燃煤電站鍋爐及工業(yè)窯爐三維燃燒溫度分布監(jiān)測研究進(jìn)展

周懷春，李框宇，安 元，婁 春

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源與動力工程學(xué)院 江蘇省智慧能源技術(shù)及裝備工程研究中心，江蘇 徐州 221116；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著3060碳中和目標(biāo)的提出，新能源及清潔能源發(fā)電在電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量及并網(wǎng)負(fù)荷不斷提升。由于新型能源發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性及不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷因新能源并網(wǎng)不斷提升，造成消納難的困境，因此，燃煤電廠應(yīng)提升深度調(diào)峰能力，以解決新能源的消納難題。而深度調(diào)峰工況下燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性、爐內(nèi)三維空間溫度分布、爐膛壁面熱流分布等是關(guān)注重點(diǎn)[1-2]。此外，現(xiàn)有工業(yè)體系中，冶金、石化、玻璃、水泥等行業(yè)的各種窯爐、工業(yè)爐、焚燒爐、冶煉爐等大型高溫爐膛內(nèi)也都以煤燃燒為基礎(chǔ)[3]，其中鋼鐵工業(yè)用焦炭還原鐵礦石；電解鋁的主要反應(yīng)為利用碳素在高溫下還原氧化鋁。在這些高溫爐膛中，開展?fàn)t內(nèi)溫度分布監(jiān)測對于提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、降低污染物排放有重要作用。

現(xiàn)有爐膛溫度測量裝置(如熱電偶、輻射高溫計(jì)等)只能提供某一個(gè)位置或某一個(gè)方向的溫度，難以提供溫度在空間中的分布；且熱電偶是接觸式測量，易損耗，更換頻繁；輻射高溫計(jì)雖是非接觸式測量裝置，但難以準(zhǔn)確得到不同爐膛、不同燃料測溫時(shí)所需輻射系數(shù)，測量結(jié)果誤差較大。從高溫爐膛內(nèi)溫度檢測發(fā)展趨勢來看，溫度檢測從點(diǎn)到面，從一維到二維，甚至三維；從離線檢測到在線實(shí)時(shí)檢測；從接觸式測量到非接觸式測量。因此，燃煤電站鍋爐及工業(yè)窯爐智能化升級改造迫在眉睫，其中關(guān)鍵技術(shù)之一是爐內(nèi)三維燃燒溫度場在線監(jiān)測[4-5]。

早在20世紀(jì)90年代，周懷春等[6]首次提出了基于輻射圖像處理實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)三維燃燒溫度場測量的方法。該方法采用電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)相機(jī)拍攝爐內(nèi)的燃燒圖像，圖像上一點(diǎn)所代表的輻射強(qiáng)度取決于爐內(nèi)三維空間某一條視線上各點(diǎn)的輻射經(jīng)衰減后到達(dá)CCD相機(jī)靶面的總和，因此可以根據(jù)輻射傳遞方程來建立輻射成像模型[7]，將爐內(nèi)三維燃燒溫度場與CCD相機(jī)拍攝的輻射圖像關(guān)聯(lián)，然后采用輻射傳遞反問題求解方法重建爐內(nèi)三維燃燒溫度分布[8]。基于該方法，ZHOU等[9]首次獲得了大型燃煤鍋爐內(nèi)三維溫度場可視化試驗(yàn)結(jié)果，在當(dāng)時(shí)的相機(jī)分辨率、信噪比條件下，爐內(nèi)三維溫度場可視化結(jié)果與熱電偶測溫結(jié)果的誤差在5%以內(nèi)，隨后該技術(shù)先后在200、300、660 MW燃煤機(jī)組鍋爐及軋鋼廠加熱爐得到廣泛應(yīng)用[10]。

為應(yīng)對燃煤發(fā)電機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃、靈活調(diào)峰以及工業(yè)窯爐內(nèi)低碳燃燒需求，爐內(nèi)燃燒三維溫度場監(jiān)測需進(jìn)一步提高監(jiān)測精度以及空間分辨率[11]，筆者從輻射成像模型、溫度場反演算法及工業(yè)應(yīng)用3個(gè)方面論述了燃煤電站鍋爐以及工業(yè)窯爐三維燃燒溫度分布監(jiān)測的最新研究進(jìn)展，以期為開發(fā)智能鍋爐以及工業(yè)窯爐智能優(yōu)化控制系統(tǒng)提供參考。

