第23卷第3期計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)Vol. 23, No. 32006年3月28日Computers and Applied ChemistryMarch, 2006用數(shù)字圖像分析氣化爐內(nèi)燃燒狀態(tài)的試驗(yàn)研究，顏?zhàn)坑?，梁欽鋒，牛苗任，于廣鎖，于遵宏(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所，上海, 200237)摘要:基于數(shù)字圖像處理技術(shù),研究氣流床氣化爐內(nèi)多噴嘴對(duì)撞氣化火焰幾何特征,分析氣化穩(wěn)定燃燒和不穩(wěn)定燃燒兩種狀態(tài)。運(yùn)用火焰的相對(duì)亮度面積、形心坐標(biāo)和火焰圖像的平均灰度值等3個(gè)方面的變化趨勢(shì),說(shuō)明氣化燃燒狀況,從分析結(jié)果中可以得到以下結(jié)論:當(dāng)3個(gè)方面的變化趨勢(shì)都很平穩(wěn)時(shí),說(shuō)明燃燒狀態(tài)較穩(wěn)定;當(dāng)前兩個(gè)變化幅度較大時(shí)，說(shuō)明氣化燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定。研究結(jié)果為預(yù)測(cè)氣化爐內(nèi)氣化燃燒趨勢(shì),提供了理論參考。關(guān)鍵詞:數(shù)字圖像處理;火焰檢測(cè);氣流床氣化爐;燃燒狀態(tài)中圈分類號(hào): TQ 546.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 10014160( 2006 )03-203-208The experimental study of combustion status in the entrained-flow gasifier bydigital image processingYAN ZhuoYong, LIANG QinFeng, NIU MiaoRen, YU GuangSuo and YU ZunHong( Institute of Clean Coal Technology, East China University of Science and Technology, Shanghai, 200237, China)Abstract: Based on the digital image processing technology the flame characteristics in entrained flow gasifier is researched and the sta-ble and instable flame status is analyzed respectively. The Charge Coupled Device is installed on the top of entrained flow gasifier andcan shoot the whole flame. The flame images can indicate the combustion status clearly. W hen the changes of luminous region are lessthan 0.1 and the changes of average brightness are less than 15, the combustion status is stable. On the contrary ，when the changes ofluminous region and average brightness are large -scale，the combustion status is instable. No matter what the combustion status is sta-ble or instable , the changes of luminous region are consistent with the changes of average brightness ，and the changes of centroid are a-round 0.5 at all times, except that single flame or all flames are extinguished. These research results provide diagnostic means for com-bustion status in the entrained flow gasifier.Key words: digital image processing, flame monitoring, entrained flow gasifier, combustion statusYan ZY, Liang QF, Niu MR, Yu GS and Yu ZH. The experimental study of combustion status in the entrained-flow gasifier by digital image processing. Computers and Applied Chemistry, 2006, 23(3) :203-208.