JP4732377B2 - パイロット炎監視方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、石油プラント等の精製工程で排出される可燃性ガスを煙突に設けたパイロットバーナで点火して燃焼し戸外に排出しており、煙突突端炎（パイロット炎）を監視するパイロット炎監視方法及びその装置に関する。

従来、石油精製プラント等では、精製工程で分離排出される不要な可燃性ガスを煙突突端に設置したパイロットバーナで点火して燃焼させ戸外に放出しており、この煙突突端炎であるパイロット炎が消失すると、可燃性ガスが燃焼されないまま戸外に撒き散らすことになり、大気汚染、環境汚染、或いは環境破壊といった問題を引き起こす要因となり、パイロット炎が正常であるか否かを監視して可燃性ガスが戸外に排出されないようにしている。

煙突突端のパイロット炎の監視には、パイロットバーナに設置した温度センサでバーナ部の温度を計測して監視する方法があるが、温度センサ又はそのケーブルが損傷した場合、温度センサ故障と判断され、パイロット炎が消失しても反応せず、可燃性ガスを撒き散らすことになり、異常を察知して煙突突端に設置した温度センサ等を交換しようとしても高所であるとともに煙突突端から有毒ガスが放出された状態であり、温度センサ等の交換作業を簡単に行うことができないし、このような温度センサ等の保守交換作業はメンテナンス期間でなければすることができない。また、パイロット炎を監視カメラで撮影して監視する方法があるが、気象条件によってはパイロット炎を確認することができない場合があり、パイロット炎が消失しているものと誤認するおそれがあった。

煙突突端のパイロット炎を監視カメラで監視する方法は周知ではないので、火災における炎やガス煙を検出する際に画像処理を利用するものについて従来例とし説明する。図１０は、炎・ガス煙検出システムを示すブロック図であり、炎・ガス煙検出システム１は景色Ｓを撮影する撮影手段２を備え、撮影手段２からの画像信号を景色変化検出手段３と参照用撮影画像解析手段４とに入力して解析し、その解析結果を参照用撮影画像解析結果保存手段５に保存する。参照用撮影画像解析手段４では、景色Ｓの炎やガス煙が発生していない正常な画像を解析して参照用撮影画像とする。一方、景色変化検出手段３では、検出用撮影画像をブロック毎に分割し、検出用撮影画像の景色変化を差分処理等により検出し、景色変化ブロック解析手段６に入力し、参照用撮影画像と比較解析し、炎・ガス煙判定手段７に入力して炎又はガス煙の判定を行う（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の火炎検出装置には、画像処理により炎を明暗部の面積変化から検出するものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−２６８２００号公報（明細書〔００２２〕〜〔００３９〕，図面図１） 特開２００１−１４５７１号公報（図１，図４）

石油精製プラント等における精製工程で分離排出される不要な可燃性ガスを煙突へと送り出し、煙突突端に設けたパイロットバーナで燃焼して戸外に排出しており、パイロット炎が消失すると、可燃性ガスが燃焼することなく戸外に撒き散らされることになり、環境破壊等の要因になるおそれがあり、このような問題点を回避するべく、パイロット炎が監視されている。例えば、煙突突端に設置したパイロットバーナのバーナ部温度を温度センサで監視する方法が採られているが、温度センサが故障した場合、有毒ガスが未燃焼の状態で放出され易く、しかも高所でもあり保守管理が困難であり、改善の余地があった。そこで、離れた場所に監視カメラを設置し、煙突突端のパイロット炎を監視する方法などが模索されているが、監視カメラで撮影された画像は気象条件や日照条件等によって、監視し難いく誤認し易いといった問題点があり改善の余地があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、離れた位置から監視カメラで煙突突端のパイロット炎を撮影してその撮像画像を画像処理することによって、パイロット炎の監視を確実に行えるようにしたパイロット炎監視方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を達成したものであり、請求項１の発明は、煙突から排出される可燃性ガスをパイロットバーナで燃焼させる際のパイロット炎を監視するパイロット炎監視方法において、
可視光領域の波長を吸収するフィルタを装着した監視カメラで前記煙突突端を撮影し、該監視カメラで撮影した該煙突突端の撮像画像を画像処理して前記パイロット炎の二値化処理画像を得て、該二値化処理画像の炎部画像面積から前記煙突突端の燃焼状態を判定し、パイロット炎が消失していると判定した際、警報を発するとともに、前記パイロットバーナの再点火を行うことを特徴とするパイロット炎監視方法である。