1 爐內(nèi)燃燒輻射成像模型

1.1 輻射強(qiáng)度與輻射溫度成像模型

熱輻射是鍋爐爐膛等高溫燃燒設(shè)備中主要傳熱方式。在燃煤鍋爐的燃燒火焰中，顆粒介質(zhì)(包括煤粉、焦炭、飛灰、煙黑)輻射能力大于氣體介質(zhì)(CO2、H2O)。燃燒介質(zhì)的輻射特性，尤其是顆粒介質(zhì)的發(fā)射、吸收、散射特性，使?fàn)t內(nèi)熱輻射發(fā)生在整個(gè)爐膛容積中，導(dǎo)致熱輻射成像不同于一般光學(xué)成像，布置于爐膛壁面上的CCD相機(jī)作為接受燃燒熱輻射分布的二維傳感器，其收到的輻射能量包含整個(gè)爐膛空間的容積輻射以及爐膛壁面輻射。散射對輻射成像的影響如圖1所示，其輻射成像特點(diǎn)為：顆粒對輻射的散射以及爐壁對輻射的反射作用改變了輻射傳播方向，造成輻射成像中像素接收的能量來自整個(gè)燃燒空間，輻射建模難點(diǎn)在于對輻射成像過程中散射和反射的處理。

圖1 散射對輻射成像的影響Fig.1 Effect of scattering on radiative imaging

文獻(xiàn)[12-13]提出了一種求解輻射傳遞方程的新方法——DRESOR法(Distributions of Ratio of Energy Scattered or Reflected, 散射或反射能量份額分布)，主要特征是應(yīng)用蒙特卡洛法計(jì)算了介質(zhì)和壁面發(fā)射被介質(zhì)散射和壁面反射的能量分布，從而能以較高的空間方向分辨率計(jì)算封閉腔內(nèi)任一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度隨空間方向的變化。應(yīng)用DRESOR法，位于爐膛壁面O點(diǎn)處的CCD相機(jī)在s方向接收的輻射強(qiáng)度I(O,s)[10]可寫為

(1)

其中，l和l′為空間介質(zhì)單元輻射傳輸?shù)穆窂?；lw為壁面單元輻射傳輸?shù)穆窂?；w和w′為壁面單元；v和v′為空間介質(zhì)單元；W為整個(gè)壁面區(qū)域；V為整個(gè)空間介質(zhì)區(qū)域；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)；Rds(a,b,s)為DRESOR數(shù)，表示從以點(diǎn)a為中心的體積單元發(fā)射的能量在以s為中心線點(diǎn)的單位立體角內(nèi)被以b點(diǎn)為中心的單位體積散射的能量份額與4π的乘積；T(v)及T(v′)為爐內(nèi)空間介質(zhì)溫度，K；T(w)及T(w′)為爐膛壁面溫度，K；ka、β、n分別為介質(zhì)吸收系數(shù)、衰減系數(shù)和折射率；ε為壁面發(fā)射率。將式(1)離散化寫成矩陣形式，有：

I=A1Tg+A2Tw=AT，

(2)

式(2)建立的輻射強(qiáng)度成像模型考慮了熱輻射被介質(zhì)吸收、散射及被壁面吸收、反射的物理過程，但其建立的是爐內(nèi)三維溫度場與相機(jī)接收的輻射強(qiáng)度的定量關(guān)系，當(dāng)相機(jī)快門、鏡頭光圈發(fā)生變化時(shí)，輻射成像矩陣隨之變化，這在實(shí)際應(yīng)用中非常不便。如燃煤發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)，隨著入爐煤量的增減，爐內(nèi)熱輻射變化很大，為保證相機(jī)接收非飽和熱輻射信號，相機(jī)的光圈和快門會相應(yīng)調(diào)整，輻射成像矩陣也需相應(yīng)更替。婁春等[14]基于輻射強(qiáng)度成像矩陣的歸一化處理提出了一種輻射成像新模型——輻射溫度成像模型：

A′1Tg+A′2Tw=A′T=TCCD，

(3)

輻射溫度成像模型的優(yōu)點(diǎn)為：當(dāng)鏡頭光圈減小，鏡頭通光量減小，輻射強(qiáng)度圖像隨之減弱；但對于輻射溫度成像模型，光圈減小時(shí)，紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色值成比例減小，這對采用比色法計(jì)算的火焰溫度圖像影響不大。同樣，改變相機(jī)快門的作用是調(diào)節(jié)曝光量，對于接收到的輻射能量來說，快門速度越快，曝光時(shí)間越短，接收到的輻射能量就越??；對于接收到的圖像來說，其紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)值和灰度值均成比例改變，所得輻射溫度圖像保持不變。此外，燃燒溫度圖像來自于2幅單色輻射強(qiáng)度圖像的比值，與介質(zhì)輻射特性呈弱相關(guān)，而與爐內(nèi)溫度呈強(qiáng)相關(guān)。因此，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)三維溫度場可視化監(jiān)測方式為：在確定爐膛尺寸、相機(jī)成像參數(shù)及給出介質(zhì)和壁面輻射特性的條件下，根據(jù)CCD檢測的燃燒溫度圖像，采用反演方法通過式(3)求解爐內(nèi)溫度分布。

