石化火炬排放實(shí)時監(jiān)測和分析管理系統(tǒng)的實(shí)施

劉琎（中國石化股份有限公司金陵分公司信息中心 江蘇省南京市 210033）

一、研發(fā)背景

火炬排放系統(tǒng)的目的主要是燃燒來自工藝的廢氣、將有機(jī)碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)發(fā)為水蒸氣和二氧化碳。就廢氣而言，火炬排放系統(tǒng)被認(rèn)為是工廠的“下水道”，各工藝單位廢氣管線惠及形成較大的管路，最后進(jìn)入火炬主管線。如果單獨(dú)的工藝單位出現(xiàn)緊急情況，需要將所有的氣體產(chǎn)物從各個單位“傾泄”到火炬系統(tǒng)，那么大尺寸的主火炬管線就需要運(yùn)輸大量的氣體。

火炬流量的測量一直以來都是那些會排放碳?xì)浠衔锖推渌麖U氣的化工、石化、煉油和其他各類工藝工廠的需求，傳統(tǒng)的流量測量技術(shù)都無法滿足火炬流量測量的高要求。

對火炬排放實(shí)時監(jiān)測和分析管理的主要原因是：

（一）政府環(huán)保和清潔生產(chǎn)的要求。如美國一些地方政府實(shí)施了減少火炬排放的計(jì)劃，尤其是二氧化碳和其他溫室氣體的排放。美國政府還實(shí)施了許多排放指標(biāo)的交易計(jì)劃，允許排放量較少的新建工廠與排放量較高的老工廠之間就排放指標(biāo)進(jìn)行交易。

（二）檢測泄露。對火炬排放實(shí)時監(jiān)測和分析管理可以檢測出運(yùn)行中的問題。

（三）工藝物料平衡。通過對火炬排放流量測量幫助驗(yàn)證物料平衡的關(guān)鍵元素。

（四）火炬燃燒控制。如果火炬系統(tǒng)的廢氣成分中很大比重為惰性氮?dú)饣蚱渌诠に囍杏糜诎踩栊缘摹芭阋r”氣，那么火炬氣可能沒有足夠用于控制火焰的碳?xì)浠衔?，這樣會阻礙廢氣的完全燃燒。在這種情況下，對火炬排放實(shí)時監(jiān)測和分析與其他分析相結(jié)合提供天然氣以確保適量的廢氣被燃燒。

二、系統(tǒng)概述

火炬燃燒控制受多種因素所限，火炬流量測量是一個困難的應(yīng)用，可選擇的測量技術(shù)也很少。傳統(tǒng)流量測量技術(shù)如差壓、渦街和插入式熱質(zhì)量流量計(jì)都已經(jīng)試用于火炬氣測量，但是沒有任何一種能夠滿足火炬測量的高要求。

目前，國內(nèi)對火炬排放流量測量一直沒有很好的解決方法，由于火炬排放管徑大，一般的流量計(jì)口徑無法做到如此大，如果采用節(jié)流件的方式進(jìn)行測量，容易產(chǎn)生大量的壓損，當(dāng)裝置在不穩(wěn)定狀態(tài)下需要強(qiáng)制排放時，影響排放速度；另外被測介質(zhì)成份過于復(fù)雜，經(jīng)常氣液混相（帶水），對于像插入式的熱式氣體流量計(jì)，也無法進(jìn)行測量，同時流量計(jì)測量方式也無法確定可燃料部分的量 （火炬排放中含有大量可燃料的烴和氫等以及不可燃料的氮等）。采用火炬明火火焰實(shí)時采集計(jì)算流量的方法，可有效測定可燃料部分的排放流量，具有較高的參考價值。

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)實(shí)時采集火炬火焰的方式，通過圖形工作站快速提取圖像像素，逐幀比較圖像像素，進(jìn)行處理每秒的圖像，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，存貯到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，并通過WEB服務(wù)器以圖形的方式發(fā)布每個火炬的排放趨勢；其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

三、實(shí)施方法及過程

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)實(shí)時采集火炬火焰的方式，采用圖形工作站高速處理每幀圖像，每秒從火炬視頻錄像機(jī)中實(shí)時采集圖，進(jìn)行圖像預(yù)處理，去色、反相、通道、平滑、邊緣檢測、分割、形態(tài)學(xué)操作（腐蝕、膨脹、開、閉、形態(tài)學(xué)梯度、TOP-HAT變換、Black-Hat梯度）；上述預(yù)處理后再進(jìn)行特征抽?。ɑ鹧婷娣e直方圖計(jì)算相應(yīng)面積），最終計(jì)算火焰面積占整個畫面的百分比，根據(jù)火焰百分比再計(jì)算火炬排放的流量。將計(jì)算好的數(shù)據(jù)存貯在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計(jì)WEB發(fā)布程序，以圖形的方式發(fā)布火炬排放歷史趨勢。采用火炬排放中的火焰計(jì)算實(shí)際排放數(shù)據(jù)，是國內(nèi)同行業(yè)中的首創(chuàng)，該系統(tǒng)能很好地反映火炬實(shí)際排放情況。

如下圖所示：

（一）系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由三臺SONY攝像機(jī)、?？稻W(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、服務(wù)器等硬件設(shè)備和由嵌入SDK開發(fā)包的圖像算法軟件組成。