燃、突然熄滅等不穩(wěn)定的情況,使?fàn)t內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻,煤的氣化技術(shù)是煤炭潔凈、高效和綜合利用的發(fā)生偏移,且靠近火焰中心的爐壁溫度過(guò)高而易損關(guān)鍵技術(shù)、龍頭技術(shù)。尤其是高壓、大容量氣流床的壞,進(jìn)而影響氣化爐使用的壽命和效率。因此,研究氣化技術(shù),具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,更是當(dāng)前的氣化爐內(nèi)的氣化燃燒狀況對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。由于CCD(chargecoupleddevice)攝像機(jī)耐灼發(fā)展趨勢(shì)。最清潔的煤利用技術(shù),不僅減少空氣污傷,工作穩(wěn)定可靠,圖像高清晰等優(yōu)點(diǎn),還可與數(shù)字染,且能生產(chǎn)出許多有價(jià)值的副產(chǎn)品,如高純度硫、圖像處理相結(jié)合,國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都作了大量CO2和無(wú)毒爐渣。隨著環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格,它的研究,特別著重火焰的幾何特征和煤粉鍋爐完全燃優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越突出1-21。在國(guó)家“863”項(xiàng)目的支持燒的溫度場(chǎng)重建方面13-"。而對(duì)氣化爐中的氣化下,華東理工大學(xué)等共同開發(fā)四噴嘴對(duì)置式水煤漿燃燒火焰的研究還極少,本文著重研究多噴嘴對(duì)置氣化技術(shù),在煤的氣化領(lǐng)域填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白,并建成商式氣化怕內(nèi)對(duì)墻與化嫩伐山松特征。業(yè)示范裝置,且運(yùn)行良好。中國(guó)煤化工但是,氣流床氣化爐內(nèi)氣化過(guò)程中,可能產(chǎn)生爆THCNMHG收稿日期: 205-08-20; 修回日期: 2005-11-26基金資助:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2003AA521020); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2004CB217703); 上海市啟明星計(jì)劃(03QF14013)作者簡(jiǎn)介:顏?zhàn)坑?1983-), 男，江西人，碩士生，化學(xué)工藝專業(yè)，導(dǎo)師:于廣鎖(聯(lián)系人) .2006 ,23(3)什算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)2042數(shù)字圖像處理本文就火焰的相對(duì)亮度面積、火焰圖像的平均灰度值以及火焰的形心坐標(biāo),分析火焰的燃燒情況?；鹧娴南鄬?duì)亮度面積和平均灰度值，可以量化比較(a) original image(b) gray image氣化爐內(nèi)的總體亮度和溫度?；鹧嫘涡淖鴺?biāo)則可顯示氣化爐內(nèi)火焰主體的位置變化趨勢(shì),這些特征值都可以根據(jù)厭度直方圖計(jì)算得到。2.1火焰圉 像的閾值分割'"-14)(c) flame boundary(d) binary image閾值分割就是設(shè)置- -個(gè)分割閾值1,凡圖像灰度值大于或等于閾值i的歸為一類,剩下的為另一類，F(xiàn)ig 1 The flame image.圖1火焰圖像分別為目標(biāo)主體和背景。其公式表示為:[; f(x,y)≥t(1)S(*.y)g(x,y) =其它M xN閾值分割是數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵,直接影響其其中,X是一幅M行N列的數(shù)字圖像,f(x,y)后的分析結(jié)果,常見的方法有最大方差自動(dòng)取閾、模是指各象素點(diǎn)的灰度值。