基于图像处理的未燃烬碳与NOx排放量的预测及炉膛燃烧运行指导系统
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摘要
电厂燃煤发电的安全、经济运行，清洁燃烧对企业、对环境，有着十分重要的作用。而优化锅炉炉内燃烧工况不仅是控制燃烧污染排放的有效途径，而且能减少燃料量和避免炉内爆管事故，从而能提高电站锅炉燃烧的安全性和经济性。为进行准确有效的燃烧调整，需要有可靠的检测手段，要求火焰监控系统能够实时提供反映燃烧过程的有效参数供燃烧诊断之用。本文的研究目的是建立一套基于图像处理和人工智能技术的燃烧监控系统，来实现火焰可视化和燃烧智能诊断，从而为电站运行人员提供有效的运行指导信息。
首先，本文研究了氧气分压、煤粉粒径、加热速率和气氛对煤粉燃烧速度的影响规律，对影响飞灰可燃物含量的各种因素及其影响规律进行了总结；研究了NOx的生成机理和排放规律，考察了各种运行参数对氮氧化物排放量的影响规律。这些影响因素为预测参数选择作了理论基础。
其次，应用先进的计算机图像处理技术，根据火焰图像的信息和辐射传递方程计算炉膛内的温度分布。进行了实验室测量实验和电站锅炉现场实验，验证了这种算法的可行性和合理性。
然后，根据上述的研究结果，结合电站锅炉运行参数和煤质数据，基于PLS方法对污染物排放和飞灰可燃物含量进行诊断预测研究，得到了基本可信的仿真模型。研究结果说明了根据运行参数可以较好地预测飞灰可燃物含量、NOx排放量，还可以分析各参数与锅炉的飞灰可燃物含量、NOx排放量的关系，为下一步的燃烧诊断和运行指导工作奠定了基础。
最后，介绍了为300MW火电机组开发的火焰监测和燃烧诊断系统的硬件构成，主要功能和软件界面。这个系统可指导电站锅炉的安全、经济运行，代表着火焰监测与燃烧智能诊断的热点研究方向。
That a power plant runs safely, economically and cleanly is very important to enterprise and environment. It is the optimism of the combustion in furnaces that can effectively approach this goal. What's more, combustion optimism can not only save the fuel, but also avoid tube explosion in furnaces. In this way, the efficiency and safety of power plant boilers can be ensured. For exact and available combustion adjustment, a reliable monitoring method, which requires the Real-time available parameters for combustion diagnosis, is needed. The purpose of this thesis is to establish a new combustion monitoring and control system based on the image processing and artificial intelligence technology to carry out the combustion visualization and diagnosis, and then give the instruction information for power plant staff.
Firstly, we have researched for how oxygen pressure, pulverized coal particle diameter, heating velocity and atmosphere affecting on pulverized coal combustion velocity, and summarized various factors and affection what affecting the content of combustible in fly-ash; we have researched for the NOx formation mechanism and the emission discipline. These affecting factors are the academic base of predicting parameters selecting.
Secondly, we use advanced computer image processing technology, based on flame image luminosity information, chroma information and radiant transfer equation, to inverse-figure and calculate the temperature distribution in a boiler. We have carried on experiments at a lab and at a utility boiler respectively, and have validated the feasibility and rationality of the arithmetic.
Thirdly, we used the researched results above, combining the utility boiler function parameters and coal property data to diagnose the pollutant emission and the content of combustible in fly-ash. We acquired credible emulation model. The researched results show that the content of combustible in fly-ash, NOx emission can be predicted by the utility boiler function parameters. The results can be analysed the relation of the parameters and the content of combustible in fly-ash- NOx emission, and can be the base of the combustion diagnosis and running guidance.
Finally, the thesis illustrated the primary application of flame image processing system to the 300MWe power plant boiler. The design idea, hardware system, and software function was described in details. With this system, the research on the combustion visualization and diagnosis will be testified and advanced.
