Помощь студентам в учебе
Исследование методов трансформации и анализа ИК-тепловизионной видеоинформации о факельном горении газообразного топлива
|
Общая характеристика работы 3
Положения, выносимые на защиту 5
Апробация работы 6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
Заключение 25
Список литературы 27
Положения, выносимые на защиту 5
Апробация работы 6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
Заключение 25
Список литературы 27
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Процесс сжигания энергетического топлива с целью получения тепловой энергии и, при необходимости, переработке её в другие виды энергии (например, электрическую) широко распространён как в быту, так и в различных отраслях промышленности (энергетика, металлургия, химическое производство и т.д.). Сегодня наиболее распространённым методом сжигания топлива является факельный способ, в котором топливо и окислитель подаются по раздельным каналам в специальное горелочное устройство, где происходит перемешивание реагентов и формирование факела в топке или камере. В течение XX в. было разработано и используется на практике большое количество различных теплотехнических установок, в которых удаётся обеспечить необходимые условия для поддержания факельного режима горения для любых видов топлива (газообразного, жидкого, твёрдого).
Однако в подавляющем числе современных промышленных агрегатов, используемых для сжигания энергетического топлива, для управления процессами горения, в том числе в автоматическом режиме, используются устаревшие технологии. Например, для управления процессом горения в паровом энергетическом котле сегодня используются алгоритмы, основанные на использовании параметров процессов горения, прямые измерения которых производятся исключительно в процессе пусконаладочных испытаний, а в процессе эксплуатации оборудования непосредственно измеряются только параметры, косвенно связанные с процессом горения - давление газа перед горелками, разрежения в контрольных сечениях газовоздушного тракта, содержание кислорода в уходящих газах и т.д. При этом, априори, полагается, что в процессе эксплуатации оборудования значения этих параметров (температура газов в топке, геометрические размеры факела, его положение в топке и т.д.) будут оставаться на уровне контрольных значений, измеренных в ходе пусконаладочных испытаний. Однако данное предположение оказывается выполненным далеко не всегда, что приводит к возникновению целого ряда проблем, в том числе к повышению концентрации вредных веществ (в первую очередь, оксидов азота N0)0, содержащихся в продуктах сгорания. Таким образом, разработка методов контроля, обеспечивающих прямое измерение параметров состояния собственно факела и протекающих в нём процессов, является актуальной задачей.
Здесь, как показывают результаты исследований, проведённых Д.М. Марковичем, В.М. Дулиным, Дж.М. Карломаньё, одним из наиболее перспективных подходов является подход, основанный на использовании бесконтактных панорамных методов диагностики потока, не оказывающих воздействие на объект исследования, в том числе методов, основанных на анализе бесконтактных измерений теплового излучения горящего факела в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра электромагнитных волн 1,5 - 5,1 мкм, с помощью ИК- тепловизионных видеокамер.
Действительно, сегодня и в инженерной, и в исследовательской практике накоплен достаточно большой опыт применения ИК-тепловизоров, особенно в области неразрушающего теплового контроля (В.П. Вавилов, П. Круз, В.П. Пономаренко). В то же время необходимо отметить, что вычислить реальные значения локальных температур в выбранных точках ИК-тепловизионного изображения факела (основной показатель процесса горения), используя известные соотношения для расчёта поля температур на поверхности твёрдых тел по их излучению в ИК диапазоне электромагнитного спектра, оказывается невозможным, поскольку неизвестны значения коэффициента излучения на поверхности исследуемого объекта. В этой связи необходимо использовать другие количественные показатели процесса горения, содержательные с теплотехнической точки зрения, и методы анализа ИК-тепловизионных изображений факела, обеспечивающие вычисление данных показателей.
Целью диссертационной работы является исследование методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела для выявления
количественных показателей процесса горения, интерпретируемых с теплотехнической точки зрения и обеспечивающих проведение сравнительного анализа процессов горения факела в различных режимах подачи топлива.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:
1. Исследование методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела для научного обоснования выбора совокупности методов, обеспечивающих трансформацию первичной информации и вычисление количественных показателей процесса факельного горения.
