專利名稱：一種工業爐窯火焰不穩定性實時檢測控制方法
技術領域：
本發明涉及工業爐窯實時監測和過程與安全控制技術領域，具體地說是一種工業 爐窯燃燒火焰不穩定性實時檢測控制方法。
背景技術：
燃燒火焰是表征燃燒狀態是否穩定的最直接的反映。燃燒的不穩定，不僅會降低 熱效率，產生噪聲和污染，在極端的情況下會引起爐膛滅火，處理不當會誘發爐膛爆炸，造 成工業事故。所以爐膛火焰燃燒狀況是否穩定直接關系著鍋爐安全性和經濟性，燃燒的穩 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測 系統，從而保證爐膛內組織穩定、均勻的火焰，保證強烈、充分的燃燒，盡量減少因燃燒不穩 定而投油燃燒的次數，防止因爐膛滅火而引發爐膛燃爆等事故。燃燒火焰檢測和燃燒診斷 是很有工程實用價值的研究課題。真正的鍋爐火焰檢測控制系統從出現到現在不過四五十年時間，上世紀60年代 以前，鍋爐火焰檢測控制系統主要采用以熱能溫度，熱流差壓，電離導電原理等構成的火焰 監測器，效果均不滿意。60-70年代，國外開始出現火焰紫外線監測的火焰監測控制系統，其 中的燃燒器使用天然氣和輕油時，由于相鄰或相對的燃燒器的較高強度的紫外線強度區域 無重疊，且不受黑體輻射的干擾，故對火焰源的分辨率高。當燃燒器使用重油和煤時，由于 紫外線在爐內被油霧，磁粒，燃燒副產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 射強度，對檢測帶來不穩定性，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射紅外線和可見光原理的火焰檢測控制系統。傳統的伸入式溫度測量 方法，例如用熱電偶測量，只局限于個別點的測量，無法滿足其較高的時空分辨率。這種單 點測量方式存在火檢探頭視角小、鏡頭易被煙灰玷污、火檢裝置參數整定困難等諸多問題， 還存在相鄰火焰的串擾現象，無法使運行人員真正了解爐內燃燒的真實情況并在此基礎上 合理組織燃燒。而基于燃燒火焰輻射光強的火焰檢測控制系統只適用于單個燃燒器的火焰 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)的強度和火焰脈動頻率 來檢測并控制火焰。工程應用表明，僅根據輻射光強度檢測和控制火焰是否存在是不可靠 的。現今，工程實際應用的火焰檢測及控制系統都采用火焰輻射光強和火焰脈動頻率同時 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置很難下一個定性的結 論，只能根據實際的燃燒工況，憑經驗來設定。20世紀80年代出現的一種跨學科的技術，工業鍋爐的圖像處理火焰檢測技術，是 將現代計算機技術，數字圖像處理技術與燃燒學等相結合應用的結果，提供了大量的關于 爐內運行工況的原始信息。快速發展的計算機圖像處理技術，利用火焰圖像來進行燃燒診 斷，它既可以通過直觀的圖像知道運行人員，又可以通過計算機對爐內燃燒狀況和火焰信 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換到時域，整個處理過程速度慢，實時性還需進一步改進。火焰燃燒的穩定性和不穩定很大程度上是由混沌起到主導作用，因此，近20年來非線性科學蓬勃發展，逐漸將非線性動力學即混沌理論開始應用于燃燒不穩定性控制系統 中。所以用混沌理論的相空間重構法對提取火焰的時間序列進行分析，吸引了國內外眾多 研究者的目光。國內外已經有通過對非線性時間序列的相空間重構判斷最大Lyapimuov指 數(MLE)的方法對火焰的穩定性進行檢測，MLE大于0可以判別時間序列為混沌系統，反之 為非混沌系統。相空間重構技術的核心是嵌入維數和時間延遲的確定，目前并無一種通用 的適合各種混沌時間序列的算法，確定嵌入維數和時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混沌時間序列的相空間的先驗信息，因此 缺乏一個明確的目標來度量相空間重建的效果，并且大量的實驗數據證明，這種方法的實 時性，時效性較差。
發明內容
本發明的目的是克服了上述火焰不穩定實時檢測及控制系統的不足，提供一種具 有較高的應用價值的、簡單易行的工業爐火焰不穩定性實時檢測控制方法。本發明是將最新的O-Itest檢測火焰混沌的方法應用于工業爐火焰不穩定性實 時檢測控制系統。A. Fichera等國外學者已經證明了火焰不穩定性發生是由混沌控制的，而 運用圖像采集系統采集得到工業爐內火焰實時的彩色圖像，不同的顏色代表了溫度的不同 分布，將彩色圖樣轉換成灰度矩陣，然后再轉換為數字矩陣，則得到了采集火焰圖像平面內 不同區域位置溫度的不同分布狀態，即矩陣的每一個數值代表了燃燒室某個確定位置的 相對溫度大小，經過對這些代表溫度分布的不同數字矩陣利用O-Itest計算，發現溫度的 分布存在混沌和非混沌狀態，而正是這種非混沌狀態的存在使得燃燒不穩定的發生。其中 O-Itest檢測混沌的方法是目前國內外最新的檢測方法。本發明是采用非線性動力系統之混沌決定性理論來判斷混沌現象。