CN103423763A - 一种修正辐射能信号静态偏差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种修正辐射能信号静态偏差的方法，它属于火力发电厂锅炉燃烧监测及控制技术。首先驱动视频采集卡完成火焰图像的采集并提取各像素点RGB颜色信息；利用R值大小判断探测器结焦状态；其次利用相关性系数判断探测器积灰状态；统计有效探测器数目及编号，提取有效探测器的辐射能信号并作比例修正；最后对所有有效探测器的辐射能信号取平均后滤波输出。运行结果表明，使用本发明的方法修正后的辐射能信号能够消除探测器积灰、结焦、零点漂移和锅炉积灰、结焦等运行性能变化因素引入的辐射能信号静态偏差，提供一个可靠性强、准确、稳定的辐射能信号，有效反映炉膛火焰的脉动性，保证辐射能控制***的连续使用。

Description

一种修正辐射能信号静态偏差的方法

技术领域

本发明涉及火力发电厂锅炉燃烧监测及控制技术领域，尤其涉及准确反映燃煤火电机组不同负荷下所需炉内燃烧能量水平的一种修正辐射能信号静态偏差的方法。

背景技术

目前，现有技术中提出一种基于辐射成像的电站燃煤锅炉炉内燃烧火焰辐射信号检测方法和技术，该项技术使用4-20支耐高温火焰探测器安装在煤粉燃烧锅炉上，连续拍摄炉内火焰图像，从中提取燃烧辐射能信号用于火电机组燃烧优化控制，取得了一定的控制效果，周怀春、娄新生、尹鹤龄等“采用辐射能信号的电站锅炉燃料调节对象建模及控制仿真研究”（中国电机工程学报,2001,21(2):85-88）；张师帅、周怀春、黄勇理等，“采用辐射能反馈信号的火电机组负荷控制***仿真研究”（中国电机工程学报,2001,21(2):85-88）；张师帅、周怀春、彭敏等，“基于炉膛辐射能信号的电站燃煤机组燃烧控制研究”（中国电机工程学报,2002,22(11):156-160）；周怀春，“炉内火焰可视化检测原理与技术”（科学出版社,2005年5月）。该控制技术的关键在于辐射能信号的提取，罗自学、杨超、周怀春等提出“炉膛辐射能信号的提取机理及其应用研究”（动力工程,2005,25(3)：374-377）。

相关研究中报道了一些辐射能计算方法。哈工大的于达仁等对辐射能信号进行频谱分析，利用互补FRF(频率响应函数)对辐射能信号进行修正（于达仁、范轶、徐志强，“炉膛辐射能信号和热量信号的信息融合方法”,中国电机工程学报,2003，23（4）：158-161,171）；浙江大学常瑞丽等利用频谱分析的方法计算炉膛辐射能，计算方法较为复杂，实际应用困难（常瑞丽、王飞、黄群星等，煤粉炉内辐射能信号光谱分布特性试验研究，发电设备，2006，No.2）；杨大锚等采用黑体炉标定的方法对炉膛辐射能进行了理论分析及试验研究，未投入工程应用(杨大锚、刘禾、李晟，“炉内辐射能的测量理论分析与试验研究”，现代电力，2006，23(4)):53-56)；罗自学等(罗自学、杨超、周怀春，“炉膛辐射能信号的提取机理及其应用研究”，动力工程, 2005,25(3):374-377)研究了一种基于图像灰度值的辐射能信号提取方法，通过计算所有像素点的灰度值并归一化得到炉膛三维空间的平均灰度值，该信号提取简单、快速，已经在工程实际中得到应用，但该信号受图像质量影响较大。 

综上所述，辐射能信号能够快速准确反映炉膛空间燃烧状况，与机组的关联性强。但是信号不稳定，脉动大，可靠性差，特别是在燃用高灰分煤种锅炉中，探测器镜头处的积灰及结焦将会极大干扰辐射能信号计算的准确性。探测器在使用过程中，结焦遮挡、镜头处积灰、镜片变色等都会对辐射能信号的准确采集产生影响，这里我们将该类影响统称为静态偏差。静态偏差无法直接通过图像辨别出来，其变化缓慢，偏差逐步积累，最终将导致数据的完全失真，引起控制器的误动作，影响辐射能信号控制***的稳定性。 

