紅外熱成像管理系統(tǒng)在垃圾焚燒爐自動燃燒控制中的應用＊

龍吉生，劉志偉

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

1 引言

近十幾年來，我國垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速，焚燒技術已從引進和消化國外技術的階段向改進和研發(fā)適合中國國情的新技術、新裝備的階段過渡。隨著垃圾焚燒行業(yè)對自動化、智慧化程度的需求不斷提升，相關的自動控制方案和輔助測量裝置也急需突破性的進步。目前焚燒爐的ACC 系統(tǒng)有兩個主流控制方式，分別是鍋爐主蒸汽流量控制和焚燒爐溫度控制。不管采取何種控制方式，爐膛溫度都會在一定程度上影響一次風、二次風和垃圾料層厚度等參數(shù)的調(diào)整。目前爐膛溫度的反饋依賴于通過爐膛兩邊側墻深入爐內(nèi)的熱電偶，缺點是反饋的溫度點數(shù)量有限、插入深度很淺、耐磨損和耐腐蝕性差。另外，現(xiàn)有的爐膛火焰畫面主要通過安裝在鍋爐后墻上的爐膛火焰監(jiān)視器監(jiān)視并呈現(xiàn)，對于大型三段式爐排爐來說，從鍋爐后墻向爐排上部望去，僅能觀測到爐排燃燼段和燃燒段尾部火焰形成的火焰鋒面，燃燒段中前部火焰被該火焰鋒面遮擋而無法觀測。

清華大學的王補宣等［1］于1989 年首次提出了采用圖像處理方法結合熱輻射理論、光度學來定量地測量發(fā)光火焰溫度的理論。浙江大學的黃群星等［2］對CCD 測量的誤差進行了理論分析，并在投影溫度的基礎上，對溫度場進行了三維重建。國外像日本日立研究所的Kurihara 等［3］研制出了火焰圖像識別系統(tǒng)（Flame Image Recognition System，F(xiàn)IRES）。本研究所述紅外成像管理系統(tǒng)從基礎理論和工程應用等多方面展開，為運行人員提供了更具參考意義的爐膛火焰分布、溫度場信號等運行參數(shù)。經(jīng)過邏輯耦合后，作為輔助手段嵌入ACC 系統(tǒng)當中，可明顯提高焚燒爐ACC 系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，對全廠自動化程度也有著明顯提升作用。

2 材料與方法

2.1 典型內(nèi)窺式數(shù)字高清爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)概述及主要結構原理

當前生活垃圾焚燒爐廣泛采用的爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)基本上都是由早期應用在水泥廠、鋼鐵廠的加熱爐、退火爐和氧化鋁廠等行業(yè)內(nèi)的高溫看火工業(yè)電視演變升級而來。內(nèi)窺式數(shù)字高清爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)成像裝置［4］主要由耐高溫針孔電動鏡頭、寶石物鏡、光學濾光片、光圈焦距調(diào)節(jié)器等組成，配有電控推進器、氣源控制柜、光端機等輔助設備。其核心問題是如何在生活垃圾焚燒爐的高溫、多塵、強腐蝕環(huán)境中長周期穩(wěn)定運行，保證火焰畫面不丟包、不失真。

2.1.2 系統(tǒng)特性

1）優(yōu)勢特性分析。一是技術成熟、運行穩(wěn)定。隨著我國近一二十年間生活垃圾發(fā)電廠的興建，爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)的技術也處于不停地優(yōu)化和迭代之中，目前已能滿足穩(wěn)定、可靠的要求。其中常規(guī)配置參數(shù)為攝像頭300 萬像素，響應時間2 s，光圈（F數(shù)）1.6，焦距2.4 mm。二是工作環(huán)境好。爐膛火焰監(jiān)視器探頭通常安裝于焚燒爐后墻，所處位置是垃圾燃燒最末端，常規(guī)工況下探頭周圍煙氣溫度通常＜600 ℃。較之焚燒爐其他高溫環(huán)境已算“宜居地帶”。三是維護量小。焚燒爐后墻幾乎沒有結焦現(xiàn)象，常規(guī)爐膛火焰監(jiān)視探頭開孔位置僅存有因爐膛偶爾正壓時煙氣外冒造成的積灰，積灰量不大，清理工作較為輕松。