糊閾值圖像分割最優(yōu)閾值分割和直方圖選取閾值2.3火焰的相對(duì)亮度面積分制法等。本文采用最大方差自動(dòng)取閾法和直方圖通常,火焰的相對(duì)亮度面積是火焰主體面積和爐選取閾值分割法相結(jié)合。膛面積之比,但為了處理的方便,文中采用火焰主體最大方差自動(dòng)取閾法是設(shè)定-灰度閾值1,圖像面積和數(shù)字圖像的矩陣面積之比。用公式表示為:被該閾值分為區(qū)域1與區(qū)域2,同一區(qū)域其灰度常相.s=灰度值大于等于!的象素?cái)?shù)目(5)似，而當(dāng)兩個(gè)區(qū)域間灰度差較大時(shí),其平均灰度與整MxN幅圖像平均灰度之差也較大。區(qū)域間的方差,是描述↓是圖像灰度的分割閾值,其它符號(hào)意義同上。這種差異的有效參數(shù)。其計(jì)算區(qū)域間方差表達(dá)式為:2.4火焰的灰度形心坐標(biāo)(x,y)。' = θ,(1)0(1)[](1) -J(1)]'(2)火焰的溫度很難測(cè)準(zhǔn),且依據(jù)Planck 輻射定律其中,0,(1)、0,(1)是閾值為1時(shí),各自區(qū)域與整求取火焰的溫度較為復(fù)雜，故一般只計(jì)算火焰的灰幅圖像的面積比J() J5,(1)是閾值為(時(shí),各自區(qū)度形心坐標(biāo),就能很好地反映火焰的燃燒情況。其域的平均灰度值。公式表示為: .當(dāng)被分割的兩區(qū)域間方差最大時(shí),則是兩區(qū)域x=E(x,) 2 y(*.,y)(6)的最佳分離狀態(tài)。由此確定分割閾值l,即t = max[σ'(I)](3)E(*,y)直方圖選取閾值分割法是根據(jù)圖像，由目標(biāo)主體其中f(x,y)≥t,符號(hào)含義同上。和背景而構(gòu)成,在目標(biāo)主體或背景內(nèi)部的相鄰象素之3試驗(yàn)流程及火焰檢測(cè)系統(tǒng)間是高度相關(guān)的，且目標(biāo)和背景交界處的象素在灰度級(jí)上有明顯的變位,可以據(jù)之以選取分割閾值t。整個(gè)試驗(yàn)用氧氣作為氧化劑，柴油作為氣化介采用最大方差自動(dòng)取閾法有時(shí)會(huì)把攝像機(jī)拍攝質(zhì)。氣化爐四噴嘴水平對(duì)置,噴嘴為雙通道,氧氣由時(shí)產(chǎn)生的光暈及碳黑輻射產(chǎn)生的光也作為火焰的主氧氣鋼瓶提供,由氣體質(zhì)量流量計(jì)控制計(jì)量后,經(jīng)噴體,而火焰的灰度直方圖有明顯的低谷。因此兩種嘴外通道進(jìn)入氣流床氣化爐爐膛內(nèi);柴油由齒輪泵方法的結(jié)合,便易于分割火焰圖像,充分反映火焰圖中國(guó)煤化工°膛內(nèi),氧氣與柴油在像的幾何特征,如圖1所示。爐內(nèi)HCNMH G氣經(jīng)激冷室冷卻后2.2 火焰囹像的平均灰度值'*)放空H11“川小?；鹧嬷黧w的平均灰度值,有時(shí)很難反映出火焰火焰檢測(cè)系統(tǒng)，采用安徽大學(xué)特種電視技術(shù)研爐膛灰度變化的規(guī)律,而火焰圖像的平均灰度值，則究中心生產(chǎn)的YD型內(nèi)窺式工業(yè)電視系統(tǒng)。CCD 攝恰好解決了這個(gè)問(wèn)題。其公式表示為:像機(jī)安裝在氣化爐頂部,采用松下的WV-CP470系2006 ,23(3)顏?zhàn)坑碌?用數(shù)字圖像分析氣化爐內(nèi)燃燒狀態(tài)的試驗(yàn)研究205列彩色數(shù)字?jǐn)z像機(jī),具有753個(gè)圖像元素的1/3英4試驗(yàn)處理結(jié)果及討論寸行間傳遞CCD圖像傳感器和數(shù)字信號(hào)處理大規(guī)4.1穩(wěn)定的氣化燃燒情 況模集成電路?；鹧鏅z測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖3。在穩(wěn)定氣化燃燒的條件下研究?jī)蓢娮斓蓉?fù)荷對(duì)撞和四噴嘴等負(fù)荷對(duì)撞的結(jié)果,兩種情況火焰圖像的特征趨勢(shì)如圖4和圖5所示。0.4.3..2 -.1 -2281. oiltank ;2. oxygen cylinder;3. nitrogen cylinder;4. gear pump;5.(a) The changes of luminous regiongas mass flowmeter;6. burmer;7. syngas exit; 8. waterspout; 9. slag1s0 1discharge ;10. flame monitoring system.140Fig 2 Schematic diagram of experimental setup.130圖2試驗(yàn)裝 暨流程圖120輔助系統(tǒng)火焰監(jiān)視器11000 t14 2128 35s)光學(xué)傳感器CCD 攝像機(jī).