燃煤锅炉火焰温度及辐射率图像实验研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 燃煤锅炉火焰温度及辐射率图像实验研究 姓名姜志伟 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师周怀春 20040425 - I - I 摘 要 大型电站锅炉内煤粉的燃烧是一个发生在大空间范围不断脉动的具有明显 三维特征的物理化学过程因此燃烧工况的监测对于锅炉安全经济洁净运行具 有重要的意义 而炉膛火焰温度及辐射率的测量则是燃烧领域一个复杂但很重要的 问题它是燃烧理论和燃烧技术发展的重要基础之一近年来国内外对于炉膛火 焰温度场可视化技术进行了广泛和深入的研究光学技术声学技术和图像处理技 术纷纷应用到火焰温度场的可视化研究中 本文基于 Wien 辐射定律和图像处理技术对彩色火焰图像进行标定可获得红 R绿G蓝B代表性波长下的单色辐射温度分布图像在灰性假设条件 下还可获得火焰的温度和辐射率分布图像试验标明采用较小的 R/B增益比可 增加图像探测器能够检测的火焰温度范围在较高温度大于 1200条件下实 际上只有红色和绿色分量可被利用标定结果同时表明CCD 摄像头的白平衡设 置对双色法测温影响很大因此在实际应用过程中应当选择合适的白平衡 在一台 300MW W 型燃烧锅炉上进行了试验 通过火焰探测器拍摄了锅炉同一 壁面不同高度处的火焰图像并给出了相应的温度和辐射率图像 试验结果可以反 映出炉膛内火焰温度和辐射率的分布水平与炉膛内火焰的实际燃烧情况比较相 符 炉膛火焰温度及辐射率图像的研究作为火焰温度场可视化技术的基础 它对提 高温度场测量的精度具有重要的意义同时火焰温度及辐射率图像也可作为一种 监测手段便于机组运行人员更好地进行燃烧调整和事故分析从而提高机组的安 全性和经济性 关键词电站锅炉燃烧图像处理温度辐射率 - II - II Abstract The process of pulverized-coal combustion in large-scale boiler of power station is a complex physical and chemical reaction occurred under the condition of large space, frequent fluctuation and having conspicuous character of three dimensional, so the monitoring of combustion status is very important to safety, economy and cleaning of boilers in operation. The measurement of flame temperature and emissivity is a complex and important issue, and they are essential for the development of combustion theory and technology. Recently, many researchers have studied the technology of visualization of temperature of flame. The technologies of optics, acoustics, image process are applied in visualization of temperature of flame. Based on Wien Radiation Law, this paper presents a calibration of color radiant images of flame. Through this , three monochromatic radiant intensity distribution images for