本發(fā)明屬于加熱爐燃燒狀況測(cè)控領(lǐng)域，尤其是冶金、化工、石油化工、有色金屬等相關(guān)行業(yè)加熱爐溫度測(cè)量及生產(chǎn)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于溫度分布的加熱爐燃燒診斷方法。

背景技術(shù)：

目前，國(guó)內(nèi)冶金、化工、石油化工、有色金屬等行業(yè)由于缺少對(duì)加熱爐燃燒狀態(tài)準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠的診斷方法，主要依賴于局部溫度、燃燒氣體排放、人工經(jīng)驗(yàn)、產(chǎn)品質(zhì)量等判斷，數(shù)據(jù)量稀少、缺乏實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，且準(zhǔn)確性和可靠性不高，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐操作過(guò)程的精細(xì)化控制，裝置的能耗過(guò)大，能源利用率低，設(shè)備損耗大，生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟(jì)效益差。

專利cn102175350a公開了一種加熱爐在線熱平衡測(cè)試診斷系統(tǒng)，通過(guò)opc技術(shù)從基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)獲取加熱爐各段爐溫?cái)?shù)據(jù)，汽化冷卻水量、水壓、水溫?cái)?shù)據(jù)，蒸汽產(chǎn)量、溫度、壓力數(shù)據(jù)，基于熱工理論和能量守恒準(zhǔn)則對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，生成反映加熱爐熱能運(yùn)行狀況的直觀數(shù)據(jù)表及圖形。該診斷系統(tǒng)獲取的爐溫?cái)?shù)據(jù)只是局部數(shù)據(jù)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果精度和可靠性得不到充分保證，同時(shí)由于監(jiān)測(cè)儀表、監(jiān)測(cè)位置和計(jì)算方法不同，不適用于大尺寸、大空間的冶金、石油化工等行業(yè)中加熱爐燃燒狀態(tài)的診斷。

專利cn105734264a提出了一種軋鋼加熱爐燃燒狀況在線測(cè)控方法，在各區(qū)段燃燒氣體出口處增設(shè)氧分析儀，在線測(cè)量爐內(nèi)不同區(qū)段燃燒氣氛的氧含量，然后基于此氧含量的測(cè)量值對(duì)加熱爐的燃燒狀態(tài)進(jìn)行診斷。該方法利用氧含量定點(diǎn)測(cè)量，不能充分反映燃燒狀態(tài)，且普遍存在過(guò)氧燃燒狀態(tài)、燃燒效率不高。

文獻(xiàn)《燃?xì)饧訜釥t火焰視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)了利用燃?xì)饣鹧娴奶攸c(diǎn)診斷加熱爐燃燒狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的燃?xì)饧訜釥t火焰視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)圖像預(yù)處理、火焰特征提取、火焰特征分析三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛火焰燃燒狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判定。目前加熱爐普遍采用天然氣作為燃料，正常情況下火焰不可見(jiàn)，所以該方法火焰特征提取、火焰特征分析很難實(shí)現(xiàn)，且該方法無(wú)法測(cè)量空間溫度分布和火焰梯度分布，因此無(wú)法有效判斷加熱爐燃燒狀態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種能夠有效判斷加熱爐燃燒狀態(tài)，解決加熱爐運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)的技術(shù)瓶頸的基于溫度分布的加熱爐燃燒診斷方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于溫度分布的加熱爐燃燒診斷方法，根據(jù)相同溫度條件下探測(cè)器像元接收的加熱爐內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射計(jì)算出高溫?zé)煔獾妮椛渫高^(guò)率，利用在特定紅外波段中高溫?zé)煔獾妮椛渫高^(guò)率的變化與天然氣燃燒效率的關(guān)系以及結(jié)合火焰形態(tài)特征直觀反映加熱爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)；利用紅外測(cè)溫裝置測(cè)量出加熱爐的目標(biāo)表面溫度作為邊界條件求解計(jì)算出加熱爐內(nèi)的空間溫度，通過(guò)空間溫度獲得加熱爐的橫向空間溫度分布和縱向溫度梯度，根據(jù)橫向空間溫度分布判斷加熱爐各燒嘴燃燒均衡情況和空間溫度波動(dòng)情況，根據(jù)縱向溫度梯度判斷空間溫度分布隨著加熱爐內(nèi)的高度、流速和壓力的變化情況；利用檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合工藝指標(biāo)和實(shí)際生產(chǎn)需求調(diào)整加熱爐運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱爐運(yùn)行效率。

