CN112525905B - 基于背景纹影成像的污染气流强度识别、排放控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于背景纹影成像的污染气流强度识别、排放控制方法及系统，首先采集待检测区域污染气流散发前的背景图像以及污染气流散发中的实时背景图像；计算当前时刻某一横截面上污染气流的折射率分布和流速度分布；通过式(1)计算当前时刻垂直于污染气流流动方向的该横截面上的污染气流散发量；本发明的污染气流强度识别方法相较于传统的接触点测量，面测量的数据更具代表性，避免了由于点测量值的错误而使污染物排放控制系统的失效；而且本发明可以观测到污染物气流的动态变化，可以随着实际需要的风量的变化而改变送风量，降低了排风系统运行能耗。
Description
技术领域
本发明属于气态污染物控制技术领域，涉及一种基于背景纹影成像的污染气流强度识别、排放控制方法及系统。
背景技术
在工业生产等领域，存在着多种生产工艺，且每种工艺下散发着多种高温污染气流，如焦炉推焦过程，转炉倾倒过程和橡胶厂混炼等过程。虽然每个工艺下虽然都有局部排风系统来控制污染物，但由于很多气态污染物无法直接观测，无法判定局部排风系统中的主要逃逸源。最终，导致整个厂房环境中挥发性有机物量超标，污染厂房及其周边环境，因此，污染源处散发的污染气流的速度和散发浓度都需要充分调研测试。目前常用的气态污染物测试识别手段基本上为接触式测量方式和采样式测量方式。
接触式探头在这种倾倒等动态工艺中会对测量者带来测量危险。此外，高温气态污染物容易破坏探头。许多测量过程都是一次报废测量。最后，在动态倾倒过程中测点如何布置能够反映整体流场的情况并进行实时测量反映污染物浓度的变化，也成为目前测量的难题。
采样式测量方式，需要对采样点进行采样后进行化学分析，得到污染气流浓度。虽然测量准确、精度高，但是无法进行实时动态的测量与监控。纹影技术作为重要的非接触的测量方式，可以得到非透明介质的流动过程。其利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流场中的密度梯度变化转变为记录平面上相对光强的变化。背景纹影成像原理与纹影成像技术一致，是一种非接触的范围较广的光学测量方法。背景纹影成像技术中测量密度分布已经比较成熟，目前主要关注在流场的密度测量和飞行器的位置确定等方面，而对于气态污染气流的组分和污染物散发量缺少实际测量的定量测量过程。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于背景纹影成像的污染气流强度识别、排放方法及系统，解决现有方法不能实时定量监测污染气流的逃逸情况，进而不能动态控制污染物的排放，使得排放设备排风量大、不节能的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
基于背景纹影成像的污染气流强度识别方法，包括：
步骤1，采集待检测区域污染气流散发前的背景图像以及污染气流散发中的实时背景图像，并获得空气温度和污染气流散发区的温度；
步骤2，基于污染气流散发前的背景图像及污染气流散发中当前t时刻的背景图像，获得当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流的折射率分布
步骤3，基于污染气流散发中当前t时刻的背景图像与相邻时刻的背景图像进行互关联计算，获得当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流速度分布
步骤4，通过公式(1)计算当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流散发量
其中，
表示当前t时刻气流温度下的空气密度，
表示当前t时刻气流温度下的污染气流的密度；r表示当前t时刻污染气流在横截面l上的扩散半径；rc表示当前t时刻污染气流在横截面l上的最大扩散半径；KB表示空气的Gladstone-Dale常数；KA表示污染气流的Gladstone-Dale常数。
具体的，所述步骤2折射率nt(r)通过以下方法获得：对污染气流散发当前t时刻的纹影图像与散发前的任一背景图像进行傅里叶变换，计算得到非齐次Poission折射率方程，对Poission折射率方程使用有限差分法进行离散处理，得到折射率nt(r)。
进一步的，重复步骤1至步骤4，获得垂直于污染气流流动方向的其他横截面上的污染气流散发量或不同时刻任一横截面上的污染气流散发量。
本发明还公开了一种基于背景纹影成像的污染气流排放控制方法，包括以下步骤：
步骤1，确定最大排风量时排风口的吸风作用范围；
步骤2，采用本发明上述方法计算吸风作用范围的最上方边缘所在横截面污染气流散发量
