受热面壁温监测是防止超温、保障机组安全稳定运行的必要手段．我国能源领域面向低碳化发展，正在施行煤电“三改联动”(节能降耗改造、供热改造、灵活性改造)，锅炉深度调峰运行逐渐常态化，受热面壁温变化速率和壁温偏差容易超过限定值，爆管和泄漏概率显著增大[1]．另一方面，众多燃煤电厂受当地资源和煤价约束，已开始大比例掺烧易结渣的经济煤种，锅炉受热面结渣沾污严重影响了炉内燃烧和水动力的安全性[2]，这对壁温检测技术提出了新的需求和挑战．现有的壁温检测主要是抽点布置热电偶检测炉管背火侧温度[3]，由于壁温测点布置具有局限性，因此利用数学模型间接计算壁温的方法得到了广泛应用．陈鸿伟等[4]利用电厂MIS采集的机组运行数据，通过模型在线计算来确定受热面壁温，并开展受热面壁温及负荷时序特性的分析[5]．王诗啸等[6]均利用数值模拟结果来训练受热面壁温计算模型．但是，由于输入量具有多变及不确定性，因此数学模型计算壁温的精度有待进一步提高．辐射测温是一种非接触式检测方法，在高温测量场景下具有突出的技术优势和良好的应用前景[7-8]．采用辐射原理监测锅炉受热面壁温的难点在于，受热面被煤粉火焰覆盖，而煤粉火焰是复杂的吸收发射散射混合型介质，水和二氧化碳等三原子气体的非连续吸收发射、灰和碳黑等颗粒的连续发射散射吸收、壁面的连续发射反射三者相互耦合干扰，要获得壁面的真实温度，须解决火焰光谱特性识别、火焰光谱参数与壁面光谱发射率耦合求解、火焰自发射辐射滤除等科学问题[9]．相关研究尝试对烟气覆盖下的壁面温度进行测量，钟万里等[10]基于源项多流法建立了烟气流下过热器壁面红外测温模型，系统分析了烟气中飞灰对红外热成像测温的影响．王煜伟等[11]在燃煤锅炉中采用红外辐射测温仪对过热器表面温度场进行了测量，在上述研究中，火焰温度和辐射物性均须提前假定．受热面的可视化在解决受热面结渣沾污问题、通过精准吹灰抑制炉内传热不均匀方面具有良好的应用前景．然而受热面可视化一直是锅炉技术领域的难题，特别是在水冷壁区域，由于火焰温度远高于壁面，并且煤粉火焰属于强消光性弥散介质，探测器接收到的壁面辐射远小于火焰辐射，在一些研究中甚至被忽略不计；因此，要“穿透”火焰来获得清晰的受热面图像极具挑战性和难度．本研究将建立辐射成像模型，采用多个探测器分别获取火焰在不同谱段的辐射图像，解耦求解探测器接收到的火焰辐射和壁面辐射份额，从而实现对锅炉受热面壁温的可视化监测，并在实际锅炉上开展测试验证．1 检测原理如图1所示，将探测器布置在炉膛边界O点处，捕捉炉内火焰和受热面图像，本质是火焰和壁面热辐射在边界处的高方向分辨率的辐射强度图像．10.13245/j.hust.240652.F001图1检测原理示意图探测器在s视线方向上接收的单色辐射强度由火焰辐射和壁面辐射提供，即Iλ(O,s)=Iλ(w,s)+Iλ(v,s)，(1)火焰辐射会受到壁面的吸收和反射，同时壁面辐射也会受到火焰的吸收和散射，两者相互耦合．采用DRESOR法来解耦求解边界处壁面辐射和火焰辐射的份额[12]，      Iλ(w,s)=∫w∫0lw14πexp-∫lβdl'Rd(w,l,s)εC1λ-5∙exp-C2λtwdldw+∫w1πexp-∫lwβdl'Rd(w,w,s)εC1∙ λ-5exp-C2λtwdw+1πexp-∫lwβdl'εc1λ-5exp-C2λtw, (2)   Iλ(v,s)=∫V∫0lw1πexp-∫lβdl'kn2Rd(v,l,s)∙C1λ-5exp-C2λtfdldv+∫V4πexp-∫lwβdl'kn2 ∙Rd(v,w,s)c1λ-5exp-C2λtfdv+∫0lw1πexp-∫lwβdl'kn2c1λ-5exp-C2λtfdl, (3)式中：Iλ(O，s)为布置在O点的探测器在s视线方向上接收的单色辐射强度；Iλ(w，s)为壁面辐射到达检测器处的单色辐射强度；Iλ(v，s)为火焰辐射到达检测器处的单色辐射强度；λ为波长；v为空间网格的体积；l为空间网格到探测器的距离；lw为壁面(w)网格到探测器的距离；n为折射率；C1和C2为普朗克常数，分别为3.742×10-16 W∙m2和1.438 8×10-2 m∙K；β为火焰的消光系数；k为火焰的吸收系数；L为火焰的物理厚度；ε为壁面发射率；tf为火焰温度；tw为壁面温度；Rd为DRESOR数，表示火焰(壁面)的辐射能量被火焰散射或壁面反射然后被探测器在单位面积、单位角度上接收到的份额[13]．