首先，本文研究了氧气分压、煤粉粒径、加热速率和气氛对煤粉燃烧速度的影响规律，对影响飞灰可燃物含量的各种因素及其影响规律进行了总结；研究了NOx的生成机理和排放规律，考察了各种运行参数对氮氧化物排放量的影响规律。这些影响因素为预测参数选择作了理论基础。
其次，应用先进的计算机图像处理技术，根据火焰图像的信息和辐射传递方程计算炉膛内的温度分布。进行了实验室测量实验和电站锅炉现场实验，验证了这种算法的可行性和合理性。
然后，根据上述的研究结果，结合电站锅炉运行参数和煤质数据，基于PLS方法对污染物排放和飞灰可燃物含量进行诊断预测研究，得到了基本可信的仿真模型。研究结果说明了根据运行参数可以较好地预测飞灰可燃物含量、NOx排放量，还可以分析各参数与锅炉的飞灰可燃物含量、NOx排放量的关系，为下一步的燃烧诊断和运行指导工作奠定了基础。
最后，介绍了为300MW火电机组开发的火焰监测和燃烧诊断系统的硬件构成，主要功能和软件界面。这个系统可指导电站锅炉的安全、经济运行，代表着火焰监测与燃烧智能诊断的热点研究方向。
That a power plant runs safely, economically and cleanly is very important to enterprise and environment. It is the optimism of the combustion in furnaces that can effectively approach this goal. What's more, combustion optimism can not only save the fuel, but also avoid tube explosion in furnaces. In this way, the efficiency and safety of power plant boilers can be ensured. For exact and available combustion adjustment, a reliable monitoring method, which requires the Real-time available parameters for combustion diagnosis, is needed. The purpose of this thesis is to establish a new combustion monitoring and control system based on the image processing and artificial intelligence technology to carry out the combustion visualization and diagnosis, and then give the instruction information for power plant staff.
Firstly, we have researched for how oxygen pressure, pulverized coal particle diameter, heating velocity and atmosphere affecting on pulverized coal combustion velocity, and summarized various factors and affection what affecting the content of combustible in fly-ash; we have researched for the NOx formation mechanism and the emission discipline. These affecting factors are the academic base of predicting parameters selecting.
Secondly, we use advanced computer image processing technology, based on flame image luminosity information, chroma information and radiant transfer equation, to inverse-figure and calculate the temperature distribution in a boiler. We have carried on experiments at a lab and at a utility boiler respectively, and have validated the feasibility and rationality of the arithmetic.
Thirdly, we used the researched results above, combining the utility boiler function parameters and coal property data to diagnose the pollutant emission and the content of combustible in fly-ash. We acquired credible emulation model. The researched results show that the content of combustible in fly-ash, NOx emission can be predicted by the utility boiler function parameters. The results can be analysed the relation of the parameters and the content of combustible in fly-ash- NOx emission, and can be the base of the combustion diagnosis and running guidance.
Finally, the thesis illustrated the primary application of flame image processing system to the 300MWe power plant boiler. The design idea, hardware system, and software function was described in details. With this system, the research on the combustion visualization and diagnosis will be testified and advanced.
引文
1．岑可法著，锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的原理与计算，科学出版社，1994
2．何佩敖等，电站燃煤锅炉煤粉火焰和煤粉燃烧的检测及诊断技术，电站系统工程，1993，9(6)：8～14
3．伊藤献一等，火炎定量的表现应用，日本机械学会论文集(B编)56(11)1990
4．曾汉才主编，燃烧与污染，华中理工大学出版社，1992
5. S.Miyamae et al.,"NO_x and Unburned Carbon Simulation Technologies on Pulverized Coal-Firing Boiler", Ishikawajima-Harima Engineering Review, Vol.26,No.5,'88
6. T.masai et al, "Study on Method of predicting unburned carbon in coal-fired boilers", the Thermal and Nuclear Power(Japanese).Vol.34.No. 12, '83
7．赵旺初，介绍国外电站锅炉未燃碳的几种测定法，热能动力工程，1992,11，第7卷(6)，315～319．
8. M.Shimoda et al., Prediction method of unburnt carbon for coal fired utility boiler using image processing technology of combustion flame, IEEE Trans. On Energy Conversion, 1990, 15(4): 640～645
9. Kurihara et al., A combustion diagnosis method for pulverized coal boilers using flame recognition technology, IEEE Trans. On Energy Conversion, 1986, 1(2): 99～103
10. S. Menon, et al., A New Unsteady Mixing Model to Predict NOx Production During Rapid Mixing in a Dual-Stage Combustor, Journal of Propulsion and Power, vol. 10, No. 2, pp. 161-168, 1994.
11. A. Balderi et al., Predicting NOx emissions from a power station boiler using artificial neural networks, ENEL DSR-CRT, Pisa, Italy.
