JP2016035337A - 燃焼炉の配管詰まり監視装置および配管詰まり監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
燃焼炉の配管内を撮像した画像を用いて固体燃料の堆積を常時監視することで、燃焼炉の配管詰まりの早期発見・早期解消による安定的な運転を可能とする。
【解決手段】
燃焼炉の配管詰まり監視装置は、燃焼炉へ固体燃料が投入される配管の内部を時系列に撮像する撮像手段と、前記固体燃料が前記撮像手段の視野内を通過する時間的間隔より長い時間をかけて時系列に撮像された撮像画像の中から選ばれた少なくとも２枚以上の撮像画像を処理して配管詰まりを判断する画像処理手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼炉内へ固形燃料が投入されるための配管内を監視し、固形燃料による配管詰まりを抑制する技術に関する。

燃焼炉内へ固形燃料が投入されるための配管内を監視する装置として、ロータリーキルン方式の炉内へ原料を投入する配管の内部を監視する装置が提案されている（特許文献１）。

特許文献１では、ロータリーキルン炉内へ携帯電話や基板等の貴金属やレアメタルを含むプラスチック廃材などを原料投入するための配管内を上流側から監視カメラで監視するよう構成されている。配管内の詰まりの原因となる原料の溶着、温度分布異常が発見されると、作業員に知らせ、知らせを受けた作業員はプッシャを作動させて詰まりを解消する。

また、溶融炉内の溶融スラグ流を監視カメラで観察し、撮像画像から溶融スラグの流下口付近での溶融スラグの固化状況を監視する技術が提案されている（特許文献２および特許文献３）。

特開２０１１−０７５２２６号公報 特開２００２−２９５８２４号公報 特開２００２−１３０６３９号公報

特許文献１に記載の監視装置は、水平面から緩やかな傾斜で回転するロータリーキルン炉にプラスチック廃材を投入するときに、ロータリーキルン炉に投入されるプラスチック廃材が、ロータリーキルン炉に到達する前にロータリーキルン炉の熱によって溶融して配管内部に溶着する状況を監視するよう構成されている。プラスチック廃材が投入されて溶着が成長していくと、プラスチック廃材が炉内へ到達できなくなる。これを監視カメラで監視しているが、どのようにして異常と判断するのかについて詳細には記載されていない。

また、特許文献２および特許文献３はいずれも溶融炉内の溶融スラグ流の監視カメラによる監視について記載されたもので、画像をどのように処理するかについての具体的な記載はない。

一方、動力を担う燃焼炉では、固体燃料の投入監視は目視で行われ、詰まり抑制のために配管の上流側から水を放流したり、投入量を調整したり、などして詰まりが発生しにくい条件にて運転を行なっている。

本発明は、燃焼炉への固体燃料の投入状態を監視カメラで撮像し、撮像した画像に処理を施して配管の詰まりを監視する技術に関する。

燃焼炉では配管に固体燃料が堆積して配管が詰まると燃焼がとぎれ、最悪の場合、動力停止となり、一旦動力が停止すると機械停止による生産機会損失など、さまざまなロスが発生する。

本発明の目的は、燃焼炉の配管内を撮像した画像を用いて固体燃料の配管内での投入状況を常時監視することで、燃焼炉の配管詰まりの早期発見・早期解消による安定的な運転を可能とする燃焼炉の配管詰まり監視装置および配管詰まり監視方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃焼炉の配管詰まり監視装置は、燃焼炉へ固体燃料が投入される配管の内部を時系列に撮像する撮像手段と、前記撮像手段が撮像した撮像画像を処理して配管詰まりを判断する画像処理手段と、を備えており、
前記画像処理手段は、
（ａ）前記配管の燃焼炉への投入口と前記配管内壁との境界線で囲まれた領域の内側を前記画像処理の対象領域とする対象領域識別手段と、
（ｂ）前記対象領域における前記撮像画像を二値化して明側と暗側を判別する明暗判別手段と、
（ｃ）前記明暗判別手段によって暗側と判別された画素と、当該画素と隣接して暗側と判別された画素とを連結処理するラベリング手段と、
（ｄ）前記ラベリング手段によって連結処理された画素の集合を詰まり候補と判断する詰まり候補判断手段と、
（ｅ）前記固体燃料が前記撮像手段の視野内を通過するのに要する時間よりも長い時間を１周期として、この１周期内で時系列に撮像された複数の撮像画像の中から２枚以上の撮像画像を選択し、これら選択した各撮像画像の前記詰まり候補手段によって詰まり候補と判断された集合の特徴量を算出する特徴量算出手段と、
（ｆ）前記特徴量算出手段によって算出された特徴量と所定の閾値とを比較することで、詰まり状態を判断する詰まり判断手段と、
を有する。

