第２９卷第３期 ２０１３年３月 电力科学与工程 Ｖ０１．２９．Ｎｏ．３ ５５ Ｍａｒ．．２０１３ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 基于数字图像处理的燃用煤矸石粒径检测 孙建平，杨亚男，齐园园 （华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定０７１００３） 摘要：提出了一种基于数字图像处理的循环流化床锅炉燃用煤矸石粒径检测算法。循环流化床锅炉对燃 煤的粒度范围、平均粒径大小和粒度的分布有较为严格的要求。通过对摄像机拍摄的输煤栈桥图像进行 数字图像分析，获得图像中煤矸石粒径的分布和范围，对电厂安全运行、锅炉燃烧效率的提高有很大 帮助。 关键词：循环流化床；煤矸石；粒径；数字图像处理 中图分类号：ＴＭ６２１．２ 文献标识码：Ａ ’ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—０７９２．２０１３．０３．０１ １ 山西某３００ Ｍｗ循环流化床锅炉发电厂使用 ０ 引言 破碎机对原煤进行破碎，将大块煤破碎至８～１０ ｍｍ以下，以适应锅炉的要求。本文提出一种基 近年来，循环流化床（ＣＦＢ）锅炉以其优越 于数字图像处理的粒径检测方法，对获取的燃料 的环保特性、燃料适应性和良好的运行性能得到 图片进行一系列的处理，最终获得了粒径的分布， 广泛推广，大容量的循环流化床燃煤电站锅炉迅 对电厂安全运行、锅炉燃烧效率的提高提供帮助。 速发展，单机容量的循环流化床锅炉发电机组已 地位。 性好，但对燃煤的粒度范围、平均粒径大小和粒 研究中所用到的图片于２０１２年４月１１日在 行筛选得出本研究所使用的图片。煤从输煤栈桥 接近３００ Ｍｗ，在洁净煤发电领域处于优先发展的 输煤系统输煤栈桥拍摄所得，通过对所摄图片进 ＣＦＢ锅炉的最大优点之一就是对燃料的适应 中出来经输送皮带至电厂所有机组相应煤仓。 度的分布有较为严格的要求，不同的炉型、不同 １ 煤矸石粒径检测的原理 的煤种对燃煤粒径有不同的要求。如燃煤粒径变 化大，对锅炉的流化燃烧工况、带负荷的能力， 因此，保证煤的粒度分布合理是电厂燃煤制备系 统设计和运行必须解决的重要问题…。 较多的研究，并有相应的产品问世，如德国的 ＩＢＡＳ一２０００图像分析仪等。国内方面，东北大学 料球、珍珠粉的测量方面有一定的研究 ；哈尔 了相应研究 。 。 收稿日期：２０１３—０１—１ｌ。 煤矸石粒径检测的原理是通过数码相机从输 到初步处理结果，对初步处理结果进行特征提取， 同时通过图像中的参照物计算获取粒径的实际参 １．１ 图像的灰度处理 通过数码相机获取的煤矸石图像是经过压缩 图像，降低计算机的负担，方便操作。本文中将 图２所示。 受热面和耐火材料的磨损都会带来很大的影响。 煤栈桥上获取图像，首先对图像进行预处理，得 基于数字图像处理的粒径检测技术国外做了 数，统计所有的颗粒做成粒径分布图。 的范玮琦、江苏大学的蔡健荣等人分别在水泥生 格式得到的图像，需要对其进行灰度处理以简化 滨工程大学苗春卫、李玉祥等对煤粉颗粒检测做 ＪＰＥＧ格式的彩色图像转换为灰度图像，如图１、 作者简介：孙建平（１９６２一），男，教授，主要研究方向为大机组智能优化控制、复杂系统建模、仿真与控制、先进控制理论 及应用、故障诊断与容错控制、工业过程综合自动化，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎ—ｊｉａｎ—ｐ２＠１６３．ｃｏｒｎ。 第３期 孙建平，等基于数字图像处理的燃用煤矸石粒径检测 ｔｉｅｓ）。对１到２ ８６６号颗粒进行运算获得了每个编 通过对图５所得结果进行统计与分析可知， 图中颗粒的平均粒径为１．８４０ ９ ｍｍ，粒径小于等 于１０ ｍｍ的颗粒个数占到了总数的９９．６％；大于 １０ ｍｍ的个数占到了０．４％。对于现场的粒径检测 号的颗粒像素的个数，经统计，最大为１ ４０８个， 最小的为１个。 １．５将特征转换为实际参数 现场皮带的宽度为１ ０００ ｍｍ，经计算图１中皮带 将图１中的输煤皮带作为参照物，输煤栈桥 基本达到了精度和准度。 为了电厂锅炉的安全运行，电厂专工规定入 宽度约为１ ８４７个像素，即图１中每个像素在实际 炉煤矸石粒径至少要小于１０ ｍｍ。