基于紅外機(jī)器視覺技術(shù)的空預(yù)器積灰監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

習(xí)伯泉，許志浩，康 兵，宋 文，王宗耀

（南昌工程學(xué)院電氣工程學(xué)院，江西南昌 330099）

0 引言

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

國內(nèi)對于空預(yù)器的熱點(diǎn)檢測技術(shù)研究已經(jīng)比較成熟，主要采用熱電偶和紅外傳感器進(jìn)行監(jiān)測，用來判斷是否發(fā)生堵塞[3]。雖然起步比較晚但是也取得了不錯的成就。文獻(xiàn)[1]采用了基于溫度場分布分析的方法對空預(yù)器熱點(diǎn)進(jìn)行檢測，在國內(nèi)是較早使用溫度場概念輔助分析空預(yù)器診斷的。文獻(xiàn)[4]提出基于紅外陣列測溫傳感器的空預(yù)器熱點(diǎn)檢測方法。文獻(xiàn)[5]對空預(yù)器紅外熱點(diǎn)監(jiān)測采用plc 技術(shù)，采用了觸摸屏使其操作便捷并節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力。文獻(xiàn)[6]建立回轉(zhuǎn)式空預(yù)器折算壓差模型，能夠直觀的反映受熱面積灰情況，對指導(dǎo)電站運(yùn)行人員進(jìn)行合理的吹灰操作有實(shí)際意義。文獻(xiàn)[7]提出了以一種視頻監(jiān)控與故障分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在熱態(tài)環(huán)境下對空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子積灰程度、熱點(diǎn)分布、堵塞程度的估算與可視化。文獻(xiàn)[8]提出一種基于條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)（cGAN）的惡劣工業(yè)環(huán)境下紅外補(bǔ)光監(jiān)控視頻圖像清晰化方法，實(shí)現(xiàn)了空預(yù)器紅外補(bǔ)光監(jiān)控圖像清晰化處文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種基于紅外視頻的零照度環(huán)境視頻處理方法，通過紅外圖像增強(qiáng)方法來改善圖像清晰度，實(shí)現(xiàn)了在零照度環(huán)境下對轉(zhuǎn)子積灰程度、熱點(diǎn)分布的估算。

文中在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于紅外機(jī)器視覺技術(shù)的空預(yù)器積灰監(jiān)測方案，采用無接觸方式并采集空預(yù)器換熱元件的高清紅外視頻數(shù)據(jù)，能全區(qū)域監(jiān)測換熱元件的運(yùn)行狀態(tài)可視化[7]，以進(jìn)一步標(biāo)識空預(yù)器積灰區(qū)域，能夠進(jìn)行及時(shí)處理保證空預(yù)器安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 功能需求分析

1.1 數(shù)字圖像采集處理模塊

該模塊主要通過紅外攝像頭進(jìn)行紅外圖像的采集，能夠檢測出紅外圖像疑是積灰故障區(qū)域。通過處理模塊對所獲得的圖片進(jìn)行濾波、增強(qiáng)等處理、提取出相應(yīng)的特征能夠準(zhǔn)確獲得積灰區(qū)域的面積、位置以及嚴(yán)重情況等特點(diǎn)。其監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)技術(shù)流程圖

1）能對空預(yù)器進(jìn)行全區(qū)域的檢測，實(shí)時(shí)獲取四個(gè)紅外攝像頭拍攝的視頻數(shù)據(jù)；

2）能將紅外攝像頭所采集到的視頻通過RS45雙絞線傳輸?shù)絧c端進(jìn)行圖像的預(yù)處理；

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

4）能夠圖像處理結(jié)果綜合分析，得出是否有積灰堵塞區(qū)域；

5）能為精確的對積灰區(qū)域進(jìn)行吹灰操作提供了基礎(chǔ)；

6）能將視頻信息以及單幀畫面記錄、積灰報(bào)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(shù)據(jù)信息傳遞給pc 端，再對圖像進(jìn)行預(yù)處理、提取和選擇相應(yīng)的特征值對疑似積灰故障區(qū)域進(jìn)行判斷識別。綜合處理的結(jié)果分析，確定積灰區(qū)域的位置與堵灰嚴(yán)重程度。pc 端將信息存儲起來并展示給工作人員。

