龍吉生, 劉志偉. 紅外熱成像管理系統(tǒng)在垃圾焚燒爐自動(dòng)燃燒控制中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2022, 30(2): 1-8.LONG J S, LIU Z W. Application of infrared thermal imaging management system in automatic combustion control of waste incinerator[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2022, 30(2): 1-8. 首次在生活垃圾焚燒爐上應(yīng)用紅外成像管理系統(tǒng)。利用黑體輻射理論、CCD探測(cè)器、紅外成像技術(shù)同時(shí)將火焰畫(huà)面、火焰溫度同時(shí)分區(qū)域且精準(zhǔn)的在垃圾焚燒爐上應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)少有先例。論文中涉及的技術(shù)已實(shí)際應(yīng)用于我國(guó)單爐垃圾處理量750 t/d的三段式列動(dòng)順推爐排爐中，此焚燒爐屬大型焚燒爐，運(yùn)用此形式爐排的焚燒爐在我國(guó)爐排爐總數(shù)量的占比達(dá)40%以上，方案和數(shù)據(jù)具有一定推廣和參考價(jià)值。生活垃圾焚燒爐自動(dòng)燃燒控制（ACC）系統(tǒng)對(duì)各種焚燒爐運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量要求較高，需要進(jìn)一步優(yōu)化和提升各輔助測(cè)量裝置的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。對(duì)紅外熱成像管理系統(tǒng)和傳統(tǒng)攝像機(jī)成像監(jiān)視系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較，并對(duì)其嵌入ACC系統(tǒng)的方式，以及對(duì)整個(gè)ACC系統(tǒng)的提升和運(yùn)行效果進(jìn)行了闡述。紅外熱成像管理系統(tǒng)以適當(dāng)方式嵌入ACC系統(tǒng)后，可靈活實(shí)現(xiàn)焚燒爐內(nèi)火焰和煙氣溫度的分區(qū)精準(zhǔn)顯示，作為輔助手段對(duì)ACC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有明顯提升作用。- 典型內(nèi)窺式數(shù)字高清爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)
- 系統(tǒng)概述及主要結(jié)構(gòu)原理
當(dāng)前生活垃圾焚燒爐廣泛采用的爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)基本上都是由早期應(yīng)用在水泥廠、鋼鐵廠的加熱爐、退火爐和氧化鋁廠等行業(yè)內(nèi)的高溫看火工業(yè)電視演變升級(jí)而來(lái)。內(nèi)窺式數(shù)字高清爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)成像裝置主要由耐高溫針孔電動(dòng)鏡頭、寶石物鏡、光學(xué)濾光片、光圈焦距調(diào)節(jié)器等組成，配有電控推進(jìn)器、氣源控制柜、光端機(jī)等輔助設(shè)備。其核心問(wèn)題是如何在生活垃圾焚燒爐的高溫、多塵、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，保證火焰畫(huà)面不丟包、不失真。1）優(yōu)勢(shì)特性分析。一是技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定。隨著我國(guó)近一二十年間生活垃圾發(fā)電廠的興建，爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)也處于不停地優(yōu)化和迭代之中，目前已能滿(mǎn)足穩(wěn)定、可靠的要求。其中常規(guī)配置參數(shù)為攝像頭300 萬(wàn)像素，響應(yīng)時(shí)間2 s，光圈（F數(shù)）1.6，焦距2.4 mm。