2）劣勢特性分析。一是參數(shù)單一。因垃圾焚燒行業(yè)爐型構造和燃燒成分的特殊性，垃圾焚燒爐長期采用的火焰探頭利用的是光學成像原理，運行人員僅能通過觀察火焰形狀和位置來判斷焚燒爐工況，無法得到多維度參數(shù)。二是視角局限。爐膛火焰探頭通常位于焚燒爐后墻，安裝角度朝向爐內(nèi)成斜向上方向，與水平線夾角15°左右，探頭視場角通常＞60°。以某大型列動順推爐排焚燒爐為例，在此仰視角度下可以看到爐排燃燒段尾部、燃燼段前部兩面明顯的火焰幕墻，由于火焰鋒面遮擋，很難觀察到燃燒段中前部的火焰狀況。

2.1.3 實例解析

以某單臺750 t/d 大型列動順推爐排焚燒爐中爐膛火焰監(jiān)視器安裝位置和顯示畫面為實例，具體分析火焰成像狀態(tài)。其實際火焰成像畫面見圖1。成像角度是由焚燒爐后墻探頭位置向上仰視爐膛。因焚燒工況十分良好，靠近后墻的燃燼段區(qū)域幾乎沒有明火，燃燒段尾部成一面豎直、光亮的黃紅色火焰鋒面，高度約為2.5 m。

圖1 爐膛火焰真實成像Figure 1 Real image of furnace flame

對應的爐膛火焰監(jiān)視器安裝示意如圖2 所示。爐膛火焰探頭安裝在焚燒爐后墻，安裝位置與后墻觀火平臺地面距離為C（m）。開孔傾角與水平方向夾角為B（°），有效視場角為A（°）。圖2 中由黃色填充的三角形區(qū)域代表正常燃燒火焰，其中標注高度2.5 m 的區(qū)域為燃燒爐排尾部火焰，即為圖1 所顯示的火焰鋒面。顯然，從爐膛火焰監(jiān)視器向上望去，燃燒段前部、中部火焰為視野盲區(qū)。由于被燃燒段尾部火焰鋒面遮擋，通過火焰監(jiān)視器通常只能看到燃燒段尾部、燃燼段前部這兩個區(qū)域的火焰。

圖2 爐膛火焰監(jiān)視器安裝示意Figure 2 Installation diagram of furnace flame monitor

2.2 紅外熱成像管理系統(tǒng)

紅外熱成像管理系統(tǒng)采用了高溫成像、熱輻射、紅外輻射檢測及計算機圖像處理等技術，為運行人員提供高清的爐膛內(nèi)火焰視頻分區(qū)監(jiān)視和燃燒火焰溫度場監(jiān)測。

2.2.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)由耐高溫防腐紅外攝像儀、自動回縮保護裝置、安裝套件、氣路和電氣控制箱、圖像數(shù)據(jù)服務器等組成，紅外熱成像監(jiān)視系統(tǒng)見圖3。

圖3 紅外熱成像監(jiān)視系統(tǒng)Figure 3 Infrared thermal imaging monitoring system

該系統(tǒng)的重點構成要素為與生活垃圾焚燒爐燃燒特性相匹配的圖像數(shù)據(jù)服務器系統(tǒng)。每臺探頭支持自定義設置64 個ROI 區(qū)，可編程最小、最大和平均溫度的測量，可自定義觸發(fā)測量/報警監(jiān)視和閾值監(jiān)視。

2.2.2 成像技術原理

火焰發(fā)光通常包含兩種機制：①黑體輻射發(fā)光（連續(xù)光譜）；②化學發(fā)光（表現(xiàn)為帶狀或者線狀光譜）。本紅外熱成像系統(tǒng)利用的是火焰中的黑體輻射發(fā)光機制。而垃圾焚燒中黑體輻射發(fā)光來源又包括兩部分：①垃圾表面受熱發(fā)光；②懸浮在火焰中的微小炭黑顆粒受熱發(fā)光。以下將對紅外熱成像系統(tǒng)采集的光譜范圍進行解析。

根據(jù)普朗克（Plank）黑體輻射定律，自然界的任何物體只要溫度高于絕對零度（-273.15 ℃），就會以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內(nèi)發(fā)射能量［5］，產(chǎn)生電磁波（輻射能）。不同的材料、溫度、表面光度及顏色，發(fā)出的紅外輻射強度都不同，大氣電磁光譜示意見圖4。

