基于新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶測(cè)溫及火焰形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  0 引言

  工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)和優(yōu)化水平的提高，已成為我國(guó)工藝過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域的共識(shí)。水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度是水泥熟料燒成環(huán)節(jié)最重要的參數(shù)，直接影響到水泥熟料的質(zhì)量、能耗等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。由于燒成環(huán)境等因素導(dǎo)致燒成帶溫度的獲取只能依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行，降低能耗極為不利。因此，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度的在線檢測(cè)，能為生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化提供基礎(chǔ)參數(shù)，提高生產(chǎn)流程節(jié)點(diǎn)判斷精度，對(duì)于保證熟料質(zhì)量，提高能源利用率具有重要意義，直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

  窯爐燃燒過(guò)程是發(fā)生在較大空間范圍內(nèi)、不斷脈動(dòng)的物理和化學(xué)過(guò)程，具有瞬態(tài)變化、隨機(jī)湍流、環(huán)境惡劣等特征，給窯爐內(nèi)溫度等熱物理量參數(shù)的在線測(cè)量帶來(lái)困難，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法，由于感溫元件耐溫性的限制，不能實(shí)現(xiàn)大范圍目標(biāo)溫度場(chǎng)分布的面在線測(cè)量。目前國(guó)外采用的技術(shù)手段主要是通過(guò)單波段紅外固態(tài)CCD的溫度測(cè)量系統(tǒng)，基本原理都是基于黑體輻射理論基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)工業(yè)爐窯溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品依賴于進(jìn)口，而進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，難以適應(yīng)國(guó)內(nèi)窯爐的工況，而且后續(xù)服務(wù)困難，使我國(guó)企業(yè)普遍難以承受，同時(shí)該技術(shù)存在著不易克服的技術(shù)缺陷，例如利用單波段紅外固態(tài)CCD圖像來(lái)測(cè)量溫度的系統(tǒng)無(wú)法消除粉塵、煙氣帶來(lái)的測(cè)量誤差，因這類系統(tǒng)是根據(jù)近紅外圖像的亮度來(lái)對(duì)應(yīng)被測(cè)對(duì)象的溫度，一旦環(huán)境中粉塵、煙氣較大，系統(tǒng)將無(wú)法測(cè)量出準(zhǔn)確的溫度，也無(wú)法獲取清晰的真彩色可見(jiàn)光圖像，可視化效果差。而我國(guó)目前窯爐的燃料大多為煤粉，粉塵對(duì)溫度測(cè)量的影響普遍存在，此類系統(tǒng)并不適用于國(guó)內(nèi)的窯爐溫度檢測(cè)。

  本文設(shè)計(jì)的基于新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶測(cè)溫及火焰形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于國(guó)內(nèi)水泥窯燒成帶溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，可有效糾正高粉塵、煙氣、等惡劣環(huán)境對(duì)測(cè)溫精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)的影響，為用戶提供全面監(jiān)測(cè)爐窯溫度場(chǎng)分布和實(shí)時(shí)燃燒工況監(jiān)測(cè)的有效手段，通過(guò)爐窯的中央控制系統(tǒng)，可以保證爐窯燃燒過(guò)程的平衡、均勻，對(duì)燃燒優(yōu)化、節(jié)能減排、減少生產(chǎn)故障、提高產(chǎn)品質(zhì)量，都具有重要意義和作用，可廣泛應(yīng)用于建材、石化、冶金等行業(yè)。

  1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

  本系統(tǒng)是內(nèi)窺式雙波長(zhǎng)成像測(cè)溫系統(tǒng)，依據(jù)普朗克（Max Planck）黑體輻射定律，采用熱輻射技術(shù)、雙波長(zhǎng)比色焦平面陣列成像測(cè)溫技術(shù)、紅外輻射檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出在不同環(huán)境輻射影響下的溫度修正方法，使系統(tǒng)滿足工業(yè)爐窯燃燒溫度場(chǎng)的檢測(cè)要求，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

  圖1 系統(tǒng)示意圖

  本系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)窯爐內(nèi)燃燒工況的彩色視頻監(jiān)視，也能同步檢測(cè)視場(chǎng)內(nèi)任意區(qū)域的溫度，掌握爐膛內(nèi)部溫度分布情況，提供可靠全面的溫度測(cè)量、變化趨勢(shì)及視頻監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，并配有歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，另外還具有用戶自定義測(cè)溫區(qū)域、區(qū)域溫度變化曲線顯示、報(bào)警設(shè)置管理等功能。

  系統(tǒng)具有測(cè)溫精度高、測(cè)溫范圍寬、寬動(dòng)態(tài)（可清晰觀察從點(diǎn)火到正常燃燒的整個(gè)過(guò)程），以及良好的適裝性、可靠性和可維護(hù)性等特點(diǎn)（具體技術(shù)參數(shù)如表1所示），可為工業(yè)爐窯優(yōu)化燃燒、工藝調(diào)整、節(jié)能減排提供直觀可靠的數(shù)據(jù)支持與檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于水泥、電力、石化、冶金等行業(yè)的各類工業(yè)窯爐。

  表1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

  2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  本爐窯溫度場(chǎng)紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由紅外高溫探頭、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣箱、氣控箱、空氣凈化裝置、圖像數(shù)據(jù)處理器等組成，如圖1所示。

