一种基于中波红外检测技术测量炉膛受热面渣层厚度的方法

1.本发明涉及基于中波红外检测技术测量受热面渣层的测量方法，尤其是涉及火力发电站炉膛的结渣检测，可实现结渣的可视化检测。


背景技术：

2.由于煤种品位高低不等，变化范围宽，锅炉运行经常偏离设计煤种，导致锅炉各换热组件受热面普遍存在结渣现象。受热面结渣不仅会增加传热热阻、降低机组热效率，而且在高温烟气作用下会发生高温腐蚀，严重影响机组的经济性、安全性。目前电厂配备的吹灰器，利用高压蒸汽对受热面进行间隔性的定期吹扫。但由于无法可视化判断受热面实际的结渣状况，传统的固定周期吹灰策略无法满足宽负荷运行下的灰渣防控实际需求：一些部位吹灰频次不足，结渣问题加剧；另一些部位吹灰过于频繁，造成受热面损伤。目前的检测手段大多仅关注结渣的有无，缺乏足够的空间、时间分辨率。因此，燃煤锅炉机组亟需灰渣在线检测技术获取受热面结渣特性分布，从而实现对吹灰频次与吹灰位置的动态优化调整。具备空间、时间分辨率的燃煤锅炉受热面渣层在线检测技术可以很好解决当今结渣检测技术的不足，因此发展一种基于中波红外检测技术测量炉膛受热面渣层厚度的方法具有重要意义。


技术实现要素：

3.为了实现对炉膛受热面结渣的可视化检测，本发明提供了通过对渣层自辐射特性检测，重建渣层温度计算结渣厚度的方法，该方法能够基于中波红外热像仪给出时空同步的受热面渣层厚度分布。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种基于中波红外检测技术测量炉膛受热面渣层厚度的方法，包括如下步骤：
6.步骤1：利用中波红外热像仪测定3.9μm下渣层和火焰的光谱辐射强度，利用cmos相机测量火焰的3.9μm光谱辐射强度，从而得到3.9μm下渣层的光谱辐射强度；
7.步骤2：渣层的温度可由普朗克定理求得，辐射强度与温度的关系如公式(1)：
[0008][0009]
公式(1)中，i为火焰光谱辐射强度，单位为w/m3/sr，c1＝3.742
×
10-16w·
m2，c2＝1.4388
×
10-2m·
k，λ为波长，单位为nm，t为渣层计算温度，单位为k，ε
3.9μm
为发射率；
[0010]
其中发射率ε的求解基于boow发射率模型公式(2)，和hadley灰渣导热系数模型公式(3)：
[0011]
ε＝0.51lgλ
ash
+2.44
ꢀꢀ
(2)
[0012]
[0013]
式中α＝1.5266(1-p)
8.7381
为灰渣固结程度的函数，λ
ash
为渣层导热系数，p为孔隙率，f0为连续固体的常数参数，κ＝ks/kg为固体导热率ks与气体导热率kg之比；
[0014]
固体导热率基于rezaei导热率模型可得，如公式(4):
[0015][0016]
气体导热率基于touloukian导热率模型可得，如公式(5)：
[0017][0018]
步骤3：通过假定发射率初值ε0、初值温度t0作为迭代初值，求得渣层实际发射率与实际温度；
[0019]
步骤4：构造光谱辐射强度偏差方程；
[0020]
步骤5：采用牛顿迭代法算法迭代求解ε
k+1
、t
k+1
，k为迭代阶数，将上一次的迭代结果作为迭代初值求解渣层发射率与渣层温度，直至迭代结果不随迭代阶数的变化而变化，视为迭代收敛，此时的输出温度视为渣层的实际温度；
[0021]
步骤6：由步骤5得到渣层的实际温度，计算与炉膛受热面运行时的实际温度的温差，稳态时辐射换热量等于导热量，依据斯蒂芬-玻尔兹曼定律公式(6)和傅里叶导热定律公式(7)求得结渣厚度，如下：
