JP2011080754A - 燃焼機器制御のための画像センシングシステム、ソフトウェア、装置、及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光学画像キャプチャ装置を含む自動制御システムは、ソフトウェア(及び対応アルゴリズム)とカメラなど必要な関連装置とを含むコンピュータシステムに接続された光学画像キャプチャ装置を使用して、フレア、バーナ、パイロット、及び他の燃焼機器のような火炎発生機器の様々な側面を制御することができる。例えば、火炎の定性的かつ定量的分析、予測を行うことができる。
【選択図】図1
Description
(a)フレアを野外周囲環境に排出するステップと、
(b)少なくとも1つのカメラを有する光学に基づくイメージングシステムを使用して上記フレアをモニタするステップと、
(c)上記カメラを使用して上記フレアの画像を電子画像としてキャプチャするステップと、
(d)先行して煙を予測するべく構成された少なくとも1つのアルゴリズムと、上記フレアと上記野外周囲環境とを弁別することができる少なくとも1つのアルゴリズムとを使用して上記フレアの上記電子画像を分析するステップと、
(e)上記フレアについて分析された条件に基づいて上記フレアを調整するステップと
を含む。
図1−5Bに示されたフレア12及び/又はバーナ14を制御する方法に関して、当該方法は、少なくともカメラ20を有する光学に基づくイメージングシステム18を使用して、周囲環境16への排出及びフレア12又はバーナ14のモニタを行うフレア12又はバーナ14を含む。または、フレア12又はバーナ14は、閉じた又は美的なフレアへ排出される。フレア12又はバーナ14のデジタル画像は、カメラ20によって電子画像としてキャプチャされる。当該電子画像は、モニタ/制御スクリーン54上に任意に表示される。電子画像の分析は、フレア12又はバーナ14の火炎を分析するべく構成された少なくとも1つの画像プロセシングアルゴリズム26によって画像プロセッサ24内で行われる。好ましくは画像プロセシングアルゴリズム26は、フレア12又はバーナ14と周囲環境16との弁別;フレア12又はバーナ14の状態決定;並びに、光度、色密度、煙、すすビルドアップ、及び火炎の決定又は予測をすることができる。または、画像プロセシングアルゴリズム26は、フレア12又はバーナ14と、閉じた又は美的なフレア又はバーナの閉じた周囲環境との弁別;フレア12又はバーナ14の状態決定;並びに、光度、色密度、煙、すすビルドアップ、及び火炎の決定又は予測をすることができる。フレア12及び/又はバーナ14は、フレア12の分析された状態に基づいて調整される。
画像プロセシングアルゴリズム26は、(例えばピクセル配色を使用した)数学表現である。また、電子信号32の形態の性能パラメータ36を与えるべく使用される。これにより、自動フレアコントローラシステム34及び火炎発生システム46は、フレアチップに送られる空気フローを機能的に制御変化させることができる。当該アルゴリズムにより、先行インジケータが特定かつ評価されて、すす/煙が十分に実現される前にフレア12に変化を与えることができる。
・カメラ20aすなわち赤外又は近赤外カメラが火炎56を分離し、フレア14又はバーナ14の画像をキャプチャし、当該画像を画像プロセッサ24に電子通信する。
・一の画像プロセシングアルゴリズム26が火炎56のまわりに赤外画像境界を挿入する。
・一の画像プロセシングアルゴリズム26が赤外線に基づくキャプチャ画像から周囲環境16のバックグラウンドを除去する。
・一の画像プロセシングアルゴリズム26が可視スペクトルを決定することにより可視画像を決定する。
・一の画像プロセシングアルゴリズム26が当該可視画像を当該赤外画像境界と対比して、当該可視画像と不可視赤外画像との差分を除去する。これにより真の可視火炎56のみが残る。
・一の画像プロセシングアルゴリズム26が、当該可視画像のピクセルの色を適用可能な色スペクトルから分離しかつ計数する。これにより、火炎品質比及びその先行煙との関係が決定される。
・当該火炎品質比が自動フレアコントローラ34に送られ、制御アルゴリズムが変化の要否を決定する。必要な場合は、火炎発生システム46に修正入力を与える。
・付加的な画像プロセシングアルゴリズム及び/又は制御アルゴリズムが、パイロット48の状態、火炎56の温度、フレア12、バーナ14、又はパイロット48の温度のような2次的評価を与えて、内部燃焼等の存否を決定する。
