燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测.pdf

X ‘1 4 c } §} s分茬号l f n C密措鳊哥中国科学院研究生院硕士学位论文指导教师型五皿宜虽．生冒整堂鞋王攫垫翅星堑基匾申请学位数别．王堂强±学科专业名称一—盐蓝王拦一论立提空日期3 堂生5 旦论文答辩日期越蛭生§且培养单位生雹整堂睦王攫趋巍墨壁塞压．一学位授予单位坚国揖坐瘟班宜生睦一．．答辩羹员会主席乏憋摘要摘要大型电站锅炉炉膛内的煤粉燃烧过程是发生在较大空间范围内、不断脉动且具有明显三维特征的复杂物理和化学过程，其有效的监测和诊断手段至今没有得到根本解决图像处理是近四十年蓬勃发展的一门新兴学科，其在电站锅炉炉膛煤粉燃烧诊断领域中的应用引起了人们极大兴趣本文介绍了自行研制的可视化火焰监测系统，采用黑体炉为辐射热源，对高温辐射下获得的灰度图像进行了标定标定后得到的结果可用于火焰图像比色法测温及炉膛火焰图像的监测系统将基于数字图像处理的火焰检测系统分别在5 0 M W 、3 0 0 M W 燃煤机组上进行了实时检测，并对火焰图像及图像数学信息与燃煤特性以及机组运行实际负荷之间的关系进行了分析结果表明，火焰图像具有丰富的燃烧信息，图像信息量及温度场信息能够正确、定量地反映炉内的燃烧状况。

将可视化火焰检测系统应用到电站锅炉进行燃烧火焰和温度场的监测通过测量，得到了数值化的火焰腽度场信息，对燃烧火焰的图像进行了分析，提取了不同单色波波长下的火焰图像的平均灰度、方差、熵、火焰丰度、能量、最高灰度等特征量为了建立锅炉排放与火焰参数及燃烧温度的关系，利用基于最小二乘支持向量机原理，对N O x 排放量进行了预估结果表明，估计值与实测值吻台良好关键词：火焰可视化图像处理双色法最小二乘支持向量机N O x 排放燮堡塑丝塑堕塑些塑塑堡堕墨! ! 墼堕型A B S T R A C TM uH u a i p i n g ( T h e r r n a lE n e r g y )D i r e c t e db yP r o f e s s o rL i uS h iT h ep r o c e s so fc o m b u s t i o ni nal a r g e —s c a l ep o w e rp l a n tb o i l e ri n v o l v e sc o m p l e xp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n so c c u r r e di nl a r g es p a c e ，h a v i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r e q u e n tf l u c t u a t i o n sa n dc o n s p i c u o l L st h r e ed i m e n s i o n s ．T h ec o m b u s t i o nv i s u a l i z a t i o ni san e ws u b j e c tw i t hf l o u r i s h i n gd e v e l o p m e n ti nt h el a t e s tf o r t yy e a r s ．I t ss u c c e s s f u la p p l i e si nt h ec o m b u s t i o nd i a g n o s eo fb o i l e ri np o w e rp l a n th a v ea r o u s e dm a n yp e o p l e ’Si n t e r e s t s ．T h i sp a p e rp r e s e n t sas t u d yo nt h ec a l i b r a t i o nm e t h o df u raf l a m e ／t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do na l lo p t i c a ls e n s i n gs y s t e m ．T h i ss y s t e mw a sc a l i b r a t e du s i n gab l a c k b o d y 血m a c ea sas t a n d a r dt e m p e r a t u r es o u r c eT h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l a m et e m p e r a t u r e sa n dt h eg r e yl e v e l so ft h ei m a g e sW a Se s t a b l i s h e dt h r o u g hi m a g ep r o c e s s i n ga n df u n c t i o nc o r r e l a t i o n ．T h er e s u l t sc o u l db eu s e df o rt e m p e r - a t u r em e a s u r e m e n ta n df l a m em o n i t o r i n g ．O n - l i n em e a s u r e m e n t sw e r ec o n d u c t e do na5 0 M Wa n da3 0 0 M Wc o a l —f i r e db o i l e r sb yt h eu s eo f t h ef l a m ei m a g ep r o c e s s i n g - b a s e dd e t e c t i o ns y s t e m ．T h i sp a p e ra l s op r e s e n t st h eo u t c o m eo f t h em e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d eap u l v e r i z e dc o a lb o i l e ri nap o w e rs t a t i o nb yu s i n gan o v e lf l a m e ／c o m b u s t i o n 、，i s u a l i z a t i o ns y s t e m ．I na d d i t i o n ，a l la n a l y s i sh a sb e e np e r f o r m e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l a m ei m a g ep a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o a la n dt h ea c t u a lo u t p u to f t h eb O i 】c rr e s p e c t i v d yT h er e s u l t so ft h ea n a l y s i si n d i c a t et h a tt h ee n e r g ys i g n a l so ft h ei m a g ea n dt h ef u r n a c et e m p e r a t u r ef i e l dc a nr e f l e c tt h ec o m b u s t i o nc o n d i t i o ni nt h eb o i l e rc o r r e c t l ya n dq u a n t i t a t i v e l y ．E x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o d u c et h ef l a m ei m a g e sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n st h a ta l ef a r t h e rt r a n s l a t e di n t od i g i t i z e dd a t a ．T h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r ed e f i n e da st h ea v e r a g ea n dt h em a x i m u mg r e yl e v e l s ，t h ev a r i a n c e ，t h ee n t r o p y , t h ea b u n d a n c ea n dt h ee n e r g yo ft h ef l a m ei m a g e sa c q u i r e da td i f f e r e n to p t i c a lw a v el e n g t h s ，a n dt h e i rI j垒! ! 塑壁一一一——v a l u e sa r ee x t r a c t e df r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ．T h e naf e a m r es p a c ea r ef o r m e dc o n s i s t i n go ft h ea b o v es i xc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf o rt h eL S - S V M ( L e a s tS q u a r eS u p p o r tV e c t o rM a c h i n e s ) a n a l y s i s ，b a s e dO nw h i c ht h eN O xe m i s s i o ni sp r e d i c t e dt of i n do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne m i s s i o na n dt h ep a r a m e t e r so f t h ef l a m ei m a g e s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e d i c t e dv a l u e sa n dt h em e a s u r e dV a l u e sa r ei ng o o da g r e e m e n t ．K e yw o r d s ：f l a m ev i s u a l i z a t i o n ；i m a g i n gp r o c e s s i n g ：t w o —c o l o rm e t h o dL S —S V M ；N O xe m i s s i o nI l l燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测符号表单色辐射率波长中心波长视在温度自然对数的底单位火焰厚度的吸收系数沿光轴方向上的火焰几何厚度烟灰辐射率与波长之间的相关程度像素点的横坐标像素点的纵坐标X 方向的采样点数Y 方向的采样点数熵方差丰度能量煤的低位发热量相关系数斯蒂芬一玻尔兹曼常数炉膛辐射能信号非负L a g r a n g e 乘子权向量偏置正规化参数误差控制函数不敏感损失函数核宽度I Vn l nl i r aKmmM J ／k gk W ／( m 2 ·K 4 )OK)"吼九hL。

KL仪xynmH AE蛳，％％wbc‰第一章绪论第一章绪论1 ．】课题的理论与实际意义和任务背景火电厂锅炉炉膛内的燃烧过程是一个不断脉动且复杂的物理和化学过程，火焰的温度场分布及燃烧状态对于电厂安全经济运行具有极其重要的现实意义火焰温度是反应燃烧过程的一个重要状态参数，它对于了解燃烧过程中所产生的热量以及研究发生在其中的以辐射、对流及导热为形式的热量传递都至关重要所有燃烧动力机械中燃料燃烧过程组织的好坏直接决定了机组效率的高低，同时燃料的燃烧又必须考虑到燃烧时四周壁面材料的耐温性能及燃烧排放尾气中有害物质的控制等诺多因素我国能源工业的主要污染为燃煤型污染，电站锅炉的尾气排放控制一直是污染治理的重点随着电站煤粉锅炉容量的增大，蒸汽初参数的提高，大型电站煤粉锅炉的安全性、经济性问题更加突出，这样对锅炉的燃烧性及排放特性提出了更高要求优化炉内燃烧工况，是控制锅炉排放的最直接有效的方法燃烧状况和燃料特性决定了锅炉的排放，而燃料的成分及其浓度分布与燃烧区域温度密切相关，所以对火焰温度场的测量是研究锅炉燃烧以及排放最直接的途径工业炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并维持稳定、均匀的燃烧火焰炉内燃烧火焰的形状、亮度等是表征燃烧状态稳定与否的直接反映。

燃烧调整不好或不稳定会导致锅炉热效率下降，产生更多的污染物、噪声等，在极端情况下可能引起锅炉灭火，甚至引起炉膛爆炸为提高燃烧效率及预防潜在的危险，必须对火焰进行切实有效的监测电力行业中，随着电站煤粉锅炉容量的增大，蒸汽初参数的提高，大型电站煤粉锅炉的安全性、经济性问题更加突出，这样对锅炉的燃烧性能提出了更高要求现有的电站锅炉热工测量控制系统中，对燃烧的监控和判断是通过炉膛安全监控系统F S S S ( F u r n a c eS a f e g u a r dS u p e r v i s o r yS y s t e m ) 来实现的它能在锅炉起停和正常运行方式下，连续密切监视燃烧系统的参数和状态，不断进行逻辑判断和运算，必要时发出动作指令，以保证锅炉燃烧系统的安全而现有的锅炉F S S S 的运行检测和燃烧诊断的研究和应用主要集中在对燃烧火焰“有⋯‘无”的判断上而对于炉内的温度场测量以及进行相应的诊断方面，由于测量手段的限制，还处于起步和实验阶段作为对F S S S 的补充，可靠、及时的燃烧诊断技术将已成为保燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测障电站安全的重要条件和基本要求另一个内容，将在其重要性主要体现在以下问题的解决中超重要作用：1 ．新投运的大型电站煤粉锅炉日渐增多，锅炉机组的容量逐渐增大，锅炉设备的机构及其附属变得越来越复杂，可能影响锅炉运行的不利因素随之增多；2 ．电厂煤质变动频繁，炉内燃烧参数整定困难，影响到火焰检测的准确性，容易使锅炉灭火，甚至引发更严重的炉膛爆炸等恶性事故；3 ．电网要求大机组参与调峰，为满足调峰的要求，锅炉负荷变动频繁，要求锅炉运行能够适应较大幅度的负荷调节，给燃烧调謦带来更多困难；4 ．燃料参数的波动也是增加污染物排放的重要原因。

然而常规的燃烧控制方法的特点之一是基于恒定的燃料特性，主要信号( 如烟温、烟气含氧量、压力等) 取白燃烧室以外( 如烟道) ，不利于预测或及时跟踪燃料进料特性以及炉内工况的瞬时变化：5 ．日益严格的环境保护标准要求对燃烧工况的控制提出越来越高的指标，使得现有的燃烧控制系统面临不断改进的要求因此，多方位和快速、早期信息在增强控制、减轻污染方面的作用则受到密切关注对燃烧设备的火焰实时检测就是这样信息的最佳来源之一，它有两个特点：其一是直接和快速，其二是内容丰富炉内火焰和温度场直接取自燃烧室，其信息直接反映了炉内燃烧工况，甚至当燃料在炉内刚开始燃烧或尚未燃尽时便可获得其火焰和温度信息其速度远超前于在炉膛以外的烟气成分信号( 根据国际上的研究报道，其反应速度可在时间上超前一个数量级) 另一方面，火焰信息与燃烧过程的重要参数如喷燃器的燃料——风粉比、燃烧产物中的氧气含量等有密切关系这样，从实时测量的火焰信号可以间接反应燃料特性及烟气中含氧量等参数的变化如果在火焰信息与尾气排放之间建立一种相关性模型，则通过该模型对尾气成分的监测速度将比使用昂贵的烟气分析仪大大提高火焰具有丰富的信息，如几何参数( 火焰位置、尺寸、张角、重心、着火点) 、亮度参数、温度场分布、闪烁频率以及从火焰的特征实时判断燃料特性的变化等。

而温度场测量的范围是一个“场”而不是个别点，因而能较全面地反映炉内燃烧情况，如火焰的充满度、火焰是否偏斜或冲刷炉墙、结焦、局部高温等流动和第一章绪论燃烧的组织效果也能在炉内火焰／温度场中得到同步响应当前煤粉炉还没有将炉内的快速、丰富的信息充分利用，对燃烧的分布情况难以做出较全面的诊断如何才能保证燃煤锅炉煤粉燃烧火焰检测、诊断信号的准确无误、反应迅速，提高燃烧效率及热经济性是电厂安全运行需要解决的具体问题，也是当前国内外电力工业部门的科研设计人员和电站运行人员研究开发的重点课题之一随着计算机技术和电子技术的发展，以数字图像处理技术为核心的火焰图像检测系统日益成为主流从火焰图像中提取更多的监视和诊断信息，获得炉膛辐射水平的定量描述，重建燃烧火焰的温度场分布，此项应用技术已成为燃烧学科目前较为热门的研究方向之一数字图像处理技术用于火焰监测主要有三个方面Ⅻ6 ] ：其一是测温和温度场重建，通过色度学原理，对所获取的火焰图像的像素进行色度分析，计算出相应的温度值，进—步可以得出图像所对应的二维温度场：选取多幅不同角度的火焰图像，利用A R T 代数重建技术等方法，即可建立整个炉膛三维温度场这部分的功能可以取代常规的热电偶测温系统。

其二是火焰检测，通过使用边缘检测等技术对火焰图像进行火焰的中心、长度及外形的确定，从而检测火焰的燃烧状况，判断火焰的有无其三是火焰监视，通过对火焰的温度测量，边缘提取，进行温度的伪彩色显示，得到新的温度化的火焰图像监视系统，效果明显优于常规的看火电视因此，数字图像处理技术的应用使系统从以往分立的测温、检测和监视转化为综合的监测，实现测、检、监一体化本课题的研究意义在于，探寻一种燃烧实时、准确监视的技术，用以实现锅炉稳定、高效而洁净的燃烧l _ 2 本课题国内外目前研究状况1 ．2 ．1 火焰检测技术概述传统的火焰检测技术可以分为直接式和间接式两大类，常用的方法有电极法、差压法、声波法、光学法和温度法等[ 『”直接式火检一般用于点火器的火焰检测，由于直接式火检器对环境的要求较高，或者存在比较大的局限性，目前已经基本上被淘汰间接式火检是一般意义上的火检，也就是主燃料火检，通常利用不同燃煤锅炉的I j 视化燃烧诊断鼓排放预测形式的辐射能量检测火焰接触式测温方法的感温原件直接置于被测温度场或介质中，不受火焰的黑度、热物性参数等因素的影响，具有使用方便、经济耐用，对环境要求不高等优点，基本能够满足工业现场局部测点的测量要求。

但是，对于工业炉内的火焰这样具有瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法难以作为真正的温度场测量手段其主要原因在于接触法得到的是某个局部位置的信号，如果要得到整个燃烧空间场的信号，必须在燃烧空间内合理布点，才可以根据相应的方法获得对燃烧温度场的近似，而这对于大空间来说，几乎不可能实现另外，大多数接触式测温装置的动态特性不够理想，在测量上有一定的时间滞后，难以及时反应出温度的快速变化和火焰脉动，在对高温、高速烟气测量中会产生导热、辐射、速度等测量误差因此，其应用场合往往仅限于锅炉热态特性实验或在锅炉正常运行时，测温点也在炉壁附近，选择锅炉的关键部位进行检测接触式测温方法主要包括：热电偶温度计、热电阻温度计、膨胀式温度计、压力表温度计和黑体腔温度计等【8 】非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学特性参数，进而求解出温度，如声学法声学法是基于理想气体声速和温度之问的关系进行的，而事实上燃烧气体的热力学性质很复杂，因此这方面的研究开展得仍然有限；另一类是利用高温火焰的辐射特性，通过光学法来测量温度这种测温方法由于测温原件不与被测介质接触，不会影响被测介质的温度场和流场；同时，感温原件热惯性小，因此可用于测量快变及不稳定热力过程的温度，即能响应火焰温度的脉动，再者多数光学测量方法的研究不仅在于对温度的测量，同时还可能得到燃烧产物组成及各组分的浓度[ 9 ] 。

目前，众多研究正致力于将这种方法和计算层析技术结合起来得到2 2 ．、三维空间温度场分布‘1 0 1 [ “1 非接触测温方法的测量上限不受材料性质的影响，可广泛应用于工业炉、焊接、火箭发动机等高温场合，为大空间温度场测量提供了可能，是进行温度场测量的必然趋势尤其是计算机的广泛应用，为测温方法的数字化处理铺平了道路[ 1 2 】[ 1 3 】【1 4 1 其中典型的温度场测量方法有光谱分析( G a y d O n1 9 7 4 ，H a s h i m o n o t o1 9 9 2 ，C l a u s e n l 9 9 5 ) 、折射／衍射法( F r i s t r o m19 9 5 ) 、光散射法如L I F( L a s e M n d u c e dF l u o r e s c e n c e ) c J “、L S M ( L a s e rS c a t t e r i n go f M o l e c u l e s ) 【J “、L R ／R S ( L a s e rR a m a n ／R a y l e i g hS c a t t e r i n g )M ㈣以及辐射强度检测法1 1 ¨3 1 、火焰频率检测法、相关检测法等方法㈣【2 5 ] 。

但4第一章绪论因其在工作时，必须要有可供热辐射光谱传播的通道( 光路) ，即：非接触式测量方法通常需丌设光学窗口，窗口的透过率经常由于局部污染而造成不均匀性的减弱，增加了火焰温度测量的难度1 ．2 ．2 可视化火焰检测手段由于现有火检系统存在的局限性，近年来，随着计算机技术的不断发展，越来越多的国内外研究者把眼光投向了可视化的燃烧控制系统在工业C C D 摄像机出现后，由于其具有耐灼伤、图像清晰度高、工作稳定可靠、对震动和冲击损伤的抵抗力较强等优点，迅速在电厂锅炉中以火焰电视的形式得到应用，为锅炉点火及运行调整提供了直观的监视功能，已经成为大容量机组中必备的火焰监测手段我国《火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统设计技术规定》中明确指出容量为2 2 0 t ／h 及以E 锅炉的炉膛安全监控系统必须具有锅炉火焰监视功能；4 1 0 t ／h 及以上锅炉，宜装设监视炉膛火焰的工业电视；在容量6 7 0 t ／h 及以下锅炉，可采用全炉膛火焰监视，容量为1 0 0 0 t l h 及以上的锅炉宜采用基于单个燃烧器的火焰监视，充分说明了炉膛火焰监视对于电厂锅炉安全运行的重要性在得到广泛应用的同时，火焰电视系统也表现出了不能作为定量判断依据，不能联入自动控制系统的弱点。

因此，跟踪现代科学技术的发展，进一步拓展火焰电视的内涵，尽可能发挥其效能，使火焰监视由单纯的保证锅炉正常安全运行向提高锅炉运行经济性、降低污染物排放、形成锅炉燃烧诊断与调整专家系统等更高层次的应用领域延伸，已经成为锅炉安全监控研究的重点内容基于数字图像处理的温度场检测技术即是在摄像机型火焰检测技术基础上发展起来它融合了数字图像处理和辐射测温技术，使摄像机火焰检测技术的功能更加多样，应用范围进一步拓宽它不同于现有的全炉膛火焰电视，而是应用了现代光学、计算机技术、C T 技术和人工智能技术在内的智能化燃烧诊断系统随着计算机技术特别是多媒体技术的发展，出现图像采集卡以后，使C C D 摄像机输出的视频信号能转化为计算机可以处理的数字图像信号，意味着原先定性的火焰图像信号可以进行定量分析，这样就为火焰的后续分析和自动监控提供了可能因此，摄像型火检已成为火检技术发展的重要方向关于基于图像处理技术的火焰可视化和燃烧智能诊断的研究，国内外学者已燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测经进行了一定的探索目前的研究主要集中在以下几个方面：1 ．把数字图像处理的原理应用于燃烧量的测量；2 ．锅炉火焰图像监控系统集成的研究开发；3 ．把人工智能、神经网络和模式识别等理论应用于多参数、非线性的锅炉火焰参数测量中。