[0022][0023][0024]
公式(6)、(7)中σ为黑体辐射常数，σ＝5.67
×
10-8
w/(m2·
k4)，t
soot
为火焰温度，t
ash
为渣层实际温度，t
act
为炉膛管壁实际温度，ε
soot
为火焰发射率，ε
ash
为渣层实际发射率，λ
ash
为渣层导热系数，l为结渣厚度，单位m，q为热流密度，单位w/m2。
[0025]
优选的，所述步骤4中，建立光谱辐射强度偏差方程，对渣层实际温度进行迭代，所述偏差方程为以下公式(8)：
[0026][0027]
公式(8)中，i为测量光谱辐射强度，单位为w/m3/sr，ε
ash
为渣层实际发射率，t
soot
为火焰温度，t
ash
为渣层实际温度，λ为波长，单位为nm。
[0028]
优选的，所述采用牛顿迭代法迭代求解包括：
[0029]
a.根据所述公式(8)构造光谱辐射强度偏差方程；
[0030][0031]
b.构造所述偏差方程对渣层实际温度的偏导数，求解迭代步长；
[0032][0033]
c.得到所述迭代步长后，可基于以下公式(11)对渣层实际温度进行修正：
[0034][0035]
上式中，k为迭代阶数，δ为修正值；
[0036]
d.依据修正后的渣层温度的变化趋势判断迭代过程是否收敛：若修正后的渣层温度不随迭代阶数变化则停止迭代，获得迭代收敛值，此时的渣层温度视为渣层的实际温度，否则重新执行所述步骤a将修正后的渣层实际温度作为输入值重新进行迭代；
[0037]
e.输出迭代收敛值。
[0038]
本发明提供的计算方法能够通过中波红外热像仪成像设备测量所得渣层实际温度二维空间图像，同时构建了受热面结渣厚度的二维分布图像，不依赖迭代初值的精度与任何先验条件，迭代速度快，迭代结果精度高。
附图说明
[0039]
图1为本发明实施例提供的基于中波红外检测技术测量炉膛受热面渣层厚度的方法的总体流程图；
[0040]
图2为本发明方法计算的炉膛水冷壁结渣厚度二维分布图像；
[0041]
图3为本发明方法计算的炉膛屏部过热器结渣厚度二维分布图像；
[0042]
图4为本发明迭代重建炉膛水冷壁温度图像；
[0043]
图5为本发明迭代重建炉膛屏部过热器温度图像；
[0044]
图6为炉膛测点分布图像。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行说明。
[0046]
本发明所述方法流程为利用中波红外热像仪设备测量渣层和火焰3.9μm窄带光谱辐射强度，利用cmos相机测量火焰辐射强度，将渣层二维光谱辐射强度数据作为输入数据，并基于牛顿迭代法算法迭代求解渣层发射率ε
k+1
、渣层温度t
k+1
，k为迭代阶数，将上一次的迭代结果作为迭代初值求解渣层实际发射率与渣层实际温度，不断增加迭代阶数，直至迭代结果不随迭代阶数的变化而变化，视为迭代收敛，此时的输出温度视为渣层的实际温度，再根据渣层实际温度与炉膛运行工况时受热面实际温度的温差，依据斯蒂芬-玻尔兹曼定律和傅里叶导热定律，求出结渣厚度，总体流程参见图1所示。
[0047]
实施例
[0048]
本发明重建炉膛受热面结渣厚度二维分布的方法，具体实施步骤为：
[0049]
1.利用中波红外热像仪测量渣层和火焰3.9μm的光谱辐射强度，利用cmos相机测量火焰辐射强度，由此可以得到渣层3.9μm的光谱辐射强度。
[0050]
2.渣层光谱辐射强度可表示为：
[0051][0052]
上式中，i为3.9μm窄带下总的光谱辐射强度，单位为w/m3/sr；c1＝3.742
×
10-16w·
m2，c2＝1.4388