視頻采集卡(b) Ihe changes of average brightness0.8 1↓爐膛火焰計(jì)算機(jī)系統(tǒng)0.6.Fig3 The sketch map of flame monitoring system.圖3火焰檢測(cè)系統(tǒng)示意圖; 0.2士;火焰檢測(cè)系統(tǒng)各部分功能[6如下:014(1)光學(xué)傳感器:利用小孔成像的原理,獲取火(c) The changcs of cenroid positin焰圖像并經(jīng)透鏡傳送到CCD的靶面上。(2)輔助系統(tǒng):吹掃和冷卻光學(xué)傳感器,防止碳i 4 The stable combustion of two burmers.黑在鏡面上粘結(jié)和傳感器過(guò)熱。圖4兩噴嘴 穩(wěn)定燃燒時(shí)(3) CCD攝像機(jī):由具有光電轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)無(wú)論是兩噴嘴還是四噴嘴試驗(yàn),火焰圖像相對(duì)體器件組成-一個(gè)面陣單元,每個(gè)半導(dǎo)體器件能儲(chǔ)存亮度面積的變化在0.1以內(nèi);平均灰度值的變化在隨景物變化而感受到的電荷量,并能夠在控制信號(hào)15以內(nèi);形心坐標(biāo)的變化在0.1以內(nèi)。3個(gè)方面的的作用下,將儲(chǔ)存的電荷量按照一定的順序輸出,形.波動(dòng)都在合理的范圍以內(nèi)，說(shuō)明氣化爐內(nèi)氣化燃燒成電視信號(hào)。狀態(tài)較好。另外,平均灰度值的變化趨勢(shì)與相對(duì)亮(4)火焰監(jiān)視器:觀看爐內(nèi)燃燒情況,隨時(shí)調(diào)節(jié)度面積的變化趨勢(shì)基本上是一致的,符合理論上的攝像機(jī),使圖像更清晰。中國(guó)煤化工(5)視頻采集卡:將電視模擬信號(hào),轉(zhuǎn)換成計(jì)算4.2CNMHG機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)。仕氣化燃燒中,可能友生不穩(wěn)定燃燒的現(xiàn)象,下(6)計(jì)算機(jī)系統(tǒng);存儲(chǔ)拍攝的圖像,并對(duì)火焰圖面就試驗(yàn)研究中幾種燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象進(jìn)行分析和像進(jìn)行數(shù)字圖像處理和提取、分析特征參數(shù)等。討論。206計(jì)算機(jī)與左用化學(xué)2006 ,23(3)0.4 10.30.3 -0.2 .0.2 t0.10.0 +12030.0O..60.91(s)t(s)(a) The changes of luminous region150150.140 .40 t130V,30 +120120 1110.10-100400.00.0.61.2S)(()(b) The changes of average brightness(b) The changes of avernge brighness0.80.40.4-十→x.2 t士;.0 +i12(s)(5)(C) The changes of centroid position(C) The changes of centfoid positionFigs The stable combustion of four burners.fig6 Change from two burmers to four burmers.圖5 四噴嘴穩(wěn)定燃燒圖6兩噴嘴變化到四噴嘴4.2.1從兩噴嘴 變化到四噴嘴圖7表明,此時(shí)火焰的相對(duì)亮度面積在0到1在做四噴嘴氣化燃燒試驗(yàn)時(shí),一般先點(diǎn)燃兩噴之間急劇變化,0代表火焰已經(jīng)熄滅,1代表火焰充.嘴,再過(guò)渡到四噴嘴,--瞬間,燃燒情況變化很大,如滿整個(gè)爐膛。圖6所示。爆燃時(shí)火焰圖像的平均灰度值在200以上,接火焰的相對(duì)亮度面積從0.2左右,經(jīng)過(guò)劇變,然近飽和;熄滅時(shí),其值在128左右,為當(dāng)時(shí)爐膛背景后穩(wěn)定在0.29左右;平均灰度值則從116左右變?yōu)榈钠骄叶戎?其變化趨勢(shì)與相對(duì)亮度面積的變化135左右,增幅達(dá)到19左右;主要由于兩噴嘴變化.趨勢(shì)基本一致?；鹧娴男涡淖鴺?biāo),有火焰時(shí)穩(wěn)定在0.5左右,即到四噴嘴時(shí),負(fù)荷量增大所致。其次,形心坐標(biāo)的變化卻不大，穩(wěn)定在0.5左右在爐膛的中心;火焰熄滅時(shí),則為0(用0表示無(wú)火(即爐膛中心),說(shuō)明火焰形狀的變化對(duì)形心坐標(biāo)沒(méi)焰時(shí)的形心坐標(biāo))。