在火焰图像处理领域，国外开展此项研究较早，其中具有代表性的成果有：日立公司1 9 8 5 年问世的H I A C S ．3 0 0 0 系统中采用了炉膛火焰图像识别技术㈣【2 7 ] ，可以得出火焰温度场的分布，燃烧经济性的估算值以及N O 排放量的估算等结果，对于稳定锅炉燃烧、提高燃烧效率具有重要意义随后，该公司的M ．S h i m o d a 提出了类似于比色法的图像温度测量方法，并提出了多燃烧器未燃尽碳生成预测模型，在日本仙台电厂1 7 5 M W 机组上应用[ ”1 芬兰I V O 公司的燃烧监测与数字分析系统( D I M A C ，D i g i t a lM o n i t o r i n ga n dA n a l y s i so fC o m b u s t i o n ) 于1 9 8 9 年投入使用㈣该系统通过改进锅炉效率和可靠性来改善运行的安全性和减少N O 三菱的光学图像扫描( O P T l S ，O p t i c a lI m a g eF l a m eS c a n n e r ) 系统⋯【3 l 】采用光学图像传感器大大提高了系统对火焰的灵敏度和鉴别力，能较好的克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器火焰对被检测火焰信号的干扰，不仅能判断火焰稳定性，还能识别火焰形状。

英国K e n t 大学( 原在G r e e n w i c h 大学) 卢钢、阎勇等运用双色法对燃烧系统内的火焰参数进行了实时测量研究旧[ 3 3 ] 【3 4 ] ，并由火焰探测设备得到的火焰信号，实现识别煤种的功能，其成果在英国最大的电力公司P o w e r G e n和N a t i o n a lP o w e r 的煤粉炉实验台上进行了实测，得到了炉内燃烧状态的有用信息国内的有关研究中，清华大学吴占松等口5 噌先进行了小型发光火焰温度分布测量的研究，推导了图像亮度与火焰温度之间的关系，并经黑体炉标定获得了多项式回归模型，开创了国内火焰图像处理研究的先河随后他们又开展了非对称火焰三维温度场分布重建研究，通过在计算中加入火焰内部温度分布平滑的先验假设并选择适当的基础函数，给出了可行的非对称火焰的三维温度场分布测量的重建算法【3 6 J 上海交通大学徐伟勇等㈨【3 8 ] ㈣采用传像光纤和数字图像处理开展了监测电站锅炉燃烧火焰的研究，将火焰亮度及其变化历史记录作为判断燃烧稳定性的依6第一章绪论据，并致力于通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环控制的研究华中理工大学周怀春等‘4 0 1 1 4 1 脚] 通过在C C D 前面加装单色滤色片获取火焰单色图像的方法，借助于辐射定律丌发了基于参考点的单色图像温度场计算方法，通过所获得的单色图像与其中某一参考点的辐射强度的比较来获得温度场，参考点用比色高温计或者热电偶测温获得；并根据温度场的信息和火焰辐射脉动频谱强度信息进行燃烧工况诊断。

其最大的突破在于给出了一种能在工业现场实施的二维温度场测量方法，该方法比较简单，但是参考点的引入带来了测量的不确定性目前周怀春等也在尝试通过将火焰辐射图像和燃烧过程数值模拟相接合的方法来创建三维温度分布[ 4 3 - - 4 7 ] 浙江大学热能工程研究所‘4 牡5 刘基于火焰辐射图像的三色信息，提出了二维温度场的投影温度场测量方法，并在小型燃油和燃煤试验台以及3 0 0 M W 电站锅炉上进行了实验验证，取得了令人满意的结果此外，还建立了界面温度场和火焰燃烧颗粒浓度场的重建模型，并在此基础上开展了燃烧智能诊断的研究东南大学王世民等‘5 4 】㈣致力于基于图像处理的温度场测量手段和燃烧诊断技术的开发工作此外，南京自动化研究所许柯夫‘5 6 堆导了火焰辐射测温公式，并进行了基于火焰辐射图像的燃烧诊断的初步研究；安徽大学无线电f r 一研制了视频灭火信号输出装置国内关于双色法测量火焰温度的介绍文章较多，这里主要针对该测温技术目前存在的一些主要问题做一概括：1 ．测量分辨率低：例如国内开发较为成功的火焰监测系统的图像分辨率为l mX l m ；2 ．图像采集速度慢：目前文献介绍的图像最快的采集处理速度为1 幅，秒；3 ．工业应用的实例少：目前国内外的火焰监测系统主要对火焰明灭进行检测，而且单纯的火检系统价格都在百万元以上，非常昂贵。

近来虽然有报道介绍火焰温度场监测系统设备的工业应用实验范例，但是在电站锅炉等恶劣的现场长期稳定的运行的实例几乎为空白；4 ．火焰监测系统与现场控制的结合少：一方面主要因为已有设备的采集处理速度不能满足控制系统的要求，另一方面，系统的稳定性能差；5 ．火焰图像信号与尾气排放监测的关联研究方面：日本通过火焰图像t } { 别燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测系统，定义了N O x 排放指数，可估计排气中N O x 的排放量浙江大学从火焰图像中提取火焰燃烧特征参数，用B P 神经网络方法对N O x 排放进行实验研究但目前还没有建立双色法实时测量火焰参数与多种尾气排放成分之间的相关性模型6 ．双色法的研究方面：双色法分光系统设计上的主要难点在于如何确定同一个像点经分光后进入C C D 的两幅图像所对应的准确位置国内虽然有的单位曾经采用这种方法，但因不能很好地确定两幅图像中像点的位置，而改为采用彩色相机处理但采用彩色相机又存在着单色光波长随相机的特性不同而不同，不能自行调节确定；单波长光，园通过带宽较大，单色性能下降，直接影响到测量精度等问题7 ．火焰监测准确性：目前火焰监测系统存在着火焰偷看现象( 如果火焰检测探头看穿火焰去检测相邻或者对面燃烧器的火焰，称之为“偷看”) ，会对现场的稳定运行造成隐患。

综上所述，我们的研究课题的主要目标是实现高分辨率( 根据现场观察的实际需要确定) 、高采集速度( O ．1 s 数量级) 、适于工业长期稳定运行的火焰监测系统提出基于火焰信号的新型控制系统方案，并在火焰信号与尾气排放之间建立一相关性模型，为现场安全稳定的运行提供一种新的手段完善处理程序，提高程序处理速度，改进火焰监测系统1 ．3 本文研究方案及创新实现电站燃煤锅炉快速、直接、准确的实时检测技术是本文的主旨在得到温度场信息的基础上关联锅炉排放亦为本文研究内容的一部分本文从辐射基本定律及光学测温原理出发，设计并研制了一套基于火焰图像处理的火焰检测系统对太原第二热电厂5 0 M W 燃煤锅炉、西柏坡发电公司3 0 0 M W 燃煤锅炉进行了温度场的检测从数字图像处理学理论和信号学理论出发，由所获得的火焰数字图像中提取出表征其特征的参数，并将这些参数与煤质特性及机组运行参数之间的关系进行了分析本文的主要工作及创新如下：1 ．对研制的火焰监测系统进行标定，确定系统的测试范围及误差应用数字图像处理技术，对设计的火焰检测系统采集到的图像进行预处理以及特征参数的提取，给出图像数学统计信息的计算方法通过数字图像处理学的边缘检第一章绪论测技术对火焰图像进行火焰的中心、长度及外形的确定，从而检测火焰的燃烧状况，可以判断火焰的有无，得到温度化的火焰图像：2 ．将火焰检测系统在5 0 M W 燃煤机组上进行了实时检测，实验过程中，锅炉燃用不同煤质的煤。

研究火焰图像及图像特征参数与煤质特性的相关性；3 ，将基于数字图像处理的火焰检测系统在3 0 0 M W 燃煤机组上进行了实时检测，得到不同负荷下的火焰图像，对火焰图像及图像各个特征参数与机组运行工况参数的关系进行了分析；计算炉膛辐射能信号，分析温度场、辐射能与机组运行参数之间的关系，机组运行参数主要为主蒸汽压力、一二次风量以及烟气含氧量；4 ．当投入炉膛的燃料特性发生变化时，运用数学统计理论及数字图像处理学知识，提炼出火焰关键参数与尾气成分及燃料特性相关联的准确量准则本文为了建立锅炉排放与火焰参数及燃烧温度的关系，利用最小二乘支持向量机原理，以火焰参数为主要判据，将得到的表征燃烧的特征量作为最小二乘支持向量机的输入，对N O x 排放量进行预估建立火焰信号与尾气排放之间的相关性模型本课题将采取计算分析与现场实验相结合的方法进行将该系统在电站锅炉上进行实测，考察复杂、恶劣的实际运行环境对系统的影响验证图像重建的准确度，得到最佳系统布置方式及视场角度，避免偷看等现象发生，获取高质量的火焰参数同时得到关键参数与尾气成分及燃料特性相关联的准定量准则9燃煤锅炉的ⅡJ 视化燃烧诊断灶排放预测第二章火焰检测系统的构成及工作原理2 ．1 温度场测量原理双色法的基本原理[ 5 7 ] 【5 即是将E l 标图像通过光路系统将传过来的光分成两路不同波长的单色光，进而形成两幅不同波长下的图像。

通过比较两幅图像的亮度值与烟灰粒子光谱辐射强度的关系，得到温度场与烟灰粒子的浓度分布实际物体在波长为九的单色辐射率颤为：铲器㈦¨式中岛( r ) 为实际物体在温度为T 时的单色辐射力，E b ， 丁) 为同温度F 黑体的单色辐射力引入视在温度￡，即与某一温度T 下的实际物体的辐射强度相同的黑体的温度因此可以得到物体的单色辐射率可以进一步表示为：旷篇沼z ，式中E b 而) 为黑体在温度为T a 时的单色辐射力根据P l a n c k 定律‘5 叭，即黑体的辐射能与温度及波长的变化关系为：E b , 2 = 考宅池s ，式中丑为波长( m ) ，T 为黑体的绝对温度( K ) ，e 为自然对数的底，c 1 ，c 2为常数，C 1 = 3 ．7 4 18 x 1 0 舶W ·I T l 2 ，C 2 = 1 ．4 3 8 8 x 1 0 2 m ·K 将( 2 ．3 ) 式带入( 2 —2 ) 式，可以得到：—C —2s ，：芝竺( 2 ．4 )毛5 —百一L z ‘* ’e 可一1根据H o t t e l 与B r o u g h t o n 经验公式‘6 0 1 ，可以得到：尝毛= 1 - e 。

2 —5 )式中K 为单位火焰厚度的吸收系数，L 为沿光轴方向上的火焰几何厚度，O 【1 0第二章火焰检测系统的构成及T 作原理肚帮m 卜￡J协6 )当在两个波长^ 、五下，将上式重新整理，可以得到：旧矿= 偿r江，，由式( 2 —7 ) 在已知五，^ ：，k ，瓦：等参数时，可以计算得到火焰的真实温狄度和火焰本身发射的辐射强度有明确的关系，即在波长^ ，、如下的火焰视在温图2 ．1 实时检测系统框图燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测图2 ．2 火焰监测系统1 ．内窥镜选用的硬管工业窥镜的特点为受材料的影响小，光路能量损失少，具有成像精度高、图像清晰、不失真等特点另外，该设备物镜观察角度为9 0 焦距可调，从而使所观察的图像更加清晰；该设备总长1 ．5 米，适合在现场与实验室使用2 ．分光系统辐射热源发出的光，通过分光系统，被分成三路，再通过光学滤光片得到三幅不同波长的单色光的图像该检测装置配制了两套滤光系统滤光片参数如表2 ．1 ，2 ．2 所示：表2 ．1 第一套镜片参数＼参数中心波长^ o峰值透过率半波带宽直径序趴16 8 9 ．8 n m5 9 ％9 ．2 n ml O m m26 3 0 n m5 I ％8 ．4 n r n1 0 m m35 7 8 ．2 n m4 9 ％9 ．3 n ml O m m第二章火焰榆测系统的构成及工作原埋表2 ．2 第二二套镜片参数＼参数中心波长^ o峰值透过率半波带宽直径序雩＼l7 0 0 n m8 1 ％2 0 n m1 0 m m26 6 0 n m8 0 ％2 0 n m1 0 r a m36 0 0 n m8 0 ％2 0 r i m1 0 r a m3 ．C C D 相机本课题采用的是J A I 公司的C V - M 5 0 I R 相机。

它是一款具有近红外特性的工业黑白C C D 该相机采用1 ／2 英寸C C D 阵列作为成像器件，信噪比高( 大于5 9 d B ) 可进行逐行或隔行扫描，提供场频和帧频传输模式，采用自动或手动多级曝光( 从1 ／1 0 0 0 0 秒到l ／l o o 秒及手动曝光) ，工作温度．5 ℃到4 5 ℃在C C I R 制式，逐行帧扫描模式下C V - M 5 0 I R 相机具有较高的分辨率及帧速率( 7 6 8 X 2 8 8 ，5 0 帧／秒) ，可满足工业现场实时采集要求其光谱响应曲线如图2 ．3 所示 _ —一飞}≮|、L|～'、、＼、＼＼w a v eI o r 球h ( n m 》图2 ．3C V - M 5 0 1 R 相机光谱响应曲线光谱响应特性表示C C D 对于不同波长的相对响应能力由左图可见，本C C D 的响应范围可以从4 0 0 n m到1 0 0 0 n m ，具有很宽的响应波段按通常响应度O ．5 所对应的波长范围为基准，本C C D 光谱响应最强的波长范围在4 0 0 ．7 8 0 n m 4 ．图像采集卡图像采集卡是将视频模拟信号经过采样、量化以后转换成数字信号并输入、存储到计算机存储器或硬盘上以进行处理的设备。

所选图像采集卡具有专门设计的高级存储控制器，它可以以先进的格式重组方式将数据实时采集到板上内存，，OOOOOOO0Oes幂dseJ口^{签皋‰燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测使采集到的数据流不须通过C P U 而直接将并行数据流导出到P C L 总线该卡可以将采集到的图像传输到系统内存( 主C P U ) 进行处理或显存( v G A ) 以实时活动视频窗口进行显示，速率可达1 3 0 M B ／S 2 ．3 系统的标定系统标定16 1 】【6 2 1 的目的是：以黑体炉为辐射热源，将经c C D 光电转换后所得到灰度图像进行预处理，建立火焰辐射温度与C C D 输出辐射热图像的灰度值之f - 自J 的关系，标定结果通过适当的拟合方法得到理想的拟合曲线，即各个灰度值对应不同波长的视在温度，用于比色测温的计算标定过程中，对于不同温度下的黑体炉测量靶进行图像采集，经过C C D 转换得到未饱和的扶度图像，图像的灰度值G ( A ，7 0 ) 与视在温度存在一一对应关系：G ( 五，瓦) = I 厂( 瓦)( 2 ．8 )转换函数．厂( ) 除与C C D 光谱响应函数、镜头及信号转化特性有关外，还反映辐射衰减、测量距离的影响。

标定过程则通过适当的拟合函数，得到辐射源的视在温度与输出图像灰度值之间的对应关系对于以上关系，本研究借助黑体炉，通过对C C D 系统的标定获得系统在中国计量科学研究院的B F 一1 4 0 0 黑体炉上进行了标定标定系统示意图如图2 ．4 所示图2 ．4 标定试验系统装置像机B F ．1 4 0 0 高温黑体炉的发射率为O ．9 9 6 ，其测温范围为9 0 0 ～1 4 0 0 用于测温的标准器为B 偶( 9 7 0 0 1 1 ) 测量时的室温为2 8 C ，相对湿度4 6 ％1 4第二章火焰检测系统的构成及工作原理在不同快门速度下对系统进行了标定，以考察不同情况时对目标温度的影响经A ／D 转换后计算机所得到的图像由于输入转换器件、周围环境、暗电流的影响，会使得到的图像上含有各种各样的噪声为了稳定地进行图像灰度值的运算，必须对噪声进行滤除C C D 获得的图像具有非稳定非线性的噪声在图像处理中，中值滤波足一种非线性信号处理技术，对图像中随机噪声有良好的抑制作用，又可对图像的轮廓和边缘有较好的保护( 6 ⋯，所以首先采用中值滤波对获得的图像除噪在输出图像灰度值的计算上，利用M a t l a b 编程，得到三幅同样尺寸的单色光辐射图像，利用图像分割方法选择火焰区域为计算对象，以每幅图像的最大狄度值为参照点，采用基于统计最优的最佳阈值分割方法设置灰度门限，剔除图像边缘的奇异点，确定有意义的计算区域后进行标定数据的拟合。

标定实验分别在1 ／t 2 5 、1 ／2 5 0 、1 ／5 0 0 、1 ／1 0 0 0 秒等四种快门速度下进行标定的温度范围为9 0 0 ～1 4 0 0 C ，在黑体炉处于稳态时，每隔5 0 ℃作为一个温度测点对每一个测点采集五次，取数字图像处理后的平均灰度值作为标定数据分别对三个波长上图像的灰度值与温度进行拟合下面以第一组镜片为例，说明拟合的方法和过程对于通过波长6 8 9 ．8 n m 的辐射图像的灰度值，以所测温度点对应的灰度值为拟合点，进行多项式拟合，可得到理想的拟合曲线而对于通过波长6 3 0 n m 、5 7 8 ．2 n m 的辐射图像的灰度值，以同样方法进行多项式拟合，却得不到合理的拟合曲线通过多次拟合发现在用所有测量点对多项式进行数据拟合效果不佳的情况下，对低温段用多项式进行拟合，高温段用分段线性拟合效果较好所得到的拟合曲线与实测曲线变化趋势一致所采用的拟合多项式为：T = A + B 1 ×G + B 2 ×G 2 + B 3 x G 3 + B 4 ×G 4 + B 5 ×G 5 ，其拟合系数如表2 ．3 所示表2 ．3 多项式拟合系数∑AB 1B 2B 3B 4B 56 8 98 n m8 3 8 ．4 0 4 96 ．8 1 8 5—0 ．0 4 4 58 ．6 0 3 8 E 一52 ．5 6 1 3 E ．7．8 ．2 8 5 1 E —1 06 3 0 n m6 4 5 ．8 2 4 72 2 ．2 4 5 7。

0 ．3 5 3 00 ．0 0 2 7．7 ．4 4 5 4 E ．6 ——————5 7 82 n m3 8 7 26 6 5 2- 3 8 2 ．3 2 5 51 60 7 0 5- 0 ．2 1 0 2 ————————————燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测对两组镜片在不同快门速度下的图像灰度以及测点温度的拟合，最终得到各个不同的拟合曲线如图2 ．5 —2 ．1 0 所示一1 6 5 0 }．一一一一溉1 3 5 0 卜一：二一二二+ ：齑l4 1 4 5 0 } ’．一一一‘一一『：：：二：i i j ；i jr ．- ．1 —o 菇湖闰2 ．5 第一套镜片在快r j 速度为1 ／1 2 5 s 时的标定拟台曲线㈣) I ——i ⋯型! 丝1 7 墨生’一_【7 0 01 6 5 0d t 5 5 0日1 4 5 02 05 08 01 1 01 d 07 02 0 02 3 0藏度圈2 ．7 第一套镜片在快门速度为1 ／5 0 0 6 时的标定拟合曲线4 5 0蔷1 3 神噻2 5 01 1 5 0闭2 ．81 6 5 05 5 00 1 4 5 0型蝇1 3 5 012 5 0谚多吾f ∥髻} ．．‘，，，一：二：：二■一一。

