用数字图像分析气化炉内燃烧状态的试验研究

第23卷第3期计算机与应用化学Vol. 23, No. 32006年3月28日Computers and Applied ChemistryMarch, 2006用数字图像分析气化炉内燃烧状态的试验研究，颜卓勇，梁钦锋，牛苗任，于广锁，于遵宏(华东理工大学洁净煤技术研究所，上海, 200237)摘要:基于数字图像处理技术,研究气流床气化炉内多喷嘴对撞气化火焰几何特征,分析气化稳定燃烧和不稳定燃烧两种状态。运用火焰的相对亮度面积、形心坐标和火焰图像的平均灰度值等3个方面的变化趋势,说明气化燃烧状况,从分析结果中可以得到以下结论:当3个方面的变化趋势都很平稳时,说明燃烧状态较稳定;当前两个变化幅度较大时，说明气化燃烧状态不稳定。研究结果为预测气化炉内气化燃烧趋势,提供了理论参考。关键词:数字图像处理;火焰检测;气流床气化炉;燃烧状态中圈分类号: TQ 546.2文献标识码: A文章编号: 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、突然熄灭等不稳定的情况,使炉内温度场不均匀,煤的气化技术是煤炭洁净、高效和综合利用的发生偏移,且靠近火焰中心的炉壁温度过高而易损关键技术、龙头技术。尤其是高压、大容量气流床的坏,进而影响气化炉使用的寿命和效率。因此,研究气化技术,具有良好的经济和社会效益,更是当前的气化炉内的气化燃烧状况对工业生产具有指导意义。由于CCD(chargecoupleddevice)摄像机耐灼发展趋势。最清洁的煤利用技术,不仅减少空气污伤,工作稳定可靠,图像高清晰等优点,还可与数字染,且能生产出许多有价值的副产品,如高纯度硫、图像处理相结合,国内外很多研究机构都作了大量CO2和无毒炉渣。随着环境标准的日趋严格,它的研究,特别着重火焰的几何特征和煤粉锅炉完全燃优势将越来越突出1-21。在国家“863”项目的支持烧的温度场重建方面13-"。而对气化炉中的气化下,华东理工大学等共同开发四喷嘴对置式水煤浆燃烧火焰的研究还极少,本文着重研究多喷嘴对置气化技术,在煤的气化领域填补国内空白,并建成商式气化怕内对墙与化嫩伐山松特征。业示范装置,且运行良好。中国煤化工但是,气流床气化炉内气化过程中,可能产生爆THCNMHG收稿日期: 205-08-20; 修回日期: 2005-11-26基金资助:国家高技术研究发展计划(2003AA521020); 国家重点基础研究发展计划(2004CB217703); 上海市启明星计划(03QF14013)作者简介:顏卓勇(1983-), 男，江西人，硕士生，化学工艺专业，导师:于广锁(联系人) .2006 ,23(3)什算机与应用化学2042数字图像处理本文就火焰的相对亮度面积、火焰图像的平均灰度值以及火焰的形心坐标,分析火焰的燃烧情况。火焰的相对亮度面积和平均灰度值，可以量化比较(a) original image(b) gray image气化炉内的总体亮度和温度。火焰形心坐标则可显示气化炉内火焰主体的位置变化趋势,这些特征值都可以根据厌度直方图计算得到。2.1火焰圉 像的阈值分割'"-14)(c) flame boundary(d) binary image阈值分割就是设置- -个分割阈值1,凡图像灰度值大于或等于阈值i的归为一类,剩下的为另一类，Fig 1 The flame image.图1火焰图像分别为目标主体和背景。其公式表示为:[; f(x,y)≥t(1)S(*.y)g(x,y) =其它M xN阈值分割是数字图像处理的关键,直接影响其其中,X是一幅M行N列的数字图像,f(x,y)后的分析结果,常见的方法有最大方差自动取阈、模是指各象素点的灰度值。糊阈值图像分割最优阈值分割和直方图选取阈值2.3火焰的相对亮度面积分制法等。本文采用最大方差自动取阈法和直方图通常,火焰的相对亮度面积是火焰主体面积和炉选取阈值分割法相结合。膛面积之比,但为了处理的方便,文中采用火焰主体最大方差自动取阈法是设定-灰度阈值1,图像面积和数字图像的矩阵面积之比。用公式表示为:被该阈值分为区域1与区域2,同一区域其灰度常相.s=灰度值大于等于!的象素数目(5)似，而当两个区域间灰度差较大时,其平均灰度与整MxN幅图像平均灰度之差也较大。区域间的方差,是描述↓是图像灰度的分割阈值,其它符号意义同上。