CN104008385A - 基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，包括以下步骤：（1）、获取两幅相同时间、不同角度的炉膛火焰图像；（2）、以炉膛火焰基准状态切圆的质心坐标为基准，分别计算该两幅火焰图像在其所在面的质心偏移距离；（3）、根据该两个质心偏移距离计算出炉膛火焰的实际质心偏移距离；（4）、将实际质心偏移距离与预设有效区域进行比较，若实际质心偏移距离超出有效区域，则提出预警。本发明选取两幅火焰图像进行分析，而且从不同角度出发，判别炉膛火焰燃烧状态，获取实时运行特征，进而判断燃煤电厂炉膛火焰燃烧的安全性、稳定性。

Description

基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法

技术领域

本发明涉及煤炭发电技术领域，尤其涉及一种基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法。 

背景技术

电厂发电过程中，被控对象是炉膛中的燃烧火焰，促使火焰正常燃烧的前提是稳定的高温煤粉供给。调控炉膛火焰的主要硬件设备就是输送管道中的阀门（挡板）机构，而锅炉在正常运行过程中最重要的事故预防就是防止输送管道中高温煤粉的输送量突变，避免簇拥的团型煤粉或因煤粉输送拥堵导致在炉膛的高压下突然灭火，引发重大事故，甚至锅炉爆炸。而稳定的高温煤粉供给的前提是能够获取比较准确的炉膛火焰燃烧状况，而炉内悬浮燃烧状态的火焰是一种非常复杂的高压悬浮燃烧，它的工况是不稳定的，由于炉火是以旋转模式燃烧而形成一个火球，并悬浮在炉膛中，好比是一个软性的、外观几何特征时变的悬浮“陀螺”，进而形成一个具有旋转特性的高压热气流动力场，所以仅仅选取某一个时刻的火焰图像作为判定炉膛火焰燃烧状况的判据，是不可靠的。 

目前我国工业用燃煤锅炉的煤炭消耗约占我国煤炭消耗总量的四分之一，而且正在使用的工业锅炉大多是使用年限较长的锅炉，效率较低，污染较大。这些锅炉的自动控制水平不高，较严重地影响锅炉的燃烧效率。传统的控制方式，不能及时有效地将锅炉燃煤的燃烧控制在最佳状态，也限制了锅炉设备及辅机的运行效率，造成了能源浪费和污染物不能达标排放。 

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，选取两幅时间相同、角度不同的火焰图像进行分析，判别炉膛火焰燃烧状态，进而根据炉 膛火焰燃烧状态判断燃煤电厂炉膛火焰燃烧的安全性、稳定性。 

一种基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，包括以下步骤： 

（1）、获取两幅相同时间、不同角度的炉膛火焰图像； 

（2）、以炉膛火焰基准状态切圆的质心坐标为基准，分别计算该两幅火焰图像在其所在面的质心偏移距离；所述基准状态就是理想运行时的炉膛内部温度均匀、压力均匀，每一个煤粉供给执行器的动作完全对称，火焰燃烧波动率最小的状态；切圆质心坐标是基准状态工况下，选取多段半小时长度的燃烧火焰图像，计算出每个半小时中所有图像的质心，采用算术平均法算得的质心坐标；所述质心偏移距离为基准状态切圆的质心与实际获取的火焰图像的质心两质心的之间的距离差； 

（3）、根据该两个质心偏移距离计算出炉膛火焰的实际质心偏移距离； 

（4）、将实际质心偏移距离与预设有效区域进行比较，若实际质心偏移距离超出有效区域，则提出预警；所述有效区域为切圆质心坐标加上安全运行所允许的最大半径所构成的区域。 

进一步地，如上所述的基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，步骤1中获取的两幅图像垂直。 

进一步地，如上所述的于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，在步骤1之后，步骤2之前，还包括对两幅图像进行预处理，所述预处理包括对两幅火焰图像分别进行中值滤波以去除噪声，其中，中值滤波的计算公式为： 

g(x,y)＝med{f(x-i,y-i)},i,j∈S（1）； 

式中，其中g(x,y)、f(x,y)为像素灰度，S为模版窗口，图像g(x,y)是有原始图像f(x,y)和噪声η(x,y)叠加而成的图像。 

进一步地，如上所述的基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，所述预处理还包括对中值滤波后的火焰图像采用Canny算子进行边缘提取，从边缘提取后的图像中确定火焰图像的质心。 