和吸风作用范围的最下方边缘所在的横截面上的污染气流散发量
当
增大排风口的排风速度，
为排风口的上边缘所在水平横截面污染气流散发量阈值；
当
时，减小大排风口的排风速度；
为排风口的下边缘所在水平横截面污染气流散发量阈值；
当
时，维持当前排风速度。
优选的，所述
所述
本发明还公开了一种基于背景纹影成像的污染气流排放控制系统，该系统包括以下模块：
背景纹影成像模块、温度测量模块、数据处理模块和排风速度调节模块，其中，所述背景纹影成像模块用于采集污染气流散发前以及污染气流散发中的纹影图像；
所述温度测量模块用于测量空气温度和污染气流散发区的温度；
所述数据处理模块用于计算当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流的折射率分布和当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流速度分布，再根据温度测量模块的反馈值，通过如上所述的公式(1)计算当前t时刻垂直于污染气流流动方向的某一横截面l上的污染气流散发量；
排风速度调节模块用于根据如上所述的吸风作用范围的最上方边缘所在横截面污染气流散发量
吸风作用范围的最下方边缘所在的横截面上的污染气流散发量
与其设定阈值的大小来控制排风速度。
具体的，所述背景纹影成像模块包括背景板、光源、相机，所述背景板和光源分别设置在待检测区域的两侧，所述相机设置在光源的同一侧，所述相机与数据处理模块连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的污染气流强度识别方法相较于传统的接触点测量，主要优势表现在面测量的数据更具代表性，避免了由于点测量值的错误而使污染物排放控制系统的失效；而且本发明可以观测到污染物气流的动态变化，为污染气流的动态控制提供依据；
(2)本发明的控制方法不仅仅考虑了排风系统对于污染气流的捕集效率，而且考虑了排风系统节能运行；由于本发明可以观测到工艺中污染物气流的动态变化，所以可以随着实际需要的风量的变化而改变送风量,因而绝大部分时间是在非饱和负荷下运行。由于部分负荷运转时可大量减少送风动力,从而使风机的能耗降低；还可明显降低运行电耗,从而使设备规格减小,初投资和运行费用都可以减少。
附图说明
图1是本发明强度识别和排风控制系统的总系统的示意图。
图2是本发明实施例1的CO2的折射率分布，(A)表示当前时刻的折射率云图，(B)表示图(A)中横截面l处的折射率值分布图。
图3是本发明实施例1的CO2的速度分布，(A)表示当前时刻的速度矢量云图，(B)表示图(A)中横截面l处的速度值分布图。
图4是本发明实施例1中横截面l处的CO2的组分占比分布图。
图5是本发明实施例2排风罩控制边界上污染气流的外部逃逸面LC和最佳控制面LE，(A)侧部吸气罩；(B)上部吸气罩。
具体实施方式
在本发明中，空气密度
以及污染气流的密度
均随着温度的变化而变化，具体可参考文献Klein,S.,&Nellis,G.(2011).Thermodynamics.doi:10.1017.CBO9780511994883。
在本发明的污染气流排放控制中，排风口设置在污染物散发源的上方，“吸风作用范围的最上方边缘”是最大排风量对应的排风气流控制区边界在Z方向上的最大值所在边界；“吸风作用范围的最上方边缘”是指最大排风量对应的排风气流控制区边界在Z方向上的最小值所在边界。
以下给出本发明的具体实施方案，需要说明的是，本发明并不局限于以下具体实施方案，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
本实施例以酒精燃烧产生CO2过程为例，主要发生的化学反应为：C2H5OH+3O2＝2CO2+3H2O。假定燃烧完全，主要监测组分产物CO2。以下对本发明的基于背景纹影成像的污染气流强度识别方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
步骤1，采集待检测区域污染气流散发前的背景图像以及污染气流散发中的实时背景图像。
在本步骤中，待检测区域为酒精燃烧区域，背景图像的采集装置为背景板、光源、相机等，如图1所示。通过热电偶测得空气温度为25℃，测试区域平均温度为50℃。
步骤2，基于污染气流散发前的背景图像及污染气流散发中当前t时刻的背景图像，获得当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的气流的折射率分布
折射率nt(r)的具体计算方法为：对污染气流散发当前t时刻的纹影图像与散发前的任一纹影图像进行傅里叶变换，计算得到非齐次Poission折射率方程，如式(3)，对Poission折射率方程使用有限差分法进行离散处理，此外实际厂房内部环境25℃的空气温度的折射率作为dirichlet边界条件，进行折射率的数值求解，得到折射率分布