2. Исследование особенностей ВР, содержащих значения количественных показателей процесса факельного сжигания топлива в непрерывном и импульсном режиме подачи газообразного топлива.
3. Подтверждение информативности с теплотехнической точки зрения выбранного набора количественных показателей, характеризующих процесс факельного сжигания газообразного топлива.
Объектом исследования являются методы анализа визуальной ИК- термографической информации о горящем факеле на основе компьютерных методов обработки информации.
Предметом исследования являются компьютерные методы анализа ИК- тепловизионных видеопоследовательностей, обеспечивающие трансформацию первичной информации во временные ряды (ВР), содержащие мгновенные значения количественных показателей процесса горения газообразного топлива.
Методы исследования. Для решения задач исследования в работе использовались методы математической статистики, спектрального анализа, сингулярного спектрального анализа.
Научная новизна полученных результатов заключается в:
- выборе, обоснованном результатами анализа плотностей распределения пикселей ИК-тепловизионных изображений факела по температуре, методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела, обеспечивающих
вычисление количественных показателей, характеризующих процесс горения газообразного топлива;
• подтверждении стационарности во времени определённых количественных показателей процесса горения факела вне зависимости от режима подачи газообразного топлива;
• количественном описании отличий процессов горения в непрерывном и импульсном режимах подачи топлива.
Теоретическая значимость исследования состоит в обосновании возможности трансформации ИК-тепловизионных изображений горящего факела в набор стационарных количественных показателей меньшей размерности.
Практическая значимость работы заключается:
• в разработке экспериментальной установки и её модификации, обеспечивающих регистрацию ИК-тепловизионных изображений факела в последовательные моменты времени в непрерывном и импульсном режимах подачи газообразного топлива;
• в разработке методики компьютерной обработки ИК-тепловизионных видеопоследовательностей горящего факела, обеспечивающей трансформацию исходной информации во ВР, содержащие мгновенные значения обоснованно выбранных количественных показателей процесса горения;
- установлении соответствия между частотно-временными
характеристиками ВР, вычисляемых на основе анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела, и его состоянием, что позволяет использовать выбранные количественные показатели для контроля процесса горения в реальном режиме времени...
Однако в подавляющем числе современных промышленных агрегатов, используемых для сжигания энергетического топлива, для управления процессами горения, в том числе в автоматическом режиме, используются устаревшие технологии. Например, для управления процессом горения в паровом энергетическом котле сегодня используются алгоритмы, основанные на использовании параметров процессов горения, прямые измерения которых производятся исключительно в процессе пусконаладочных испытаний, а в процессе эксплуатации оборудования непосредственно измеряются только параметры, косвенно связанные с процессом горения - давление газа перед горелками, разрежения в контрольных сечениях газовоздушного тракта, содержание кислорода в уходящих газах и т.д. При этом, априори, полагается, что в процессе эксплуатации оборудования значения этих параметров (температура газов в топке, геометрические размеры факела, его положение в топке и т.д.) будут оставаться на уровне контрольных значений, измеренных в ходе пусконаладочных испытаний. Однако данное предположение оказывается выполненным далеко не всегда, что приводит к возникновению целого ряда проблем, в том числе к повышению концентрации вредных веществ (в первую очередь, оксидов азота N0)0, содержащихся в продуктах сгорания. Таким образом, разработка методов контроля, обеспечивающих прямое измерение параметров состояния собственно факела и протекающих в нём процессов, является актуальной задачей.
Здесь, как показывают результаты исследований, проведённых Д.М. Марковичем, В.М. Дулиным, Дж.М. Карломаньё, одним из наиболее перспективных подходов является подход, основанный на использовании бесконтактных панорамных методов диагностики потока, не оказывающих воздействие на объект исследования, в том числе методов, основанных на анализе бесконтактных измерений теплового излучения горящего факела в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра электромагнитных волн 1,5 - 5,1 мкм, с помощью ИК- тепловизионных видеокамер.