二是工作環(huán)境好。爐膛火焰監(jiān)視器探頭通常安裝于焚燒爐后墻，所處位置是垃圾燃燒最末端，常規(guī)工況下探頭周?chē)鸁煔鉁囟韧ǔ?lt;600 ℃。較之焚燒爐其他高溫環(huán)境已算“宜居地帶”。三是維護(hù)量小。焚燒爐后墻幾乎沒(méi)有結(jié)焦現(xiàn)象，常規(guī)爐膛火焰監(jiān)視探頭開(kāi)孔位置僅存有因爐膛偶爾正壓時(shí)煙氣外冒造成的積灰，積灰量不大，清理工作較為輕松。2）劣勢(shì)特性分析。一是參數(shù)單一。因垃圾焚燒行業(yè)爐型構(gòu)造和燃燒成分的特殊性，垃圾焚燒爐長(zhǎng)期采用的火焰探頭利用的是光學(xué)成像原理，運(yùn)行人員僅能通過(guò)觀察火焰形狀和位置來(lái)判斷焚燒爐工況，無(wú)法得到多維度參數(shù)。二是視角局限。爐膛火焰探頭通常位于焚燒爐后墻，安裝角度朝向爐內(nèi)成斜向上方向，與水平線夾角15°左右，探頭視場(chǎng)角通常＞60°。以某大型列動(dòng)順推爐排焚燒爐為例，在此仰視角度下可以看到爐排燃燒段尾部、燃燼段前部?jī)擅婷黠@的火焰幕墻，由于火焰鋒面遮擋，很難觀察到燃燒段中前部的火焰狀況。 以某單臺(tái)750 t/d大型列動(dòng)順推爐排焚燒爐中爐膛火焰監(jiān)視器安裝位置和顯示畫(huà)面為實(shí)例，具體分析火焰成像狀態(tài)。其實(shí)際火焰成像畫(huà)面見(jiàn)圖1。成像角度是由焚燒爐后墻探頭位置向上仰視爐膛。因焚燒工況十分良好，靠近后墻的燃燼段區(qū)域幾乎沒(méi)有明火，燃燒段尾部成一面豎直、光亮的黃紅色火焰鋒面，高度約為2.5 m。對(duì)應(yīng)的爐膛火焰監(jiān)視器安裝示意如圖2所示。爐膛火焰探頭安裝在焚燒爐后墻，安裝位置與后墻觀火平臺(tái)地面距離為C（m）。開(kāi)孔傾角與水平方向夾角為B（°），有效視場(chǎng)角為A（°）。圖2中由黃色填充的三角形區(qū)域代表正常燃燒火焰，其中標(biāo)注高度2.5 m的區(qū)域?yàn)槿紵隣t排尾部火焰，即為圖1所顯示的火焰鋒面。顯然，從爐膛火焰監(jiān)視器向上望去，燃燒段前部、中部火焰為視野盲區(qū)。由于被燃燒段尾部火焰鋒面遮擋，通過(guò)火焰監(jiān)視器通常只能看到燃燒段尾部、燃燼段前部這兩個(gè)區(qū)域的火焰。
紅外熱成像管理系統(tǒng)采用了高溫成像、熱輻射、紅外輻射檢測(cè)及計(jì)算機(jī)圖像處理等技術(shù)，為運(yùn)行人員提供高清的爐膛內(nèi)火焰視頻分區(qū)監(jiān)視和燃燒火焰溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)由耐高溫防腐紅外攝像儀、自動(dòng)回縮保護(hù)裝置、安裝套件、氣路和電氣控制箱、圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成，紅外熱成像監(jiān)視系統(tǒng)見(jiàn)圖3。該系統(tǒng)的重點(diǎn)構(gòu)成要素為與生活垃圾焚燒爐燃燒特性相匹配的圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)。每臺(tái)探頭支持自定義設(shè)置64個(gè)ROI區(qū)，可編程最小、最大和平均溫度的測(cè)量，可自定義觸發(fā)測(cè)量/報(bào)警監(jiān)視和閾值監(jiān)視。火焰發(fā)光通常包含兩種機(jī)制：①黑體輻射發(fā)光（連續(xù)光譜）；②化學(xué)發(fā)光（表現(xiàn)為帶狀或者線狀光譜）。本紅外熱成像系統(tǒng)利用的是火焰中的黑體輻射發(fā)光機(jī)制。而垃圾焚燒中黑體輻射發(fā)光來(lái)源又包括兩部分：①垃圾表面受熱發(fā)光；②懸浮在火焰中的微小炭黑顆粒受熱發(fā)光。以下將對(duì)紅外熱成像系統(tǒng)采集的光譜范圍進(jìn)行解析。