多大影響,且從側(cè)面說(shuō)明四噴嘴對(duì)置氣化爐的設(shè)計(jì)4.2.單火焰熄滅中國(guó)煤化工- -個(gè)噴嘴堵塞而引是合理的,火焰的形心坐標(biāo)能穩(wěn)定在中心位置。起單,YHCNMH G度急劇下降,進(jìn)而使4.2.2爆燃現(xiàn)象爆燃是一種極端不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在火焰特征另一噴嘴的火焰直接打在爐壁上,不得不停車,這在上,它表現(xiàn)為火焰面積和平均灰度值急劇增大,且會(huì)火焰圖像的特征上也得到充分的體現(xiàn),如圖8所示。火焰相對(duì)亮度面積急劇下降;平均灰度值也同突然熄滅2006 ,23(3)顏?zhàn)坑碌?用數(shù)字圖像分析氣化爐內(nèi)燃燒狀態(tài)的試驗(yàn)研究2071.0 10.4 10.80.30.60.20.1.0 t0.00405015(S)(a) The changes of luminous region25060 1，220 .2019080或160MF 1301001I061(S)(s)(b) The changes of average brightness1.0.8 t。0.S 0.4}249.6 1).43 0.2士;0.0 ..0 +1030is1(s)(C) The changes of centroid position(C) The changes of cenroid positionFig7 The phenomenon of delagration.Fig. 8 Single flame is extinguished.圖7燦燃現(xiàn)象圖8單火焰熄滅樣下降，而在火焰的形心坐標(biāo)中,可以看出,由于只論參考,但需要進(jìn)-步研究,提供更為確切的判斷依有一側(cè)火焰,在x坐標(biāo)上變化很明顯,而在y坐標(biāo)則據(jù),同時(shí)測(cè)量氣化爐內(nèi)的溫度分布,重建出氣化爐內(nèi)很平穩(wěn),只是在火焰熄滅時(shí)突然變?yōu)?。的溫度場(chǎng),更加深入了解氣化爐內(nèi)的氣化火焰特性,應(yīng)用于工業(yè)上檢測(cè)氣化爐內(nèi)燃燒狀況。5結(jié)論References火焰圖像經(jīng)數(shù)字圖像處理后,能清晰反映氣化1 Wang AH, Cai JJ, Wang LN and Tian H. Progress and prospeet of爐內(nèi)火焰特征及燃燒狀態(tài)規(guī)律。當(dāng)火焰圖像的相對(duì)clean coal technology. Energy Conservation, 2004, 5:6-9.亮度面積變幅在0.1以內(nèi),平均灰度值變幅在15以2 YuCS, Niu MR, Wang YF, Liang QF and Yu ZH. Application sta-內(nèi)時(shí),說(shuō)明燃燒狀態(tài)比較穩(wěn)定;而當(dāng)火焰相對(duì)亮度面us and development tendency of coal entrained-bed gasification.Moderm Chemical Industry, 2004, 24(5):23 -26.積和平均灰度的變幅較大時(shí),說(shuō)明燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定。ZhangF and Bao H. Furnace flame monitoring sytem and tempers-其次,無(wú)論是在穩(wěn)定燃燒還是不穩(wěn)定燃燒時(shí),火中國(guó)煤化工Power, 2003.焰的相對(duì)亮度面積和平均灰度值的變化規(guī)律基本都是一致的;形心坐標(biāo)則基本穩(wěn)定在0.5左右(即爐YHC N M H Geserch on temperature fieldmeasuring for combustion flance based on plane surface array CCD.膛中心),除非發(fā)生單噴嘴火焰熄滅或全都熄滅的Proceedings of the CSEE, 1999現(xiàn)象。Yan Y, Lu G and Colechin M. Monitoring and charaterzation of本文為預(yù)測(cè)氣化爐內(nèi)氣化燃燒趨勢(shì),提供了理pulverized coal flames using digital imaging techniques. 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