1、前端設(shè)備采用SONY EX480CP一體化攝像機(jī)：

2、存儲設(shè)備采用?？低暰W(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)：

3、網(wǎng)絡(luò)圖形服務(wù)器：

（二）火焰算法介紹

RGB到HSV色彩空間的轉(zhuǎn)變：RGB空間為線性空間，而HSV空間為非線性空間。使用算法對特定顏色的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時，一般不必計(jì)算每幀圖像所有像素點(diǎn)的顏色概率分布，而只需要計(jì)算比當(dāng)前搜索窗大一些的區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)的顏色概率分布即可，這樣便可節(jié)省很大的計(jì)算量。因此，當(dāng)對連續(xù)的視頻圖像進(jìn)行處理時，實(shí)際上就已形成了連續(xù)的跟蹤。

（三）圖像處理軟件的實(shí)現(xiàn)方法

1、火炬圖像預(yù)處理

（1）噪聲濾除

噪聲濾除運(yùn)動目標(biāo)識別的任務(wù)就是把火焰的輪廓從背景中分離出來,以達(dá)到識別目標(biāo)的目的。

（2）銳化處理

圖像銳化噪聲消除之后,圖像可能變得邊緣模糊,為了改善圖像質(zhì)量,使圖像具有的信息讓人易于觀看,就要對圖像進(jìn)行銳化處理。

（3）對比度增強(qiáng)

對比度增強(qiáng)是指對圖像的對比度等進(jìn)行強(qiáng)調(diào)和尖銳化,以便于顯示、觀察和進(jìn)一步的分析與處理.對比度增強(qiáng)將不增加圖像數(shù)據(jù)中的相關(guān)信息,但它將增加所選擇特征的動態(tài)范圍,從而使這些特征檢測和識別更加容易。

（4）邊緣檢測圖像

再次進(jìn)行的邊緣檢測圖像決定了火焰的周邊輪廓,表現(xiàn)為火焰周邊的不連續(xù)性(如表現(xiàn)在圖像上灰度級的突變,紋理結(jié)構(gòu)的突變以及彩色的變化等).具有能勾畫出區(qū)域的形狀,能被局部定義及其能傳遞大部分圖像信息等許多特點(diǎn).因此,邊緣檢測可以看作是處理許多復(fù)雜問題的關(guān)鍵.

2、火焰目標(biāo)特征點(diǎn)提取

所謂火焰的特征點(diǎn)常指角點(diǎn)、特定灰度值點(diǎn)、特征向量、特征線段等.一種有用的特征點(diǎn)提取算法是采用在物體的邊緣上尋找特征點(diǎn),避免了在整個圖像范圍內(nèi)尋找特征點(diǎn).在實(shí)際計(jì)算中先算出目標(biāo)物體的型心,然后將目標(biāo)物體邊緣以型心為原點(diǎn)極坐標(biāo)化,再在邊緣上尋找局部最大值點(diǎn)。

3、連續(xù)目標(biāo)的識別

特征的選擇和提取在模式識別中至關(guān)重要,要識別一個目標(biāo),一定要獲取目標(biāo)所特有的關(guān)鍵特征.任何一個圖像都有它本身的特征。圖像法識別連續(xù)目標(biāo)在理論上是可行的,方法還必須完善.因?yàn)槌上竦慕嵌?曝光度、方向、相對運(yùn)動速度等等都影響到最終目標(biāo)的識別,從而不利于實(shí)時跟蹤和處理.

（四）嵌入SDK的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件的開發(fā)

1、圖像采集軟件的工作原理及流程

攝像機(jī)拍攝的連續(xù)火炬視頻圖像經(jīng)局域網(wǎng)，將數(shù)字化的火炬圖像服務(wù)器。再由圖像算法軟件計(jì)算出火焰焰心的數(shù)據(jù)。?？低昐DK接口庫提供了應(yīng)用功能模塊。包括對圖像采集的控制，采集圖像到屏幕或內(nèi)存，錯誤處理，采集圖像到屏幕控制，采集圖像到內(nèi)存控制，數(shù)據(jù)傳遞等功能。

2、用VC++6.0實(shí)現(xiàn)對圖像的采集

應(yīng)用接口庫支持VC++，VB等32位編程開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)。本系統(tǒng)選用的是VC++6.0編程工具。

3、實(shí)現(xiàn)圖像采集

根據(jù)圖像采集流程，實(shí)現(xiàn)采集圖像的代碼。

四、實(shí)施效果

項(xiàng)目的建立，解決了多年來火炬排放無法直接有效測量的難題，通過火炬排放歷史趨勢，對裝置排放起到很好的監(jiān)督作用，減少不必要的排放，每年可減少損失500多萬，提高火炬回收效益和區(qū)域環(huán)境質(zhì)量，并能了解火炬排放的實(shí)際情況和生產(chǎn)工藝運(yùn)行情況，對穩(wěn)定生產(chǎn)，提高裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行，具有極高的參考作用。

火炬排放實(shí)時監(jiān)測和分析管理運(yùn)行以來，經(jīng)過長時間的實(shí)踐考驗(yàn)，系統(tǒng)維護(hù)簡單，運(yùn)行也十分可靠，數(shù)據(jù)的處理和發(fā)布及時，效果十分明顯，在國內(nèi)圖形圖像的模式識別和行為分析領(lǐng)域中，進(jìn)行了有意義的探索，為今后視頻監(jiān)控分析在石化領(lǐng)域的運(yùn)用提供了可操作的范例，具有一定的推廣意義。