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三維溫度場技術(shù)交流2015409第一頁,共39頁。目錄第一部分三維溫度場可視化在線監(jiān)測技術(shù)簡介第二部分三維溫度場可視化在線監(jiān)測技術(shù)原理第三部分茂名乙烯裂解爐三維溫度場監(jiān)控系統(tǒng)第二頁,共39頁。工業(yè)爐優(yōu)化運(yùn)行的瓶頸在實際運(yùn)行中,工業(yè)爐運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性及自動化水平的進(jìn)一步提高仍受到一些關(guān)鍵技術(shù)問題的制約。缺乏爐內(nèi)三維燃燒工況實時在線檢測技術(shù),這是一項世界性的難題。現(xiàn)有的燃燒檢測技術(shù),如熱電偶、紅外高溫計及熱像儀、基于激光的燃燒診斷技術(shù)等,均不能實現(xiàn)爐內(nèi)燃燒溫度場的在線測量。目前世界上已投入商業(yè)應(yīng)用的基于聲波法的爐內(nèi)斷面(二維)溫度場在線監(jiān)測技術(shù),對劇烈變化的瞬態(tài)燃燒工況檢測能力不足,也不能實現(xiàn)爐內(nèi)三維溫度場的在線檢測,同時對物體表面(例如爐管和爐壁)溫度的測量也無能為力。第三頁,共39頁。

常用燃燒火焰溫度測量方法:在管式工業(yè)爐中,目前大多采用聲學(xué)法和圖像法進(jìn)行火焰溫度測量第四頁,共39頁??傮w技術(shù)思路本項目采用火焰輻射圖像處理技術(shù)作為主要手段,充分挖掘火焰輻射圖像中攜帶的爐內(nèi)高溫燃燒輻射能量分布及其傳遞信息,從而建立燃燒溫度場在線檢測技術(shù),并進(jìn)一步提煉用于爐內(nèi)燃燒優(yōu)化控制的燃燒火焰輻射能概念。1、爐內(nèi)火焰溫度場如何影響輻射成像?需要建立定量模型2、如何從火焰圖像中重建出爐內(nèi)三維溫度場?3、如何將火焰圖像處理信息反饋到加熱爐燃燒及運(yùn)行優(yōu)化控制?爐內(nèi)燃燒第五頁,共39頁。本項技術(shù)應(yīng)用多學(xué)科知識的交叉融合,提出了獨(dú)特的火焰溫度圖像檢測方法,建立了爐內(nèi)火焰輻射能量和溫度成像模型,提出了改進(jìn)的

正則化方法重建三維溫度場的算法,從而創(chuàng)立了爐膛燃燒三維溫度場實時可視化監(jiān)測技術(shù)??傮w技術(shù)思路第六頁,共39頁。對三維溫度場可視化技術(shù)鑒定評價中國工程院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)秦裕琨教授等鑒定認(rèn)為:“在用輻射圖象處理檢測實際鍋爐爐內(nèi)三維溫度分布方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平”;第七頁,共39頁。8主要研究論文及專著出版專著2005年,本研究成果在國家自然科學(xué)基金委員會資助下,在科學(xué)出版社出版《爐內(nèi)火焰可視化檢測原理與技術(shù)》。這是國內(nèi)外唯一的一部電站鍋爐/工業(yè)爐窯燃燒三維溫度場可視化檢測技術(shù)方面的專著。發(fā)表論文及專題特邀報告2003-2007年,周懷春教授應(yīng)邀在亞太國際燃燒會議等國際學(xué)術(shù)會議上作燃燒可視化監(jiān)控研究專題特邀報告3次。第八頁,共39頁。10thEuropeanConferenceonIndustrialFurnacesandBoilersInternationaljournalofThermalSciences(SCI)第九頁,共39頁。第二部分三維溫度場可視化在線監(jiān)測技術(shù)原理第十頁,共39頁。爐內(nèi)三維溫度場實時監(jiān)測

創(chuàng)建立了爐內(nèi)火焰輻射溫度成像模型火焰二維溫度圖像爐內(nèi)三維溫度分布第十一頁,共39頁。

提出正則化三維溫度場重建算法溫度場可視化處理過程:1、采集圖像,從圖像中計算二維溫度圖像Tm2、矩陣B與向量Tm

相乘,得到三維溫度場T

刷新時間:2-5秒之內(nèi)爐內(nèi)三維溫度場實時監(jiān)測第十二頁,共39頁。燃燒火焰溫度和黑度檢測圖像探測器的標(biāo)定實際檢測前必須經(jīng)過黑體爐嚴(yán)格標(biāo)定,得到單色輻射IR和IG同圖像的R和G值之間的關(guān)系,以及溫度(K)與其黑體圖像的紅色R0之間的關(guān)系:

計算標(biāo)定第十三頁,共39頁。圖像探測器的標(biāo)定第十四頁,共39頁。圖像探測器的標(biāo)定1173K1273K1373K1473K第十五頁,共39頁。

輻射圖像處理三維溫度場可視化重建過程火焰原始圖像火焰二維溫度圖像爐內(nèi)三維溫度分布第十六頁,共39頁?;谳椛淠茏畲蟮臓t內(nèi)風(fēng)量和氧量優(yōu)化控制策略

