基於紅外測溫的光熱塔式吸熱器堵管探測應對控制系統的製作方法

2023-05-18 19:29:07

本發明涉及熔鹽塔式光熱發電領域，特別涉及一種基於紅外測溫的光熱塔式吸熱器堵管探測應對控制系統。

背景技術：

太陽能熱發電是大規模開發利用太陽能的一個重要技術途徑，它通過將太陽能轉換成熱能，通過熱功轉換進行發電。

太陽能塔式發電是太陽能熱發電的一種，是通過跟蹤太陽運動的定日鏡將太陽輻射反射到置於吸熱塔上的吸熱器上，獲得高溫傳熱介質，高溫傳熱流體直接或間接通過熱力循環的發電系統。塔式太陽能熱發電的設計思想源於20世紀50年代的蘇聯，發展於80年代，於西班牙，義大利，美國和法國都相繼建立塔式太陽能光熱電站。

塔式太陽能熱發電系統可實現200～1000的聚光比，吸熱器的平均熱流密度可達300～1000kW/m2，工作溫度可超過1000℃，電站規模可達30～400MWe。根據吸熱介質的不同，塔式吸熱器可分為熔鹽吸熱器、水工質吸熱器、空氣吸熱器和固體顆粒吸熱器等。

熔鹽塔式技術是利用熔融鹽作為傳熱介質的塔式太陽能熱發電技術。定日鏡將太陽光反射至吸熱器上時，通過吸熱器管路內流動的熔鹽將熱量帶走。由於太陽能聚光能流密度非常高且具有不均勻性和不穩定性，若出現太陽光的強度突然減弱或者自然環境突變等情況，會使出口容器或入口容器與管路接口處熔鹽溫度降低至凝固點，導致熔鹽在吸熱器管路流動時凝固，堵塞管屏，形成堵管。堵管對吸熱器存在重大安全隱患，若發生堵管現象，管路內熔鹽不再流動，無法將定日鏡反射的太陽能熱量帶走，局部溫度劇烈升高，造成吸熱器材料熱應力破化，影響吸熱器使用壽命。

現有技術中通常通過在吸熱器表面安裝測溫部件的方式來測量吸熱氣表面溫度，進而對堵管現象進行檢測。但這一方式存在測量點較少，對吸熱器溫度檢測不全面的缺陷，不利於及時檢測與發現堵管現象的發生。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術對吸熱器表面測溫困難以及測量點較少的問題，從而提供一種基於紅外測溫的光熱塔式吸熱器堵管探測應對控制系統。

為了實現上述目的，本發明提供了一種光熱塔式吸熱器堵管探測應對控制系統，包括：紅外測溫儀3、紅外測溫及堵管探測模塊4；其中，

所述紅外測溫儀3安裝在所述吸熱器1的四周、塔式太陽能熱發電系統的鏡場的地面位置，其與所述紅外測溫及堵管探測模塊4通信連接；所述紅外測溫及堵管探測模塊4則與塔式太陽能熱發電系統的鏡場控制系統6通信連接；當光熱塔式鏡場工作時，塔式太陽能熱發電系統的定日鏡5將太陽的直射輻射都集中反射於所述吸熱器1上，所述紅外測溫儀3所記錄的數據傳輸給紅外測溫及堵管探測模塊4，所述紅外測溫及堵管探測模塊4通過分析計算探測堵管現象是否發生，若發生堵管現象則反饋給鏡場控制系統6，通過對所述定日鏡5的控制消融堵管。

上述技術方案中，所述紅外測溫及堵管探測模塊4還利用從所述紅外測溫儀3接收到的數據，與外部的鏡場控制系統6配合，使所述吸熱器1表面溫度均勻。

上述技術方案中，還包括測溫器件2，所述測溫器件2安裝在塔式太陽能熱發電系統的吸熱器1的背面，所述紅外測溫儀3拍攝的實時紅外溫度通過測溫器件2進行實時校準。

上述技術方案中，所述測溫器件2為測溫熱電阻或測溫熱電偶。

上述技術方案中，所述紅外測溫儀3包括：紅外長焦鏡頭、紅外測溫機心、通訊組件；其中的紅外長焦鏡頭能將所述吸熱器1放置於大部分成像視場內；所述通訊組件用於實現所述紅外測溫儀3與所述紅外測溫及堵管探測模塊4間的通信連接。

上述技術方案中，所述紅外測溫儀3的數量與吸熱器1的類型有關；當吸熱器1為腔式吸熱器時，在鏡場中只需要安置一臺紅外測溫儀3對吸熱器1進行實時監控；當吸熱器1為外置圓周式吸熱器時，需要在吸熱器1的四周放置多臺紅外測溫儀3進行監控，實現對吸熱器1的三百六十度無死角測量。

