓寬了系統(tǒng)的測溫范圍。

3 功能試驗及結(jié)果分析

圖5所示為4個探頭分別采集到的爐內(nèi)二維溫度場偽彩分布圖，其中C1、C2、C3為高溫監(jiān)測探頭，C4為低溫監(jiān)測熱像儀。

圖5中，視場范圍內(nèi)每一個像素點均可采集到溫度數(shù)據(jù)。通過上述數(shù)據(jù)可以直接實現(xiàn)如下基本功能：

1)通過圖像上的亮暗分布即可直觀地監(jiān)視異常熱點是否存在，也可通過算法進行智能分析。

2)通過設(shè)置虛擬熱電偶(如圖5中C4)可以精準采集關(guān)鍵點的溫度數(shù)據(jù)，用于實現(xiàn)絕對溫度報警、溫度變化趨勢曲線分析等。圖中C4探頭對應的是側(cè)墻低溫盤管，選定其中3根進行了效果試驗。試驗前預先拆除了這些爐管表面的部分保溫棉；試驗過程中，通過調(diào)整燃燒器燃料量大小來改變爐膛溫度，從而改變爐管壁溫。

圖5 采集到的原始溫度數(shù)據(jù)偽彩效果

上述內(nèi)容是爐膛溫度數(shù)據(jù)的基本使用方式，通過數(shù)據(jù)的積累和算法研究的深入，還可以更進一步實現(xiàn)如下功能。

3.1 三維溫度場顯示功能

本文利用某一時刻采集到的爐膛溫度數(shù)據(jù)模擬計算了爐內(nèi)氣氛的三維溫度分布情況，并進行了可視化處理，其效果如圖6所示。將本可視化處理結(jié)果與加熱爐工藝核算軟件及溫度場模擬軟件計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)吻合良好，爐膛溫度監(jiān)測熱電偶采集的實測數(shù)據(jù)也進一步驗證了數(shù)據(jù)處理的準確性。該功能有助于輔助判斷爐內(nèi)整體燃燒狀態(tài)。三維溫度場重建的原理可參見文獻【1-3】。

圖6 爐管三維溫度場分布效果

3.2 爐管變形監(jiān)測功能

基于二維溫度場數(shù)據(jù)的圖像屬性，通過與基準溫度分布圖進行實時比對，可以實現(xiàn)實時的爐管變形和移位監(jiān)測。由于本次試驗中沒有發(fā)生爐管變形的情況，所以通過人為對探頭施加外力造成的探頭與爐管的相對位移來模擬爐管變形移位，產(chǎn)生了圖7中效果。圖7中亮綠色部分為亮色標示的超標報警偏移位置。本次試驗通過數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了對偏移量進行量化統(tǒng)計和超幅度偏移報警的目標。

圖7 爐管移位顯示效果

目前在試驗爐上實現(xiàn)的爐管位移檢測刷新率為5 min/次?？赏ㄟ^硬件升級和軟件優(yōu)化來提升刷新率，縮短時間間隔，以達到實時監(jiān)測的目的。

3.3 火焰燃燒診斷功能

圖4中C1和C3探頭綜合分析可用于火焰燃燒診斷。

石化加熱爐運行狀況受火焰燃燒過程的多個因素影響，其中火焰是否偏燒、火焰長度、火焰溫度以及長明燈燃燒狀態(tài)等等都是重要的監(jiān)測指標?；跓岢上窦夹g(shù)的綜合性多維度的火焰燃燒監(jiān)測診斷設(shè)備在這方面具有突出的優(yōu)勢，能夠在溫度監(jiān)測的同時提供一種圖像分析手段。

如圖8所示，兩個探頭，一個安裝于加熱爐下部直視火焰，另一個正交安裝于加熱爐上部斜視火焰及長明燈，這樣可以同時從兩個方向采集火焰的二維溫度場數(shù)據(jù)。將二維溫度場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為熱像圖后，即可利用成熟的圖像分析算法進行分析，對主火焰及長明燈熄滅與否、主火焰強度、火焰溫度分布、火焰偏燒狀態(tài)等均可進行監(jiān)測，而且這些監(jiān)測均可實現(xiàn)量化并發(fā)送給DCS系統(tǒng)用于報警。本試驗也進行了相關(guān)操作以驗證上述猜想。

圖8 火焰診斷邏輯示意

試驗利用C3探頭監(jiān)測火焰的偏燒情況。試驗過程中，通過人為調(diào)節(jié)爐膛燃燒器燃料和助燃空氣量大小，使爐膛火焰燃燒形態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)偏斜等情況，以便進行測試。圖9為火焰偏燒的監(jiān)測效果。由圖9可見，左側(cè)火焰基本不偏，右側(cè)火焰向右偏15.3°。

圖9 火焰偏燒

通過C1探頭進行主火焰及長明燈的熄滅報警試驗(與前述試驗燃燒器不同)。試驗過程中，人為切斷主火焰或長明燈燃料，造成熄火情況。圖10為主火焰及長明燈圖像及算法提取的火焰形態(tài)。該技術(shù)將監(jiān)測到的火焰強度信息及火焰形態(tài)變化相結(jié)合，獲得對火焰燃滅的判斷能力，通過控制圖像監(jiān)測范圍，規(guī)避了火焰飄忽帶來的誤報風險。

圖10 主火焰及長明燈圖像及算法提取的火焰形態(tài)

試驗證明：本方案可以實現(xiàn)主火焰熄滅報警；提前框選標識長明燈和主火焰的大概區(qū)域，則可以在主火焰熄滅后，繼續(xù)完成對長明燈的監(jiān)測和報警。

4 結(jié)語

綜上所述，加熱爐爐膛二維溫度場數(shù)據(jù)兼具溫度和圖像雙重屬性，結(jié)合工藝需求對其進行深入挖掘，可以提煉出大量有價值的信息。這些信息與加熱爐本身的工藝運行狀態(tài)、操作條件等息息相關(guān)。經(jīng)過本文所述的分析和試驗，挖掘出了部分爐膛溫度場信息可實現(xiàn)的功能，證明二維溫度場數(shù)據(jù)可以較準確地實現(xiàn)三維溫度場重建、爐管熱點監(jiān)視及超溫報警、爐管變形及移位監(jiān)測、火焰燃燒診斷等。受限于試驗條件，無法模擬復雜的不同工藝加熱爐型，也暫時無法證明上述功能的普適性，針對不同爐型的復雜爐膛溫度監(jiān)測，還有進一步開展研究的空間。