膠球清洗裝置系統針對凝汽器結垢容易丟球、毀球進行分析？

     膠球清洗裝置系統針對凝汽器結垢容易丟球、毀球進行分析？今天連云港市宏琦電力輔機有限公司針對膠球清洗凝汽器結垢容易丟球、毀球等問題,研制出一種能夠自動檢測膠球數量及其半徑的自動監測裝置。先,對順序采集的膠球圖像進行圖像拼接,去除重復部分;然后采用灰度變換、圖像平滑等一系列預處理算法去噪,去噪后結合基于小誤差分割法的灰度圖二值化變換對圖像進行分割,得到目標明確的分割圖像;后,利用二值圖像投影變換,進行膠球位置定位,獲得膠球的數量及磨損狀況。多次試驗結果表明,算法具有很好的實時性和有效性。

     在發電過程中,凝汽器管壁出現的不同程度污垢將影響凝汽器換熱,造成機組真空降低,增加發電煤耗。目前,大多數電廠主要是采用周期性高壓清洗對結垢進行處理,即膠球清洗。凝汽器膠球清洗裝置是由收球網、膠球輸送泵、裝球室、控制器、膠球及閥門管路等部件組成的,它借助高壓水流的作用將大于凝汽器冷卻管內徑的清潔膠球擠過冷卻管,對冷卻管進行反復擦洗,清洗凝汽器冷卻管內污垢并帶出雜質,從而可以實現延長冷卻管使用壽命、提高發電廠經濟效益、保障機組安全運行的目的。而膠球清洗裝置系統清潔效果能否達到佳,依賴于膠球個數是否足量、膠球半徑是否夠大。在運行中總是存在這樣那樣的原因導致清洗過程中膠球的堵塞,出現丟球現象或者造成膠球磨損,這都直接影響了清洗效果。目前,國內電廠中大都采用定期人工檢查的方法判斷是否需要加球或換球,費時費力,誤差較大。因此,為提高電廠的經濟效益以及自動化水平,急需開發回收膠球自動監測系統。

     針對膠球清洗裝置系統膠球回收率低、回收膠球數量檢測困難等問題,國外已經有兩家研究機構對此進行了研究:德國公司研發了利用光纖傳感器對膠球進行計數的膠球回收自動監測器,并開發了利用水流速度的變化檢測管道內部清洗程度的膠球清洗效果監測器。對原先的膠球清洗裝置系統進行了一系列的內部機械改造,研制出的新型膠球清洗裝置系統膠球回收率基本上達到了100%,但其存在的問題就是無法自動檢測膠球的磨損程度。兩家公司的產品在我國都是按照整套膠球清洗裝置系統售賣,購價昂貴。

     課題目的在于開發一種無需更換原膠球清洗裝置系統,可以直接附加在原設備上的膠球回收自動監測系統。

1膠球回收自動監測系統的硬件配置以及軟件檢測框圖

     自動監測系統示意圖如圖1所示。該系統可以自動地監測回收膠球的數量及其半徑,這樣運行人員就可以根據檢測結果適時地添加或更換膠球,保證膠球的數量以及質量,以期達到佳的清洗效果。通過多次試驗,攝像機的佳有效位置及其范圍得以確定,并根據強度承受力和光照特點選擇了合適的材料。本系統硬件配置如圖2所示,其中透明管道材料為鑄造鋼、光學玻璃,管道內側不同角度裝有頻閃燈,攝像機拍攝角度垂直于密封玻璃面,拍攝焦距可調。

圖1監測系統安裝位置示意圖

     本文軟件模塊的任務就是從一周期的連續圖像中自動檢測出所有膠球的數量及磨損程度。其軟件檢測框圖如圖3所示。先通過工業攝像機采集膠球連續圖像,并根據時間順序存儲;然后利用圖像拼接算法去除每兩幅連續圖像之間的重復部分,再進行灰度變換、圖像平滑等一系列預處理過程去噪,去噪后采用基于小誤差分割法的灰度圖二值化變換對圖像進行分割,得到目標明確的分割圖像;后,在此基礎上,進行膠球位置定位,獲得膠球的數量及磨損狀況。

圖2監測膠球清洗裝置系統硬件配置示意圖

圖3軟件檢測框圖

2圖像拼接

     要想記錄水流循環一周期內的所有膠球數,必須對由水流帶動膠球的所有流動畫面進行圖像采集,為保證圖像的連貫性與完整性,硬件配置圖像采集窗口為10cm×10cm,而利用軟件將拍攝頻率設為40Hz。這樣雖然能夠保障圖像不會缺失,但同時造成了連續兩幅圖像之間搭界位置圖像的重復。因此,必須先對每兩幅連續圖像進行圖像拼接,將重復部分去掉。

