基于紅外機器視覺技術的空預器積灰監測系統設計

習伯泉，許志浩，康 兵，宋 文，王宗耀

（南昌工程學院電氣工程學院，江西南昌 330099）

0 引言

目前，“雙碳”戰略倡導綠色、環保、低碳的生活方式，國家對企業污染物的排放要求更高。國內的火電廠都裝設了脫硝脫硫裝置?？疹A器在運行的過程中逃逸的氨氣、燃料中的硫元素以及設備內部的水分極易在空預器冷端形成硫酸銨和硫酸氫氨[1]。由于硫化物質具有嚴重的吸附性和粘性，易將空氣中的灰塵吸附在空預器的換熱元件上。久而久之，空預器將會產生堵灰現象，輕則造成燃料的損耗，利用率不高；重則易將空預器中的可燃物點燃產生二次燃燒現象，燃燒嚴重會造成爆炸，后果不堪設想。經研究表明，空預器波紋板某部位發生堵塞而導致自燃，燃燒蔓延至該波紋板至少需要1 h，再從整個波紋板蔓延至整個波紋箱至少需要3 h[2]。如此看來，只要在空預器發生堵灰的時候及時檢測并吹灰，就能預防空預器二次燃燒現象的發生。因此，為了保障空預器的安全穩定的運行，對空預器進行檢測及時采取相應的措施迫在眉睫。

國內對于空預器的熱點檢測技術研究已經比較成熟，主要采用熱電偶和紅外傳感器進行監測，用來判斷是否發生堵塞[3]。雖然起步比較晚但是也取得了不錯的成就。文獻[1]采用了基于溫度場分布分析的方法對空預器熱點進行檢測，在國內是較早使用溫度場概念輔助分析空預器診斷的。文獻[4]提出基于紅外陣列測溫傳感器的空預器熱點檢測方法。文獻[5]對空預器紅外熱點監測采用plc 技術，采用了觸摸屏使其操作便捷并節省了大量的人力、物力和財力。文獻[6]建立回轉式空預器折算壓差模型，能夠直觀的反映受熱面積灰情況，對指導電站運行人員進行合理的吹灰操作有實際意義。文獻[7]提出了以一種視頻監控與故障分析系統，實現了在熱態環境下對空氣預熱器轉子積灰程度、熱點分布、堵塞程度的估算與可視化。文獻[8]提出一種基于條件生成對抗網絡（cGAN）的惡劣工業環境下紅外補光監控視頻圖像清晰化方法，實現了空預器紅外補光監控圖像清晰化處文獻[9]設計了一種基于紅外視頻的零照度環境視頻處理方法，通過紅外圖像增強方法來改善圖像清晰度，實現了在零照度環境下對轉子積灰程度、熱點分布的估算。

文中在上述研究的基礎上，提出了一種基于紅外機器視覺技術的空預器積灰監測方案，采用無接觸方式并采集空預器換熱元件的高清紅外視頻數據，能全區域監測換熱元件的運行狀態可視化[7]，以進一步標識空預器積灰區域，能夠進行及時處理保證空預器安全穩定的運行。

1 功能需求分析

1.1 數字圖像采集處理模塊

該模塊主要通過紅外攝像頭進行紅外圖像的采集，能夠檢測出紅外圖像疑是積灰故障區域。通過處理模塊對所獲得的圖片進行濾波、增強等處理、提取出相應的特征能夠準確獲得積灰區域的面積、位置以及嚴重情況等特點。其監測系統技術流程如圖1 所示，主要具體功能需求分析如下：

圖1 檢測系統技術流程圖

1）能對空預器進行全區域的檢測，實時獲取四個紅外攝像頭拍攝的視頻數據；

2）能將紅外攝像頭所采集到的視頻通過RS45雙絞線傳輸到pc端進行圖像的預處理；

3）能檢測出疑似積灰故障區域，通過特征提取，圖像分割獲得故障區域的相關特征；

4）能夠圖像處理結果綜合分析，得出是否有積灰堵塞區域；

5）能為精確的對積灰區域進行吹灰操作提供了基礎；

6）能將視頻信息以及單幀畫面記錄、積灰報警記錄上傳到pc端。

紅外視頻與圖像的處理是該模塊的核心，主要將采集到數據信息傳遞給pc 端，再對圖像進行預處理、提取和選擇相應的特征值對疑似積灰故障區域進行判斷識別。綜合處理的結果分析，確定積灰區域的位置與堵灰嚴重程度。pc 端將信息存儲起來并展示給工作人員。

