TWI394841B - Methods for monitoring blast furnace tuyere - Google Patents

Description

監測高爐風口之方法

本發明係關於一種監測高爐風口之方法，詳言之，係關於一種經由風口以監測高爐內是否發生異常之方法。

參考圖1，顯示習知用於高爐之鼓風嘴件組之剖視示意圖。該鼓風嘴件組1包括一鼓風管11、一噴煤鎗12、一窺視孔13及一側管14。該鼓風管11係插設於一高爐之側壁15之風口151上。該噴煤鎗12係連設於該鼓風管11旁，用以將粉煤輸送至該鼓風管11之前端。該窺視孔13係位於該鼓風管11之後端，用以提供一操作員觀察之管道。該側管14係連通該鼓風管11，用以供一熱風進入該鼓風管11中。

該鼓風管11之前端外附近係形成一風徑區16，當粉煤自該噴煤槍12被吹出，並隨著該側管14所鼓入之熱風一起在該風徑區16進行燃燒時，該操作員可以從該窺視孔13監視粉煤的噴吹狀況以及該風徑區16的燃燒情況。由於該風徑區16穩定與否係直接影響該高爐之效率，因此，監測該高爐風口便是一項重要的課題。

目前對於該高爐之風徑區16之監視主要是以人工巡爐為主。為了改善人工直接觀察該窺視孔13之不便，有少數之窺視孔13外加裝一攝影機，且該攝影機再連接至一控制室之螢幕，藉此，可供操作員從該控制室觀察。然而，由於此種系統無自動監測警示功能，控制室之操作員必須隨時觀察，否則將難以察覺異況的發生。

中華民國發明專利第I246537號揭示一種風徑區監視方法及其設備，其乃採用一光度計來進行高爐鼓風嘴風徑區之觀測，用以監視風徑區內的粉煤燃燒情況。一般來說，光度計的取像解析度遠低於攝影系統，因此僅能就燃燒區域求一平均亮度進行分析，因而其功效並不好。

美國專利第5,223,908號運用光感測器，分析穿透(Transmitted)與反射(Reflection)或散射(Scattering)關係，以計算風口相關參數。美國專利第7,209,871號主要是以實驗方法與維度分析(Dimensional Analysis)，找出相關係數，以建立數學或經驗模型。美國專利第4,842,253號主要是用一探針從風口伸入，以觀測燃燒狀況。此種方法雖能直接觀察燃燒狀況，然對高溫高壓之高爐卻有其實施的危險性。美國專利第5,481,247號為一高爐風口感測系統，由直流電源、電位計及光感測器構成，藉由電壓輸出，可以進行異況診斷。然而，其主要訴求在於電子電路設計與訊號處理，能使用資訊不多，因此也無法發展較複雜分析工作。

綜觀上述所有方法，其因著重在將每一次觀測到風口狀況以一簡單的電壓或電流訊號表示，因此在分析資訊不足的狀況下，將難以進行準確的分析。

因此，有必要提供一創新且富有進步性之監測高爐風口之方法，以解決上述問題。

本發明提供一種監測高爐風口之方法，其包括以下步驟：(a)擷取複數張該高爐在正常操作下之風口影像；(b)決定每一張步驟(a)之風口影像之目標區域(Region of Interest,ROI)；(c)根據該等步驟(a)之影像之目標區域內之影像資料決定一基線(Baseline)；(d)擷取一張待檢測之風口影像；(e)決定該待檢測之風口影像之目標區域；(f)計算該待檢測之風口影像之目標區域內之影像資料；及(g)比對該待檢測之風口影像之目標區域內之影像資料與該基線，以判斷是否發生異況。藉此，可自動設定風口影像之目標區域，以及自動辨識風口是否發生異況。

參考圖2，顯示本發明之監測高爐風口之設備之示意圖。本發明之設備2包括一鼓風嘴件組1、一攝影機21及一影像處理裝置22。該鼓風嘴件組1係與圖1之鼓風嘴件組1相同，其包括該鼓風管11、該噴煤鎗12、該窺視孔13及該側管14。該攝影機21係位於該窺視孔13外，用以從該窺視孔13擷取該高爐之風口151之影像。較佳地，該攝影機21係為一CCD攝影機，其解析度為640×480。該影像處理裝置22係為一電腦，其內有軟體程式以進行影像處理。