1.2 輻射成像模型研究新進(jìn)展

基于輻射成像反演爐內(nèi)高溫燃燒溫度和介質(zhì)輻射特性參數(shù)(濃度)分布算法的求解能力與輻射成像模型的精度密切相關(guān)：輻射成像模型精度越高，反演爐內(nèi)溫度和濃度分布的能力越強(qiáng)。為提高輻射成像模型精度，發(fā)展輻射成像計(jì)算精度的定量評價(jià)方法迫在眉睫。由于輻射成像模型主要用于建立輻射溫度和成像能量之間的定量關(guān)系，WANG等[16]提出將密閉輻射傳熱系統(tǒng)設(shè)置為等溫和輻射平衡態(tài)，以此為基礎(chǔ)提出一種直接精確評價(jià)輻射傳熱蒙特卡洛法計(jì)算精度的方法。結(jié)果表明，單元發(fā)射能束數(shù)(Number of Energy Bundles, NEB)、離散網(wǎng)格密度(Mesh Density Level, MDL)和介質(zhì)單向單網(wǎng)格平均光學(xué)厚度(Mean Optical Thickness per Element, MOTE)等因素對輻射傳遞蒙特卡洛法計(jì)算精度有顯著影響。

基于蒙特卡洛法建立的DRESOR法是輻射成像計(jì)算的基礎(chǔ)。針對大散射反照率時(shí)DRESOR法效率退化問題，在深入分析該方法誤差來源的基礎(chǔ)上，基于輻射散射行為在傳播路徑上連續(xù)發(fā)生的物理事實(shí)，采用能束長度離散子步長極限小的優(yōu)化策略計(jì)算能量散射份額，同時(shí)，采用多重散射路徑構(gòu)造散射概率的方式大幅簡化散射份額的計(jì)算流程[17]。采用品質(zhì)因子(Figure of Merit, FoM)[18]定量計(jì)量蒙特卡洛法的計(jì)算性能，品質(zhì)因子與計(jì)算誤差的平方和計(jì)算時(shí)間的乘積呈反比，品質(zhì)因子越大，計(jì)算性能越好。

結(jié)果表明，當(dāng)介質(zhì)散射反照率大于0.5時(shí)，優(yōu)化后的DRESOR法至少使計(jì)算性能(FoM)提高1個(gè)數(shù)量級以上[17]。DRESOR法的優(yōu)化為提高燃燒介質(zhì)溫度的反演精度、同時(shí)反演燃燒介質(zhì)的輻射特性參數(shù)分布奠定了基礎(chǔ)。

2 三維溫度場反演算法

2.1 溫度與介質(zhì)輻射特性同時(shí)反演

在高溫輻射傳熱系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)出射輻射信息的邊界檢測結(jié)果反演系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，這類問題稱為輻射逆問題[18-19]。按照反演求解參數(shù)類型，輻射逆問題可分為介質(zhì)輻射特性參數(shù)反演和源項(xiàng)(溫度)分布反演。大部分研究分別針對這2類問題開展，但也有研究同時(shí)反演系統(tǒng)溫度分布和介質(zhì)輻射特性參數(shù)。

對于燃煤鍋爐爐內(nèi)三維溫度場可視化研究，可基于米氏(Mie)散射理論計(jì)算燃煤鍋爐內(nèi)顆粒介質(zhì)輻射特性[20]，從而獲得輻射成像矩陣，再采用逆問題求解方法反演爐內(nèi)三維溫度場。ZHOU等[8]提出了一種改進(jìn)的吉洪諾夫(Tikhonov)正則化方法，可處理具有嚴(yán)重不適定性的輻射逆問題[21]，其基本原理是用一簇與原不適定問題相鄰的適定問題的解去逼近原問題的解。在爐內(nèi)三維溫度場重建中，利用相鄰單元間溫度連續(xù)分布的特性，引入正則化矩陣D建立約束關(guān)系，并用正則化參數(shù)α控制約束關(guān)系的強(qiáng)弱，得到了式(3)的正則化解：