1.2 人機交互模塊

該模塊主要是用于工作人員通過pc 端的軟件對監測所收集到的數據進行操作。能對空預器冷熱端實時監視、了解傳感器狀態、積灰區域的圖片、控制套管彈出裝置、保存監測信息、歷史處理信息查閱等功能。具體需求如下：

1）能實時觀察空預器冷熱兩端轉子的運行狀況；

2）能獲取到溫度傳感器目前的溫度狀態；

3）能將紅外圖片處理后所獲得積灰區域截圖展示；

4）能把裝有紅外探頭的套管，在不運行的情況下彈出保護紅外探頭；

5）能監控的視頻數據以及處理的數據保存；

6）能查閱以往的歷史處理信息。

2 監測系統設計

依據滿足上述功能需求，文中空預器監測系統主要由數據監控采集系統、控制系統、交換機、視頻編碼器、電源適配器、RJ45 雙絞線等組成?？疹A器監測系統結構圖如圖2所示。

圖2 空預器監測系統結構

數據監控采集系統由高分辨率紅外熱像儀、溫度傳感器、監控設備保護系統等組成。高分辨率紅外熱像儀主要實時監測空預器換熱元件的運行狀態，產生高清晰度的紅外視頻數據，為視頻數據記錄與處理系統做準備；溫度傳感器能夠實時記錄紅外熱像儀表面的溫度，為保證紅外熱像儀能夠運行在不超過額定溫度的環境中；監控設備保護系統由紅外熱像儀保護罩和保護鏡片、保護套管、數據監控采集系統彈出裝置等組成，保障數據監控采集系統能運行在正常的溫度環境下，防止被高溫損壞。

控制系統主要由工業控制機和高清顯示屏組成?？刂破髦械娜藱C交互主要有換熱元件冷熱預覽、溫度傳感器狀態顯示、紅外視頻處理、自動監控報警、查看歷史數據、設備設置等功能[10]?？傆[模塊能將空預器換熱元件冷熱兩端的運行情況展示出來，通過換熱元件的溫度分布情況可以清晰的反應出空預器堵灰的情況與嚴重程度?？傆[模塊界面設計結構圖如圖3 所示?？刂颇K主要對相機參數、紅外視頻圖像分析、視頻參數進行控制，以此滿足空預器積灰監測系統需求。系統設置對系統的一些參數進行設置。歷史記錄模塊主要是能查閱發生積灰事件的相關信息。

圖3 總覽模塊界面設計結構

3 關鍵技術

3.1 紅外成像技術

紅外熱像儀在對空預器進行監測的時候就等同于人眼對事物進行觀測，紅外熱像儀中的鏡頭就相當人眼中的晶狀體。如果紅外熱像儀沒有安裝鏡頭，就無法將觀測的運行環境進行采集，更加無法形成紅外圖像傳遞給處理端。鏡頭的選擇是非常重要的，主要是從工作距離、焦距、視場角等參數進行選擇。紅外成像的原理如圖4所示。

圖4 鏡頭成像原理圖

在準備監測的時候，若已知需要監測的物體的大小形狀、熱像儀鏡頭到監測物體的距離、監測物體成像的大小，則可以求出焦距。

式中：F為焦距；h為成像的寬度；w為成像的長度；與此相對應的H為所監測范圍矩形的寬度；W為監測范圍矩形的長度。

在對監測對象進行監測的時候，從式（1）可以得出，焦距越大，目標像所占用的像素點越多，其探測距離更遠。但另一方面，焦距越大，視場角越小，同時成本也更高。在選擇合適的焦距同時，也要注意對視場角的選擇。

視場角包含了水平視場角和垂直視場角，水平視場角是在同一水平面鏡頭與監測物體寬方向邊緣的夾角，垂直視場角是在同一平面鏡頭與監測物體長方向邊緣的夾角。通過視場角可以決定鏡頭的監測范圍的大小，若需要監測范圍比較大的物體，需要采用視場角大的鏡頭。反之可以選擇視場角比較小的鏡頭。但是視場角越大，其光學倍率將越小。同過圖4可以求得鏡頭的視場角。