圖4 大氣電磁光譜示意Figure 4 Schematic of atmospheric electromagnetic spectrum

普朗克輻射定律給出了黑體輻射的具體譜分布［6］，在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時間、單位立體角內(nèi)和單位波長間隔內(nèi)輻射出的能量見公式（1）：

式中：B(λ,T)為黑體的光譜輻射亮度（W·m-2·Sr-1·μm-1）；T為黑體的絕對溫度（K）；c為光速，c=2.998 × 108m/s；h為普朗克常數(shù)，h=6.626 × 10-34J·s；K為波爾茲曼常數(shù)，K=1.380 ×10-23J/K。

在一定溫度下，黑體的光譜輻射亮度存在一個極值，這個極值的位置與溫度有關，這就是維恩位移定律（Wien）：

式中：λmax為最大黑體光譜輻射亮度處的波長（μm）；T為黑體的絕對溫度（K）；b為維恩常量，b= 0.002 897 m·K（2.897 × 103μm·K）。

根據(jù)Wien 定律，我們可以估算，當T=6 000 K 時，λmax為0.48 μm（綠色），這就是太陽輻射中大致的最大光譜輻射亮度處。當T=300 K，λmax=9.6 μm，這就是地球物體輻射中大致最大光譜輻射亮度處。普朗克定律描述的黑體輻射在不同溫度下的頻譜見圖5［6］。

圖5 普朗克定律描述的黑體輻射在不同溫度下的頻譜Figure 5 Spectrum of blackbody radiation at different temperatures described by Planck’s law

根據(jù)圖5 中數(shù)據(jù)，可以得到如下結論：隨著溫度升高，輻射能量增加，這是紅外輻射理論的出發(fā)點，也是單波段紅外測溫設計的依據(jù)。隨著溫度升高，輻射峰值波長向短波方向移動，其規(guī)律符合Wien 定律，即λmax·T= 2 897.8 μm·K。這個公式解釋了為什么“高溫測溫儀”多采用短波，“低溫測溫儀”多采用長波。

輻射能量隨溫度的變化率，短波比長波大，即短波處工作的“測溫儀”相對信噪比高，抗干擾性強。由Wien 定律可以得出，溫度越高，輻射峰值的波長越短。所以為了使輻射接收器有一個較理想的信噪比，對于溫度越低的物體，可測量的輻射波長越長。近年來，利用光電轉換元件（Charge Coupled Device，CCD），即“電荷耦合元件”測量和監(jiān)測火焰溫度的方法受到越來越多的關注，國內(nèi)外先后開展了大量研究。CCD 用于將鏡頭收集到的光信號轉變?yōu)殡娦盘枏亩M行進一步處理。日本因其先進的電子技術及對環(huán)保的強烈意識，最先在燃燒診斷中應用了數(shù)字圖像處理技術。法國的Renier 等［7］通過CCD 相機獲得物體表面圖像，隨后通過黑體爐標定并利用輻射定律來得到輻射物體表面參數(shù)，同時他們將濾光片加在CCD 相機前來提高系統(tǒng)的靈敏性并擴大測溫范圍。我國生活垃圾焚燒火焰產(chǎn)生的固體顆粒物主要為炭黑顆粒和飛灰，火焰面內(nèi)部固體顆粒為炭黑顆粒，而飛灰主要彌散在火焰面外部。炭黑顆粒相較于飛灰具有更小的結構尺寸，意味著其擁有更大的比表面積，即更大的輻射表面積，進而擁有更強的發(fā)射輻射能力。因此生活垃圾焚燒火焰連續(xù)光譜強度主要由其中的炭黑顆粒主導。生活垃圾焚燒后氣體產(chǎn)物如H2O、CO2、CO、NO 等物質(zhì)的發(fā)射光譜多分布在近紫外和遠紅外區(qū)域，而在λ為0.5～0.9 μm 波段上很少有發(fā)射光譜存在，對于本系統(tǒng)的測溫效果幾乎沒有干擾。因此，在λ=0.5～0.9 μm 波段［8］上炭黑顆?？杀徽J為是火焰發(fā)射輻射的主導者，進而將生活垃圾焚燒火焰輻射特性的研究轉變?yōu)槠渲刑亢陬w粒輻射特性的研究。而垃圾焚燒爐內(nèi)測量區(qū)域的火焰及煙氣溫度基本在700～1 200 ℃，對應的黑體絕對溫度在973～1 473 K（圖5），此溫度下黑體輻射最強的波段集中在短波區(qū)域，因此為適應垃圾焚燒爐的特性需要采取短波高溫熱成像儀。