上述技術方案中，所述紅外測溫儀3在安裝時應避免被周圍定日鏡遮擋紅外測溫設備視場角，且避免妨礙清洗定日鏡的道路。

上述技術方案中，所述紅外測溫儀3每隔一段時間與所述測溫器件2的測量結果做實時校準，在校準時，將其測得的溫度數據與所述測溫器件2的測量結果進行比較，若兩者的差值在一閾值範圍內，則認為精度符合測量要求，若兩者的差值超出了該閾值範圍，則通過調整所述紅外測溫儀3內的配溫曲線使得該差值縮小至閾值範圍內。

上述技術方案中，所述紅外測溫及堵管探測模塊4利用從所述紅外測溫儀3接收到的溫度數據探測吸熱器1是否存在堵管現象，包括：

首先對溫度數據進行預處理；然後利用預處理後的溫度數據進行堵管探測計算，由於堵管管路的溫度會比左右兩側的管路溫度都要高，所述紅外測溫及堵管探測模塊4通過此特徵進行識別，判斷是否堵管；若出現堵管，所述紅外測溫及堵管探測模塊4將堵管發生通知、堵管所在管道位置及堵管所在區塊編號發送給鏡場控制系統6，所述鏡場控制系統6將指定用於融解堵管的定日鏡光斑置於堵管位置處，進行消融堵管操作；當紅外測溫儀3探測到堵管已經消融後，通知鏡場控制系統6撤銷消融堵管操作。

上述技術方案中，所述預處理具體包括：首先保證吸熱器1在溫度數據的圖像中正立放置，然後在圖像中識別出吸熱器下邊緣彎曲弧線的像素位置，根據吸熱器1下邊緣弧線形狀對吸熱器1圖像進行伸縮處理，使得下邊緣在圖像中為水平直線。

上述技術方案中，所述紅外測溫及堵管探測模塊4利用從所述紅外測溫儀3接收到的溫度數據，與外部的鏡場控制系統6配合，使所述吸熱器1表面溫度均勻；具體包括：首先從所述紅外測溫儀3所傳輸的溫度數據中，確定所述吸熱器1表面的溫度最高區域和最低區域，然後向鏡場控制系統6發出控制指令，使得目標位置為溫度最高區域的定日鏡光斑移動到溫度最低區域，重複上述操作多次，直到最低區域與最高區域溫度相近。

本發明的優點在於：

1、本發明使用紅外測溫設備探測吸熱器熔鹽管路堵管情況，並針對堵管工況進行相應控制操作，消融堵管。可以有效保護吸熱器，提高吸熱器使用壽命。

2、本發明解決了工作狀態下吸熱器1表面溫度較高，不好放置溫度傳感器的問題。並且測量點直接由熱成像探測器像素數決定，成本較低。實時性好。該測溫控制系統可以很好的跟蹤吸熱器表面能流密度的分布，通過控制系統可以有效避免局部過熱或局部過冷，很好的保護了吸熱器背後的導熱介質管路。

附圖說明

圖1是本發明的光熱塔式吸熱器堵管探測應對控制系統的結構示意圖；

圖2是本發明中的紅外測溫儀的布置示意圖。

圖面說明：

1 吸熱器 2 測溫器件

3 紅外測溫儀 4 紅外測溫及堵管探測模塊

5 定日鏡 6 鏡場控制系統

具體實施方式

現結合附圖對本發明作進一步的描述。

參考圖1，本發明的光熱塔式吸熱器堵管探測應對控制系統包括：測溫器件2、紅外測溫儀3、紅外測溫及堵管探測模塊4；其中，所述測溫器件2安裝在塔式太陽能熱發電系統的吸熱器1的背面；所述紅外測溫儀3安裝在吸熱器1的四周、塔式太陽能熱發電系統的鏡場的地面位置，其與紅外測溫及堵管探測模塊4通信連接；所述紅外測溫及堵管探測模塊4則與塔式太陽能熱發電系統的鏡場控制系統6通信連接；當光熱塔式鏡場工作時，塔式太陽能熱發電系統的定日鏡5將太陽的直射輻射都集中反射於吸熱器1上，由所述紅外測溫儀3拍攝的實時紅外溫度通過吸熱器背面的測溫器件2進行實時校準，所述紅外測溫儀3所記錄的數據傳輸給紅外測溫及堵管探測模塊4；通過紅外測溫及堵管探測模塊4的分析計算，反饋給鏡場控制系統6，從而對定日鏡5進行特定工況下的操作。

下面對本發明的光熱塔式吸熱器堵管探測應對控制系統中的各個部件做進一步的說明。

所述測溫器件2可以是測溫熱電阻，也可以是測溫熱電偶。

所述紅外測溫儀3包括：紅外長焦鏡頭、紅外測溫機心、通訊組件；其中的紅外長焦鏡頭的參數根據實際情況進行匹配，應使得紅外長焦鏡頭恰好能將吸熱器1放置於大部分成像視場內；所述通訊組件用於實現紅外測溫儀3與紅外測溫及堵管探測模塊4間的通信連接。