the red R, green G and blue B colors under their representative wavelengths can be gained; with the assumption of flame gray radiant property, flame temperature and emissivity distribution images can also be calculated. Experiments show that, using the smaller R/B gains can increase the flame temperature range which can be measured by the image detectors. With the temperatures higher, example of more than 1200, only red and green colors can be used actually. Calibration results also shows that the setting of white balance of CCD affects the measurement of temperature used by double-color , so the proper white balance of CCD should be selected. The experiments were done in a W 300 MW boiler. Images of flame were captured by a flame detector in the different altitude of the same wall, and the images of temperature and emissivity are given. The results of the experiment can reflect the level of the temperature and emissivity, and accord with the practical combustion state of flame in the boiler. The study of the images of flame temperature and emissivity in boiler acts as primary research of the realization of visualization of temperature, and it is important for increasing accuracy of temperature measurement. At the same time, the images of flame temperature and emissivity can also act as a monitoring . It is easy to assist unit operators developing combustion diagnosis and accident analysis, and improves the security and economy of boiler. Keywords Power Plant Boiler Combustion Image Process Temperature Emissivity - 1 - 1 1 绪 论 1.1 课题背景及意义 能源是社会发展的物质基础是国民经济发展的必要条件经济建设的增长速 度和发展规模与能源生产数量及能源耗用情况密切相关[1]在 21 世纪的今天能 源与环境是困扰全球可持续性发展的两大主要问题能源包括煤石油天然气 水能地热太阳能以及核能等我国能源比较丰富尤其以煤炭和水力资源更为 丰富我国煤炭探明储量有 7000 多亿吨位居世界第三位水力资源的理论贮藏 