辐射能信号用于燃烧控制的基础是将其作为炉内燃烧过程释放能量的一种在线检测技术(周怀春，炉内火焰可视化检测原理与技术,科学出版社,2005年5月,pp.306-309)。除了前述探测器器镜头处的积灰及结焦等因素影响辐射能信号正确反映炉内燃烧过程释放的能量水平之外，锅炉本身长期运行后出现的性能变化，例如炉管长期运行后由于材质变化、炉内积灰及结焦等因素导致的锅炉传热性能下降，使得机组相同负荷水平下炉内辐射能水平上升，这时，不同负荷下炉内理想辐射能水平发生了变化，如果沿用锅炉性能发生变化之前的不同负荷下炉内理想辐射能信号水平控制炉内燃烧，就会发生过高估计炉内能量水平、发出减少炉内能量供应量（通过燃料和风）的错误指令。 

因此，为保证辐射能信号检测和控制***的连续、正确运用，必须对探测器的静态偏差进行修正。修正辐射能信号的脉动及静态偏差，需要解决以下三个问题：一、建立辐射能信号的基准值（静态值）；二、探测器积灰和结焦状态的准确判断；三、修正探测器因安装位置、光圈、快门速度等不同所带来的个体差异。 

借助PD 控制器的思想，利用机组实发功率计算辐射能信号静态值，对测量得到的辐射能信号引入一个相关性系数判断环节和一个比例系数修正环节，消除探测器积灰、结焦、零点漂移等引入的静态偏差。

发明内容

     本发明的目的在于消除探测器粘灰、结焦、零点漂移等探测器因素、锅炉积灰、结焦等运行性能变化因素引入的辐射能信号静态偏差，提供一个可靠性强、准确、稳定的辐射能信号参与机组燃煤量及风量控制，提高燃烧经济性。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种修正辐射能信号静态偏差的方法，具有如下步骤：

S100.驱动视频采集卡完成火焰图像的采集并提取各像素点RGB颜色信息；

S200.利用上述图像中有效像素点数目判断探测器结焦状态；利用相关性系数判断探测器积灰状态；统计有效探测器数目及编号，提取有效探测器的辐射能信号并作比例修正；

S300.对所有有效探测器的辐射能信号取平均后滤波输出。

步骤S200中所述的判断探测器结焦状态的步骤为：S201.选定探测器图像中部区域作为监视窗；S202.统计所述监视窗内部有效像素点个数；S203.将所述有效像素点个数与预定阀值作比较，达到所述预定阀值的设为有效探测器。探测器镜头处结焦后，图像被遮挡完全变黑，各像素点R值迅速减小，可通过设定R值的阀值来确定探测器结焦的状态。

步骤S200中所述探测器积灰状态判断依据辐射能信号与机组实发功率信号之间的相关性系数，所述探测器经计算所得的相关性系数小于预定阀值时该探测器置为无效。相关性系数是衡量两个随机变量之间线性相关程度的指标，当探测器镜头处积灰时，采集的辐射能信号会逐渐减小，呈现出与正常辐射能信号不一致的变化趋势，具体表现为与机组实发功率信号之间的相关性系数减小。计算每个探测器的辐射能信号与机组实发功率信号之间的相关性系数D，通过设定D值的阀值来确定探测器积灰的状态。

步骤S200中所述比例修正依据机组实发功率信号与辐射能信号之间的相关性，采用所述机组实发功率信号计算所述辐射能信号的静态值，所述静态值除以最近的有效能数据得到比例因子。为修正探测器因安装位置、光圈、快门速度等不同所带来的个体差异，修正辐射能信号因镜头积灰结焦引入的静态偏差，对每个探测器采集的辐射能信号进行比例P修正。采用机组实发功率信号来计算辐射能信号的静态值，除以当前时刻前一段时间（一般为1小时）内的有效辐射能数据来获得P因子，修正当前时刻采集的辐射能信号。采用这个修正方法，也是克服锅炉积灰、结焦等运行性能变化因素对与负荷相对应的理想辐射能水平的正确判断发生影响的方法。即使炉管长期运行后由于材质变化、炉内积灰及结焦等因素导致的锅炉传热性能下降，使得机组相同负荷水平下炉内辐射能水平上升，这时，采用机组实发功率信号来计算辐射能信号的静态值，除以当前时刻前一段时间内的有效辐射能数据来获得P因子，修正当前时刻采集的辐射能信号，就能保证负荷相同时修正辐射能信号不变，就不会发生过高估计炉内能量水平、发出减少炉内能量供应量（通过燃料和风）的错误指令。