綜上所述，最終本系統(tǒng)選取的CCD 響應光譜范圍在0.4～1.0 μm，其中0.4～0.8 μm 為可見光圖像， 0.8～1.0 μm 的近紅外光用于測溫。對于垃圾焚燒來說，在0.4～1.0 μm 波長區(qū)間主要存在的化學發(fā)光來自于Na、K、Rb 等堿金屬的特征譜線，而這些譜線的波長大都≤0.8 μm，所以對用于測溫的0.8～1.0 μm 波段影響較小。針對垃圾焚燒應用環(huán)境存在爐溫波動大、閾值范圍廣的現(xiàn)象，可以通過軟件對爐內(nèi)溫度閾值進行設置，實現(xiàn)超溫報警、低溫報警，以實現(xiàn)當爐內(nèi)局部的“熱點”溫度過高或者局部爐溫降低時，分別通過降風、減料和增風、加料等操作來改善爐內(nèi)工況。

2.2.3 實例解析

某項目單臺750 t/d 焚燒爐紅外成像畫面見圖6。因紅外探頭由焚燒爐后拱俯視爐內(nèi)，所呈現(xiàn)的畫面并非為整體的火焰鋒面，而是分散的柱狀火焰。同區(qū)域火焰亮度、高度有明顯差異。相比爐膛火焰監(jiān)視器呈現(xiàn)的豎直火焰鋒面在縱向深度上有更為廣泛的視角跨度。

圖6 紅外熱成像系統(tǒng)顯示畫面Figure 6 Display screen of infrared thermal imaging system

圖6 中所示藍色方框區(qū)域內(nèi)綠色數(shù)字為該點區(qū)域對應的火焰實時溫度，該畫面選取了12 個紅外溫度測點。圖6 中第1 行、第2 行測點溫度值均在1 000 ℃以上，第3 行溫度基本在950 ℃左右，第4 行溫度在900 ℃左右。第2 行的第3 個測點的溫度最高，為1 204 ℃，所在測點位置的火焰也最為光亮刺眼，系統(tǒng)隨之發(fā)出了報警提示，溫度數(shù)字由綠色變?yōu)榧t色。由實例可見，測點反饋溫度值與實際的火焰狀況可以正確關聯(lián)。

對應的紅外熱成像系統(tǒng)探頭安裝示意如圖7所示。紅外探頭安裝在焚燒爐后拱，開孔位置與鍋爐后墻延長線的距離為H（m），開孔傾角與焚燒爐后拱平面夾角為G（°），有效視場角為F（°）。圖7中黃色填充的三角形區(qū)域代表正常燃燒火焰，其中標注高度2.5 m 的區(qū)域為燃燒段尾部火焰。因安裝在鍋爐后拱采用俯視角度，可避開燃燒段尾部火焰鋒面，測量到燃燒段中部、前部區(qū)域火焰狀態(tài)和溫度?，F(xiàn)場實景照片見圖8。

圖7 紅外熱成像探頭安裝布置示意Figure 7 Schematic of installation layout of infrared thermal imaging probe

圖8 紅外熱成像探頭安裝現(xiàn)場實景照片F(xiàn)igure 8 Real photo of installation site of infrared thermal imaging probe

2.2.4 系統(tǒng)特性

1）優(yōu)勢特性分析。一是視角寬廣。紅外熱成像探頭安裝在焚燒爐后拱，以俯視的角度觀察燃燒段整段區(qū)域和燃燼段前部區(qū)域。二是技術先進。紅外攝像儀系統(tǒng)由紅外攝像機、紅外耐高溫防腐蝕鏡頭、耐高溫防腐蝕防護罩組成，整體滿足耐高溫防腐蝕的要求；紅外高溫成像系統(tǒng)采用先進算法，通過基于PC 設計的圖像數(shù)據(jù)服務器處理后，形成實時溫度和可視圖像。三是靈活度高。這種先進的雙波長成像系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的組合，使操作員能夠清晰地觀察燃燒區(qū)域的燃燒狀況，并能同時監(jiān)測爐排上方任意感興趣區(qū)域的溫度。系統(tǒng)分辨率為1 440 × 1 080，響應時間≤2 s，光圈（F數(shù)）為1.6，焦距為2.4 mm，漸暈系數(shù)＜3%。