这种差异的有效参数。其计算区域间方差表达式为:2.4火焰的灰度形心坐标(x,y)。' = θ,(1)0(1)[](1) -J(1)]'(2)火焰的温度很难测准,且依据Planck 辐射定律其中,0,(1)、0,(1)是阈值为1时,各自区域与整求取火焰的温度较为复杂，故一般只计算火焰的灰幅图像的面积比J() J5,(1)是阈值为(时,各自区度形心坐标,就能很好地反映火焰的燃烧情况。其域的平均灰度值。公式表示为: .当被分割的两区域间方差最大时,则是两区域x=E(x,) 2 y(*.,y)(6)的最佳分离状态。由此确定分割阈值l,即t = max[σ'(I)](3)E(*,y)直方图选取阈值分割法是根据图像，由目标主体其中f(x,y)≥t,符号含义同上。和背景而构成,在目标主体或背景内部的相邻象素之3试验流程及火焰检测系统间是高度相关的，且目标和背景交界处的象素在灰度级上有明显的变位,可以据之以选取分割阈值t。整个试验用氧气作为氧化剂，柴油作为气化介采用最大方差自动取阈法有时会把摄像机拍摄质。气化炉四喷嘴水平对置,喷嘴为双通道,氧气由时产生的光晕及碳黑辐射产生的光也作为火焰的主氧气钢瓶提供,由气体质量流量计控制计量后,经喷体,而火焰的灰度直方图有明显的低谷。因此两种嘴外通道进入气流床气化炉炉膛内;柴油由齿轮泵方法的结合,便易于分割火焰图像,充分反映火焰图中国煤化工°膛内,氧气与柴油在像的几何特征,如图1所示。炉内HCNMH G气经激冷室冷却后2.2 火焰囹像的平均灰度值'*)放空H11“川小。火焰主体的平均灰度值,有时很难反映出火焰火焰检测系统，采用安徽大学特种电视技术研炉膛灰度变化的规律,而火焰图像的平均灰度值，则究中心生产的YD型内窥式工业电视系统。CCD 摄恰好解决了这个问题。其公式表示为:像机安装在气化炉顶部,采用松下的WV-CP470系2006 ,23(3)颜卓勇等:用数字图像分析气化炉内燃烧状态的试验研究205列彩色数字摄像机,具有753个图像元素的1/3英4试验处理结果及讨论寸行间传递CCD图像传感器和数字信号处理大规4.1稳定的气化燃烧情 况模集成电路。火焰检测系统示意图见图3。在稳定气化燃烧的条件下研究两喷嘴等负荷对撞和四喷嘴等负荷对撞的结果,两种情况火焰图像的特征趋势如图4和图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图2试验装 暨流程图120辅助系统火焰监视器11000 t14 2128 35s)光学传感器CCD 摄像机.视频采集卡(b) Ihe changes of average brightness0.8 1↓炉膛火焰计算机系统0.6.Fig3 The sketch map of flame monitoring system.图3火焰检测系统示意图; 0.2士;火焰检测系统各部分功能[6如下:014(1)光学传感器:利用小孔成像的原理,获取火(c) The changcs of cenroid positin焰图像并经透镜传送到CCD的靶面上。(2)辅助系统:吹扫和冷却光学传感器,防止碳i 4 The stable combustion of two burmers.黑在镜面上粘结和传感器过热。图4两喷嘴 稳定燃烧时(3) CCD摄像机:由具有光电转换功能的半导无论是两喷嘴还是四喷嘴试验,火焰图像相对体器件组成-一个面阵单元,每个半导体器件能储存亮度面积的变化在0.1以内;平均灰度值的变化在随景物变化而感受到的电荷量,并能够在控制信号15以内;形心坐标的变化在0.1以内。3个方面的的作用下,将储存的电荷量按照一定的顺序输出,形.波动都在合理的范围以内，说明气化炉内气化燃烧成电视信号。状态较好。另外,平均灰度值的变化趋势与相对亮(4)火焰监视器:观看炉内燃烧情况,随时调节度面积的变化趋势基本上是一致的,符合理论上的摄像机,使图像更清晰。中国煤化工(5)视频采集卡:将电视模拟信号,转换成计算4.2CNMHG机可以处理的数据。仕气化燃烧中,可能友生不稳定燃烧的现象,下(6)计算机系统;存储拍摄的图像,并对火焰图面就试验研究中几种燃烧不稳定的现象进行分析和像进行数字图像处理和提取、分析特征参数等。讨论。206计算机与左用化学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.