量大约有 6.8108KW居世界首位由于煤炭和水力资源的丰富为我国火力发 电和水力发电提供了便利的条件但是水力发电受季节气候等因素的影响很难 广泛使用目前我国的电力以燃煤形式的火力发电为主并且这种趋势在相当长的 时间内都不会改变[2]虽然在燃煤发电技术上取得了很大成效但火力发电在我国 仍是一个薄弱环节设备效率比国外先进水平低得多全国火电厂平均效率为 32.3,而国外先进水平为 47.5 电站锅炉是成套火力发电设备中最复杂技术成熟程度相对较低故障率高 适应负荷变化速度最慢的设备其运行状况决定了整个机组的安全性和经济性主 要表现在以下几个方面1锅炉燃烧的效率相对较低造成大量的能源浪费[3-5] 2煤质多变实际燃用煤种与设计煤种相差较大3电站控制系统在保证燃 烧经济性方面不够理想4我国正向国际化方向迈进环境保护[6-11]是一个重要 的衡量指标但目前火力发电厂在减少环境污染方面的工作仍需继续改进深化 才能达到国际标准5企业生产首先要考虑的是安全目前为止电站曾发生过尾 部烟道自燃 除氧器爆炸 汽轮机超速 断轴以及屡有发生的炉膛爆炸等恶性事故 给电力生产造成了严重的后果其直接或间接的经济损失都是非常巨大的所以在 提高发电技术的同时要充分考虑系统的安全性提高燃煤发电机组的热效率节 约有限的煤炭资源同时降低燃煤过程产生的污染这是我国实现可持续发展的一 项重要而紧迫的课题 随着节能降耗和环境保护方面要求的提高以及国民经济的发展对电力需求的 - 2 - 2 不断扩大燃煤锅炉机组运行的安全性经济性以及低污染问题显得特别突出大 型工业炉膛内的燃烧过程发生在相对大的空间中是剧烈脉动的具有典型三维特 征的复杂物理化学过程电站锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并维持稳定均 匀的燃烧火焰火焰温度分布是燃料在经过高温化学反应流动以及传热传质等过 程后的综合体现它是表征燃烧状态稳定与否最直接的反应炉内燃烧火焰温度分 布与燃烧效率炉膛出口未燃尽碳损失都有非常紧密的联系炉内燃烧火焰温度分 布与锅炉几何尺寸的关系也反应出锅炉设计和制造的合理与否 炉内燃烧火焰温度 分布的均匀性对 NOX的生成也会有影响[12-16]燃烧不稳定不仅会降低锅炉热效率 产生污染物噪声等而且在极端情况下可能引起锅炉炉膛灭火如果处理不当就 会诱发炉膛爆燃造成事故从锅炉燃烧控制方面来讲建立在炉内燃烧火焰温度分 布技术之上的自动控制技术对于锅炉运行的安全性 经济性和低污染性能提供有效 的保证 燃烧火焰的温度场测量是燃烧领域一个复杂但很重要的问题 它是有效的燃烧 诊断和燃烧过程控制的重要基础 电站锅炉炉膛内燃烧火焰温度场可视化的实现对 于揭示燃烧现象的本质和燃烧过程的规律以及燃烧理论的发展都有非常重大的意 义此外炉膛温度场可视化技术对于燃烧设备设计方法的改进以及设备运行的优 化也有巨大的推动作用 近年来 国内外对于炉膛内燃烧火焰温度场可视化技术进行了广泛和深入的研 究[17-28]光学技术声学技术图像处理技术等纷纷应用到火焰温度场可视化中 由于电站锅炉尺寸庞大环境恶劣至今仍未能开发出适用的三维可视化技术因 此 只能对其缩小了的原型在实验室进行研究 或者采用计算机进行数值模拟研究 激光全息干涉技术已被应用到小型实验室对象的三维燃烧温度场检测的研究过程 中但由于技术上的困难还难以应用到大型工业炉膛燃烧的检测中基于声波传递 速度随介质温度变化而变化的原理而开发的炉膛温度检测技术在二维断面温度分 布可视化方面取得了一定的成功 但由于声波传递速度的限制以及声波检测方法的 制约这种方法难于实现三维温度场的可视化基于辐射图像处理的燃烧温度场重 建和可视化方法的研究受到了很大重视国内外研究提出基于全色法双色法的二 维温度分布检测办法 浙江大学岑可法院士的课题组与本课题组对二维及三维光学 成像和辐射传递正问题计算方面做了很多探索性的工作 并取得了很多卓有成效的 - 3 - 3 成果提出了采用数字化摄像装置从电站锅炉炉膛燃烧空间摄取燃烧辐射图像然 后基于辐射图像处理和辐射传热逆问题求解建立二维和三维炉膛温度场重建方法 