2）劣勢特性分析。安裝位置環(huán)境較差，存在鍋爐結焦。因為安裝位置在焚燒爐后拱，開孔周圍溫度通常在700 ℃以上，在焚燒爐后拱開孔洞壁上，煙氣流速降低，部分粉塵分離沉積下來，多數(shù)是沿著爐墻壁向下流動，在鍋爐負荷不穩(wěn)的情況下，交替結成片層狀的焦塊，在自身重力的作用下脫落，當高負荷、高煙溫時，疏松的焦塊還可能達到深度熔融狀態(tài)，爐膛溫度下降時再次凝結成更堅固密實的焦塊［9］。長時間結焦會對紅外探頭的成像區(qū)域有一定程度的縮減。根據(jù)項目現(xiàn)場觀察，以每次起爐時間開始計算，6 個月周期之后，因結焦造成的視野盲區(qū)比例約占總成像區(qū)域的10%～15%?，F(xiàn)階段處理結焦問題的主要方式如下：①只是探頭前端鏡片輕微結焦，可以通過增加清焦結構比如刮片來進行清焦工作；②探頭前端爐墻位置結焦，焦體不只在鏡片上，此時可以通過結合空氣炮清理非附著在探頭表面的焦塊。除了上述兩種運行中處理結焦的方式，每次停爐后進入爐內(nèi)進行人工打焦工作也是極其有效和必要的。

2.3 紅外熱成像管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)焚燒爐ACC 系統(tǒng)相結合

2.3.1 傳統(tǒng)ACC 系統(tǒng)

ACC 系統(tǒng)是以理論計算設計為基礎，以鍋爐主蒸汽流量為核心控制目標，以垃圾料層厚度、一次風系統(tǒng)母管壓力、爐排下各風室一次風流量、燃燒和燃燼爐排上部溫度（熱灼減率）、氧氣濃度等參數(shù)為次要控制目標，以垃圾熱值和占比動態(tài)測量［10］為給料量核算依據(jù)，通過改變給料量和供風量的手段，來實現(xiàn)運行人員的極少干預。其中供風量的調(diào)整，主要閉環(huán)調(diào)節(jié)是以主蒸汽量的變化為最高權重。而溫度控制（燃燒和燃燼段上部熱電偶溫度變化值）作為輔助的閉環(huán)調(diào)節(jié)之一，權重占比較輕，約占5%～10%。

2.3.2 與ACC 系統(tǒng)結合方案

根據(jù)工藝設計和焚燒爐結構，從燃燒段至燃燼段前部為垃圾的燃燒區(qū)域，爐排底部依次有4 行風室，即圖7 中所示2、3、4 和5 行風室，每行各有3 列，共計12 個風室。按照前述的項目實例，圖6中的12 個紅外溫度測點，可以得到依次對應12 個風室上部的火焰圖像和燃燒溫度。

在傳統(tǒng)ACC 系統(tǒng)中，一次風的理論供風量主要依據(jù)垃圾熱值、垃圾占比、蒸發(fā)量設定值、鍋爐熱效率等參數(shù)計算得到，在得到理論計算值后，會根據(jù)鍋爐負荷、垃圾料層厚度、垃圾濕度、燃燒和燃燼段上部溫度等參數(shù)的波動對理論計算值進行修正。其中溫度參數(shù)是由安裝在焚燒爐墻兩側的熱電偶反饋而來，爐溫熱電偶的長度一般為1.0～1.3 m，除去爐墻壁厚，熱電偶露出爐內(nèi)的長度一般在250 mm 左右，熱電偶材質(zhì)為鎳鉻-鎳硅，熱電偶前端耐磨頭長度為250～300 mm，耐磨頭材質(zhì)為鈷60。由于能夠反饋的溫度只能是熱電偶周圍溫度，因此會造成3 點限制：①測點數(shù)量有限，若熱電偶數(shù)量增加，鍋爐開孔數(shù)量也要隨之上升，通常燃燒和燃燼區(qū)域安裝熱電偶數(shù)量為4～6 支；②耦合性較高，抗干擾能力較低，其中的溫度修正系數(shù)雖然權重占比不大，但由于熱電偶數(shù)量有限，其單一溫度值對整體其他區(qū)域有連鎖影響，因此局部溫度與局部風量無法一一獨立對應；③準確性存在衰減，熱電偶的原理是溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過二次儀表呈現(xiàn)被測介質(zhì)溫度。而隨著磨損、腐蝕的加重，其準確性也逐漸衰減。其中鎳硅合金中的硅和鎳的優(yōu)先氧化是引起鎳鉻-鎳硅熱電偶熱電動勢超差、準確性降低的主要原因［11］。

