Исследование методов трансформации и анализа ИК-тепловизионной видеоинформации о факельном горении газообразного топлива : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.13.01

Актуальность темы исследования. Процесс сжигания энергетического топлива с целью получения тепловой энергии и, при необходимости, переработке ее в другие виды энергии (например, электрическую) широко распространен как в быту, так и в различных отраслях промышленности (энергетика, металлургия, химическое производство и т.д.). Сегодня наиболее распространенным методом сжигания топлива является факельный способ, в котором топливо и окислитель подаются по раздельным каналам в специальное горелочное устройство, где происходит перемешивание реагентов и формирование факела в топке или камере. В течение XX в. было разработано и используется на практике большое количество различных теплотехнических установок, в которых удается обеспечить необходимые условия для поддержания факельного режима горения для любых видов топлива (газообразного, жидкого, твердого).
Однако в подавляющем числе современных промышленных агрегатов, используемых для сжигания энергетического топлива, для управления процессами горения, в том числе в автоматическом режиме, используются устаревшие технологии. Например, для управления процессом горения в паровом энергетическом котле сегодня используются алгоритмы, основанные на использовании параметров процессов горения, прямые измерения которых производятся исключительно в процессе пусконаладочных испытаний, а в процессе эксплуатации оборудования непосредственно измеряются только параметры, косвенно связанные с процессом горения – давление газа перед горелками, разрежения в контрольных сечениях газовоздушного тракта, содержание кислорода в уходящих газах и т.д. При этом, априори, полагается, что в процессе эксплуатации оборудования значения этих параметров (температура газов в топке, геометрические размеры факела, его положение в топке и т.д.) будут оставаться на уровне контрольных значений, измеренных в ходе пусконаладочных испытаний. Однако данное предположение оказывается выполненным далеко не всегда, что приводит к возникновению целого ряда проблем, в том числе к
5
повышению концентрации вредных веществ (в первую очередь, оксидов азота
NOx), содержащихся в продуктах сгорания. Таким образом, разработка методов контроля, обеспечивающих прямое измерение параметров состояния собственно факела и протекающих в нем процессов, является актуальной задачей.
Здесь, как показывают результаты исследований, проведенных Д.М. Марковичем, В.М. Дулиным, Дж.М. Карломанье, одним из наиболее перспективных подходов является подход, основанный на использовании бесконтактных панорамных методов диагностики потока, не оказывающих воздействие на объект исследования, в том числе методов, основанных на анализе бесконтактных измерений теплового излучения горящего факела в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра электромагнитных волн 1,5 – 5,1 мкм, с помощью ИК- тепловизионных видеокамер.
Действительно, сегодня и в инженерной, и в исследовательской практике накоплен достаточно большой опыт применения ИК-тепловизоров, особенно в области неразрушающего теплового контроля (В.П. Вавилов, П. Круз, В.П. Пономаренко). В то же время необходимо отметить, что вычислить реальные значения локальных температур в выбранных точках ИК-тепловизионного изображения факела (основной показатель процесса горения), используя известные соотношения для расчета поля температур на поверхности твердых тел по их излучению в ИК диапазоне электромагнитного спектра, оказывается невозможным, поскольку неизвестны значения коэффициента излучения на поверхности исследуемого объекта. В этой связи необходимо использовать другие количественные показатели процесса горения, содержательные с теплотехнической точки зрения, и методы анализа ИК-тепловизионных изображений факела, обеспечивающие вычисление данных показателей.
Степень проработанности темы. Возможность использования температурной сетки-преобразователя для измерения температурных полей воздушных струй (которые могут моделировать газодинамические процессы факела) обоснована в работах А.В. Ефимовой, Н.С. Зайкова. Использование тепловизионных камер при исследовании импактных воздушных струй описано в