T=(A′TA′+αDTD)-1A′TTCCD=BTCCD。

(4)

其中，B為正則化解的系數(shù)矩陣。因此，爐內(nèi)三維溫度場反演計(jì)算過程可分為2步：① 將CCD相機(jī)拍攝的彩色火焰圖像轉(zhuǎn)化為二維溫度圖像TCCD；② 系數(shù)矩陣B乘以TCCD得到爐膛三維溫度場T。整個(gè)計(jì)算過程可控制在秒級，有利于實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)燃燒三維工況的在線監(jiān)測。

盡管在輻射溫度成像模型中燃燒溫度圖像與介質(zhì)輻射特性弱相關(guān)，但為了獲得更精確的爐內(nèi)燃燒溫度場，就必須實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)溫度場與介質(zhì)輻射參數(shù)同時(shí)反演。LOU等[22]提出了一種高溫系統(tǒng)內(nèi)溫度場與介質(zhì)輻射特性同時(shí)反演的解耦重建方法：① 基于輻射溫度成像模型，用Tikhonov正則化方法從輻射溫度圖像中重建爐內(nèi)溫度分布；② 基于輻射強(qiáng)度成像模型，用最優(yōu)化方法從輻射強(qiáng)度圖像中計(jì)算顆粒介質(zhì)輻射特性；③ 通過交叉迭代實(shí)現(xiàn)2類待求參數(shù)的解耦重建。LOU等[23]采用該方法開展了燃煤鍋爐溫度分布和顆粒介質(zhì)輻射特性同時(shí)反演研究，結(jié)果表明，該方法具有較好的抗誤差能力和收斂特性，適于解決爐膛中溫度分布與介質(zhì)輻射特性同時(shí)重建的問題。

2.2 反演算法新進(jìn)展

早期基于Tikhonov正則化方法的爐內(nèi)三維溫度場反演的誤差在5%左右。近期隨輻射成像模型精度的提高，輻射參數(shù)和溫度分布同時(shí)反演重建的算法有了新的進(jìn)展。以一臺600 MW燃煤電站鍋爐為研究對象，布置20支圖像探測器，設(shè)置爐內(nèi)非均勻的燃燒溫度分布、介質(zhì)輻射吸收系數(shù)、散射系數(shù)分布，不考慮爐壁發(fā)射。

反演重建分3個(gè)階段：① 假設(shè)爐內(nèi)吸收系數(shù)、散射系數(shù)和爐壁反射率均勻分布，優(yōu)化求解得到最佳輻射參數(shù)及爐內(nèi)溫度分布；② 在第1階段的基礎(chǔ)上，將爐內(nèi)吸收系數(shù)、散射系數(shù)設(shè)置為空間坐標(biāo)的二階多項(xiàng)式擬合分布，壁面仍為均勻反射率，進(jìn)一步優(yōu)化迭代計(jì)算；③ 在第2階段計(jì)算收斂的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步假設(shè)爐壁反射率為壁面坐標(biāo)的二階多項(xiàng)式分布，再優(yōu)化迭代計(jì)算。

輻射參數(shù)和溫度分布同時(shí)迭代重建殘差隨迭代計(jì)算次數(shù)的變化如圖2所示。由圖2可以看出，第1階段迭代計(jì)算殘差從10數(shù)量級降至0.2數(shù)量級，第2階段迭代計(jì)算殘差從0.2數(shù)量級降至0.04數(shù)量級，第3階段迭代計(jì)算殘差從0.04數(shù)量級降至0.02數(shù)量級。局部網(wǎng)格單元溫度重建結(jié)果與設(shè)定溫度對比如圖3所示。由圖3可以看出，第1階段的溫度重建誤差約5%，第2階段降低至1%左右，第3階段重建的最高溫度與設(shè)定值基本無差別。第3階段吸收系數(shù)和散射系數(shù)分布重建結(jié)果與設(shè)置值的分布規(guī)律基本一致(絕對值最大相差50%)，能夠反映爐內(nèi)介質(zhì)的相對濃度分布。

圖2 輻射參數(shù)和溫度分布同時(shí)迭代重建殘差變化Fig.2 Variation of residual of simultaneous iterativereconstruction of radiative properties and temperature distribution

圖3 局部網(wǎng)格單元溫度重建結(jié)果與設(shè)定溫度對比Fig.3 Comparison between the temperature reconstructionresults of local grid cells and the set temperature

三維輻射特性參數(shù)和溫度分布同時(shí)反演難度較大，傳統(tǒng)的基于迭代求解的重建算法難以徹底解決這一問題，而機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能理論為解決該問題提供了新的有效途徑。