本發明嵌入了 該最新方法用于工業爐火焰不穩定性實時檢測控制系統。具體的技術方案如下(1)利用火焰監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 監控計算機，將彩色圖像先轉換為灰度圖像，再將灰度圖像轉換為數字矩陣，運用計算機內 編寫的O-Itest程序來計算該數字矩陣的特征數值，判斷火焰是否出現混沌現象；(2)在運用ο-ltest判斷混沌的過程中，若數字矩陣用ο-ltest計算的特征數值為 1，則說明燃燒過程為混沌狀態即燃燒效果良好，保持該狀態，不發出任何調節命令；若數字 矩陣用Ο-ltest計算的特征數值為0，則說明燃燒為非混沌狀態即燃燒效果不好，此時發出 命令來讓調節器調節油量及油壓使火焰達到混沌狀態，并利用程序來調節油量及油壓電動 閥門大小，并不斷的重復判斷和控制整個燃燒過程。本發明的有益效果是1、解決了聲學法，電離法，溫度法，紅外線檢測，紫外線檢測，可見光檢測等傳統檢 測控制系統，以及現在結合數字圖像處理技術基于人工智能等理論的先進檢測控制系統的 不足之處；2、本發明燃燒火焰不穩定性實時檢測方法簡單易可行，能夠及時、靈敏、可靠地檢 測爐內燃燒工況，并迅速做出調節，更加節能；
3、本發明的檢測方法使得系統響應速度快、實時性較高。本發明的檢測方法適用于所有涉及工業爐等燃燒設備火焰不穩定性檢測及控制。其操作控制簡單，能動態檢測火焰的燃燒狀況，提高了整個燃燒系統的自適應性。
圖1為本發明的控制系統總體框圖；圖2為本發明的控制程序流程圖；圖3為本發明采集的彩色火焰圖像經圖像處理程序轉化而成的灰度圖像；圖4為本發明由灰度圖像轉化的數字矩陣圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例進一步說明本發明的實質內容，但本發明的內容并不限于 此。實施例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，對燃燒過程進 行實時監控。系統包括攝像頭，用于拍攝火焰尖端圖像；計算機用于將所拍攝到的火焰 圖片數字信息進行處理來判斷是否對可編程邏輯控制器(即PLC，Programmable Logic Controller)發出命令來控制調節器調整供給油壓及油量；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算機的輸出 觸發。通過攝像頭和圖像采集卡，采集tl時刻的燃燒火焰實時圖樣(利用彩色C⑶攝 像機和圖像采集卡獲得)，然后運用計算機圖像處理程序將其轉換為灰度圖像(如圖3所 示)，再將灰度圖像轉換為數字矩陣(如圖4所示)。運用計算機內編寫的O-Itest程序 來計算該數字矩陣(Ο-ltest程序是運用VC，即Microsoft Visual C++軟件進行編程開發 的)，其特征數值為1，說明燃燒處于混沌狀態，燃燒狀況良好，計算機接到指令后，保持此 燃燒狀態，繼續采集圖樣，發現在t2時刻的圖樣經過電腦圖像處理，先轉換為灰度矩陣，然 后將灰度矩陣轉換成數字矩陣，利用Ο-ltest計算該數字矩陣的特征數值為0，計算機發出 命令，油壓及油量供給系統獲得命令后，通過控制器程序調大油壓及油量電動閥門，進而改 善爐內燃燒狀況，整個過程一直重復下去。
權利要求
一種工業爐火焰不穩定性實時檢測方法，其特征在于按以下步驟進行(1)利用火焰監視用窺視孔及攝像探頭采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到監控計算機，將彩色圖像先轉換為灰度圖像，再將灰度圖像轉換為數字矩陣，運用計算機內編寫的0-1test程序來計算該數字矩陣的特征數值，判斷火焰是否出現混沌現象；(2)根據(1)步驟的判斷結果，若數字矩陣特征數值為0，則說明燃燒為非混沌狀態即燃燒效果不好，可編程邏輯控制器發出命令讓調節器調節油量及油壓使火焰達到混沌狀態，并利用程序來調節油量及油壓電動閥門大小，并不斷的重復判斷和控制整個燃燒過程。
2.根據權利要求1所述的工業爐火焰不穩定性實時檢測控制系統，其特征在于用來 計算數字矩陣的特征數值的Ο-ltest程序是運用VC軟件進行編程的。
全文摘要
本發明一種工業爐火焰不穩定性實時檢測方法。采集火焰尖端彩色圖片，并將圖片輸入到監控計算機，將彩色圖像先轉換為灰度圖像，再將灰度圖像轉換為數字矩陣，運用計算機內編寫的0-1test程序來計算該數字矩陣的特征數值，判斷火焰是否出現混沌現象；根據步驟的判斷結果可編程邏輯控制器發出命令來讓調節器調節油量及油壓使火焰達到混沌狀態，并利用程序來調節油量及油壓電動閥門大小，并不斷的重復判斷和控制整個燃燒過程。該控制方法簡單易行，可以靈敏、快速、可靠、實時地檢測燃燒室內燃燒狀況，為電站鍋爐、工業爐窯等燃燒設備燃燒不穩定性的診斷及主動控制提供了一種可靠實用的控制方法。
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 優先權日2010年3月17日
發明者孫輝, 張坤, 徐建新, 朱道飛, 王 華 申請人:昆明理工大學