參考圖3，顯示本發明監測高爐風口之方法之實施例之流程圖。本發明之方法之第一實施例包括以下步驟。步驟S301係擷取複數張該高爐在正常操作下之風口影像，如圖4所示。圖4係顯示該攝影機21未歪斜之情況下所擷取之風口影像之示意圖，由於該攝影機21係對準該風口151，因此在中央位置會有一近似圓形的亮區(如圖中沒有剖面線之區域)，其餘部分均為黑色之暗區(如圖中剖面線所在之區域)，圖中上方二個突出物係為該噴煤鎗12。可以理解的是，該噴煤鎗12之前端可能會有噴出之粉煤，而形成些許較暗之區域。在本實施例中，係累積1300張以上之風口影像。

步驟S302係決定每一張步驟S301之風口影像之目標區域(Region of Interest,ROI)。在本發明中，決定出目標區域之方式包含但不限於以下幾種方式。

第一種決定出該目標區域之方式如下，參考圖5，首先，建立該風口影像之凸包(Convex-hull)。接著，利用該凸包的邊緣迴歸分析，以決定出該目標區域10。在本實施例中，由於凸包會略過(Bypass)該噴煤鎗12之輪廓，因此迴歸後之該目標區域10為包圍該亮區之正圓形或橢圓形。

第二種決定出該目標區域之方式如下，參考圖6，首先，計算該風口影像投射於X軸及Y軸之灰階值，以得到一X方向灰階曲線61及一Y方向灰階曲線62。該X方向灰階曲線61及該Y方向灰階曲線62中間較凸的部份表示累積較多灰階值高的像素點，往曲線兩側則逐漸減少，直到最兩邊完全無灰階值高的像素點。

接著，設定一閥值(例如50)。接著，於該X軸定義一第一位置63及一第二位置64，其中該第一位置63係為該X方向灰階曲線61左側開始大於該閥值處，該第二位置64係為該X方向灰階曲線61右側開始小於該閥值處，且於該第一位置63及該第二位置64分別定義一第一邊65及一第二邊66，該第一邊65及該第二邊66係平行Y軸。同時，於該Y軸定義一第三位置67及一第四位置68，其中該第三位置67係為該Y方向灰階曲線62下側開始大於該閥值處，該第四位置68係為該Y方向灰階曲線62上側開始小於該閥值處，且於該第三位置67及該第四位置68分別定義一第三邊69及一第四邊70，該第三邊69及該第四邊70係平行X軸，該第一邊65、該第二邊66、該第三邊69及該第四邊70形成一矩形。

以該矩形之中心71為圓心，且以該矩形之長及寬之較大者為直徑，決定出圓形之該目標區域72。

在本發明中，該目標區域的自動搜尋，除可定位後續異況分析進行之影像區域，也可藉由該目標區域中心變異程度，觀察該風口151振動或該攝影機21鎖緊機構之鬆動(圖2)。

請再參考圖3，步驟S303係根據該等步驟S301之影像之目標區域內之影像資料決定一基線(Baseline)。在本實施例中，該影像資料係為灰階值，且該基線之決定方式如下。首先，計算每一該等步驟S301之影像之目標區域內之灰階值之平均值。接著，計算該等平均值之卡特司(Kurtosis)值。接著，判斷該卡特司(Kurtosis)值是否在3.0±0.5之範圍內，若是，則表示該等平均值之分佈接近常態分佈(Normal Distribution)，此時再將該等平均值取一平均值及標準差，且定義該等平均值之平均值為該基線。若該卡特司(Kurtosis)值不在3.0±0.5之範圍內，則返回該步驟S301，重新再擷取風口影像，直到該卡特司(Kurtosis)值落在3.0±0.5之範圍內為止。

步驟S304係擷取一張待檢測之風口影像。如同上述，利用該攝影機21對準該風口151擷取一張待檢測之風口影像。步驟S305係決定該待檢測之風口影像之目標區域，其方式與上述決定出目標區域之方式相同。步驟S306係計算該待檢測之風口影像之目標區域內之影像資料(例如灰階之平均值)。