●r + +一一一} ．‘．7 ‘7网I『‘1 二= 翌型r斟2 ．6 第一套镜片在快门速度为1 ／2 5 0 6 时的标定拟合曲线1 6 5 01 5 5 0i 1 4 5 t ]§1 3 5 01 2 5 01 1 5 0加5 08 01 1 0J 4 017 02 0 02 3 0藏度图2 ．9 第二套镜片在快门速度为1 ／2 5 0 s 时的标定拟合曲线1 7 5 01 6 5 00 1 5 5 0剖％1 4 5 01 3 5 01 2 5 02 05 0“1”o 裟H o2 ∞2 3 03 56 5％1 2 5 * ≯1 8 5趴j2 4 5图21 0 第二套镜片在快门速度为1 ／5 0 0 s时的标定拟合曲线6图2 ．1 1 第二套镜片在快门速度为l ／1 0 0 0 s时的标定拟合曲线咖瑚㈣珊㈣㈣渤第二章火焰检测系统的构成及工作原理不同波长下得到的灰度温度拟合曲线表明，在低温段温度变化较剧烈，灰度值的测量误差对真实温度产生影响较大，但其测温的相对范围较大；相反，在高温段温度变化较舒缓，但测温范围相对较小恰当选取波长及带宽有助于平衡测温范围与测量真实温度的误差之问的矛盾通过标定得到火焰灰度图像与视在温度的确定关系。

改变快门速度可以很大程度上扩大C C D 的响应范围，从而获得更大的测温范围其范围满足电站锅炉温度波动，可用于现场不同温度范围、负荷范围的实际检测燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测第三章数字火焰图像信息的预处理及火焰特征参数的提取在基于数字图像处理的火焰检测系统的研究中，燃烧过程中多种可测信息与火焰的特性有关，因此研究火焰的图像是对燃烧进行整体观测、综合渗断的一种有效方法为了从火焰的原始图像获取直接、准确、清晰而又迅速反映燃烧状况的信息，要求列这种图像进行适当处理本章内容即是对图像的各种噪声及降噪方法‘6 3 ~ 6 6 1 进行研究，在分析各种降噪方法特点的基础J ! 二，提出了适合于火焰检测系统使用的噪声滤除方法；并在此基础上，进一步分析了火焰图像中能够表征燃烧情况的特征参数，为火焰图像的采集处理及分析计算奠定了基础3 ．1 火焰图像的预处理经光电转换，模数转换等一系列中问过程后，计算机所得到的图像由于输入转换器件、周围环境、暗电流的影响，会使得到的图像上含有各种各样的噪声，引起图像质量下降为了稳定地进行图像灰度值的运算，必须对噪声进行滤除C C D 获得的图像具有非稳定非线性的噪声。

3 ．1 ．1 C C D 的噪声分析由于C C D 器件本身具有积分效应，从而使得外部的噪声被大大消除，而器件本身的噪声就成了图像中的主要噪声C C D 的噪声源可归纳为‘”】[ 6 8 】：暗电流噪声、散粒噪声、转移噪声、光响应非均匀性噪声和杂波噪声在测量过程中主要的噪声来自暗电流1 ．暗电流C C D 器件在无光信号( 或电信号) 注入时也会有信号输出，即暗电流噪声暗电流噪声主要包含以下三个方面：( 1 )耗尽区中的本征热激发产生的暗电流；( 2 )少数载流子自中性体内向表面扩散产生的暗电流；( 3 )表面能级的热激发产生的电流由于器件工作时各个信号电荷包的积分地点不同，读出路径也不同，这些暗电流尖峰对各个电荷包贡献的电荷量不等，于是造成很大的背景起伏第三章数字火焰图像信息的预处理及火焰特征参数的提取2 ．散粒噪声无论是光注入还是电注入，光敏区产生的信号电荷都是随机波动的，即形成散粒噪声散粒噪声与频率无关，在所有频率范围内有均匀的功率分布3 ．复位噪声由于复位信号围绕某一量值起伏，造成在输出极上输出电压的涨落，即形成了复位噪声4 ．光响应非均匀性噪声由于C C D 器件制作工艺的原因，使得均匀光照明条件下光敏元输出的信号电荷是不等的，由此形成了光响应非均匀性噪声。

5 ．杂波I 噪声杂波噪声主要来源于传输通道及各种器件，它为无规则随机信号，频谱较宽，幅度不等由于C C D 光敏元处于积分状态，噪声电荷与有用信号电荷一样，在各光敏元中积分形成一个暗信号图像，叠加到目标图像上，使一幅完整清晰的图像受到某些“亮条”或“亮点”的破坏另一方面，由于成像系统小孔径视场光阑的限制图像经过多次噪声侵蚀后，输出的噪声为高斯形分布，整个频率范围内的分布呈现非稳定噪声信号3 ．1 ．2 火焰图像的预处理经A I D 转换后的火焰图像讹纠通过图像重建以灰度形式存储在计算机中，其离散化后，获得的N x M 矩阵列形式为：f { x ，Y } =f ( 1 ，1 )f ( 1 ，2 )f ( 2 ，1 )f ( 2 ，2 )f ( n ，1 )f ( n ，2 )f ( 1 ，m ) f ( 2 ，，，1 ) - 一f ( n ，m( 3 一1 )式中n 为x 方向的采样点数，m 为Y 方向的采样点数该阵列中的每个元素都是一个离散量，它们各自对应一个像素没图像的灰度级为f O ，⋯⋯L ] ，在本文中￡的最大值不超过2 5 5 对于含有噪声的图像可以通过平滑处理消除、减弱图像的噪声。

一幅图像可能存在各种寄生效应这些寄生效应可能在传输中产生，也可能在量化等处理过程中产生一个较好的平滑方法应该是既能消掉这些寄生效应又不使图像的边缘1 9丝堡塑生堕! 塑些燮些堡堑丝堡垫翌型—————————————一轮廓和线条变模糊图像平滑化处理方法有空域法和频域法两大类主要有邻域平均法、低通滤波法、多图像平均法等1 ．邻域平均法邻域平均法是一种空域处理方法这种方法的基本思想是用几个像素灰度的平均值来代替每个像素的灰度设f ( x ，y ) 平滑处理后得到的图像用g ( x ，y ) 表示，基本方法由下式决定：办朋：j 吉娶c ⋯，lf ( x ，y )I m ∽一面1 蒹磐圳> r( 3 - 2 )其他这个表达式的物理概念是，当一些点和它的邻域内点的灰度平均值的差不超过规定的阈值T 时，就仍然保留其原灰度值不变，如果大于阈值T 时就用它们的平均值来代替该点的灰度值对一幅典型的火焰灰度图像进行邻域平均处理，原始图像与平均后图像的灰度分布及伪彩色分布与原图的比较显示如表3 ．1 所示表3 ．1 邻域处理图像与原始图像的比较2 0第三章数字火焰图像信息的预处理及火焰特征参数的提取从表3 ．1 中可以看出，经过邻域平均处理后的图像较原始图像和伪彩色显示的图像边缘部分略显模糊，并且处理后的图像在亮度上有所降低。

从原始图像与邻域平均处理后图像的伪彩色图像比较可以看出，原始图像高亮度区间的范围在处理后变小了，这也是处理后图像在亮度上有所降低的原因邻域处理的方法可以在一定程度上抑制图像含有的噪声，但是随着邻域平均后，会使图像边缘的模糊程度变大，使得整个图像亮度在一定程度上有所降低邻域平均的方法在滤除噪声的同时，降低了图像的质量，影响对火焰图像的后续处理，使火焰图像的边缘在一定程度上产生模糊尤其在T 值的选取上，对于不同的实验情况及火焰性质上需要做最优选择，影响了图像处理速度2 ．多图像平均法如果一幅图像包含有加性噪声，这些噪声对于每个坐标点是不相关的，并且其平均值为零，在这种情况下就可能采用多图像平均法来达到滤除噪声的目的燃煤锅炉的町视化燃烧诊断及排放预测设g ( x ，y ) 为有噪图像，n ( x ，，) 为噪声，f ( x ，J - ) 为原始图像，则g ( x ，y ) 可以用下式表示多图像平均法是把一系列有噪声的图像{ g j ( t ，) ) 叠加起来，然后再取平均值以达到平滑的目的具体做法如下：取M 幅内容相同但含有不同噪声的图像，将它们叠加起来，然后做平均计算，如下式所示：．Mg ( x 川。

击乏州w )( 3 _ 4 )由此得出：嘀t ，) } = m ，y ) ；0 - 2 础卜面1 口2 帆J )( 3 —5 )式中E { g ( z ，y ) } 是g ( x ，y ) 的数学期望，口2 融¨和0 - 2 n ( 圳是；和月在( t y ) 坐标上的方差在平均图像中任一点的均方差可由下式得到：O ' g ( w ) 万14 岫- )( 3 —6 )由上( 3 —5 ) 、( 3 - 6 ) 式可见，M 增加则像素值的方差减小，这说明由于平均的结果使得由噪声引起的像素灰度值的偏差变小当做平均处理的噪声图像数目增加时，其统计平均值就越接近原始无噪声图像基于多图平均处理有噪图像，我们尝试对所采集的图像进行滤除噪声处理为了使多图平均达到好的效果，采用标定时的图像进行试验在黑体炉处于稳态，每隔5 秒采一幅图像这里M 取5 ，处理后的图像及其灰度分布如表3 ．2 所示表3 ．2 原始图像和采用多图平均处理后图像及灰度分布第j 章数字火焰图像信息的预处理及火焰特自l 参数的提取多图平均滤除噪声的方法，应用中最大的困难在于把多幅图配准起来，使相应的像素能正确的对应排列从表3 1 2 显示的原始图像和处理后图像的对比及其灰度的对比可以看出，处理后的图像在高灰度级有明显的损失。

多图平均的处理方法，不适合应用在本设备的实际采集图像过程中因为对于电站锅炉内燃烧的火焰具有很明显的脉动特性，火焰图像在形状上也具有很大的脉动特性，这种脉动特性使得处理过程中很难达到像素位置以及像素级别的对准3 ．中值滤波对受到噪声污染的退化图像的复原可以采用线性滤波方法来处理，许多情况下是很有效的但多数线性滤波具有低通特性，在去除噪声的同时也使图像的边缘变得模糊如前文所述的邻域滤波的方法，不适用于基于图像处理的温度场测量在图像处理中，中值滤波是一种非线性信号处理技术，对图像中随机噪声有良好的抑制作用，又可以对图像的轮廓和边缘有较好的保护中值滤波方法在某些条件下可以做到既去除噪声又保护图像边缘的较满意的复原设{ x i ，j ) ∈1 2 } 表示数字图像各点的灰度值，滤波窗口为A 的二维中值滤波定义为：Y ，，j = M e d { x u ) = M e d { x r ^ ( J ) ，( r ，s ) ∈A ，刚) ∈1 2 )( 3 —7 )A窗口A 可以取方形，也可以取近圆形或十字形使用中值滤波方法对典型火焰图像进行处理，原始图像与处理后图像的灰度分布，伪彩色图比较如表3 ．3 所习C 。

燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测表3 ．3 原始图像和采用中值滤波处理后图像及灰度分布由表3 ．3 可以看出，中值滤波处理后的图像及图像的伪彩色显示较原始图像清晰，而且边缘能量没有损失，从伪彩色显示的图像可以看出，经过中值滤波处理后火焰的中心区域边缘清晰，并且这部分图像得到了加强，突出了火焰的中心区域从原始图像与中值滤波处理后图像的灰度分布可以看出，中值滤波处理后的图像的灰度台阶高于原始图像，强化了火焰图像的边缘从高灰度区可以明显第三章数字火焰图像信息的预处理及火焰特征参数的提取的看出，灰度分布的不均匀程度高于原始图像实际燃烧火焰在时问域上是脉动的，所发射出的辐射能也呈现出脉动，故认为灰度梯度越大越接近实际燃烧状况所以采用中值滤波的方法可以对图像的轮廓和边缘有较好的保护和加强，达到了既去除噪声又保护图像边缘的复原效果所以本实验图像处理的滤噪采用中值滤波的方法3 ，2 表征火焰图像特征的参数提取在数字图像处理技术中，一幅图像被分割或确定后，通常希望用一系列的符号或某种规则具体描述该图像的特征，以便于进～步识别、分析或分类，有利于区分不同的图像，同时减少图像区域中的原始数据量‘般把表征图像的一系列符号叫做描绘子，或者称为特征变量。

图像中的平均灰度反映了火焰辐射的平均光强；方差反映了火焰光强分布的不均匀程度：熵反映了光强变化的随机程度：火焰丰度反映了火焰的占满程度；能量反映了火焰图像辐射强度的大小：脉动振幅分布( 图像的傅立叶变换) 反映了火焰的脉动特征故我们对以下6 个火焰特征参数进行分析：平均灰度( ，) 、方差( 盯) 、熵( H ) 、火焰丰度( A ) 、能量( E ) 、最高灰度( ，～) 这些特征参数是反映锅炉火焰燃烧状况的一组变量，它们共同组成了表达锅炉火焰图像特征的特征向量A ／D 转换后的火焰图像通过图像重建以灰度矩阵形式存储在计算机中对此灰度矩阵，离散数字图像的数学表达式如式( 3 —1 ) 所示设图像的灰度级为从[ O ，⋯⋯￡] 根据以上模型、结合前面对火焰图像的特征分析，可推导各个特征参数的数学表达式1 ．平均灰度( L )平均灰度的定义为灰度的数学期望值与图像中灰度级数的比值，它反应的是火焰辐射的平均光强图3 ．1 为曝光时间为1 ／5 0 0 s 下采集得到的一幅中心波长为6 9 0 n m 的图像的灰度分布在图像处理过程中设定一个阈值为r ，从图中可知图像的边缘为图像背景，其灰度值较为一致，说明背景灰度比较均匀。

图像中心灰度值偏高的地方为火焰设p ( i ) 为第i 级灰度的概率，其中r < i < L ，L 为图像灰．燮堡塑塑塑里塑! ! 塑塑堡塑丝塑堕堡型——度的最大值代表图像的平均灰度，有图3l 火焰蚓像的扶度分布L 去芝卿)( 3 _ 8 )式中m 为图像的实际最大灰度级数2 ．最高灰度( ，一)设图像的灰度级数共有m级，那么图像的最高灰度定义为m 级灰度中的所有狄度值的最大值，最高灰度反映了火焰燃烧的最大辐射强度代表最高灰度，序列I x ，，X 2 ⋯，] 表示图像的所有m 级灰度，有：，一= m a x ( x I ，2 ⋯J )( 3 ·9 )3 ．方差( 6 )方差反映了火焰光强分布的不均匀程度根据概率论知识可以得到方差的定义如下：MN2J = ∑∑[ 邝，J ) 一门( 3 一l o )I = lJ ；l式中M ，N 为图像的高度和宽度( 均为像素数) ，f ( i ，，) 为( f ，』) 处的灰度值，，为平均灰度，其值为：，= 1 0 3 ．1 1 )4 ．熵( Ⅳ)假设一幅数字火焰图像的灰度幅值共有( x 恐⋯⋯x ) 种，出现的概率分别为( B ，最，⋯岛) ，那么，每一种幅值所具有的信息量分别为l 。

9 2 喑) ，1 0 9 2 ( 音) ’‘- l 0 9 2 ( 音) ，由此可以得到该图像的平均信息量，即熵值：第三章数宁火焰图像信息的预处理及火焰特征参数的提取Ⅳ= ∑鼻l 0 9 2 ( 去) = 一∑鼻l 0 9 2 ( 鼻)( 3 - 1 2 )仁01of = 0熵反映了光强变化的随机程度5 ．火焰丰度( A )没一幅M ×Ⅳ数字火焰图像，假设其每一个像素所占的面积为s ，那么整幅图像的面积为：S t o l M ×N ×s( 3 - 1 3 )对该图像进行分割去除背景以后，假设得到的火焰图像面积为s ∥其总的像素数为v ，有：那么火焰丰度为S m ∥×s( 3 - 1 4 )4 ：堕S ∞，火焰丰度反映了火焰的占满程度 3 一l5 )6 ，能量( E )由信号与系统的理论可知，如果用f ( x ，y ) 表示随机图像信号场，那么其傅立叶变换就是反应图像的振幅特性的振幅谱，即：脚朋；薯》胸H ：z c ≥+ 静( 3 _ 1 6 )则图像信号的能量E ：去M ∑- ] ∑N - I 限叩) 1 ‘⋯⋯0 = 0( 3 —1 7 )式中，㈧) 为火焰图像的离散傅立叶变换函数。

能量反应的是火焰图像的辐射强度的大小，其对图像的大小、旋转平移等变化不敏感我们分析了火焰图像的特征并研究了其相应的数学计算公式，对于各个特征2 7燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测参数采用M A T L A B 语言实现3 ．3 本章小结1 ．分析了C C D 成像噪声的来源，并分析了C C D 采集得到的图像；2 ．应用数字图像处理原理尝试不同图像平滑、滤噪处理，通过原始图像与处理后图像的比较、伪彩色图像比较以及灰度分布比较，评价各种处理方法的效果以及优缺点，选择处理效果好以及适合现场实验的处理方法一中值滤波法作为本实验的图像处理方法；3 ．应用数字图像统计理论信息及信号与系统理论，分别提取了表征火焰直观信息的火焰丰度及灰度信息一最高及平均灰度、数学统计信息一熵及方差、信号学信息一能量等火焰图像特征参数，这些特征参数具有对图像的大小、旋转平移等变化不敏感的特点第四章可} Ⅺ化火焰捡测系统对小同煤种燃料燃烧的检测第四章可视化火焰检测系统对不同煤种燃料燃烧的检测燃料特性( 煤质) 好坏直接制约着电站煤粉炉燃烧状况，而常规燃烧控制方法的特点之一是基于恒定的燃料特性，主要信号( 如烟温，烟气含氧量、压力等)耿自燃烧室以外( 如烟道) ，不能预测或及时跟踪燃料进料特性( 煤质) 以及炉内工况的瞬时变化。

因此常规的燃烧控制方法不能根据锅炉燃料进料特性迅速调整燃烧参数( 风粉比、一次风量、二次风量等) 而炉内的火焰和温度场直接取自燃烧室，其信息将直接反映炉内的燃烧工况，甚至当燃料在炉内开始燃烧尚未燃尽时便可扶得其火焰和温度信息，其速度远超前于在炉膛以外的烟气成分信号( 根据国际上研究的报道，可在时间上超前一个数量级) ；同时火焰具有丰富的信息，如几何参数( 火焰位置、尺寸、张角、重心、着火点) 、亮度参数、温度场分布、闪烁频率，以及从火焰的特征实时判断燃料特性的变化等而温度场测量的范围是一个“场”而不是个别的点，因而能较全面地反映炉内情况，如火焰的充满度、火焰是否偏斜或冲刷炉墙、结焦、局部高温等本实验的检测目的是利用自研的炉膛火焰检测系统，根据炉膛的火焰信息及燃烧温度场来实现对锅炉燃料进料特性的跟踪，进而把燃料特性参数引入燃烧控制系统，达到根据燃料特性对燃烧参数快速调整的目的4 ．I 火焰检测系统布置及锅炉燃烧设备为了验证研发的炉膛火焰检测系统对燃料特性进行识别及跟踪的功能，2 0 0 5年5 - 6 月我们对大唐太原第二热电厂5 # 炉进行了现场测试太原第二热电厂5 号炉系武汉锅炉厂生产制造的W G Z 2 2 0 ／9 ．8 ．1 I 型锅炉，采用n 型布置，单汽包、自然循环，四角切圆燃烧，干态排渣，配备5 0 M W 凝汽式发电机组。