加熱爐內(nèi)目標(biāo)表面溫度測(cè)量的困難在于：1)紅外輻射要穿透高溫?zé)煔猓邷責(zé)煔馐菤怏w和固體顆?；旌衔铮臻g上各向異性且瞬態(tài)變化，火焰譜和能量傳遞過(guò)程特別復(fù)雜，且燃燒過(guò)程中由于燃料種類和條件不同導(dǎo)致火焰輻射強(qiáng)度和輻射特性隨機(jī)變化；2)加熱爐尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，待測(cè)目標(biāo)和背景的輻射特性差異大，加熱過(guò)程中高溫背景的強(qiáng)輻射和反射等；3)目標(biāo)長(zhǎng)期處于高溫過(guò)氧環(huán)境中，目標(biāo)表面高溫氧化和滲碳導(dǎo)致表面輻射率隨時(shí)間變化。由于待測(cè)目標(biāo)處于高溫燃燒爐膛環(huán)境中，影響因素太多且過(guò)于復(fù)雜，突出主要影響因素，忽略次要因素，建立背景補(bǔ)償模型，消除強(qiáng)背景輻射和光程上高溫介質(zhì)輻射、散射、吸收的影響，且考慮了系統(tǒng)噪聲：

其中，l(t)為待測(cè)目標(biāo)有效輻射度；t為待測(cè)目標(biāo)溫度；lm為探測(cè)系統(tǒng)獲得的總輻射信號(hào)強(qiáng)度；τp為輻射透過(guò)率；εt為探測(cè)目標(biāo)發(fā)射率；l(tsur)為環(huán)境背景輻射；l(tcam)為系統(tǒng)熱噪聲、散粒噪聲等噪聲等效輻射；l(tp)為光程上高溫介質(zhì)的輻射；tp為輻射光程上燃燒介質(zhì)溫度；tcam為探測(cè)器溫度。

被測(cè)目標(biāo)輻射強(qiáng)度經(jīng)過(guò)高溫?zé)煔庵卸趸?、水蒸氣吸收和散射造成衰減，紅外探測(cè)系統(tǒng)獲得的總輻射信號(hào)強(qiáng)度扣除環(huán)境背景輻射、系統(tǒng)噪聲等效輻射、高溫?zé)煔廨椛渲笈c待測(cè)目標(biāo)有效輻射度的比值即為輻射透過(guò)率τp：

輻射透過(guò)率越小，衰減程度越大，探測(cè)器接收到輻射能越少，加熱爐燃燒效率越低。

基于背景補(bǔ)償模型和雙波段比色測(cè)溫技術(shù)，設(shè)計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量出目標(biāo)表面溫度，根據(jù)目標(biāo)表面溫度與爐膛空間溫度場(chǎng)分布相關(guān)性，把目標(biāo)表面溫度作為關(guān)鍵的邊界條件求解爐膛空間溫度場(chǎng)分布和定標(biāo)，結(jié)合爐膛網(wǎng)格化參數(shù)、能量吸收分布隨機(jī)數(shù)、流速分布參數(shù)，構(gòu)建輻射對(duì)流能量平衡方程組，通過(guò)求解方程組，即可得到空間溫度場(chǎng)分布。

進(jìn)一步地，所述紅外測(cè)溫裝置包括依次連接的溫度監(jiān)測(cè)高溫鏡頭、紅外濾波片、紅外探測(cè)器和計(jì)算與分析診斷模塊。

進(jìn)一步地，所述選取的特定紅外波段中包括高溫?zé)煔庵卸趸?、水蒸氣最大輻射透過(guò)率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠根據(jù)目標(biāo)紅外輻射透過(guò)率變化和火焰形態(tài)直觀的判斷出加熱爐燒嘴的燃燒效率，能夠根據(jù)橫向空間溫度分布和縱向溫度梯度變化分析診斷加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)，從而能夠有效的判斷加熱爐的燃燒狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱爐運(yùn)行效率，解決了加熱爐運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)的技術(shù)瓶頸。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的加熱爐燃燒診斷流程圖；

圖2為本發(fā)明中紅外測(cè)溫裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

實(shí)施例1：

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于溫度分布的加熱爐燃燒診斷方法，根據(jù)相同溫度條件下探測(cè)器像元接收的加熱爐內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射計(jì)算出高溫?zé)煔獾妮椛渫高^(guò)率，利用在特定紅外波段中高溫?zé)煔獾妮椛渫高^(guò)率的變化與天然氣燃燒效率的關(guān)系以及結(jié)合火焰形態(tài)特征直觀反映加熱爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)；利用紅外測(cè)溫裝置測(cè)量出加熱爐的目標(biāo)表面溫度作為邊界條件求解計(jì)算出加熱爐內(nèi)的空間溫度，通過(guò)空間溫度獲得加熱爐的橫向空間溫度分布和縱向溫度梯度，根據(jù)橫向空間溫度分布判斷加熱爐各燒嘴燃燒均衡情況和空間溫度波動(dòng)情況，根據(jù)縱向溫度梯度判斷空間溫度分布隨著加熱爐內(nèi)的高度、流速和壓力的變化情況。