根據(jù)普朗克（Plank）黑體輻射定律，自然界的任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度（-273.15 ℃），就會(huì)以電磁輻射的形式在非常寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射能量，產(chǎn)生電磁波（輻射能）。不同的材料、溫度、表面光度及顏色，發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度都不同，大氣電磁光譜示意見(jiàn)圖4。普朗克輻射定律給出了黑體輻射的具體譜分布，在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)和單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)輻射出的能量見(jiàn)公式（1）：式中：B(λ,T)為黑體的光譜輻射亮度（W?m-2?Sr-1?μm-1）；T為黑體的絕對(duì)溫度（K）；c為光速，c=2.998×108 m/s；h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34 J?s；K為波爾茲曼常數(shù)，K=1.380×10-23 J/K。在一定溫度下，黑體的光譜輻射亮度存在一個(gè)極值，這個(gè)極值的位置與溫度有關(guān)，這就是維恩位移定律（Wien）：式中：λmax為最大黑體光譜輻射亮度處的波長(zhǎng)（μm）；T為黑體的絕對(duì)溫度（K）；b為維恩常量，b=0.002 897 m·K（2.897×103μm·K）。根據(jù)Wien定律，我們可以估算，當(dāng)T=6 000 K時(shí)，λmax為0.48 μm（綠色），這就是太陽(yáng)輻射中大致的最大光譜輻射亮度處。當(dāng)T=300 K，λmax=9.6 μm，這就是地球物體輻射中大致最大光譜輻射亮度處。普朗克定律描述的黑體輻射在不同溫度下的頻譜見(jiàn)圖5。根據(jù)圖5中數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：隨著溫度升高，輻射能量增加，這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，也是單波段紅外測(cè)溫設(shè)計(jì)的依據(jù)。隨著溫度升高，輻射峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，其規(guī)律符合Wien定律，即λmax?T=2 897.8 μm?K。這個(gè)公式解釋了為什么“高溫測(cè)溫儀”多采用短波，“低溫測(cè)溫儀”多采用長(zhǎng)波。輻射能量隨溫度的變化率，短波比長(zhǎng)波大，即短波處工作的“測(cè)溫儀”相對(duì)信噪比高，抗干擾性強(qiáng)。由Wien定律可以得出，溫度越高，輻射峰值的波長(zhǎng)越短。所以為了使輻射接收器有一個(gè)較理想的信噪比，對(duì)于溫度越低的物體，可測(cè)量的輻射波長(zhǎng)越長(zhǎng)。近年來(lái)，利用光電轉(zhuǎn)換元件（Charge Coupled Device，CCD），即“電荷耦合元件”測(cè)量和監(jiān)測(cè)火焰溫度的方法受到越來(lái)越多的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外先后開(kāi)展了大量研究。CCD用于將鏡頭收集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)從而進(jìn)行進(jìn)一步處理。日本因其先進(jìn)的電子技術(shù)及對(duì)環(huán)保的強(qiáng)烈意識(shí)，最先在燃燒診斷中應(yīng)用了數(shù)字圖像處理技術(shù)。法國(guó)的Renier等通過(guò)CCD相機(jī)獲得物體表面圖像，隨后通過(guò)黑體爐標(biāo)定并利用輻射定律來(lái)得到輻射物體表面參數(shù)，同時(shí)他們將濾光片加在CCD相機(jī)前來(lái)提高系統(tǒng)的靈敏性并擴(kuò)大測(cè)溫范圍。我國(guó)生活垃圾焚燒火焰產(chǎn)生的固體顆粒物主要為炭黑顆粒和飛灰，火焰面內(nèi)部固體顆粒為炭黑顆粒，而飛灰主要彌散在火焰面外部。炭黑顆粒相較于飛灰具有更小的結(jié)構(gòu)尺寸，意味著其擁有更大的比表面積，即更大的輻射表面積，進(jìn)而擁有更強(qiáng)的發(fā)射輻射能力。因此生活垃圾焚燒火焰連續(xù)光譜強(qiáng)度主要由其中的炭黑顆粒主導(dǎo)。生活垃圾焚燒后氣體產(chǎn)物如H2O、CO2、CO、NO等物質(zhì)的發(fā)射光譜多分布在近紫外和遠(yuǎn)紅外區(qū)域，而在λ為0.5～0.9 μm波段上很少有發(fā)射光譜存在，對(duì)于本系統(tǒng)的測(cè)溫效果幾乎沒(méi)有干擾。