Действительно, сегодня и в инженерной, и в исследовательской практике накоплен достаточно большой опыт применения ИК-тепловизоров, особенно в области неразрушающего теплового контроля (В.П. Вавилов, П. Круз, В.П. Пономаренко). В то же время необходимо отметить, что вычислить реальные значения локальных температур в выбранных точках ИК-тепловизионного изображения факела (основной показатель процесса горения), используя известные соотношения для расчёта поля температур на поверхности твёрдых тел по их излучению в ИК диапазоне электромагнитного спектра, оказывается невозможным, поскольку неизвестны значения коэффициента излучения на поверхности исследуемого объекта. В этой связи необходимо использовать другие количественные показатели процесса горения, содержательные с теплотехнической точки зрения, и методы анализа ИК-тепловизионных изображений факела, обеспечивающие вычисление данных показателей.
Целью диссертационной работы является исследование методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела для выявления
количественных показателей процесса горения, интерпретируемых с теплотехнической точки зрения и обеспечивающих проведение сравнительного анализа процессов горения факела в различных режимах подачи топлива.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:
1. Исследование методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела для научного обоснования выбора совокупности методов, обеспечивающих трансформацию первичной информации и вычисление количественных показателей процесса факельного горения.
2. Исследование особенностей ВР, содержащих значения количественных показателей процесса факельного сжигания топлива в непрерывном и импульсном режиме подачи газообразного топлива.
3. Подтверждение информативности с теплотехнической точки зрения выбранного набора количественных показателей, характеризующих процесс факельного сжигания газообразного топлива.
Объектом исследования являются методы анализа визуальной ИК- термографической информации о горящем факеле на основе компьютерных методов обработки информации.
Предметом исследования являются компьютерные методы анализа ИК- тепловизионных видеопоследовательностей, обеспечивающие трансформацию первичной информации во временные ряды (ВР), содержащие мгновенные значения количественных показателей процесса горения газообразного топлива.
Методы исследования. Для решения задач исследования в работе использовались методы математической статистики, спектрального анализа, сингулярного спектрального анализа.
Научная новизна полученных результатов заключается в:
- выборе, обоснованном результатами анализа плотностей распределения пикселей ИК-тепловизионных изображений факела по температуре, методов анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела, обеспечивающих
вычисление количественных показателей, характеризующих процесс горения газообразного топлива;
• подтверждении стационарности во времени определённых количественных показателей процесса горения факела вне зависимости от режима подачи газообразного топлива;
• количественном описании отличий процессов горения в непрерывном и импульсном режимах подачи топлива.
Теоретическая значимость исследования состоит в обосновании возможности трансформации ИК-тепловизионных изображений горящего факела в набор стационарных количественных показателей меньшей размерности.
Практическая значимость работы заключается:
• в разработке экспериментальной установки и её модификации, обеспечивающих регистрацию ИК-тепловизионных изображений факела в последовательные моменты времени в непрерывном и импульсном режимах подачи газообразного топлива;
• в разработке методики компьютерной обработки ИК-тепловизионных видеопоследовательностей горящего факела, обеспечивающей трансформацию исходной информации во ВР, содержащие мгновенные значения обоснованно выбранных количественных показателей процесса горения;
- установлении соответствия между частотно-временными
характеристиками ВР, вычисляемых на основе анализа ИК-тепловизионных изображений горящего факела, и его состоянием, что позволяет использовать выбранные количественные показатели для контроля процесса горения в реальном режиме времени...
Анализ данных, содержащихся в научной литературе, и результаты проведённых экспериментальных исследований свидетельствуют о перспективности использования разработанных алгоритмов определения количественных характеристик и алгоритмов трансформации исходных ИК- тепловизионных последовательностей в информационно содержательные ВР с целью определения устойчивости факельного сжигания и сравнения режимов горения между собой, а также последующей разработки систем автоматического управления горением с оптическим контролем горящего факела в ИК-диапазоне ЭВ.