图5 四喷嘴稳定燃烧图6两喷嘴变化到四喷嘴4.2.1从两喷嘴 变化到四喷嘴图7表明,此时火焰的相对亮度面积在0到1在做四喷嘴气化燃烧试验时,一般先点燃两喷之间急剧变化,0代表火焰已经熄灭,1代表火焰充.嘴,再过渡到四喷嘴,--瞬间,燃烧情况变化很大,如满整个炉膛。图6所示。爆燃时火焰图像的平均灰度值在200以上,接火焰的相对亮度面积从0.2左右,经过剧变,然近饱和;熄灭时,其值在128左右,为当时炉膛背景后稳定在0.29左右;平均灰度值则从116左右变为的平均灰度值,其变化趋势与相对亮度面积的变化135左右,增幅达到19左右;主要由于两喷嘴变化.趋势基本一致。火焰的形心坐标,有火焰时稳定在0.5左右,即到四喷嘴时,负荷量增大所致。其次,形心坐标的变化却不大，稳定在0.5左右在炉膛的中心;火焰熄灭时,则为0(用0表示无火(即炉膛中心),说明火焰形状的变化对形心坐标没焰时的形心坐标)。多大影响,且从侧面说明四喷嘴对置气化炉的设计4.2.单火焰熄灭中国煤化工- -个喷嘴堵塞而引是合理的,火焰的形心坐标能稳定在中心位置。起单,YHCNMH G度急剧下降,进而使4.2.2爆燃现象爆燃是一种极端不稳定的现象。在火焰特征另一喷嘴的火焰直接打在炉壁上,不得不停车,这在上,它表现为火焰面积和平均灰度值急剧增大,且会火焰图像的特征上也得到充分的体现,如图8所示。火焰相对亮度面积急剧下降;平均灰度值也同突然熄灭2006 ,23(3)颜卓勇等:用数字图像分析气化炉内燃烧状态的试验研究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.图7燦燃现象图8单火焰熄灭样下降，而在火焰的形心坐标中,可以看出,由于只论参考,但需要进-步研究,提供更为确切的判断依有一侧火焰,在x坐标上变化很明显,而在y坐标则据,同时测量气化炉内的温度分布,重建出气化炉内很平稳,只是在火焰熄灭时突然变为0。的温度场,更加深入了解气化炉内的气化火焰特性,应用于工业上检测气化炉内燃烧状况。5结论References火焰图像经数字图像处理后,能清晰反映气化1 Wang AH, Cai JJ, Wang LN and Tian H. Progress and prospeet of炉内火焰特征及燃烧状态规律。当火焰图像的相对clean coal technology. Energy Conservation, 2004, 5:6-9.亮度面积变幅在0.1以内,平均灰度值变幅在15以2 YuCS, Niu MR, Wang YF, Liang QF and Yu ZH. Application sta-内时,说明燃烧状态比较稳定;而当火焰相对亮度面us and development tendency of coal entrained-bed gasification.Moderm Chemical Industry, 2004, 24(5):23 -26.积和平均灰度的变幅较大时,说明燃烧状态不稳定。ZhangF and Bao H. Furnace flame monitoring sytem and tempers-其次,无论是在稳定燃烧还是不稳定燃烧时,火中国煤化工Power, 2003.焰的相对亮度面积和平均灰度值的变化规律基本都是一致的;形心坐标则基本稳定在0.5左右(即炉YHC N M H Geserch on temperature fieldmeasuring for combustion flance based on plane surface array CCD.膛中心),除非发生单喷嘴火焰熄灭或全都熄灭的Proceedings of the CSEE, 1999现象。