×
10-2m·
k；λ为波长，单位为nm；t
soot
为火焰温度，单位为k；ε
3.9μm
为火焰发射率。
[0053]
3.采用双色法结合levenberg-marquarelt法求出窄带下火焰温度与光谱辐射强度，具体公式为：
[0054][0055][0056]
上式(13)、(14)中t为火焰温度；λ1＝610μm、λ2＝530μm；λ为中波红外热像仪监测波长，λ＝3.9μm；i1、i2为红、绿单色光光谱辐射强度，i为火焰光谱辐射强度，单位为w/m3/sr。
[0057]
为了获取最接近测量光谱辐射强度曲线的渣层实际温度，将测量光谱辐射强度与公式(12)相结合构建光谱辐射强度偏差方程，通过求解该方程的解获得渣层实际发射率与渣层实际温度，光谱辐射强度偏差方程如下：
[0058][0059]
i为光谱辐射强度，单位为w/m3/sr；c1＝3.742
×
10-16w·
m2，c2＝1.4388
×
10-2m·
k；λ为波长，λ＝3.9μm；t
soot
为火焰温度，t
ash
为渣层实际温度，单位为k；ε
ash
为渣层实际发射率；ε
3.9μm
为火焰发射率。
[0060]
4.采用牛顿迭代法求解光谱辐射强度偏差方程，渣层实际温度迭代步长与偏差方程有如下关系：
[0061][0062]
上式中，δ为迭代步长。
[0063]
通过在求导点添加微小偏差的方式求解偏差方程对渣层实际温度的偏导数：
[0064][0065]
上式中，δ(t)为偏差方程对渣层实际温度的微小偏差。
[0066]
根据式(17)求得渣层实际温度的修正值后，基于下式与迭代步长对渣层实际温度进行修正：
[0067]
[0068]
上式中，k为迭代阶数，δ为迭代步长。
[0069]
基于迭代后的渣层实际发射率与渣层实际温度计算光谱辐射强度曲线并以相对残差的1范数评估该迭代后辐射强度与测量辐射强度的偏差：
[0070][0071]
上式中，i
measure
为中波红外成像设备测量值，i
cal
为计算的辐射强度值。
[0072]
若相对残差大于允许误差则将迭代后的渣层实际发射率与渣层实际温度作为输入值重新进行迭代；反之，则将迭代后的渣层温度作为迭代收敛值进行输出。输出值视为渣层表面的实际温度，最后计算与炉膛运行工况管壁实际温度的温差，依据傅里叶导热定律，求出结渣厚度。
[0073]
以图3所示炉膛屏部过热器的光谱辐射强度数据为计算实例，首先由中波红外热像仪设备测量屏部过热器渣层和火焰3.9μm窄带光谱辐射强度，再利用cmos相机测量火焰辐射强度，由此可以得到3.9μm下渣层的光谱辐射强度，如下公式(20)：
[0074][0075]
公式(20)中，i为3.9μm窄带下总的光谱辐射强度，i
ash
为3.9μm下渣层的光谱辐射强度，单位为w/m3/sr；c1＝3.742
×
10-16w·
m2，c2＝1.4388
×
10-2m·
k；λ为波长，λ＝3.9μm；t
soot
为火焰温度，单位为k；ε
3.9μm
为火焰发射率。
[0076]
再利用双色法结合levenberg-marquarelt法求出3.9μm窄带下火焰温度与光谱辐射强度，具体公式为：
[0077][0078][0079]
上式(21)、(22)中t
soot
为火焰温度；λ1＝610μm、λ2＝530μm；λ为中波红外热像仪监测波长，λ＝3.9μm；i1、i2为红、绿单色光光谱辐射强度，i
soot
为光谱辐射强度，单位为w/m3/sr；ε
3.9μm
为火焰发射率。
[0080]