全炉膛温度及辐射率图像作为温度场可视化的基础研究部分 对于可视化技术 的实现具有重要的意义 炉膛内煤粉火焰的辐射特性与火焰的温度及辐射率有着密 切的关系 因为火焰中不同成分的辐射能力及作用各不相同[29]而煤粉火焰的辐射 特性对于炉内二维及三维温度场重建精度的提高具有重要的意义 1.2 本文的主要工作和内容安排 本文从 Wien 辐射定律出发 提出了彩色火焰辐射图像的标定方法 可获得红 R绿G蓝B代表性波长下的单色辐射温度分布图像在灰性假设条件 下 还可获得火焰的温度和辐射率分布图像 该方法通过黑体炉作为标准辐射热源 对火焰单色辐射强度进行了标定 标定的结果可直接用于火焰温度场及其辐射率的 计算最后采集了湖北鄂州电厂 300MW 机组的火焰辐射图像进行了初步计算和分 析其具体内容安排如下 第一章介绍了课题的背景 第二章介绍了炉膛火焰温度及辐射率相关检测技术 第三章介绍了基于彩色图像处理的火焰温度及辐射率图像的检测方法 第四章在一台 300MW 锅炉上进行了火焰温度及辐射率图像的研究给出 了沿炉膛不同高度的火焰温度及辐射率图像 第五章全文总结与建议 - 4 - 4 2 炉内火焰温度及辐射率分布测量技术 2.1 燃烧火焰温度检测技术 温度的测量都是根据物质的物理化学性质与温度的关系而来的。对于高温火 焰的温度测量来说，一般分为接触式和非接触式测量。接触式测量最典型的代表就 是热电偶[30,31]和接触式光纤高温计[32,33]。接触式温度测量对原场会造成干扰，一般 只能实现点测量。非接触式温度测量由于不与被测介质直接接触，热惯性小，测量 上限不受材料限制等优点而倍受关注。在非接触式测量中，感受元件必须能响应温 度和温度变化，一般以光学法为主。根据反映温度和温度变化的信息载体，非接触 式测量又可分为主动和被动两类。 主动式测量的信息载体是初始状态已知的标准信 号源如激光和声音等，当标准信号经过介质时，信号的物理特性随之发生改变，感 受器件探测的就是这种物理性质的变化， 然后通过介质温度与信号物理性质变化的 耦合来计算介质的温度。被动式测量的信息载体就是介质本身所具有的辐射能量， 因此也称为辐射法。辐射法主要包括 CT 法[34-36]、辐射强度法单色法、双色法 和全色法[37-39]， 和谱线反转法[40]。 主动式测量根据信息载体的不同目前可分为声学 测量声速法和频率法[41]，和激光测量相位测量和散射测量[42]等。 一、声学 CT 法 声学 CT 已经实际应用在大型工业炉膛的温度场重建与监测中[43,44]。声学 CT 的投影数据是声波在气相对工业燃烧过程而言一般简化成空气介质中的传播时 间。声波传播时间和传播路径上的气体温度关系式为 τ l T 05.20 1 2.1 式（2.1）中 T 为气体温度K，l为传播路径长度m，τ为传播时间s。 对于二维温度分布，需要将二维空间网格化为n个单元，各个单元的气体温 度为,...,2 , 1niTi。为了重建 i T ，需要布置多个声波发射装置扬声器和声波接 收装置麦克风，设发射装置和接受装置构成m个探测路径。对于其中任意一条 路径 j 有 - 5 - 5 ∑∑ n i n i ijijij xb 11 ττ 2.2 其中05.20/ jiji lb， i i T x 1 。 ji l为第j条路径穿过第i网格单元的长度，如果 第j条传播路径不穿过第i网格单元，0 ji l。总共m个传播路径对应的方程用矩 阵形式表示为 ABX 2.3 式中 T m A 1 ττL， T n xxX 1L ， mnm n bb bb B L LLL L 1 111 ， 采用最小二乘求解方程2.3时，应该保证nm ≥。任意两条路径必须经过至少 一个不同的单元，这样每个网格的温度信息将至少出现在方程中一次。以上就是 声学CT重建断层温度场分布的基本原理。 声波CT作为一种非接触式高温测量方法， 在煤粉锅炉燃烧监测和诊断中已受 到越来越大的重视，其作用归纳为几点，首先可用来监视炉膛上部区域的烟气温 度，决定何时该进行吹灰操作，维持锅炉良好的运行性能，利于汽温控制；其次 可用来监视炉膛燃烧器区域附近的烟气温度，有助于识别和消除燃烧器故障导致 的燃烧工况异常，同时可望加入到对污染物的生成有重要影响的温度的优化控制 中。