本发明的有益效果是：能够消除探测器积灰、结焦、零点漂移和锅炉积灰、结焦等运行性能变化因素引入的辐射能信号静态偏差，提供一个可靠性强、准确、稳定的0辐射能信号，有效反映炉膛火焰的脉动性，保证辐射能控制***的连续使用。

附图说明

图1为本发明一种修正辐射能信号静态偏差的方法的流程图； 

图2为某支正常工作的探测器采集到的辐射能信号图。

图3为与图2相对应的机组实发功率信号图。

图4为某支结焦状态的探测器采集到的辐射能信号图。

图5为与图4相对应的机组实发功率信号图。

图6为某支积灰状态的探测器采集到的辐射能信号图。

图7为与图5相对应的机组实发功率信号图。

图8为修正前辐射能信号图。

图9为与图8相对应的修正前机组实发功率图。

图10为修正后辐射能信号图。

图11为与图10相对应的修正后机组实发功率图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施过程，本发明提供一种准确反映燃煤火电机组不同负荷下所需炉内燃烧能量水平的辐射能信号静态偏差修正方法，其流程如图1所示，其步骤为：

首先驱动 SDK2000视频采集卡完成火焰图像的采集，提取各像素点RGB颜色信息。然后利用R值大小判断探测器结焦状态，利用相关性系数判断探测器积灰状态，对无效的探测器信号予以剔除，统计有效探测器数目及编号，提取有效探测器的辐射能信号并作比例修正。最后对所有有效探测器的辐射能信号取平均后滤波输出。如图2-3所示，为某支正常工作的探测器采集到的辐射能信号与机组实发功率信号关系图，横坐标为时间，纵坐标分别为辐射能数据及实发功率数据。 

1、判断探测器的结焦状态

探测器结焦判断的原理是根据图像中监视区域的R值大小来判断探测器是否受到结焦的遮挡。探测器安装区域结焦的过程是由四周向中间，因此图像被遮挡的过程也是四角先变黑然后中间变黑，基于此选定每幅探测器图像中部10*10的小区域为每个探测器的监视窗，统计该监视窗内部有效点的个数记为CountPixel，对像素点的有效性根据公式：

Foreach R(1,100) > R_TH                        (1)

来判断。只要监视窗内部有效点个数大于阀值C_TH（即CountPixel > C_TH）时，则根据公式：

      R_ar=∑R(1,CountPixel)/ CountPixel，

      G_ar =∑G(1, CountPixel)/ CountPixel，

      B_ar =∑B(1,CountPixel)/CountPixel             (2)

和公式：

               G=0.3* R_ar+0.59*G_ar+0.11*B_ar                 (3)

来计算该支探测器对应的RGB值和辐射能，否则将该探测器置为无效。有效探测器的状态信号Eflag置为1，无效探测器的状态信号Eflag置为0，用Enumber 统计所有有效探测器的数目。                      

式(1)中，Foreach 表示对100个像素点进行遍历，R表示遍历目标为像素点的R值，R_TH表示像素点R值有效的阀值，通过对历史数据的分析以及对机组功率的考虑，这里取R_TH=70。 

式(3)中，G表示探测器采集的辐射能信号。R_ar、G_ar、B_ar代表图像的颜色值。经验证，采用该公式计算的辐射能信号能实时反映炉膛空间内的燃烧强度，相比传统的辐射能信号计算方法，该方法计算简单，可靠度较高。

如图4-5所示，则为某支结焦状态的探测器采集到的辐射能信号与机组实发功率信号关系图，横坐标为时间，纵坐标分别为辐射能数据及实发功率数据。标记101处所示为探测器结焦状态。其监视窗内部有效点个数小于阀值，该探测器置为无效，探测器结焦后，辐射能信号迅速减小，焦块掉落后，辐射能信号恢复正常。

2、判断探测器的积灰状态

探测器积灰判断的依据是根据辐射能信号与机组实发功率信号之间的相关性系数D 来判断探测器是否受到灰尘的遮挡。当探测器正常工作时，其采集的辐射能信号与机组实发功率信号之间的相关性系数一般大于0.75（根据历史数据分析得到），如图2 所示；当探测器镜头积灰时，其采集的辐射能信号逐渐减小，变化趋势与功率信号开始出现差异，两者的相关性系数逐渐减小，当某个探测器计算出来的相关性系数D小于阀值D_TH时，该探测器置为无效。                                         

相关性系数计算中选取时间长度为1个小时，即对当前时刻点前1个小时的运行数据按照公式：

            Foreach  Eflag(1,T) = 1  CountHourGray++       (4)  

