專利名稱：一種工業(yè)爐窯火焰不穩(wěn)定性實(shí)時(shí)檢測控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)爐窯實(shí)時(shí)監(jiān)測和過程與安全控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種工業(yè) 爐窯燃燒火焰不穩(wěn)定性實(shí)時(shí)檢測控制方法。
背景技術(shù)：
燃燒火焰是表征燃燒狀態(tài)是否穩(wěn)定的最直接的反映。燃燒的不穩(wěn)定，不僅會降低 熱效率，產(chǎn)生噪聲和污染，在極端的情況下會引起爐膛滅火，處理不當(dāng)會誘發(fā)爐膛爆炸，造 成工業(yè)事故。所以爐膛火焰燃燒狀況是否穩(wěn)定直接關(guān)系著鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性，燃燒的穩(wěn) 定性判別是爐膛燃燒效果的重要特征量，這就要求爐膛必須具有安全可靠的爐膛安全監(jiān)測 系統(tǒng)，從而保證爐膛內(nèi)組織穩(wěn)定、均勻的火焰，保證強(qiáng)烈、充分的燃燒，盡量減少因燃燒不穩(wěn) 定而投油燃燒的次數(shù)，防止因爐膛滅火而引發(fā)爐膛燃爆等事故。燃燒火焰檢測和燃燒診斷 是很有工程實(shí)用價(jià)值的研究課題。真正的鍋爐火焰檢測控制系統(tǒng)從出現(xiàn)到現(xiàn)在不過四五十年時(shí)間，上世紀(jì)60年代 以前，鍋爐火焰檢測控制系統(tǒng)主要采用以熱能溫度，熱流差壓，電離導(dǎo)電原理等構(gòu)成的火焰 監(jiān)測器，效果均不滿意。60-70年代，國外開始出現(xiàn)火焰紫外線監(jiān)測的火焰監(jiān)測控制系統(tǒng)，其 中的燃燒器使用天然氣和輕油時(shí)，由于相鄰或相對的燃燒器的較高強(qiáng)度的紫外線強(qiáng)度區(qū)域 無重疊，且不受黑體輻射的干擾，故對火焰源的分辨率高。當(dāng)燃燒器使用重油和煤時(shí)，由于 紫外線在爐內(nèi)被油霧，磁粒，燃燒副產(chǎn)物和煤粉等未完全燃燒的燃燒物所吸收，所以對燃用 煤粉，重油或者廢料的爐膛火焰監(jiān)視采用紫外線探測儀，只能檢測到非常低水平的紫外輻 射強(qiáng)度，對檢測帶來不穩(wěn)定性，因此對檢測及控制效果并不理想。從70年代后期，國外開始 研制基于檢測火焰發(fā)射紅外線和可見光原理的火焰檢測控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的伸入式溫度測量 方法，例如用熱電偶測量，只局限于個(gè)別點(diǎn)的測量，無法滿足其較高的時(shí)空分辨率。這種單 點(diǎn)測量方式存在火檢探頭視角小、鏡頭易被煙灰玷污、火檢裝置參數(shù)整定困難等諸多問題， 還存在相鄰火焰的串?dāng)_現(xiàn)象，無法使運(yùn)行人員真正了解爐內(nèi)燃燒的真實(shí)情況并在此基礎(chǔ)上 合理組織燃燒。而基于燃燒火焰輻射光強(qiáng)的火焰檢測控制系統(tǒng)只適用于單個(gè)燃燒器的火焰 檢測及控制，它是利用燃燒火焰輻射光(紅外線，紫外線，可見光)的強(qiáng)度和火焰脈動(dòng)頻率 來檢測并控制火焰。工程應(yīng)用表明，僅根據(jù)輻射光強(qiáng)度檢測和控制火焰是否存在是不可靠 的?，F(xiàn)今，工程實(shí)際應(yīng)用的火焰檢測及控制系統(tǒng)都采用火焰輻射光強(qiáng)和火焰脈動(dòng)頻率同時(shí) 檢測的綜合檢測控制方法，或采用紅外線和紫外線組合探頭方法，提高了檢測的可靠性，控 制效果比較好。但是，由于煤種的多樣性判別是否滅火的頻率值設(shè)置很難下一個(gè)定性的結(jié) 論，只能根據(jù)實(shí)際的燃燒工況，憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種跨學(xué)科的技術(shù)，工業(yè)鍋爐的圖像處理火焰檢測技術(shù)，是 將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)字圖像處理技術(shù)與燃燒學(xué)等相結(jié)合應(yīng)用的結(jié)果，提供了大量的關(guān)于 爐內(nèi)運(yùn)行工況的原始信息?？