1.2 人機(jī)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(jiān)測所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。能對空預(yù)器冷熱端實(shí)時(shí)監(jiān)視、了解傳感器狀態(tài)、積灰區(qū)域的圖片、控制套管彈出裝置、保存監(jiān)測信息、歷史處理信息查閱等功能。具體需求如下：

1）能實(shí)時(shí)觀察空預(yù)器冷熱兩端轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀況；

2）能獲取到溫度傳感器目前的溫度狀態(tài)；

3）能將紅外圖片處理后所獲得積灰區(qū)域截圖展示；

4）能把裝有紅外探頭的套管，在不運(yùn)行的情況下彈出保護(hù)紅外探頭；

5）能監(jiān)控的視頻數(shù)據(jù)以及處理的數(shù)據(jù)保存；

6）能查閱以往的歷史處理信息。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)滿足上述功能需求，文中空預(yù)器監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、交換機(jī)、視頻編碼器、電源適配器、RJ45 雙絞線等組成。空預(yù)器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 空預(yù)器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)由高分辨率紅外熱像儀、溫度傳感器、監(jiān)控設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)等組成。高分辨率紅外熱像儀主要實(shí)時(shí)監(jiān)測空預(yù)器換熱元件的運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)生高清晰度的紅外視頻數(shù)據(jù)，為視頻數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)做準(zhǔn)備；溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)記錄紅外熱像儀表面的溫度，為保證紅外熱像儀能夠運(yùn)行在不超過額定溫度的環(huán)境中；監(jiān)控設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)由紅外熱像儀保護(hù)罩和保護(hù)鏡片、保護(hù)套管、數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)彈出裝置等組成，保障數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)能運(yùn)行在正常的溫度環(huán)境下，防止被高溫?fù)p壞。

控制系統(tǒng)主要由工業(yè)控制機(jī)和高清顯示屏組成?？刂破髦械娜藱C(jī)交互主要有換熱元件冷熱預(yù)覽、溫度傳感器狀態(tài)顯示、紅外視頻處理、自動監(jiān)控報(bào)警、查看歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)置等功能[10]?？傆[模塊能將空預(yù)器換熱元件冷熱兩端的運(yùn)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(yīng)出空預(yù)器堵灰的情況與嚴(yán)重程度?？傆[模塊界面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示?？刂颇K主要對相機(jī)參數(shù)、紅外視頻圖像分析、視頻參數(shù)進(jìn)行控制，以此滿足空預(yù)器積灰監(jiān)測系統(tǒng)需求。系統(tǒng)設(shè)置對系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。歷史記錄模塊主要是能查閱發(fā)生積灰事件的相關(guān)信息。

圖3 總覽模塊界面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 紅外成像技術(shù)

紅外熱像儀在對空預(yù)器進(jìn)行監(jiān)測的時(shí)候就等同于人眼對事物進(jìn)行觀測，紅外熱像儀中的鏡頭就相當(dāng)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(yùn)行環(huán)境進(jìn)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(shù)進(jìn)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(zhǔn)備監(jiān)測的時(shí)候，若已知需要監(jiān)測的物體的大小形狀、熱像儀鏡頭到監(jiān)測物體的距離、監(jiān)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(yīng)的H為所監(jiān)測范圍矩形的寬度；W為監(jiān)測范圍矩形的長度。

在對監(jiān)測對象進(jìn)行監(jiān)測的時(shí)候，從式（1）可以得出，焦距越大，目標(biāo)像所占用的像素點(diǎn)越多，其探測距離更遠(yuǎn)。但另一方面，焦距越大，視場角越小，同時(shí)成本也更高。在選擇合適的焦距同時(shí)，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(jiān)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(jiān)測物體長方向邊緣的夾角。通過視場角可以決定鏡頭的監(jiān)測范圍的大小，若需要監(jiān)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(xué)倍率將越小。同過圖4可以求得鏡頭的視場角。

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

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

計(jì)算垂直視場角：

式中：θv為垂直視場角；H為監(jiān)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(shù)之一。分辨率是用于度量位圖圖像內(nèi)數(shù)據(jù)量多少的一個(gè)參數(shù)，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?cái)?shù)。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?cái)?shù)。在對空預(yù)器的監(jiān)測時(shí)，若已知紅外熱像儀的監(jiān)測范圍大小，要求的監(jiān)測精度，可計(jì)算分辨率：

