第 1 章 緒論

1.1 火炬研究背景
火炬系統(tǒng)是煉油廠和石油化工廠中重要的安全設(shè)施和節(jié)能環(huán)保設(shè)施[1]，主要采取燃燒的方法處理生產(chǎn)裝置在日常運(yùn)行、開停工、非正常生產(chǎn)及緊急狀態(tài)下無法進(jìn)行有效回收的可燃?xì)怏w，也用于燃燒生產(chǎn)過程中排放出的有毒氣體，避免造成環(huán)境污染與危害[2]。因此，火炬的正常點(diǎn)火和點(diǎn)火后的正常燃燒成為火炬系統(tǒng)的主要研究方向。分子封作為火炬系統(tǒng)防止回火的主要設(shè)備，一般采用氮?dú)庑头肿臃�。分子封的主要作用是在中斷火炬氣排放或小流量燃燒發(fā)生異常的時(shí)候，防止空氣回流進(jìn)入火炬筒體而發(fā)生回火或者產(chǎn)生爆炸。氮?dú)馐嵌栊詺怏w難以燃燒，并且分子量比空氣小，可將氮?dú)庾鳛槊芊鈿怏w充入分子封內(nèi)。利用氣體的浮力，氮?dú)鈱⒊錆M分子封的上部空間并產(chǎn)生一個(gè)高于大氣壓的區(qū)域，有效地阻止了空氣進(jìn)入分子封內(nèi)部，解除了火炬燃燒器頭部火焰會(huì)產(chǎn)生回火爆炸的安全隱患。因此，在火炬系統(tǒng)下一次點(diǎn)火前和小流量工作時(shí)，分子封內(nèi)部都將連續(xù)充入氮?dú)�。傳統(tǒng)火炬系統(tǒng)的長(zhǎng)明燈位于火炬頭的上方，內(nèi)部含有燃?xì)饪蓪㈤L(zhǎng)明燈進(jìn)行點(diǎn)燃。長(zhǎng)明燈內(nèi)設(shè)有鎧裝熱電偶，可作為檢測(cè)單元將火炬燃燒時(shí)溫度信號(hào)傳輸至控制單元，從而對(duì)火炬點(diǎn)火和燃燒狀況進(jìn)行監(jiān)控[5]。
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1.2 火炬裝置及組成
目前常見火炬裝置有封閉式地面火炬、開放式地面火炬、高架火炬等。封閉式地面火炬具備無煙、噪音較小、熱輻射低、無光污染等突出的環(huán)保特性。開放式地面火炬與封閉式地面火炬相比，由于處理量不會(huì)受到限制，因此能滿足大型石油化工裝置的需求[3]。高架火炬相比前兩者具有造價(jià)便宜、使用范圍廣、操作起來方便等優(yōu)點(diǎn)，這就使其成為當(dāng)今石油化工、煤氣天然氣等行業(yè)使用最廣泛的火炬系統(tǒng)。按照支撐方式的不同，高架火炬支撐方式可分為塔架、拉索和自立三種。高架火炬按照助燃方式的不同，可以分為蒸汽、鼓風(fēng)、合成氣、音速、蓄熱、伴燒等多種形式[4]。如圖 1.1 所示，一個(gè)典型的高架火炬系統(tǒng)由火炬頭、長(zhǎng)明燈、點(diǎn)火器、氣體密封器、火炬筒、水封罐、分液罐等工藝設(shè)備組成。

第 2 章 圖像處理基礎(chǔ)

