为保证燃煤机组的运行安全，电力生产规程要求，大型发电机组应安装炉膛安全监控系统(Furnace Safeguard Supervisory System,简称FSSS)、水位监视与火焰监视的工业电视系统，以确保锅炉的安全运行。虽然许多电厂都安装了工业电视，但这种系统只能起到看火的作用，不能对图像作进一步的处理，无法为运行人员提供更多的操作信息[1]。
汽包水位是锅炉安全运行的另一重要指标。《蒸汽锅炉安全技术检查规程》规定:运行人员必须实时监视汽包水位。目前锅炉汽包水位工业电视(水位TV)仅仅起 到对现场水位计的远方监视作用，不能根据图像得到水位精确的定量数值，水位数据无法长期保存，且就地水位计显示的水位低于汽包实际水位，无法实施有效补偿。
针对多数电厂均已装有全炉膛火焰与水位工业电视的情况，现按应用的需求，提出一套基于数字图像处理的火焰监控与水位补偿计算机监控系统的设计，可使火焰图像和就地水位计水位数字化、信息化，在电厂监控与安全、经济运行中进一步发挥作用。
一、 系统功能设计
以往国内各大型火电厂均采用工业电视系统对全炉膛火焰图像进行监视，运行人员可参考直接观察到的火焰图像进行某些燃烧调整。但工业电视不能提供火焰燃烧的定量参数值，且对大型燃烧器多层布置的锅炉，其监视效果也不理想，即使炉膛内形成局部爆燃或局部燃烧区域已灭火，在工业电视上也难以不间断地得到监视。因 此工业电视不能直接参与灭火保护，只能作为全炉膛火焰监视的辅助手段。现提出的全炉膛火焰、水位计算机监控系统弥补了上述不足之处，一方面该系统继承了工业电视的优点，可以直观、连续地监控燃烧图像;另一方面，它可通过计算机图像处理得到一些有用的燃烧信息，如燃烧中心位置、火焰亮度信号等，还可保存一些异常工况下的图像，以供事故分析;第三，可对炉膛火焰进行伪彩色图像显示和二维温度场计算，并进一步得到炉膛辐射能信号，为调节炉膛煤粉燃烧提供依据;第 四，利用网络技术，可与分散控制系统(Distribute Control System，简称DCS)工作站相连，统一进行测控;第五，引入水位监控，实时补偿水位差值，保存水位的历史数据。
1.1 全炉膛火焰数字图像监测功能
(1) 事故图像存储
该系统设计了2种触发事故图像存储的机制。一种是根据火焰图像亮度判断，自动对炉膛火焰图像进行诊断，当计算亮度值低于设定阈值时，判为炉膛熄火，自动启动保存前后一段时间的火焰视频图像;另一种是根据DCS送出的MFT(主燃料跳闸)信号判断，图像处理计算机内配备1块I/O采集卡，系统采集的数字量信 号主要来源于DCS的炉膛主燃料跳闸信号，当系统接收到DCS的MFT信号时，自动追忆前后一段时间内的事故图像，并停止系统的燃烧诊断，直至下次MFT 投运信号的触发。
此功能的设计可准确记录熄火时间和MFT的动作时间，对事故前后几分钟的全炉膛火焰图像自动予以追忆，这就方便了在熄火发生后的事故原因分析。
(2) 火焰伪彩色显示和温度场计算
为了能直观地反映炉内燃烧情况，需对火焰图像进行处理，以反映炉内的辐射强度场。伪彩色并不是物体的真实颜色，而是利用图像中的灰度级大小按一定关系制定的颜色[2]。伪彩色火焰图像与真彩色图像相比，能进一步提供炉膛火焰燃烧区域的轮廓线形状和位置等信息，层次更为分明，可夸大差异、突出火焰层次，提供更多的火焰细节;又可在需要时突出重要部分，便于运行监督。故在本系统中提供了火焰图像伪彩色处理功能。
图像的亮度与温度存在着一一对应的关系，即每个像素灰度等级代表着一个特定的温度值，这样就可算出火焰的二维温度场(火焰图像的温度场处理，具体算法另文 发表，在此不作详述)。这里需要强调的是不同的传像系统与采集卡所采集图像相同的灰度等级可能对应不同的温度值，预先要用黑体炉对传像系统进行标定，确立温度与灰度值之间的对应关系。
(3) 炉膛辐射能测定