因此，在λ=0.5～0.9 μm波段上炭黑顆粒可被認(rèn)為是火焰發(fā)射輻射的主導(dǎo)者，進(jìn)而將生活垃圾焚燒火焰輻射特性的研究轉(zhuǎn)變?yōu)槠渲刑亢陬w粒輻射特性的研究。而垃圾焚燒爐內(nèi)測(cè)量區(qū)域的火焰及煙氣溫度基本在700～1 200 ℃，對(duì)應(yīng)的黑體絕對(duì)溫度在973～1 473 K（圖5），此溫度下黑體輻射最強(qiáng)的波段集中在短波區(qū)域，因此為適應(yīng)垃圾焚燒爐的特性需要采取短波高溫?zé)岢上駜x。綜上所述，最終本系統(tǒng)選取的CCD響應(yīng)光譜范圍在0.4～1.0 μm，其中0.4～0.8 μm為可見(jiàn)光圖像， 0.8～1.0 μm的近紅外光用于測(cè)溫。對(duì)于垃圾焚燒來(lái)說(shuō)，在0.4～1.0 μm波長(zhǎng)區(qū)間主要存在的化學(xué)發(fā)光來(lái)自于Na、K、Rb等堿金屬的特征譜線，而這些譜線的波長(zhǎng)大都≤0.8 μm，所以對(duì)用于測(cè)溫的0.8～1.0 μm波段影響較小。針對(duì)垃圾焚燒應(yīng)用環(huán)境存在爐溫波動(dòng)大、閾值范圍廣的現(xiàn)象，可以通過(guò)軟件對(duì)爐內(nèi)溫度閾值進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警、低溫報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)爐內(nèi)局部的“熱點(diǎn)”溫度過(guò)高或者局部爐溫降低時(shí)，分別通過(guò)降風(fēng)、減料和增風(fēng)、加料等操作來(lái)改善爐內(nèi)工況。某項(xiàng)目單臺(tái)750 t/d焚燒爐紅外成像畫(huà)面見(jiàn)圖6。因紅外探頭由焚燒爐后拱俯視爐內(nèi)，所呈現(xiàn)的畫(huà)面并非為整體的火焰鋒面，而是分散的柱狀火焰。同區(qū)域火焰亮度、高度有明顯差異。相比爐膛火焰監(jiān)視器呈現(xiàn)的豎直火焰鋒面在縱向深度上有更為廣泛的視角跨度。圖6 紅外熱成像系統(tǒng)顯示畫(huà)面圖6中所示藍(lán)色方框區(qū)域內(nèi)綠色數(shù)字為該點(diǎn)區(qū)域?qū)?yīng)的火焰實(shí)時(shí)溫度，該畫(huà)面選取了12個(gè)紅外溫度測(cè)點(diǎn)。圖6中第1行、第2行測(cè)點(diǎn)溫度值均在1 000 ℃以上，第3行溫度基本在950 ℃左右，第4行溫度在900 ℃左右。第2行的第3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度最高，為1 204 ℃，所在測(cè)點(diǎn)位置的火焰也最為光亮刺眼，系統(tǒng)隨之發(fā)出了報(bào)警提示，溫度數(shù)字由綠色變?yōu)榧t色。由實(shí)例可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)反饋溫度值與實(shí)際的火焰狀況可以正確關(guān)聯(lián)。對(duì)應(yīng)的紅外熱成像系統(tǒng)探頭安裝示意如圖7所示。紅外探頭安裝在焚燒爐后拱，開(kāi)孔位置與鍋爐后墻延長(zhǎng)線的距離為H（m），開(kāi)孔傾角與焚燒爐后拱平面夾角為G（°），有效視場(chǎng)角為F（°）。圖７中黃色填充的三角形區(qū)域代表正常燃燒火焰，其中標(biāo)注高度2.5 m的區(qū)域?yàn)槿紵挝膊炕鹧?。因安裝在鍋爐后拱采用俯視角度，可避開(kāi)燃燒段尾部火焰鋒面，測(cè)量到燃燒段中部、前部區(qū)域火焰狀態(tài)和溫度?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片見(jiàn)圖8。圖8 紅外熱成像探頭安裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片1）優(yōu)勢(shì)特性分析。一是視角寬廣。紅外熱成像探頭安裝在焚燒爐后拱，以俯視的角度觀察燃燒段整段區(qū)域和燃燼段前部區(qū)域。二是技術(shù)先進(jìn)。