焖侔l(fā)展的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，利用火焰圖像來進(jìn)行燃燒診 斷，它既可以通過直觀的圖像知道運(yùn)行人員，又可以通過計(jì)算機(jī)對爐內(nèi)燃燒狀況和火焰信 息使得人們能從CCD攝取的火焰圖像中得出它們的定量描述。但是，對圖像信號的處理從空域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，整個(gè)處理過程速度慢，實(shí)時(shí)性還需進(jìn)一步改進(jìn)?；鹧嫒紵姆€(wěn)定性和不穩(wěn)定很大程度上是由混沌起到主導(dǎo)作用，因此，近20年來非線性科學(xué)蓬勃發(fā)展，逐漸將非線性動(dòng)力學(xué)即混沌理論開始應(yīng)用于燃燒不穩(wěn)定性控制系統(tǒng) 中。所以用混沌理論的相空間重構(gòu)法對提取火焰的時(shí)間序列進(jìn)行分析，吸引了國內(nèi)外眾多 研究者的目光。國內(nèi)外已經(jīng)有通過對非線性時(shí)間序列的相空間重構(gòu)判斷最大Lyapimuov指 數(shù)(MLE)的方法對火焰的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，MLE大于0可以判別時(shí)間序列為混沌系統(tǒng)，反之 為非混沌系統(tǒng)。相空間重構(gòu)技術(shù)的核心是嵌入維數(shù)和時(shí)間延遲的確定，目前并無一種通用 的適合各種混沌時(shí)間序列的算法，確定嵌入維數(shù)和時(shí)間延遲的各種方法都在不同程度上帶 有一定的主觀性，其原因在于我們沒有任何有關(guān)混沌時(shí)間序列的相空間的先驗(yàn)信息，因此 缺乏一個(gè)明確的目標(biāo)來度量相空間重建的效果，并且大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，這種方法的實(shí) 時(shí)性，時(shí)效性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服了上述火焰不穩(wěn)定實(shí)時(shí)檢測及控制系統(tǒng)的不足，提供一種具 有較高的應(yīng)用價(jià)值的、簡單易行的工業(yè)爐火焰不穩(wěn)定性實(shí)時(shí)檢測控制方法。本發(fā)明是將最新的O-Itest檢測火焰混沌的方法應(yīng)用于工業(yè)爐火焰不穩(wěn)定性實(shí) 時(shí)檢測控制系統(tǒng)。A. Fichera等國外學(xué)者已經(jīng)證明了火焰不穩(wěn)定性發(fā)生是由混沌控制的，而 運(yùn)用圖像采集系統(tǒng)采集得到工業(yè)爐內(nèi)火焰實(shí)時(shí)的彩色圖像，不同的顏色代表了溫度的不同 分布，將彩色圖樣轉(zhuǎn)換成灰度矩陣，然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣，則得到了采集火焰圖像平面內(nèi) 不同區(qū)域位置溫度的不同分布狀態(tài)，即矩陣的每一個(gè)數(shù)值代表了燃燒室某個(gè)確定位置的 相對溫度大小，經(jīng)過對這些代表溫度分布的不同數(shù)字矩陣?yán)肙-Itest計(jì)算，發(fā)現(xiàn)溫度的 分布存在混沌和非混沌狀態(tài)，而正是這種非混沌狀態(tài)的存在使得燃燒不穩(wěn)定的發(fā)生。其中 O-Itest檢測混沌的方法是目前國內(nèi)外最新的檢測方法。本發(fā)明是采用非線性動(dòng)力系統(tǒng)之混沌決定性理論來判斷混沌現(xiàn)象。本發(fā)明嵌入了 該最新方法用于工業(yè)爐火焰不穩(wěn)定性實(shí)時(shí)檢測控制系統(tǒng)。