但由于每个传播路径上的传播时间受到声波传播速度的限制，断面平均温度 的测量要受到燃烧脉动的强烈影响；对于二维温度场重建，当空间分辨率越高时， 所需的传感器越多，采集全部测量数据所花的时间越长，燃烧脉动的影响就越大。 三维温度分布信息的重建所需要测量数据更多，对于剧烈脉动的燃烧过程几乎不 可能实现。从根本上说，声波CT方法受到声波传播速度和一条测量路径一次只 能获得一个测量数据的限制，在提高空间分辨率和时间分辨率两方面同时存在严 重的障碍。 二、光学层析技术 光学层析技术是建立在全息干涉测量和计算机数据处理及图像显示这两个现 代高科技技术基础之上的一项崭新的技术，它由医学CTComputed Tomography 技术即X射线断层扫描计算机成像技术发展而来。通过多方向的积分测量和图像 - 6 - 6 重建及再现过程，就能够高精度的实现三维空间物理量场的瞬态测量[45-50]。 该方法主要是采用激光全息干涉测量技术，在获得温度场不通干涉图的基础 上，把三维温度场分成一组平行的截面，用计算机分别处理每层断面上每条光线 所得的干涉数据，通过重建算法计算出每层截面的温度分布。 层析技术中的图像重建算法首先是由Radon于1917年完成，现称之为Radon 变换[48]。在三维断面空间中，若用极坐标,βr代替直角坐标,yx，如图2.1所 示，/,sin,cos 1 xytgryrx − βββ，在XOY平面内，某被测物理量,βrf 沿直线L的积分为 [] ∫ ∞ ∞− − dststgstftp/,, 122 θθ 2.4 记为[], 1 θtp − ℜ，它是,βrf在θ方向上的投影，成为函数,βrf的Radon 变换，其Radon逆变换[], 1 βrp − ℜ为 [] ∫ ∫ ∞ ∞− − −− ℜ π βθ θθ π ββ 0 1 2 1 cos , 2 1 ,, tr dtdtp rfrp 2.5 t tp tp ∂ ∂ , , 1 θ θ 2.6 从理论上讲，只要投影采样间隔无限小，能得到所有扫描积分测量的投影值， 就能精确的得到,βrf。 以激光为信息载体的光学层析技 术要求光束能够穿透介质，对投影方 向数也有一定的要求[49]。对于不透明 封闭腔内的温度场重建来说，该方法 存在难以逾越的障碍。对于以火焰自 身辐射作为信息载体的CT重建技术， 如发射火焰CT， 只适用于没有吸收和 吸收系数均匀分布的火焰；而光学分 层成像CT也只能考虑辐射吸收介 质[50]。采用光学CT技术重建温度场 分布时要对火焰进行断层扫描，要求 图2.1 Radon变换 - 7 - 7 燃烧火焰必须稳定。对于大型燃煤炉膛，介质具有很强的散射特性，介质折射率 和温度之间的关系也很难确定。所有上述原因都严重限制了光学CT方法在大型 燃煤锅炉炉膛内三维温度场重建方面的应用。 三、基于彩色图像处理技术的温度检测方法 电站锅炉炉膛发生的燃烧过程伴随强烈的辐射能传递过程。燃烧过程的温度的 测量一般基于Plank辐射定律。在煤粉燃烧火焰辐射的波长范围300到1000nm及 温度范围800到2000K内，Planck定律可由Wien辐射定律取代[51]      − T CC TE λλ λελ 2 5 1 exp, 2.7 这里，,TEλ为燃烧火焰辐射能，λε为辐射率，T为绝对温度（K） ，λ为波长 （nm） ， 21,C C为Planck常数。辐射率λε是波长λ的函数，这也就决定了煤粉燃 烧火焰的辐射特性的复杂性。 1.双色法 火焰温度检测要经过光电、模数转换过程，一般要进行精确的标定。为了避开 标定的困难， 在燃烧领域国内外学者广泛使用标定相对简单的双色法进行燃烧火焰 辐射温度的检测[52-57]， 该方法对温度测量的精度是由两个或多个波长下辐射率的相 近程度决定的。该方法通过两个或多个波长下的单色辐射能检测信号的比值，直接 得到单色辐射能的比值，从而略去了对光电、模数转换过程的标定。为了获得燃烧 火焰的二维温度分布信息，就必须获取两个波长下火焰的辐射图像。