動作のバックグラウンド、動作理論、及び、フレア12及び/又はバーナ14に関連して本願発明に係る制御システムがどのように使用されるかを以下に述べる。フレア12への言及が以下で用いられるが、フレア12への言及はバーナ14も含む。
フレア12を手動で動作させる場合、所定の火炎56内の色のバリエーションが非常に容易にわかる。フレア12がまさに煙を生じようとしていると火炎56は暗くなり、煙62がまさに形成されようとする領域に関連して異なる色も有する。フレア試験は、蒸気又は空気が煙を抑制することを単純に検証することで、何年間も行われている。
画像センシング装置はまた、温度範囲を検知するべく使用することもできる。所定のフレアチップに関連付けられたパイロットバーナ48は、当該フレアチップの点火性能を保証するべく常に点火したままでなければならない。冗長性を目的としてパイロット火炎の状態をモニタかつ決定するべく、少なくとも2つの異なる方法が必要となることが多い。大抵の場合かかる方法は、火炎56が当該機器の供用が困難となる時点で行われる。フレアチップが、空中約60メートルから約120メートル(約200フィートから約400フィート)に取り付けられることは珍しいことではない。画像センシングは、パイロットが点火しているか否かを決定し、当該パイロットを地上からモニタするための付加的方法である。画像センシングアプローチにより、パイロット火炎を少なくとも3つの異なる方法で検出することができる。まず、画像センシング装置は火炎を見ることができる。冗長システムが必要であれば、第2のカメラ20b又はマルチCCDカメラを使用した赤外又は熱センシングによって、パイロット48まわりの火炎シールドの温度を測定することができる。当該シールドが周囲よりも熱くプログラム設定点を超える場合、パイロット火炎が含まれていると仮定できる。当該シールドの温度を検知できる中波長赤外域又は長波長赤外域の別個の赤外カメラを使用することで、確証を得ることができる。火炎が外れている場合、制御システムはアラームを鳴らして主制御システムへアラームを送る。いくつかの場合、当該制御システムは次に、パイロットの再点火を、かかる努力が成功しないと決定されるまで自動的に試行することができる。
蒸気又は空気フレア12により発生した火炎56は、パージレートフローに対して極めて小さい。かかる火炎12はまた、実際の本格的なフレアリング事象中、相当大きな火炎56を生じ得る。合理的なレートで燃える、蒸気又は空気フレアにより発生した非常に大きな火炎56は、風を受ける著しい表面積を有する。当該風に関連する圧力は次に、火炎56を押して火炎56が軸から外し(曲げ)始める。火炎56が軸から外れると、当該火炎を適切に酸化するのに必要な高速空気(並びに/又は蒸気及び空気フロー)からも外れる。試験により、フレアの化学量論的要求が、火炎表面に及ぼされる風量によって著しく影響を受けることが示されている。いくつかの場合、風が強くなればなるほど、火炎を適切に形成させて煙をなくすべく化学量論的要求は強くなる。パージレートフロー(相当に小さな火炎)中、風は火炎56の希釈に著しい影響を与え得る。蒸気及び空気並びに/又は空気フローと組み合わされて、風の効果は、もはや可燃性ではないプロセス混合物を生成し得る。かかる状態が生じると、フレア12の正常な分解効率は、完全に打ち消されないまでも大きく低下し得る。分解効率の低下を導くものはすべて一般に、フレアの環境及び安全性の双方の側面に著しい影響を与え得る。かかる問題を知ることでオペレータは、必要に応じて蒸気及び空気を付加又は削除するべく意識的な決定を行うことができる。これにより火炎56は、最適な性能を維持する設計混合領域付近に配置される。これは、風が相当であっても、すす又は煙62のない火炎56を維持するために行われる。
火炎56が蒸気供給過多及び/又は空気供給過多となり始めると、火炎56は、当該チップの安定化幾何形状から垂直上方に移動し始める。かかる移動は、希釈に伴う火炎スピードの低下に対応する。可視又は赤外レンズを伴う光学画像キャプチャ装置20を使用することで、フレア12の火炎56が、フレアチップの通常の安定化メカニズムから分離されないようにする手段を取ることが可能となる。過剰な蒸気又は空気は火炎56を上昇させて排出領域から離し、不安定性を生じさせる。空気供給過多又は蒸気供給過多に起因して火炎56が可視的に上昇し又は不安定となる場合、効率が損なわれる。火炎56を付着させて分解のための合理的な温度に維持することで、当該チップの燃焼効率の維持が保証される。また、不安定火炎56に典型的に関連する低周波ノイズが防止される。
