一种光热电站吸热器外壁温测量装置及方法与流程

本申请涉及领域是塔式光热发电站领域，具体而言，涉及一种光热电站吸热器外壁温测量装置及方法。

背景技术：

在塔式光热发电站中，需要使用大量的定日镜将太阳光热量聚焦到吸热器上用以收集太阳能。在不同的日期和同一天不同的时间段，太阳光的dni(直接辐射)能量和定日镜的光学效率也都是变化的，加之云层、风速、风向等气象条件的影响，使得吸热器负荷和温度等参数常常处于动态变化中。

塔式光热电站的吸热器，为接收定日镜的辐射能，通常采用受热面裸露布置方式，散热损失较大，设计中往往通过降低受热面积的方式来降低散热损失，这导致吸热器表面热流密度极高，比如熔盐吸热器表面平均热流密度达600kw/㎡以上，最大热流密度达1200kw/㎡以上。这种高热流密度增加了受热面金属迎光侧的金属壁温和工质的膜温。壁温和膜温的增加带来如下严重问题：从金属看，吸热器本就处于650℃左右的高温工质环境，少量的温度正偏差就对金属的耐温能力提出了极大的挑战，导致其容易出现超温失效；而从工质看，工质膜温的增加对于熔盐工质吸热器而言，一是温度升高后熔盐对金属材料的腐蚀性也随之增加，二是熔盐膜温升高到超过其分解温度后将出现气化、变质现象，也将严重降低熔盐冷却能力，反过来也会加重吸热器金属超温程度。

鉴于上述问题，目前通常采用红外热像仪测量吸热器红外发射图像的方式实现对表面温度的检测。按通常的配置方案，一台吸热器需要配置8台高精度红外热像仪，红外热像仪与吸热器受热面间测量距离远，对吸热器表面温度测量精度要求高，这种高性能红外热像仪目前都是进口高端产品，价格及其高昂，而且设备对使用环境的要求高，测量精度和测量的可靠性都受环境影响大。

技术实现要素：

本申请提供一种光热电站吸热器外壁温测量装置及方法，以解决现有技术的通过红外热像仪测量实现对表面温度的检测精度不高的技术问题及进口高性能红外热像仪价格昂贵的成本问题。

本申请的实施例通过如下方式实现：

一种光热电站吸热器外壁温测量装置包括：至少一路外壁温度获取部件，用于捕获光热电站吸热器外壁辐射热能对应的热图像，并形成彩色图像视频信息和黑白图像视频信息；以及吸热器温度处理部件，用于将所述彩色图像视频信息和黑白图像视频信息对应处理为彩色图像和黑白图像；根据所述彩色图像和黑白图像，分别对应得到当前吸热器的位置值及该位置值对应的吸热器的实际温度值。有益效果：通过获取光热电站外壁同一时刻热辐射能量对应的热图像，经过数据转换处理后黑白图像和彩色图像的重合性，得到当前装置对应的管屏各位置温度。该方法能有效屏蔽环境条件对测量精度和测量可靠性的影响，同时能极大降低测量装置的成本投入。

进一步的，所述外壁温度信息获取部件包括：成像及分光装置，用于捕获光热电站吸热器外壁辐射热能对应的热图像，并将其分成三路热图像；以及图像采集装置，用于捕获同一时刻同一范围三路热图像，形成一路彩色视频信息和两路黑白视频信息。有益效果：同一时刻，通过光学方法从同一对象辐射成像中分离出两路黑白图像及一路彩色图像，通过图像采集装置得到视频信号，为后续数据处理提供准确数据源。

进一步的，所述吸热器温度处理部件包括：

图像采集卡，用于分别对应将所述彩色视频信息和两路黑白视频信息处理为对应的图像信息；以及，

温度值处理装置，用于根据所述彩色图像和黑白图像，通过双波长测温方法处理得到当前吸热器的位置值及该位置值对应的吸热器的实际温度值。有益效果：通过双色比测温法处理两路黑白图像(两路辐射能灰度图像值)，计算得到吸热器表面温度；同时，通过黑白图像与彩色图像叠加处理，计算得到所述吸热器表面温度对应的位置参数。

进一步的，一种光热电站吸热器外壁温测量装置还包括与温度值处理装置连接的吸热器温度实时显示装置，所述温度吸热器温度实时显示装置实时显示所述吸热器的位置值及该位置值对应的吸热器的温度值。

进一步的，实际温度值＝测量温度值+修定值；修订值＝标定工况测量温度值-标定值；所述测量温度值是通过该光热电站吸热器外壁温测量装置测得的温度值；所述标定工况测量温度值是通过该光热电站吸热器外壁温测量装置在特定工况下测得的温度值；所述标定值是通过热电偶对同一位置温度测量获取的。有益效果：对同一位置进行温度标定，有利于更真实测量该位置温度值。

进一步的，四路外壁温度信息获取部件均匀设置于光热电站吸热器外壁四个方向；所述成像装置成像点中心位于光热电站吸热器外壁表面的热负荷最高处。有益效果：设置正东、正西、正南、正北四个方向，能准确测量这四个方向的光热电站吸热器外壁温度值。