6
работах Дж.М. Карломанье, А. Томассо. В работах А.Ю. Кисельникова, Б.П.
Жилкина, посвящённым исследованию импактных струй, также предложено применение прозрачного для ИК-излучения селенид цинкового стекла. В работах П.Ю. Худякова, Д. Давацерена предложена методика применения частотного анализа и вейвлет анализа при исследовании соударяющихся встречных газовых факелов. Тем не менее в представленных выше работах авторами не проработан вопрос определения коэффициента излучения факела (при прямом исследовании горящих факелов) и вычисления мгновенного поля реальных температур. В работах П.Ю. Худякова предложена методика расчёта безразмерного параметра, характеризующего интенсивность теплообмена в зоне соударения воздушных струй, рассчитываемого по данным тепловизионной съёмки с применением температурной сетки-преобразователя. Однако в работах перечисленных выше авторов нет рекомендаций по выбору и вычислению количественных характеристик, как-либо описывающих горящий газовый факел.
Способ коррекции коэффициента излучения горящего факела с помощью вводимой в пламя термопары, с целью расчёта поля реальных температур представлен в работах Е.Л. Лободы, М.В. Агафонцева, В.В. Рейно. Также в работах данных авторов представлены ценные рекомендации по выбору спектрального диапазона ИК-спектра для наиболее эффективного изучения горящего факела, которые были учтены в нашей работе. Использование тепловизионной съёмки совместно с применением метода PIV представлено в работе В.М. Дулина. Однако, данный способ получения информации применим только в лабораторных исследованиях и не может быть использован в промышленности.
Целью диссертационной работы является исследование методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела для выявления количественных показателей процесса горения, интерпретируемых с теплотехнической точки зрения и обеспечивающих проведение сравнительного анализа процессов горения факела в различных режимах подачи топлива.

7
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие
основные задачи исследования:
1. Исследование методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела для научного обоснования выбора совокупности методов, обеспечивающих трансформацию первичной информации и вычисление количественных показателей процесса факельного горения.
2. Исследование особенностей ВР, содержащих значения количественных показателей процесса факельного сжигания топлива в непрерывном и импульсном режиме подачи газообразного топлива.
3. Подтверждение информативности с теплотехнической точки зрения выбранного набора количественных показателей, характеризующих процесс факельного сжигания газообразного топлива.
Объектом исследования являются методы анализа визуальной ИК- термографической информации о горящем факеле на основе компьютерных методов обработки информации.
Предметом исследования являются компьютерные методы анализа ИК- тепловизионных видеопоследовательностей, обеспечивающие трансформацию первичной информации во временные ряды (ВР), содержащие мгновенные значения количественных показателей процесса горения газообразного топлива.
Методы исследования. Для решения задач исследования в работе использовались методы математической статистики, спектрального анализа, сингулярного спектрального анализа.
Научная новизна полученных результатов заключается в:
 выборе, обоснованном результатами анализа плотностей распределения пикселей ИК-тепловизионных изображений факела по температуре, методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела, обеспечивающих вычисление количественных показателей, характеризующих процесс горения газообразного топлива;

8
 подтверждении стационарности во времени определенных количественных
показателей процесса горения факела вне зависимости от режима подачи газообразного топлива;
 количественном описании отличий процессов горения в непрерывном и импульсном режимах подачи топлива.
Теоретическая значимость исследования состоит в обосновании возможности трансформации ИК-тепловизионных изображений горящего факела в набор стационарных количественных показателей меньшей размерности.
Практическая значимость работы заключается:
 в разработке экспериментальной установки и ее модификации, обеспечивающих регистрацию ИК-тепловизионных изображений факела в последовательные моменты времени в непрерывном и импульсном режимах подачи газообразного топлива;
 в разработке методики компьютерной обработки ИК-тепловизионных видеопоследовательностей горящего факела, обеспечивающей трансформацию исходной информации во ВР, содержащие мгновенные значения обоснованно выбранных количественных показателей процесса горения;
 в установлении соответствия между частотно-временными характеристиками ВР, вычисляемых на основе анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела, и его состоянием, что позволяет использовать выбранные количественные показатели для контроля процесса горения в реальном режиме времени.
Положения, выносимые на защиту:
1) Состояние горящего факела в выбранный момент времени  1 2   1 2 
характеризуется значениям абсцисс Tmax ,Tmin ,Tmax и ординат pmax , pmin , pmax локальных экстремумов аппроксимации Розенблатта – Парзена (РП) плотности
распределения пикселей на ИК-тепловизионном изображении факела по температуре, а также величинами N0,N1,N2, равными количеству пикселей,

