基于数字图像处理之工业火炬火焰监控体系研究

第 1 章 绪论

1.1 火炬研究背景
火炬系统是炼油厂和石油化工厂中重要的安全设施和节能环保设施[1]，主要采取燃烧的方法处理生产装置在日常运行、开停工、非正常生产及紧急状态下无法进行有效回收的可燃气体，也用于燃烧生产过程中排放出的有毒气体，避免造成环境污染与危害[2]。因此，火炬的正常点火和点火后的正常燃烧成为火炬系统的主要研究方向。分子封作为火炬系统防止回火的主要设备，一般采用氮气型分子封。分子封的主要作用是在中断火炬气排放或小流量燃烧发生异常的时候，防止空气回流进入火炬筒体而发生回火或者产生爆炸。氮气是惰性气体难以燃烧，并且分子量比空气小，可将氮气作为密封气体充入分子封内。利用气体的浮力，氮气将充满分子封的上部空间并产生一个高于大气压的区域，有效地阻止了空气进入分子封内部，解除了火炬燃烧器头部火焰会产生回火爆炸的安全隐患。因此，在火炬系统下一次点火前和小流量工作时，分子封内部都将连续充入氮气。传统火炬系统的长明灯位于火炬头的上方，内部含有燃气可将长明灯进行点燃。长明灯内设有铠装热电偶，可作为检测单元将火炬燃烧时温度信号传输至控制单元，从而对火炬点火和燃烧状况进行监控[5]。
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1.2 火炬装置及组成
目前常见火炬装置有封闭式地面火炬、开放式地面火炬、高架火炬等。封闭式地面火炬具备无烟、噪音较小、热辐射低、无光污染等突出的环保特性。开放式地面火炬与封闭式地面火炬相比，由于处理量不会受到限制，因此能满足大型石油化工装置的需求[3]。高架火炬相比前两者具有造价便宜、使用范围广、操作起来方便等优点，这就使其成为当今石油化工、煤气天然气等行业使用最广泛的火炬系统。按照支撑方式的不同，高架火炬支撑方式可分为塔架、拉索和自立三种。高架火炬按照助燃方式的不同，可以分为蒸汽、鼓风、合成气、音速、蓄热、伴烧等多种形式[4]。如图 1.1 所示，一个典型的高架火炬系统由火炬头、长明灯、点火器、气体密封器、火炬筒、水封罐、分液罐等工艺设备组成。

第 2 章 图像处理基础

2.1 彩色图像的颜色模型
为了对定义的颜色域中对颜色进行定量说明，通过一定规则和定义所建立的数学模型，称为颜色模型或者色彩空间模型。颜色模型实质上是某个三维颜色坐标系统中的一个可见光子集，只能表示某个颜色域中的颜色，但是不能对可见光信息进行完整的表达。在此简要介绍 RGB 颜色模型和 HIS 色彩空间模型。RGB 色彩空间模型是个正方体，如图 2.1 所示，色彩空间中每个三维向量都与数字图像中的像素点相对应，该三维向量的分量则对应相应色彩的亮度值。由上图可以看出，原点与黑色相对应，与原点距离最远的点和白色相对应，体对角线上分布着由黑到白的像素点并且该像素点 R 分量、G 分量、B 分量比例相同。HSI 颜色模型，是在视觉系统对色彩的感知基础上，提出的一种对色彩进行定量描述的颜色系统，也称为视觉颜色模型系统。HIS 颜色模型是通过 H、S、I三种性质参数共同对颜色特性进行描述。H-Hue（色调）通过 0°到 360°的角度值来表示，反映出了不同颜色所对应不同的光谱波长，通常将色调值按照红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序进行排列，并设定 0°表示红色色调值， 120°表示绿色色调值， 240°表示蓝色色调值等。从 0°到 360°的色调值范围内，覆盖了全部可见光谱的颜色。S-Saturation(饱和度)采用 0%-100%的百分数进行表示，反映出了不同颜色的深浅度和饱和度。彩色光中参入的白色越多，则饱和度越低，颜色越浅。彩色光中参入的白色越少，则饱和度越高，颜色越深。在饱和度参数可以通过色凋值的原点（圆心）到彩色点的半径的距离表示，在中心点的饱和度为 0%，在环边界上的颜色饱和度达到最高值为 100%。I-Intensity（强度）可以通过感受器的反射系数来决定，得到的系数越大，彩色光亮度愈大，反之愈小。
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2.2 图像预处理
图像预处理是在图像分析中，对采集图像进行图像分析、图像判断前所必备的处理工作。其目的主要是通过一定的调整变换以达到恢复或增强图片中有用信息，消除或减弱与后续分析工作无关的信息。图像预处理主要方式有图像增强、图像滤波处理、图像细化等几个方面，本文主要通过图像灰度化处理、直方图均衡化和平滑滤波等相关操作，增强图中有用信息量，突出探测图像的对比性，提高所提取的图像质量，为之后的图像处理工作打下基础[21]。在图像处理时，需要对 R 分量、G 分量、B 分量分别进行处理，实际上图像的形态特征并不能由 RGB 颜色模式完整地反应出来，只是基于光学机理上对颜色的一种比例调配。为了减少图像中信息的处理量和复杂程度，需要对彩色图像进行灰度化处理。灰度化实质就是当彩色图像每个像素点的 R、G、B 分量值相等时，这个值就是该像素点的灰度值，此时彩色像素点就可以表示为一种灰度颜色。灰度化的主要方法有提取分量法、取最大值法、平均值法以及加权平均值法[22]。灰度直方图是有关灰度级的函数，是图像基于统计原理得到的重要特征。通过表示不同灰度级的像素的个数，明确地反映出该灰度级出现的频率大小。图像的整体灰度分布通过灰度直方图得到较好体现，图像中较暗的部分集中分布在灰度级较低的一侧，相反较亮的部分则集中分布在灰度级较高的部分。基于统计原理特性，可以从灰度直方图中直观地了解到图像的明亮程度、多方面的对比度以及判断是否有利于目标的提取分离。
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第 3 章 基于图像处理的火炬燃烧状态识别.....19
3.1 火焰图像去噪.... 19
3.2 火焰区域的提取 ..... 20
3.3 烟雾区域的提取 ..... 28
3.4 本章小结...... 32
第 4 章 反馈系统的设计........34
4.1 基于图像处理的火炬自动点火系统 ......... 34
4.2 火炬燃烧时的自动反馈调节系统 ....... 35
4.2.1 蒸汽对燃烧状态的调节 .... 35
4.2.2 氮气对燃烧安全的控制 .... 35
4.2.3 自动反馈调节系统 ...... 35
4.3 火炬燃烧自动控制策略 ..... 37
4.4 改进后的火炬火焰监控系统的主要优点 ....... 39
4.5 本章小结...... 40
第 5 章 结论与展望....41
5.1 全文总结...... 41
5.2 全文展望...... 41