其中，C*为背景纹影配置计算参数，与被测距离有关；
为折射率的二阶导数。
本实施例中的横截面l如图2(A)所示中的横线所示，本实施例CO2在该截面上的折射率
的大小分布如图2(B)所示。
步骤3，基于污染气流散发中当前t时刻的背景图像与相邻时刻t+△t的背景图像进行互关联计算，获得当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流速度分布
本实施例采用快速傅里叶变换的方式进行互关联计算，得到污染气流的像素位移，将像素位移转化为气流的实际移动距离，气流的实际移动距离除以△t，△t＝20ms，得到气流速度，即垂直于污染气流流动方向的横截面l上的CO2速度分布，本实施例中速度分布
如图3(B)所示。
步骤4，通过式(2)计算当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流散发量
其中，
为当前t时刻污染气流的占比，
则式(2)可以表示为：
其中，
表示当前t时刻气流温度下的空气密度，本实施例
rc表示当前t时刻污染气流在横截面l上的扩散半径，具体为按照当前时刻
的非零区域在横截面l上的分布距离的一半。本实施例中，根据图4所示，rc＝3.5；
KB为空气的Gladstone-Dale常数，本实施例中KB＝0.225；
KA为污染气流的Gladstone-Dale常数，本实施例中KB＝0.229；
本实施例中
如图4曲线所示的数值。
最终可以估计得到当前时刻横截面l处的CO2的散发量
上述实施例1仅给出了垂直于污染气流流动方向的其中某一横截面l上的污染气流散发量，基于上述步骤2至步骤4可获得其他横截面上的污染气流散发量，也可获得不同时刻任一横截面上的污染气体散发量。
实施例2
本实施例公开了一种基于背景纹影成像的污染气流排放控制方法，对排风系统进行优化，该方法包括以下步骤：
首先，对于试验区域或工厂，确定最大排风量时排风口的吸风作用范围；本实施例中吸风作用范围的确定可参考文献ILPO KULMALA,Numerical Calculation of Air FlowFields Generated by Exhausted Openings,The Annals of Occupational Hygiene,Volume 37,Issue 5,October 1993,Pages 451–468,得公式(4)：
其中，W为排风罩开口直径(m)，x为排风口作用距离(m)。其中，V为边界处的风速(m/s)，V0为罩口轴心风速(m/s)，当风速衰减到轴心风速的5％时，认为是作用范围，即V/V0＝0.05，因此可以求解出距离x。但本发明的吸风作用范围的确定方法不限于该计算方法，凡是能够确定本发明所述的吸风作用范围的方案均落在本发明的保护范围内。
图5中(A)为吸气罩设置在侧部吸风口水平时的吸风作用范围，此时排风口的吸风作用范围上边缘为排风口的上边缘所在横截面，排风口的吸风作用范围下边缘为排风口的下边缘所在横截面。
图5中(B)为吸气罩设置在上部吸风口朝下时的吸风作用范围，此时排风口的吸风作用范围上边缘为排风口所在横截面，排风口的吸风作用范围下边缘为排风罩设计的最远控制处所在横截面。
然后，采用实施例1记载的计算方法分别计算当前时刻吸风作用范围的最上方边缘所在横截面(即图5中lC)上污染气流散发量
和吸风作用范围的最下方边缘所在的横截面(即图5中lE)上的污染气流散发量
设置排风口吸风作用范围的最上方边缘所在横截面的污染气流散发量阈值
和排风口吸风作用范围的最下方边缘所在横截面的污染气流散发量阈值
本发明中
但不限于这两个数值范围，具体可根据挥发性有机物无组织排放控制标准GB 37822-2019来确定这两个值。本实施例中给出VOCs的限定值，
具体的控制过程为：当
增大排风口的排风速度，具体为增大排风风机的转速；当
时，减小大排风口的排风速度，具体为减小排风风机的转速；当
且
时，维持当前排风速度。在实时控制过程中，要实时计算更新
和
实施例3
本实施例给出了一种基于背景纹影成像的污染气流排放控制系统，该系统主要包括背景纹影成像模块、温度测量模块、数据处理模块和排风速度调节模块，本实施例系统示意图如图1所示。
其中，所述背景纹影成像模块用于采集污染气流散发前以及污染气流散发中的纹影图像。该模块包括背景板、光源、相机，背景板和光源分别设置在待检测区域的两侧，相机设置在光源的同一侧，用于采集背景板上的粒子图像的位移，相机与数据处理模块连接，将采集的背景图像传输至输出处理模块。
温度测量模块用于测量空气温度和污染气流散发区的温度，具体可为热电偶测温仪等，所测温度传输至数据处理模块，数据处理模块根据该温度来确定当前时刻空气和污染气流的密度；