锅炉主要设计参数为如表4 ．1 所示制粉系统采用2 台钢球磨，热风送粉燃烧器采用均等配风，共布置卜下两层；空预器采用管式，分冷热两段布置测试中选择下层一个燃烧器喷口，对其燃烧状况进行了监测，如图4 ．1 、图4 ．2 为现场情况图片燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测表4 ．1 锅炉主要设计参数项目参数锅炉额定蒸发量过热蒸汽出口压力过热蒸汽出口温度给水温度热风温度冷风温度排烟温度设计锅炉效率燃料耗量炉膛容积热负荷2 2 0 t ／h9 ，8 M P a5 4 0 ℃2 1 5 ℃3 6 4 ℃3 0 ℃1 2 8 ℃9 I ．0 0 ％2 4 ．3 t ／h0 ．4 8 ( ；M J ／( 1 1 1 3 ．h )图4 ．1 太原第二热电厂图4 ．2 在燃烧器区域进行现场监测4 ．2 燃用不同特性煤种的火焰图像特征比较大型电站锅炉炉膛内的燃烧过程是发生在较大空间范围内的、不断脉动的物理和化学过程，火焰温度分布是燃料在经过高温化学反应、流动以及传热传质等过程后的综合体现煤的特性对燃烧过程具有重要的影响分析锅炉燃烧过程，最能直接反映入炉燃料综合状况的应该是燃料在炉内燃烧释放能量的过程炉内辐射能不仅能够快速地反映入炉燃料量的瞬态变化，而且能够及时地反映由于燃料品质的突变造成的燃烧率的变化( 煤粉在锅炉内的停留时间仅几秒钟) 。

由火焰监测系统可以获得炉膛实时的燃烧火焰图像在机组运行负荷保持一致的运行工况下，改变煤种进行实时检测第旧章可视化火焰检测系统对刁i 同煤种燃料燃烧的检测为了分析煤质，在给煤机出口处对煤质采样，燃料从采样点到炉膛燃烧时间滞后4 小时左右表4 ．2 为所采煤质的检验报告运用火焰检测系统采集得到的各种煤干叶r 所对应的典型火焰图像如图4 ．3 至4 ．8 所示其检测点是锅炉上已有的直接对准喷燃器的看火孔，所以能直接测量燃烧器喷口附近的火焰形状和温度场表4 ．2 煤质特性l # 煤样2 # 煤样空气干燥基干燥基干燥无灰基空气干燥基干燥基干燥无灰基分析水1 ．1 2分析水2 ．7 2灰分2 5 ．4 42 5 ．7 3灰分3 3 ．1 33 4 ．0 6挥发分134 21 3 ．5 71 8 ．2 7挥发分1 5 ．0 91 5 ．5 l2 3 ．5 2崮定碳6 0 ．0 26 0 ．78 I ．7 3固定碳4 9 ．0 65 0 ．4 37 6 ．4 8全硫1 ．7 81 ．82 ．4 2全硫1 ．51 ．5 42 ．3 4碳6 46 47 28 7 ．1 5碳5 3 ．2 25 4 ．7 18 2 ．9 6氢3 ．1 53 ．1 94 ．2 9氢2 ．7 l2 ．7 94 ．2 2氯0 ．9 80 ．9 91 ．3 3氮O ．8 80 ．91 ．3 7氧3 ．5 33 ．5 74 ．8 l氧5 ．8 469 ．13 # 煤样4 # 煤样空气干燥基干燥基干燥无灰基空气干燥基干燥基干燥无灰基分析水1 ．2 5分析水1 ．6 2灰分2 9 ．5 82 9 ．9 5灰分3 7 ．2 33 7 ．8 4挥发分1 3 ．3 l1 3 ．4 81 9 ．2 4挥发分1 4 ．0 41 4 ．2 72 2 ．9 6固定碳5 5 ．8 65 6 ．5 78 0 ．7 6同定碳4 7 ．1 l4 78 97 7 ．0 4全硫525 ．2 775 2全硫O ．8 6O ．8 71 ．4 l碳5 7 ．8 45 8 ．5 78 3 ．6 2碳5 1 ．3 55 2 ．28 3 ．9 7氢2 ．9 l2 ．9 54 ．2 1氢2 ．8 22 ．8 74 ．6 l氮0 ．8 80 ．8 91 ．2 7氨0 ．80 ．8 11 ．3 l氧2 ．3 42 ．3 73 - 3 8氧5 ．3 25 ．4 18 ．7燃煤锅炉的司视化燃烧诊断及排放预测5 # 煤样6 # 煤样空气干燥基于燥基干燥无灰基空气干燥基干燥基干燥无灰基分析水1 ．8 4分析水1 ．5 6灰分3 4 1 3 83 5 ．0 2灰分3 0 ．1 43 0 ．6 2挥发分1 4 ．0 61 4 ．3 22 2 ．0 4挥发分1 3 ．9 41 4 ．1 62 0 ．4 1同定碳4 9 ．7 25 0 ．6 57 7 ．9 6闰定碳5 4 ．3 65 5 ．2 27 9 ．5 9全硫1 ．3 413 72 ．1全硫1 ．8 81 ．9 12 ．7 5碳5 4 ．0 45 5 ．0 58 4 ．7 3碳5 8 ．55 9 ．4 38 5 ．6 5氢2 ．7 82 ．8 34 ．3 6氢2 ．9 63 ．0 l4 3 3氮O ．8 6O8 81 ．3 5氮0 ．8 90 ．91 ．3氧4 ．7 64 ．8 57 ．4 6氧4 ．0 94 ．1 35 ．9 6图4 ．3J # 煤样对应典型火焰图像图4 ．4 2 # 煤样对应典型火焰图像图4 ．53 # 煤样对应典型火焰图像图4 , 6 4 # 煤样对应典型火焰图像罔4 ．75 # 煤样对应典型火焰图像图4 , 86 # 煤样对应典型火焰图像从图4 ．3 —4 ．8 可以看出当燃用不同特性的煤时，通过火焰检测系统所获得火焰图像在亮度以及大小上有明显的差异。

利用数字图像技术可以从火焰图像中提取出火焰特征参数：火焰最高温度值、平均温度值与火焰图像最高灰度、平均灰第四章可视化火焰榆测系统对爿i 同煤种燃料燃烧的检测度、火焰丰度、图像能量、方差、熵以及火焰的大小、火焰中心点( 各特征参数的定义见第三章) 表4 ．3 给出了相应火焰图像的特征参数表4 ．3 各种煤样对应典型火焰图像特征参数l # 煤种2 # 煤种3 # 煤种4 # 煤种5 # 煤种6 # 煤种火焰最高灰度2 1 l2 5 41 8 0】2 61 9 01 0 3火焰、f t 均扶度8 51 1 57 36 56 85 9火焰丰度0 ．3 0 0 90 ．3 2 6 80 ．2 5 9 50 ．319 10 ．2 6 7 902 8 0 9网像能量4 ．5 4 6 X1 0 1 2 8 ．5 0 4 X1 0 阳2 ．8 4 3 X1 0 雎2 ．8 7 1 ×1 0 1 2 2 ．5 6 3 ×1 0 堙18 4 3 X1 0 1 2酗像方羞2 8 1 2 2 5 88 8 6 5 9 5 58 8 5 0 3 12 5 4 2 8 26 8 2 5 1 41 0 1 5 6 8图像熵5 ．0 35 ．5 24 ．7 74 ．5 44 ．6 94 ．5 2幽像大小( K _ ×宽)2 4 9 x 1 1 52 5 6 X1 1 92 4 8 x I l 42 3 1 X 1 1 82 2 9 x 1 2 72 2 3 x 1 2 6火焰中心横坐标1 3 51 5 21 4 lJ 2 98 91 6 3火焰中心纵坐标7 48 48 39 19 41 0 7从表4 ．3 中可以看出，煤质发生变化时，火焰图像数字信息在数值上体现出明显的变化，这种随着煤种改变而发生的变化，存在着一定的内在相关性。

将在下节进行具体的分析4 ．3 火焰图像特征与燃煤特性的相关性分析不同特性的煤燃烧时，炉膛内的火焰亮度、高度、闪烁频率会有所不同，可以通过火焰图像的数字信息体现出来燃用不同特性煤所对应的图像特征参数有所变化各个煤样对应典型火焰图像特征参数见表4 ．3 4 ．3 ．1 图像数字信息与煤的低位发热量之间的相关性分析煤粉在炉内的燃烧是～个复杂的受物理化学因素影响的多相燃烧过程在这个过程中，既发生燃烧化学反应，又发生质量、热量和能量交换燃料特性对燃烧过程具有重要影响本文通过煤中对燃烧产生影响的低位发热量、挥发分、同定碳、灰分、水分的变化，研究了煤种改变时火焰图像所反映的燃烧信息的变化机组负荷不变的情况下，六种不同煤质煤的低位发热量变化曲线如图4 ．9 所玎- 7 燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测3 f望引新㈨lO01234567煤样圈4 ．9 不同特性煤的低位发热量变化曲线当燃用热量值不同的煤的时候，需要调节炉膛的风量和煤量，以满足主蒸汽流量、压力、温度的要求燃用不同热量的煤时，炉内温度场不同，辐射强度不同例如在燃用劣质煤时，炉膛内的燃烧有可能会出现主蒸汽过热的现象，这是由于燃用的煤质下降，使着火延迟，炉膛下部温度降低，削弱了燃烧火焰与水冷壁之间的辐射换热过程；同时由于火焰中。

t l , 上移，一部分焦碳颗粒的燃烧推迟到炉膛上部区域进行，使得炉膛出口烟温提高，从而造成主蒸汽过热，在总体换热量中辐射换热的份额减少所以当燃用不同煤质的煤时，经过燃烧调整后，炉内的辐射换热会发生一定程度的变化火焰检测系统的成像过程正是基于辐射原理，所以这种辐射燃烧时份额的变化可以通过火焰检测系统采集到的火焰图像表现出来不同煤质的煤燃烧时，采集到的火焰平均灰度变化曲线如图4 ．1 0 所示，基于灰度计算得到的火焰图像能量信号如图4 ．1 1 所示从图4 ．9 、4 ．1 0 、4 ．1 1 中衄线的变化体现出⋯一‘对应的关系即燃烧调整后，燃用发热量较低的煤时，火焰的辐射换热会减弱，使得辐射热图像的平均灰度值下降，火焰图像所具有的能量也随之降低，反之亦然第p U 章可视化火焰榆测系统对不同煤种燃料燃烧的检测1 2 01 1 01 0 《9 08 07 06 05 0123456煤样阁4 ．1 0 不同煤种下火焰图像的平均灰度变化曲线9 x 1 0 1 28 x 1 0 ”7 x 1 0 1 26 x 1 0 ”【I ] 5 x 1 0 1 24 x 1 0 1 23 x 1 0 1 22 x 1 0 1 2l x l 0 1 223 煤样456图4 ．1 1 不同煤种情况r 火焰图像所对应的能量信息各个煤种所对应图像方差的变化如图4 ．1 2 所示。

从燃烧角度分析，煤质不同时，沿炉膛高度的燃烧份额有所不同，当燃用煤质好时，燃烧份额集中在燃烧器区域，而相对煤质较差时，燃烧会有所推迟，而增加了沿炉膛高度的燃烧份额，使温度场沿高度分布较之煤质好的更均匀从火焰图像的方差变化曲线，结合各个煤种的低位发热量变化曲线可以看出，低位发热量越高的煤，其所对应图像的方差越大方差越大，温度场分布越不均匀从这一点可以看出，火焰图像方差所反映的温度场均匀程度与实际燃烧情况一致燃煤锅炉的刈视化燃烧诊断及排放预测1 ．O x l 0 ’8 ．O x l 0 6 ．O x l 矿>4O x l0 82O x l 0 6O O1Z3455煤样图4 ．1 2 不同煤种情况下火焰图像所对应的方差变化曲线在表征火焰特征的参数中，熵表征光强的随机变化程度不同特性煤燃烧得到的熵的变化曲线如图4 ．1 3 所示由图4 ．1 3 的变化曲线可以看出，当燃用不同煤质的煤时，光强的变化与煤的低位发热量之间的对应趋势5 ．65 45250工48464 ．4123456煤样图4 ．1 3 不同特性煤燃烧得到的图像的熵变化曲线通过以上分析得到，燃用发热量不同的煤种时，引起的炉膛内辐射换热份额的变化可以通过火焰图像的灰度变化以及能量信号变化表征出来。

火焰图像的熵分布可以表征火焰光强的变化同时，燃用不同煤质的煤，会引起沿炉膛高度的第四章可视化火焰检洲系统对小同j ! i l 种燃料燃烧的检测燃烧份额分布的变化，使温度场的空间分布不均匀这种不均匀可以从火焰图像的方差分布表征出来火焰图像的数字信息，灰度、能量、方差以及熵与煤质的低位发热量参数之间存在一定的相关性为此，引入表征两组变量之间联系程度紧密的相关系数的概念用相关系数来衡量炉内直接得到的图像参数信息与煤质本身特性之间的相关性利用代数推演的方法可得到计算相关系数的简化式( 4 ．1 ) 所示：∑掣一÷∑x ∑，Y2 —尸= = = = 亍= = = = 兰= = = = = 享= = 一J 【∑正：( ∑蜘∑y 2 ÷( ∑，) 2 ]( 4 - 1 )其中，一为样本数，x ，Y 分别为不同的变量，r 为相关系数，描述两个变量间线性相关的程度在仅有的6 个样本基础上，按照( 4 ．1 ) 式计算煤的低位发热量与灰度、能量、方差、熵之间的相关系数计算结果如表4 ．4 所示衷44 低位发热量与图像特征参数之间的相关系数从计算得到的数值可以看出，火焰图像的数字信息与煤质的低位发热量之问存在正相关的关系，并且具有较高的相关度，其中灰度和熵的相关程度略高于方差和能量信息。

4 ．3 ．2 煤工业分析的含量与图像丰度之间的相关性分析机组负荷不变、炉膛结构已知的情况下，影响煤粉气流着火的主要因素为燃料特性煤中挥发分含量对煤粉气流的着火过程影响很大煤的挥发分越高，着火温度越低，火焰传播速度也越快挥发分高的煤不仅容易着火，而且着火稳定性也好煤的水分、灰分含量也影响煤粉气流的着火，其含量越多火焰的传播速度越低，着火越不稳定实验用六种煤的挥发分含量、灰分含量以及水分含量变化曲线如图4 ，1 4 、4 ．1 5 、4 ．1 6 所示从图4 ．1 4 可以看出，2 # 煤挥发分含量最高，4 # ，5 # ，6 # 煤的挥发分含量差异不大燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测摹d 训如求蒜摹《蜷求划蝼睁矿州0 —0l0一窀气干燥基}+ 干燥基一干燥无扶基234567煤样图4 ．1 4 不同特性煤的挥发分含量变化曲线一空气干燥基| 二! 二王堡蒸01234567煤样图4 ．1 5 不同特性煤的灰分含量变化曲线0123456煤样图4 ．1 6 不同特性煤的水分含量变化曲线巧如”m，摹删扣求拭辙l 一∞如加0第四章可视化火焰检测系统对不同煤种燃j ；；{ 燃烧的榆测通过火焰检测系统采集得到的火焰灰度图像，是三维火焰的二维投影，图像中火焰面积的大小与煤粉气流的着火难易、主要燃烧区域以及火焰传播速度有关。

由前文可知，火焰的丰度反应火焰的充满度，即火焰图像面积的大小通过火焰图像的丰度信息，观测是否能够反映出煤质特性中影响着火的因素图4 ．1 7所示为不同特性煤燃烧时得到的火焰图像丰度的变化曲线03 30 ．3 20 ．3 103 0爱0 ．2 90 2 80 2 7O ．2 6O2 523456煤样图4 ．1 7 不同特性煤燃烧得到的图像丰度变化曲线从图4 ，1 7 可以看出，燃用1 # 、2 # 、3 # 煤时，火焰图像丰度的大小变化与煤的挥发分含量相对应，影响着火的主要因素为挥发分含量但由于煤中水分和灰分也影响煤粉气流的着火与传播，4 # 煤与挥发分含量不对应通过上述分析可以认为，火焰图像的丰度信息可以反映由于煤质不同所引起的火焰面积变化，以及挥发分、灰分、水分对煤粉燃烧的综合影响评价同上节，为了说明这种影响，计算火焰图像丰度与挥发分、灰分、水分之间的相关系数，计算所得到的结果如表4 ．5 所示表4 ．5 图像丰度与煤的挥发分、灰分、水分含量之问的相关系数由表4 ，5 可以看出，影响着火的挥发分、灰分、水分含量与火焰的丰度之问存在正相关性，体现出较强的相关性，灰分的相关性相对予挥发分和水分较弱。

3 9燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测在煤的工业分析中，固定碳可以通过测量煤中水分、灰分、挥发分后用差减法计算得到由上面分析得到的火焰、煤质、煤中成分之问的相互关系可知，煤质的不同可以从火焰图像的信息上反映出来，从而可以借助于火焰图像来识别煤质，进而为燃烧调整提供帮助4 ．4 本章小结1 ．利用火焰检测系统检测恒定负荷时不同煤质下的炉膛火焰，得到了燃用不同煤质燃料下的典型火焰图像，并且计算了各个图像的主要特征参数，得到了不同煤的煤质分析数据；2 ．恒定负荷下，以煤的低位发热量为影响煤燃烧的主要因素进行分析，得到燃用不同发热量的煤时，火焰图像的直观信息一灰度、能量以及熵分布可以反映出炉内辐射换热份额的变化；同时不同煤质的煤燃烧时，沿炉膛高度的燃烧份额变化，使温度场的空间分布不均匀，这种不均匀可以从火焰图像的方差分布表征出来从得到的火焰图像的灰度、能量、熵、方差等可以表征不同发热量的煤，且具有较高的相关性；3 ．机组负荷不变、炉膛结构固定的情况下，从影响煤粉气流着火的燃料特性出发进行分析，得到火焰图像的丰度信息即火焰图像的大小可以反映由于煤质不同所引起的燃烧变化火焰图像的丰度能够反映挥发分、灰分、水分对煤粉燃烧的综合影响。

4 0第五章对可视化燃烧州} 放的关联特性研究第五章火焰检测系统在3 0 0 M W 电站燃煤机组上的实验研究针对燃烧设备中所关注区域( 燃烧器区域) ，实时测量火焰和温度场参数，得到炉膛内的燃烧温度场分析火焰温度场／温度参数与机组运行参数之间的关系5 ．1 火焰检测系统布置及锅炉燃烧设备可视化火焰检测系统主要由内窥镜、分光滤光系统、C C D 相机、图像采集卡以及微型计算机、冷却吹扫装置等构成，具体结构见第二章系统构成所示火焰检测系统在河北省石家庄西柏坡电厂3 # 炉的3 0 0 M W ，自然循环固态排渣煤粉炉上进行了实测该锅炉燃烧系统采用对冲燃烧方式，2 4 只旋流燃烧器分三层对称布置在矩形燃烧室的前、后墙上实验中分别对三层燃烧器进行了检测，实验装置如图5 ．1 所示图中A 、B 、C 为角部窥视孔位最，上、中、下分别表示对上、中、下3 层燃烧器看火孔位置，D 为冷灰斗上部侧墙窥视孔翻5l 测量系统该炉的制粉形式为钢球磨煤机中间仓储式热风送粉系统当燃用无烟煤、贫煤或劣质烟煤时，为了稳定着火和燃烧，常改用由空气预热器过来的热空气作为一次风输送煤粉乏气作为三次风在燃烧器上部被送入炉膛燃烧。