式中：p為像素點(diǎn)總數(shù)；H為監(jiān)測范圍的寬度；W為監(jiān)測范圍的長度；μ為監(jiān)測精度。

根據(jù)上述對紅外成像技術(shù)分析，將在半徑為5 m 的空預(yù)器冷熱兩端各安裝兩臺紅外熱像儀?？疹A(yù)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(jì)算所需水平視場角為57°22'51''。紅外熱成像儀主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 紅外熱成像儀主要技術(shù)參數(shù)

3.2 紅外套管設(shè)計(jì)技術(shù)

在工業(yè)中眾多設(shè)備運(yùn)行在高溫、高塵的環(huán)境下，其相關(guān)設(shè)備外表的積灰程度對設(shè)備的散熱保護(hù)影響較大。紅外熱像儀位于空預(yù)器內(nèi)部，空預(yù)器本身是處于封閉狀態(tài)。在空預(yù)器內(nèi)部的溫度高達(dá)500 ℃并時(shí)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(hù)顯得尤為重要。針對上訴問題，文中設(shè)計(jì)了套管對紅外熱像儀進(jìn)行保護(hù)[11]。該裝置主要包括采集組件和冷卻組件。其紅外套管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 紅外套管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

紅外熱像儀保護(hù)套管工作原理：將紅外熱像儀安裝在保護(hù)頭罩中，通過支架將紅外熱像儀進(jìn)行固定，紅外熱像儀的RS485 雙絞線和電源線通過導(dǎo)線套管連接信號收發(fā)器。同時(shí)，導(dǎo)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(hù)紅外熱像儀能夠在高溫的條件下安全穩(wěn)定的運(yùn)行，不被高溫，高塵的環(huán)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(jìn)行冷卻。冷卻空氣主要通過冷卻氣體進(jìn)口進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)部，通過導(dǎo)線套管壁上和中間套管壁上的洞孔，冷卻空氣能夠進(jìn)入中間套管和固定套管內(nèi)部。由于冷卻空氣在設(shè)備內(nèi)部是處于流動狀態(tài)，能夠?qū)⒉糠譄崃繋ё?，進(jìn)而能夠?qū)t外熱像儀的線路進(jìn)行有效的降溫。由于紅外透鏡與保護(hù)罩之間有一定的間隙，并存在一定的角度。當(dāng)高壓冷卻氣體流通過兩者之間的縫隙，可以形成一個(gè)錐形氣體保護(hù)罩。氣體保護(hù)罩對紅外透鏡和紅外熱像儀來說，就是一層保護(hù)屏障。該保護(hù)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(shí)高壓冷卻氣體也能夠?qū)t外透鏡進(jìn)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(shù)據(jù)。紅外套管實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 紅外套管實(shí)物

3.3 紅外套管彈出設(shè)計(jì)技術(shù)

火電廠在運(yùn)行的情況下，空預(yù)器是處于高溫、高壓的環(huán)境中。上節(jié)中對數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)經(jīng)行了保護(hù)，但空預(yù)器換熱元件發(fā)生積灰的過程是比較緩慢的。文中設(shè)計(jì)紅外套管彈出有諸多作用，其中一方面為了進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要在其不對空預(yù)器換熱元件進(jìn)行監(jiān)測時(shí)將其彈出用來進(jìn)一步保護(hù)。另一方，紅外熱像儀在監(jiān)測狀態(tài)時(shí)，其鏡頭保護(hù)鏡片上有頑固灰塵，控制系統(tǒng)發(fā)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(jìn)行清洗，清洗之后可將其重新裝回進(jìn)行監(jiān)測任務(wù)。紅外套管彈出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。紅外套管彈出裝置使得空預(yù)器積灰監(jiān)測系統(tǒng)的安全穩(wěn)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