12．大谷启一等，利用微压波动对电厂锅炉的燃烧诊断技术，燃料协会志，1991，70(5)：452～459
13．王新军等，用于电站煤粉锅炉NOx排放监测的BP神经网络试验研究，动力工程，2002，10，Vol．22，NO．5，1979～1982．
14．浙江大学热能工程研究所，基于电站锅炉煤粉火焰图像的温度场测量、NOx预测及燃
烧诊断系统鉴定报告，2000．
15．王庆有等，CCD应用技术，天津大学出版社，1993．
16．蔡文贵等，CCD技术及应用，电子工业出版社，1992．
17．孙肇敏，应用电视，复旦大学出版社，1988．
18．徐颖等，CCD摄像器件——原理、特性及应用，光学技术，1993(增刊)，1～163．
19．刘维，HIACS-3000系统技术的最新进展，中国电力．
20. S.Collins, Advanced flame monitors take on combustion control, Power, 1993 (10): 75～77.
21. Mitsubishi Heavy Industries, LTD., Specification of Flame Detector, 1997.
22．舒子凯，三菱新型火焰监测装置OPTIS简介，热工自动化信息，1993．
23．王补宣等，图像处理技术用于发光火焰温度分布测量的研究，工程热物理学报，1989，10(4)：446～448．
24．徐雁等，非对称火焰三维温度分布测量的重构算法，清华大学学报(自然科学版)，1996，36(10)：30～34．
25．徐伟勇等，数字图像处理技术在火焰检测上的应用，中国电力，1994，10：41～44
26. J,Sun et al., Application of digital image processing in the detection of flame, Symposium. on International Conference on Power Engineering, 1995: 956～960
27．周怀春等，煤粉燃烧火焰颜色定量分析试验研究，中国电机工程学报，1993，13(1)：44～49．
28．周怀春等，炉膛火焰温度场图像处理试验研究，中国电机工程学报，1995，15(5)：295～300
29．周怀春等，单色火焰图像处理技术在锅炉燃烧监控中的应用研究，电力系统自动化，1996，20(10)：18～22
30．周怀春等，基于辐射图像处理的炉膛燃烧三维温度分布检测原理及分析，中国电机工程学报，1997，17(1)：1～4
31．周怀春等，炉膛燃烧温度场三维可视化监测方法模拟研究，动力工程，2003，No．1，2154～2159．
32．王式民等，图像处理技术在全炉膛监测中的应用，动力工程，1996，16(6)：68～72．
33．王式民等，图像处理技术在全炉膛监测中的应用，多相流检测技术进展，石油工业出版社，1996：214～218．
34．邹煜，数字图像技术子爱锅炉炉膛火焰检测中的应用，锅炉技术，1997(11)：8～13．
35．杨宏昊等，湍流气体火焰热图像特性研究，多相流检测技术进展，石油工业出版社，1996：219～224．
36．许柯夫，数字图像处理技术在电厂锅炉监测中的应用，电力系统自动化，1995．
37．王飞等，根据火焰图像测量煤粉炉截面温度场的研究，中国电机工程学报，2000，NO．7，40～43．
38．王飞等，运用彩色CCD测量火焰温度场的实验研究及误差分析，热能工程动力工程，
1998，NO．2，81～84．
39．王飞等，运用彩色CCD双色信息测量燃烧火焰的温度场，发电设备，1998，No．6，2～5．
40．卫成业等，运用彩色CCD测量火焰温度场的校正算法，中国电机工程学报，2000，No．1，70～72：76．
41．卫成业等，高温辐射图像处理比色测温法的数值方法研究，燃烧科学与技术，1998，No．3，307～311．
42．薛飞等，CCD计测燃烧室截面温度场的原理研究，动力工程，1999，No．10，390～393．
2．何佩敖等，电站燃煤锅炉煤粉火焰和煤粉燃烧的检测及诊断技术，电站系统工程，1993，9(6)：8～14
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26. J,Sun et al., Application of digital image processing in the detection of flame, Symposium. on International Conference on Power Engineering, 1995: 956～960
27．周怀春等，煤粉燃烧火焰颜色定量分析试验研究，中国电机工程学报，1993，13(1)：44～49．
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1998，NO．2，81～84．
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40．卫成业等，运用彩色CCD测量火焰温度场的校正算法，中国电机工程学报，2000，No．1，70～72：76．
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42．薛飞等，CCD计测燃烧室截面温度场的原理研究，动力工程，1999，No．10，390～393．