3 爐內(nèi)三維溫度場可視化工業(yè)應(yīng)用

3.1 燃煤電站鍋爐內(nèi)三維溫度場可視化

基于輻射圖像處理的爐內(nèi)三維燃燒溫度場可視化測量最早應(yīng)用于200 MW發(fā)電機(jī)組燃煤鍋爐上[9,24-25]，如圖4所示。系統(tǒng)采用8支爐膛火焰圖像探頭從不同角度拍攝爐內(nèi)火焰圖像，采用改進(jìn)的Tikhonov正則化方法重建爐內(nèi)三維溫度場；并采用抽氣熱電偶測量爐內(nèi)部分空間網(wǎng)格區(qū)域溫度，對比偏差在5%以內(nèi)[9,24]。

圖4 燃煤鍋爐三維溫度場可視化監(jiān)測系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of three-dimensional temperature field visualization monitoring systen for coal-fired boiler

爐內(nèi)三維溫度場可視化系統(tǒng)投運(yùn)后，監(jiān)測到1次誤操作引起的鍋爐主燃料量跳閘(Main Fuel Trip，MFT)事故，MFT發(fā)生前后爐內(nèi)溫度變化如圖5所示。操作人員誤關(guān)4臺給粉機(jī)后，爐內(nèi)平均溫度緩慢下降；重啟給粉機(jī)并投入油槍助燃后，爐內(nèi)平均溫度迅速升高；爐膛壓力過高導(dǎo)致MFT，全爐膛滅火，爐內(nèi)溫度迅速下降[25]。

圖5 MFT前后爐內(nèi)平均溫度變化Fig.5 Variation of average temperature in furnace before and after MFT

需要說明的是，投運(yùn)的三維溫度可視化系統(tǒng)僅用于監(jiān)測爐內(nèi)溫度分布，尚未參與鍋爐運(yùn)行控制，鍋爐燃燒調(diào)控仍然是基于熱電偶、輻射高溫計(jì)等單點(diǎn)式爐膛溫度測量手段進(jìn)行。從整個(gè)過程中可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)反演的三維溫度場中計(jì)算的爐內(nèi)平均溫度能準(zhǔn)確反映整個(gè)過程變化，而采用單點(diǎn)法測量的爐膛局部溫度則無法反映爐內(nèi)真實(shí)工況。這表明爐內(nèi)三維溫度場在線監(jiān)測對于預(yù)防爐膛熄火、提高燃燒穩(wěn)定性具有重要參考價(jià)值。婁春等[26-28]論述了三維溫度場可視化監(jiān)測技術(shù)在300 MW發(fā)電機(jī)組燃煤鍋爐的應(yīng)用情況，考慮到該鍋爐尺寸參數(shù)大于200 MW機(jī)組鍋爐，采用12支爐膛火焰圖像探頭，利用爐內(nèi)三維溫度場可視化系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)檢測信息，基于熱力過程機(jī)理，對汽包爐蒸發(fā)系統(tǒng)分布參數(shù)動態(tài)建模方法進(jìn)行研究，獲得了高、中、低3個(gè)負(fù)荷下的水冷壁壁面熱流密度、壁面溫度、質(zhì)量含汽率及質(zhì)量流量等重要熱力參數(shù)的動態(tài)分布特性[26]。負(fù)荷為257和299 MW時(shí)，熱流密度在前墻上的分布特性如圖6所示，可知隨鍋爐負(fù)荷升高，壁面熱流值隨之增加，尤其是燃燒器區(qū)域熱流較其他區(qū)域顯著升高。其原因是增加燃料量投入后，燃燒釋放熱量增多，使壁面尤其是燃燒器區(qū)域的熱流隨之升高。

圖6 鍋爐前墻水冷壁壁面熱流分布[28]Fig.6 Distributions of heat flux in front wall of furnace[28]

WANG等[29]論述了某臺660 MW發(fā)電機(jī)組燃煤鍋爐內(nèi)三維溫度場可視化監(jiān)測結(jié)果，如圖7所示。由圖7可知，其最高溫度出現(xiàn)在W型火焰鍋爐的拱上區(qū)域，之后溫度逐漸下降，表明存在燃燒延遲，導(dǎo)致上部爐膛易結(jié)焦。