从锅炉炉膛所得到的火焰图像，实质上是炉内三维辐射能分布通过光学成像方式在各类图像传感器上的某种累积方式的反映。所以采用图像处理技术对火焰图像进行分析，可测定直接反映锅炉燃烧工况好坏的炉内辐射能的大小[3]。但图像辐射能不能直接测定，必须选择一个能代表图像辐射量的直接参数。图像是由亮度、饱和度和色调3个分量组合而成的，其中所接受的大部分参量都集中在亮度分量上，可选择图像之间的亮度差作为直接反应图像辐射量大小的参数。得到炉膛辐射能信号后，分析炉膛辐射能信号与机组主要运行参数之间的关系，可将其用于锅炉的燃烧控制。
(4) 与DCS的通信
该系统可利用串行口实现与DCS的通信。系统可从DCS得到所需的压力等运行参数，也可根据用户的要求，将系统输出的某些数字量甚至图像信息传送至 DCS。
1.2 水位数字图像监测功能
(1) 水位TV视频采集、处理与显示、记录等功能
系统实时采集水位TV视频信号，进行水位图像处理，包括滤波去噪、水位红绿分界面边缘提取与锐化、按需要选取水位TV原始图像在计算机CRT(显示器)上显示的窗体区域。取得水位定量数值后，可通过通信向DCS实时传送高位水位计水位数据，并在系统中实现以下功能。
①画面组合显示：如图1所示，将原始图像处理后的棒图、实时水位波动曲线及水位值组合显示。
②历史数据的记忆:保存高位水位计水位的历史数据。
③其他记录打印等功能。
(2)实现水位的温度、压力补偿
水位图像经计算处理后，可得到清晰的汽水界面和汽包水位指示值。根据汽包压力和水位计中水的平均温度对水位进行温度和压力补偿，进一步修正水位计读数，重新标定汽包水位，并用于锅炉测控，可提高汽包水位测量的准确性。
就地水位计处于汽包外，由于散热，水位计中水的温度必定低于汽包压力下水的饱和温度，且上部的水与下部的水的温度也不同，上部的水由于蒸汽不断凝结，其温度接近饱和温度，下部的水的温度较低。因此水位计中水的平均密度与汽包中饱和水的密度不同，造成水位计中的水位与汽包水位不同，两者之间关系可简化为
[ 4]式中。ρw为汽包压力下的饱和水的密度;ρs为汽包压力下的饱和蒸汽密度;H为真实水位;ρwl为水位计中水的平均密度;Ho指示水位;△H为真实水位与 指示水位的差值。
水位计中水的密度大于汽包饱和水的密度，即ρwl>ρw，这就是造成显示 水位Ho低于汽包内实际水位H的原因。由于ρwl由当时的汽包压力和水位计中的水温所决定，因此，必须根据实际情况进行修正，且修正值△H随汽包压力的升高和真实水位H的升高而增大。该系统可直接计算得到对应汽包压力下的ρw和ρs， 故水位的修正仅取决于水位计中水的平均密度ρwl。它与汽包压力、水位计的水位高度、环境温度和散热情况等有关，其数值很难准确测 定。然而通过红外测温或在水位计筒体上设置温度测点，测定水位计外部温度，基于凝结换热的特性，通过智能化信息处理，可求得水位计中的平均水温和ρwl， 从而可以实现自动补偿。
二、系统实现
此系统由光学系统、面阵电荷耦合器件(Charge Coupled Devices,简称CCD)和图像处理计算机组成，结构如图2所示。
图2中，由光学系统、工业CCD和吹扫冷却系统构成全炉膛火焰图像探头，炉膛火焰与水位图像经分割器送入图像处理计算机系统;系统利用串行通信协议与 DCS进行通信。图像处理计算机输出信号一路在显示器上显示，另一路送还分割器输出至供运行人员监视用的工业电视或等离子屏。正常运行时，该系统输出的数字信号直接为运行人员监视所用的全屏显示，但为了保障运行的安全性，若计算机发生故障，可切换至模拟画面显示。
三、结 论
针对原有全炉膛火焰监控系统的不足，设计了新一代的全炉膛火焰监控系统。新的全炉膛火焰监控系统将火焰图像处理与汽包水位图像处理结合在一起，既为运行人员提供了更精确的图像信息，也节约了系统成本。目前，这套火焰、水位监控系统在火电厂的应用效果较好，得到了用户的好评。