2.1 彩色圖像的顏色模型
為了對(duì)定義的顏色域中對(duì)顏色進(jìn)行定量說明，通過一定規(guī)則和定義所建立的數(shù)學(xué)模型，稱為顏色模型或者色彩空間模型。顏色模型實(shí)質(zhì)上是某個(gè)三維顏色坐標(biāo)系統(tǒng)中的一個(gè)可見光子集，只能表示某個(gè)顏色域中的顏色，但是不能對(duì)可見光信息進(jìn)行完整的表達(dá)。在此簡(jiǎn)要介紹 RGB 顏色模型和 HIS 色彩空間模型。RGB 色彩空間模型是個(gè)正方體，如圖 2.1 所示，色彩空間中每個(gè)三維向量都與數(shù)字圖像中的像素點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，該三維向量的分量則對(duì)應(yīng)相應(yīng)色彩的亮度值。由上圖可以看出，原點(diǎn)與黑色相對(duì)應(yīng)，與原點(diǎn)距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)和白色相對(duì)應(yīng)，體對(duì)角線上分布著由黑到白的像素點(diǎn)并且該像素點(diǎn) R 分量、G 分量、B 分量比例相同。HSI 顏色模型，是在視覺系統(tǒng)對(duì)色彩的感知基礎(chǔ)上，提出的一種對(duì)色彩進(jìn)行定量描述的顏色系統(tǒng)，也稱為視覺顏色模型系統(tǒng)。HIS 顏色模型是通過 H、S、I三種性質(zhì)參數(shù)共同對(duì)顏色特性進(jìn)行描述。H-Hue（色調(diào)）通過 0°到 360°的角度值來表示，反映出了不同顏色所對(duì)應(yīng)不同的光譜波長(zhǎng)，通常將色調(diào)值按照紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的順序進(jìn)行排列，并設(shè)定 0°表示紅色色調(diào)值， 120°表示綠色色調(diào)值， 240°表示藍(lán)色色調(diào)值等。從 0°到 360°的色調(diào)值范圍內(nèi)，覆蓋了全部可見光譜的顏色。S-Saturation(飽和度)采用 0%-100%的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行表示，反映出了不同顏色的深淺度和飽和度。彩色光中參入的白色越多，則飽和度越低，顏色越淺。彩色光中參入的白色越少，則飽和度越高，顏色越深。在飽和度參數(shù)可以通過色凋值的原點(diǎn)（圓心）到彩色點(diǎn)的半徑的距離表示，在中心點(diǎn)的飽和度為 0%，在環(huán)邊界上的顏色飽和度達(dá)到最高值為 100%。I-Intensity（強(qiáng)度）可以通過感受器的反射系數(shù)來決定，得到的系數(shù)越大，彩色光亮度愈大，反之愈小。
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2.2 圖像預(yù)處理
圖像預(yù)處理是在圖像分析中，對(duì)采集圖像進(jìn)行圖像分析、圖像判斷前所必備的處理工作。其目的主要是通過一定的調(diào)整變換以達(dá)到恢復(fù)或增強(qiáng)圖片中有用信息，消除或減弱與后續(xù)分析工作無關(guān)的信息。圖像預(yù)處理主要方式有圖像增強(qiáng)、圖像濾波處理、圖像細(xì)化等幾個(gè)方面，本文主要通過圖像灰度化處理、直方圖均衡化和平滑濾波等相關(guān)操作，增強(qiáng)圖中有用信息量，突出探測(cè)圖像的對(duì)比性，提高所提取的圖像質(zhì)量，為之后的圖像處理工作打下基礎(chǔ)[21]。在圖像處理時(shí)，需要對(duì) R 分量、G 分量、B 分量分別進(jìn)行處理，實(shí)際上圖像的形態(tài)特征并不能由 RGB 顏色模式完整地反應(yīng)出來，只是基于光學(xué)機(jī)理上對(duì)顏色的一種比例調(diào)配。為了減少圖像中信息的處理量和復(fù)雜程度，需要對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度化處理�；叶然瘜�(shí)質(zhì)就是當(dāng)彩色圖像每個(gè)像素點(diǎn)的 R、G、B 分量值相等時(shí)，這個(gè)值就是該像素點(diǎn)的灰度值，此時(shí)彩色像素點(diǎn)就可以表示為一種灰度顏色�；叶然闹饕椒ㄓ刑崛》至糠ā⑷∽畲笾捣�、平均值法以及加權(quán)平均值法[22]。灰度直方圖是有關(guān)灰度級(jí)的函數(shù)，是圖像基于統(tǒng)計(jì)原理得到的重要特征。通過表示不同灰度級(jí)的像素的個(gè)數(shù)，明確地反映出該灰度級(jí)出現(xiàn)的頻率大小。圖像的整體灰度分布通過灰度直方圖得到較好體現(xiàn)，圖像中較暗的部分集中分布在灰度級(jí)較低的一側(cè)，相反較亮的部分則集中分布在灰度級(jí)較高的部分�；诮y(tǒng)計(jì)原理特性，可以從灰度直方圖中直觀地了解到圖像的明亮程度、多方面的對(duì)比度以及判斷是否有利于目標(biāo)的提取分離。
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第 3 章 基于圖像處理的火炬燃燒狀態(tài)識(shí)別.....19
3.1 火焰圖像去噪.... 19
3.2 火焰區(qū)域的提取 ..... 20
3.3 煙霧區(qū)域的提取 ..... 28
3.4 本章小結(jié)...... 32
第 4 章 反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)........34
4.1 基于圖像處理的火炬自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng) ......... 34
4.2 火炬燃燒時(shí)的自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) ....... 35
4.2.1 蒸汽對(duì)燃燒狀態(tài)的調(diào)節(jié) .... 35
4.2.2 氮?dú)鈱?duì)燃燒安全的控制 .... 35
4.2.3 自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) ...... 35
4.3 火炬燃燒自動(dòng)控制策略 ..... 37
4.4 改進(jìn)后的火炬火焰監(jiān)控系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn) ....... 39
4.5 本章小結(jié)...... 40
第 5 章 結(jié)論與展望....41
5.1 全文總結(jié)...... 41
5.2 全文展望...... 41