此外，在3 MW富氧燃燒試驗(yàn)爐上安裝了2支爐膛火焰圖像探測器，通過處理爐內(nèi)輻射圖像，獲得爐內(nèi)三維溫度分布數(shù)據(jù)[30]。發(fā)現(xiàn)富氧燃燒比空氣燃燒工況的爐內(nèi)溫度低120 ℃左右，這是由于爐內(nèi)存在高濃度CO2，其作為輻射參與介質(zhì)，將燃燒產(chǎn)生的熱量更多地傳遞給水冷壁中的工質(zhì)，同時(shí)減小了著火距離及燃燒器射流火焰長度。

3.2 工業(yè)窯爐內(nèi)三維溫度場可視化

基于輻射圖像處理的爐內(nèi)三維溫度場可視化監(jiān)測技術(shù)還被用于軋鋼廠步進(jìn)式加熱爐[31-32]、石油化工廠管式加熱爐[33-34]、單火嘴燃燒爐[35-36]、化工廠裂解爐[37]等燃油或燃?xì)夤I(yè)窯爐中，有助于改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

軋鋼廠加熱爐對鋼坯進(jìn)行熱軋時(shí)，需要將鋼坯加熱到某個(gè)溫度并保持一定的均勻分布。如果加熱溫度過高，則不僅浪費(fèi)燃料還容易造成鋼坯氧化燒損；如果加熱溫度過低，則難以保證鋼坯的軋制質(zhì)量?，F(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)中，通常在加熱爐爐頂和側(cè)墻安裝熱電偶，間接估算板坯受熱情況并且指導(dǎo)加熱爐運(yùn)行，但是熱電偶為接觸式單點(diǎn)測量，容易損耗且測點(diǎn)有限，難以反映整個(gè)爐膛內(nèi)的溫度分布；此外在出料口用紅外探測儀測量鋼坯出爐后的表面溫度，但鋼坯出爐后在環(huán)境室溫中會迅速冷卻，導(dǎo)致測溫延遲。程強(qiáng)等[31-32]將輻射圖像處理技術(shù)應(yīng)用于軋鋼廠加熱爐內(nèi)溫度分布可視化監(jiān)測，在4段式步進(jìn)加熱爐上安裝了8支爐膛火焰圖像探頭，其中預(yù)熱段、一級加熱段、二級加熱段、均熱段兩側(cè)墻上各安裝2支，在線監(jiān)測爐內(nèi)鋼坯上表面至爐頂燃燒區(qū)域內(nèi)的三維溫度分布。圖8為反演的爐內(nèi)氣體區(qū)域三維溫度場分布，通過相應(yīng)色標(biāo)可以直觀顯示爐內(nèi)溫度場的分布特征。

圖8 4段式步進(jìn)加熱爐內(nèi)溫度分布Fig.8 Temperature distribution in four-stage walking beam reheating furnace

由于爐內(nèi)鋼坯緊挨著排列，相鄰鋼坯之間的間隙可忽略不計(jì)，在輻射成像計(jì)算中將所有鋼坯的上表面作為一個(gè)面處理，其網(wǎng)格劃分與氣體區(qū)域一致，爐內(nèi)所有鋼坯的上表面溫度與三維空間溫度一起被同時(shí)反演(圖9)。已知鋼坯表面溫度和熱流后，在一定工程允許條件下簡化鋼坯導(dǎo)熱情況并建立鋼坯中心和表面的導(dǎo)熱模型，通過求解計(jì)算即可得到鋼坯中心溫度分布。系統(tǒng)得到爐內(nèi)所有鋼坯上表面和中心溫度，可知鋼坯沿移動方向逐步加熱，溫度逐步上升。將檢測結(jié)果與加熱爐設(shè)計(jì)的升溫曲線對照，有助于指導(dǎo)加熱爐的燃燒調(diào)整。

圖9 鋼坯溫度分布Fig.9 Temperature distribution of steel billet

工業(yè)管式加熱爐為煉油和石油化工加工過程提供能量，要求建立和保持穩(wěn)定的燃燒工況。如果燃燒工況組織不合理，將造成火焰中心偏斜、火炬撲舔爐管、燃燒工況不穩(wěn)定等，進(jìn)而導(dǎo)致管式加熱爐壁面結(jié)焦、爐管局部超溫、爐管內(nèi)物料結(jié)焦等事故。因此，在全過程工況下監(jiān)測管式加熱爐爐內(nèi)及管壁溫度分布具有重要意義。程強(qiáng)等[33-34]在一臺管式試驗(yàn)爐上安裝了4支爐膛火焰圖像探頭(圖10)，爐膛沿x、y、z方向的尺寸為3 300 mm×2 700 mm×5 460 mm，其空間網(wǎng)格劃分為3 080個(gè)、壁面單元?jiǎng)澐譃? 308個(gè)、管壁單元624個(gè)。