本发明提供的基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，通过获取相同时间、不同角度的两幅火焰图像，并分别分析两幅图像的质心坐标，然后 将该质心坐标与基准状态切圆质心分别做对比，从而能够更加准确、可靠地判断出炉膛火焰燃烧状况，然后根据炉膛火焰燃烧状况来恰当调节锅炉的煤粉供给，进而实现了燃煤电厂炉膛燃烧安全性、稳定性。另外，本发明将复杂的图像处理、图像分析和燃烧状态判别蕴藏于监控系统中，通过监控系统判断燃煤电厂炉膛火焰燃烧的状态，通过炉膛火焰燃烧的状态来调整煤粉供给执行器的给粉率和热风量，从而实现逐渐纠偏来达到炉膛锅炉燃烧的精确自动监测和控制，从而实现燃煤电厂炉膛燃烧安全性、稳定性。通过监控系统开监控炉膛火焰的燃烧状况，使得最终的炉膛火焰燃烧状态判别方法简单易懂，给操作人员带来了方便。 

附图说明

图1为具有4个特征区域的炉膛火焰边缘特征图； 

图2为经过中值滤波去噪和Canny算子后的火焰图像的边缘特征图； 

图3垂直获取的两火焰图像空间结构图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

实施例： 

1、炉膛火焰原始双图像获取 

选用合适的双图像采集系统（例如两台摄取图像角度为90°、水平位置安装的红外线火焰检测器）获得实时燃烧的炉膛火焰原始图像，将获取的火焰图像通过数据线传送到上位机，然后通过上位机对获取的两幅图像进行处理运算来确定火焰图像的质心。 

首先，考虑到炉膛火焰工况的不稳定性，获得的原始图像蕴涵着较多噪声因素，影响图像的清晰度，因此原始图像先完成预处理工作； 

2、每个原始单图像预处理 

根据火焰图像有效特征，为抑制在锅炉内部、成像过程、信号传送中各种干扰给图像带来的噪声，从而能快速、清晰、实时地反映出炉膛火焰，预处理的主要内容是滤波。 

本发明采取中值滤波对图像进行去噪处理： 

由于炉膛火焰燃烧过程是一个动态的过程，因此一定会含有随机干扰，多图像平均法自然而然成为一种抑制噪声的有效手段。 

设定图像g(x,y)是有原始图像f(x,y)和噪声η(x,y)叠加而成，则： 

g(x,y)=f(x,y)+η(x,y) 

假定各像素的噪声是不相关的，且其均值为零，则用N幅不同的噪声图像平均可得到一幅图像g_p(x,y)。 

$g_p(x,y)=\frac{1}{N}\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i(x,y)$

由此得: 

E{g_p(x,y)}＝f(x,y) 

式中E{g_p(x,y)}为g_p(x,y)的期望值。 

如果每个像素的噪声方差为δ，则N幅图像平均后降为δ/N，当平均处理的图像数目增加时，g_p(x,y)就越接近f(x,y)。 

采用中值滤波进行在线处理。中值滤波所处理的图像效果取决于两个要素，即邻域的空间范围和中值计算时模板所覆盖的像素数。时间序列x(t)的中值滤波表示为： 

y(t)＝MED[x(t-k),...,x(t),...,x(t+k)] 

其中中值滤波器的长度为2k+1，改变滤波器的度或者模板均可改变滤波器性能。 

二维图像信号的中值滤波公式为： 

g(x,y)＝med{f(x-i,y-i)},i,j∈S 

其中g(x,y)、f(x,y)为像素灰度，S为模版窗口。 

具体地，中值滤波的过程一般为：选择一个(2n+1)*(2n+1)的窗口，使窗口沿图像数据的行方向和列方向从左到右、从上至下每个像素滑动；每 次滑动后，对窗口内的像素灰度进行排序，并用中间值代替窗口中心的像素灰度值。 