若將監測物體置于外切矩形中，則該矩形即為紅外熱像儀可以監測的范圍。已知該矩形的長和寬，紅外熱像儀與被監測物體之間的距離。計算水平視場角：

式中：θh為水平視場角；W為監測矩形的長度；D為紅外熱像儀與被監測物體之間的距離。

計算垂直視場角：

式中：θv為垂直視場角；H為監測矩形的寬度。

通過上述對視場角的確定，分辨率也是紅外熱像儀的重要參數之一。分辨率是用于度量位圖圖像內數據量多少的一個參數，通常用像素來表示。簡單地說，攝像頭的分辨率是指攝像頭解析圖象的能力，也即攝像頭的影像傳感器的像素數。最高分辨率就是指攝像頭能最高分辨圖像能力的大小，即攝像頭的最高像素數。在對空預器的監測時，若已知紅外熱像儀的監測范圍大小，要求的監測精度，可計算分辨率：

式中：p為像素點總數；H為監測范圍的寬度；W為監測范圍的長度；μ為監測精度。

根據上述對紅外成像技術分析，將在半徑為5 m 的空預器冷熱兩端各安裝兩臺紅外熱像儀?？疹A器的半徑為5 m 即為長度，安裝的高度為1.6 m，通過視場角的求解公式可以計算所需水平視場角為57°22'51''。紅外熱成像儀主要技術參數如表1所示。

表1 紅外熱成像儀主要技術參數

3.2 紅外套管設計技術

在工業中眾多設備運行在高溫、高塵的環境下，其相關設備外表的積灰程度對設備的散熱保護影響較大。紅外熱像儀位于空預器內部，空預器本身是處于封閉狀態。在空預器內部的溫度高達500 ℃并時常伴隨著灰塵的流動，因此如何對紅外熱像儀及其線路的保護顯得尤為重要。針對上訴問題，文中設計了套管對紅外熱像儀進行保護[11]。該裝置主要包括采集組件和冷卻組件。其紅外套管設計結構圖如圖5所示。

圖5 紅外套管設計結構

紅外熱像儀保護套管工作原理：將紅外熱像儀安裝在保護頭罩中，通過支架將紅外熱像儀進行固定，紅外熱像儀的RS485 雙絞線和電源線通過導線套管連接信號收發器。同時，導線套管可以使得線路排布更加有序，不會顯得雜亂無章。為了保護紅外熱像儀能夠在高溫的條件下安全穩定的運行，不被高溫，高塵的環境所損壞。文中主要對紅外熱像儀加裝了紅外透鏡阻擋熱量的傳遞和通過冷卻氣體進行冷卻。冷卻空氣主要通過冷卻氣體進口進入導管內部，通過導線套管壁上和中間套管壁上的洞孔，冷卻空氣能夠進入中間套管和固定套管內部。由于冷卻空氣在設備內部是處于流動狀態，能夠將部分熱量帶走，進而能夠對紅外熱像儀的線路進行有效的降溫。由于紅外透鏡與保護罩之間有一定的間隙，并存在一定的角度。當高壓冷卻氣體流通過兩者之間的縫隙，可以形成一個錐形氣體保護罩。氣體保護罩對紅外透鏡和紅外熱像儀來說，就是一層保護屏障。該保護屏障能夠阻擋高溫氣流入侵紅外熱像儀并帶走部分熱量。同時高壓冷卻氣體也能夠對紅外透鏡進行吹灰，防止有飛灰附著在鏡面上，以保證熱像儀能夠采集到高清晰度的視頻數據。紅外套管實物圖如圖6所示。