紅外攝像儀系統(tǒng)由紅外攝像機(jī)、紅外耐高溫防腐蝕鏡頭、耐高溫防腐蝕防護(hù)罩組成，整體滿(mǎn)足耐高溫防腐蝕的要求；紅外高溫成像系統(tǒng)采用先進(jìn)算法，通過(guò)基于PC設(shè)計(jì)的圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器處理后，形成實(shí)時(shí)溫度和可視圖像。三是靈活度高。這種先進(jìn)的雙波長(zhǎng)成像系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的組合，使操作員能夠清晰地觀察燃燒區(qū)域的燃燒狀況，并能同時(shí)監(jiān)測(cè)爐排上方任意感興趣區(qū)域的溫度。系統(tǒng)分辨率為1 440 × 1 080，響應(yīng)時(shí)間≤2 s，光圈（F數(shù)）為1.6，焦距為2.4 mm，漸暈系數(shù)＜3%。2）劣勢(shì)特性分析。安裝位置環(huán)境較差，存在鍋爐結(jié)焦。因?yàn)榘惭b位置在焚燒爐后拱，開(kāi)孔周?chē)鷾囟韧ǔＴ?00 ℃以上，在焚燒爐后拱開(kāi)孔洞壁上，煙氣流速降低，部分粉塵分離沉積下來(lái)，多數(shù)是沿著爐墻壁向下流動(dòng)，在鍋爐負(fù)荷不穩(wěn)的情況下，交替結(jié)成片層狀的焦塊，在自身重力的作用下脫落，當(dāng)高負(fù)荷、高煙溫時(shí)，疏松的焦塊還可能達(dá)到深度熔融狀態(tài)，爐膛溫度下降時(shí)再次凝結(jié)成更堅(jiān)固密實(shí)的焦塊。長(zhǎng)時(shí)間結(jié)焦會(huì)對(duì)紅外探頭的成像區(qū)域有一定程度的縮減。根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)觀察，以每次起爐時(shí)間開(kāi)始計(jì)算，6個(gè)月周期之后，因結(jié)焦造成的視野盲區(qū)比例約占總成像區(qū)域的10%～15%?，F(xiàn)階段處理結(jié)焦問(wèn)題的主要方式如下：①只是探頭前端鏡片輕微結(jié)焦，可以通過(guò)增加清焦結(jié)構(gòu)比如刮片來(lái)進(jìn)行清焦工作；②探頭前端爐墻位置結(jié)焦，焦體不只在鏡片上，此時(shí)可以通過(guò)結(jié)合空氣炮清理非附著在探頭表面的焦塊。除了上述兩種運(yùn)行中處理結(jié)焦的方式，每次停爐后進(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)行人工打焦工作也是極其有效和必要的。- 紅外熱成像管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)焚燒爐ACC系統(tǒng)相結(jié)合
ACC系統(tǒng)是以理論計(jì)算設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以鍋爐主蒸汽流量為核心控制目標(biāo)，以垃圾料層厚度、一次風(fēng)系統(tǒng)母管壓力、爐排下各風(fēng)室一次風(fēng)流量、燃燒和燃燼爐排上部溫度（熱灼減率）、氧氣濃度等參數(shù)為次要控制目標(biāo)，以垃圾熱值和占比動(dòng)態(tài)測(cè)量為給料量核算依據(jù)，通過(guò)改變給料量和供風(fēng)量的手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員的極少干預(yù)。其中供風(fēng)量的調(diào)整，主要閉環(huán)調(diào)節(jié)是以主蒸汽量的變化為最高權(quán)重。而溫度控制（燃燒和燃燼段上部熱電偶溫度變化值）作為輔助的閉環(huán)調(diào)節(jié)之一，權(quán)重占比較輕，約占5%～10%。
根據(jù)工藝設(shè)計(jì)和焚燒爐結(jié)構(gòu)，從燃燒段至燃燼段前部為垃圾的燃燒區(qū)域，爐排底部依次有4行風(fēng)室，即圖7中所示2、3、4和5行風(fēng)室，每行各有3列，共計(jì)12個(gè)風(fēng)室。按照前述的項(xiàng)目實(shí)例，圖6中的12個(gè)紅外溫度測(cè)點(diǎn)，可以得到依次對(duì)應(yīng)12個(gè)風(fēng)室上部的火焰圖像和燃燒溫度。在傳統(tǒng)ACC系統(tǒng)中，一次風(fēng)的理論供風(fēng)量主要依據(jù)垃圾熱值、垃圾占比、蒸發(fā)量設(shè)定值、鍋爐熱效率等參數(shù)計(jì)算得到，在得到理論計(jì)算值后，會(huì)根據(jù)鍋爐負(fù)荷、垃圾料層厚度、垃圾濕度、燃燒和燃燼段上部溫度等參數(shù)的波動(dòng)對(duì)理論計(jì)算值進(jìn)行修正。