渣层的实际温度可由光谱辐射强度通过普朗克定理求得，光谱辐射强度与渣层实际温度的关系如公式(23)：
[0081][0082]
公式(23)中，i
ash
为渣层光谱辐射强度，单位为w/m3/sr；c1＝3.742
×
10-16w·
m2，c2＝1.4388
×
10-2m·
k；λ为波长，λ＝3.9μm；t
ash
为渣层实际温度，单位为k；ε
3.9μm
为渣层发射率；
[0083]
其中渣层发射率ε的求解基于boow发射率模型公式(2)，和hadley灰渣导热系数模型公式(3)：
[0084]
ε＝0.51lgλ
ash
+2.44
ꢀꢀ
(2)
[0085][0086]
式中α＝1.5266(1-p)
8.7381
为灰渣固结程度的函数，λ
ash
为渣层导热系数，p＝0.3为孔隙率，f0＝0.8为连续固体的常数参数，κ＝ks/kg为固体导热率ks与气体导热率kg之比；
[0087]
固体导热率基于rezaei导热率模型可得，如公式(4)：
[0088][0089]
气体导热率基于touloukian导热率模型可得，如公式(5):
[0090][0091]
通过假定发射率初值ε0、初值温度t0作为迭代初值，采用牛顿迭代法算法迭代求解ε
k+1
、t
k+1
，k为迭代阶数，将上一次的迭代结果作为迭代初值求解渣层实际发射率与渣层实际温度，直至迭代结果不随迭代阶数的变化而变化，视为迭代收敛，此时的输出温度视为渣层的实际温度。
[0092]
得到渣层的实际温度，计算与炉膛受热面运行时的实际温度的温差，稳态时辐射换热量等于导热量，依据斯蒂芬-玻尔兹曼定律公式(6)和傅里叶导热定律公式(7)求得结渣厚度，如下：
[0093][0094][0095]
公式(6)、(7)中σ为黑体辐射常数，σ＝5.67
×
10-8
w/(m2·
k4)；t
soot
为火焰温度；t
ash
为渣层实际温度；t
act
为炉膛管壁实际温度；ε
soot
为火焰发射率；ε
ash
为渣层实际发射率；λ
ash
为渣层导热系数；l为结渣厚度，单位m；q为热流密度，单位w/m2。
[0096]
最后通过联立公式(6)、(7)可以计算出炉膛屏部过热器管道的结渣厚度l，并且可以获得炉膛渣层的二维空间分布图像，如图3所示，屏部过热器的结渣厚度约为14mm。图2为炉膛水冷壁结渣厚度的计算结果。图2、图3给出了基于本发明提出的辐射测温法结渣重建的二维空间分布。图4为本发明迭代重建炉膛水冷壁温度图像，图5为本发明迭代重建炉膛屏部过热器温度图像，图6为炉膛测点分布图，采集炉膛层高12.6m处左、右墙水冷壁辐射信息以及层高63m处屏式过热器辐射信息。
[0097]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于中波红外检测技术测量炉膛受热面渣层厚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：利用中波红外热像仪测定3.9μm下渣层和火焰的光谱辐射强度，利用cmos相机测量火焰的光谱辐射强度，从而得到3.9μm下渣层的光谱辐射强度；步骤2：渣层的温度可由普朗克定理求得，渣层的光谱辐射强度与渣层的温度的关系如公式(1)：公式(1)中，i为渣层光谱辐射强度，单位为w/m3/sr，c1＝3.742
×
10-16
w
·
m2，c2＝1.4388
×
10-2
m
·
k，λ为波长，单位为nm，t为渣层计算温度，单位为k，ε
3.9μm
为发射率；其中发射率ε的求解基于boow发射率模型公式(2)，和hadley灰渣导热系数模型公式(3)：ε＝0.51lgλ