中问仓储式制粉系统中，利用再循环管协调磨煤、干燥和燃烧三者所需风量再循环管把排粉机出口处的一部分乏气再循环由于再循环风是乏气，不起干燥作用，而且温度低，因此既可以调节磨煤机出口温度，又能增加磨煤机通风量，并兼顾了燃烧所需的一次风5 ．2 机组运行工况在机组运行工况不断变化的时间段内，进行炉内燃烧火焰的检测，选取2 0 0 5年1 月定时间段内现场运行工况列于表5 ．1 - - 5 ．3 中，共1 8 个工况4 1燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测1 ．1 月1 8 同1 0 ：0 5 ～1 6 ：0 0 机组主要运行参数如表5 ．1 所示( 工况1 ．8 )表5 ．1 机组运行工况1 ．8∑≮1 0 ：0 51 0 ：4 01 2 ：0 01 2 ：1 51 3 ：0 01 4 ：3 51 5 ：3 31 6 ：0 0电负荷( M w )2 8 92 8 82 8 42 6 42 6 83 0 43 0 43 0 6汽包压力( M P a )】7 ．81 7 ．81 7 ．81 7 ．61 7 ．61 7 ．91 81 7 ．9 5主蒸汽压力( M P a )】6 - 81 6 ．91 681 6 ．81 6 ．81 6 ．81 6 ．91 6 ．8 2土蒸汽温度( ℃)5 4 l5 3 95 3 75 3 75 3 95 3 85 3 95 3 9炉膛压力( k P a )- O ．0 3—0 ．0 3—0 ．0 3—0 ．0 4 6- 0 + 0 3—0 ．0 1 7- O ．0 3- 0 ．0 3烟气含氧量左／右( ％)3 ．4 ／5 ．34 ．0 ／5 ．23 ．5 ／4 ．93 ．9 ／5 ．14 ．1 ／4 ．44 ．3 ／4 ．23 ．O ／4 ．44 ．O ／4 ．2排烟温度左／右( ℃)1 4 1 ／1 3 91 4 0 ／1 3 61 4 2 ／1 3 51 4 】／1 3 31 4 1 ／1 3 l1 3 6 ／1 3 71 3 6 ／1 3 91 3 5 ／1 3 7燃烧器投运数量2 12 11 81 61 61 91 72 0磨煤机投运组合A ，C ，D A ，C ，D A ，C ，D A ，C ，DA ，C ，DA ，B ，D A ，B ，DA ，C ，D炉膛温度测点左／右( ℃)7 8 6 ／9 1 48 1 4 ／9 3 07 4 6 ／8 8 27 3 3 ／8 9 07 9 1 ／9 7 69 2 8 ／9 4 08 4 7 ／9 7 62 ．1 月1 8 日2 2 ：3 0 ～1 月1 9 日0 ：1 0 机组运行参数如表5 ．2 所示( 工况9 ．1 3 )表5 ．2 机组运行T 况9 ．1 3≮2 2 ：3 02 2 ：4 42 3 ：1 52 3 ：3 00 ：1 0电负荷( M w )2 9 02 6 82 6 02 5 32 3 4汽包压力( M P a )】7 ．81 7 ．5 6】7 ．5 5J 7 ．5 】】7 - 3主蒸汽压力( M P a )1 6 ．81 6 ．71 6 ．7 81 6 ．7 91 6 ．7主蒸汽温度( ℃)5 3 85 4 05 4 05 4 05 3 8炉膛压力( k P a )．O ．0 3．0 ．0 3．0 ．0 2一O ．0 1 7- O ．0 3烟气含氧量左／右( ％)3 ．3 ／4 ．93 ．9 ／4 ．94 ．3 ／5 ．54 ．6 ／5 ．75 ．1 ／6 ．7排烟温度左／右( ℃)1 3 4 ／1 3 71 3 3 ／1 3 51 3 2 ／1 3 31 3 l ／1 3 21 3 2 ／1 2 9燃烧器投运数量1 61 61 61 61 6糜煤机投运组合A ，C ，DA ，C ，DA ，C ，DA ，C ，DA ，C ，D炉膛温度测点左／右( ℃)8 9 2 ／8 9 78 5 0 ／8 8 28 4 5 ／8 2 98 4 3 ／8 5 07 8 0 ／8 15第五章对可视化燃烧／排放的关联特性研究说明：机组连续降负荷，燃烧器投运数量及磨煤机投运组合不变。

3 ．1 月1 9R0 ：l O ～1 ：4 5 机组降负荷时运行参数如表5 ．3 所示( 工况1 4 —1 8 )表5 ．3 机组运行下况1 4 ．1 8汰0 ：1 00 ：4 5l ：1 5l ：3 0l ：4 5电负荷( M W )2 3 42 2 42 0 42 0 42 0 3汽包慷力( M P a )1 7 ．31 6 ．81 6 ．6 31 6 ．51 6 ．3 7主蒸汽压力( M P a )1 6 ．71 6 ．21 6 ．1 71 6 ．O l1 5 ．9 3主蒸汽温度( ℃)5 3 85 4 05 3 95 4 l5 3 9炉膛压力( k P a )．0 ，0 3．O ．0 3—0 ．0 2．0 ．0 l_ 0 ．0 3烟气含氧量左／右( ％)5 ．1 ／6 ．74 ．7 ／5 ．75 ．7 ／7 ．35 - 8 9 ／7 ．65 ．1 8 ／7 ．8 8排炯温度左／右( ℃)1 3 2 ／1 2 91 2 8 ／1 3 11 2 9 ／1 2 61 2 6 ／1 3 01 2 5 ／1 3 I燃烧器投运数量1 21 21 21 21 2磨煤机投运组合A ，C ，DA ，C ，DA ，C ，DA ，C ，DA ，C ，D炉膛温度测点左／右( ℃)7 8 0 ／8 1 57 5 6 ／8 2 06 6 6 ／7 1 86 6 8 ／7 3 97 0 2 ／7 3 0说明：三排燃烧器，中下排全投，磨煤机、燃烧器投运数量不变。

当机组降负荷时，先减小给粉，进入炉膛的煤粉量减少，使炉膛辐射能减小，随之锅炉蒸汽流量减小，热量减小，主汽压力降低为了维持一定的主汽压力，应减小调门开度，机组实发功率随之减小，以满足负荷要求；同时尾部烟气含氧量升高，这是因为随着负荷降低，炉膛温度降低，为保证煤粉的稳定燃烧及燃尽，相对空气量较大5 ．3 不同负荷下的典型火焰图像大型电站锅炉炉膛内的燃烧过程是发生在较大空间范围内的、不断脉动的物理和化学过程，火焰温度分布是燃料在经过高温化学反应、流动以及传热传质等过程后的综合体现二维燃烧温度是火焰三维温度场在二维平面上的叠加对锅炉在不同负荷运行的情况下( 工况1 ．1 8 所记录的运行参数下，表5 ．1 —5 ．3 ) ，机组运行达到稳定状态下采集的火焰图像进行分析这个时间段内采用的快门速度为1 ／2 5 0 s 和1 ／1 2 5 s 根据系统的硬件特性，窄带滤光片更适于较高温度的测量燃煤锅炉的町视化燃烧诊断及排放预测所以光学系统滤光部分采用窄带滤光片，滤光片参数如表5 ．4 所示，所得到的火焰灰度图像如表5 ．5 所示表5 ．4 滤光片参数表5 ．5 快门速度为1 ／2 5 0 s 时不同负荷下的火焰图像当负荷降低到一定数值下，通过火焰检测系统采集到的灰度图像的平均灰度值很低，所体现出来的灰度分布绝大部分为噪声，图像灰度分布如图5 ．2 所示。

噪声图像的判断，基于图像分割方法选择火焰区域为计算对象，以每幅图像的最大灰度值为参照点，采用基于统计最优的最佳阈值分割方法设置灰度门限，确定4 4第五章对可视化燃烧／排放的关联特性研究有意义的计算区域设这一闽值灰度值为r ，rci < L 图像中心灰度值偏高的地方为火焰当火焰图像的大部分灰度值低于这个阈值的时候可以认为这时获得的图像为背景噪声图像这时初始的曝光时间已经不能获得有效的火焰图像，在光圈不变的情况F ，需要调整C C D 相机的快门速度由相机快门速度来控制透入光量，扩大了C C D的动态响应范围在更低的快门速度下可以继续获得有效的火焰图像，其扶度分布如图5 ．3 所示调整C C D 快门速度后的火焰图像如表5 ．6 所示不同的温度范围内选用不同的快门速度，以获得相应温度下的未饱和火焰灰度图像，扩大了C C D 的测温范围由表5 ．6 可以看出，在负荷降到一定程度时，采用较低的快门速度后，可以获得有效的未饱和火焰的灰度图像幽5 , 2 大部分为背景噪声的火焰图像图5 ．3 改变快门速度的未饱和火焰剧像表5 , 6 快门速度为1 ／1 2 5 s 时不同负荷下的火焰图像5 ，4 火焰直观信息一灰度与负荷关系的分析在连续降负荷情况下( 工况9 - 1 8 所记录的运行参数下，表5 ．2 第l - 5 列，表4 5燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测5 ．3 第1 —3 列) ，机组的负荷变化曲线如图5 ．4 所示。

下面对机组运行达到稳定状态下采集的火焰图像进行分析3 1 03 0 02 9 02 8 0≥2 7 0兰2 6 0：瞧2 5 0妪2 4 02 3 02 2 02 1 02 0 02 2 ：0 02 2 ：3 02 2 ：4 42 3 ：1 52 3 ：3 00 ：1 0时间图5 ．4 负荷的变化曲线机组负荷不同的情况下，炉膛内传递的辐射能不同，而燃烧火焰的成像基于火焰中碳黑粒子以及三原子气体的辐射获得热辐射图像在计算机中以灰度形式存储，由前文表5 + 5 、5 ．6 可以看出，不同负荷下所获得的火焰有很大差异，表现出来火焰图像亮度上的不同因此对表征火焰图像最直观的信息一灰度进行分析不同中心波长的单色光图像的最高、平均灰度变化曲线如图5 ．5 、5 ．6 、5 ．7 所示l O O9 59 08 58 07 57 06 5趟6 0《5 55 04 54 03 53 02 52 02 2 ：0 62 2 ：3 02 2 ：5 12 3 ：3 0o ：1 0时间图5 ．5 中心波长为5 7 8 n m 的单色火焰图像的摄高、平均灰度变化第五章对可视化燃烧，排放的关联特性研究2 2 ：0 62 2 ：3 02 2 ：5 12 3 ：3 001 0时间图5 ．6 中心波长为6 3 0 h m 的单色火焰图像的强高、平均灰度变化刨《2 2 ：0 62 2 ：3 02 2 ：5 12 3 ：3 00 ：1 0时间图5 ．7 中心波长为6 9 0 h m 的单色火焰图像最高、平均灰度变化从图5 ．5 、5 ．6 、5 ．7 可以看出，当机组降负荷时，火焰灰度图像的灰度呈与负荷曲线相似的下降趋势。

结合机组降负荷过程分析，由于机组降负荷时，首先要减小给粉指令，使炉膛辐射能减小由于燃烧火焰的图像是基于炉内碳黑粒子以及三原子气体的辐射，灰度反映了火焰辐射的光强，所以火焰的灰度水平直观反应出了机组负荷的波动在磨煤机投运组合和燃烧器投运数量不变的情况下，在不同的测试位置，应用火焰检测系统对炉内燃烧进行检测通过图像重建获得不同负荷下火焰的灰度图像，通过图像处理对图像进行分割和除噪从直接获得的火焰图像可以看出，们伽伽懈m伽m伽∞∞加∞∞加∞毯博∞∞∞∞加∞∞∞∞∞∞∞∞∞柏∞燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测降负荷过程中火焰的亮度和灰度随负荷衰减很明显从图5 ．4 、5 ．5 、5 ．6 、5 ．7 的负荷曲线及灰度变化曲线可以看出，火焰图像的灰度变化可以反映出负荷的变化通过本节的分析可以看出，当机组负荷变化时，表征炉内燃烧的辐射信号随之变化由于所获得二维图像是炉内辐射的某种积累，可以直接反映出炉内辐射能信号的变化火焰图像在计算中以灰度形式存储，狄度做为直接获得的火焰图像信息，可以直观的反映出机组负荷的变化5 ．5 火焰图像的特征参数与机组运行参数之间的关联分析得到上节参数后，进～步分析图像信息与机组运行参数之间的关系。

在机组连续降负荷的情况下，将火焰检测系统布置在c 层，对采集的火焰图像进行分析5 ．5 ．1 能量关联分析对连续采集的图像进行能量信号分析，得到的能量变化曲线如图5 ．8 、5 ．9 、5 ．1 0 所示随着燃烧条件的改变，燃烧产物的不同，燃烧温度的改变，可见光辐射强度的分布列燃烧状态的改变很敏感，辐射光谱在可见光波长范围内的分布会发生变化而且燃烧产物产生的光辐射表现出明显的脉动现象，脉动频率随着燃烧状态的改变而改变因此可以通过脉动频率的监测和分析来反映燃烧的某些特征情况在信号与系统理论中，对于随机图像信号场f ( x ，力，其傅立叶变化就是反映图像的振幅特性的振幅谱而火焰图像的能量信号恰好可以反映这种辐射度的改变和脉动特性，所以用能量信号作为表征燃烧状态的⋯个重要参数9 x 1 0 ”8 x 1 0 1 27 x 1 0 1 26 x 1 0 1 26 x 1 0 ”山4 x ’0 ”3 x 1 0 1 22 x l0 ”l x l 0 ”2 2 ：3 8 ：0 02 31 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间陶5 ．8 中心波长为5 7 8 r i m 的单色火焰图像的能量信号变化曲线第五章对町视化燃烧／- J 1 } 放的关联特性研究18 x 1 0 1 316 x 10 1 314 x 1 0 ”12 x 10 1 31O x l O ”u J8 ．0 x 1 0 T M6 ．0 x 1 0 1 24O x l 0 1 22 ．0 x 1 0 1 20 ．02 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间倒5 ．9 中心波长为6 3 0 h m 的单色火焰图像的能量信号变化曲线16 x 1 0 1 314 x 1 0 1 3’2 x 1 0 1 31O x l 0 1 38O x l 0 1 26O x l 0 1 24O x l 0 ”20 x 1 0 ’20 02 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 ，：5 8时间图5 ．1 0 中心波长为6 9 0 h m 的单色火焰图像的能量信号变化曲线图5 ‘8 、5 ．9 、5 ．1 0 为连续降负荷时图像能量信号变化曲线，从图中可以看出能量特征分析反映出火焰的脉动。

与图5 ．4 的负荷变化曲线进行比较，可以看出能量信号变化曲线与机组负荷所反应的趋势一致机组降负荷时，反应到炉膛内的燃烧有一定的时间延迟，并且在达到下一个稳定负荷时，中间是一个过渡区，会出现负荷的脉动，表现在炉膛内的燃烧上就是火焰的脉动5 ．5 ．2 丰度关联分析对连续采集的图像进行火焰充满度分析，得到的变化曲线如图5 ．1 1 、5 ．1 2 、5 ．1 3 所示火焰丰度反映的信息是火焰的占满程度，即图像中有效火焰区域占图像的相对面积4 9燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测从三波长_ F 单色光图像的丰度变化曲线来看，火焰丰度的脉动小于能量信1 々7 1 ．的脉动，但同样具有与机组负荷变化曲线相同的变化趋势火焰辐射通过成像系统在C C D 靶面卜成像其强弱决定了投射到C C D 靶面上的光辐照度所获得的辐照度经过C C D 光电转换后成为电荷量信号，经过视频转换，得到热辐射灰度图像火焰图像的丰度大小最终取决于C C D 靶面所累积的光辐照度，而光辐照度取决于火焰的辐射强度故图像的丰度可以作为表征火焰的特征参数0 4 00 ．3 50 ．3 00 ．2 502 0《0 ．1 50 ．1 00 ．0 50 ．0 02 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间图5 ．1 1 中心波长为5 7 8 n m 的单色火焰图像的火焰丰度变化曲线0 ．3 80 ．3 60 ．3 4O ．3 203 0《0 ．2 80 ．2 60 ．2 40 ．2 20 2 02 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间图5 ．1 2 中心波长为6 3 0 n m 的单色火焰图像的火焰丰度变化曲线第五章对可视化燃烧／排放的关联特性研究0 ．4 0O3 503 00 ．2 5《0 2 00 1 50 ．1 00 ．0 5Z 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 6U ：u ，：5 8时间图5 ．1 3 中心波长为6 9 0 r i m 的单色火焰图像的火焰丰度变化曲线5 ．5 ．3 熵关联分析对连续采集的图像进行熵分析，得到的变化曲线如图5 ．1 4 、5 ．1 5 、5 ．1 6 所示。

熵反映了光强变化的随机程度在基于辐射图像的燃烧场测量系统中，C C D 获得的信号是沿光线的某“传播方向上的一束射线强度的累积值这种强度的累积依赖于炉内辐射的强弱从火焰图像熵的变化曲线可以看出，光强的变化反映出火焰辐射的变化工2 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间图5 ．1 4 中心波长为5 7 8 n m 的单色火焰图像的熵变化曲线2086433222燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测3 43 ．33 ．23 13 ．0工2 ．92 ．8272 ．6252 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ；5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间图5 ．1 5 中心波长为6 3 0 n t o 的单色火焰图像的熵变化曲线．- r2 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间图5 ．1 6 中心波长为6 9 0 n t o 的单色火焰图像的熵变化曲线5 ．5 ．4 方差关联分析对连续采集的图像进行方差分析，得到的变化曲线如图5 ．1 7 、5 ．1 8 、5 ．1 9 所示。

方差反映了火焰温度分布的不均匀程度，方差越大，表示温度场空间范围内的温差越大当炉膛内燃烧处于低负荷运行时，由于燃煤量的减少，燃烧放热量随之减小，因此炉内火焰温度与水冷壁表面温度下降，从而降低燃烧反应速度，减慢放热速度，使得煤粉气流的着火较之高负荷情况F 有所延迟并引起燃烧火2086433222第五章对可视化燃烧，排放的关联特性研究焰中心上升，煤粉的燃烧份额在空问范围内发生变化，所以炉内的温度场在空问上的分布较之高负荷情况下更为均匀，进一步使炉内处于低温状态因此分析得到在高负荷情况下炉内的温度场的空间分布水平的不均匀程度大于低负荷的情况下从方差变化曲线可以看出，在高负荷下的方差值水平高于低负荷，即高负荷运行时，炉内空间温度场分布的不均匀程度较大，低负荷运行时，炉内的温度场分布较均匀3 5 x 1 0 ’3 0 x 1 0 525 x 1 0 52 ．O x l 0 5>' ．5 x 1 0 51O x l 0 55O x l0 40 02 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 600 7 ：5 8时间图5 ．1 7 中心波长为5 7 8 n m 的单色火焰图像的方差变化曲线35 x 1 矿3 ．0 x 1o e25 x l0 62O x l 0 6> 15 x 10 61O x 伯P5 ．0 x 10 50 02 2 ：3 8 ：0 02 3 ：1 5 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间图5 ．1 8 中心波长为6 3 0 m ' n 的单色火焰图像的方差变化曲线燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测3O x l 0 625 x 1 0 82O x l o o15 x 10 610 x 1 0 65O x l O 。