在两个波长 λ λ 12 , 下若同时测量到由同一点发出的单色辐射能E TET, ,, λλ 12的检测值 ,,, 21 TGTGλλ （一般为单色图像的灰度值） ，则两者的比值当忽略不同波长下辐 射率的变化时为               −− 21 2 5 1 5 2 2 1 11 exp , , λλλ λ λ λ T C TE TE 2.8 则温度T可从1.8式中计算出来，为               −− 5 2 5 1 2 1 21 2 , , ln/ 11 λ λ λ λ λλTE TE CT 2.9 这里C20.01438833mk。 - 8 - 8 采用这种方法时， 需要从同一对象检测两个波长, 21 λλ下的单色辐射能检测灰 度图像,,, 21 TGTGλλ ，一般需要至少两个CCD摄像机和复杂的光机系统。 浙江大学热能工程研究所利用彩色图像中红R、绿G、蓝B三基色信号的比 值计算温度图像[58]，实现起来容易多了。这种方法也是双色法的范畴，我们称之为 基于彩色CCD三原色的简化双色法。文献[59]分析认为，由于彩色图像处理器件 中能够分配给三原色各自的存储单元只有单色（黑白）图像对灰度信息的存储单元 的三分之一，而且由于火焰温度变化范围较宽，三原色信号之间相差悬殊，简化型 双色法二维温度检测方法适用范围收到限制。 2.基于参考测温的单色法 本方法的基本原理是，在炉膛看火电 视装置的摄象机一般为CCD前加装一个 滤色片以获取单波长下的火焰辐射图像的 同时，利用双色高温计（如果条件不具备 的话，就以高温热电偶代之）实测炉内一 个摄像方向（或一点）的燃烧温度作为参 考温度， 进而计算出火焰二维温度场[60-61]。 仍以Wien辐射定律为基础。 如图2.2所示， 设双色高温计测温方向在看火电视图像上 所处的位置为, 00 ji，所测温度值为 , 00 jiT，该点在火焰图像上相应位置的 辐射能为, 00 jiE，所用波长为λ。对于 图像中任一点,ji，其辐射能为,jiE， 所求温度为,jiT，从1.7式，有               −− , 1 , 1 exp , , 00 2 00 jiTjiT C jiE jiE λ 2.10 则从上式可解出,jiT为         − , , ln , 1 , 1 00200 jiE jiE CjiTjiT λ 2.11 图2.2单色辐射能成像和参考测 - 9 - 9 这样，图像上任何一点的温度可从其辐射能与参考测温点的辐射能的比较中得 到。 3.综合法 基于彩色CCD辐射图像信息处理的燃烧火焰二维温度检测综合法采用普通的、 用于工业检测的高温火焰彩色图像监测装置获取炉膛燃烧火焰彩色图像， 即由高温 镜头、传像光路或者传像光纤、彩色CCD、彩色图像处理器件、工业控制计算机 组成装置的硬件。综合实施步骤如下 （1） 选择红 （R） 、 绿 （G） 原色作为参考温度计算原色， 它们的代表性波长 21,λ λ 即为彩色CCD相应的响应曲线中最大响应值所对应的波长，并将三原色用标定系 数k进行校正。 （2）在火焰彩色图像中选择参考温度检测区域在火焰彩色图像中亮度大于 平均水平的区域中选择参考温度检测区域， 参考温度检测区域可根据需要取为单个 象素或者整幅图像有效范围的一万分之一左右内的象素集。 （3）参考温度计算计算参考温度检测区域所有象素的两个参考温度计算原 色经校正后的各自的平均值，即 00,g r，由下式计算参考温度 0 T 5 12002120 //ln/1/1λλλλgrkCT− 2.12 （4）二维温度图像计算将彩色图像按一般方法转化为灰度图像 ji G , jijijiji BGRG ,,,, *3 . 0*59. 0*11. 0 2.13 再计算温度图像 ji T , 4/1 0,0, GGTT jiji 2.14 这里， 0 G为参考温度检测区域平均灰度。 综合法和单色法相比， 仅从一幅彩色图像采集处理过程中即可得到温度图像检 测结果，取消了图像采集处理之外的参考温度检测部分，结构进一步简化，可靠性 进一步提高；与基于面阵CCD的火焰二维温度图像检测方法相比，虽然硬件组成 相同，但由于数据处理方法的改进，温度场计算的精度大大提高、测量范围加大， 基本满足测量要求。 