根據(jù)上述內(nèi)容，我們在得到理論計算風量之后，針對每一段風室進行獨立的風量修正。圖9中：M為對應區(qū)域內(nèi)溫度設定值（℃）；H為垃圾層厚度偏差百分比（%）；P為對應區(qū)域內(nèi)溫度實時反饋值（℃）；K為對應區(qū)域內(nèi)溫度變化率（℃/min）； 為速度變化率高低限范圍（℃/min）；LCUT 為低切保護模塊（℃）；LAG 為高階濾波模塊（℃）；A為理論計算風量（m3/h）；B為實際輸出計算風量（m3/h）。

圖9 耦合邏輯Figure 9 Coupled logic

如圖9 所示，X 區(qū)域實時反饋溫度經(jīng)過低切保護模塊LCUT 和濾波模塊LAG 后，與預設值M進行比較，計算的差值進入溫度-風量折算函數(shù)F( )x。同時根據(jù)溫度上升和下降的速度變化率K，對函數(shù)的輸出速率進行擾動，改變其響應速度。首先X 區(qū)域的理論計算風量是耦合前原有ACC 系統(tǒng)通過垃圾熱值、垃圾占比、鍋爐蒸發(fā)量、氧氣含量、鍋爐焓值等一系列參數(shù)計算出來的爐排下一次風支管風量，是實時變化的動態(tài)數(shù)值，而X區(qū)域的溫度預設值M與反饋值P的差值反映的是X 區(qū)域內(nèi)垃圾焚燒過于劇烈，還是處于未完全燃燒狀態(tài)。因為垃圾焚燒過程的復雜性，可以做出以下關系函數(shù)：一方面在爐內(nèi)垃圾層厚度等于或大于理論的標準厚度前提下，當X 區(qū)域溫度M大于P則風量減少，當X 區(qū)域溫度M小于P則風量增加，當X 區(qū)域溫度M等于P則保持原有ACC 計算風量不變，此時選擇公式F1（x）內(nèi)部函數(shù)；另一方面在爐內(nèi)垃圾層厚度小于標準厚度前提下，此時判斷料層過薄，風量太大容易出現(xiàn)燒空、燒斷料的情況，因此當M與P的差值為正數(shù)或負數(shù)時都會適當減少風量，但根據(jù)溫度的高或低對應減少風量的幅度會不同，此時利用F2（x）內(nèi)部函數(shù)。12 個溫度劃分區(qū)域都基于此耦合邏輯，具體設定參數(shù)適時調(diào)整。通過干擾獨立配風的風量，達到改變整個焚燒爐一次風風量的效果。

3 結果與討論

3.1 判斷標準及運行效果

生活垃圾焚燒爐的排放物在滿足GB 18485—2014 生活垃圾焚燒污染控制標準的前提下，為保障焚燒爐的長期安全運行、汽機系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運轉，通常通過爐溫和主蒸汽流量這兩個因素來判斷鍋爐運行是否良好。以下工況為某項目單臺750 t/d 生活垃圾焚燒爐在紅外熱成像管理系統(tǒng)應用前、應用后兩段時期的實際運行參數(shù)，以此實例來解析該系統(tǒng)的運行效果。該項目額定主蒸汽流量為74 t/h。