0 O2 2 ：3 6 ：0 02 3 ：15 ：5 82 3 ：4 7 ：5 60 ：0 7 ：5 8时间幽5 ．1 9 中心波长为6 9 0 h m 的单色火焰图像的方差变化曲线5 ，6 温度场分析将火焰检测系统布置在锅炉的燃烧器区域及角部窥视孔检测炉内燃烧火焰的状态旋流式燃烧器的特点是：由于气流的扩展角大，中心的回流区可以卷吸来自炉膛深处的高温烟气，以加热煤粉气流的根部( 外回流也有类似作用) ，使着火稳定性增加：但另一方面由于燃烧器出口的二次风与一次风混合较早，使着火所需热量增加而又对着火不利：早期混合强烈，后期混合较弱；射程短，具有粗而短的火焰在火焰检测点处拍摄到的炉内实际燃烧火焰如图5 ．2 0 所示图5 ．2 0 不同燃烧器区域的火焰图像图5 ．2 0 可看出，燃烧器区域火焰存在一定的亮度分布应用火焰检测系统采集到的不同中心波长下的单色光辐射灰度图像如图5 ．2 1 所示从上文分析可知，火焰的灰度图像是炉内辐射强度的一种直观表现，它可以快速、直观、准确的反第五章对可视化燃烧崩} 放的关联特性研究映炉内燃烧火焰的状态各个像素点上的灰度值不同，反映到图像上体现为亮度的不均匀。

图5 ．2 1 火焰检测系统采集的火焰幽像在V i s u a lC + + 环境下编写软件，利用图像采集卡提供的A P l 接口函数，实现连续采集火焰图像，图像重建及温度场计算程序，计算程序流程及温度场算法等见前文所示得到的温度场分布及温度参数，结果输出窗口如图5 ．2 2 所示本文用T m a x ( 最高) 、T r a i n ( 最低) 、T a v e ( 平均) 作为表征温度场分布的特征参数图5 ．2 2 火焰图像及温度场分布实验过程中，采用热辐射测温仪在炉膛各个测点对炉内温度进行检测我们将热辐劓测温仪得到的平均温度与火焰检测系统计算得到的平均温度进行了对燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测比对比数据及误差如表5 ．7 所示，变化曲线如图5 ．2 3 所示袭5 ．7 测点温度及误差汰火焰检测系统热辐射测温仪绝对误差相对误差( ℃)( ℃)( ℃)( ％)D 层1 1 9 5 ，81 1 9 0 ．35 ．50 ．4 6D 层1 1 2 0 ．6l I l 3 ．86 ．80 ．6 1下层1 3 4 3 ．41 3 2 0 ．92 2 ．51 ．7 0下层1 3 4 4 ，31 3 3 0 ．1J 4 ．21 ．0 6上层1 3 9 7 ．11 4 】0 ．61 3 ．50 ．9 6C 层1 3 5 761 3 8 0 ．32 2 ．7l6 4C 层1 2 9 5 ．31 3 1 0 ．71 54I ．1 7C 层1 1 4 0 ．61 1 3 0 ．89 ．80 ．8 70123455789温度测点图5 ．2 3 辐射温度计测量值与火焰检测系统温度值对比图中曲线1 为火焰检测系统得到的温度场参数中的T a v e 值，曲线2 为在同一测点同时刻热辐射温度仪所得到的温度值。

通过对比可以看出，二者所得到的温度参数具有一致性这说明火焰检测系统具有很好的实时性和准确性下面对火焰检测系统计算得到的温度场进行分析选取布置在c 层时机组连续降负荷情况下，火焰的最高、最低、平均温度进行分析，运行参数为工况9 —1 6枷枷| i ；姜}姗瑚仰mjj11o 、赳赠第五章列吖视化燃烧／排放的关联特性研究( 表5 ．2 第1 - 5 列，表5 ．3 第1 - 3 列所示) 如图5 ．2 4 所示p＼划赠时间图5 ．2 4 火焰的最高、最低、平均温度从图中可以看出，炉内温度场参数与图5 ．4 所反应的负荷变化趋势一致所采集到的图像反应出明显的燃烧特性基于火焰温度参数，根据辐射学原理进一步定义炉膛辐射能水平：E = q ，·T 4( 5 —1 )其中‰为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，盯 5 ．6 7 ×1 0 1k W ／( m 2 K 4 ) ；T 为火焰图像平均温度，为所有有效像素点温度值的算术平均为了便于分析，对炉膛辐射能水平进行归一化处理，并将其结果定义为炉膛辐射能信号e ．：铲旦= 砑O " 0 忑- T 4 E m a x= 三T m a x( 5 - 2 )‘仃·丁m a ) 【44其中T m a x 为炉膛平均温度最高水平，对于3 0 0 M W 燃煤锅炉，T m a x 可取为1 9 0 0 K 。

按上面定义的辐射能定义得到连续时间内的辐射能变化曲线如图5 ．2 5 所示同时图5 ．2 6 给出相应的机组负荷变化曲线从图5 ．2 5 、5 ．2 6 可以看出，在负荷从3 0 6 M W 降到2 0 4 M W 的过程中，炉膛辐射能反应出相同的变化趋势，两条曲线具有良好的对应关系所以我们认为炉膛辐射能信号的定义有实际意义，可以快速、准确、直观的反应炉内辐射强度的变化喜|枷枷娜喜|珊瑚伽伽咖啪墓}砉|咖燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预删0 ．50 ．40 ．3‘∞020l4 0 0‘——弋3 0 0t 、．，＼芝2 0 0L’、—、、0 —‘——一——‘———2 1 ：3 62 2 ：4 80 ：0 0l ：1 22 ：2 4时间例5 ．2 5 炉膛辐射能水平曲线堰媸1 0 00 —————- 一2 l ：3 62 2 ：4 80 ：0 01 ：1 2时间图5 ．2 6 同时问内机组负荷变化曲线同时记录了丁况9 ．】6 下主蒸汽压力、一二次风量参数，变化曲线如图5 ．2 7 、5 ．2 8 、5 ．2 9 所示芷芝长皑《糕爿1 5 一————2 2 ：0 42 2 ：3 32 3 ：0 22 3 ：3 10 ：0 0时间图5 ．2 7 主蒸汽压力变化曲线一一一．．．．．．．_ J0 ：2 80 ：5 7l ：2 6从图5 ．2 7 所示的主蒸汽压力变化曲线可以看出，主蒸汽压力的变化范围很小，曲线所体现出的趋势与炉膛辐射能信号及机组负荷变化曲线的趋势相同，其值基本稳定在某一水平值上。

从中我们可以得到，炉膛辐射能信号增大后，炉膛内的热量信号增大，使得主蒸汽压力升高机组为了维持一定的主蒸汽压力水平，增大调门开度，使机组实发功率随之增大这样的过程中，主蒸汽压力、炉膛辐射能信号、机组辐射三者的变化具有正的相关性，从实际记录的数据分析中可以得到正确的变化趋势故我们认为基于温度场测量得到的炉膛辐射能信号可以在一定程度上反映出机组运行参数的变化5 8786426864266665555第五章对可视化燃烧俐} 放的关联特性研究引嚣f誉驯}5 0 囊：3 6』+ 二次风鼙～左){ + 二次风量～右f图5 ．2 8 左右两侧二次风量变化曲线1 2 0rl + 执风J 十一次风掣} 留＼专8 0f 崎油蚓匿《4 0 }量一左量一右时间图5 ．2 9 左右两侧一次风量变化曲线从图5 ．2 8 、5 ．2 9 所示一二次风量的变化曲线可以看出，风量在这一时间段内逐渐递减当机组降负荷时，首先是先减小给粉量，而煤粉的输送和助燃是由一次风和二次风完成的，因此一二次风量的变化会呈现与主蒸汽压力、机组负荷、炉膛辐射能相同的趋势说明一二次风量的变化与机组负荷、炉膛辐射能的变化存在着正相关性同时，应用K M 9 1 0 6 烟气分析仪连续对锅炉的排放进行检测。

得到的烟气含氧量变化曲线如图5 ．3 0 所示0 ——一2 2 ：3 32 3 ·0 22 3 ：3 10 ：0 00 ：2 80 ：5 7I ：2 6时间图5 ．3 0 烟气禽氧量变化曲线5 9≯一蛆一盟lll__1．1l，0876P a432基删噼舡扩孥燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测锅炉运行过程中的过量空气系数，是根据烟气分析的结果计算的当煤粉完全燃烧时，由烟气分析仪测得的过剩氧气量正好等于过剩空气中的氧含量，当不完全燃烧时，由烟气分析仪测得的氧量由两部分组成，即过量空气中的氧及由于碳不完全燃烧而未消耗的氧故炉膛出口烟气含氧量的变化曲线反映锅炉运行过程中过量空气系数的变化趋势图5 ．3 0 所显示出的降负荷过程中过量空气系数的最大值为1 ．6 0 1 ，最小值为1 ．3 3 5 在机组降负荷过程中，烟气含氧量呈现出上升趋势因此我们认为过量空气系数的变化呈现出与机组负荷、炉膛辐射能、主蒸汽压力及一二次风量负相关趋势5 ．7 本章小结1 ．在3 0 0 M W 电站燃煤机组上进行了温度场监测，实时采集了大量不同工况下的火焰图像，针对不同负荷下炉内温度场的变化，通过调整C C D 快门速度，以获得清晰、有效的未饱和火焰图像；2 ．对不同负荷下的火焰图像进行了比较，从火焰图像所反映的最直观信息一最高灰度、平均灰度的变化分析表明，图像的灰度信息即反映了亮度信息，具有与机组负荷相同的变化趋势；计算了不同负荷下得到的火焰灰度图像的特征参数，火焰图像的方差体现了温度场分布的均匀程度，能量、熵、丰度反应了在机组降负荷时炉内辐射信号及火焰光强的变化情况；3 ．对炉内燃烧火焰进行分析，通过火焰检测系统得到了炉内温度场。

与热辐射温度仪的温度测量值进行比较，发现二者吻合良好，证明该系统可以实时、准确的反应炉内燃烧以温度场参数为基础，根据辐射定律，定义了炉膛内的辐射能信号分析机组了降负荷过程中机组负荷、锅炉主蒸汽压力、一二次风量以及烟气含氧量的变化曲线与炉膛辐射能信号之间的关系结果表明基于温度测量的辐射能信号可以反映出炉内的燃烧状况；4 ．以上分析表明，基于温度测量的辐射能信号与炉内燃烧中多个参数的变化状况存在直接的相关规律第六章对町视化燃烧硝} 放的关联特性研究第六章对可视化燃烧／排放的关联特性研究6 ．1 支持向量机原理机器学习是人工智能应用的重要研究领域，研究如何从观测数据中寻找规律，并利用这些规律对未来数据或无法观测的数据进行预测现有机器学习方法的重要基础之一是统计学传统统计学是研究样本数目趋于无穷大时的渐进理论，但在实际问题中，样本数常常有限，导致一些理论上优秀的学习方法在实际应用中不能达到预期效果支持向量机( S u p p o r t V e c t o r M a c h i n e s ，简称s V M ) [ 6 9 ] [ 7 0 】[ 7 l 】‘7 2 】是一种基于统计学习理论的新型机器学习算法，由于其具有出色的学习性能，已成功应用于人脸识别、手写体数字识别、图像检索等许多领域删【7 4 1 f 州【7 q [ 7 7 】。

支持向量机理论源于V a p n i k 在1 9 6 3 年提出的用于解决模式识别问题的支持向量方法这种方法从训练集中选择一种特征子集，使得对特征子集的线性划分等价于对整个数据的分割这组特征子集称为支持向量( S u p p o r tV e c t o r ，简称为s v ) 在此后近3 0 年中，对S V 的研究主要集中在对分类函数的改进和函数预测上二1 9 9 5年，V a p n i k 提出了统计学习理论，正式奠定了S V M 的理论基础目前在国外，S V M是一个研究的热门，并且已经取得了一定成果6 ．1 ．1 统计学习理论6 ．1 ．1 ．1 机器学习机器学习模型一般表示如下：设x 是系统的输入空间，Y 是输出空间，p ( x ) 为输入空间x 上的概率密度函数，P ( Yx ) 为输出空间Y 上的条件概率密度，学习机就是试图用函数厂( x ，叻来拟合输入x 和输出Y 之间的关系，这种拟合是有风险( 或损失) 的，设三@ ，f ( x ，w ) ) 为因采用f ( x ，w ) 对y 进行预测而造成的损失，期望风险为：R ( w ) = 忙( y ，- 厂( x ，w ) ) 和( x ，，)( 6 - 1 )机器学习的目标是使期望风险最小化，但在多数情况下，由于p ( x ，Y ) 是未知燃燎锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测的，( 6 —1 ) 式的期望风险无法计算，所以传统的学习方法中采用所谓经验风险最小化准则，即用样本定义经验风险：R 。

w ) 专萋三( Y i , ，( Ⅵ，W ) ) ( 6 - 2 )作为对( 6 - 1 ) 式的估计当样本点的个数趋于无穷大时，经验风险R ～( w ) 趋于期望风险尺( w ) ；当样本数目有限时，经验风险最小原理不成立6 ．1 ．1 - 2 统计学习理论统计学习理论是研究小样本统计估计和预测的理论，统计学习理论中一个极其重要的概念是：v c 维( V a p n i k ．C h e r v o n e n k i sd i m e n s i o n ) 在模式识别中V C 维的直观定义是：对一个预测函数集，若存在h 个样本能够被函数集中的函数按所有可能的2 “种形式分丌，则称函数集能够把h 个样本打散；函数集的V C 维就是它能打散的最大样本数目h V C 维是机器复杂度的一个度量，V C 维越大则学习机越复杂a p m k 和c h e r v o n 蜘b s 深入研究了期望风险R ( w ) 和经验风险尺 w ) 的关系，得出如下结论：对预测函数集中的所有函数( 包括使经验风险最小的函数) ，矗( w )和R 一( w ) 之间以至少1 一r ／的概率满足：月( w ) ≤R 。

w ) +( 6 ．3 )其中，h 是函数集的V C 维，n 是样本数从( 6 —3 ) 式可见，必须使经验风险、V C 维与样本数的比率同时最小化，才能最小化期望风险由于经验风险通常是V C维h 的减函数，对给定数目的样本集，应存在最优的h 值，使期望风险最小化然而，目前尚无通用的计算v c 维的理论，为此Ⅵl p n i k 提出了结构风险最小化原理[ 7 8 1 6 ．1 ．2 支持向量机S V M 是在统计理论基础上发展起来的一种新的通用学习方法，它是结构风险最小化原理的近似实现，因为它同时是最小化经验风险和V C 维的界s V M 的主要概念如下第六章对可视化燃烧，{ { } 故的关联特性研究6 ．1 ．2 ．1 最优超平面设给定训练数据为{ ( x 1 ，y 1 ) ，( x 2 ，y 2 ) ，．．．，( X l ，y 1 ) } ，其中x ∈R n ，Y ∈{ - l ，+ 1 ) ，又若n 维空r 日J , 0 的线性判别函数一般形式为：g ( x ) = ( w ‘x ) + b ，且集合中的所有数据都可以被分类面( w ·x )+ b = 0 所正确划分，则该分类面就是最优超平面。

而距离该最优超平面最近的异类向量就是所谓的支持向量( S u p p o r tV e c t o r ) ，支持向量与超平面之间的距离最大( 即边缘最大化) ，一组支持向量可以唯一的确定一个超平面如图6 ．1 所示图6 ，1S V M 算法原理示意图图中，实心点和空心点代表两类样本，H 为分类线，H 1 、H 2 分别为过各类中离分类线最近的样本且平行于分类线的直线，它们之间的距离叫做分类间隔由于支持向量与超平面之间的距离为1 ／l l w l l ，则支持向量间距为2 ／| | w I I ，寻找超平面的问题，可转化为求解以下二次规划问题：≯( w ) = 去( w 1 ·w )( 6 —4 )Z约束条件为不等式：y ∽·一) + b 】≥1I = 1 ，2 ，3 ⋯⋯1( 6 - 5 )对一个规范超平面子集，其V C 维h 满足不等式：h ≤m i n ( 【R 2 A2 + 6 】，n ) + 1( 6 - 6 )式中n 为向量空间的维数，R 为覆盖所有向量的超半球半径由式( 6 - 6 ) 可以得到，通过最小化0w l l 可使VC 置信度最小若固定经验风险，则最小化期望风险的问题就是最小化l | w l l 的问题，此R P S V M 算法的理论出发点。

6 ．1 ．2 ．2 构造最优超平面可知，性条件下式( 6 - 4 ) 的最优解为下面L a g r a n g e N l 数的鞍点：，￡( Ⅵ6 ，d ) = 钏圳2 一∑a i ㈨¨+ 6 ) 一1 }( 6 ·7 )一l=l式中，a 为非负L a g r a n g e 乘子在鞍点处，由于w 和b 的梯度均为零，则可知燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测晟优超平面系数q 满足：∑q Y 0 ，此时最优超平面是训练集合中的向量的线性i = I组合：w = ∑毗Yx( 6 ．8 )因为只有支持向量可以在w 的展开式中具有非零系数a ．，这时的支持向量就是使式( 6 ．5 ) 成立的向量，即只有支持向量影响最终的分类结果，数学表达如下w = ∑ar Y ，z支持向I根据K t h n —T u c k e r 条件可知，最优解满足( 6 ．9 )( 6 —1 0 )将式( 6 - 9 ) 、( 6 - 1 0 ) 代入式( 6 - 8 ) 中，构造最优超平面的问题就转化为一个较为简单的二次规划问题，可知分类平面为：m ) = s g n ( ∑n 幽x ，¨6 )( 6 —1 1 )对于线性不可分的情况，S V M 引入松弛变量和惩罚因子，使目标函数变为：晰伊；( ww ) + c ( ∑N 岳)( 6 _ 1 2 )此外，S V M 通过非线性变换将输入空问变换到高维空间，然后在新空间中求解最优分类面，线性可分情况下的点积运算变为t ( t y ) ：( 中( ，) ．中( y ) ) 。

由此得到的分类函数为：m ) = s 印( ∑q Y J 慨功+ 6 )( 6 —1 3 )6 ．1 ．2 , 3 支持向量机支持向量机实现的是如下的思想：通过事先选择好的非线性映射将输入向量z第六章对可视化燃烧，排放的关联特性研究映射到一‘个商维特征空间z ，在这个空间构造最优分类超平面S V M 的分类函数在形式上类似神经网络，输出是中间节点的线性组合，每个中间节点对应一个支持向量，如图6 ．2 所示工I，J I 划6 ．2 支持向量机示意图由以上对最优超平而的讨论可知，向量之间只有进行点积运算因此，如果采用核函数( K e m a lF u n c t i o n ) ，就可以避免在高维特征空间进行复杂的运算该过程可以表达如下：首先将输入向量x 通过映射：v ：R ”_ 日映射到高维H i b e r t 空间H 中该核函数K 满足：k ( x y ，) = @ ( x ) 中( y ) ) ，显然不同的核函数将形成不同的算法( 即不同的支持向量) 目前核函数主要有：线性核函数t ( 一，x j ) = x ，7 ·_ 、多相式核函数^ ( - ，x j ) = ( 耳．x j + r ) 。

径向基核函数k ( x i , x j ) = “p ( 一峙一圳2 ／一2 ) 、多层感知器核函数^ ( ■，』) = t a n h ( 晚·x + 目) 国内外研究者把V C 维理论及结构风险最小化原理等理论框架进一步推广，从而产生了改进S V M 算法目前S V M 改进算法主要有：C —S V M 系列、O n e ．c l a s sS V M 、R S V M 、W S V M 、及L S —S V M ( 1 e a s t —s q u a r eS V M ) 等算法这些改进算法主要是通过增加函数项、变量或系数等方法使公式变形，产生出各种有某一方面优势或者一定应用范围的算法其中最d , - - 乘支持向量机( L S ．s V M ) ，优化指标采用平方项，只有等式约束，而没有不等式约束，从而推出不同的一系列的等式约束，而不是二次规划问题，这样二次规划问题转化为线性方程组的求解，简化了计算复杂性6 ．2 最小二乘支持向量机估计算法支持向量机与神经网络学习算法不同，采用结构风险最小化原理兼顾训练误差和范化能力，即由有限的训练样本得N 4 , 的误差能够保证对独立的测试集仍保燃燥锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测持小的误差，能较好地解决小样本、非线性、高维数等问题。