3、每一个单图像特征区域划分 

通过滤波后的火焰图像，是一个包含炉膛内部可视区域中的空间区域在二维平面上的影射，产生的图像景深的场景（燃烧火焰）叠加，因此有必要去除不相干的场景背景，只保留需要的部分，由此进行火焰燃烧特征区域划分。 

图1为具有4个特征区域的炉膛火焰图像分布图，炉膛火焰图像一经采集，特征区域随之形成。一个实时火焰视频图像上的火焰分布可以定义为4个区域，即无火焰区、一次火焰区、火焰中心区和火焰边缘，如图1所示。 

炉膛火焰图像中波动最剧烈的就是火焰边缘区域，但在宏观上这个区域也具有相对稳定的区域面积和波动空间。火焰边缘的形状和分布反映了火焰燃烧时是否稳定，因此边缘特征的分析及其确认对于获取火焰燃烧图像的特征非常重要。 

由于火焰边缘的形状如果出现较大畸变，会直接影响质心的计算，因此，提取边缘特征时将一次火焰区和无火焰区合并，从火焰在炉膛中的悬浮空间分布分析，一次火焰区和无火焰区都处于同一个空间，也为火焰以边缘方式进行描述作了一定的简化。Canny算子具有较好的边缘检测特点，并有较强的抗噪声能力，与中值滤波组合效果更好，因此选择图像处理中的边缘检测Canny算子，得到增加了中值滤波去噪后火焰图像的边缘特征图。边缘特征的研究使实时火焰图像经过预处理后，得到一幅描述炉膛温度分布的火焰区域图，如图2所示，图1中的4个区域简化成3个区域，即未燃烧的无火焰区、火焰边缘区域和完全燃烧区域（注释：火焰图像中，质心计算来自于3个特征区中的完全燃烧区）。 

4、燃烧火焰单图像特征求取 

因为炉火以旋转模式燃烧而形成一个火球，并悬浮在炉膛中，所以首先分析图像中火焰质心的偏移情况，研制出高温区质心偏移距离判据。 

煤粉燃烧时，由于空气动力场作用，悬浮火焰的质心始终是在变化的，是火焰燃烧的重要特征。在高温区圆度确定后，就可以获得燃烧火焰的质心偏移距离d。 

炉膛火焰的高温区质心理想状态时与基准状态切圆的质心重合，在正常运行时获得的炉膛火焰实际图像质心与基准切圆的质心相吻合或基本重合（基准状态就是理想运行时的炉膛内部温度均匀、压力均匀，每一个煤粉供给执行器的动作完全对称，火焰燃烧波动率最小，并预先已知质心坐标）。两个质心的偏移距离d表征了炉膛燃烧的悬浮火球在炉膛内的偏移距离。 

设定炉膛火焰的切圆质心坐标为(x',y')，基准状态切圆质心坐标为(x_S,y_S)，偏移的距离d。当炉膛火焰燃烧时，计算得出质心的距离： 

$d=\sqrt{{(x^{\′}-x_s)}^2+{(y^{\′}-y_s)}^2}$

（注释：切圆质心坐标是根据相同燃烧条件下稳定燃烧工况下，选取多段半小时长度的燃烧火焰图像，计算出每个半小时中所有图像的质心，采用算术平均法算得x_S,y_S） 

以质心为(x',y')为原点，加上安全运行所允许的最大半径dm，构成了质心偏移区域,即质心的有效区域。假定误差是以半径为10个像素的圆，这个圆就是炉膛火焰质心的有效波动区域，超出这个区域提出预警！ 

5、安全运行判定 

一个正常的燃烧火焰，通过质心的偏移量可以判断出炉膛火焰燃烧的稳定程度和运行安全性。炉膛火焰质心位置在非理想状态下均会产生偏移距离，这种偏移率超出有效波动区域，造成的不良后果往往是重大事故。（注：有效波动区域按实际工况，根据煤质、负荷调整等由现场操作人员设定） 