前記詰まり候補判断手段は、前記ラベリング手段によって連結処理された画素の集合のうち、前記境界線と接している集合を詰まり候補と判断するのが好ましい。

前記特徴量算出手段は、前記選択された各撮像画像ごとに前記詰まり候補と判断された集合の面積を合計し、合計面積の最小値を特徴量として算出するのが好ましい。

あるいは、前記特徴量算出手段は、前記選択された各撮像画像の詰まり候補と判断された集合の領域のうち、選択された全ての撮像画像で重複している部分の面積を特徴量として算出するのも好ましい。

また、本発明の焼却炉へ固体燃料が投入される配管の詰まり状況を監視する配管監視方法は、
前記配管内の撮像画像から前記配管の燃焼炉への投入口と前記配管の内壁との境界線で囲まれた領域の内側を画像処理の対象領域とし、
前記対象領域の前記撮像画像を二値化して前記撮像画像の明側と暗側を判別し、
前記暗側と判別した画素と当該画素して隣接する暗側と判別した画素とを連結処理し、
前記連結処理によって連結処理した画素の集合を詰まり候補として抽出し、
前記固体燃料が前記撮像手段の視野内を通過するのに要するよりも長い時間を１周期として、この１周期内で時系列に撮像された複数の撮像画像の中から２枚以上の撮像画像を選択し、これら選択した各撮像画像の前記詰まり候補手段によって詰まり候補として抽出された集合の特徴量を算出し
前記特徴量と所定の閾値とを比較することで、詰まり状態を判断する。

前記において、連結処理された画素の集合のうち、前記境界線と接している集合を詰まり候補として抽出するのが好ましい。

前記において、前記選択した各撮像画像ごとに前記詰まり候補と判断した集合の面積を合計し、合計面積の最小値を特徴量として算出すると好ましい。

あるいは、前記において、前記選択した各撮像画像の詰まり候補として抽出した集合の領域のうち、選択した全ての撮像画像で重複している部分の面積を特徴量として算出するのも好ましい。

本発明によれば、焼却炉へ固体燃料が投入される配管の詰まり状況を監視するにあたって、前記配管の内部全体を撮像して撮像画像を取得し、前記撮像画像を処理して配管詰まりを判断することで、従来目視監視に頼っていたものを、撮像画像による監視へとシステム化することが可能となり、見逃しリスク回避や省人化を図ることが期待できる。

また、配管詰まりを発生させないように固体燃料の投入量を抑制している場合には、能力増強が可能となる。加えて、配管詰まりを回避するために配管に対して放水している場合には、詰まり検知時のみに放水するなどの詰まり解消対策を行なうことで省エネも期待できる。

燃焼炉の配管詰まり監視装置の全体構成の一例を示す図 撮像間隔による撮像画像への影響を示す図 本発明の第１の実施形態に係る画像処理を示すフローチャート 石炭が投入されていない時点の撮像画像 ある時点ｔ１の撮像画像 図５を二値化処理した画像 図６の暗部画素を連結処理した画像 ある時点ｔ２の撮像画像について二値化処理と連結処理をした画像 図７の境界線に接していない暗部画素を取り除いた画像 図８の境界線に接していない暗部画素を取り除いた画像 本発明の第２の実施形態に係る画像処理を示すフローチャート 図７の境界線に接していない暗部画素を取り除いた画像 図８の境界線に接していない暗部画素を取り除いた画像 図１３と図１４を重ねた画像 各時点での撮像画像について詰まり候補と判断された画素の集合の面積（相対値）の経時変化を示す図