圖10 管式試驗(yàn)爐三維溫度場監(jiān)測系統(tǒng)[33]Fig.10 Three-dimensional temperature field monitoring system for tube test furnace[33]

試驗(yàn)中爐膛下部、上部及爐管的熱電偶測量溫度與三維溫度場可視化測量系統(tǒng)測量溫度(圖11)對比如圖12所示。由圖12可以看出2種方法的測溫結(jié)果吻合良好。

圖12 可視化監(jiān)測系統(tǒng)和熱電偶在不同測點(diǎn)處測溫比較[34]Fig.12 Comparison of temperature results measured by visualization monitoring system and thermocouple[34]

單火嘴加熱爐是測試、檢驗(yàn)燃燒器的重要設(shè)備。尤其在燃燒器熱態(tài)試驗(yàn)中，準(zhǔn)確測量單火嘴射流火焰三維溫度分布對于指導(dǎo)和改進(jìn)燃燒器設(shè)計(jì)加工工藝意義重大。LOU等[35-36]分別在燃油和燃?xì)鈫位鹱炫P式爐上開展了三維溫度場可視化監(jiān)測研究。試驗(yàn)爐中火焰在爐內(nèi)占空間很小，光學(xué)參數(shù)與非火焰區(qū)域差別較大，因此，在光學(xué)參數(shù)取值上需做不同處理?？疾觳煌鄼C(jī)快門工況下溫度場的重建結(jié)果，工況1～3下攝像機(jī)快門速度為1/250 s，工況4下攝像機(jī)快門速度為1/500 s。4個(gè)工況下溫度場重建結(jié)果如圖13所示(僅給出中間縱剖面的溫度云圖)，可知高溫區(qū)形狀與圖像中火焰外形基本匹配。

圖13 4個(gè)工況下的溫度分布[37]Fig.13 Temperature distributions in four cases[37]

進(jìn)一步分析從三維溫度分布中提取火焰長度、火焰直徑等參數(shù)的可行性，具體步驟為：利用圖像識別算法測量燃燒器火焰形狀，然后與溫度分布中提取的火焰形狀參數(shù)比較，如圖14所示?？芍?種算法給出的火焰外形參數(shù)基本一致，符合圖像中火焰形狀，表明反演的三維溫度分布能直觀反映火焰外形特征。

圖14 火焰長度及火焰直徑測量結(jié)果對比[38]Fig.14 Comparison of measurement results of flame length and flame diameter[38]

此外，基于輻射圖像處理的三維溫度場可視化技術(shù)還應(yīng)用于熱氣機(jī)、縱火體等小型燃燒裝置的燃燒監(jiān)測中[38-39]。

3.3 燃煤電站鍋爐內(nèi)斷面溫度場在線可視化

采用輻射參數(shù)和溫度分布同時(shí)重建的方法，開展了燃煤電站鍋爐內(nèi)斷面溫度場在線可視化研究?，F(xiàn)場檢測試驗(yàn)分別在江蘇闞山電廠660 MW超超臨界機(jī)組(KS)和浙江長興電廠300 MW燃煤機(jī)組(CX)開展，前者鍋爐為四墻切圓燃燒方式，后者鍋爐為對沖燃燒方式。斷面溫度場現(xiàn)場檢測試驗(yàn)示意如圖15所示。

圖15 斷面溫度場現(xiàn)場檢測試驗(yàn)示意Fig.15 Schematic diagram of on-site detection experiment of section temperature field

檢測算法的第1步是迭代估計(jì)最佳均勻輻射參數(shù)分布，同時(shí)得到溫度分布。利用已知的輻射參數(shù)分布和溫度分布估計(jì)爐內(nèi)斷面吸收系數(shù)分布?；鹧鏅z測能量曲線與斷面溫度場對應(yīng)預(yù)測能量曲線對比如圖16所示，其中Ir0(紅色)、Ig0(綠色)為火焰單色輻射強(qiáng)度；Ir1、Ig1為以火焰溫度場和輻射參數(shù)重建結(jié)果作為條件得到的火焰單色輻射強(qiáng)度計(jì)算值；Ir2、Ig2為以Ir1、Ig1為重建條件重建得到溫度分布和輻射參數(shù)后，檢驗(yàn)得到的驗(yàn)證火焰單色輻射強(qiáng)度計(jì)算值。

圖16 火焰檢測能量與斷面溫度場對應(yīng)預(yù)測能量對比Fig.16 Comparison between flame detection energy and predicted energy corresponding to section temperature field