また、請求項２の発明は、前記フィルタが赤外線領域の波長である０．７〜２．５μｍの近赤外線を透過することを特徴とする請求項１に記載のパイロット炎監視方法である。また、請求項３の発明は、前記炎部画像面積を所定閾値と比較して前記煙突突端の燃焼状態を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のパイロット炎監視方法である。

また、請求項４の発明は、煙突から排出される可燃性ガスをパイロットバーナで燃焼させる際のパイロット炎を監視するパイロット炎監視装置において、
可視光領域の波長を吸収するフィルタを通して前記煙突突端を撮影する撮影手段と、
該撮影手段により撮影された該煙突突端の撮像画像を二値化する濃淡処理手段と、
該濃淡処理手段により二値化処理画像から前記パイロット炎の画像の炎部画像を抽出する炎部分抽出手段と、
該炎部分抽出手段による該炎部画像の炎部画像面積を算出する炎部画像面積算出手段と、
該炎部画像面積算出手段により算出された炎部画像面積から前記煙突突端の燃焼状態を判定し、パイロット炎が消失していると判定した際、警報を発するとともに前記パイロットバーナの再点火を行うための燃焼状態判定手段とを備えることを特徴とするパイロット炎監視装置である。

また、請求項５の発明は、前記フィルタが赤外線領域の波長である０．７〜２．５μｍの近赤外線を透過することを特徴とする請求項４に記載のパイロット炎監視装置である。また、請求項６の発明は、前記燃焼状態判定手段が、前記炎部画像面積を所定閾値と比較して前記煙突突端の燃焼状態を判定することを特徴とする請求項４又は５に記載のパイロット炎監視装置である。

請求項１の発明では、煙突から排出される可燃性ガスをパイロットバーナで燃焼させる際のパイロット炎を監視するパイロット炎監視方法において、
可視光領域の波長を吸収するフィルタを装着した監視カメラで前記煙突突端を撮影し、該監視カメラで撮影した該煙突突端の撮像画像を画像処理して前記パイロット炎の二値化処理画像を得て、該二値化処理画像の炎部画像面積から前記煙突突端の燃焼状態を判定し、パイロット炎が消失していると判定した際、警報を発するとともに、前記パイロットバーナの再点火を行うことを特徴とするパイロット炎監視方法であるので、赤外線領域の波長が透過して撮影され、気象条件や日照条件が変化したとしても、パイロット炎を確実に監視することができる利点がある。また、監視カメラは煙突とは離れた場所に設置することが可能であり、たとえ、監視カメラが故障したとしても容易に交換できるし、画像処理機能を復旧させることも容易である。また、監視員が監視カメラの画像を常時監視する必要がなく、異常な燃焼状態を報知することも容易である利点がある。また、本発明では、煙突突端の燃焼状態を判定しパイロット炎が消失していると判定した際、警報を発するとともに、パイロットバーナの再点火を行うことを特徴としており、パイロット炎が消失した場合、直ちにパイロットバーナの再点火を行うことができ、有害な燃焼性ガスが戸外に撒き散らされるのを極力抑制することができる利点がある。

また、請求項２の発明では、前記フィルタが赤外線領域の波長である０．７〜２．５μｍの近赤外線を透過することを特徴とする請求項１に記載のパイロット炎監視方法であり、気象条件や日照条件等の影響を受けることなく、確実にパイロット炎を撮影することができる。また、請求項３の発明では、前記炎部画像面積を所定閾値と比較して前記煙突突端の燃焼状態を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のパイロット炎監視方法であるので、判定結果に基づいて警報を発することが可能であり、監視が容易な利点がある。炎部画像面積の閾値は設置される条件（パイロット炎の大小、気象条件、日照条件等）により任意に定められる。

