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1、Application of the Monitoring Technology of Visualization of 3-D Application of the Monitoring Technology of Visualization of 3-D Temperature in Combustion FurnacesTemperature in Combustion Furnaces 炉内燃烧三维温度场可视化炉内燃烧三维温度场可视化 在线监测技术及应用在线监测技术及应用 报报告人：万大阳 洛阳瑞昌石油化 工设备有限公司 清华大学 目目 录录 第第一部分 三维温度场可视化在线监测技术简
2、介一部分 三维温度场可视化在线监测技术简介 第二部分 三维温度场可视化在线监测技术原理第二部分 三维温度场可视化在线监测技术原理 第三部分 第三部分 茂名乙烯裂解炉三维温度场茂名乙烯裂解炉三维温度场监控系统监控系统 工业炉优化运行的瓶颈工业炉优化运行的瓶颈 p在实际运行中，工业炉运行的安全性、经济性及自动化 水平的进一步提高仍受到一些关键技术问题的制约。 p缺乏炉内三维燃烧工况实时在线检测技术，这是一项世 界性的难题。 p现有的燃烧检测技术，如热电偶、红外高温计及热像 仪、基于激光的燃烧诊断技术等，均不能实现炉内燃烧温 度场的在线测量。目前世界上已投入商业应用的基于声波 法的炉内断面（二维）温
3、度场在线监测技术，对剧烈变化 的瞬态燃烧工况检测能力不足，也不能实现炉内三维温度 场的在线检测，同时对物体表面（例如炉管和炉壁）温度 的测量也无能为力。 常用燃烧火焰温度测量方法 ： 在管式工业炉中，目前大多采用声学法和图像法进行火焰温度测量 总体技术思路 本项目采用火焰辐射图像处理技术作为主要手段，充分挖掘火焰辐射图像中携带的 炉内高温燃烧辐射能量分布及其传递信息，从而建立燃烧温度场在线检测技术，并 进一步提炼用于炉内燃烧优化控制的燃烧火焰辐射能概念。 1、炉内火 焰温度场如 何影响辐射 成像？需要 建立定量模 型 2、如何从 火焰图像中 重建出炉内 三维温度场 ？ 3、如何将火焰图像处 理
4、信息反馈到加热炉 燃烧及运行优化控制 ？ 炉内 燃烧 本项技术应用多学 科知识的交叉融合 ，提出了独特的火 焰温度图像检测方 法，建立了炉内火 焰辐射能量和温度 成像模型，提出了 改进的 正则化方 法重建三维温度场 的算法，从而创立 了炉膛燃烧三维温 度场实时可视化监 测技术。 总体技术思路 pp 对三维温度场可视化技术鉴定评价对三维温度场可视化技术鉴定评价 中国工程院院士、哈尔滨工业大 学秦裕琨教授等鉴定认为： “在用辐射图象处理检测实际锅 炉炉内三维温度分布方面达到国际领 先水平”； 8 主要研究论文及专著 l 出版专著 2005年，本研究成果在国家自然科学基金委员 会资助下，在科学出版社
5、出版炉内火焰可视 化检测原理与技术。这是国内外唯一的一部 电站锅炉/工业炉窑燃烧三维温度场可视化检测 技术方面的专著。 l 发表论文及专题特邀报告 2003-2007年，周怀春教授应邀在亚太国际燃烧 会议等国际学术会议上作燃烧可视化监控研究专 题特邀报告3次。 10th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers10th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers International journal of Thermal Sciences (SCI)Int
6、ernational journal of Thermal Sciences (SCI) 第第二二部分部分 三维三维温度场可视化在线监测技术温度场可视化在线监测技术原理原理 炉内三维温度场实时监测炉内三维温度场实时监测 uu 创建立了炉内火焰辐射温度成像模型创建立了炉内火焰辐射温度成像模型 火焰二 维温度 图像 炉内 三维 温度 分布 uu 提出正则化三维温度场重建算法提出正则化三维温度场重建算法 温度场可视化处理过程： 1、采集图像，从图像中计算二维温度图像Tm 2、矩阵B与向量Tm 相乘，得到三维温度场T 刷新时间：2-5秒之内 炉内三维温度场实时监测炉内三维温度场实时监测 燃烧火焰温度和