固定位置(又は所定シナリオでは非固定位置)で光学画像キャプチャ装置20を使用することは、イメージングシステム18に複数チップの評価を可能とする。光学画像キャプチャ装置20は肉眼にできることは何でもできるので、イメージングシステム18は、複数の閉じた又は美的なフレアバーナを見ることができる。これにより、当該フレアバーナが適切に点火しているか、不安定か、離脱しているか(Indair配置の場合にあり得るように)、が決定される。自動フレア制御システム34を使用して、バーナ14に安定性又は離脱に関する問題があるとわかった場合に圧力を低減することができる。煙62の場合にバーナ14は、圧力を高めるべく又は低圧ユニットの使用を可能とするべくオフにされる。煙62が認められる場合システムは、煙62の量を追跡して当該持続時間を書き留めることができる。また、履歴ビデオ記録を与えるべく、煙が生じているチップのフレーム写真を保持することもできる。
フレアチップに関するよくある問題は、当該チップが休止状態にある際の当該チップ内部での燃焼である。所定のフレアシステムには何千フィートもの上流配管が存在する場合が多い。多くの場合、多くの異なるプロセスからのバルブはリークしがちであり、少量の極低圧ガスがフレアチップまで進み得る。空気より重いガスはフレアチップまで進んだ後、短期間で当該チップ内部にビルドアップする。ガスが大量にビルドアップすると、結局は可燃性混合物となりパイロット48による点火を受ける。ガスは、日中に暖まると浮力を有するようになり、抜け出して燃焼する可能性が増す。空気より重い典型的なガスは次に、当該チップの内部に存在して、可燃性混合物がもやは当該チップ内部に存在しなくなるまで燃える。かかる状態はチップに損傷を与え得る。当該チップを冷却するべく空気又は蒸気がオンとなり当該チップが損傷を受けないようにされない場合である。また、空気又は蒸気が、ガスストリームをクエンチするべく過剰に高い機械的設定点に設定されて適切な酸化なしに放出される場合、分解効率に関する問題も存在し得る。
点火中、イメージングシステム18技術を使用することにより、所定チップが適切に点火されているか否かを決定するための、ほぼ任意のフレア12タイプ火炎56の評価が可能となる。画像に基づくフレア制御システム10の使用により、煙を最小化かつ分解効率を最大化する態様で一のエンティティ又は複数の多バーナチップがオンラインでもたらされることが保証される。閉じた又は美的なフレア12システムは、百を上回るバーナ14を有し得る。バーナ14は、いくつかの異なるヘッダシステムが使用されるようにセグメント化される。各ヘッダは、1つ以上のパイロット48バーナを使用して、各ヘッダシステムのバーナ14に点火する。ヘッダシステムの一端又は両端で点火が開始されて、ひとたびヘッダシステムにガスが集中すると引き続きバーナ48が点火される。初期バーナ48の点火の際、整列したバーナ48を順次点火する時間インターバルが、システムを適切に動作させる上で非常に重要である。1つのバーナ48が整列ステージでの点火に失敗すると、残りのバーナ48は点火に数分かかり得る。この時間、分解されるはずのガスは、適切な酸化なしに大気中へ排出される。
Claims (60)
- 光学に基づくイメージングシステムと、
自動フレア制御プロセッサと
を含むフレア制御システムであって、
前記光学に基づくイメージングシステムは、
周囲に排出される少なくとも1つのフレアに向けられた少なくとも1つの画像キャプチャ装置と、
前記フレアのキャプチャ画像を電子的に分析することができ、かつ、前記フレアと周囲バックグラウンドとを弁別することができる少なくとも1つの画像プロセシングアルゴリズムを備える画像プロセッサと
を含み、
前記自動フレア制御プロセッサは、
前記フレアのための制御システムを定義し、前記画像プロセッサから受信した分析に応じて前記フレアを制御するフレア制御システム。 - 前記画像キャプチャ装置は赤外カメラ及び可視カメラをさらに含む、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記赤外カメラは近赤外カメラである、請求項2に記載のフレア制御システム。