另外，由于支持向量机算法是一个凸优化问题，因此局部最优解、’定是全局最优解该方法主要基于通过事先选择的非线性映射将输入向量映射到高维特征空间，在这个空问中构造最优决策函数的思想，即构建最优超平面在构造最优决策函数时，利用了结构风险最小化原则；并巧妙地利用原空间的核函数取代了高维特征空间中的点积运算6 ．2 ．1 最小二乘支持向量机估计算法设样本为n 维向量，某区域的1 个样本及其值表示为：( ％y ) ，⋯( x l , Y 1 ) e R 一×R ，首先用一非线性映射∥( ．) 把样本从原空问R ”映射到特征空间∥O ) = ( p ( 如) ，p ( x 2 ) ，⋯p ( 砷) ) 在这个高维特征空间中构造最优决策函数y ( z ) = w ．妒( x ) + 6 这样非线性估计函数转化为高维特征空间中的线性估计函数利用结构风险最小化原则，寻找权向量w 和偏置b 的极值，就是最小化R = h 训2 一心，，其中1w l l2 控制模型的复杂度，c 是正规化参数R e m p 为误差控制函数，也即s 不敏感损失函数常用的损失函数有线性s 损失函数，二次s 损失函数，H u b e r 损失函数。

选取不同的损失函数，可构造不同形式的支持向量机最小二乘支持向量机在最优化目标中的损失函数为误差矗的二次项故优化问题为：m i n ，( w ，0 ：；( w T ．w + c 圭￡2 )( 6 - 1 4 )二i = l约束条件为：Y i = 妒“) w + 6 + 玉，i = 1 ，⋯一，，用拉格朗日法求解这个优化问题：上( 毗如，，) ：去t ．w + ∑I ￡2 一圭州t 叫x ，) + 6 + f‘i = 1，= 1其中．，i = l ，⋯．．，，，是拉格朗日乘子根据优化条件：未= 丝3 b = o ，嚣= a w0 f( 6 ．1 6 )第六章对可视化燃烧／排放的关联特性研究，，可得：w = ∑州( x J ) ’∑驴0 ，铲c f1 = 1f = 1( 6 ．17 )定义核函数正{ x i , x j ) ：p ( - ) p ( 叶) ，K ( x i , - ) 是满足M e r c e r 条件的对称函数根据式( 6 - 1 7 ) ，优化问题转化为求解线性方程：011K ( X l ，x 1 ) + 1 ／c1r ( x l ，X 1 )( 6 ．1 8 )最后得到非线性模型：，( x ) = ∑t 吼K ( 』，J ，) + 6( 6 —1 9 )i = 16 ．2 ．2 核函数选择不同的核函数K ( x ，z 小可构造不同的支持向量机，常用的核有如下：( 1 )生成多项式的核：K ( x ，置) = [ 0 ，t ) + 1 ] 4 ，d 为阶数；( 2 ) 生成径向基函数的核：K ( x ，而) = K ( I X , X ，1 ) ；( 3 ) 生成神经网络的核：K ( x ，- ) = S ( v ( x ，t ) + c ) 。

别于多维函数的核可以利用一维核的积来求解6 ．3 应用最小二乘支持向量机对N O x 排放量进行估计在对电站燃煤锅炉进行有效的温度场检测后，希望建立火焰／温度场参数和燃料物性( 如煤种、混煤配比等) 与锅炉尾气分析三者的定量关系利用建立的关系，根据火焰和温度场对N O x ，C O 等污染物的产生情况做快速判断图6 ．3 最小二乘支持向量机算法模型6 7在本文中，以火焰参数为主要判据，建立锅炉排放与火焰参数及燃烧温度的关系，应用最小二乘向量机原理，对N O x 排放量进行预估估计模型如图6 - 3 所示图中，可测变量x ，对象的控制输入u ，对象的可测输出变量Y 作为输入变燃煤锅炉的可视化燃烧诊断发排放预测量，被估计变量的最优估计为输出首先，需要确定输入输出变量由前面章节的实验和理论分析，得到火焰图像中含有丰富的表征燃烧状况和煤质特性的信息故这罩考虑将火焰的平均灰度、方差、熵、火焰丰度、能量、最高灰度以及温度参数作为可测变量x 输入重点讨论究N O x 的排放量与燃烧温度及火焰图像参数之间的关系，故将测得的N O x 排放量作为可测输入变量Y 温度场和尾气的监测都是实时和连续的为了消除数据尺度所造成的影响，对样本数据进行校正和预处理。

将三组波长下的特征参数及温度场参数所构成的特征空间进行标准化，得到标准化的数据空间本文选取径向基函数即R B F 作为核函数，即：撕一x p 卜譬l( 6 —2 0 )l I x - z ，I I = 1 f ∑( x ‘一工，‘) 2‘6 ·2 1 )Vk = l一为核宽度，选取正规化参数g = 1 0 0 ；核参数O2 = 4 0 利用所选参数，进行最小二乘支持向量机训练，用测量值进行检验在一连续时间内，对～系列的工况下的N O x 排放行量进行预测计算运行参数如表5 ．1 ．5 ．3 所示不同工况下，烟气分析仪测得的N O x 排放量的测量值与L S —S V M预测得到的N O x 排放量变化曲线如图6 ．4 ．6 ．9 所示5 5 05 2 55 0 0E呈4 7 5xZ4 5 04 2 51 5 ：4 6 ：D 81 5 ：4 7 ：4 4' 5 ：4 5 ：S 91 5 ：5 0 ：3 8时间图6 ．4 第一组比较曲线2 5 ：2 5 ：4 12 3 ：2 B ：5 52 3 ：5 0 ：0 3时间图6 , 5 第二组比较曲线第六章对町视化燃烧崩} 放的关联特性石J f 究图6 ．6 第三组比较曲线图6 ．8 第五组比较曲线2 3 ：3 9 ：0 32 3 ：4 1 ：2 62 3 ：4 24时间图6 ．7 第四组比较曲线时间图6 ．9 第六组比较曲线从图6 ．4 ．6 ．9 以看出，实测值曲线与最小二乘支持向量机的估计值曲线的趋势致。

将基于最小二乘支持向量机算法的估计值与实测值进行比较计算出实测值与估计值的最大相对误差、平均相对误差，计算得到的误差值如表6 ．1 所示表6 ．1 估计值与实测值的误差值从表6 ．1 的计算误差看出，最大绝对值相对误差和平均绝对值相对误差的值都有很高的可信度平均绝对值相对误差均小于5 ％最大绝对相对误差出现在辆珊惦枷l 号蛳瞄E 4 d ，x o z粤一●^一『I 』一m●^r 1一一0．．一一≯一●^p≯面—『_●叫，叫0刊●J叫●叫0叫■q盈≯一一，萝．一一一| ! !o一匕哪季辜掰蚴m娜End，6z燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测第五组的计算中最大绝对值相对误差为8 ．9 0 4 ％，造成这种误差偏大的原因可以从机组运行负荷的调整进行分析这时机组处于降负荷的过程中，所获得的火焰图像信息脉动程度相对于稳定工况下要大，可测变量的输入存在不稳定性，影响了回归计算的准确性同时发现在计算过程中，如果在属性值中不包含温度场参数，估计值与实测值偏离的误差很大，超过了误差允许的范围故选择与火焰图像直接相关的特征参数和火焰检测系统得到的温度场参数做为反映锅炉火焰燃烧状况的一组变量，共同组成进行最小二乘支持向量机估计的属性值，可得到较理想的估计值。

6 ．4 本章小结利用可视化火焰检测系统对炉内的燃烧进行了监测通过对火焰图像进行分析，分别提取出不同单色波波长下的火焰图像的平均灰度、方差、熵、火焰丰度、能量以及最高灰度，与计算所得到的温度场参数等作为属性值根据这些属性值，利用基于最小二乘向量机的算法预算了N O x 的排放量通过分析得到了以下结论：1 ．以火焰图像的特征参数及温度场参数作为最小二乘支持向量机算法的输入，可以得到很好的预测结果同时表明各个参数与燃烧的排放存在内在的相关性：2 ．最小二乘支持向量机是一种研究炉内燃烧与尾气排放的有效方法最小二乘支持向量机求解线性方程，收敛速度快，参数确定方便因此这种方法在锅炉尾气排放的预测中有很大的应用潜力预算的结果与实际测量值之间显示了良好的关联性，取得了十分有效的应用结果此方法的深入研究，对于开拓参考燃烧诊断信息的N O x 快速检测的辅助方法具有重要意义第七章全文总结及未来丁作展望第七章全文总结及未来工作展望7 ．1 全文总结电站锅炉燃烧的稳定性直接影响到生产的安全，燃烧的好坏反映出热效率的高低以及对环境污染的影响，而燃烧火焰是锅炉燃烧状态最直接、快速的表征本文研究的目的旨在正确、实时跟踪燃烧火焰的温度变化，定量给出火焰温度场分布。

通过火焰温度场分布结果，可分析判断燃烧状况和排放情况，为控制系统提供了快速的燃烧状态信息对本文所做的主要工作及创新点小结如下：1 ．针对火焰图像的特性，研究适合于火焰图像的处理方法选择中值滤波进行图像的滤噪；对火焰图像信息进一步挖掘，得到表征火焰图像的特征参数：最大及平均灰度值、丰度、熵、能量以及方差，给出各个参数的计算方法，以便于进一步识别、分析或分类，并有利于区分不同的图像，同时减少图像区域中的原始数据量，可用于燃烧诊断和火焰识别；2 ．利用火焰检测系统对太原第二热电厂5 # 机组5 0 M W 燃煤锅炉进行检测在恒定负荷工况下，燃用不同发热量的煤，得到火焰图像的直观信息一灰度、能量、熵、方差，它们与低位发热量之间存在很高的相关度，可以反映出由于发热量不同所引起的炉内辐射换热份额的变化及温度场的空间分布不均匀；机组负荷不变、炉膛结构固定的情况下，得到火焰图像的丰度信息即火焰图像的大小可以正确的反映由于煤质的不同所引起的火焰面积的变化火焰图像丰度能够反映挥发分、灰分、水分对煤粉燃烧的综合影响因此认为，不同煤种的特性变化可以通过火焰图像的信息反映出来；3 ．将火焰检测系统在西柏坡电厂3 # 机组3 0 0 M W 燃煤锅炉上进行了现场检测，得到不同工况下的火焰图像，并对计算得到的温度场信息与机组负荷进行了分析：对火焰的数字信息进行分析，得到连续时间内三个单色波下图像的灰度变化曲线，并与同一时间段内的机组负荷进行对比。

结果表明，火焰图像的灰度随负荷的变化呈现出相同的变化趋势，得到火焰的直观信息一灰度可以宏观的反映出机组负荷的波动；图像的能量信号等不仅反映出火焰燃烧时的脉动特性，还可以反映出炉内的燃烧状况，与负荷有一定的相关性；火焰检测系统得到的温度场信息能够、准确的反映炉内的燃烧状况及机组负荷通过图像比色法得到的燃煤锅炉的叫视化燃烧论断及排放预测炉内温度场分布及温度场参数『F 确的反映了燃烧状况；4 ．介绍了支持向量机原理，通过对火焰图像进行分析，提取图像的特征参数，与计算所得到的温度场参数等作为属性值根据这些属性值，利用基于最小二乘向量机的算法预算了N O x 的排放量预算的结果与实际测量值之间显示了良好的关联性，取得了十分有效的应用结果此方法的深入研究，对于开拓参考燃烧诊断信息的N O x 快速检测的辅助方法具有重要意义最小二乘支持向量机求解线性方程，收敛速度快，参数确定方便因此基于最小二乘支持向量机在锅炉尾气排放的预测中有很大的应用潜力本研究的创新点小结如下：1 ．参与了可视化火焰检测系统的研发，并重点进行了信号处理工作；2 ．根据数字图像处理和信号处理理论从火焰的灰度图像中提取了表征燃烧特性的特征参数。

作为引入快速控制系统的可选参数；3 ．在两个电厂进行了实测，获得大量数据，建立了特征参数与燃煤特性及机组运行工况的关联规律：4 ．根据数理统计理论，运用最d ．z 乘支持向量机，以火焰参数为主要判据，建立了锅炉燃烧排放预测的模型7 ．2 展望及对今后工作的建议将数字图像处理技术应用到炉内温度场测量和燃烧诊断的工作仍然处于探索阶段在以后的研究过程中，认为以下几个方面显得尤为重要：1 ．温度场重建算法需要进一步完善，达到能够可视化三维炉内燃烧的目的，同时提高重建速度和精度为运行提供更加可靠、准确的炉内信息；2 ．在对燃煤特性追踪的研究中，寻找更加直接相关的图像信息参数，提高火焰图像数字信息参数与燃煤特性的相关程度，辅以相关算法，实现燃煤特性跟踪；3 ．通过本文的研究，可以看出L S —S V M 在污染物排放的预测中有广泛的应用前景，但这种应用还限于离线状态算法的研究，可以提高这种方法的实用性，并且对电站锅炉实际运行会产生强大的指导意义总而言之，基于电站锅炉火焰辐射图像的燃烧可视化和智能诊断研究，具有重要的理论价值和现实意义随着相关研究的进一步深入，该项技术会日渐成熟，取得更多的突破和进展。

参考文献参考文献1 ．岑可法著．锅炉和热交换器的积灰、积渣、磨损和腐蚀原理与计算，科学出版社，1 9 9 4 ．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，1 9 9 3 ，9 ( 6 ) ：8 - 1 4 ．3 ．D L4 3 5 —9 1 ．火电厂煤粉锅炉燃烧室防爆规程．4 ．常太华，李国光等．煤粉锅炉火焰检测及燃烧诊断．华北电力大学学报，19 9 9 ，2 6 ( 1 ) ：5 7 —6 2 ．5 ．翟少杰，李炎等，数字图像处理技术在锅炉炉膛火焰监测系统中的研究现状，电站系统工程[ J ] ，V 0 1 ．2 0 ( 1 ) ，2 0 0 4 ．6 ．武东生，刘秉琦，小波变化在C C D 图像边缘检测中的应用，应用光学[ J ] ，V 0 1 ．2 5 ( 2 ) ，2 0 0 4 ．7 ．[ 英] T J ．奎恩．温度测量，中国计量出版社，1 9 8 6 ，8 ．N ．C h i m e r , C o m b u s t i o nM e a s u r e m e n t s ，H e m i s p h e r eP u b l i s h i n gC o r p o r a t i o n ，1 9 9 1 ．9 ．E E ．B e s t ，E L ．C h i e n ，R ．M ．C a r a n g e l oa n dE R ．S o l o m o n ，T o m o g r a p h i cR e c o n s t r u c t i o no fF T - I RE m i s s i o na n dT r a n s m i s s i o nS p e c t r ai nS o o t i n gL a m i n a rD i f f u s i o nF l a m e s ，C o m b u s t i o na n dF l a m e s ，8 6 ，3 3 3 —3 4 6 ，1 9 9 1 ．1 0 ．肖旭东，是度芳．一种新颖的温度测量方法一一光学层析法，锅炉技术，1 9 9 2 ．11 ．孟令军，用计算机数字图像处理技术检测电站锅炉燃烧火焰，化工自动化仪表，2 8 ( 2 ) ：4 3 ．4 5 ，2 0 0 1 ．12 ．M ．Y ．C h o i ，A ．H a m i n se ta 1 ．，S i m u l t a n e o u sO p t i c a lM e a s u r e m e n to fS o o tV o l u m eF r a c t i o na n dT e m p e r a t u r ei nP r e m i x e dF l a m e s ，C o m b u s t i o na n dF l a m e ，9 9 ：1 7 4 - 1 8 6 ，1 9 9 4 ．13 ．J o r g eS ．M a r q u e s ，P e d r oM ．J o r g e ，V i s u a ／i n s p e c t i o no fac o m b u s t i o np r o c e s si nat h e r m o e l e c t r i cp l a n t ，S i g n a lP r o c e s s i n g ，8 0 ：1 5 7 7 —1 5 8 9 ，2 0 0 0 ．14 ．L e e ，M ．P ，M c M i l l i n ，B ．K ．a n dH a n s o n ，R ．K ．，T e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t si ng a s e sb yu s eo f p l a n a rl a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c ei m a g i n go f N O ，A p p l i e dO p t i c s ，燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测l9 9 3 ，3 2 ( 2 7 ) ，5 3 7 9 ·5 3 9 7 ．15 ．B a l l ，D ．，S t e v e ，H ．，D r i v e r , T ．，H u t c h e o n ，R ．J ．，L o e k e t t ，R ．D ．，a n dR o b e r t s o n ，GN ．，C o h e r e n ta n t i - S t o k e sR a m a ns p e c t r o s c o p yt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t si na ni n t e r n a lc o m b u s t i o n ．O p t i c a lE n g i n e e r i n g ，19 9 4 ，3 3 ( 9 ) ，2 8 7 0 —2 8 7 4 ．16 ．SL o n o w , Ad r e i a l e r , JJ a n i c k aa n dEPH a s s e l ．M e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o ni no x y —f u e lf l a m eb yR a m a m ／R a y l e i g hs p e c t r o s c o p y , M e a s u r e m e n tS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y1 3 ．1 9 5 2 —1 9 6 1 ．2 0 0 2 ．17 ，S ．K a n a p m a n ，A ．L e i p e r t z ，T w o —d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t si nat e c h n i c a lc o m b u s t o re i t hl a s e rR a y l e i g hs c a t t e r i n g , A p p l i e dO p t i c s ，3 2 ( 3 0 ) ，6 1 6 7 —6 1 7 2 ，1 9 9 3 ．1 8 ．邓建平，王国林，黄沛然．用于高温测量的红外热成像技术，流体力学实验与测量，2 0 0 1 ，1 5 ( 1 ) ：4 3 。