  紅外高溫探頭：由高溫鏡頭、分光棱鏡、雙波段焦平面陣列傳感器、彩色CCD傳感器等組成，如圖1所示。該探頭采用圖像比色法來(lái)進(jìn)行比色測(cè)溫，獲取爐窯內(nèi)二維溫度場(chǎng)的分布狀況，同時(shí)利用彩色CCD得到彩色圖像進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。

  執(zhí)行機(jī)構(gòu)：傳動(dòng)裝置安裝在現(xiàn)場(chǎng)，與爐壁焊接，是控制探頭伸縮的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用氣缸驅(qū)動(dòng)。由預(yù)焊件、預(yù)埋件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣缸等組成，用來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外高溫探頭伸入/退出爐膛，如圖2所示。

  圖2 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

  數(shù)采控制箱：內(nèi)置光傳輸及數(shù)采控制器是系統(tǒng)的就地采集、控制及傳輸裝置，與就地氣控箱及后端控制室圖像數(shù)據(jù)處理器組成傳輸/控制系統(tǒng)。電氣箱將采集的信號(hào)及探頭工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制室服務(wù)器，同時(shí)接收來(lái)自控制室服務(wù)器的命令，驅(qū)動(dòng)探頭響應(yīng)動(dòng)作。主要功能有：探頭推進(jìn)、退出控制，探頭保護(hù)退出控制，數(shù)據(jù)傳輸及通訊，系統(tǒng)冷卻風(fēng)壓力參數(shù)的設(shè)定、檢測(cè)。

  氣控箱：內(nèi)置系統(tǒng)壓力流量檢測(cè)裝置，是系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的就地檢測(cè)/調(diào)節(jié)裝置，自動(dòng)檢測(cè)探頭冷卻氣源的壓力、流量等參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)停氣或運(yùn)行參數(shù)不能滿足系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，氣控箱將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送到電控箱，電氣箱自動(dòng)將探頭退出爐外，防止探頭損壞。

  空氣凈化裝置：多級(jí)空氣凈化裝置去除壓縮空氣中的油水及雜質(zhì)，保護(hù)探頭及電氣/光學(xué)系統(tǒng)不受污染。一級(jí)去除水裝置（用戶選配）當(dāng)用戶氣源含水量高時(shí)選配，二級(jí)去過(guò)濾裝置（系統(tǒng)標(biāo)配），三級(jí)高精度過(guò)濾裝置（系統(tǒng)標(biāo)配）。

  圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器：圖像數(shù)據(jù)處理器要求能支持1-2臺(tái)紅外測(cè)溫?cái)z像儀。

  3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)軟件是集成的視頻處理/溫度測(cè)量軟件包，開發(fā)工具為VS2010，軟件的設(shè)計(jì)流程框架如圖3所示，操作人員可以觀察來(lái)自兩個(gè)生產(chǎn)區(qū)域的工況，并對(duì)可視目標(biāo)或區(qū)域分別進(jìn)行溫度測(cè)量。

  圖3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

  軟件的主要功能和特點(diǎn)包括：兼容所采用的GS-V系列紅外測(cè)溫?cái)z像儀，支持雙紅外攝像測(cè)溫探頭的接入，可呈現(xiàn)直觀的用戶圖形界面和清晰的連續(xù)實(shí)時(shí)視頻，支持雙紅外攝像測(cè)溫探頭的遠(yuǎn)程遙控、具有火焰熄滅檢測(cè)報(bào)警功能，具有設(shè)定區(qū)域溫度變化曲線顯示功能，每臺(tái)探頭支持自定義設(shè)置32個(gè)溫度測(cè)量區(qū)，可編程最小、最大和平均溫度的測(cè)量，可顯示長(zhǎng)期的溫度圖表，溫度信號(hào)支持TCP/IP以太網(wǎng)傳輸，可直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)分析，可自定義觸發(fā)測(cè)量、報(bào)警監(jiān)視和閾值監(jiān)視，可進(jìn)行用戶多級(jí)訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置等，系統(tǒng)軟件界面如圖4所示。

  圖4系統(tǒng)軟件界面

  4 結(jié)束語(yǔ)

  在工業(yè)爐窯測(cè)溫領(lǐng)域，當(dāng)前大多用的是單CCD系統(tǒng)。單CCD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低，但測(cè)溫精度不高，對(duì)爐窯惡劣環(huán)境的適應(yīng)性差，同時(shí)可視效果差，無(wú)法獲取清晰的可見(jiàn)光圖像。

  我國(guó)當(dāng)前絕大多數(shù)建材和電力行業(yè)都是燃煤爐窯，爐窯內(nèi)煙氣、粉塵大，環(huán)境惡劣，生產(chǎn)線運(yùn)行人員已習(xí)慣通過(guò)彩色視頻看火判斷火焰形態(tài)。本文報(bào)道的基于新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶測(cè)溫及火焰形態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的高溫紅外攝像儀解決了測(cè)溫精度、惡劣爐窯環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題，并可以得到監(jiān)測(cè)視場(chǎng)的彩色圖像，很好地解決當(dāng)前在可視化溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍遇到的問(wèn)題,能為工業(yè)窯爐優(yōu)化燃燒、工藝調(diào)整、節(jié)能減排提供直觀可靠的數(shù)據(jù)支持與檢測(cè)手段，對(duì)節(jié)能減排、安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量均具有重要意義和作用。