Получены следующие основные результаты:
1. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, обеспечивающая регистрацию с частотой 412 Гц последовательных во времени ИК-тепловизионных изображений горящего факела в диапазоне 1,5-5,1 мкм ЭВ в непрерывном и импульсном режимах подачи газообразного топлива.
2. Проведено исследование известных методов анализа мгновенных ИК - тепловизионных изображений горящего факела, результаты которого свидетельствуют о целесообразности редукции первичной информации (матрицы Tj) в одномерный временной ряд Т1 (1 - порядковый номер пикселя на ИК- тепловизионном изображении) и использовании далее для аппроксимации ПР и ФР ВР Т1 в диапазоне [520;560] условных С метода Розенблаттта-Парзена с нормальным ядром.
3. Проведен анализ аппроксимаций Розенблатта-Парзена ПР ВР Т1 по
температуре, полученных по ИК-тепловизионному изображению горящего факела, как в непрерывном, так и в импульсном режиме подачи топлива, и продемонстрировано, что в выбранном диапазоне условных температур аппроксимация Розенблатта-Парзена ПР ВР Т1 - функция р(Т) имеет два локальных максимума и один локальный минимум и может быть описана следующими количественными показателями: значением абсциссы первого локального максимума р (Т) - 7^, значением абсциссы второго локального
максимума двумодальной функции р (Т) - Т^, значением абсциссы локального минимума р(Т) - к, значением ординаты первого локального максимума
функции р (Т) - р^х, значением ординаты второго локального максимума
функции р (Т) - р{2]х, значением ординаты локального минимума функции р (Т) - р^п , числом пикселей, относящихся к условно выделяемой зоне № 1 на ИК- тепловизионном изображении горящего факела - N{1}, числом пикселей, относящихся к условно выделяемой зоне № 2 на ИК-тепловизионном изображении факела - N{2}, числом пикселей, относящихся к области факела на ИК-тепловизионном изображении факела - N{0} = N{1} + N{2.
Л ТТлт^*л л л ил г'тл тттллчт-г л {} '/ ,{2} у * у. ~[{ 1} Д/{2} ДТ{0}
4. Доказана стационарность ВР Ттахк, Ртхк, к, ртпк, лк , лк , як ,
представляющих собой значения соответствующих показателей функции р (Т), вычисленных на последовательных кадрах ИК-тепловизионной
последовательности, как в непрерывном режиме, так и в импульсном режиме подачи топлива, что подтверждает возможность использования данных количественных показателей для контроля состояния процесса горения факела в данном режиме подачи газообразного топлива, а также количественного сравнения различных режимов подачи топлива друг с другом.
5. Проведен сравнительный анализ особенностей факельного горения в непрерывном и импульсном режиме подачи газообразного топлива и выявлены следующие отличия данных режимов подачи топлива друг от друга:
1) В непрерывном режиме подачи газообразного топлива спектры ВР №|}, «к2! аппроксимируются кривой вида 1 /, представляя собой реализации фликкер-шума, что позволяет считать данный режим непрерывным режимом горения факела.
2) В импульсном режиме подачи топлива в спектрах ВР N{1, N{22 присутствуют чётко выраженные спектральные гармоники, частоты которых в диапазонах [2,4] Гц и [2,8] Гц соответственно, кратны частоте открытия топливного клапана, что позволяет назвать данный режим горения факела пульсационным.
3) При частотах пульсаций мгновенного расхода топлива в диапазонах [5,10] Гц и [9,10] Гц спектры ВР N{1}, N{22 соответственно, не имеют чётко выраженных периодических составляющих, а вид самих спектров близок к спектрам соответствующих ВР, составленных при непрерывном режиме подачи топлива, что позволяет назвать данный режим квазинепрерывным.
4) При частоте открытия топливного клапана в диапазоне [5,8] Гц спектры ВР N{1}, N{22 свидетельствуют о том, что горение в зоне № 1 протекает в квазинепрерывном режиме, а в зоне № 2 - в пульсационном режиме.