步驟S306係比對該待檢測之風口影像之目標區域內之影像資料與該基線，以判斷是否發生異況。如果待檢測之灰階平均值過高，那有可能是噴煤不足所造成；反之，如果待檢測之灰階平均值偏低，則可能是噴煤過量、大塊落料或倒灌浮渣等狀況。當大塊落料之異況發生時，會於風口影像上方區域出現大面積之暗區；當倒灌浮渣之異況發生時，會於風口影像下方區域出現大面積之暗區；其餘異況則判斷為噴煤過量。

以下茲舉幾個實施例說明倒灌浮渣之判斷方式，可以理解的是相同之方式也可以應用於大塊落料之判斷方式，因為其二者僅是上下位置不同而已。

第一種倒灌浮渣之判斷方式如下。首先，利用一CCD攝影機擷取一張待檢測之風口影像，如圖7所示。接著，決定該待檢測之風口影像之亮區之下方輪廓曲線73，其中該輪廓曲線73係由複數個點組成，且每一點具有一X座標值及一Y座標值。接著，計算該等點之Y座標值之卡特司(Kurtosis)值。最後，判斷該卡特司(Kurtosis)值是否超過一閥值(例如3.5)，若否，則判斷為不發生倒灌浮渣；若是，則判斷為發生倒灌浮渣。這是由於當發生倒灌浮渣時，該下方輪廓曲線73會變的十分不規則。

第二種倒灌浮渣之判斷方式如下。首先，利用一CCD攝影機擷取一張待檢測之風口影像，如圖8所示。接著，設定一水平基準線74。接著，決定該待檢測之風口影像之亮區之下方輪廓曲線73。接著，求出該下方輪廓曲線73與該水平基準線74所圍出之亮區面積。接著，利用凸包的邊緣迴歸分析，以決定出該待檢測之風口影像之亮區之下方凸包邊75。接著，求出該下方凸包邊75與該水平基準線74所圍出之凸包面積。最後，計算該亮區面積及該凸包面積之差異，當該差異大於一預設值時即判斷為發生倒灌浮渣。

第三種倒灌浮渣之判斷方式如下。首先，利用一CCD攝影機擷取一張待檢測之風口影像，如圖9所示。接著，決定該待檢測之風口影像之亮區之下方輪廓曲線73。接著，決定該待檢測之風口影像之目標區域之下方外圍曲線76。如同上述，該下方外圍曲線76之決定方式可以有以下二種。

第一種該下方外圍曲線76之決定方式如下，首先，建立該待檢測之風口影像之凸包(Convex-hull)。接者，利用該凸包的邊緣迴歸分析，以決定出該目標區域。最後，選取該目標區域之下方外圍曲線76。

第二種該下方外圍曲線76之決定方式如下，本方式係利用該目標區域，而決定該目標區域之方式如同上述。首先，計算該風口影像投射於X軸及Y軸之灰階值，以得到一X方向灰階曲線及一Y方向灰階曲線。接著，設定一閥值。接著，於該X軸定義一第一位置及一第二位置，其中該第一位置係為該X方向灰階曲線左側開始大於該閥值處，該第二位置係為該X方向灰階曲線右側開始小於該閥值處，且於該第一位置及該第二位置分別定義一第一邊及一第二邊，該第一邊及該第二邊係平行Y軸。

同時，於該Y軸定義一第三位置及一第四位置，其中該第三位置係為該Y方向灰階曲線下側開始大於該閥值處，該第四位置係為該Y方向灰階曲線上側開始小於該閥值處，且於該第三位置及該第四位置分別定義一第三邊及一第四邊，該第三邊及該第四邊係平行X軸，該第一邊、該第二邊、該第三邊及該第四邊形成一矩形。

最後，以該矩形之中心為圓心，且以該矩形之長及寬之較大者為直徑，決定出圓形之該目標區域，且選取該目標區域之下方外圍曲線76。

最後，計算該下方輪廓曲線73之平均值，且計算該平均值及該下方外圍曲線76最低點間之距離d，當該距離d大於一預設值時即判斷為發生倒灌浮渣。

本發明之優點為，可自動設定風口影像之目標區域，以及自動辨識風口是否發生異況，並於必要時並發出警示訊息。本發明除可建立風口全面自動監視與預警系統外，也有助於高爐粉煤噴煤(Pulverised Coal Injection，PCI)穩定的提昇。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明。因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