また、請求項４の発明では、煙突から排出される可燃性ガスをパイロットバーナで燃焼させる際のパイロット炎を監視するパイロット炎監視装置において、
可視光領域の波長を吸収するフィルタを通して前記煙突突端を撮影する撮影手段と、
該撮影手段により撮影された該煙突突端の撮像画像を二値化する濃淡処理手段と、
該濃淡処理手段により二値化処理画像から前記パイロット炎の画像の炎部画像を抽出する炎部分抽出手段と、
該炎部分抽出手段による該炎部画像の炎部画像面積を算出する炎部画像面積算出手段と、
該炎部画像面積算出手段により算出された炎部画像面積から前記煙突突端の燃焼状態を判定し、パイロット炎が消失していると判定した際、警報を発するとともに前記パイロットバーナの再点火を行うための燃焼状態判定手段とを備えることを特徴とするパイロット炎監視装置であるので、撮影された煙突突端の撮像画像を自動的に画像処理し、燃焼状態を判定することができ、気象条件や日照条件が変化したとしても、パイロット炎を無人で確実に撮影して監視することができる利点がある。また、監視カメラは煙突とは離れた場所に設置することが可能であり、たとえ、監視カメラが故障したとしても容易に交換できるし、画像処理機能を復旧させることも容易である。また、監視員が監視カメラの画像を常時監視する必要がない利点がある。また、燃焼状態判定手段が、パイロット炎が消失していると判定した際、警報を発するとともに前記パイロットバーナの再点火を行うので、パイロット炎が消失した場合、直ちにパイロットバーナの再点火を行うことができ、有害な燃焼性ガスが戸外に排出されるのを極力抑制することができる利点がある。

また、請求項５の発明では、前記フィルタが赤外線領域の波長である０．７〜２．５μｍの近赤外線を透過することを特徴とする請求項４に記載のパイロット炎監視装置であるので、気象条件や日照条件等の影響を受けることなく、確実にパイロット炎を撮影することができる。また、請求項６の発明では、前記燃焼状態判定手段が、前記炎部画像面積を所定閾値と比較して前記煙突突端の燃焼状態を判定することを特徴とする請求項４又は５に記載のパイロット炎監視装置であるので、判定結果に基づいて警報を発することが可能であり、監視が容易な利点がある。炎部画像面積の閾値は設置される条件（パイロット炎の大小、気象条件、日照条件等）により任意に定められる。

以下、本発明に係るパイロット炎監視方法及びその装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図１は、本発明に係るパイロット炎監視装置の一実施形態を示すブロック図であり、図２は本実施形態の燃焼状態を判定する制御フローを示す図である。図３は石油精製プラント等における精製工程で分離排出される可燃性ガスを排出するための煙突を示し、可燃性ガスが燃焼している画像である。図４（ａ）は可視光と炎の波長を示す図であり、図４（ｂ）は本実施形態に使用されるフィルタの特性を示す図である。図５は実施例で使用したフィルタのフィルタ特性を示す図である。図６（ａ），（ｂ）〜図９（ａ），（ｂ）は（ａ）が図３に示した煙突突端のパイロット炎による燃焼状態を示す撮像画像を示す図であり、（ｂ）が（ａ）の撮像画像を画像処理した処理画像を示す図である。

本発明の一実施形態について図１を参照し説明する。先ず、図１において、８は石油精製プラント等における精製工程で分離排出される可燃性ガスを排出する煙突を示し、この種の煙突は、図３に示すように、可燃性ガスが煙突突端で燃焼している。煙突８の突端にはパイロットバーナが設置され、パイロットバーナを点火してタネ火により可燃性ガスを燃焼しており、９は煙突突端炎（パイロット炎）を示している。監視カメラ（撮像手段）１０は、煙突８から離れた別の建物の屋上などに設置され、レンズ１２にフィルタ１１が装着され監視対象である煙突８のパイロット炎９を撮影しモニタ（図示なし）に表示する。フィルタ１１は、可視光吸収・赤外線透過フィルタが使用される。