通过此次抓拍 现场对应０．５４ ｍｍ。从而得知每个像素的面积为 的图像进行一系列处理和分析可知，所得粒径分 ０．２９ ｍｍ 。以此比例计算每个编号颗粒的面积。 布基本符合现场实际情况。 把每个颗粒近似为圆形来求取颗粒的粒径。 设某颗粒面积为Ｓ＝０．２９×ｎ，ｎ为该颗粒拥有像 ３ 结论 素的个数，根据圆的面积公式Ｓ＝１Ｔ×ｒ 求取颗粒 的半径ｒ，直径ｄ＝２ｒ作为颗粒的粒径。粒径的求 循环流化床锅炉对燃煤的粒度范围、平均粒 取公式如下： 径大小和粒度的分布有较为严格的要求。通过检 ｄ：２×０．２９ ｘ ｎ （３） 测粒径的分布，与ＣＦＢ锅炉规定的标准燃料粒径 ＼／ １Ｔ 分布进行比较，可以提前操作防止由粒径分布不 ／＇Ｌ为该颗粒所含像素的个数。 合理造成的锅炉负荷的下降、锅炉主汽温的波动、 锅炉结焦、燃烧效率的降低、降低对锅炉的磨损 ２结果分析 和锅炉运行床温的波动。因此，合理的燃料粒径 分布对ＣＦＢ锅炉的安全、稳定运行起到了重要的 按上述算法获得的粒径分布如图５。 作用。获取燃煤粒径的分布对ＣＦＢ锅炉的安全运 行有重要意义。 本文提出了一种基于数字图像处理的精度为 瓤 毫米级的颗粒检测算法。通过对现场取样图像进 ￡ 行灰度化处理得到其灰度图像，对灰度图像使用 Ｏｓｔｕ方法进行阈值处理，通过对其二值化图像进 ＂ 行８邻域边界跟踪的连通域标号算法获取目标的 颗粒数，在使用ＭＡＴＬＡＢ数字图像处理工具箱函 数ｒｅｇｉｏｎｐｒｏｐｓ函数获取所有标号颗粒的粒径参数。 图５图４中各个颗粒的粒径分布图 根据所得粒径参数绘制粒径分布图，可以算 Ｆｉｇ．５ Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｆｉｇｕｒｅ ４ 出颗粒的平均粒径，求取了处于电厂锅炉安全运 如图５所示，对所得粒径分布进行统计和分 行范围（＜１０ ｍｎ１）的粒径的分布，现场运行人 析得到，图４中共有煤矸石颗粒２ ８６６个，每个颗 员可根据此分布为电厂的运行提供参考，与现场 粒大小包含１到１４０８个像素不等。粒径小于等于 取样所得数据相比较，有较好的准确度。还可进 １０ ｍｍ的颗粒个数为２ ８５４个，大于１０ ｍｍ的个 一步算出各个粒径区间的颗粒分布为现场提供更 数为１４个。 详实的数据。 对于山西某３００ Ｍｗ循环流化床锅炉来说， 本文提出的算法是基于ＭＡＴＬＡＢ平台实现 １０ ｍｍ是粒径的一个关键值，如果颗粒粒径小于 的，通过编程语言实现上述各个过程，具有处理 １０ ｍｍ，则能够满足现场要求，不会对锅炉的安 速度快、精确度高、可移植性好的特点，为应用 全运行造成影响。 到现场实际中打下了基础，以后将对不同环境条 ０ 托虢ｇ蹦０｝ 氍 麟 ｊ ５８ 电力科学与工程 ２０１３年 件下对测量结果的影响进行研究。 参考文献 ｇｒａｉｎｓ ｏｆ ｓａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｓｉｚｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｍａｇｅｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ），２００７， ４３（Ｉ）：４１—４５． ［６］吴学成，王怀，胡倩，等．基于轨迹图像的煤粉颗粒粒 ［１］蒋敏华，肖平．大型循环流化床锅炉技术［Ｍ］．北京： 中国电力出版社，２００９． ［２］孙宗保．基于计算机视觉的粒度检测应用研究［Ｄ］． 度和粒径测量［Ｊ］．浙江大学学报（工学版），２０１１， （８）：１４５８—１４６２． Ｗｕ Ｘｕｅｃｈｅｎｇ，Ｗａｎｇ Ｈｕａｉ，Ｈｕ Ｑｉａｎ，ｅｔ ａ１．Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ 镇江：江苏大学，２００３． ［３］苗春卫，李玉祥，王克家，等．基于数字图像处理的煤 粉颗粒检测［Ｊ］．应用科技，２００３，３０（２），１—３． Ｍｉａｏ Ｃｈｕｎｗｅｉ，Ｌｉ Ｙｕｘｉａｎｇ，Ｗａｎｇ Ｋｅｊｉａ，ｅｔ ａ１．Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｉｚｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｂｙ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｉｍａｇｉｎｇ［ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ）， ２０１１，（８）：１４５８ １４６２． ［７］姚万业，陈广华，李传伟，等．电厂锅炉火焰图像检测 系统设计与开发［Ｊ］．电力科学与工程，２００６，２２ （１）：４８—４９，５６． Ｙａｏ Ｗａｎｙｅ，Ｃｈｅｎ Ｇｕａｎｇｈｕａ，Ｌｉ Ｃｈｕａｎｗｅｉ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｉｓｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｆｌａｍｅ ｉｍａｇｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，３０（２）， １—３． ［４］徐道娟．薯条外观质量识别中图像处理技术的研究 ［Ｄ］．镇江：江苏大学，２００１． ｐｌａｎｔ ｂｏｌｉｅｒｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００６，２２（１）：４８—４９，５６． ［５］赵玉峰，周又和．沙粒图像中沙粒粒径的检测和识别 ［Ｊ］．兰州大学学报（自然科学版），２００７，４３（１）： ４ｌ一４５． ［８］ＯＴＳＵ，Ｎ．Ａ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｒｏｍ Ｇｒａｙ—Ｉ ｅｖｅｌ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍｓ ｌ Ｊ］．Ｍａｎ ａｎｄ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９７９，９（１）：６２—６６． Ｚｈａｏ Ｙｕｆｅｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｙｏｕｈｅ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｚｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｇａｎｇｕｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｕｎ ｄｉａｎｐｉｎｇ，Ｙａｎｇ Ｙａｎａｎ，Ｑｉ Ｙｕａｎｙｕａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏ｝ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｌｆｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｂｏｉｌｅｒ（ＣＦＢ）ｈａｓ ｍｏｒｅ ｓｔｒｉｃｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ ａｖ— ｅｒａｇｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｇｅｔ ｉｍａｇｅ ｆｒｏｍ ａ ｃｏａｌ ｔｒｅｓｔｌｅ ｃａｍｅｒａ，ｔｈｅｎ ｏｂ— ｔａｉｎ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｇａｎｇｕｅ ｗｈｉｃｈ ａｉｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓ＇ａｔｅ ｏｐｅｒａｔｉｅｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｂｏｉｌｅｒ（ＣＦＢ）；ｃｏａｌ ｇａｎｇｕｅ；ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ；ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