7、黑度检测燃烧火焰温度和黑度检测 uu 图像探测器的标定图像探测器的标定 实际检测前必须经过黑体炉严格标定，得到单色辐射IR和 IG同图像的R和G值之间的关系，以及温度(K)与其黑体图 像的红色R0之间的关系： 计算标定 uu 图像探测器的标定图像探测器的标定 uu 图像探测器的标定图像探测器的标定 1173 K 1273K 1373 K 1473K uu 辐射图像处理三维温度场可视化重建过程辐射图像处理三维温度场可视化重建过程 火焰原始图像 火焰二维温度图像 炉内 三维 温度 分布 基于辐射能最大的炉内风量和氧量优化控制策略 l 控制原理 工业炉燃烧优化控制的直接目标是调节最佳风量与燃料量相适
8、应，使炉内 热效率达到最佳；氧量和炉内热效率实时准确监测的困难是炉内效率实时 优化的困难所在 使辐射能信号达到最佳的风量能够使相同的燃料在炉内释放出最多的热 量。本项技术构造了根据辐射能变化趋势在线调节风量、使炉内效率达到 最佳的搜索策略 在达到相当的较高炉内热效率的条件下（A-B区域），进一步将风量控制 在风量较少的区域（A-C区域），能够同时达到抑制氮氧化物排放的目的 第三部分第三部分 茂名乙烯裂解炉三维温度场监控系统茂名乙烯裂解炉三维温度场监控系统 USC- 80U型裂解 炉采用美国斯通-韦 伯斯公司专利技术， 炉管设计为U型，主 要裂解原料为石脑 油。 USC-80U型裂解 炉的整体布
9、置为2个 辐射段共用1个对流 段。每个辐射室底部 有16台燃烧器，分 两列布置。 每台炉的48根USC “U”型炉管 沿沪膛中心线安装成一排。对每 个辐射段,物料基本走向为“上进 上出”。在第一管程内,气态物料 从横跨管出来自辐射室的顶部进 入辐射段,接着向下,经过U型弯管 从而进入第二管程。在第二管程 内,物料以自下向上的方向流动。 对流段处于2个辐射段的正上方, 目的是回收来自辐射段的烟道气 中的热量。 uu 图像处理燃烧监控技术思路图像处理燃烧监控技术思路 uu 裂解炉温度场分布裂解炉温度场分布 uu 裂解炉温度场分布裂解炉温度场分布 uu 裂解炉温度场分布裂解炉温度场分布 uu 裂解炉
10、温度场分布裂解炉温度场分布 pp 光谱仪温度和黑度检测系统光谱仪温度和黑度检测系统 pp 光谱仪温度和黑度检测系统光谱仪温度和黑度检测系统 pp 最大温差最大温差2%2% pp 燃烧器调整实验燃烧器调整实验 （a）调整前（b）左边风门开大 （c）左边风门复原，右边风门开大 调整前左边温度高于右边，最高 温度1007；左边风门开大，温度升 高到1015；右边风门开大，高温区 右移，最高温度1026。 通过三维温度场系统测得的辐射能变化与COT变化趋势的对 比，可以看到开大左侧风门（100-125时），辐射能先上升，紧 接着COT也开始上升。COT上升略有延迟，这与裂解气的停留 时间以及烟气导热时
11、间差有关。恢复左侧风门开大右侧风门（ 125-200时），辐射能先降后升，COT也随之先下降后上升。 200以后风门恢复原状，COT也下降恢复到调整前温度。 uu 辐射能变化与辐射能变化与COTCOT变化趋势对比变化趋势对比 通过燃烧调整期间辐射能变化与燃料量变化趋势的对比，可以 看到辐射能的变化基本符合燃料量的变化趋势，值得注意的是在开 大左风门和开大右风门期间，有一个阶段辐射能处于同样的水平， 但是燃料量却不一致，说明燃料量的调整有富余。这也告诉我们以 后裂解炉的调整应该主要调风，从这段燃烧调整数据可以看到， 2108.2 kg/h的燃料量与2090.3 kg/h的燃料量产生的辐射能一样，
12、那 也就是说如果要维持一样的辐射能我们可以节约燃料气17.9 kg/h。 uu 辐射能变化与燃料量变化趋势对比辐射能变化与燃料量变化趋势对比 基于三维温度场的产物收率分布基于三维温度场的产物收率分布 pp 炉管表面热流分布炉管表面热流分布 总换热系数总换热系数 物料换热系数物料换热系数 压降方程压降方程 uu 石脑油裂解分子反应动力学模型石脑油裂解分子反应动力学模型 基于三维温度场的产物收率分布基于三维温度场的产物收率分布 uu 物料各参数分布图物料各参数分布图 基于三维温度场的产物收率分布基于三维温度场的产物收率分布 pp 最大最大误误差差4%4% pp 三维温度场系统的预期功能和后续展望三维温度场系统的预期功能和后续展望 u裂解炉三维温度场可视化监测系统可实现的功能 l 看火电视功能 l 炉管壁温在线精确监测 l 炉内三维温度场在线精确监测 l 历史数据分析 u裂解炉三维温度场可视化监测系统后续功能展望 l 将辐射能信号引入控制系统，寻找最优温度场，以实现燃 料最优 l 将辐射能信号与乙烯炉产物收率关联，寻找产物最优温度 场 谢谢各位谢谢各位! ! 请各位领导批评指正！请各位领导批评指正！