4 7 ．】9 ．苏红雨，杨华元等，电站锅炉炉膛温度分布测量仪的研究，计量学报，2 0 0 0 ，2 l ( 2 ) ：1 3 4 ．1 4 02 0 ．蒋剑良，王尚勇，刘小华．燃烧过程光辐射度测温研究一理论、数值仿真和试验，内燃机学报，2 0 0 l ，1 9 ( 4 ) ：3 3 7 + 3 4 1 ．2 1 ．S o n n i kC l a u s e n ，J i m m yb a k ，F T I RT r a n s m i s s i o n - e m i s s i o nS p e c t r o s c o p yo fG a s e sa tH i g hT e m p e r a t u r e s ：E x p e r i m e n t a lS e t —u pa n dA n a l y t i c a lP r o c e d u r e s ．R a d i a tT r a n s f e r , 6 1 ( 2 ) ，1 3 1 —1 4 1 ，1 9 9 9 ．2 2 ．K a o r uY a r n a s h i t a , T e t s u y aN a g a s h i m a ，W a v e l e n g t h - d i f f e r e n t i a lm i a g i n gf o re x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r a ，S e n s o r sa n dA c t u a t o r sA ，9 7 - 9 8 ，1 7 9 —1 8 3 ，2 0 0 2 ．2 3 ．D ．S b a r b a r o ．O ．F a r i a s ．A ．Z a w a d s k y , R e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dc h a r a c t e r i z a t i o no ff l a m e sb yp r i n c i p a l —c o m p o n e n ta n a l y s i s ，C o m b u s t i o na n dF l a m e ，1 3 2 ，5 9 1 —5 9 5 ，2 0 0 3 ．2 4 ．吕震中，沈炯．电站锅炉火焰检测及燃烧诊断技术，锅炉技术，1 9 9 7 ( 5 ) ：8 ．1 3 ，2 5 ．K u r i h a r ae ta 1 ．，Ac o m b u s t i o nd i a g n o s i sm e t h o df o rp u l v e r i z e dc o a lb o i l e r su s i n gf l a m er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , I E E ET r a n s ．O nE n e r g yC o n v e r s i o n ，19 8 6 ，1r 2 ) ：9 9 - 1 0 3 ．7 4参考文献2 6 ．刘维，H I A C S 一3 0 0 0 系统技术的最新进展，中国电力．2 7 ．M ．S h i m o d ae ta 1 ．．P r e d i c t i o nm e t h o do fu n b u r n tc a r b o nf o rc o a lf i r e du t i l i t yb o i l e ru s i n gi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fc o m b u s t i o nf l a m e ，I E E ET r a n s ．O nE n e r g yC o n v e r s i o n ，19 9 0 ，l5 ( 4 ) ：6 4 0 —6 4 5 ．2 8 ．s ．C o l l i n s ，A d v a n c e df l a m em o n i t o r st a k eo nc o m b u s t i o nc o n t r o l ，P o w e r , 19 9 3 ( 1O ) ：7 5 - 7 7 ．2 9 ．舒子恺，三菱新型火焰监测装置O P T I S 简介，热2 1 2 自动化信息，19 9 3 ．3 0 ．M i t s u b i s h iH e a v yI n d u s t r i e s ，L T D ．，S p e c i f i c a t i o no f F l a m eD e t e c t o r , 1 9 9 7 ．31 ．Y ．Y a n ，G L u ，M ．C o l e c h i n ，M o n i t o r i n ga n dc h a r a c t e r i s f i o no fp u l v e r i s e dc o a lf l a m e su s i n gd i g i t a li m a 舀n gt e c h n i q u e s ，F u d ，8 l ：6 4 7 —6 5 6 ，2 0 0 2 ．3 2 ，G a n gL u ，Y o n gY a h ，G e r r yR i l e ye ta 1 ．，C o n c u r r e n tM e a s u r e m e n to fT e m p e r a t u r ea n dS o o tC o n c e n t r a t i o no fP u l v e r i z e dC o a lF l a m e s ，I E E ET r a n so nI n s t r u m e n t a t i o na n dM e a s u r e m e n t ，51 ( 5 ) ，9 9 0 —9 9 5 ，2 0 0 2 ，3 3 ．HCB h e e m u l ．GL ua n dYY a n ．T h r e e —d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o na n dq u a n t i t a t i v ec h a r a c t e r i z a t i o no fg a s e o u sf l a m e s ，M e a s u r e m e n tS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , 13 ，16 4 3 —16 5 0 ，2 0 0 2 ．3 4 ．GL u ，YY a na n dD DW a r d ，A d v a n c e dm o n i t o r i n g ，c h a r a c t e r i s a t i o na n de v a l u a t i o no f g a s - f i r e d f l a m e s i na u t i l i t y b o i l e r , J o u r n a lo f t h e I n s t i t u t e o f E n e r g y , 7 3 ，4 3 —4 9 ，2 0 0 0 ．3 5 ．- r j } l " 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，1 0 ( 4 ) ：4 4 6 _ 4 4 8 ，1 9 8 9 ．3 6 ．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) ，3 6 ( 1 0 ) ：3 0 ．3 4 ，1 9 9 6 ．3 7 ．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，1 0 ：4 1 —4 4 ，1 9 9 4 ．3 8 ．J ．S u ne ta 1 ．．A p p l i c a t i o no fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi nt h ed e t e c t i o no ff l a m e ,S y m p o s i u m ．O ni n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nP o w e rE n g i n e e r i n g ，9 5 6 - 9 6 0 ，1 9 9 5 ．3 9 ．余岳峰，赵铁城，徐伟勇，煤粉燃烧火焰的三色法温度测量，上海交通大学学报，3 4 ( 9 ) ：1 2 5 7 —1 2 6 0 ，2 0 0 0 ．7 5燃煤锅炉的闭视化燃烧谚断及排放预测4 0 ．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，1 5 ( 5 ) ：2 9 5 - 3 0 0 ，l9 9 5 ．4 1 ．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，1 3 ( 1 ) ：4 4 —4 9 ，1 9 9 3 ．4 2 ．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，2 0 ( 1 0 ) ：1 8 ．2 2 ，1 9 9 6 ．4 3 ．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，1 7 ( 1 ) ：1 ．4 ，1 9 9 7 +4 4 ．韩署东，周怀春等，基于具有明显测量误差的辐射图像的二维炉膛温度分布重建和快速特征识别研究，中国电机工程学报，2 0 ( 9 ) ：6 7 —7 2 ，2 0 0 0 ．4 5 ．H u a i - C h u r lZ h o u ，S h u —D o n gH a n ，e ta 1 ．，V i s u a l i z a t i o no ft h r e e —d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nal a r g e —s c a l ef u r n a c ev i ar e g u l a r i z e dr e c o n s r u c t i o nf r o mr a d i a t i v ee n e r g yi m a g e s ：n u m e r i c a ls t u d i e s ，J o u r n a lo fQ u a n t i t a t i v eS p e c t r o s c o p y & R a d i m i v eT r a n s f e r , 7 2 ：3 6 1 - 3 8 3 ．2 0 0 2 ．4 6 ．何焕青，是度芳等，双色法同时测定碳氢火焰温度和碳粒体积分数，华中科技大学学报[ J 】，V 0 1 ．3 2 ( 3 ) ，2 0 0 4 ．4 7 ．娄春，周怀春等，一种煤粉炉内断面温度场监测系统，电站系统工程[ J 】，V 0 1 ．2 0 ( 2 ) ，2 0 0 4 ．4 8 ．薛飞，李晓东等，基于面阵C C D 的火焰温度场测量方法研究，中国电机工程学报，1 ：1 ．8 ，t 9 9 9 ．4 9 ．王飞，马增益等，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，2 0 ( 7 ) ：4 0 - 4 3 ，2 0 0 0 ．5 0 ．卫成业，王飞等，运用彩色C C D 测量火焰温度场的校正算法，中国电机工程学报，2 0 ( 1 ) ：7 0 —7 3 ，2 0 0 0 ．5 1 ．卫成业，严建华等，利用面阵C C D 进行火焰温度分布测量( I ) 一二维投影温度场的测量，热能动力工程，9 7 ( 1 7 ) ：5 8 —6 2 ，2 0 0 2 ．5 2 ．薛飞，黄国权等，C C D 计测量燃烧室截面温度场的原理研究，动力工程[ J ] ，v 0 1 ．1 9 ( 5 ) ，1 9 9 9 ．5 3 ．林彬，马增益等，对火焰图像双色测温法的改进，电站系统工程[ J 】，V 0 1 ．2 0参考文献( 2 ) ，2 0 0 4 ．5 4 ．王式民等，图像处理技术在全炉膛检测中的应用，动力工程，1 6 ( 6 ) ：6 8 —7 2 ，1 9 9 6 ．5 5 ．王式民，赵延军，汪风林．光学分层热成像法重建火焰三维温度场分布的研究，工程热物理学报，2 3 ( 增刊) ：2 3 3 ．2 3 6 ，2 0 0 2 ．5 6 ．许柯夫，数字图像处理技术在电厂锅炉检测中的应用，电力系统自动化，1 9 9 5 ．5 7 ．Z h a o ．H ．a n dL a d o m m a t o ，N ．，O p t i c a ld i a g n o s t i c sf o rs o o ta n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nd i e s e le n g i n e s ，P r o c e s so f E n e r g ya n dC o m b u s t i o nS c i e n c e , v 0 1 ．2 4 ，P P2 2 1 - 2 5 5 ，1 9 9 8 ．5 8 ．姜凡，刘石，卢钢，阎勇等．双色法火焰监测分析技术用于火焰温度场的实测试验中国电机工程学报．v 0 1 ．2 2 ( 1 2 ) ，p p l 3 3 —1 3 7 ，2 0 0 2 ．5 9 ．杨世铭，陶文铨．传热学．高等教育出版社．6 0 ．H o t t e l ，H ．C ．a n dB r o u g h t o n , EP ，D e t e r m i n a t i o no fT r u eT e m p e r a t u r ea n dT o t a lR a d i a t i o nf r o mL u m i n o u sF l a m e , I n d u s t r i a la n dE n g i n e e r i n gC h e m i s t r y( A n a l y t i c a lE d i f i o n ) ，v 0 1 ．4 ( 2 ) ，P P ．1 6 6 - 1 7 5 ，1 9 3 2 ．6 1 ．徐江荣，胡建人．火焰辐射温度场测量系统黑体炉标定航州电子工业学院学报[ J ] v 0 1 ．2 2 ( 1 2 ) ，N O ．12 0 0 2 ，2 ．6 2 ．贾涛，程强，韩署东等．一种火焰辐射探头的标定方法．热力发电．2 0 0 2 ，5 ．6 3 ．阮秋琦．数字图像处理[ M 】．电子工业出版社．2 0 0 1 ．6 4 ．R a f e a lC ．O o n z a l e z ，R i c h a r dE ．W o o d s ．D i g i t a lI m a g eP r o c e s s i n gS e c o n dE d i t i o n [ M ] ．电在工业出版社．2 0 0 4 ．6 5 ．赫文化．M A T L A B 图形图像处理应用教程[ M 】．中国水利水电出版社．2 0 0 3 ．6 6 ，飞思科技产品研发中心．M A T L A B 6 ．5 辅助图像处理【M ] ．电子工业出版社．2 0 0 3 ．6 7 ．王庆有，孙学珠。

C C D 应用技术[ M ] 天津大学出版社．1 9 9 3 ．6 8 ．蔡德芳，史晓华，文建国等C C D 探测器的饱和闽值的光谱特性研究[ M ] 激光杂志V 0 1 ．2 1 , N o ．3 ．2 0 0 0 ．6 9 ．V a p n i kVN ．T h en a t u r eo f s t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y [ M ] ．N e wY o r k ．S p r i n g e r1 9 9 5 ．f i r s te d i t i o n ．7 0 ．G o n z a l e zGD ．S o f ts e n s o r sf o rp r o c e s s i n gp l a n t s [ A ] ．P r o c e e d i n go ft h eS e c o n d燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nI n t e l l i g e n tP r o c e s s i n ga n dM a n u f a c t u r i n go fM a t e r i a l s [ C ] ，1 9 9 9 ，1 ：5 9 —6 97 1 ．张学工．关于统计学习理论与支持向量机[ J 】．自动化学报，2 0 0 0 ，2 6 ( 1 ) ：3 2 - 4 2 ．7 2 ．王国胜，钟义信．支持向量机的理论基础一统计学习理论【J 】．计算机工程与应用．2 0 0 1 ，1 9 ：1 9 —2 0 ．7 3 ．张燕坤，杜平等．基于主元分析与支持向量机的人脸识别方法[ J 】一E 海交通大学学报．2 0 0 2 ，3 6 ( 6 ) ：8 8 4 —8 8 6 ．7 4 ．罗雪辉，李霞，张基宏．支持向量机及其应用研究阴．深圳大学学报( 理工版) ．V 0 1 ．2 0 ，N O _ 3 ．2 0 0 3 ．7 5 ，高学，金连文，尹俊勋，等．一种基于支持向量机的手写汉字识别方法[ J ] ．电子学报，2 0 0 2 ，3 0 ( 5 ) ：6 5 1 - 6 5 4 ．7 6 ．孙德山，吴金培．一类支持向量机在车辆识别中的应用[ J ] 交通运输系统工程与信息，V 0 1 ．3 N 0 ．4 ，2 0 0 3 ．7 7 ．萧嵘，王继承等( X i a oR ，W a n gJC H ，e ta 1 ) ．支持向量机综述( S u r v e yo f s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ) [ J ] ．计算机科学( C o m p u t e rS c i e n c e ) ，2 0 0 ，2 7 ( 3 ) ：1 —37 8 ．V a p n i kVC h e r v o k n e n k i sArT h en e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o n sf o rc o n s i s t e n c yi nt h ee m p i r i c a lr i s km i n i m i z a t i o nm e t h o d [ J ] ．P a t t e r nR e c o g n i t i o na n dI m a g e A n a l y s i s ，1 9 9 1 ，1 ( 3 ) ：2 8 3 —3 0 5 ．攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文1 ．穆怀萍，最小二乘支持向量机可视化燃烧排放关联特性的研究，中国电机工程学报( 已录用) ；2 ．穆怀萍，双色法火焰检测系统对电站锅炉炉内温度场的检测与分析，动力工程学报( 已录用) ；3 ．L iZ h i h o n g ，L i uS h i ，M uH u a i p i n g ，e ta l ，M u l t i p l e - w a v e l e n g t hV i s u a lM e t h o dF l a m eT e m p e r a t u r eI n s t r u m e n t a t i o nS y s t e m ’SC a l i b r a t i o na n dE x p e r i m e n tR e s e a r c h ，J o u r n a lo f T h e r m a lS c i e n c e ，2 0 0 4 ，V o l3 ( 4 ) ，3 7 1 - 3 7 5 ；4 ．李志宏，穆怀萍，姜凡，刘石，多波长可视化测温系统标定的实验研究，计量学报( 己录用) ．申请专利1 ．刘石，李志宏，姜凡，穆怀萍，刘靖，一种棱镜( 三) 分光系统，发明，申请号：2 0 0 5 1 0 0 1 2 2 6 3 ．52 ．刘石，李志宏，穆怀萍，刘靖，姜凡，可视化火焰测量的两分光系统，实用新型，申请号：2 0 0 5 2 0 0 2 3 1 3 1 ．8项目支持1 ．中国科学院工程热物理研究所知识创新工程项目“火焰与温度场监测与污染物排放特性的关联研究”2 ．国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 洁净煤技术项目“洁净煤技术燃烧诊断和快速控制研究”燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测致谢在硕士论文即将完成之际，我首先要感谢我的导师，刘石研究员。

三年的研究生学习过程中刘老师给了我很多帮助和鼓励，为论文的研究指明了方向本文是在刘老师悉心关怀和精心指导F 完成的刘石研究员渊博的专业理论、踏实、严谨的治学态度、平易近人的工作作风和对科学持之以恒的毅力一直在深深感动我；感谢姜凡副研究员，帮助我分析、解决课题实际操作中遇到的困难，帮助我开阔了解决问题的思路，在生活中给予我很多的关怀，使我始终在一种快乐的气氛中学习和生活在此向两位导师多年的培养与关怀表示衷心的感谢每不了所有帮助过我，带给我快乐的人!感谢同一课题组的李志宏博士、郭建民博士、刘靖博士，他们都有严谨治学的态度和对工作负责的精神，在实验和理论讨论中从他们身上学到了很多感谢一直为我们付出劳动的赵树华工程师，在赵师傅的帮助下，使得我们的实验进行的很顺利感谢已经远赴英国的王海刚助研，带给了我们很多新奇和快乐，他踏实稳重的工作作风也深深的感染了我感谢教育办夏红德老师、孔繁英、吕燕老师在三年多所内学习过程中对作者的关心感目十我们课题组的闰润生博士、曹宏章博士、李惊涛博士、董向元博士、陈琪博士、孙猛博士、雷兢博士、刘长春硕士、张杰硕士等人在学术讨论和生活中给予的帮助，和他们在一起像一家人的感觉，使我们这个小集体团结向上，这种快乐是让人终身难忘的!感谢先进燃烧技术部所有老师和同学给予我的帮助和指导!感谢我的家人给予我的关心和爱护，感谢我在哈工大的老师和好友在学术上给予我的帮助，感谢所有的好朋友们对我的鼓励和帮助，让我能够生活在一种轻松、向上、温暖的环境中。

祝愿我的老师、同学、朋友和家人工作顺利，幸福的生活!穆怀萍2 0 0 6 年4 月燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测燃煤锅炉的可视化燃烧诊断及排放预测作者：穆怀萍学位授予单位：中国科学院工程热物理研究所 相似文献(3条)相似文献(3条)1.期刊论文 李皓.陈月芳.CHEN Yue-fang.LI Hao ABB公司UVSIOR智能火焰监测系统在燃煤锅炉中的应用 -宁夏电力2005,""(3) 燃煤锅炉火焰监测系统是保证机组安全经济运行的重要设备,火焰的误判断可能造成机组设备的严重损坏,因此,选用一套性能可靠、维护方便的锅炉火焰检测系统具有十分重要的意义.采用美国ABB公司的Uvisor智能火检系统,配Uvisor MFD双放大器智能单元和UR600 2000IR/EF-A火焰检测器,使得燃烧器火检信号的可靠性和稳定性都得到了保障.2.期刊论文 周宁祥 1025t/h燃煤锅炉火焰监测系统的改造 -电力安全技术2007,9(4) 大坝发电有限责任公司4台300 MW机组,锅炉均为B&WB-1025/16.8/540/540型中间再热自然循环汽包炉.其制粉系统为正压直吹式冷一次风机系统,配置5台MPS-190型中速磨煤机.锅炉燃烧器按前、后墙对冲直吹方式布置,前墙3排,后墙2排,每排4个,共20个燃烧器.每个燃烧器配备1支火焰监测探头,检测喷射的煤粉燃烧情况.原设计安装的UW4993系列火焰监测装置是由美国Bailey公司生产的,在煤质好时,可以很好地检测到每个燃烧器的燃烧工况,但在低负荷或煤质变化很大时,经常发生因火检信号丧失而造成的跳磨或停炉事故.因此,该厂决定选用A B B公司的UVISOR智能化火焰监测装置来对现使用的火焰监测系统进行改造.3.学位论文 李圣明 基于DSP的锅炉炉膛火焰监测系统研究 2004 大型火力发电厂锅炉大都以燃煤为主,由于容量大,安装的燃烧器数量多,炉膛内的燃料燃烧情况复杂.当外界参数的波动引起单个或多个燃烧器的灭火时,必须立即采取重新点火或停炉吹扫,否则很容易造成炉膛爆燃,给生命财产造成巨大损失.因此电站锅炉必须配置功能齐全、设备可靠的炉膛安全监控装置,即FSSS,实现对燃烧器火焰的可靠检测.目前,在中国的大部分电厂中广泛使用的火焰检测器为基于检测着火区火焰亮度和闪烁频率的红外型或可见光型火焰检测器,但在锅炉实际运行中对不同煤种、负荷引起的着火区位置的变化,难以做到自动适应,尤其是在不同负荷工况下时有误报、漏报情况发生.20世纪80年代,随着计算机软、硬件技术的迅速发展,特别是近年来多媒体技术日益推广应用的前提下,国内外研究者纷纷把目光投向可视化的炉膛监视和控制系统.数字图像处理技术开始应用于锅炉炉膛火焰处理中.图像型火检具有直观、准确的特点,并且容易设计检测算法,现在已经成为新型燃煤锅炉火焰检测技术的热门研究方向之一.该文把火焰电视与多媒体计算机系统相结合,根据燃煤锅炉的火焰特性,结合数字图像处理技术,开发出基于火焰图像信号的火焰检测系统.论文首先分析研究了传统火焰检测方法的原理,特点和使用现状,指出了燃煤锅炉火焰检测的难点和特点及其传统火焰检测方法在应用中暴露出来的不足,设计了一种基于DSP的火焰检测系统,系统采用光纤图像传感器摄取各分支燃烧器燃烧图像,经过图像采集处理卡数字化后判断火焰有无,提出了一种邻域统计火焰检测算法,能适应锅炉的不同工况,并可以在某燃烧器即将灭火时,及时给出报警信号;算法的多数参数都可以方便地在运行过程中设定,使得检测算法可以适用于不同煤种、不同负荷的锅炉.锅炉运行是一个连续动态的过程,对16路燃烧器进行火焰检测需要很高的处理速度和很大的存储空间.为了提高处理速度,采用基于双TMS320C6000系列DSP的高速图像采集处理卡二次开发,在卡上执行火检算法,提高了执行效率试验和应用表明,该算法可以准确地适应锅炉工况的变化,具有较好的效果. 本文链接：。