因为即使为了保证高温区彩色图像不致饱和而使低温区某些象 素接受到的三原色信号中的蓝色和绿色信号为零，只要红色信号不为零，仍可计算 出非零的灰度值，本方法就可给出该点的温度检测值。 - 10 - 10 四、红外测温法 在热红外波段，若假定目标为理想辐射体或黑体，则其辐射强度与温度之间的 关系可以由Planck定律来描述，即有 1 25 1 1exp − −         −      T C CB λ λ λ 2.15 其中 λ B为波长为λ时的光谱辐射强度， 单位为W/m3，C1和C2为物理常数C13.74 10-16Wm-2，C21.43910-2mK，T为目标的温度，单位为K。 然而事实上， 实际的目标都不是理想的黑体， 因而它们的辐射发射率不等于1， 因此上述假设对很多实际情况是不适用的。对目前广泛使用的红外热像仪来说，其 通常测量的是在特定波段内来自目标的总辐射通量，且其可由2.15式在整个波段 范围内求积分得到，即有 4 TQemottedεσ 2.16 这里σ为Stefan-Boltzman常数，其值为5.6710-8W/m2K4。在很多情况下，红 外热像仪是通过将所测得的目标的辐射强度转换为物体的温度而实现测温的， 这可 描述为 25. 0 / tsa AQTσε 2.17 其中Q是目标表面发射的总体辐射通量，其可由下式获得 ∑∑ m i n j s jiqQ 11 , 2.18 qsi，j是测量表面上s点处的辐射强度，i，j是s点的坐标值，对TVS-2000和 TVS-3000来说，其值通常分别取1到100和1到256。εs为s点的辐射发射率， At为测量区域的面积。 图2.3 热像仪测量原理示意图 - 11 - 11 图2.3给出了利用热像仪进行火焰温度测量的原理示意图。由2.17式很易看 出，应用红外热像仪测温时，目标的辐射发射率εs必须事先知道。 而对火焰来说，其辐射发射率的分布不均一，加之火焰的燃烧产物因燃料类别 和工况等条件的不同而不同，即使对于同一燃料和同一工况条件，要精确测定其发 射率的真实分布亦很难实现。因此，在应用红外热像仪测量火焰温度场时均需事先 假定其发射率，这一假定将给测量结果造成的误差由下式估算 ε ε∆ ∗ ∆ 25. 0 Q Q Er 2.19 此外，目标的光谱辐射特性可描述为 λ λλ ε B II 2.20 式中I和IB分别为波长λ处目标和同温度下黑体的辐射强度。由此式不难看出，在 测试目标温度不变的情况下，目标光谱辐射强度的变化主要由其发射率的变化引 起。因此，在一定的波长范围内，可以通过测量沿目标某一积分路径上辐射光谱的 方法来间接获取目标发射率的相对值，进而通过改变测量视线line-in-sight获取目 标发射率的相对分布。 此分布的测量结果可为热像仪测温数据的发射率修正提供很 好的依据。 2.2 炉内火焰辐射率测量技术 我们知道， 燃烧火焰辐射率是辐射率ε是波长λ的函数。 但当采用前面所述的 辐射方法测量火焰温度时，火焰辐射率都是假设为不随波长变化的（可见光测温） 或是设定值（红外测温） ，这就给温度的测量带来了一定的误差，因此提高燃烧火 焰辐射率的精度对于辐射法测量火焰温度具有重要的意义。 炉膛中煤粉燃烧时形成的是半发光火焰。 这种火焰的主要辐射成分是焦炭粒子 和灰粒。焦炭粒子是指颗粒状煤粉在逸出水分和挥发物后的剩余部分。焦炭粒子在 燃尽后形成灰粒。焦炭粒子辐射强烈，灰粒也有一定的辐射力。在半发光火焰中， 水蒸气、二氧化碳等辐射气体也存在的，但不起主要作用。火焰辐射是一个十分复 杂的现象。首先，各种火焰的辐射成分不同，而每种成分的辐射特性又有差别；其 次，燃烧室中不同部卫的温度和辐射成分的浓度也不一样，并且它们和燃料种类、 燃烧方式和燃烧工况有关；再次，各种辐射成分的辐射相互之间还有影响。因此， 要得到一个适用于多种不同场合的火焰辐射率计算公式是困难的。 