所述紅外測溫儀3的數量與吸熱器1的類型有關。塔式太陽能熱發電系統中的吸熱器主要分為腔式吸熱器和外置圓周式兩種類型，對於腔式吸熱器，在鏡場中只需要安置一臺紅外測溫儀對吸熱器進行實時監控；對於外置圓周式吸熱器，則需要放置多臺紅外測溫儀3進行監控，紅外測溫儀3的具體數量取決於吸熱器的具體尺寸，應保證多臺紅外測溫儀3均勻分布於吸熱器1的四周，對吸熱器1實現三百六十度無死角測量。對於外置圓周式吸熱器，所述多臺紅外測溫儀3可以是四臺、八臺或十六臺，在圖2所示的實例中，所述紅外測溫儀3有四臺，均勻分布於吸熱器1的四周。

所述紅外測溫儀3的安裝位置還需要考慮前方遮擋及道路情況。避免被周圍定日鏡遮擋紅外測溫設備視場角，且避免妨礙清洗定日鏡的道路。

所述紅外測溫儀3所記錄的數據包括兩種類型，一種是紅外圖像數據，所述紅外圖像數據定性地描述了觀察對象(如吸熱器1)的表面溫度，如溫度高的地方圖像顏色比較深，溫度低的地方圖像顏色比較淺；所述紅外圖像數據可以以矩陣的形式描述並傳輸；另一種是溫度數據，所述溫度數據定量地描述了觀察對象(如吸熱器1)的表面溫度，如以攝氏度來描述觀察對象表面各個點的溫度；所述溫度數據可以以矩陣的形式描述並傳輸。紅外測溫儀3所記錄的這兩種類型的數據都需要傳輸給紅外測溫及堵管探測模塊4。所述紅外圖像數據將作為圖像界面提供給操作人員觀看，所述溫度數據則可用於堵管檢測。

所述紅外測溫儀3每隔一段時間需要與所述測溫器件2的測量結果做實時校準，在校準時，需要將其測得的溫度數據與測溫器件2的測量結果進行比較，若兩者的差值在一閾值範圍內，則認為精度符合測量要求，若兩者的差值超出了該閾值範圍，則通過調整紅外測溫儀3的標定模塊內的配溫曲線使得該差值縮小至閾值範圍內。所述閾值在實踐中需要根據吸熱器1的耐溫極值來確定其具體的取值，可以是20℃，也可以是10℃，還可以是5℃。

所述紅外測溫及堵管探測模塊4在接收到所述紅外測溫儀3傳輸的數據後，能夠利用其中的溫度數據探測吸熱器1是否存在堵管現象。在檢測堵管現象時，首先對溫度數據進行預處理；然後利用預處理後的溫度數據進行堵管探測計算，由於堵管管路(管排)的溫度會比左右兩側的管路(管排)溫度都要高，紅外測溫及堵管探測模塊4通過此特徵進行識別，判斷是否堵管；若出現堵管，紅外測溫及堵管探測模塊4將堵管發生通知、堵管所在管道位置及堵管所在區塊編號發送給鏡場控制系統6，鏡場控制系統6將指定用於融解堵管的定日鏡光斑置於堵管位置處，進行消融堵管操作；當紅外測溫儀3探測到堵管已經消融後，通知鏡場控制系統6撤銷消融堵管操作。

其中，紅外測溫及堵管探測模塊4對溫度數據進行預處理的原因在於：由於紅外測溫儀3放置於近地面的位置，其視場主光軸與吸熱器表面存在一定的仰角關係，在紅外測溫儀輸出的原始溫度數據中，吸熱器1的上下邊緣呈現半月形，不利於堵管的探測。所述預處理具體包括：首先保證吸熱器1在原始溫度數據的圖像中正立放置，然後在圖像中識別出吸熱器下邊緣彎曲弧線的像素位置，根據吸熱器1下邊緣弧線形狀對吸熱器1的圖像進行伸縮處理，使得下邊緣在圖像中為水平直線。

其中，堵管所在管道位置可通過堵管位置的定標確定，堵管所在區塊編號可通過區塊定標確定。在區塊定標時，堵管所在區塊的劃分是根據所選用定日鏡大小決定，定日鏡面積越大，堵管區塊劃分得越大。區塊可以為方格排布形狀，也可以根據管道的形狀進行布置。

所述紅外測溫及堵管探測模塊4在接收到紅外圖像數據後，會將其轉發給塔式光熱場的控制系統，在該控制系統的操作界面上顯示。

所述紅外測溫及堵管探測模塊4還能夠利用從紅外測溫儀3接收到的數據，與外部的鏡場控制系統6配合，使吸熱器1表面溫度均勻。這一過程包括：首先從紅外測溫儀3所傳輸的溫度數據中，確定吸熱器1表面的溫度最高區域和最低區域，然後向鏡場控制系統6發出控制指令，使得目標位置為溫度最高區域的定日鏡光斑移動到溫度最低區域，重複上述操作多次，直到最低區域與最高區域溫度相近。

最後所應說明的是，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。