第 4 章反馈系统的设计

4.1 基于图像处理的火炬自动点火系统
当压力变送器或流量感应计监测到有燃气持续向火炬排放时，基于图像处理的火炬自动点火系统开始点火控制。系统将对点火次数计数器 Cf清零，并向高空电点火器输送高压电，打开高压燃气电磁阀对高空点火器进行点火。点火操作完成后，远程摄像头对火炬头部分的图像进行摄取并传输到视屏检测系统，通过对图像中火焰区域的提取来判断是否含有火焰及火焰的大小，并反馈给控制系统（DCS）。若得到火炬点火正常，关闭高压燃气电磁阀并且停止向高空电点火器输送高压电，此时点火过程完成，系统将进入监控状态。当监测到图像中不存在火或者火焰较小，则继续对火炬进行点火操作。若在进行多次(在此设为1N )点火程序后，仍未检测到火焰信息反馈，则系统将进行报警，，并由操作人员手动控制地面内传焰点火器对火炬进行点燃，直到监测到正常燃烧的火焰。自动点火系统如图 4.1 所示：
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总结

随着我国工业的迅猛发展，火炬装置在工业生产中得到广泛的应用与长足的发展。传统的火炬点火系统在点火时的反馈控制存在着自动化程度较低的缺点，并且在火炬燃烧时忽略了对燃烧状态的自动化监控。本文针对传统火炬系统存在的缺点，依托于火炬自动电点火系统，提出了一种基于数字图像处理的火炬监控改进方案。利用摄像头摄取的图像，应用图像处理知识，针对火炬点火系统进行改进设计，从而对火炬进行实时监控，保证火炬安全、环保地正常燃烧，并且有降低能耗、节约成本等重要经济效益。课题研究过程中主要工作及结论如下：
1.对传统的火焰探测技术进行研究分析，根据其灵敏度较低、信息不够直观、受环境影响较大等缺点，提出了基于数字图像处理的火焰探测技术。
2.在数字图像处理基础上，分析了火炬燃烧时产生的火焰与黑烟的颜色特性与静态特征。通过多种不同的方法对火焰与黑烟进行提取，对实验结果比较分析，得到适用于工业火炬图像的提取方法。
3.针对火炬燃烧时传统火炬控制系统的开环性，在数字图像处理的基础上设计完整的闭环反馈系统，通过自动控制原理对监测到的燃烧状态进行控制，节省大量人力物力同时，确保了火炬安全、环保地燃烧。
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参考文献（略）