具體的技術(shù)方案如下(1)利用火焰監(jiān)視用窺視孔及攝像探頭采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到 監(jiān)控計(jì)算機(jī)，將彩色圖像先轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再將灰度圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣，運(yùn)用計(jì)算機(jī)內(nèi) 編寫的O-Itest程序來計(jì)算該數(shù)字矩陣的特征數(shù)值，判斷火焰是否出現(xiàn)混沌現(xiàn)象；(2)在運(yùn)用ο-ltest判斷混沌的過程中，若數(shù)字矩陣用ο-ltest計(jì)算的特征數(shù)值為 1，則說明燃燒過程為混沌狀態(tài)即燃燒效果良好，保持該狀態(tài)，不發(fā)出任何調(diào)節(jié)命令；若數(shù)字 矩陣用Ο-ltest計(jì)算的特征數(shù)值為0，則說明燃燒為非混沌狀態(tài)即燃燒效果不好，此時(shí)發(fā)出 命令來讓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)油量及油壓使火焰達(dá)到混沌狀態(tài)，并利用程序來調(diào)節(jié)油量及油壓電動(dòng) 閥門大小，并不斷的重復(fù)判斷和控制整個(gè)燃燒過程。本發(fā)明的有益效果是1、解決了聲學(xué)法，電離法，溫度法，紅外線檢測，紫外線檢測，可見光檢測等傳統(tǒng)檢 測控制系統(tǒng)，以及現(xiàn)在結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)基于人工智能等理論的先進(jìn)檢測控制系統(tǒng)的 不足之處；2、本發(fā)明燃燒火焰不穩(wěn)定性實(shí)時(shí)檢測方法簡單易可行，能夠及時(shí)、靈敏、可靠地檢 測爐內(nèi)燃燒工況，并迅速做出調(diào)節(jié)，更加節(jié)能；
3、本發(fā)明的檢測方法使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性較高。本發(fā)明的檢測方法適用于所有涉及工業(yè)爐等燃燒設(shè)備火焰不穩(wěn)定性檢測及控制。其操作控制簡單，能動(dòng)態(tài)檢測火焰的燃燒狀況，提高了整個(gè)燃燒系統(tǒng)的自適應(yīng)性。


圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)總體框圖；圖2為本發(fā)明的控制程序流程圖；圖3為本發(fā)明采集的彩色火焰圖像經(jīng)圖像處理程序轉(zhuǎn)化而成的灰度圖像；圖4為本發(fā)明由灰度圖像轉(zhuǎn)化的數(shù)字矩陣圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于 此。實(shí)施例1 某冶煉廠銅精煉反射爐，按照附圖1的方式來布置檢測控制系統(tǒng)，對燃燒過程進(jìn) 行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)包括攝像頭，用于拍攝火焰尖端圖像；計(jì)算機(jī)用于將所拍攝到的火焰 圖片數(shù)字信息進(jìn)行處理來判斷是否對可編程邏輯控制器(即PLC，Programmable Logic Controller)發(fā)出命令來控制調(diào)節(jié)器調(diào)整供給油壓及油量；以及油壓控制和油量供給裝 置，用于將油量供給到所述燃料裝置中，油壓控制及油量供給裝置通過所述計(jì)算機(jī)的輸出 觸發(fā)。