- 前記赤外カメラは広域スペクトル赤外カメラである、請求項2に記載のフレア制御システム。
- カメラ制御システムをさらに含み、
前記光学に基づくイメージングシステムは、前記カメラ制御システムと電子通信することにより、前記赤外カメラ及び前記可視カメラにリアルタイムかつインタラクティブな制御を与える、請求項2に記載のフレア制御システム。 - 前記画像キャプチャ装置はマルチ電荷結合素子カメラである、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記マルチ電荷結合素子カメラのレンズ前に配置された光スプリッタをさらに含み、
前記光スプリッタは前記画像をスペクトル分割する、請求項6に記載のフレア制御システム。 - 前記画像キャプチャ装置は、近赤外カメラ及び可視カメラをさらに含み、
前記近赤外カメラは、前記光学に基づくイメージングシステムを介して電子通信する前記可視カメラのための少なくとも1つの照準パラメータを定義する、請求項1に記載のフレア制御システム。 - 前記画像プロセッサは、デジタルビデオ、高精細デジタルビデオ、アナログビデオ、及びこれらのバリエーションからなる群からのビデオを分析する、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記画像プロセシングアルゴリズムは、前記フレアのキャプチャ電子画像における個々のピクセルを特定するべく構成される、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記画像プロセシングアルゴリズムは、前記フレアの点火状態に関する分析を与える、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記画像プロセシングアルゴリズムは、前記フレアからの火炎の分離に関する先行煙予測分析を与える、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記画像プロセシングアルゴリズムは、前記フレアの火炎不安定性の先行予測を与える、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記画像プロセシングアルゴリズムは、前記フレアの煙の先行予測を与える、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記画像プロセッサと前記自動フレア制御プロセッサとの間のフィードバック制御ループをさらに含み、
前記フィードバック制御ループは少なくとも、前記フレアの温度、すすビルドアップ、火炎分離、色差、及び、前記フレア全体の複数の密度を特定するべく構成される、請求項1に記載のフレア制御システム。 - 前記フレアを備える火炎発生システムをさらに含み、
前記自動フレア制御プロセッサが、前記火炎発生システムに制御入力を与える、請求項1に記載のフレア制御システム。 - フレア状態を日時スタンプとともに記録するレコーダをさらに含む、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 大気に周囲排出をする少なくとも1つのフレアと、
イメージングシステムと、
自動フレア制御プロセッサと
を含むフレアコントローラであって、
前記イメージングシステムは、
少なくとも1つの光学画像キャプチャ装置が前記フレアの火炎を検出、位置特定、及びキャプチャし、少なくとも1つの光学画像キャプチャ装置が前記火炎の電子画像をキャプチャする少なくとも2つの光学画像キャプチャ装置と、
前記光学画像キャプチャ装置と電子通信する少なくとも1つのコンピュータである画像プロセッサと、
前記画像プロセッサがホストとなる少なくとも1つの画像プロセシングアルゴリズムであって、前記電子画像を分析することができて前記フレアと前記大気とを弁別する画像プロセシングアルゴリズムと、
前記画像プロセッサにより生成されて、前記フレアの少なくとも1つの性能パラメータを特定する電子出力と
を含み、
前記自動フレア制御プロセッサは、電子出力を受信して、前記フレアを含む火炎発生システムへの応答制御入力を生成するフレアコントローラ。 - 前記光学画像キャプチャ装置の制御を操作可能に定義する画像キャプチャ制御システムをさらに含み、