1．．．習知鼓風嘴件組

2．．．本發明之監測高爐風口之設備

10．．．目標區域

11．．．鼓風管

12．．．噴煤鎗

13．．．窺視孔

14．．．側管

15．．．高爐之側壁

16．．．風徑區

21．．．攝影機

22．．．影像處理裝置

61．．．X方向灰階曲線

62．．．Y方向灰階曲線

63．．．第一位置

64．．．第二位置

65．．．第一邊

66．．．第二邊

67．．．第三位置

68．．．第四位置

69．．．第三邊

70．．．第四邊

71．．．矩形之中心

72．．．目標區域

73．．．風口影像之亮區之下方輪廓曲線

74．．．水平基準線

75．．．風口影像之亮區之下方凸包邊

76．．．風口影像之目標區域之下方外圍曲線

151．．．風口

圖1顯示習知用於高爐之鼓風嘴件組之剖視示意圖；

圖2顯示本發明之監測高爐風口之設備之示意圖；

圖3顯示本發明監測高爐風口之方法之實施例之流程圖；

圖4顯示攝影機未歪斜之情況下所擷取之風口影像之示意圖；

圖5顯示本發明中建立風口影像之凸包(Convex-hull)之示意圖；

圖6顯示本發明中風口影像投射於X軸及Y軸之灰階值之示意圖；

圖7顯示本發明中第一種倒灌浮渣之判斷方式之示意圖；

圖8顯示本發明中第二種倒灌浮渣之判斷方式之示意圖；及

圖9顯示本發明中第三種倒灌浮渣之判斷方式之示意圖。

1．．．習知鼓風嘴件組

2．．．本發明之監測高爐風口之設備

11．．．鼓風管

12．．．噴煤鎗

13．．．窺視孔

14．．．側管

15．．．高爐之側壁

16．．．風徑區

21．．．攝影機

22．．．影像處理裝置

151．．．風口

Claims (18)