进一步的，一种光热电站吸热器外壁温测量装置还包括x路外壁温度信息获取部件，所述x路外壁温度信息获取部件均匀设置4个方向之外的其他位置，所述x为大于0的自然数。有益效果：增加x路外壁温度信息获取部件，能提高光热电站吸热器外壁测量精度。

进一步的，所述成像装置视野范围覆盖光热电站吸热器外壁表面周向至少1/4的采集区域，即所述采集区域指的是与吸热器中心夹角至少为90°的吸热器表面区域，高度方向至少覆盖吸热器有效受热面区域。

进一步的，所述成像装置是摄像头，所述摄像头底面与地面呈约45度布置。有益效果：鉴于视野区域高度尺寸大于宽度尺寸，而成像装置像素规格均为宽度尺寸大于高度尺寸，例如1024×768、640×480像素，特别地，本发明对成像装置和图像采集装置(摄像头)整体旋转90度布置，使得对视野的图像采集宽度尺寸小于高度尺寸，更能充分利用像素点，提高图像分辨率，从而提高温度检测精度。

一种光热电站吸热器外壁温测量方法包括：

捕获光热电站吸热器外壁热辐射能量对应的热图像，形成彩色图像视频信息和黑白图像视频信息；

将所述视频信息对应处理为彩色图像和黑白图像；然后分别对应得到当前吸热器的位置值及该位置值对应的吸热器温度值；

采用该方法不仅能有效屏蔽环境条件对测量精度和测量可靠性的影响，同时能极大降低测量装置的成本投入。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的外壁温测量装置示意图；

图2为本申请实施例提供的受热面管迎光侧和背光侧温度点位置示意图；

图3为本申请实施例提供的工程实例示意图；

图4为本申请另一实施例提供的工程实例示意图。

图标：

1-吸热器外表面2-热图像3-成像装置

4-黑白ccd摄像头5-彩色ccd摄像头6-黑白图像采集卡

7-彩色黑白图像采集卡8-吸热器温度处理及显示部件。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

实施例一：如图1所述，一种光热电站吸热器外壁温测量装置包括：至少一路外壁温度获取部件，用于捕获光热电站吸热器外壁辐射热能对应的热图像，形成彩色图像视频信息和黑白图像视频信息；以及吸热器温度处理部件，用于将所述彩色图像视频信息和黑白图像视频信息对应处理为彩色图像和黑白图像；根据所述彩色图像和黑白图像，经过处理后得出实际温度值，并将该温度值与吸热器实际几何位置进行对应。其中，所述外壁温度信息获取部件包括：

1)成像装置，用于捕获光热电站吸热器外壁辐射热能对应的热图像，并将其分成三路热图像；以及图像采集装置，用于捕获同一时刻三路热图像，形成一路彩色视频信息和两路彩色视频信息。

具体的：

11)成像装置包括镜管、物镜、变焦镜、分束器、全反射镜、偏转镜、滤光片和目镜；物镜、变焦镜、分束器、全反射镜、偏转镜、干涉滤光片和目镜依次位于镜管内。热图像首先经物镜捕获后在镜管内传输，然后经变焦镜聚焦后进入到分束器被分为三路图像，各路图像传输再到全反射镜上，并由全反射镜反射到偏转镜后到滤光片上，最后进入到目镜中形成三路图像。

12)图像采集装置是两路黑白ccd摄像头及一路彩色ccd摄像头。

2)吸热器温度处理部件包括：图像采集卡，用于分别对应将所述彩色视频信息和两路黑白视频信息处理为对应的图像信息；以及温度值处理装置，用于根据所述彩色图像和黑白图像，通过双波长测温方法处理得到当前吸热器的位置值及该位置值对应的吸热器的实际温度值。

3)最高热负荷处指的是光热电站吸热器吸热管外壁表面热负荷值最高的地方。预先进行热负荷测量，找到该处。

具体的：

21)图像采集卡还可以是无线网卡等支持无线数据传输的设备。

22)温度值处理装置

测温装置工作过程是：采用双色比测温法计算吸热器表面温度及对应的位置值。

途径一(温度值计算过程)：在两个不同波长下同时测量被测对象的辐射能，通过光学方法从同一对象的辐射成像中分离出两幅图像，分别通过不同的单色滤色片获得单色辐射图像，两幅单色辐射图像采集和处理分开进行这是严格的双色法。本设计中对于黑白视频信息对应的图像信息(这两路图像信息是从同一对象辐射成像中分离出的两幅图像)采用双色比测温法，得到当前吸热器表面温度值(该温度值计算过程是现有技术)。

途径二(位置值处理过程)：将黑白图像与彩色图像位置进行比对处理，得出各温度值在图像中的位置，再将各温度点的坐标位置与吸热器几何坐标位置进行处理，得出吸热器各位置及其温度，本设计中采用双色比测温法同时对彩色视频对于的图像进行处理，得到途径一中温度值对应的位置值(该位置值处理过程是现有技术)。