如圖10 所示，藍色實線為耦合前24 h 變化率波動范圍，紅色實線為耦合后24 h 變化率波動范圍。爐溫變化率指的是焚燒爐上、中、下3 層共計9 個溫度測點的熱電偶反饋溫度在每分鐘內(nèi)升高或降低的溫度值，而溫度變化率波動范圍指的是單位時間內(nèi)溫度變化率最高值與最低值之間的溫度差，該差值越大表明爐溫波動越大，即工況越不穩(wěn)定，波動范圍越小表明工況越平穩(wěn)。此期間溫度也一直未低于環(huán)保部要求的最低限（850 ℃/2 s），均介于950～1 050 ℃。

圖10 爐溫變化率曲線Figure 10 Curve of furnace temperature change rate

焚燒爐主蒸汽流量曲線如圖11 所示，左側縱坐標為主蒸汽流量，額定蒸發(fā)量74 t/h。圖中藍色實線為紅外熱成像系統(tǒng)與ACC 系統(tǒng)耦合前24 h 的主蒸汽流量曲線，紅色虛線為紅外熱成像系統(tǒng)與ACC 系統(tǒng)耦合后24 h 的主蒸汽流量曲線。

圖11 主蒸汽流量曲線Figure 11 Main steam flow curve

表1 中參數(shù)可以計算出耦合前后焚燒爐爐溫波動范圍相對縮減了24.5%，焚燒爐爐溫均值提高了1.2%，蒸發(fā)量波動幅度縮減了3 個百分點，主蒸汽流量提高了1.4 t/h。經(jīng)過對主要運行參數(shù)的定量分析，可以看出結合了紅外熱成像系統(tǒng)的ACC系統(tǒng)在功能性和穩(wěn)定性上有顯著提升。

表1 重要運行參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistical of important operation parameters

3.2 演變發(fā)展趨勢

基于目前紅外熱成像管理系統(tǒng)的功能，正在逐步進行焚燒爐溫度場重構工作，對于紅外探頭收集的大量溫度點實時數(shù)據(jù)進行整合并進行紅外溫度顯示。傳感器擁有1 440×1 080 個像素，其中每個像素都有對應的溫度值，該溫度值隨著目標溫度的變化在800～1 600 ℃對應變化，那么我們就可以將800～1 600 ℃這個范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)映射到顏色空間中特定的彩色序列，只要在程序中明確規(guī)定溫度和顏色之間的映射函數(shù)和映射表即可實現(xiàn)相應的偽彩顯示，即熱像圖的形式。這樣可為運行人員提供更為直觀、立體的參考依據(jù)，待溫度場重構系統(tǒng)成熟后，再與ACC 系統(tǒng)進行結合，進一步提高全廠的自動化程度。

4 結論

紅外熱成像管理系統(tǒng)在生活垃圾焚燒控制領域，與傳統(tǒng)ACC 系統(tǒng)經(jīng)過合理的設計、安裝、邏輯耦合后，對焚燒自動化有以下幾個方面的改變和提升。

1）視野擴大。改變探頭安裝位置后，成像角度由仰視變?yōu)楦┮暎貙捔藸t內(nèi)火焰視場角度?；鹧娉上裥螤钣伞耙幻婊饓Α?提升為“一片火海”。在具備最基本的“遠程看火”功能前提下，為運行人員提供更強有力的參考依據(jù)。

2）測溫準確。紅外熱成像原理相比傳統(tǒng)光學成像原理，增加了溫度反饋功能。利用軟件管理系統(tǒng)，將溫度信號解析，并與實際區(qū)域一一對應。

3）靈活性高。溫度測點的選定可通過管理軟件任意選擇，調(diào)試結束后仍可根據(jù)實際工況進行設置和改變。

4）耦合性強。紅外熱成像管理系統(tǒng)除現(xiàn)有功能外更像是一個平臺，可以對現(xiàn)有溫度參數(shù)和火焰狀態(tài)的大量數(shù)據(jù)進行進一步提升和利用，例如正在進行的溫度場成像功能優(yōu)化和升級工作。

5）效益提升。紅外熱成像管理系統(tǒng)融入ACC系統(tǒng)后，對焚燒爐溫度、鍋爐主蒸汽流量的穩(wěn)定性有顯著提升。對減少運行人員工作量、增加產(chǎn)汽量、發(fā)電量等焚燒廠經(jīng)濟效益方面有不同程度提升。