专利名称：一种工业炉窑火焰不稳定性实时检测控制方法
技术领域：
本发明涉及工业炉窑实时监测和过程与安全控制技术领域，具体地说是一种工业 炉窑燃烧火焰不稳定性实时检测控制方法。
背景技术：
燃烧火焰是表征燃烧状态是否稳定的最直接的反映。燃烧的不稳定，不仅会降低 热效率，产生噪声和污染，在极端的情况下会引起炉膛灭火，处理不当会诱发炉膛爆炸，造 成工业事故。所以炉膛火焰燃烧状况是否稳定直接关系着锅炉安全性和经济性，燃烧的稳 定性判别是炉膛燃烧效果的重要特征量，这就要求炉膛必须具有安全可靠的炉膛安全监测 系统，从而保证炉膛内组织稳定、均勻的火焰，保证强烈、充分的燃烧，尽量减少因燃烧不稳 定而投油燃烧的次数，防止因炉膛灭火而引发炉膛燃爆等事故。燃烧火焰检测和燃烧诊断 是很有工程实用价值的研究课题。真正的锅炉火焰检测控制系统从出现到现在不过四五十年时间，上世纪60年代 以前，锅炉火焰检测控制系统主要采用以热能温度，热流差压，电离导电原理等构成的火焰 监测器，效果均不满意。60-70年代，国外开始出现火焰紫外线监测的火焰监测控制系统，其 中的燃烧器使用天然气和轻油时，由于相邻或相对的燃烧器的较高强度的紫外线强度区域 无重叠，且不受黑体辐射的干扰，故对火焰源的分辨率高。当燃烧器使用重油和煤时，由于 紫外线在炉内被油雾，磁粒，燃烧副产物和煤粉等未完全燃烧的燃烧物所吸收，所以对燃用 煤粉，重油或者废料的炉膛火焰监视采用紫外线探测仪，只能检测到非常低水平的紫外辐 射强度，对检测带来不稳定性，因此对检测及控制效果并不理想。从70年代后期，国外开始 研制基于检测火焰发射红外线和可见光原理的火焰检测控制系统。传统的伸入式温度测量 方法，例如用热电偶测量，只局限于个别点的测量，无法满足其较高的时空分辨率。这种单 点测量方式存在火检探头视角小、镜头易被烟灰玷污、火检装置参数整定困难等诸多问题， 还存在相邻火焰的串扰现象，无法使运行人员真正了解炉内燃烧的真实情况并在此基础上 合理组织燃烧。而基于燃烧火焰辐射光强的火焰检测控制系统只适用于单个燃烧器的火焰 检测及控制，它是利用燃烧火焰辐射光(红外线，紫外线，可见光)的强度和火焰脉动频率 来检测并控制火焰。工程应用表明，仅根据辐射光强度检测和控制火焰是否存在是不可靠 的。现今，工程实际应用的火焰检测及控制系统都采用火焰辐射光强和火焰脉动频率同时 检测的综合检测控制方法，或采用红外线和紫外线组合探头方法，提高了检测的可靠性，控 制效果比较好。但是，由于煤种的多样性判别是否灭火的频率值设置很难下一个定性的结 论，只能根据实际的燃烧工况，凭经验来设定。20世纪80年代出现的一种跨学科的技术，工业锅炉的图像处理火焰检测技术，是 将现代计算机技术，数字图像处理技术与燃烧学等相结合应用的结果，提供了大量的关于 炉内运行工况的原始信息。快速发展的计算机图像处理技术，利用火焰图像来进行燃烧诊 断，它既可以通过直观的图像知道运行人员，又可以通过计算机对炉内燃烧状况和火焰信 息使得人们能从CCD摄取的火焰图像中得出它们的定量描述。但是，对图像信号的处理从空域转换到时域，整个处理过程速度慢，实时性还需进一步改进。火焰燃烧的稳定性和不稳定很大程度上是由混沌起到主导作用，因此，近20年来非线性科学蓬勃发展，逐渐将非线性动力学即混沌理论开始应用于燃烧不稳定性控制系统 中。所以用混沌理论的相空间重构法对提取火焰的时间序列进行分析，吸引了国内外众多 研究者的目光。国内外已经有通过对非线性时间序列的相空间重构判断最大Lyapimuov指 数(MLE)的方法对火焰的稳定性进行检测，MLE大于0可以判别时间序列为混沌系统，反之 为非混沌系统。相空间重构技术的核心是嵌入维数和时间延迟的确定，目前并无一种通用 的适合各种混沌时间序列的算法，确定嵌入维数和时间延迟的各种方法都在不同程度上带 有一定的主观性，其原因在于我们没有任何有关混沌时间序列的相空间的先验信息，因此 缺乏一个明确的目标来度量相空间重建的效果，并且大量的实验数据证明，这种方法的实 时性，时效性较差。
发明内容
本发明的目的是克服了上述火焰不稳定实时检测及控制系统的不足，提供一种具 有较高的应用价值的、简单易行的工业炉火焰不稳定性实时检测控制方法。本发明是将最新的O-Itest检测火焰混沌的方法应用于工业炉火焰不稳定性实 时检测控制系统。A. Fichera等国外学者已经证明了火焰不稳定性发生是由混沌控制的，而 运用图像采集系统采集得到工业炉内火焰实时的彩色图像，不同的颜色代表了温度的不同 分布，将彩色图样转换成灰度矩阵，然后再转换为数字矩阵，则得到了采集火焰图像平面内 不同区域位置温度的不同分布状态，即矩阵的每一个数值代表了燃烧室某个确定位置的 相对温度大小，经过对这些代表温度分布的不同数字矩阵利用O-Itest计算，发现温度的 分布存在混沌和非混沌状态，而正是这种非混沌状态的存在使得燃烧不稳定的发生。其中 O-Itest检测混沌的方法是目前国内外最新的检测方法。本发明是采用非线性动力系统之混沌决定性理论来判断混沌现象。