其中溫度參數(shù)是由安裝在焚燒爐墻兩側(cè)的熱電偶反饋而來(lái)，爐溫?zé)犭娕嫉拈L(zhǎng)度一般為1.0~1.3 m，除去爐墻壁厚，熱電偶露出爐內(nèi)的長(zhǎng)度一般在250 mm左右，熱電偶材質(zhì)為鎳鉻-鎳硅，熱電偶前端耐磨頭長(zhǎng)度為250～300 mm，耐磨頭材質(zhì)為鈷60。由于能夠反饋的溫度只能是熱電偶周?chē)鷾囟?，因此?huì)造成3點(diǎn)限制：①測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，若熱電偶數(shù)量增加，鍋爐開(kāi)孔數(shù)量也要隨之上升，通常燃燒和燃燼區(qū)域安裝熱電偶數(shù)量為4～6支；②耦合性較高，抗干擾能力較低，其中的溫度修正系數(shù)雖然權(quán)重占比不大，但由于熱電偶數(shù)量有限，其單一溫度值對(duì)整體其他區(qū)域有連鎖影響，因此局部溫度與局部風(fēng)量無(wú)法一一獨(dú)立對(duì)應(yīng)；③準(zhǔn)確性存在衰減，熱電偶的原理是溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)二次儀表呈現(xiàn)被測(cè)介質(zhì)溫度。而隨著磨損、腐蝕的加重，其準(zhǔn)確性也逐漸衰減。其中鎳硅合金中的硅和鎳的優(yōu)先氧化是引起鎳鉻-鎳硅熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)超差、準(zhǔn)確性降低的主要原因。根據(jù)上述內(nèi)容，我們?cè)诘玫嚼碚撚?jì)算風(fēng)量之后，針對(duì)每一段風(fēng)室進(jìn)行獨(dú)立的風(fēng)量修正。圖9中：M為對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)溫度設(shè)定值（℃）；H為垃圾層厚度偏差百分比（%）；P為對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)溫度實(shí)時(shí)反饋值（℃）；K為對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)溫度變化率（℃/min）；√￣為速度變化率高低限范圍（℃/min）；LCUT為低切保護(hù)模塊（℃）；LAG為高階濾波模塊（℃）；A為理論計(jì)算風(fēng)量（m3/h）；B為實(shí)際輸出計(jì)算風(fēng)量（m3/h）。
如圖9所示，X區(qū)域?qū)崟r(shí)反饋溫度經(jīng)過(guò)低切保護(hù)模塊LCUT和濾波模塊LAG后，與預(yù)設(shè)值M進(jìn)行比較，計(jì)算的差值進(jìn)入溫度-風(fēng)量折算函數(shù)F（x）。同時(shí)根據(jù)溫度上升和下降的速度變化率K，對(duì)函數(shù)的輸出速率進(jìn)行擾動(dòng)，改變其響應(yīng)速度。首先X區(qū)域的理論計(jì)算風(fēng)量是耦合前原有ACC系統(tǒng)通過(guò)垃圾熱值、垃圾占比、鍋爐蒸發(fā)量、氧氣含量、鍋爐焓值等一系列參數(shù)計(jì)算出來(lái)的爐排下一次風(fēng)支管風(fēng)量，是實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)數(shù)值，而X區(qū)域的溫度預(yù)設(shè)值M與反饋值P的差值反映的是X區(qū)域內(nèi)垃圾焚燒過(guò)于劇烈，還是處于未完全燃燒狀態(tài)。因?yàn)槔贌^(guò)程的復(fù)雜性，可以做出以下關(guān)系函數(shù)：一方面在爐內(nèi)垃圾層厚度等于或大于理論的標(biāo)準(zhǔn)厚度前提下，當(dāng)X區(qū)域溫度M大于P則風(fēng)量減少，當(dāng)X區(qū)域溫度M小于P則風(fēng)量增加，當(dāng)X區(qū)域溫度M等于P則保持原有ACC計(jì)算風(fēng)量不變，此時(shí)選擇公式F1（x）內(nèi)部函數(shù)；另一方面在爐內(nèi)垃圾層厚度小于標(biāo)準(zhǔn)厚度前提下，此時(shí)判斷料層過(guò)薄，風(fēng)量太大容易出現(xiàn)燒空、燒斷料的情況，因此當(dāng)M與P的差值為正數(shù)或負(fù)數(shù)時(shí)都會(huì)適當(dāng)減少風(fēng)量，但根據(jù)溫度的高或低對(duì)應(yīng)減少風(fēng)量的幅度會(huì)不同，此時(shí)利用F2（x）內(nèi)部函數(shù)。