基于新型干法水泥回转窑烧成带测温及火焰形态监测系统设计

  0 引言

  工业过程监测和优化水平的提高，已成为我国工艺过程温度监测研究领域的共识。水泥回转窑烧成带温度是水泥熟料烧成环节最重要的参数，直接影响到水泥熟料的质量、能耗等各项经济指标。由于烧成环境等因素导致烧成带温度的获取只能依赖于人工经验，这对于优化回转窑运行，降低能耗极为不利。因此，实现回转窑烧成带温度的在线检测，能为生产工艺流程优化提供基础参数，提高生产流程节点判断精度，对于保证熟料质量，提高能源利用率具有重要意义，直接关系到企业的经济效益、社会效益和环境效益。

  窑炉燃烧过程是发生在较大空间范围内、不断脉动的物理和化学过程，具有瞬态变化、随机湍流、环境恶劣等特征，给窑炉内温度等热物理量参数的在线测量带来困难，传统的接触式测量方法，由于感温元件耐温性的限制，不能实现大范围目标温度场分布的面在线测量。目前国外采用的技术手段主要是通过单波段红外固态CCD的温度测量系统，基本原理都是基于黑体辐射理论基础。长期以来，我国工业炉窑温度场监测产品依赖于进口，而进口设备价格昂贵，难以适应国内窑炉的工况，而且后续服务困难，使我国企业普遍难以承受，同时该技术存在着不易克服的技术缺陷，例如利用单波段红外固态CCD图像来测量温度的系统无法消除粉尘、烟气带来的测量误差，因这类系统是根据近红外图像的亮度来对应被测对象的温度，一旦环境中粉尘、烟气较大，系统将无法测量出准确的温度，也无法获取清晰的真彩色可见光图像，可视化效果差。而我国目前窑炉的燃料大多为煤粉，粉尘对温度测量的影响普遍存在，此类系统并不适用于国内的窑炉温度检测。

  本文设计的基于新型干法水泥回转窑烧成带测温及火焰形态监测系统，适用于国内水泥窑烧成带温度场的监测，可有效纠正高粉尘、烟气、等恶劣环境对测温精度、系统稳定性等技术指标的影响，为用户提供全面监测炉窑温度场分布和实时燃烧工况监测的有效手段，通过炉窑的中央控制系统，可以保证炉窑燃烧过程的平衡、均匀，对燃烧优化、节能减排、减少生产故障、提高产品质量，都具有重要意义和作用，可广泛应用于建材、石化、冶金等行业。

  1 系统简介

  本系统是内窥式双波长成像测温系统，依据普朗克（Max Planck）黑体辐射定律，采用热辐射技术、双波长比色焦平面阵列成像测温技术、红外辐射检测技术、计算机图像处理技术，通过数值计算得出在不同环境辐射影响下的温度修正方法，使系统满足工业炉窑燃烧温度场的检测要求，系统示意图如图1所示。

  图1 系统示意图

  本系统既可以实现对窑炉内燃烧工况的彩色视频监视，也能同步检测视场内任意区域的温度，掌握炉膛内部温度分布情况，提供可靠全面的温度测量、变化趋势及视频监测等数据，并配有历史数据库，另外还具有用户自定义测温区域、区域温度变化曲线显示、报警设置管理等功能。

  系统具有测温精度高、测温范围宽、宽动态（可清晰观察从点火到正常燃烧的整个过程），以及良好的适装性、可靠性和可维护性等特点（具体技术参数如表1所示），可为工业炉窑优化燃烧、工艺调整、节能减排提供直观可靠的数据支持与检测手段，广泛应用于水泥、电力、石化、冶金等行业的各类工业窑炉。

  表1 系统主要技术参数

  2 系统硬件设计

  本炉窑温度场红外监测系统由红外高温探头、执行机构、电气箱、气控箱、空气净化装置、图像数据处理器等组成，如图1所示。

  红外高温探头：由高温镜头、分光棱镜、双波段焦平面阵列传感器、彩色CCD传感器等组成，如图1所示。该探头采用图像比色法来进行比色测温，获取炉窑内二维温度场的分布状况，同时利用彩色CCD得到彩色图像进行工业现场的监控。

  执行机构：传动装置安装在现场，与炉壁焊接，是控制探头伸缩的执行机构，用气缸驱动。由预焊件、预埋件、执行机构、气缸等组成，用来驱动红外高温探头伸入/退出炉膛，如图2所示。

  图2 系统执行机构结构图

  数采控制箱：内置光传输及数采控制器是系统的就地采集、控制及传输装置，与就地气控箱及后端控制室图像数据处理器组成传输/控制系统。电气箱将采集的信号及探头工作状态数据实时发送到控制室服务器，同时接收来自控制室服务器的命令，驱动探头响应动作。主要功能有：探头推进、退出控制，探头保护退出控制，数据传输及通讯，系统冷却风压力参数的设定、检测。

  气控箱：内置系统压力流量检测装置，是系统运行参数的就地检测/调节装置，自动检测探头冷却气源的压力、流量等参数，当出现停气或运行参数不能满足系统设定值时，气控箱将检测信号发送到电控箱，电气箱自动将探头退出炉外，防止探头损坏。

  空气净化装置：多级空气净化装置去除压缩空气中的油水及杂质，保护探头及电气/光学系统不受污染。一级去除水装置（用户选配）当用户气源含水量高时选配，二级去过滤装置（系统标配），三级高精度过滤装置（系统标配）。

  图像数据服务器：图像数据处理器要求能支持1-2台红外测温摄像仪。

  3 系统软件设计

  系统软件是集成的视频处理/温度测量软件包，开发工具为VS2010，软件的设计流程框架如图3所示，操作人员可以观察来自两个生产区域的工况，并对可视目标或区域分别进行温度测量。

  图3系统软件设计流程图

  软件的主要功能和特点包括：兼容所采用的GS-V系列红外测温摄像仪，支持双红外摄像测温探头的接入，可呈现直观的用户图形界面和清晰的连续实时视频，支持双红外摄像测温探头的远程遥控、具有火焰熄灭检测报警功能，具有设定区域温度变化曲线显示功能，每台探头支持自定义设置32个温度测量区，可编程最小、最大和平均温度的测量，可显示长期的温度图表，温度信号支持TCP/IP以太网传输，可直接访问数据库进行温度数据分析，可自定义触发测量、报警监视和阈值监视，可进行用户多级访问权限设置等，系统软件界面如图4所示。

  图4系统软件界面

  4 结束语

  在工业炉窑测温领域，当前大多用的是单CCD系统。单CCD系统结构相对简单、成本低，但测温精度不高，对炉窑恶劣环境的适应性差，同时可视效果差，无法获取清晰的可见光图像。

  我国当前绝大多数建材和电力行业都是燃煤炉窑，炉窑内烟气、粉尘大，环境恶劣，生产线运行人员已习惯通过彩色视频看火判断火焰形态。本文报道的基于新型干法水泥回转窑烧成带测温及火焰形态监测系统设计所采用的高温红外摄像仪解决了测温精度、恶劣炉窑环境适应性等问题，并可以得到监测视场的彩色图像，很好地解决当前在可视化温度场监测系统普遍遇到的问题,能为工业窑炉优化燃烧、工艺调整、节能减排提供直观可靠的数据支持与检测手段，对节能减排、安全生产、提高产品质量均具有重要意义和作用。