火焰單色輻射強(qiáng)度對比表明，重建的輻射參數(shù)和溫度分布預(yù)測計(jì)算的火焰單色輻射強(qiáng)度曲線與檢測值基本吻合，重建精度較高。

2個(gè)電廠在不同負(fù)荷下的斷面溫度場和吸收系數(shù)分布重建結(jié)果如圖17所示。由圖17可知，對于KS鍋爐而言，隨負(fù)荷升高，斷面溫度和吸收系數(shù)均增加。對于KS和CX兩種不同燃燒方式，其溫度分布特點(diǎn)也顯而易見。

4 結(jié)語與展望

1)總結(jié)了燃煤電站鍋爐及工業(yè)窯爐三維燃燒溫度分布監(jiān)測研究進(jìn)展。在燃燒火焰輻射成像模型方面，以蒙特卡洛方法為基礎(chǔ)，建立了方向輻射強(qiáng)度計(jì)算的DRESOR法。為提高輻射成像模型的精度，提出了一種直接精確評價(jià)輻射傳熱蒙特卡洛法計(jì)算精度的方法。近期對DRESOR法的優(yōu)化，使其計(jì)算性能(FoM)至少提高了1個(gè)數(shù)量級，為提高燃燒介質(zhì)溫度的反演精度、同時(shí)反演燃燒介質(zhì)的輻射特性參數(shù)的分布奠定了基礎(chǔ)。

2)針對三維溫度場和輻射參數(shù)同時(shí)反演問題，基本方法是采用Tikhonov正則化方法從輻射溫度圖像中重建爐內(nèi)溫度分布；再基于輻射強(qiáng)度成像模型，利用最優(yōu)化方法從輻射強(qiáng)度圖像中計(jì)算顆粒介質(zhì)輻射特性；最后，通過交叉迭代實(shí)現(xiàn)2類待求參數(shù)的解耦重建。反演算法的最新進(jìn)展獲得了燃燒溫度重建誤差在1%以內(nèi)的重建結(jié)果，并且實(shí)現(xiàn)了基于輻射參數(shù)的爐內(nèi)煤粉濃度相對分布的重建。

3)在爐內(nèi)三維溫度場可視化工業(yè)應(yīng)用方面，在200 MW發(fā)電機(jī)組燃煤鍋爐實(shí)現(xiàn)了基于輻射圖像處理的爐內(nèi)三維燃燒溫度場可視化測量，并進(jìn)一步從三維溫度場可視化結(jié)果中獲得了300 MW發(fā)電機(jī)組燃煤鍋爐高、中、低3個(gè)負(fù)荷下水冷壁壁面熱流密度、壁面溫度、質(zhì)量含汽率以及質(zhì)量流量等重要熱力參數(shù)的動態(tài)分布特性?；谳椛鋱D像處理的爐內(nèi)三維溫度場可視化監(jiān)測技術(shù)還被用于軋鋼廠步進(jìn)式加熱爐、石油化工廠管式加熱爐、單火嘴燃燒爐、化工廠裂解爐等燃油或燃?xì)夤I(yè)窯爐中，應(yīng)用前景良好。筆者課題組近期開發(fā)成功便攜式燃煤電站鍋爐內(nèi)斷面溫度場在線可視化監(jiān)測系統(tǒng)，成功解析了四角切圓和前后墻對沖爐內(nèi)火焰斷面結(jié)構(gòu)。

4)未來，首先應(yīng)采用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能理論進(jìn)一步提升耦合重建問題的求解能力，特別是重建算法的時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)在低負(fù)荷和快速變負(fù)荷下爐內(nèi)三維溫度場的精確、快速重構(gòu)。其次，將爐內(nèi)可視化監(jiān)測結(jié)果與爐內(nèi)工況以及熱力系統(tǒng)三維實(shí)時(shí)、動態(tài)建模相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)三維工況分布參數(shù)(爐內(nèi)氣氛、顆粒物、污染物、爐內(nèi)熱負(fù)荷、爐壁熱負(fù)荷分布等)實(shí)時(shí)監(jiān)測及診斷和鍋爐水冷壁內(nèi)水動力、熱力系統(tǒng)分布參數(shù)建模預(yù)測。最后，構(gòu)建多時(shí)間尺度大數(shù)據(jù)驅(qū)動的燃煤發(fā)電機(jī)組數(shù)字孿生系統(tǒng)，為開發(fā)智能鍋爐及工業(yè)窯爐智能優(yōu)化控制系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。