所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)都可通過(guò)可視化溫度檢測(cè)系統(tǒng)直接的獲取，利用檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合工藝指標(biāo)和實(shí)際生產(chǎn)需求調(diào)整加熱爐運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱爐運(yùn)行效率。

實(shí)施例2：

研究加熱爐火嘴處高溫?zé)煔庵卸趸?、水蒸氣輻射圖譜，尋找紅外輻射透過(guò)率較大的輻射窗口，結(jié)合近紅外探測(cè)器光譜響應(yīng)特性，確定最佳濾波中心波長(zhǎng)，從而最大限度地獲取火焰形態(tài)?；鹧嫘螒B(tài)直觀反映燒嘴配風(fēng)情況，燒嘴配風(fēng)好，則透過(guò)率高、燃燒效率高且火焰不可見(jiàn)；燒嘴配風(fēng)不好，則透過(guò)率低、燃燒效率低，火焰可見(jiàn)且隨風(fēng)擺動(dòng)。

利用紅外測(cè)溫裝置測(cè)量出加熱爐的目標(biāo)表面溫度，由于待測(cè)目標(biāo)處于高溫燃燒爐膛環(huán)境中，影響因素太多且過(guò)于復(fù)雜，突出主要影響因素，忽略次要因素，建立背景補(bǔ)償模型，消除強(qiáng)背景輻射和光程上高溫介質(zhì)輻射、散射、吸收的影響，且考慮了系統(tǒng)噪聲：

其中，l(t)為待測(cè)目標(biāo)有效輻射度；t為待測(cè)目標(biāo)溫度；lm為探測(cè)系統(tǒng)獲得的總輻射信號(hào)強(qiáng)度；τp為輻射透過(guò)率；εt為探測(cè)目標(biāo)發(fā)射率；l(tsur)為環(huán)境背景輻射；l(tcam)為系統(tǒng)熱噪聲、散粒噪聲等噪聲等效輻射；l(tp)為光程上高溫介質(zhì)的輻射；tp為輻射光程上燃燒介質(zhì)溫度；tcam為探測(cè)器溫度。

被測(cè)目標(biāo)輻射強(qiáng)度經(jīng)過(guò)高溫?zé)煔庵卸趸?、水蒸氣吸收和散射造成衰減，紅外探測(cè)系統(tǒng)獲得的總輻射信號(hào)強(qiáng)度扣除環(huán)境背景輻射、系統(tǒng)噪聲等效輻射、高溫?zé)煔廨椛渲笈c待測(cè)目標(biāo)有效輻射度的比值即為輻射透過(guò)率τp：

輻射透過(guò)率越小，衰減程度越大，探測(cè)器接收到輻射能越少，加熱爐燃燒效率越低。

目標(biāo)表面溫度分布與爐膛空間溫度場(chǎng)分布具有較大的相關(guān)性，可以作為關(guān)鍵的邊界條件求解爐膛空間溫度場(chǎng)分布和定標(biāo)。紅外測(cè)溫裝置測(cè)量目標(biāo)表面溫度作為輻射對(duì)流能量平衡方程求解的關(guān)鍵邊界條件，通過(guò)求解方程組，即可得到空間溫度場(chǎng)分布。從空間溫度中提取空間橫向溫度分布和縱向溫度梯度，根據(jù)橫向溫度可以反映各燒嘴火焰溫度分布和空間溫度波動(dòng)情況；根據(jù)縱向溫度梯度判斷空間溫度分布隨高度、流速、壓力的變化情況。

最后結(jié)合火焰形態(tài)、火焰溫度、空間橫向溫度和縱向溫度梯度綜合診斷加熱爐燃燒狀況和實(shí)時(shí)調(diào)整裝置運(yùn)行狀態(tài)，提高加熱爐運(yùn)行效率。

實(shí)施例3：

如圖2所示，采用紅外測(cè)溫裝置進(jìn)行測(cè)量加熱爐的目標(biāo)表面溫度，所述紅外測(cè)溫裝置包括依次連接的溫度監(jiān)測(cè)高溫鏡頭、紅外濾波片、紅外探測(cè)器和計(jì)算與分析診斷模塊，所述紅外探測(cè)器的紅外監(jiān)測(cè)探頭通過(guò)密封連接機(jī)構(gòu)直接安裝在爐體側(cè)壁或頂部，爐膛內(nèi)部紅外輻射信號(hào)首先通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)高溫鏡頭，再經(jīng)過(guò)紅外濾波片濾波作用后在紅外探測(cè)器上形成電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)電纜線傳輸至工控機(jī)通過(guò)計(jì)算與分析診斷模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，所述計(jì)算與分析診斷模塊通過(guò)目標(biāo)溫度計(jì)算模塊計(jì)算出目標(biāo)表面溫度，空間溫度計(jì)算模塊通過(guò)目標(biāo)表面溫度求解出空間溫度，通過(guò)顯示與信號(hào)輸出模塊進(jìn)行信號(hào)輸出。