監視対象であるパイロット炎９の波長は、図４（ａ）に太陽光や炎の光の波長を図示したように、太陽光の可視光領域では大凡４００〜７００ｎｍの波長の相対強度が最大であり、赤外線領域の波長が急激に減衰しているのに対し、赤外線領域の波長が可視光領域の波長より相対強度が強いことを示している。従って、フィルタ１１のフィルタ特性は、図４（ｂ）に示すように、可視光を吸収し、赤外線を透過するものが使用される。フィルタ１１が炎の可視光領域の波長を吸収したとしても波長領域の大半が赤外線領域であり、赤外線がフィルタ１１を透過するので背景や太陽光の影響を無くし、監視対象である炎部分を撮像画像として捉えて検出することが可能である。

画像処理装置２０には画像処理専用プロセッサが備えられ、監視カメラ（撮像手段）１０からの撮像信号が入力され、撮像画像を画像処理専用プロセッサにより画像処理し、制御信号（警報出力信号／再点火制御信号）を出力する。画像処理装置２０は撮像信号が入力され静止画像として記憶する画像入力手段（フレームメモリ）２１と、画像入力手段（二値化処理部）２１からの画像信号を読み出して二値化処理し、処理エリアを定めて監視対象画像（炎部等）の面積を演算処理する画像処理部２２と、燃焼状態判定手段２３とが設けられている。画像処理部２２は、画像信号を二値化処理する濃淡処理部２２ａと、二値化処理画像から処理エリアを定めて炎部分を抽出する炎部分抽出手段２２ｂと、炎部分の画素数又は面積から算出する炎部分面積算出手段２２ｃとが設けられている。炎部分面積算出手段２２ｃの算出結果（炎部面積値）は、燃焼状態判定手段２３に入力されて所定閾値との大小比較が行われ、その判定手段に基づいて燃焼状態（燃焼又は消炎）が判定されて制御信号が出力される。

次に、本実施形態における燃焼状態判定の処理フローを図２を参照し説明する。この処理フローはステップＳ１〜Ｓ７から構成される。先ず、ステップＳ１では、監視カメラ（撮像手段）１０の撮像画像が画像入力手段（フレームメモリ）２１に静止画像として取り込まれ、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では濃淡処理手段２２ａにより、静止画像の輝度レベルを所定閾値により二値化処理して二値化画像データ（「０」，「１」による画素データ：例えば、「１」が炎の画像領域）に変換処理し、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、炎部分抽出手段２２ｂによりパイロット炎部分（以下、炎部分と称する）を含む処理エリアの二値化画像データの「１」の画素データから炎部分を抽出し、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、パイロット炎９に対応する「１」の画素データの炎部分の画素数又は面積を炎部分面積積算手段２２ｃにより算出し、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、燃焼態判定手段２３により、炎部分の画素数又は面積と設定閾値との大小比較を行って、炎部分面積が所定閾値を超えて正常燃焼していると判断された場合、ステップＳ１に戻る。また、炎部分面積が所定閾値以下で炎消失している可能性があると判断された場合、ステップＳ６に進む。なお、ステップＳ６はステップＳ５と同様に燃焼態判定手段２３により処理され、その処理結果とし制御信号を出力する。

ステップＳ６では、パイロット炎が全消失と判断する所定の処理回数（炎消失回数）を設定し、ステップＳ１からＳ５の処理を繰り返した回数が、「処理回数≧設定値」の条件を満足した場合にパイロット炎の全消失を判断し、ステップＳ７に進む。なお、ステップＳ６では、所定の処理回数が所定の数値以下で炎消失と判断される時間を考慮して消失時間から全消失を判定する。全消失は、１回の処理時間×処理回数≧炎の全消失と判断される時間（数秒程度）から判定することができる。即ち、ステップＳ６は、パイロット炎が消えたり着いたりしながら徐々に消炎して炎の全消失に至る過程を判定している。ステップＳ７では、ステップＳ６の条件を満足した場合、制御信号を出力し、警報を出力したり、或いはパイロットバーナを再点火する制御工程である。なお、パイロットバーナの再点火は自動的に行われるが、警報に基づいて監視員が手動で行ってもよい。