要实现“穿透”火焰获得受热面辐射图像，必须保证探测器接收到足够的壁面辐射．假定炉内火焰为发射、吸收、各向同性散射介质，散射系数为吸收系数的2倍，火焰光学厚度为0.1，火焰的光学厚度等于火焰的物理厚度和消光系数的乘积．假定受热面为灰性发射、吸收、漫反射表面，壁温600 ℃，均匀分布，发射率为0.8．计算探测器接收到的火焰和壁面辐射强度，如图2所示．可以看到：DRESOR法的计算结果与DOM(离散坐标)法完全符合，壁面最大辐射对应的波长位于4 μm附近．当火焰温度为1 000 ℃时，在2.5～10 μm波段区间，壁面辐射大于火焰辐射．当火焰温度为1 200 ℃时，在3.4~10 μm波段区间壁面辐射大于火焰辐射．10.13245/j.hust.240652.F002图2光学厚度0.1时火焰和壁面辐射强度随波长变化图3给出当了火焰光学厚度为0.2时，探测器接收到的火焰和壁面辐射强度随波长变化．可以看出：当光学厚度增大时，火焰的吸收和发射作用增强，火焰辐射强度增大，而到达探测器的壁面辐射由于火焰介质的衰减作用而显著减小．此时在整个波段区间内，火焰辐射均大于壁面辐射．10.13245/j.hust.240652.F003图3光学厚度0.2时火焰和壁面辐射强度随波长变化在煤粉炉内，受热面的壁温一般在500~600 ℃范围，根据维恩位移定律，最大辐射位于3~5 μm．计算水和二氧化碳等三原子气体在红外波段的吸收特性，3~4，8~10 μm波段为水和二氧化碳的低吸收、高透过的光学谱段窗口带[14]，因此可选用感光波段3~4 μm的中波红外探测器进行锅炉受热面成像监测．同时，为保证探测器接收的壁面辐射大于火焰辐射，选择探测器安装位置时，应尽可能靠近受热面，且避开火焰温度高、颗粒物浓度大的区域．辐射图像测温属于典型的辐射逆问题，即如何从边界辐射强度检测信息中重建源项分布．火焰温度和壁面温度均未知，单一的红外波段检测信息无法实现两者的解耦．这里采用两个探测器分别获取火焰在0.38~0.78 μm和3~4 μm两个谱段的辐射强度信息，然后同时重建火焰温度和壁面温度．在0.38~0.78 μm波段，锅炉壁面辐射份额小于1%，可忽略不计．假定探测器视线方向上火焰温度和辐射物性均匀分布，此时辐射成像模型简化为二维无限大平板，可采用火焰图像温度和图像辐射率近似作为该视线方向上火焰温度和辐射率，火焰作为弥散介质的消光系数可通过辐射率和实际物理厚度反算得到．火焰图像温度和火焰辐射率计算过程如下∫380 nm780 nm[ηrελC1λ-5exp(-C2/(λtf))]dλ∫380 nm780 nm[ηgελC1λ-5exp(-C2/(λtf) )]dλ=krkg(R/S)(G/S)；ελ=IλrC1λ-5exp(-C2/(λtf))，式中：ƞr和ƞg为探测器红绿通道光谱灵敏度系数，由对应探测器的光谱响应曲线确定；kr和kg为光谱强度标定系数；R和G为红绿通道谱色值，S为探测器曝光时间；ελ为火焰辐射率；Iλr为探测器R通道接收的火焰单色辐射强度．在3~4 μm波段，无气体发射和吸收，火焰的辐射物性可近似认为与0.38~0.78 μm波段一致，将火焰温度和辐射参数代入式(3)中可计算得到火焰辐射份额，然后从3~4 μm波段的辐射检测信息中滤除火焰辐射份额，结合最小二乘法可反演得到壁面的图像温度，Tw=(ATA)-1AT(I3-4μm,O-I3-4μm,v)，式中：A为Rd数组成的系数矩阵；I3-4μm,O和I3-4μm,v为3~4 μm波段的辐射检测强度和火焰辐射强度．2 探测器标定为获取不同谱段的辐射图像，选用工业CCD(电荷耦合器件)彩色相机和红外热像仪两种探测器．CCD相机的感光波段为0.38~0.78 μm，属于可见光波段，避开了高温空间内气体组分的吸收谱带，主要接收火焰中焦炭粒子、灰粒子和碳黑的辐射光谱[15]．