本発明の望ましい実施の形態について、以下の通り図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態における燃焼炉の配管詰まり監視装置の全体構成の一例を示す図である。燃焼炉１に図示しないベルトコンベアなどで運搬された固体燃料である石炭２が石炭投入口４から自由落下し配管３を通して燃焼炉内へと投入される。配管３には配管内全体が見通すことが可能なように図示しない監視窓が設けられており、監視窓に配管内全体が撮像できる監視カメラ１０が設置されている。監視カメラ１０で配管内全体を時系列に撮像した画像は、画像処理装置１１に取り込まれるとともに、監視員が観察できるよう監視用モニター１３に表示される。監視カメラ１０は観察対象とする範囲が固定化されている性質上エリアカメラが適している。監視用モニター１３は画像処理装置１１から得られる検査に係わる情報や、画像処理を施さない状態の監視カメラ１０の画像を表示することが望ましい。

＜第１の実施形態＞
画像処理装置１１は、石炭２が監視カメラ１０の視野内を通過するのに要する落下時間よりも長い時間を１周期として、この１周期内で時系列に撮像された複数の撮像画像の中から、２枚以上の撮像画像を用いて、配管内の詰まり状態を判断する。

石炭２の落下時間Ｔより長い時間の１周期にわたって時系列に複数の画像を撮像することによって、配管内を落下している石炭と配管内を落下せずに停滞している石炭とを区別することができる。

監視カメラ１０は、石炭２の落下時間よりも短時間で１回の撮像を行なうように設定されている。たとえば、石炭２の落下時間が１秒であるのに対して、１回の撮像時間は０．３秒に設定されている。

石炭２の落下時間は、石炭２の個々の質量、配管の長さ、配管の材質及び内壁の摩擦率、コンベアからの搬送速度、燃焼炉１からの風圧などによって変動することが予想される。したがって、事前に石炭２を単発的に落下させて石炭２が落下する時間を計測しておき、この数倍の時間を１周期とするのが好ましい。

石炭２の落下時間よりも長時間かけて１回の撮像を行なうと、配管内を落下していく過程の石炭２が映る画像上の位置（画素）の全てが暗画素となってしまうため、詰まりと類似する遮蔽状態の画像となってしまう。そのため、石炭２が投入されている状態を詰まりと誤認識する可能性が高まる。投入する石炭２の量が多いほど誤認識の可能性が高くなる。

一方、石炭２の落下時間よりも短時間かけて１回の撮像を行なうと、石炭２の落下時間中に数回撮像が行うことになり、一時的には石炭２が映る画像上の位置（画素）の全てが、暗画素となって詰まりと類似する遮蔽状態となるが、石炭２が落下中に配管内を画像上の見かけで移動している場合は、暗画素となって詰まりと類似する遮蔽状態となることが抑えられ、長時間で１回の撮像をするよりも詰まりと類似する遮蔽状態の面積を減少させることができる。

図２より具体的に説明をする。図２は１秒間に石炭２が落下する様子の撮像画像の例を示す。１秒間に３回撮像した場合には、図２の（ａ）から（ｃ）の示すように順番に撮像される。ところが、同じ様子を１秒間かけて１回撮像した場合には、撮像している間に石炭２が移動していることから、図２の（ｄ）で示すように大きな画像として撮像される。石炭２が１回落下する間に、複数回の撮像画像を取得すると、複数回の撮像画像の中の１枚に暗画素となる領域の面積が大きい画像が得られたとしても、前後の撮像画像の中に暗画素となる領域の面積が小さい画像が得られる。そうすると、後述するように暗画素となる領域の面積が小さい画像の情報で詰まり状態を判断できる。一方、１秒間かけて１回撮像した撮像画像で詰まり状態を判断すると、暗画素の領域の面積が大きいため、詰まり状態と誤認する恐れがある。