次に、本発明の実施例について、図１，図２，図５及び図６〜図９を参照し説明する。本実施例のパイロット炎監視装置は画像処理専用プロセッサを備え、その構成は図１のブロック図で示した通りであり、監視カメラ１０はＣＣＤカメラが使用され、レンズ１２に装着されるフィルタ１１は図５に示すフイルタ特性のフィルタが使用された。煙突端縁部のパイロット炎の撮影可能な位置に監視カメラ１０が設置されて撮影した。パイロット炎の燃焼状態の判定は、画像処理装置２０で図２の処理フローが行われた。監視カメラ１０による撮像画像は画像入力手段（フレームメモリ）２１に監視対象画像である静止画像として記憶され、画像入力手段２１から静止画像が読み出され、濃淡処理手段２２ａで二値化処理画像に変換してパイロット炎の燃焼状態が判定された。炎部分抽出手段２２ｂでは二値化処理画像の炎部分が処理エリアから抽出され、炎部分面積算出手段２２ｃから炎部分の画素数が算出された。燃焼状態判定手段２３にて、炎部分の画素数の判定処理が行われ、炎部分の面積が判定領域の面積の１０％未満の場合、パイロット炎が消失と判断し、この消失状態が数秒間、例えば、１〜３秒間継続した場合、パイロット炎が全消失と判断し制御信号（再点火制御信号，警報信号）を出力するようにした。なお、この面積比及び消炎状態の継続時間の値は、石油精製プラントに依存し、実験的に数値を設定すればよい。

次に、本実施例によりパイロット炎９を撮像して画像処理して得られた静止画像と二値化画像について図６（ａ），（ｂ）〜図９（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は画像入力手段２１の出力を示し、夕暮れ時に煙突８の突端のパイロット炎９を撮影した画像であり、図６（ｂ）はその画像を濃淡処理手段２２ａにより二値化処理して得られた二値化画像を示している。監視カメラ（撮像手段）１０はパイロット炎９を近赤外領域で撮影しており、パイロット炎９の炎部分の明るい部分が炎と認識し、炎部分を「１」とし、炎部分以外の領域を「０」として、「０」，「１」による画素データによる二値化画像データが得られる。図６（ｂ）の白色部が「１」の画素による画像であり、「０」の画素による部分が黒色で示されており、炎部分面積算出手段２２ｃにて基準となる処理エリアが設定されており、図７（ｂ）〜図９（ｂ）においても処理エリアが設定され、炎部分の面積が算出されている。

図７はパイロット炎９を夜間撮影した例であり、図７（ａ）がパイロット炎９を撮影した画像であり、図７（ｂ）が炎部分を「１」の画素で示し、それ以外の部分を「０」の画素で示した二値化画像データである。また、図８は炎が大きいパイロット炎９を日中晴天時に撮影した例であり、図８（ａ）がパイロット炎９を撮影した静止画像であり、図８（ｂ）が炎部分を「１」の画素で示し、それ以外の部分を「０」の画素で示した二値化画像データである。図９は炎が小さいパイロット炎９を日中晴天時に撮影した例であり、図９（ａ）がパイロット炎９を撮影した静止画像であり、図９（ｂ）が炎部分を「１」の画素で示し、それ以外の部分を「０」の画素で示した二値化画像データである。

殊に、日中晴天時、パイロット炎９の炎が小さい場合、消失したものと誤認する可能性があるが、図９（ｂ）に示されているように、炎部分が「１」の画素データと炎部分以外の「０」の画像データとの面積比において、炎部分の面積が判定領域の面積の１０％以上の場合であれば、パイロット炎９が消失していないことを検出することができ、炎部分の面積が判定領域の面積の１０％未満の場合、消失している可能性を検出することができ、この状態が所定時間継続して検出されると、パイロット炎９が全消失したことを検出することが実証された。なお、パイロット炎９が消失していないか、或いは全消失であるかの判定に用いる面積の比率は監視対象により自由に設定することができる。