炉膛火焰燃烧双图像的获取，不仅获得每一个单图像的偏移距离，并将两个单图像偏移距离进行几何合成，换算出真正实际燃烧火焰的质心的偏移方向，分解出上下偏心距离和水平偏心距离。根据上下偏心距离和水平偏心距离的数值大小，由煤粉锅炉的煤粉供给执行器通过给粉率和热风量进行逐渐纠偏。 

示例1： 

下面以图3所示的空间结构图像来说明实际火焰图像质心偏移距离的计算： 

如图3所示，如果原质心在O点，现火焰质心为M，在XOY平面得到一幅火焰图像，算得偏移距离OL，如果OL值大于设定的有效波动区域，则直接预警或报警，而不必再计算实际的火焰燃烧的质心偏移距离；同理，在YOZ 平面得到垂直XOY平面的火焰图像，算得偏移距离ON，如果ON值大于设定的有效波动区域，直接预警或报警。 

由OL和ON算出实际火焰燃烧的质心点M，得OM，由OM值的大小决定煤粉量和热风量。 

电厂燃煤锅炉是一个大容量、大滞后的严重非线性对象、纠偏过程不求快，但求准确，稳定，纠偏时需要给一定量的反应时间。 

炉膛火焰的高温区质心发生偏移时的纠偏过程，是电厂燃煤锅炉燃烧控制系统中采用本发明纠偏方法，控制炉膛燃烧的煤粉供给。 

本发明的有益效果： 

1、控制系统的信号完全来源于炉膛火焰图像信号，而且随着成像技术的发展，例如红外线火焰检测器的出现，使得原始图像的来源更加可靠准确和简便。进一步简化了控制系统所需要的设备，使燃煤锅炉的控制系统仅仅依靠火焰检测器成为现实更进了一步。 

2、基于双火焰图像信号提出的炉膛火焰闭环控制系统实现自动控制，并且将控制对象设定为促使火焰正常燃烧的前提，即是稳定的高温煤粉供给，从而使得控制系统更加可靠。 

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 

Claims (4)

1.一种基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）、获取两幅相同时间、不同角度的炉膛火焰图像； 

（2）、以炉膛火焰基准状态切圆的质心坐标为基准，分别计算该两幅火焰图像在其所在面的质心偏移距离；所述基准状态就是理想运行时的炉膛内部温度均匀、压力均匀，每一个煤粉供给执行器的动作完全对称，火焰燃烧波动率最小的状态；切圆质心坐标是基准状态工况下，选取多段半小时长度的燃烧火焰图像，计算出每个半小时中所有图像的质心，采用算术平均法算得的质心坐标；所述质心偏移距离为基准状态切圆的质心与实际获取的火焰图像的质心两质心的之间的距离差； 

（3）、根据该两个质心偏移距离计算出炉膛火焰的实际质心偏移距离； 

（4）、将实际质心偏移距离与预设有效区域进行比较，若实际质心偏移距离超出有效区域，则提出预警；所述有效区域为切圆质心坐标加上安全运行所允许的最大半径所构成的区域。 

2.根据权利要求1所述的基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，其特征在于，步骤1中获取的两幅图像垂直。 

3.根据权利要求1所述的于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，其特征在于，在步骤1之后，步骤2之前，还包括对两幅图像进行预处理，所述预处理包括对两幅火焰图像分别进行中值滤波以去除噪声，其中，中值滤波的计算公式为： 

g(x,y)＝med{f(x-i,y-i)},i,j∈S     (1)； 

式中，其中g(x,y)、f(x,y)为像素灰度，S为模版窗口，图像g(x,y)是有原始图像f(x,y)和噪声η(x,y)叠加而成的图像。 

4.根据权利要求3所述的基于双图像的燃煤电厂炉膛火焰判断方法，其特征在于，所述预处理还包括对中值滤波后的火焰图像采用Canny算子进行边缘提取，从边缘提取后的图像中确定火焰图像的质心。