Yan Y, Lu G and Colechin M. Monitoring and charaterzation of本文为预测气化炉内气化燃烧趋势,提供了理pulverized coal flames using digital imaging techniques. Fuel,208计算机与应用化学2006 ,23(3)2002, 81 :647 - 657.15 Xu W. Digital image processing for high humidity combustor flame6 Jorge S Marques and Pedro M. Jorge. Visual inspection of a com-character. Master Dissertation of Shanghai Jiao Tong University,bustion process in a thermoletrie plant. Signal Processing, 2000 ,2000.80:1577 - 1589.16 Lv zz and Gai XH. The study and application of boiler flame digital7 Hirano T and Ishizuka s. The polential of visualization for studies onimage processing system. Process Automation Instrumentation,mes and furnaces.Fuel, 1994, 73(3) :1697 - 1709.1996.Kurihara N and Nishiawa M. A combustion diagnosis method for附中文参考文献pulverized coal boilers using flame imagere cognition technology.王爱华，蔡九菊，王连男，田红.洁净煤技术进展与展望、节EEE Transaction on Energy Conversion, 1986, 1(2) :99 - 103.能，2004, 5:6-9.Shimoda M and Sugano A. Prediction method of unburnt carbon for2于广锁，牛苗任，王亦飞，梁钦锋，于遵宏。气流床煤气化的技coal fired utility boiler using image processing technique of combus-术现状和发展趋势、现代化工, 2004, 24(5):23 -26.tion flame. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1990, 5(4):3张芳娥，鲍慧.炉膛火焰监视系统及温度场计算.河北电力技640 -645.术，2003.0 Collions s. Advanced flame monios lake on combustion control.薛飞，李晓东，倪明江，严建华，基于面阵CCD的火焰温度场Power, 1993, (10):75 -77.测量方法研究.中国电机工程学报，199.11 Zhou HC, Sheng P and Han SD, et al. Reconstruction of tempere-12 余成波.数字图像处理及MATLAB实现.重庆:重庆大学出版.ture distribution in a 2D absorbing-emitting system from radiant ener-社, 2003.gy images. JSME International Journal, Series B, 2000, 43(1):13 傅德胜，寿益禾.图形图像处理学，南京:东南大学出版社，104- 109.2001.2 Y'u CB. Digital Image Processing and MATLAB Realization.14 王家文,曹宇. Matlab6.5图形图像处理.北京:国防工业出版Chongqing University Press, 2003.15 徐玮.大湿度燃烧室基本火焰特征的数字图象处理，上海交通east Univensity Press, 2001.大学硕士学位论文，2000.14 Wang JW and Cao Y. Matlab 6.5 Figure and Image Processing.16吕震中，盖新华,等.锅炉炉膛火焰数字图象处理系统的研究Bejing: National Defence Industry Press, 2003.与应用。自动化仪表，1996.中国煤化工MYHCNMHG