本発明の活用例としては、石油プラントの精製工程で生じる可燃性ガスを燃焼させて戸外に排出されるのを防止し、環境破壊を防止する装置として利用することができるし、可燃性ガスがプラント内に滞留して爆発事故が発生するのを回避することができる。

本発明に係るパイロット炎監視装置の一実施形態を示すブロック図である。 本実施形態の燃焼状態を判定する制御フローを示す図である。 石油精製プラント等における精製工程で分離排出される可燃性ガスを排出する煙突を示し、可燃性ガスが燃焼している画像である。 （ａ）は可視光と炎の波長を示す図であり、（ｂ）は本実施形態に使用されるフィルタの特性を示す図である。 本実施例で使用したフィルタのフィルタ特性を示す図である。 （ａ）が夕暮れ時のパイロット炎による燃焼状態を示す撮像画像を示す図であり、（ｂ）がその撮像画像を画像処理した二値化画像を示す図である。 （ａ）が夜間のパイロット炎による燃焼状態を示す撮像画像を示す図であり、（ｂ）がその撮像画像を画像処理した二値化画像を示す図である。 （ａ）が日中晴天時の炎が大きいパイロット炎による燃焼状態を示す撮像画像を示す図であり、（ｂ）がその撮像画像を画像処理した二値化画像を示す図である。 （ａ）が日中晴天時の炎は小さいパイロット炎による燃焼状態を示す撮像画像を示す図であり、（ｂ）がその撮像画像を画像処理した二値化画像を示す図である。 従来の炎・ガス煙検出システムを示すブロック図である。

符号の説明

８ 煙突
９ 煙突突端炎（パイロット炎）
１０ 監視カメラ（撮像手段）
１１ フィルタ
１２ レンズ
２０ 画像処理装置
２１ 画像入力手段（フレームメモリ）
２２ 画像処理部
２２ａ 濃淡処理部（二値化処理部）
２２ｂ 炎部分抽出手段
２２ｃ 炎部分面積算出手段
２３ 燃焼状態判定手段

Claims (6)

1. 煙突から排出される可燃性ガスをパイロットバーナで燃焼させる際のパイロット炎を監視するパイロット炎監視方法において、
   可視光領域の波長を吸収するフィルタを装着した監視カメラで前記煙突突端を撮影し、該監視カメラで撮影した該煙突突端の撮像画像を画像処理して前記パイロット炎の二値化処理画像を得て、該二値化処理画像の炎部画像面積から前記煙突突端の燃焼状態を判定し、パイロット炎が消失していると判定した際、警報を発するとともに、前記パイロットバーナの再点火を行うことを特徴とするパイロット炎監視方法。
2. 前記フィルタが赤外線領域の波長である０．７〜２．５μｍの近赤外線を透過することを特徴とする請求項１に記載のパイロット炎監視方法。
3. 前記炎部画像面積を所定閾値と比較して前記煙突突端の燃焼状態を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のパイロット炎監視方法。
4. 煙突から排出される可燃性ガスをパイロットバーナで燃焼させる際のパイロット炎を監視するパイロット炎監視装置において、
   可視光領域の波長を吸収するフィルタを通して前記煙突突端を撮影する撮影手段と、
   該撮影手段により撮影された該煙突突端の撮像画像を二値化する濃淡処理手段と、
   該濃淡処理手段により二値化処理画像から前記パイロット炎の画像の炎部画像を抽出する炎部分抽出手段と、
   該炎部分抽出手段による該炎部画像の炎部画像面積を算出する炎部画像面積算出手段と、
   該炎部画像面積算出手段により算出された炎部画像面積から前記煙突突端の燃焼状態を判定し、パイロット炎が消失していると判定した際、警報を発するとともに前記パイロットバーナの再点火を行うための燃焼状態判定手段とを備えることを特徴とするパイロット炎監視装置。
5. 前記フィルタが赤外線領域の波長である０．７〜２．５μｍの近赤外線を透過することを特徴とする請求項４に記載のパイロット炎監視装置。
6. 前記燃焼状態判定手段が、前記炎部画像面積を所定閾値と比較して前記煙突突端の燃焼状態を判定することを特徴とする請求項４又は５に記載のパイロット炎監視装置。