第 1 章 绪论
1.1火炬研究背景
目前常见火炬装置有封闭式地面火炬、开放式地面火炬、高架火炬等。封闭式地面火炬具备无烟、噪音较小、热辐射低、无光污染等突出的环保特性。开放式地面火炬与封闭式地面火炬相比，由于处理量不会受到限制，因此能满足大型石油化工装置的需求[3]。高架火炬相比前两者具有造价便宜、使用范围广、操作起来方便等优点，这就使其成为当今石油化工、煤气天然气等行业使用最广泛的火炬系统。按照支撑方式的不同，高架火炬支撑方式可分为塔架、拉索和自立三种。高架火炬按照助燃方式的不同，可以分为蒸汽、鼓风、合成气、音速、蓄热、伴烧等多种形式[4]。如图 1.1 所示，一个典型的高架火炬系统由火炬头、长明灯、点火器、气体密封器、火炬筒、水封罐、分液罐等工艺设备组成。
1.分液罐：在火炬系统中，工业生产排放出的火炬气中可能含有液体，凝液如果不经过处理而进入火炬筒体燃烧后会产生火雨造成安全隐患。分液罐（凝液罐）可以有效地将火炬气中的液滴分离出来并降低凝液量，保证火炬及其周边的安全。分液罐基本要求将直径超过 300um 的液滴经行分离处理，按型式的不同可分为卧式和立式。
2.水封罐：水封罐是防止回火的重要设备，火炬气经过管道进入水封罐的液面以下，当压力累积到一定程度时火炬气将冲破水封进入火炬筒体进行燃烧。如果发生回火，火焰进入水封罐后将被水封隔离，杜绝了火焰继续沿火炬气管道传播。水封罐的水封在保证一定压力以防回火的同时也阻止了其他气体的混入。
3.火炬头：火炬头是火炬点火系统中重要组成部分，承担着火炬气排放的重要任务。火炬头的材料选取和结构设计都取决于火炬气的组分，以确保火炬气可以安全稳定地燃烧并保证较高的燃尽率，使对火炬气的燃烧处理和燃烧产物等都达到环保要求。如今火炬系统大多使用蒸汽消烟火炬头，在火炬气燃烧时，将蒸汽呈流态喷射持续喷向火焰的中心，卷吸周围的空气，并使火焰和蒸汽混合。这样不但有助于火焰充分燃尽和达到消烟的效果，并且能在一定程度上减小火焰长度和托高火焰，提高了火炬头的使用寿命。
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1.2高架火炬的工作原理
高架火炬系统为了保证点火的成功率及可靠性，通常配有两套独立的点火系统保证火炬正常点火，分别为地面内传焰点火系统与高空电点火系统。地面内传焰点火系统即在地面的点火装置操作点火，在混合器的作用下将空气与燃料气按照一定比例混合并具有可燃性，在地面对混合气进行引燃并通过传爆管将火焰传递到火炬头，对火炬进行点火。国内外地面内传焰点火系统中的控制单元，都是将控制电路、开关和按扭等装入位于现场的隔爆箱内，需要点火时，由操作工到火炬现场进行手动点火。系统中控制单元的结构和逻辑功能都较简单，有点火操作简单、故障率较低等优点。由于燃气组成的不定性，混合器中燃气与空气的配比不易掌握，使操作人员无法准确控制配气量，造成地面内传焰点火装置点火的成功率较低，该系统不能远程操作也是其主要缺点[6]。高空电点火系统是目前国内应用较多的自动点火系统，其工作原理如下：当燃气持续排放时，火炬气流入火炬总管，当水封罐内压力变送器或管道内的流量感应计信号达到给定值时，此时系统判定有持续燃气向火炬排放。如图 1.2 所示，通过 PLC 和 PC 机构成的控制系统[7]，对高压发电机和调节器的输出电压进行控制，并由高空点火器产生面状电弧作为点燃火炬气的火源[8]。开启高压燃气电磁阀通过燃料管道持续向高空点火器提供燃气，燃气与空气混合后被电弧点燃，并于高空点火器顶端喷射出高温火焰，将通过火炬筒体到达火炬顶端的火炬气引燃。火炬被点燃后，通过监控系统中的火焰探测器获取火焰信号并反馈给控制系统，当监测到火炬正常燃烧时，关闭高压燃气电磁阀并且停止向高空点火器输送高压电，点火过程完成，系统处于监控状态[9-10]。
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第 2 章 图像处理基础
2.1 彩色图像的颜色模型
为了对定义的颜色域中对颜色进行定量说明，通过一定规则和定义所建立的数学模型，称为颜色模型或者色彩空间模型。颜色模型实质上是某个三维颜色坐标系统中的一个可见光子集，只能表示某个颜色域中的颜色，但是不能对可见光信息进行完整的表达。在此简要介绍 RGB 颜色模型和 HIS 色彩空间模型。RGB 颜色模型，是数字图像处理领域中最典型、最常用的彩色模型，也被称为计算颜色模型系统。RGB 颜色模型是通过 R（700nm）、G（546nm）、B（435.8nm）三种基色为坐标轴所形成的三维立体空间。RGB 色彩空间模型是个正方体，如图 2.1 所示，色彩空间中每个三维向量都与数字图像中的像素点相对应，该三维向量的分量则对应相应色彩的亮度值。由上图可以看出，原点与黑色相对应，与原点距离最远的点和白色相对应，体对角线上分布着由黑到白的像素点并且该像素点 R 分量、G 分量、B 分量比例相同。HSI 颜色模型，是在视觉系统对色彩的感知基础上，提出的一种对色彩进行定量描述的颜色系统，也称为视觉颜色模型系统。HIS 颜色模型是通过 H、S、I三种性质参数共同对颜色特性进行描述。