在现行锅炉热工 - 12 - 12 计算中， 对火焰辐射计算做了一些简化1由于火焰的主要辐射成分是辐射光谱连 续的固体颗粒，所以近似地把火焰作为灰体处理；2炭粒子具有连续辐射的特性， 因此在实际研究中用炭粒子的单色辐射率表示火焰的单色辐射率。试验证明，碳氢 火焰中炭粒子的粒径在10－180 nm之间，因此火焰中炭粒子整体所呈现的特性取 决于炭粒子的体积浓度而与粒子的平均粒径无关，所以，可以把炭粒子群看作一均 匀连续介质，其单色辐射率 λ ε可表示为 LKλ λ ε−−exp1 2.21 式中 λ K单色消光系数，可根据Lorentz-Mie理论和粒径分布函数求得，m-1； L测量光束在介质中的光程，m。 Hamadi，Vervisch和Coppalle在他们的实验研究中发现，碳氢火焰中的炭粒 子的单色消光系数 λ K可以仅仅看作为波长λ的函数 α λ λ− KK 2.22 式中，K和α分别是与波长λ无关的常数。进一步的研究表明，K是一与炭粒子体 积浓度成正比的常数，α的值对于可见光波长范围为0.65-1.43，对红外光范围为 0.91-0.97。 文献【62】中提出，对近距离物体表面辐射率的测量，当被测表面满足灰体 近似条件时，表面辐射率的计算公式为                 −                 −         n o u n o u n o r T T T T T T 1/ε 2.23 其中， r T为热成像仪指示的辐射温度； u T为环境温度； o T为被测物体表面温度。 当被测表面温度很高时， o u T T 很小，则2.23式可简化为 n o r T T         ≈ε 2.24 式2.23、2.24中n的取值跟测量波长有关。在2～5μm时，n＝9.2554；在 8～13μm时，n＝3.9889。 对满足灰体特性的一些非金属材料，测量物体表面辐射率有两种简单的方法 一是用热电偶等测温元件和热像仪分别测出被测件表面真实温度和辐射温度， 代入 - 13 - 13 式2.23或2.24中，就可计算出辐射率；二是在被测表面涂上已知辐射率的涂料， 用热像仪测量出它的辐射温度，再代入式2.23或2.24中，可计算出被测表面的辐 射温度，再用热像仪测量出未处理表面的辐射温度，再将其真实温度和辐射温度代 入式2.23或2.24中，可计算出表面的辐射率。 上述两种方法在实际辐射率测量时，虽然操作简单但测量误差较大，它主要 受到测量仪器的误差、背景温度和试件表面真实温度测量误差的影响。为了达到高 精度的测量，可采用如下几种办法 一、双参考体方法 这种方法是用一个黑体和一个高反射率的漫射板作参考体，让被测试件保持 与黑体温度相同，漫射板温度等于背景温度。分别用热像仪测量试件、黑体和漫射 板的辐射能，则有 n u n o n u n r RBB Rs s TT TT fTf fTf − − − − ε 2.25 式中， s ε为试件表明代测的辐射率； s f， BB f， R f分别为热像仪测量的试件、黑体 和漫射板输出的信号； r T， o T和 u T为热像仪测量的试件、黑体和漫射板的温度。 二、双温度方法 这种方法仅需一个已知辐射率的参考体。被测试件和参考体保持相同的温度， 在两个不同的温度 1 T和 2 T时， 同时用热像仪测量它们的辐射能。 实现这一方法有许 多途径，最简单的一种是在试件上涂一小块已知辐射率的涂料。在温度为 2 T时，用 热像仪测量试件和涂料的辐射量，热像仪输出的信号分别为 2 TfS和 2 TfR，对应 的辐射温度分别为 2S T和 2r T。在温度为 1 T时，用热像仪测量试件和涂料的辐射量， 热像仪输出的信号分别为 1 TfS和 1 TfR，对应的辐射温度分别为 1S T和 1r T，则有 12 12 TfTf TfTf RR SS S − − ε 2.26 其中， R ε为参考体（涂料）的辐射率。 三、双背景法 在某些测量条件下，当不能改变被测量体的温度时，可采用双背景法。这种 - 14 - 14 方法时在两种不同背景温度下进行的，试件和参考体在两次测量中保持温度不变。 当大气投射率 a τ＝1时，有 n r n r n s n s R B