これらは、燃焼炉１へ石炭２が投入される配管３の内部を監視カメラ１０で時系列（ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・）に撮像し、その撮像画像を画像処理することによって実施される。画像処理のフローチャートを図３に示す。

図４は、石炭２が投入されていない状態での撮像画像の一例である。配管の径などから燃焼炉への投入口と配管内壁との境界線（点線で図示）を識別して、境界線で囲まれた領域の内側を画像処理の対象領域とする。また、対象領域の決定は予め入手した画像を用いて、手動で指示した境界線を用い境界線の座標を指定してもよい。

図５は、ある時点ｔｍの撮像画像である。図５には、配管内壁２１の内側に、燃焼炉１を背景に石炭２が撮像されている。石炭２は、大小さまざまな大きさのものが存在する。図５の撮像画像が入力されると、画像処理の対象領域で撮像画像を所定の輝度値で二値化して、暗側２３と明側２２を判別する。元の撮像画像では石炭２と思われる画素も、二値化処理によって、所定の輝度値より明るい画素は画像から消滅し、所定の輝度値より暗い画素が画像に残る。

図６は二値化処理後の画像を示す。暗側２３の画素が配管内の石炭２に相当する。暗側２２と判別された画素のなかには、他の暗側と判別されたいずれの画素とも接しておらず、たとえば１画素のみで孤立した画素２３Ｂが存在する。一方、画素２３Ｃも１画素で構成されているが、画素２３Ｄと隣接している。孤立した画素を除外して画素を連結すると、孤立した画素２３Ｃは除外され、画素２３Ｃは隣接している画素２３Ｄと連結されて、図７のようになる。そして、連結された画素の集合を詰まり候補と判断する。なお、１画素のみで孤立した画素を除くか、あるいは２画素以上の特定の画素数を満たさないで孤立した画素を除くかは任意に設定すればよい。孤立した画素の除外は孤立点除去フィルタ、画素の連結はラベリング処理を行い集合性判定することで具体化することができる。

また、次のある時点ｔｎに撮像した画像についても、上記と同様の画像処理が行われ、たとえば、図８に示す画像が得られて、詰まり候補が判断される。

このような詰まり候補の判断を、石炭２が監視カメラ１０の視野内を通過する落下時間より長時間にわたって時系列に撮像された複数の撮像画像の中から選択した２枚以上の撮像画像について行う。そして、これら選択した撮像画像の詰まり候補と判断された画素の集合から特徴量を算出する。

第１の実施形態では、選択した各撮像画像の詰まり候補と判断された画素の集合の面積を合計し、それぞれの撮像画像の合計面積を比較して、合計面積の最小値を特徴量として算出する。

詰まり候補と判断された画素の集合の面積の最小値と所定の閾値とを比較することで、詰まり状態を判断できる。すなわち、詰まり候補と判断された画素の集合の面積の最小値が所定の閾値を越えていれば、長時間にわたって、所定の閾値を越えた面積が落下せずに配管内に停滞している石炭で占有されていると推察して、配管が詰まっていると判断できる。

ここで、詰まり候補の判断を行うにあたり、連結された画素の集合のうち、配管から燃焼炉への投入口と配管内壁との境界線に接していない集合は配管内を浮遊している思われる石炭であり、配管詰まりを惹き起こす恐れは低い。連結された画素の集合のうち、配管から燃焼炉への投入口と配管内壁との境界線に接している集合を詰まり候補と判断するようにすることで、より精度よく詰まり状態を判断できる。

図７および図８に示す画像について、これを適用すると、配管から燃焼炉への投入口と配管内壁との境界線に接していない集合は除去され、境界線に接している集合が残り、図７は図９に示す画像、図８に示す画像は図１０に示す画像となる。このように、各時点での撮像画像についてこの処理を行った後に詰まり候補と判断された画素の集合の面積を求め、その中の最小値を特徴量として算出する。