控制原理工業(yè)爐燃燒優(yōu)化控制的直接目標(biāo)是調(diào)節(jié)最佳風(fēng)量與燃料量相適應(yīng),使?fàn)t內(nèi)熱效率達(dá)到最佳;氧量和爐內(nèi)熱效率實時準(zhǔn)確監(jiān)測的困難是爐內(nèi)效率實時優(yōu)化的困難所在使輻射能信號達(dá)到最佳的風(fēng)量能夠使相同的燃料在爐內(nèi)釋放出最多的熱量。本項技術(shù)構(gòu)造了根據(jù)輻射能變化趨勢在線調(diào)節(jié)風(fēng)量、使?fàn)t內(nèi)效率達(dá)到最佳的搜索策略在達(dá)到相當(dāng)?shù)妮^高爐內(nèi)熱效率的條件下(A-B區(qū)域),進(jìn)一步將風(fēng)量控制在風(fēng)量較少的區(qū)域(A-C區(qū)域),能夠同時達(dá)到抑制氮氧化物排放的目的第十七頁,共39頁。第三部分茂名乙烯裂解爐三維溫度場監(jiān)控系統(tǒng)第十八頁,共39頁。

USC-80U型裂解爐采用美國斯通-韋伯斯公司專利技術(shù),爐管設(shè)計為U型,主要裂解原料為石腦油。USC-80U型裂解爐的整體布置為2個輻射段共用1個對流段。每個輻射室底部有16臺燃燒器,分兩列布置。第十九頁,共39頁。每臺爐的48根USC“U”型爐管沿滬膛中心線安裝成一排。對每個輻射段,物料基本走向為“上進(jìn)上出”。在第一管程內(nèi),氣態(tài)物料從橫跨管出來自輻射室的頂部進(jìn)入輻射段,接著向下,經(jīng)過U型彎管從而進(jìn)入第二管程。在第二管程內(nèi),物料以自下向上的方向流動。對流段處于2個輻射段的正上方,目的是回收來自輻射段的煙道氣中的熱量。第二十頁,共39頁。圖像處理燃燒監(jiān)控技術(shù)思路第二十一頁,共39頁。第二十二頁,共39頁。第二十三頁,共39頁。裂解爐溫度場分布第二十四頁,共39頁。裂解爐溫度場分布第二十五頁,共39頁。第二十六頁,共39頁。裂解爐溫度場分布第二十七頁,共39頁。裂解爐溫度場分布第二十八頁,共39頁。光譜儀溫度和黑度檢測系統(tǒng)第二十九頁,共39頁。光譜儀溫度和黑度檢測系統(tǒng)第三十頁,共39頁。最大溫差<2%第三十一頁,共39頁。燃燒器調(diào)整實驗(a)調(diào)整前(b)左邊風(fēng)門開大(c)左邊風(fēng)門復(fù)原,右邊風(fēng)門開大調(diào)整前左邊溫度高于右邊,最高溫度1007℃;左邊風(fēng)門開大,溫度升高到1015℃;右邊風(fēng)門開大,高溫區(qū)右移,最高溫度1026℃。第三十二頁,共39頁。

通過三維溫度場系統(tǒng)測得的輻射能變化與COT變化趨勢的對比,可以看到開大左側(cè)風(fēng)門(100-125時),輻射能先上升,緊接著COT也開始上升。COT上升略有延遲,這與裂解氣的停留時間以及煙氣導(dǎo)熱時間差有關(guān)?;謴?fù)左側(cè)風(fēng)門開大右側(cè)風(fēng)門(125-200時),輻射能先降后升,COT也隨之先下降后上升。200以后風(fēng)門恢復(fù)原狀,COT也下降恢復(fù)到調(diào)整前溫度。輻射能變化與COT變化趨勢對比第三十三頁,共39頁。通過燃燒調(diào)整期間輻射能變化與燃料量變化趨勢的對比,可以看到輻射能的變化基本符合燃料量的變化趨勢,值得注意的是在開大左風(fēng)門和開大右風(fēng)門期間,有一個階段輻射能處于同樣的水平,但是燃料量卻不一致,說明燃料量的調(diào)整有富余。這也告訴我們以后裂解爐的調(diào)整應(yīng)該主要調(diào)風(fēng),從這段燃燒調(diào)整數(shù)據(jù)可以看到,2108.2kg/h的燃料量與2090.3kg/h的燃料量產(chǎn)生的輻射能一樣,那也就是說如果要維持一樣的輻射能我們可以節(jié)約燃料氣17.9kg/h。輻射能變化與燃料量變化趨勢對比第三十四頁,共39頁?;谌S溫度場的產(chǎn)物收率分布爐管表面熱流分布總換熱系數(shù)物料換熱系數(shù)壓降方程第三十五頁,共39頁。石腦油裂解分子反應(yīng)動力學(xué)模型基于三維溫度場的產(chǎn)物收率分布第三十六頁,共39頁。物料各參數(shù)分布圖基于三維溫度場的產(chǎn)物收率分布最大誤差<4%第三十七頁,共39頁。三維溫度場系統(tǒng)的預(yù)期功能和后續(xù)展望

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