12個(gè)溫度劃分區(qū)域都基于此耦合邏輯，具體設(shè)定參數(shù)適時(shí)調(diào)整。通過(guò)干擾獨(dú)立配風(fēng)的風(fēng)量，達(dá)到改變整個(gè)焚燒爐一次風(fēng)風(fēng)量的效果。- 判斷標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)行效果
生活垃圾焚燒爐的排放物在滿(mǎn)足GB 18485—2014 生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，為保障焚燒爐的長(zhǎng)期安全運(yùn)行、汽機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)，通常通過(guò)爐溫和主蒸汽流量這兩個(gè)因素來(lái)判斷鍋爐運(yùn)行是否良好。以下工況為某項(xiàng)目單臺(tái)750 t/d生活垃圾焚燒爐在紅外熱成像管理系統(tǒng)應(yīng)用前、應(yīng)用后兩段時(shí)期的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，以此實(shí)例來(lái)解析該系統(tǒng)的運(yùn)行效果。該項(xiàng)目額定主蒸汽流量為74 t/h。如圖10所示，藍(lán)色實(shí)線為耦合前24 h變化率波動(dòng)范圍，紅色實(shí)線為耦合后24 h變化率波動(dòng)范圍。爐溫變化率指的是焚燒爐上、中、下3層共計(jì)9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的熱電偶反饋溫度在每分鐘內(nèi)升高或降低的溫度值，而溫度變化率波動(dòng)范圍指的是單位時(shí)間內(nèi)溫度變化率最高值與最低值之間的溫度差，該差值越大表明爐溫波動(dòng)越大，即工況越不穩(wěn)定，波動(dòng)范圍越小表明工況越平穩(wěn)。此期間溫度也一直未低于環(huán)保部要求的最低限（850 ℃/2 s），均介于950～1 050 ℃。焚燒爐主蒸汽流量曲線如圖11所示，左側(cè)縱坐標(biāo)為主蒸汽流量，額定蒸發(fā)量74 t/h。圖中藍(lán)色實(shí)線為紅外熱成像系統(tǒng)與ACC系統(tǒng)耦合前24 h的主蒸汽流量曲線，紅色虛線為紅外熱成像系統(tǒng)與ACC系統(tǒng)耦合后24 h的主蒸汽流量曲線。表1中參數(shù)可以計(jì)算出耦合前后焚燒爐爐溫波動(dòng)范圍相對(duì)縮減了24.5%，焚燒爐爐溫均值提高了1.2%，蒸發(fā)量波動(dòng)幅度縮減了3個(gè)百分點(diǎn)，主蒸汽流量提高了1.4 t/h。經(jīng)過(guò)對(duì)主要運(yùn)行參數(shù)的定量分析，可以看出結(jié)合了紅外熱成像系統(tǒng)的ACC系統(tǒng)在功能性和穩(wěn)定性上有顯著提升。表1 重要運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)基于目前紅外熱成像管理系統(tǒng)的功能，正在逐步進(jìn)行焚燒爐溫度場(chǎng)重構(gòu)工作，對(duì)于紅外探頭收集的大量溫度點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并進(jìn)行紅外溫度顯示。傳感器擁有1 440×1 080個(gè)像素，其中每個(gè)像素都有對(duì)應(yīng)的溫度值，該溫度值隨著目標(biāo)溫度的變化在800~1 600 ℃對(duì)應(yīng)變化，那么我們就可以將800~1 600 ℃這個(gè)范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)映射到顏色空間中特定的彩色序列，只要在程序中明確規(guī)定溫度和顏色之間的映射函數(shù)和映射表即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的偽彩顯示，即熱像圖的形式。