なお、通常の撮像では撮像用に照明を設置するが、配管内全体を監視カメラ１０で撮像する際には、燃焼炉１の内部の燃焼光（火炎５）を照明として用いることができる。

画像処理装置１１が、配管内部（Ａで図示した箇所）が石炭２で詰まっていると判断すると、放水制御装置１２が作動して、放水口４から水が放水し、水流１４の勢いにより配管内部で停滞している石炭が流し落とされ、配管内の詰まりが解消される。配管内の詰まり解消手段として放水を例にしているが、石炭の停滞を取り除けるのであれば、放水に限らず、何らかの物理的接触を付与できるものであればよい。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態と同様に、時系列に撮像された画像について、詰まり候補が判断され、おのおのの撮像画像について詰まり候補と判断された画素の集合の特徴量を算出する。

第２の実施形態における画像処理のフローチャートを図１１に示す。第２の実施形態では、選択した各撮像画像の詰まり候補と判断された画素の集合の領域のうち、選択した全ての撮像画像で重複している部分の面積を特徴量として算出する。

重複している領域は、長時間にわたって石炭が落下せずに停滞していると推察できるので、重複している領域の面積を算出してこの面積と所定の閾値と比較することで、詰まり状態を判断できる。すなわち、重複している領域の面積が所定の閾値を越えていれば、配管が詰まっていると判断できる。

ここでも、詰まり候補の判断を行うにあたり、連結された画素の集合のうち、配管から燃焼炉への投入口と配管内壁との境界線に接していない集合は配管内を浮遊していると思われる石炭であり、配管詰まりを惹き起こす恐れは低い。連結された画素の集合のうち、配管から燃焼炉への投入口と配管内壁との境界線に接している集合を詰まり候補と判断するようにすることで、より精度よく詰まり状態を判断できる。

図１２と図１３は、それぞれ図９（ある時点ｔｍの画像）と図１０（ある時点ｔｎの画像）と同じ画像であり、説明の都合により、暗画素２３を図１２では右斜め線で表示し、図１３では左斜め線で表示している。図１４の画像は図１２の画像と図１３の画像を重ね合わせたもので、２枚の画像の暗画素の重複部分２４を塗りつぶして示している。この重複部分２４の面積と所定の閾値と比較し、重複部分２４の面積が所定の閾値を越えると、配管が詰まっていると判断する。

次に、燃焼炉１に固体燃料である石炭２が石炭投入口４から落下し配管３を通して燃焼炉内へと投入される様子を監視カメラ１０で撮像し、撮像した画像を画像処理した実施例について説明する。

監視カメラ１０で配管内全体を時系列に撮像した画像は、１秒ごとに画像処理装置１１に取り込まれるとともに画像処理が行われる。石炭２は連続的に石炭投入口４から投入される。

図１５は、図９あるいは図１０に例示したように、各時点での撮像画像について詰まり候補と判断された画素の集合の面積を求めて相対値（点線で図示）としたものを経時変化として示している。この相対値をあらかじめ設定した閾値と比較し、所定時間（枚数）、閾値を超過し続けている場合は、詰まりと判断する。

また、図１５には、各時点での撮像画像について詰まり候補と判断された画素の集合の面積を求めて相対値とし、撮像時点から遡って連続する３０枚の画像を１単位（時間に換算すると０．５分に相当）としたときの最小値（■で図示）の経時変化を示している。この最小値を予め設定した閾値と比較して閾値を超過した場合は詰まりと判断する。最小値を算出することで、各時点の詰まりトレンドをリアルタイムで知ることができるため、詰まりの予兆管理や傾向分析に役立たせることができる。詰まりの直前状態を知るということにおいては、相対値においても、詰まり直前とする閾値を設定することで実現することもできる。

本発明は、石炭式ボイラーの給炭機構等、燃焼炉へ固体燃料が投入される配管の監視に有効に利用することができる。

１ 燃焼炉
２ 石炭
３ 配管
４ 石炭投入口
５ 火炎
１０ 監視カメラ
１１ 画像処理装置
１２ 放水制御装置
１３ 監視用モニター
１４ 水流
２１ 配管内壁
２２ 背景
２３ 暗側画素
２３Ｂ 孤立した暗側画素
２４ ２枚の画像の暗画素が重複した部分