Получены следующие основные результаты:
1. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, обеспечивающая регистрацию с частотой 412 Гц последовательных во времени ИК-тепловизионных изображений горящего факела в диапазоне 1,5-5,1 мкм ЭВ в непрерывном и импульсном режимах подачи газообразного топлива.
2. Проведено исследование известных методов анализа мгновенных ИК - тепловизионных изображений горящего факела, результаты которого свидетельствуют о целесообразности редукции первичной информации (матрицы Tj) в одномерный временной ряд Т1 (1 - порядковый номер пикселя на ИК- тепловизионном изображении) и использовании далее для аппроксимации ПР и ФР ВР Т1 в диапазоне [520;560] условных С метода Розенблаттта-Парзена с нормальным ядром.
3. Проведен анализ аппроксимаций Розенблатта-Парзена ПР ВР Т1 по
температуре, полученных по ИК-тепловизионному изображению горящего факела, как в непрерывном, так и в импульсном режиме подачи топлива, и продемонстрировано, что в выбранном диапазоне условных температур аппроксимация Розенблатта-Парзена ПР ВР Т1 - функция р(Т) имеет два локальных максимума и один локальный минимум и может быть описана следующими количественными показателями: значением абсциссы первого локального максимума р (Т) - 7^, значением абсциссы второго локального
максимума двумодальной функции р (Т) - Т^, значением абсциссы локального минимума р(Т) - к, значением ординаты первого локального максимума
функции р (Т) - р^х, значением ординаты второго локального максимума
функции р (Т) - р{2]х, значением ординаты локального минимума функции р (Т) - р^п , числом пикселей, относящихся к условно выделяемой зоне № 1 на ИК- тепловизионном изображении горящего факела - N{1}, числом пикселей, относящихся к условно выделяемой зоне № 2 на ИК-тепловизионном изображении факела - N{2}, числом пикселей, относящихся к области факела на ИК-тепловизионном изображении факела - N{0} = N{1} + N{2.
Л ТТлт^*л л л ил г'тл тттллчт-г л {} '/ ,{2} у * у. ~[{ 1} Д/{2} ДТ{0}
4. Доказана стационарность ВР Ттахк, Ртхк, к, ртпк, лк , лк , як ,
представляющих собой значения соответствующих показателей функции р (Т), вычисленных на последовательных кадрах ИК-тепловизионной
последовательности, как в непрерывном режиме, так и в импульсном режиме подачи топлива, что подтверждает возможность использования данных количественных показателей для контроля состояния процесса горения факела в данном режиме подачи газообразного топлива, а также количественного сравнения различных режимов подачи топлива друг с другом.
5. Проведен сравнительный анализ особенностей факельного горения в непрерывном и импульсном режиме подачи газообразного топлива и выявлены следующие отличия данных режимов подачи топлива друг от друга:
1) В непрерывном режиме подачи газообразного топлива спектры ВР №|}, «к2! аппроксимируются кривой вида 1 /, представляя собой реализации фликкер-шума, что позволяет считать данный режим непрерывным режимом горения факела.
2) В импульсном режиме подачи топлива в спектрах ВР N{1, N{22 присутствуют чётко выраженные спектральные гармоники, частоты которых в диапазонах [2,4] Гц и [2,8] Гц соответственно, кратны частоте открытия топливного клапана, что позволяет назвать данный режим горения факела пульсационным.
3) При частотах пульсаций мгновенного расхода топлива в диапазонах [5,10] Гц и [9,10] Гц спектры ВР N{1}, N{22 соответственно, не имеют чётко выраженных периодических составляющих, а вид самих спектров близок к спектрам соответствующих ВР, составленных при непрерывном режиме подачи топлива, что позволяет назвать данный режим квазинепрерывным.
4) При частоте открытия топливного клапана в диапазоне [5,8] Гц спектры ВР N{1}, N{22 свидетельствуют о том, что горение в зоне № 1 протекает в квазинепрерывном режиме, а в зоне № 2 - в пульсационном режиме.
Исследование методов трансформации и анализа ИК-тепловизионной видеоинформации о факельном горении газообразного топлива