前記画像キャプチャ制御システムは、前記光学画像キャプチャ装置同士間の動作制御及び電子通信を含む、請求項18に記載のフレアコントローラ。 - 前記光学画像キャプチャ装置は、赤外/近赤外スペクトルで動作するカメラと、可視スペクトルで動作するカメラとを含む、請求項18に記載のフレアコントローラ。
- 前記光学画像キャプチャ装置は、電荷結合素子カメラ、高精細カメラ、アナログカメラ、カラーカメラ、白黒カメラ、グレースケールカメラ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項20に記載のフレアコントローラ。
- フレア状態とともに日時スタンプを記録するレコーダをさらに含む、請求項18に記載のフレアコントローラ。
- 前記自動フレア制御プロセッサと電子通信するバルブコントローラをさらに含み、
前記バルブコントローラは、前記フレアに入力される蒸気のフロー制御を与える、請求項18に記載のフレアコントローラ。 - 前記画像プロセッサは、前記火炎の定性的かつ定量的分析を電子データファイルに与える、請求項18に記載のフレアコントローラ。
- 前記自動フレア制御プロセッサにより制御される少なくとも1セットの火炎発生機器をさらに含む、請求項18に記載のフレアコントローラ。
- 前記火炎発生機器は、少なくとも1つのフレア、少なくとも1つのバーナ、及び少なくとも1つのパイロットの制御を含む火炎発生の全側面を制御するべく構成される、請求項25に記載のフレアコントローラ。
- 前記画像プロセッサは、前記火炎内の詳細な温度変化を与える温度センシングアルゴリズムを含む、請求項18に記載のフレアコントローラ。
- フレアを野外周囲環境に排出することと、
前記フレアを、少なくとも1つのカメラを有する光学に基づくイメージングシステムを使用してモニタすることと、
前記フレアの画像を前記カメラを使用して電子画像としてキャプチャすることと、
前記フレアの前記電子画像を、煙を予測することができる少なくとも1つのアルゴリズムと、前記フレアと前記野外周囲環境とを弁別することができる少なくとも1つのアルゴリズムとを使用して分析することと、
前記フレアを、前記フレアの分析された状態に基づいて調整することと
を含むフレアを制御する方法。 - 第1のカメラ及び第2のカメラをさらに含む、請求項28に記載の方法。
- 前記第1のカメラは、前記フレアの火炎を特定するべく使用される赤外カメラであり、前記第2のカメラは、前記火炎に焦点を合わせて前記電子画像をキャプチャするべく使用される可視スペクトルカメラである、請求項29に記載の方法。
- 前記赤外カメラは、前記可視スペクトルカメラに照準情報を与える、請求項30に記載の方法。
- 前記光学に基づくイメージングシステムは、前記フレアの点火状態、火炎分離、及び煙を弁別することができる、請求項29に記載の方法。
- 前記光学に基づく画像センサは、複数のフレア同士をリアルタイムで操作可能に弁別する、請求項29に記載の方法。
- 前記フレアの分析された状態に応じて制御かつ調整される、前記フレアへの蒸気入力をさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記フレアの分析された状態に応じて制御かつ調整される、前記フレアへの空気入力をさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記フレアを調整するステップは、少なくとも前記フレア、バーナすべて、及びパイロットすべてを制御することを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記分析するステップは、温度、火炎すす、火炎分離、前記フレーム内の色弁別、及び、色帯での密度変化を検出することができる定量的かつ定性的アルゴリズムを使用することを含む、請求項29に記載の方法。
- 生成される前記画像は、ピクセル計数を含む分析を与えるのに十分である、請求項29に記載の方法。
- 少なくとも、火炎分離、煙、すす、オン状態の火炎、アウト状態の火炎に対する自動通知を与える警告システムをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記フレアの全状態に対して詳細な日時スタンプを与えるロギング機能をさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 予備点火フレアを検知するステップをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 煙を打ち消すステップをさらに含み、