CCD相机的标定温度范围为900~1 700 ℃，每升温20 ℃记录一个数据点，RG通道的标定曲线均为过原点的直线，各谱色值和曝光时间的比值信号与入射辐射光强信号成正比例关系[16]．红外热像仪的感光波段为3~5 μm，探测器类型为非制冷焦平面，像素为320×240，AD分辨率16 bit，帧频60 Hz，红外镜头中心通过波长3.95 μm，可近似为单色响应．红外热像仪输出的是温度信号，为从失真的温度信号中还原边界辐射强度，采用中温黑体炉对红外热像仪进行标定，结果如图4所示，纵坐标为黑体在3.95 μm处的单色辐射强度．10.13245/j.hust.240652.F004图4红外热像仪的光谱强度标定曲线3 试验结果与分析在某电厂330 MW亚临界锅炉上开展了现场试验，锅炉为单炉膛平衡通风、四角切圆燃烧、Π型汽包炉，燃用煤种为五彩湾混煤，入炉煤灰分17%~18%．试验过程中炉膛出口CO体积分数约1×10-4，飞灰可燃物约1%．分别在层高12.6 m水冷壁区域和层高53 m屏式过热器区域，用CCD相机和红外热像仪采集辐射图像，采集过程中两台探测器的物理位置和采集时间保持一致，然后测量水冷壁和屏过表面温度．在层高12.6 m左墙水冷壁区域，CCD相机拍摄的火焰图像如图5所示，探测器安装位置距离侧墙水冷壁的距离约为2 m，在可见光波段图像中仅能看到煤粉火焰，未观测到左墙水冷壁．10.13245/j.hust.240652.F005图5CCD相机拍摄的火焰图像火焰图像温度和辐射率的计算结果见文献[17]．水冷壁侧墙区域火焰温度范围为950~1 050 ℃，该温度要远低于炉膛中心火焰温度，火焰辐射率的范围为0.3~0.5．红外热像仪采集的辐射图像如图6所示．与CCD相机图像不同的是，热像仪左侧视场“穿透”火焰观测到了部分水冷壁管，右侧视场被高温火焰遮挡．这表明：在炉膛靠近侧墙处，火焰温度和颗粒物浓度均较低，在1~2 m的火焰厚度上，中波探测器接收的壁面辐射大于火焰辐射，从而在火焰覆盖区域实现受热面的可视化，这也为直接监测受热面的结渣沾污提供了一种途径．10.13245/j.hust.240652.F006图6红外热像仪采集的辐射图像受限于观火孔的位置，无法正对壁面拍摄，在二维辐射成像模型中，假定各像素单元与壁面的物理距离即火焰厚度相等，这对于针孔成像的探测器是成立的[18]．提取热像仪图像中每个像素点对应的单色辐射强度，代入辐射成像模型中滤除火焰辐射份额，最后求解壁面图像温度，如图7所示，左侧视场中水冷壁管的表面温度为420~440 ℃．10.13245/j.hust.240652.F007图7修正后的水冷壁区域图像温度(色标单位：K)水冷壁管屏的背火侧、屏过出口到炉顶大包之间均布置了一组热电偶测点，将这些壁温测点的检测数据与热像仪测量结果进行对比，如图8所示．在水冷壁区域，热电偶和辐射测温的结果均显示左墙壁温低于右墙，热像仪测量的向火侧壁温高于热电偶测量的背火侧，向火侧和背火侧的壁温偏差约为30 ℃．在屏过处，热像仪的测温结果与热电偶基本符合，最大误差为4.1%．10.13245/j.hust.240652.F008图8受热面温度测量结果比较调取机组负荷数据与受热面壁温测量结果进行分析，如图9所示．可以看到：机组降负荷过程中，受热面壁温和炉膛出口烟温均降低；但在突然的升负荷环节，受热面壁温会有短暂的提高，而炉膛出口烟温未跟随负荷的变化，变负荷过程中受热面未发生超温．10.13245/j.hust.240652.F009图9受热面壁温测量结果与机组负荷数据4 结论a．布置在炉膛边界的探测器同时接收到火焰辐射和壁面辐射，采用DRESOR法能够解耦求解边界处壁面辐射和火焰辐射的份额．b．采用感光波段3.95 μm的中波红外探测器，并合理选择成像位置，使接收到的壁面辐射大于火焰辐射，能够透过火焰实现水冷壁的可视化．c．分别获取火焰在0.38~0.78 μm和3.95 μm两个谱段的辐射图像，解耦求解火焰温度和壁面温度，能够对火焰覆盖下的受热面温度进行测量．d．在一台330 MW亚临界锅炉上对水冷壁和屏过向火侧温度进行了测量，热像仪测温结果与热电偶基本符合，最大误差为4.1%，壁温测量结果能够准确反映机组工况变化．