工作过程：

吸热器1启动运行后，向外辐射热能量，辐射热能形成热图像2，热图像2进入到成像装置3中，被分为三路相同的图像；

两路图像被黑白摄像头4和第三路图像被彩色摄像头5所捕获，然后分别被送到1)黑白图像采集卡6中转化为图像灰度值被用于温度值的计算，被送到2)彩色图像采集卡7中转化为彩色图用于图像温度对应位置。

实施例二：基于实施例一，所述测温装置还包括与温度值处理装置连接的吸热器温度实时显示装置，所述温度吸热器温度实时显示装置实时显示所述吸热器的位置值及该位置值对应的吸热器的温度值。

具体的：吸热器温度实时显示装置是lcd、led显示屏，用以将吸热器温度处理装置处理的温度值及位置值进行一一对应显示。

实施例三：基于实施例一或二，当前温度值＝测量温度值+修订值；修订值＝标定工况测量温度值-标定值；所述测量温度值是通过该光热电站吸热器外壁温测量装置测得的温度值；所述标定工况测量温度值是通过该光热电站吸热器外壁温测量装置在特定工况下测得的温度值；所述标定值是通过热电偶对同一位置温度进行标定获取的；

具体标定值获取过程为：

需要标定测温装置的测量精度时，在吸热器1内建立工质循环，待循环稳定后读取热电偶9的读数，结合热电偶1的实际安装位置获取吸热器1的受热面背光侧在b(如图2所示)处的绝对温度值，利用吸热器温度处理器件计算出吸热器1的迎光侧在a(如图2所示)处的绝对温度值(即为标定值)，由于大气环境条件稳定，取同一横截面上a、b处的温度相同，按此修正测温装置的修正系数，实现对测温装置的标定。

实施例四：基于实施例一至三之一，所述四路外壁温度信息获取部件均匀设置于光热电站吸热器外壁四个方向(地理位置，东南西北四个方向)均匀设置；所述成像装置成像点中心位于光热电站吸热器外壁表面的中部。

具体的：

例如1：吸热器额定功率等级为300mwt，吸热器管屏采用外置圆周式，采用16块分屏构成吸热器，吸热器外径15m，高度16m，吸热器中心标高200m。

如附图3所示：本实例中成像装置设以4(或根据需要设置其它数量)台为例进行说明。考虑到成像装置布置在吸热塔1的外围地面，其成像装置光轴将与竖直管屏间存在夹角，从而导致图像的梯形失真。因此为避免梯形失真过大，设定成像装置的光轴与地面夹角为45°，即4台成像装置等距离布置在距塔约200m处，每台成像装置对应4块管屏，每台成像装置主光轴对应第2、3块管屏交界线的中心。成像装置的成像元件，选用16mm×12mm尺寸。成像装置视野宽度13m，成像装置视野高度26m。

像素点要求：按照每根吸热管获取一个温度点进行设置，则水平方向需要的有效像素点数至少为372个。

成像装置像素规格选取：鉴于视野区域高度尺寸大于宽度尺寸，而成像装置像素规格均为宽度尺寸大于高度尺寸，例如1024×768、640×480像素，特别地，需要将成像装置整体旋转90°安装。

例如2：吸热器额定功率等级为600mwt，吸热器管屏采用外置圆周式，采用32块分屏构成吸热器，吸热器外径20m，高度22m，吸热器中心标高230m。

如附图4所示：本实例中成像装置设以8(或根据需要设置其它数量)台为例进行说明。考虑到成像装置布置在吸热塔1的外围地面，其成像装置光轴将与竖直管屏间存在夹角，从而导致图像的梯形失真。因此为避免梯形失真过大，设定成像装置的光轴与地面夹角为45°，即8台成像装置等距离布置在距塔约230m处，每台成像装置对应4块管屏，每台红外热像仪主光轴对应第4、5块管屏交界线的中心。成像装置的成像元件，选用16mm×12mm尺寸。成像装置视野宽度17m，成像装置视野高度32m。

像素点要求：按照每根吸热管获取一个温度点进行设置，则水平方向需要的有效像素点数至少为405个。

成像装置像素规格选取：鉴于视野区域高度尺寸大于宽度尺寸，而成像装置像素规格均为宽度尺寸大于高度尺寸，例如1024×768像素，特别地，需要将成像装置整体旋转90°安装。

实施例五：基于上述实施例一至四之一所述，所述图像采集装置是摄像头，所述摄像头底面与地面呈45度布置。使得对视野的图像采集宽度尺寸小于高度尺寸，更能充分利用像素点，提高图像分辨率，从而提高检测精度。据上例计算结果，考虑到视野余量，因此可选择1024×768像素规格的摄像机。

实施例六：在实施例一至五之一基础上，还包括在4路外壁温度信息获取部件之间均匀设置x路外壁温度信息获取部件，所述x路外壁温度信息获取部件均匀设置4个方向之外的其他位置。所述x路外壁温度信息获取部件上述四路外壁温度信息获取部件摆放位置相同，都是均匀布置于外壁周围，且距离外壁垂直距离相同。

实施例七：在实施例一至六之一，所述成像装置视野范围覆盖光热电站吸热器外壁表面至少1/4的采集区域，所述采集区域指的是与吸热器中心夹角为90°的吸热器表面区域。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。