前記調整するステップが、前記フレアへのリアルタイム調整を与えることにより煙の発生を打ち消す、請求項29に記載の方法。 - 前記野外周囲環境は、晴天、曇天、雨、雪、みぞれ、風、砂塵、及びこれらの組み合わせからなる大気状態を含む、請求項29に記載の方法。
- 前記火炎を分析して、前記火炎が成長か、減衰か、定常状態から外れているか、又は、定常状態にあるかに関する情報を与えるステップをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 少なくとも1つのフレアと、
前記フレアにより生じた火炎のデジタル画像を電子的にキャプチャすることができるイメージングシステムと、
前記イメージングシステムによりキャプチャされた画像を分析するソフトウェアを含むコンピュータシステムと
を含む自動フレア制御システム。 - 前記イメージングシステムは、画像プロセッサ、少なくとも1つの光学画像キャプチャ装置、及び前記デジタル画像を処理するソフトウェアを含む、請求項45に記載の自動フレア制御システム。
- 前記光学画像キャプチャ装置は、電荷結合素子カメラ、マルチ電荷結合素子カメラ、マルチスペクトルカメラ、高精細カメラ、アナログカメラ、カラーカメラ、白黒カメラ、グレースケールカメラ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるカメラである、請求項46に記載の自動フレア制御システム。
- 前記画像プロセッサ及びソフトウェアは、アナログ画像をデジタル画像に変換するべく構成される、請求項45に記載の自動フレア制御システム。
- フレアコントローラをさらに含み、
前記フレアコントローラは、前記コンピュータと電子通信し、
前記フレアコントローラは、前記コンピュータの前記ソフトウェアにより実行された分析に基づいて複数のフレアに制御を与える、請求項45に記載の自動フレア制御システム。 - 前記ソフトウェアは、前記デジタル画像を分析することと、前記フレアと大気バックグラウンドとを弁別することとができるアルゴリズムを含む、請求項45に記載の自動フレア制御システム。
- 前記ソフトウェアは、前記フレアの前記デジタル画像における個々のピクセルを特定するべく構成される、請求項45に記載の自動フレア制御システム。
- 前記ソフトウェアは、前記フレアの点火状態に関する分析を与える、請求項45に記載の自動フレア制御システム。
- 前記ソフトウェアは、前記フレアからの火炎の分離に関する分析を与える、請求項45に記載の自動フレア制御システム。
- 前記ソフトウェアは、前記フレアにおける煙のビルドアップに関する分析を与える、請求項45に記載の自動フレア制御システム。
- 前記ソフトウェアは、前記フレアの前記デジタル画像から、青色、赤色、及び緑色の可視波長スペクトルにある複数の別個のピクセルを特定するべく構成され、これらから火炎品質比を定義するべく構成される、請求項45に記載の自動フレア制御システム。
- 前記画像プロセシングアルゴリズムは、前記フレアの前記キャプチャ画像から、青色、赤色、及び緑色の可視波長スペクトルにある複数の別個のピクセルを特定するべく構成され、これらから火炎品質比を定義するべくさらに構成される、請求項1に記載のフレア制御システム。
- 前記画像プロセシングアルゴリズムは、前記フレアからの火炎の電子画像から、青色、赤色、及び緑色の可視波長スペクトルにある複数の別個のピクセルを特定するべく構成され、火炎品質比を定義するべくさらに構成される、請求項18に記載のフレアコントローラ。
- 前記分析するステップは、前記フレアからの火炎の電子画像から、青色、赤色、及び緑色の可視波長スペクトルにある複数の別個のピクセルを特定する少なくとも1つのアルゴリズムを使用することをさらに含み、前記分析するステップは、これらから火炎品質比をさらに定義する、請求項28に記載の方法。
- 前記火炎品質比は、各ピクセルの青色強度の合計を、各ピクセルの赤色強度の合計と各ピクセルの緑色強度の合計との和で割ったものである、請求項58に記載の方法。
- 前記火炎品質比は、各ピクセルの青色強度の平均を、各ピクセルの赤色強度の平均と各ピクセルの緑色強度の平均との和で割ったものである、請求項58に記載の方法。
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