进行筛选。式(4)中，Eflag为每个探测器的状态信号，当探测器状态信号有效时，该数据点有效，进入修正数据队列，有效状态点个数CountHourGray加1。T为修正队列的时间尺度，这里将T取为3600s。筛选完成后，返回这3600s内有效时刻点的总个数CountHourGray，并记录每个有效时刻点对应的功率信号P和辐射能信号G。筛选完成后，按照公式：

         P_ar =∑P(1, CountHourGray)/ CountHourGray 

            G_ar =∑G(1, CountHourGray)/ CountHourGray       (5)

计算 1 个小时内的功率平均值P_ar和辐射能信号平均值G_ar。

相关性系数的计算公式为：

 D=∑{(P - P_ar)*(G - G_ar)} / { [∑(P - P_ar)²]^0.5*[∑(G - G_ar)²]^0.5}   (6)

，相关系数的绝对值一般在0.8以上时认为有强的相关性，0.3到0.8之间可以认为有弱的相关性，0.3以下认为没有相关性，因此D_TH取值0.3。

如图6-7所示，为某支积灰状态的探测器采集到的辐射能信号与机组实发功率信号关系图，横坐标为时间，纵坐标分别为辐射能数据及实发功率数据。标记102处所示为探测器积灰状态。探测器积灰后，辐射能信号与正常值存在偏差，探测器经计算所得的相关性系数小于阀值，该探测器置为无效。

3、探测器比例修正 

由于机组发电功率信号与辐射能信号有很强的相关性，利用功率信号来计算辐射能信号的静态值，对应关系为：0-600的发电功率对应0-200的辐射能静态值。动态辐射能修正因子P计算公式：

P=(P_ar/3.0) / G_ar                      (7)。

4、辐射能信号输出

完成对每个探测器的修正后，将所有有效探测器的辐射能信号取平均值，使用公式：

G_out = ∑G(1,Enumber)/ Enumber           (8) 

计算。式(8)中，Enumber 为有效探测器的数目。G_out为输出辐射能信号。 

由于火焰的脉动性很强，辐射能数据波动很大，进一步对输出辐射能信号作权值滤波，取当前状态点8s前的8个数据作加权平均，使用公式：

       G_out,LP = ∑G_out*W_out(1,T_g )/∑W_out(1,Tg )            (9) 

进行计算。式(9)中，G_out,LP为滤波后输出辐射能信号，W_out为各时刻权值，T_g为滤波时间，这里取为8s，权值组合取为{1,2,3,4,5,6,7,8}。如图8-9所示，为修正前辐射能信号与机组实发功率信号的对比效果图；如图10-11所示，为修正后辐射能信号与机组实发功率信号的对比效果图。横坐标为时间，图8、10纵坐标为修正前后辐射能数据，图9、11纵坐标为修正前后实发功率数据。经过修正后，辐射能信号存在的静态偏差得到了改善，并且修正过程没有改变辐射能信号反映炉内燃烧状态的变化性。

Claims (4)

1.一种修正辐射能信号静态偏差的方法，其特征在于：具有如下步骤：

S100.驱动视频采集卡完成火焰图像的采集并提取各像素点RGB颜色信息；

S200.利用上述图像中有效像素点数目判断探测器结焦状态；利用相关性系数判断探测器积灰状态；统计有效探测器数目及编号，提取有效探测器的辐射能信号并作比例修正；

S300.对所有有效探测器的辐射能信号取平均后滤波输出。

2.根据权利要求1所述的一种修正辐射能信号静态偏差的方法，其特征在于：步骤S200中所述的判断探测器结焦状态的步骤为：

S201.选定探测器图像中部区域作为监视窗；

S202.统计所述监视窗内部有效像素点个数；

S203.将所述有效像素点个数与预定阀值作比较，达到所述预定阀值的设为有效探测器。

3.根据权利要求1所述的一种修正辐射能信号静态偏差的方法，其特征在于：步骤S200中所述探测器积灰状态判断依据辐射能信号与机组实发功率信号之间的相关性系数，所述探测器经计算所得的相关性系数小于预定阀值时该探测器置为无效。

4.根据权利要求1所述的一种修正辐射能信号静态偏差的方法，其特征在于：步骤S200中所述比例修正依据机组实发功率信号与辐射能信号之间的相关性，采用所述机组实发功率信号计算所述辐射能信号的静态值，所述静态值除以最近的有效能数据得到比例因子。

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