数据处理模块用于计算当前时刻污染气流的折射率分布
以及速度分布
再根据温度测量模块的反馈值，通过公式(1)计算当前t时刻垂直于污染气流流动方向的某一横截面l上的污染气流散发量；
排风速度调节模块用于根据当前时刻排风口的污染气流散发量
与其设定阈值的大小来控制排风速度，具体为控制排风风机的转速的大小。
Claims (6)
1.基于背景纹影成像的污染气流强度识别方法，其特征在于，包括：
步骤1，采集待检测区域污染气流散发前的背景图像以及污染气流散发中的实时背景图像，并获得空气温度和污染气流散发区的温度；
步骤2，基于污染气流散发前的背景图像及污染气流散发中当前t时刻的背景图像，获得当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流的折射率分布
所述的折射率分布
通过以下方法获得：对污染气流散发当前t时刻的纹影图像与散发前的任一背景图像进行傅里叶变换，计算得到非齐次Poission折射率方程，对Poission折射率方程使用有限差分法进行离散处理，得到折射率分布
步骤3，基于污染气流散发中当前t时刻的背景图像与相邻时刻的背景图像进行互关联计算，获得当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流速度分布
步骤4，通过公式(1)计算当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流散发量
其中，
表示当前t时刻气流温度下的空气密度，
表示当前t时刻气流温度下的污染气流的密度；r表示当前t时刻污染气流在横截面l上的扩散半径；rc表示当前t时刻污染气流在横截面l上的最大扩散半径；KB表示空气的Gladstone-Dale常数；KA表示污染气流的Gladstone-Dale常数。
2.如权利要求1所述的基于背景纹影成像的污染气流强度识别方法，其特征在于，重复步骤1至步骤4，获得垂直于污染气流流动方向的其他横截面上的污染气流散发量或不同时刻任一横截面上的污染气流散发量。
3.基于背景纹影成像的污染气流排放控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定最大排风量时排风口的吸风作用范围；
步骤2，采用权利要求1至2任一项所述的方法计算吸风作用范围的最上方边缘所在横截面污染气流散发量
和吸风作用范围的最下方边缘所在的横截面上的污染气流散发量
当
增大排风口的排风速度，
为排风口的上边缘所在水平横截面污染气流散发量阈值；
当
时，减小大排风口的排风速度；
为排风口的下边缘所在水平横截面污染气流散发量阈值；
当
且
时，维持当前排风速度。
4.如权利要求3所述的基于背景纹影成像的污染气流排放控制方法，其特征在于，所述
所述
5.基于背景纹影成像的污染气流排放控制系统，其特征在于，包括：
背景纹影成像模块、温度测量模块、数据处理模块和排风速度调节模块，其中，所述背景纹影成像模块用于采集污染气流散发前以及污染气流散发中的纹影图像；
所述温度测量模块用于测量空气温度和污染气流散发区的温度；
所述数据处理模块用于计算当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流的折射率分布和当前t时刻垂直于污染气流流动方向的横截面l上的污染气流速度分布，再根据温度测量模块的反馈值，通过如权利要求1所述的公式(1)计算当前t时刻垂直于污染气流流动方向的某一横截面l上的污染气流散发量；
排风速度调节模块用于根据如权利要求4所述的基于背景纹影成像的污染气流排放控制方法来控制排风速度。
6.如权利要求5所述的基于背景纹影成像的污染气流排放控制系统，其特征在于，所述背景纹影成像模块包括背景板、光源、相机，所述背景板和光源分别设置在待检测区域的两侧，所述相机设置在光源的同一侧，所述相机与数据处理模块连接。
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| CN107782288A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-03-09 | 北京空间机电研究所 | 基于背景纹影成像的大气扰动式光学监测飞行器的方法 |
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| 基于红外和纹影技术研究声作用下火焰锋面运动及热量演化;邓凯等;《实验流体力学》;20161215;第30卷(第06期);26-31 * |
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