Claims (8)

1. 燃焼炉へ固体燃料が投入される配管の内部を時系列に撮像する撮像手段と、前記撮像手段が撮像した撮像画像を処理して配管詰まりを判断する画像処理手段と、を備えた燃焼炉の配管詰まり監視装置であって、
   前記画像処理手段は、
   （ａ）前記配管の燃焼炉への投入口と前記配管内壁との境界線で囲まれた領域の内側を前記画像処理の対象領域とする対象領域識別手段と
   （ｂ）前記対象領域における前記撮像画像を二値化して明側と暗側を判別する明暗判別手段と、
   （ｃ）前記明暗判別手段によって暗側と判別された画素と、当該画素と隣接して暗側と判別された画素とを連結処理するラベリング手段と、
   （ｄ）前記ラベリング手段によって連結処理された画素の集合を詰まり候補と判断する詰まり候補判断手段と、
   （ｅ）前記固体燃料が前記撮像手段の視野内を通過するのに要する時間よりも長い時間を１周期として、この１周期内で時系列に撮像された複数の撮像画像の中から２枚以上の撮像画像を選択し、これら選択した各撮像画像の前記詰まり候補手段によって詰まり候補と判断された集合の特徴量を算出する特徴量算出手段と
   （ｆ）前記特徴量算出手段によって算出された特徴量と所定の閾値とを比較することで、詰まり状態を判断する詰まり判断手段と、
   を有する、燃焼炉の配管詰まり監視装置。
2. 前記詰まり候補判断手段は、前記ラベリング手段によって連結処理された画素の集合のうち、前記境界線と接している集合を詰まり候補と判断する、請求項１の燃焼炉の配管詰まり監視装置。
3. 前記特徴量算出手段は、前記選択された各撮像画像ごとに前記詰まり候補と判断された集合の面積を合計し、合計面積の最小値を特徴量として算出する、請求項１または２の燃焼炉の配管詰まり監視装置。
4. 前記特徴量算出手段は、前記選択された各撮像画像の前記詰まり候補と判断された集合の領域のうち、選択された全ての撮像画像で重複している部分の面積を特徴量として算出する、請求項１または２の燃焼炉の配管詰まり監視装置。
5. 焼却炉へ固体燃料が投入される配管の詰まり状況を監視する配管監視方法であって、
   前記配管内の撮像画像から前記配管の燃焼炉への投入口と前記配管の内壁との境界線で囲まれた領域の内側を画像処理の対象領域とし、
   前記対象領域の前記撮像画像を二値化して前記撮像画像の明側と暗側を判別し、
   前記暗側と判別した画素と当該画素して隣接する暗側と判別した画素とを連結処理し、
   前記連結処理によって連結処理した画素の集合を詰まり候補として抽出し、
   前記固体燃料が撮像視野内を通過するのに要する時間よりも長い時間を１周期として、この１周期内で時系列に撮像された複数の撮像画像の中から２枚以上の撮像画像を選択し、これら選択した各撮像画像の前記詰まり候補とし抽出された集合から特徴量を算出し
   前記特徴量と所定の閾値とを比較することで、詰まり状態を判断する、燃焼炉の配管詰まり監視方法。
6. 前記連結処理した画素の集合のうち、前記境界線と接している集合を詰まり候補として抽出する、請求項５の燃焼炉の配管詰まり監視方法。
7. 前記選択した各撮像画像ごとに前記詰まり候補として抽出した集合の面積を合計し、合計面積の最小値を特徴量として算出する、請求項５または６の燃焼炉の配管詰まり監視方法。
8. 前記選択した各撮像画像の前記詰まり候補として抽出した集合の領域のうち、選択した全ての撮像画像で重複している部分の面積を特徴量として算出する、請求項５または６の燃焼炉の配管詰まり監視方法。