火電廠處于運(yùn)行的狀態(tài)下，工作人員在保障設(shè)備安全運(yùn)行同時(shí)將運(yùn)行的成本最小化。數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)無需對換熱元件進(jìn)行全天的監(jiān)測，此時(shí)工作人員需要將其彈出進(jìn)行保護(hù)和降低成本。在監(jiān)測狀態(tài)，紅外套管4安裝在傳感器驅(qū)動板3上并處于遠(yuǎn)離主梁尾板的狀態(tài)；支撐環(huán)氣缸7與支撐環(huán)氣閥導(dǎo)軌13處于重合狀態(tài)，支撐環(huán)16和氣閥墊片15與基板1處于緊貼狀態(tài)；驅(qū)動板氣閘氣缸10與對應(yīng)的氣閥導(dǎo)軌處于分離狀態(tài)。紅外熱像儀裝置暴露在基板1外，能夠?qū)崟r(shí)的采集空預(yù)器換熱元件的堵灰情況。當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)無需處于工作狀態(tài)或需要對紅外熱像儀進(jìn)行清洗的情況下，控制系統(tǒng)發(fā)出彈出指令時(shí)，主要是利用高壓氣體對氣缸進(jìn)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(dǎo)軌14運(yùn)動至緊貼主梁尾板，紅外熱像儀裝置彈回至基板1內(nèi)；支撐環(huán)氣缸受到高壓氣體的作用與支撐環(huán)氣閥導(dǎo)軌分離，支撐環(huán)16和氣閥墊片15與基板1處于分離狀態(tài)；驅(qū)動板氣閘氣缸10受到高壓氣體的作用，運(yùn)動到與相應(yīng)驅(qū)動板氣閘導(dǎo)軌重疊位置，此時(shí)氣閘驅(qū)動板向上運(yùn)動將基板1上紅外傳感器窗口關(guān)閉，阻斷熱量的傳遞保護(hù)紅外傳感器。紅外套管彈出裝置實(shí)物圖如圖8所示。紅外套管彈出裝置的功能能順利的運(yùn)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(shí)物

圖9 紅外套管彈出裝置動作流程

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，系統(tǒng)對于空預(yù)器的換熱元件進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。該紅外監(jiān)測系統(tǒng)安裝在某火電廠，對空氣預(yù)熱器換熱元件冷熱兩端進(jìn)行監(jiān)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(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)通過對采集到圖片進(jìn)行圖像處理，將紅外圖像依據(jù)換熱元件的梁將圖片進(jìn)行區(qū)域分塊化。將每個(gè)扇形區(qū)域再分為四個(gè)小區(qū)域，同時(shí)每個(gè)小區(qū)域再根據(jù)空預(yù)器換熱元的橫梁分為若干個(gè)區(qū)域如圖12 所示。軟件系統(tǒng)對每個(gè)小區(qū)域進(jìn)行分析，識別出換熱元件是否發(fā)生堵灰。具體分析如圖12 所示，由實(shí)驗(yàn)可以清晰的識別換熱元件是否發(fā)生積灰現(xiàn)象，以確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 空預(yù)器換熱元件冷端紅外圖像

圖11 空預(yù)器換熱元件熱端紅外圖像

圖12 紅外圖像區(qū)域分割處理

5 結(jié)語

文中針對空預(yù)器在高溫、高壓、高腐蝕環(huán)境下運(yùn)行，提出了一種基于紅外機(jī)器視覺技術(shù)的空預(yù)器積灰監(jiān)測系統(tǒng)，主要采用機(jī)器視覺和紅外圖像處理技術(shù)來對空預(yù)器換熱元件是否發(fā)生堵灰進(jìn)行識別。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控?fù)Q熱元件的運(yùn)行狀態(tài)，并采集高清晰度的紅外視頻數(shù)據(jù)。通過軟件系統(tǒng)的紅外圖像處理技術(shù)，能夠有效的判斷空預(yù)器換熱元件的積灰狀況，并將積灰狀態(tài)的位置進(jìn)行定位，同時(shí)將處理的信息展示給操作人員。該系統(tǒng)能夠提醒工作人員進(jìn)行吹灰，能夠有效的排除設(shè)備發(fā)生的故障。系統(tǒng)采用無接觸式監(jiān)測能夠充分保證設(shè)備的安全運(yùn)行，對提高設(shè)備的安全穩(wěn)定性具有重要工程意義。