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2.2 图像预处理
图像预处理是在图像分析中，对采集图像进行图像分析、图像判断前所必备的处理工作。其目的主要是通过一定的调整变换以达到恢复或增强图片中有用信息，消除或减弱与后续分析工作无关的信息。图像预处理主要方式有图像增强、图像滤波处理、图像细化等几个方面，本文主要通过图像灰度化处理、直方图均衡化和平滑滤波等相关操作，增强图中有用信息量，突出探测图像的对比性，提高所提取的图像质量，为之后的图像处理工作打下基础[21]。在图像处理时，需要对 R 分量、G 分量、B 分量分别进行处理，实际上图像的形态特征并不能由 RGB 颜色模式完整地反应出来，只是基于光学机理上对颜色的一种比例调配。为了减少图像中信息的处理量和复杂程度，需要对彩色图像进行灰度化处理。灰度化实质就是当彩色图像每个像素点的 R、G、B 分量值相等时，这个值就是该像素点的灰度值，此时彩色像素点就可以表示为一种灰度颜色。灰度化的主要方法有提取分量法、取最大值法、平均值法以及加权平均值法[22]。
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第 3 章 基于图像处理的火炬燃烧状态识别.........19
3.1 火焰图像去噪........ 19
3.2 火焰区域的提取 .......... 20
3.3 烟雾区域的提取 .......... 28
3.4 本章小结......... 32
第 4 章 反馈系统的设计.......34
4.1 基于图像处理的火炬自动点火系统 ...... 34
4.2 火炬燃烧时的自动反馈调节系统 .......... 35
4.2.1 蒸汽对燃烧状态的调节 ..... 35
4.2.2 氮气对燃烧安全的控制 ..... 35
4.2.3 自动反馈调节系统 ...... 35
4.3 火炬燃烧自动控制策略 ..... 37
4.4 改进后的火炬火焰监控系统的主要优点 ..... 39
4.5 本章小结......... 40
第 5 章 结论与展望........41
5.1 全文总结......... 41
5.2 全文展望......... 41
第 4 章 反馈系统的设计
4.1 基于图像处理的火炬自动点火系统
当压力变送器或流量感应计监测到有燃气持续向火炬排放时，基于图像处理的火炬自动点火系统开始点火控制。系统将对点火次数计数器 Cf清零，并向高空电点火器输送高压电，打开高压燃气电磁阀对高空点火器进行点火。点火操作完成后，远程摄像头对火炬头部分的图像进行摄取并传输到视屏检测系统，通过对图像中火焰区域的提取来判断是否含有火焰及火焰的大小，并反馈给控制系统（DCS）。若得到火炬点火正常，关闭高压燃气电磁阀并且停止向高空电点火器输送高压电，此时点火过程完成，系统将进入监控状态。当监测到图像中不存在火或者火焰较小，则继续对火炬进行点火操作。若在进行多次(在此设为1N )点火程序后，仍未检测到火焰信息反馈，则系统将进行报警，并由操作人员手动控制地面内传焰点火器对火炬进行点燃，直到监测到正常燃烧的火焰。蒸汽的流量由消烟蒸汽管线上的电动调节阀进行调控。火炬正常燃烧时蒸汽流量偏小，当蒸汽流量不满足火炬气充分燃烧条件并且产生大量黑烟时，则要增大蒸汽调节阀开度。大流量、高速率的蒸汽与空气均匀混合后由火炬头的底部喷射至顶部的高温区域，火炬气燃烧中水煤气反应是吸热反应，因此引入火焰高温区域的蒸汽与空气有利于反应的正向进行，提高水蒸气的分解率与利用率，从而达到了消烟效果。被引入到火焰底部的蒸汽，不仅可将火焰托高并且缩短火焰长度，从而延长了火炬头的使用寿命，而且能阻止外界空气进入火炬筒体发生回火爆炸[45]。
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总结
随着我国工业的迅猛发展，火炬装置在工业生产中得到广泛的应用与长足的发展。传统的火炬点火系统在点火时的反馈控制存在着自动化程度较低的缺点，并且在火炬燃烧时忽略了对燃烧状态的自动化监控。本文针对传统火炬系统存在的缺点，依托于火炬自动电点火系统，提出了一种基于数字图像处理的火炬监控改进方案。利用摄像头摄取的图像，应用图像处理知识，针对火炬点火系统进行改进设计，从而对火炬进行实时监控，保证火炬安全、环保地正常燃烧，并且有降低能耗、节约成本等重要经济效益。课题研究过程中主要工作及结论如下：
1.对传统的火焰探测技术进行研究分析，根据其灵敏度较低、信息不够直观、受环境影响较大等缺点，提出了基于数字图像处理的火焰探测技术。
2.在数字图像处理基础上，分析了火炬燃烧时产生的火焰与黑烟的颜色特性与静态特征。通过多种不同的方法对火焰与黑烟进行提取，对实验结果比较分析，得到适用于工业火炬图像的提取方法。
3.针对火炬燃烧时传统火炬控制系统的开环性，在数字图像处理的基础上设计完整的闭环反馈系统，通过自动控制原理对监测到的燃烧状态进行控制，节省大量人力物力同时，确保了火炬安全、环保地燃烧。
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参考文献（略）