本发明嵌入了 该最新方法用于工业炉火焰不稳定性实时检测控制系统。具体的技术方案如下(1)利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到 监控计算机，将彩色图像先转换为灰度图像，再将灰度图像转换为数字矩阵，运用计算机内 编写的O-Itest程序来计算该数字矩阵的特征数值，判断火焰是否出现混沌现象；(2)在运用ο-ltest判断混沌的过程中，若数字矩阵用ο-ltest计算的特征数值为 1，则说明燃烧过程为混沌状态即燃烧效果良好，保持该状态，不发出任何调节命令；若数字 矩阵用Ο-ltest计算的特征数值为0，则说明燃烧为非混沌状态即燃烧效果不好，此时发出 命令来让调节器调节油量及油压使火焰达到混沌状态，并利用程序来调节油量及油压电动 阀门大小，并不断的重复判断和控制整个燃烧过程。本发明的有益效果是1、解决了声学法，电离法，温度法，红外线检测，紫外线检测，可见光检测等传统检 测控制系统，以及现在结合数字图像处理技术基于人工智能等理论的先进检测控制系统的 不足之处；2、本发明燃烧火焰不稳定性实时检测方法简单易可行，能够及时、灵敏、可靠地检 测炉内燃烧工况，并迅速做出调节，更加节能；
3、本发明的检测方法使得系统响应速度快、实时性较高。本发明的检测方法适用于所有涉及工业炉等燃烧设备火焰不稳定性检测及控制。其操作控制简单，能动态检测火焰的燃烧状况，提高了整个燃烧系统的自适应性。
图1为本发明的控制系统总体框图；图2为本发明的控制程序流程图；图3为本发明采集的彩色火焰图像经图像处理程序转化而成的灰度图像；图4为本发明由灰度图像转化的数字矩阵图。
具体实施例方式下面结合附图和实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于 此。实施例1 某冶炼厂铜精炼反射炉，按照附图1的方式来布置检测控制系统，对燃烧过程进 行实时监控。系统包括摄像头，用于拍摄火焰尖端图像；计算机用于将所拍摄到的火焰 图片数字信息进行处理来判断是否对可编程逻辑控制器(即PLC，Programmable Logic Controller)发出命令来控制调节器调整供给油压及油量；以及油压控制和油量供给装 置，用于将油量供给到所述燃料装置中，油压控制及油量供给装置通过所述计算机的输出 触发。通过摄像头和图像采集卡，采集tl时刻的燃烧火焰实时图样(利用彩色C⑶摄 像机和图像采集卡获得)，然后运用计算机图像处理程序将其转换为灰度图像(如图3所 示)，再将灰度图像转换为数字矩阵(如图4所示)。运用计算机内编写的O-Itest程序 来计算该数字矩阵(Ο-ltest程序是运用VC，即Microsoft Visual C++软件进行编程开发 的)，其特征数值为1，说明燃烧处于混沌状态，燃烧状况良好，计算机接到指令后，保持此 燃烧状态，继续采集图样，发现在t2时刻的图样经过电脑图像处理，先转换为灰度矩阵，然 后将灰度矩阵转换成数字矩阵，利用Ο-ltest计算该数字矩阵的特征数值为0，计算机发出 命令，油压及油量供给系统获得命令后，通过控制器程序调大油压及油量电动阀门，进而改 善炉内燃烧状况，整个过程一直重复下去。
权利要求
一种工业炉火焰不稳定性实时检测方法，其特征在于按以下步骤进行(1)利用火焰监视用窥视孔及摄像探头采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到监控计算机，将彩色图像先转换为灰度图像，再将灰度图像转换为数字矩阵，运用计算机内编写的0-1test程序来计算该数字矩阵的特征数值，判断火焰是否出现混沌现象；(2)根据(1)步骤的判断结果，若数字矩阵特征数值为0，则说明燃烧为非混沌状态即燃烧效果不好，可编程逻辑控制器发出命令让调节器调节油量及油压使火焰达到混沌状态，并利用程序来调节油量及油压电动阀门大小，并不断的重复判断和控制整个燃烧过程。
2.根据权利要求1所述的工业炉火焰不稳定性实时检测控制系统，其特征在于用来 计算数字矩阵的特征数值的Ο-ltest程序是运用VC软件进行编程的。
全文摘要
本发明一种工业炉火焰不稳定性实时检测方法。采集火焰尖端彩色图片，并将图片输入到监控计算机，将彩色图像先转换为灰度图像，再将灰度图像转换为数字矩阵，运用计算机内编写的0-1test程序来计算该数字矩阵的特征数值，判断火焰是否出现混沌现象；根据步骤的判断结果可编程逻辑控制器发出命令来让调节器调节油量及油压使火焰达到混沌状态，并利用程序来调节油量及油压电动阀门大小，并不断的重复判断和控制整个燃烧过程。该控制方法简单易行，可以灵敏、快速、可靠、实时地检测燃烧室内燃烧状况，为电站锅炉、工业炉窑等燃烧设备燃烧不稳定性的诊断及主动控制提供了一种可靠实用的控制方法。
文档编号F27D19/00GK101806548SQ20101012598
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者孙辉, 张坤, 徐建新, 朱道飞, 王 华 申请人:昆明理工大学