第 4 章反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 基于圖像處理的火炬自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)
當(dāng)壓力變送器或流量感應(yīng)計(jì)監(jiān)測(cè)到有燃?xì)獬掷m(xù)向火炬排放時(shí)，基于圖像處理的火炬自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)開始點(diǎn)火控制。系統(tǒng)將對(duì)點(diǎn)火次數(shù)計(jì)數(shù)器 Cf清零，并向高空電點(diǎn)火器輸送高壓電，打開高壓燃?xì)怆姶砰y對(duì)高空點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火操作完成后，遠(yuǎn)程攝像頭對(duì)火炬頭部分的圖像進(jìn)行攝取并傳輸?shù)揭暺翙z測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)圖像中火焰區(qū)域的提取來判斷是否含有火焰及火焰的大小，并反饋給控制系統(tǒng)（DCS）。若得到火炬點(diǎn)火正常，關(guān)閉高壓燃?xì)怆姶砰y并且停止向高空電點(diǎn)火器輸送高壓電，此時(shí)點(diǎn)火過程完成，系統(tǒng)將進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到圖像中不存在火或者火焰較小，則繼續(xù)對(duì)火炬進(jìn)行點(diǎn)火操作。若在進(jìn)行多次(在此設(shè)為1N )點(diǎn)火程序后，仍未檢測(cè)到火焰信息反饋，則系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，，并由操作人員手動(dòng)控制地面內(nèi)傳焰點(diǎn)火器對(duì)火炬進(jìn)行點(diǎn)燃，直到監(jiān)測(cè)到正常燃燒的火焰。自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)如圖 4.1 所示：
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總結(jié)

隨著我國(guó)工業(yè)的迅猛發(fā)展，火炬裝置在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用與長(zhǎng)足的發(fā)展。傳統(tǒng)的火炬點(diǎn)火系統(tǒng)在點(diǎn)火時(shí)的反饋控制存在著自動(dòng)化程度較低的缺點(diǎn)，并且在火炬燃燒時(shí)忽略了對(duì)燃燒狀態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)控。本文針對(duì)傳統(tǒng)火炬系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，依托于火炬自動(dòng)電點(diǎn)火系統(tǒng)，提出了一種基于數(shù)字圖像處理的火炬監(jiān)控改進(jìn)方案。利用攝像頭攝取的圖像，應(yīng)用圖像處理知識(shí)，針對(duì)火炬點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而對(duì)火炬進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證火炬安全、環(huán)保地正常燃燒，并且有降低能耗、節(jié)約成本等重要經(jīng)濟(jì)效益。課題研究過程中主要工作及結(jié)論如下：
1.對(duì)傳統(tǒng)的火焰探測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究分析，根據(jù)其靈敏度較低、信息不夠直觀、受環(huán)境影響較大等缺點(diǎn)，提出了基于數(shù)字圖像處理的火焰探測(cè)技術(shù)。
2.在數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)上，分析了火炬燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰與黑煙的顏色特性與靜態(tài)特征。通過多種不同的方法對(duì)火焰與黑煙進(jìn)行提取，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較分析，得到適用于工業(yè)火炬圖像的提取方法。
3.針對(duì)火炬燃燒時(shí)傳統(tǒng)火炬控制系統(tǒng)的開環(huán)性，在數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完整的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，通過自動(dòng)控制原理對(duì)監(jiān)測(cè)到的燃燒狀態(tài)進(jìn)行控制，節(jié)省大量人力物力同時(shí)，確保了火炬安全、環(huán)保地燃燒。
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參考文獻(xiàn)（略）