通過攝像頭和圖像采集卡，采集tl時(shí)刻的燃燒火焰實(shí)時(shí)圖樣(利用彩色C⑶攝 像機(jī)和圖像采集卡獲得)，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為灰度圖像(如圖3所 示)，再將灰度圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣(如圖4所示)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)內(nèi)編寫的O-Itest程序 來計(jì)算該數(shù)字矩陣(Ο-ltest程序是運(yùn)用VC，即Microsoft Visual C++軟件進(jìn)行編程開發(fā) 的)，其特征數(shù)值為1，說明燃燒處于混沌狀態(tài)，燃燒狀況良好，計(jì)算機(jī)接到指令后，保持此 燃燒狀態(tài)，繼續(xù)采集圖樣，發(fā)現(xiàn)在t2時(shí)刻的圖樣經(jīng)過電腦圖像處理，先轉(zhuǎn)換為灰度矩陣，然 后將灰度矩陣轉(zhuǎn)換成數(shù)字矩陣，利用Ο-ltest計(jì)算該數(shù)字矩陣的特征數(shù)值為0，計(jì)算機(jī)發(fā)出 命令，油壓及油量供給系統(tǒng)獲得命令后，通過控制器程序調(diào)大油壓及油量電動(dòng)閥門，進(jìn)而改 善爐內(nèi)燃燒狀況，整個(gè)過程一直重復(fù)下去。
權(quán)利要求
一種工業(yè)爐火焰不穩(wěn)定性實(shí)時(shí)檢測方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行(1)利用火焰監(jiān)視用窺視孔及攝像探頭采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，將彩色圖像先轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再將灰度圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣，運(yùn)用計(jì)算機(jī)內(nèi)編寫的0-1test程序來計(jì)算該數(shù)字矩陣的特征數(shù)值，判斷火焰是否出現(xiàn)混沌現(xiàn)象；(2)根據(jù)(1)步驟的判斷結(jié)果，若數(shù)字矩陣特征數(shù)值為0，則說明燃燒為非混沌狀態(tài)即燃燒效果不好，可編程邏輯控制器發(fā)出命令讓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)油量及油壓使火焰達(dá)到混沌狀態(tài)，并利用程序來調(diào)節(jié)油量及油壓電動(dòng)閥門大小，并不斷的重復(fù)判斷和控制整個(gè)燃燒過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)爐火焰不穩(wěn)定性實(shí)時(shí)檢測控制系統(tǒng)，其特征在于用來 計(jì)算數(shù)字矩陣的特征數(shù)值的Ο-ltest程序是運(yùn)用VC軟件進(jìn)行編程的。
全文摘要
本發(fā)明一種工業(yè)爐火焰不穩(wěn)定性實(shí)時(shí)檢測方法。采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，將彩色圖像先轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再將灰度圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字矩陣，運(yùn)用計(jì)算機(jī)內(nèi)編寫的0-1test程序來計(jì)算該數(shù)字矩陣的特征數(shù)值，判斷火焰是否出現(xiàn)混沌現(xiàn)象；根據(jù)步驟的判斷結(jié)果可編程邏輯控制器發(fā)出命令來讓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)油量及油壓使火焰達(dá)到混沌狀態(tài)，并利用程序來調(diào)節(jié)油量及油壓電動(dòng)閥門大小，并不斷的重復(fù)判斷和控制整個(gè)燃燒過程。該控制方法簡單易行，可以靈敏、快速、可靠、實(shí)時(shí)地檢測燃燒室內(nèi)燃燒狀況，為電站鍋爐、工業(yè)爐窯等燃燒設(shè)備燃燒不穩(wěn)定性的診斷及主動(dòng)控制提供了一種可靠實(shí)用的控制方法。
文檔編號F27D19/00GK101806548SQ20101012598
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者孫輝, 張坤, 徐建新, 朱道飛, 王 華 申請人:昆明理工大學(xué)