圖6 紅外套管實物

3.3 紅外套管彈出設計技術

火電廠在運行的情況下，空預器是處于高溫、高壓的環境中。上節中對數據監控采集系統經行了保護，但空預器換熱元件發生積灰的過程是比較緩慢的。文中設計紅外套管彈出有諸多作用，其中一方面為了進一步保證數據監控采集系統的安全運行，需要在其不對空預器換熱元件進行監測時將其彈出用來進一步保護。另一方，紅外熱像儀在監測狀態時，其鏡頭保護鏡片上有頑固灰塵，控制系統發出清洗指令后仍不能將頑固灰塵清除。在此情況下可以將紅外套管彈出，工作人員可以親自進行清洗，清洗之后可將其重新裝回進行監測任務。紅外套管彈出設計結構圖如圖7 所示。紅外套管彈出裝置使得空預器積灰監測系統的安全穩定性、靈活性、魯棒性得以提高，非常具有工程意義。

圖7 紅外套管彈出設計結構

火電廠處于運行的狀態下，工作人員在保障設備安全運行同時將運行的成本最小化。數據監控采集系統無需對換熱元件進行全天的監測，此時工作人員需要將其彈出進行保護和降低成本。在監測狀態，紅外套管4安裝在傳感器驅動板3上并處于遠離主梁尾板的狀態；支撐環氣缸7與支撐環氣閥導軌13處于重合狀態，支撐環16和氣閥墊片15與基板1處于緊貼狀態；驅動板氣閘氣缸10與對應的氣閥導軌處于分離狀態。紅外熱像儀裝置暴露在基板1外，能夠實時的采集空預器換熱元件的堵灰情況。當數據監控采集系統無需處于工作狀態或需要對紅外熱像儀進行清洗的情況下，控制系統發出彈出指令時，主要是利用高壓氣體對氣缸進行操作。紅外套管彈出過程中，傳感器氣閘氣缸19受到氣壓作用，紅外套管4沿著氣閥導軌14運動至緊貼主梁尾板，紅外熱像儀裝置彈回至基板1內；支撐環氣缸受到高壓氣體的作用與支撐環氣閥導軌分離，支撐環16和氣閥墊片15與基板1處于分離狀態；驅動板氣閘氣缸10受到高壓氣體的作用，運動到與相應驅動板氣閘導軌重疊位置，此時氣閘驅動板向上運動將基板1上紅外傳感器窗口關閉，阻斷熱量的傳遞保護紅外傳感器。紅外套管彈出裝置實物圖如圖8所示。紅外套管彈出裝置的功能能順利的運行，其主要是依賴高壓氣體的作用。紅外套管彈出裝置動作流程如圖9所示。

圖8 紅外套管彈出裝置實物

圖9 紅外套管彈出裝置動作流程

4 系統測試結果

為了驗證系統的準確性與可靠性，系統對于空預器的換熱元件進行了實時監測。該紅外監測系統安裝在某火電廠，對空氣預熱器換熱元件冷熱兩端進行監測。紅外熱像儀采集冷熱兩端的高清晰度的紅外視頻。為了便于分析系統提取了換熱元件冷熱兩端的紅外視頻中的其中一幀如圖10、11 所示。監測系統通過對采集到圖片進行圖像處理，將紅外圖像依據換熱元件的梁將圖片進行區域分塊化。將每個扇形區域再分為四個小區域，同時每個小區域再根據空預器換熱元的橫梁分為若干個區域如圖12 所示。軟件系統對每個小區域進行分析，識別出換熱元件是否發生堵灰。具體分析如圖12 所示，由實驗可以清晰的識別換熱元件是否發生積灰現象，以確保設備的安全穩定運行。

圖10 空預器換熱元件冷端紅外圖像

圖11 空預器換熱元件熱端紅外圖像

圖12 紅外圖像區域分割處理

5 結語

文中針對空預器在高溫、高壓、高腐蝕環境下運行，提出了一種基于紅外機器視覺技術的空預器積灰監測系統，主要采用機器視覺和紅外圖像處理技術來對空預器換熱元件是否發生堵灰進行識別。該系統能夠實時監控換熱元件的運行狀態，并采集高清晰度的紅外視頻數據。通過軟件系統的紅外圖像處理技術，能夠有效的判斷空預器換熱元件的積灰狀況，并將積灰狀態的位置進行定位，同時將處理的信息展示給操作人員。該系統能夠提醒工作人員進行吹灰，能夠有效的排除設備發生的故障。系統采用無接觸式監測能夠充分保證設備的安全運行，對提高設備的安全穩定性具有重要工程意義。