1. 一種監測高爐風口之方法，包括以下步驟：(a)擷取複數張該高爐在正常操作下之風口影像；(b)決定每一張步驟(a)之風口影像之目標區域(Region of Interest,ROI)；(c)根據該等步驟(a)之影像之目標區域內之影像資料決定一基線(Baseline)；(d)擷取一張待檢測之風口影像；(e)決定該待檢測之風口影像之目標區域；(f)計算該待檢測之風口影像之目標區域內之影像資料；及(g)比對該待檢測之風口影像之目標區域內之影像資料與該基線，以判斷是否發生異況。
2. 如請求項1之方法，其中該步驟(a)及該步驟(d)係利用一攝影機擷取風口影像。
3. 如請求項2之方法，其中該攝影機係為一CCD攝影機。
4. 如請求項1之方法，其中該步驟(b)包括：(b1)建立該風口影像之凸包(Convex-hull)；及(b2)利用該凸包的邊緣迴歸分析，以決定出該目標區域。
5. 如請求項1之方法，其中該步驟(b)包括：(b1)計算該風口影像投射於X軸及Y軸之灰階值，以得到一X方向灰階曲線及一Y方向灰階曲線；(b2)設定一閥值；(b3)於該X軸定義一第一位置及一第二位置，其中該第一位置係為該X方向灰階曲線左側開始大於該閥值處，該第二位置係為該X方向灰階曲線右側開始小於該閥值處，且於該第一位置及該第二位置分別定義一第一邊及一第二邊，該第一邊及該第二邊係平行Y軸；(b4)於該Y軸定義一第三位置及一第四位置，其中該第三位置係為該Y方向灰階曲線下側開始大於該閥值處，該第四位置係為該Y方向灰階曲線上側開始小於該閥值處，且於該第三位置及該第四位置分別定義一第三邊及一第四邊，該第三邊及該第四邊係平行X軸，該第一邊、該第二邊、該第三邊及該第四邊形成一矩形；及(b5)以該矩形之中心為圓心，且以該矩形之長及寬之較大者為直徑，決定出圓形之該目標區域。
6. 如請求項1之方法，其中該步驟(c)中之影像資料係為灰階值。
7. 如請求項1之方法，其中該步驟(c)包括：(c1)計算每一該等步驟(a)之影像之目標區域內之灰階值之平均值；(c2)計算該等平均值之卡特司(Kurtosis)值；及(c3)判斷該卡特司(Kurtosis)值是否在3.0±0.5之範圍內，若是，則定義所有該等平均值之平均值為該基線；若否，則返回該步驟(a)。
8. 一種監測高爐風口之方法，包括以下步驟：(a)擷取一張待檢測之風口影像；(b)決定該待檢測之風口影像之亮區之下方輪廓曲線，其中該輪廓曲線係由複數個點組成，且每一點具有一X座標值及一Y座標值；(c)計算該等點之Y座標值之卡特司(Kurtosis)值；及(d)判斷該卡特司(Kurtosis)值是否超過一閥值，若否，則判斷為不發生倒灌浮渣；若是，則判斷為發生倒灌浮渣。
9. 如請求項8之方法，其中該步驟(a)係利用一攝影機擷取風口影像。
10. 如請求項9之方法，其中該攝影機係為一CCD攝影機。
11. 一種監測高爐風口之方法，包括以下步驟：(a)擷取一張待檢測之風口影像；(b)設定一水平基準線；(c)決定該待檢測之風口影像之亮區之下方輪廓曲線；(d)求出該下方輪廓曲線與該水平基準線所圍出之亮區面積；(e)利用凸包的邊緣迴歸分析，以決定出該待檢測之風口影像之亮區之下方凸包邊；(f)求出該下方凸包邊與該水平基準線所圍出之凸包面積；(g)計算該亮區面積及該凸包面積之差異，當該差異大於一預設值時即判斷為發生倒灌浮渣。
12. 如請求項11之方法，其中該步驟(a)係利用一攝影機擷取風口影像。
13. 如請求項12之方法，其中該攝影機係為一CCD攝影機。
14. 一種監測高爐風口之方法，包括以下步驟：(a)擷取一張待檢測之風口影像；(b)決定該待檢測之風口影像之亮區之下方輪廓曲線；(c)決定該待檢測之風口影像之目標區域之下方外圍曲線；及(d)計算該下方輪廓曲線及該下方外圍曲線最低點間之距離，當該距離大於一預設值時即判斷為發生倒灌浮渣。
15. 如請求項14之方法，其中該步驟(a)係利用一攝影機擷取風口影像。
16. 如請求項15之方法，其中該攝影機係為一CCD攝影機。
17. 如請求項14之方法，其中該步驟(c)包括：(c1)建立該待檢測之風口影像之凸包(Convex-hull)；及(c2)利用該凸包的邊緣迴歸分析，以決定出該目標區域；及(c3)選取該目標區域之下方外圍曲線。
18. 如請求項14之方法，其中該步驟(c)包括：(c1)計算該風口影像投射於X軸及Y軸之灰階值，以得到一X方向灰階曲線及一Y方向灰階曲線；(c2)設定一閥值；(c3)於該X軸定義一第一位置及一第二位置，其中該第一位置係為該X方向灰階曲線左側開始大於該閥值處，該第二位置係為該X方向灰階曲線右側開始小於該閥值處，且於該第一位置及該第二位置分別定義一第一邊及一第二邊，該第一邊及該第二邊係平行Y軸；(c4)於該Y軸定義一第三位置及一第四位置，其中該第三位置係為該Y方向灰階曲線下側開始大於該閥值處，該第四位置係為該Y方向灰階曲線上側開始小於該閥值處，且於該第三位置及該第四位置分別定義一第三邊及一第四邊，該第三邊及該第四邊係平行X軸，該第一邊、該第二邊、該第三邊及該第四邊形成一矩形；及(c5)以該矩形之中心為圓心，且以該矩形之長及寬之較大者為直徑，決定出圓形之該目標區域，且選取該目標區域之該下方外圍曲線。