ash
+2.44(2)式中α＝1.5266(1-p)
8.7381
为灰渣固结程度的函数，λ
ash
为渣层导热系数，p为孔隙率，f0为连续固体的常数参数，κ＝k
s
k
g
为固体导热率k
s
与气体导热率k
g
之比；固体导热率基于rezaei导热率模型可得，如公式(4):气体导热率基于touloukian导热率模型可得，如公式(5)：公式(4)、(5)中，t
ash
为渣层实际温度；步骤3：通过假定发射率初值ε0、初值温度t0作为迭代初值，求得渣层的实际发射率与实际温度；步骤4：构造光谱辐射强度偏差方程；步骤5：采用牛顿迭代算法迭代求解ε
k+1
、t
k+1
；k为迭代阶数，将上一次的迭代结果作为迭代初值求解渣层的实际发射率与渣层的实际温度，直至迭代结果不随迭代阶数的变化而变化，视为迭代收敛，此时的输出温度视为渣层的实际温度；步骤6：由步骤5得到渣层的实际温度，计算与炉膛受热面运行时的实际温度的温差，稳态时辐射换热量等于导热量，依据斯蒂芬-玻尔兹曼定律公式(6)和傅里叶导热定律公式(7)求得结渣厚度，如下：(7)求得结渣厚度，如下：
公式(6)、(7)中σ为黑体辐射常数，σ＝5.67
×
10-8
w/(m2·
k4)，λ
ash
为渣层导热系数，t
soot
为火焰温度，t
ash
为渣层实际温度，t
act
为炉膛管壁实际温度，ε
soot
为火焰发射率，ε
ash
为渣层实际发射率，l为结渣厚度，单位m，q为热流密度，单位w/m2。2.根据权利要求1所述的一种基于中波红外检测技术测量炉膛受热面渣层厚度的方法，其特征在于，所述步骤4中，建立光谱辐射强度偏差方程，对渣层实际温度进行迭代，所述偏差方程为公式(8)：公式(8)中，i为测量光谱辐射强度，单位为w/m3/sr，ε
ash
为渣层实际发射率，t
soot
为火焰温度，t
ash
为渣层实际温度，λ为波长，单位为nm。3.根据权利要求1所述的一种基于中波红外检测技术测量炉膛受热面渣层厚度的方法，所述采用牛顿迭代法迭代求解包括：a.根据所述公式(8)构造光谱辐射强度偏差方程；b.构造所述偏差方程对渣层实际温度的偏导数，求解迭代步长；c.得到所述迭代步长后，可基于以下公式(11)对渣层实际温度进行修正：上式中，k为迭代阶数，δ为修正值；d.依据修正后的渣层温度的变化趋势判断迭代过程是否收敛：若修正后的渣层温度不随迭代阶数变化则停止迭代，获得迭代收敛值，此时的渣层温度视为渣层的实际温度，否则重新执行所述步骤a将修正后的渣层实际温度作为输入值重新进行迭代；e.输出迭代收敛值。

技术总结
本发明提供了一种基于中波红外检测技术测量炉膛受热面渣层厚度的方法。该方法首先使用3.9μm红外热像仪成像设备测量炉膛受热面和炉膛火焰的光谱辐射强度，然后利用CMOS相机得到火焰3.9μm的光谱辐射强度，基于牛顿迭代法以及BOOW发射率模型和Hadley灰渣导热系数模型求解受热面渣层温度，通过不断增加迭代阶数，直至渣层温度所对应的辐射强度相对误差小于允许误差，视为迭代收敛，此时的输出温度视为渣层的实际温度，再根据渣层的实际温度与炉膛运行工况时受热面实际温度的温差，依据傅里叶导热定律，求出结渣厚度。本发明提供的渣层厚度求解算法可根据渣层光谱辐射强度获得受热面管壁结渣厚度的二维空间分布，进而实现对管壁结渣的可视化监测。管壁结渣的可视化监测。管壁结渣的可视化监测。


技术研发人员：郑树 王传奇 才伟光 张向宇 陆强
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/8/23