這樣可為運(yùn)行人員提供更為直觀、立體的參考依據(jù)，待溫度場(chǎng)重構(gòu)系統(tǒng)成熟后，再與ACC系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)一步提高全廠的自動(dòng)化程度。紅外熱成像管理系統(tǒng)在生活垃圾焚燒控制領(lǐng)域，與傳統(tǒng)ACC系統(tǒng)經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)、安裝、邏輯耦合后，對(duì)焚燒自動(dòng)化有以下幾個(gè)方面的改變和提升。1）視野擴(kuò)大。改變探頭安裝位置后，成像角度由仰視變?yōu)楦┮?，拓寬了爐內(nèi)火焰視場(chǎng)角度?；鹧娉上裥螤钣伞耙幻婊饓Α?提升為“一片火?！?。在具備最基本的“遠(yuǎn)程看火”功能前提下，為運(yùn)行人員提供更強(qiáng)有力的參考依據(jù)。2）測(cè)溫準(zhǔn)確。紅外熱成像原理相比傳統(tǒng)光學(xué)成像原理，增加了溫度反饋功能。利用軟件管理系統(tǒng)，將溫度信號(hào)解析，并與實(shí)際區(qū)域一一對(duì)應(yīng)。3）靈活性高。溫度測(cè)點(diǎn)的選定可通過(guò)管理軟件任意選擇，調(diào)試結(jié)束后仍可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)置和改變。4）耦合性強(qiáng)。紅外熱成像管理系統(tǒng)除現(xiàn)有功能外更像是一個(gè)平臺(tái)，可以對(duì)現(xiàn)有溫度參數(shù)和火焰狀態(tài)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步提升和利用，例如正在進(jìn)行的溫度場(chǎng)成像功能優(yōu)化和升級(jí)工作。5）效益提升。紅外熱成像管理系統(tǒng)融入ACC系統(tǒng)后，對(duì)焚燒爐溫度、鍋爐主蒸汽流量的穩(wěn)定性有顯著提升。對(duì)減少運(yùn)行人員工作量、增加產(chǎn)汽量、發(fā)電量等焚燒廠經(jīng)濟(jì)效益方面有不同程度提升。
撰稿：原文作者
責(zé)任編輯：王雅楠
博士，上?？岛悱h(huán)境股份有限公司董事長(zhǎng)兼首席科學(xué)家、國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家、浙江大學(xué)校外導(dǎo)師、華中科技大學(xué)兼職教授、重慶大學(xué)名譽(yù)教授、福岡大學(xué)客座教授。1994年獲日本東京農(nóng)工大學(xué)博士學(xué)位，1998年任原國(guó)家教委“春暉計(jì)劃”海外環(huán)保專(zhuān)家，1999年獲日本技術(shù)士資質(zhì)（衛(wèi)生工學(xué)和綜合技術(shù)監(jiān)理，NO.40558），2017年入選上海市領(lǐng)軍人才?，F(xiàn)為國(guó)家發(fā)改委及財(cái)政部PPP專(zhuān)家，住建部科技委城市環(huán)境衛(wèi)生專(zhuān)委會(huì)委員和可持續(xù)發(fā)展與資環(huán)專(zhuān)委會(huì)委員、中國(guó)城市環(huán)衛(wèi)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。專(zhuān)注垃圾焚燒發(fā)電與污染物控制技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用近30年。近5年來(lái)，作為負(fù)責(zé)人先后承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、上海市服務(wù)業(yè)發(fā)展引導(dǎo)資金項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲得授權(quán)專(zhuān)利151項(xiàng)，其中發(fā)明專(zhuān)利14項(xiàng)。發(fā)表各類(lèi)學(xué)術(shù)論文50多篇，參編著作4部。參與編制或修編標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范9項(xiàng)。
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