9
имеющих значения в диапазонах 520,560, 520,T , T ,560 условных С min min
соответственно.
2) Для количественного описания изменения состояния горящего факела
во времени следует использовать ВР, составленные из мгновенных значений показателей T1 ,T ,T2 , p1 , p , p2 , N0,N1,N2, которые являются
maxk mink maxk maxk mink maxk k k k
случайными стационарными последовательностями в не зависимости от режима подачи газообразного топлива.
3) Квантили аппроксимации РП плотности распределения ВР Tmink с точностью до 0,04 % являются постоянными величинами, значения которых не
зависят от режима подачи газообразного топлива. 4) ВР N1,N2:
 в непрерывном режиме подачи газообразного топлива представляют собой фликкер-шум (непрерывный режим горения);
 в импульсном режиме подачи топлива при изменении частоты открытия топливного клапана в диапазонах [2,4] Гц и [2,8] Гц, соответственно, линейную комбинацию периодических составляющих, частоты которых кратны частоте открытия топливного клапана (пульсационный режим горения), и шума;
 при изменении частоты открытия топливного клапана в диапазонах [5,10] Гц и [9,10] Гц, соответственно, подобны соответствующим ВР в режиме непрерывной подачи топлива (квазинепрерывный режим).
5) При частоте открытия топливного клапана в диапазоне [5,8] Гц в области факела No 1 горение топлива происходит в квазинепрерывном режиме, в области факела No 2  в пульсационном режиме.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием адекватных методов анализа первичной информации и выбранных количественных показателей процесса горения факела, согласованностью результатов
спектрального анализа и сингулярного спектрального анализа ВР N0,N1,N2; kkk
непротиворечивостью результатов анализа ИК-тепловизионных изображений
kk
,

10
факела современным представлениям о физико-химических процессах,
протекающих при сжигании газообразного топлива.
Внедрение результатов диссертационного исследования.
Результаты диссертационного исследования используются в Уральском Федеральном Университете, Екатеринбург, Россия (акт об использовании результатов от 05.04.2019); в ЗАО «Инженерный центр Уралтехэнерго», Екатеринбург, Россия (акт об использовании результатов от 11.04.2019); в ООО «БелЭнергоПроект», Москва, Россия (акт об использовании результатов от 11.04.2019).
Апробация работы. Материалы работы докладывались на следующих научных конференциях: XXXII Сибирском теплофизическом семинаре, Новосибирск, Россия, ноябрь 2015 г.; International Conference on Applied Mathematics and Computer Science (ICAMCS 2017), Рим, Италия, январь 2017 г.; 13th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (ICCMSE 2017), Салоники, Греция, апрель 2017 г.; 43th International Conference Applications of Mathematics in Engineering and Economics (AMEE 2017), Созополь, Болгария, июнь 2017 г.; XI Международная IEEE научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, Россия, ноябрь 2017 г.; 16th International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics (ICNAAM 2018), Родос, Греция, сентябрь 2018 г.; 4th International Workshop on Radio Electronics & Information Technologies (REIT 2018), Екатеринбург, Россия, ноябрь 2018 г.; 2019 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), Екатеринбург, Россия, апрель 2019 г.; 17th International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics (ICNAAM 2019), Родос, Греция, сентябрь 2019 г.; 2019 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON), Екатеринбург, Россия, октябрь 2019 г.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15 работах, из которых 11 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе включённых в

11
международные реферативных базы данных и системы цитирования; 4 статей и
тезисов в других рецензируемых научных изданиях.
Личный вклад автора состоит в проведении анализа состояния предметной
области и формулировке цели и задач исследования, проектировке и выполнении экспериментальной установки, проведении экспериментов, обработке ИК- тепловизионных изображений горящего факела, а также анализе полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 112 наименований, 4 приложений, содержит 60 рисунков (без приложений) и 15 таблиц. Основной текст составляет работы составляет 150 страниц, общий объем – 182 страницы.