     尋找每兩幅圖像的佳拼接位置,本文采取的拼接方法是:對相鄰的兩幅圖像而言,前一幅中心線的右面,和后一幅中心線的左面是有重合部分的。在本文中,通過窗口大小以及頻率的佳設置,使得重合部分大寬度僅為單幅圖像的1/10,這極大地減少了拼接算法的匹配空間,同時也縮短了拼接時間。因此,匹配時只需在前一幅圖像右邊界1/10的空間中定義一個搜索模板(以一個像素為中心,寬和高自己定義),分別計算這個模板中所有像素點與后一幅圖像中相對應位置的像素點的RGB差的平方和,得到的小的那個值時的像素點的位置,即為佳匹配位置,將其記錄下來,并將前一幅圖像的右半幅與后一幅圖像的左半幅進行拼接。這樣循環將所有圖像全部遍歷,找到每兩幅圖像的佳匹配位置,即可得到沒有重復部分連續的流動畫面。

3圖像預處理

3.1真彩色轉換為灰度圖

     真彩色圖中包含多達224種顏色,難于實施對比,所以通常將其轉為灰度圖。將真彩色圖灰度化有許多方法,其中比較常用的方法有平均值法、大值法、加權法和單色法。

     平均值法,就是將圖像的R、G、B值求平均,然后將平均值作為灰度圖的灰度值;大值法,就是求像素R、G、B值的大值,將其大值作為灰度圖的灰度值;單色值法,就是將圖像的R、G、B值的任何一個值作為灰度圖的灰度值。

     自然界中的所有顏色都可以由紅(R)綠(G)藍(B)三原色組合而成,RGB色彩系統是通過將R、G、B這三種顏色相加產生其他顏色,是常用的顏色系統。YUV是被歐洲電視系統采用的一種顏色編碼方法(屬于PAL)。其中“Y”表示明亮度(lumi2nance或Luma),即灰度值;而“U”和“V”表示的則是色度(ChrominanceChroma),作用是描述影像色彩及飽和度,用于指定像素的顏色。“亮度”是通過RGB輸入信號來創建的,方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起。YUV與RGB各值之間有著如下對應關系:0.229-0.1480.615[Y,U,V]=[R,G,B]0.587-0.289-0.5150.1140.437-0.100Y代表了圖像的灰度值,U,V代表色度值,用Y分量能夠表示出像素點的灰度值,即:Y=R×0.299+G×0.587+B×0.114(1)由式(1),根據圖像的R、G、B值求出Y值,然后將像素點的R、G、B值都賦值成Y,就能將真彩色圖轉換成灰度圖。圖4為運用此法轉換成的灰度圖。

圖4真彩色轉換為灰度圖

3.2圖像平滑

     圖像平滑主要是為了消除噪聲。噪聲并不限于人眼所能看的見的失真和變形,有些噪聲只有在進行圖像處理時才可以發現。為了去除噪聲,有必要對圖像進行平滑,可以采用低通濾波的方法去除高頻干擾。圖像平滑包括空域法和頻域法兩大類,在空域法中,圖像平滑的常用方法是采用均值濾波或中值濾波。

     針對水流中膠球圖像的特點,本文采用了均值濾波,它是用一個有奇數點的滑動窗口矩陣在圖像上滑動,將窗口中心點對應的圖像像素點的灰度值用窗口內的各個點的灰度值的平均值代替。即假定一幅1×1個像素的圖像f(x,y),平滑處理后得到一幅圖像g(x,y),g(x,y)由式(2)決定:g(x,y)=(m,Sf(m,n)(2)其中:x,y=0,1,2,…,l-1;S是(x,y)點鄰域中點的坐標的集合;M是集合內坐標的總數。式(2)說明,平滑化的圖像g(x,y)中的每個像素的灰度值均由包含在(x,y)的預定鄰域中的f(x,y)的幾個像素的灰度值的平均值來確定。本文采用的是一個3×3的鄰域窗口。

     另外,要注意一點,在用窗口掃描圖像過程中,對于圖像的4個邊緣的像素點,進行了另外處理,否則,邊界噪聲也會對實驗結果造成較大影響。平滑結果如圖5所示。

圖5圖像平滑結果

4基于小誤差分割法的灰度圖二值化變換

     灰度圖的二值化變換就是將一幅灰度圖轉換成黑白二值圖像。具體方法是先指定一個閾值,如果圖像中某象素的灰度值小于該閾值,則該像素的灰度值設置為0(黑),否則設為255(白)。變換函數表達式如下0(x<T)255(x≥T)其中T為指定的閾值。閾值選取是圖像處理中的基本問題,是直接影響圖像目標識別和跟蹤的重要課題之一。國內外學者針對這一課題進行了廣泛深入的研究,提出很多閾值選取方法。其中小誤差法,受目標大小和噪聲影響小,對小目標圖像仍具有好的分割效果,是一種理論嚴密、效果較佳的閾值選取方法。

     本文根據膠球清洗裝置膠球圖像的特點,采用了小誤差分割算法進行梯度圖像分割。

     用小誤差法求取佳閾值t的計算公式如下:J(t)=1+2×[p0(t)lnσ0(t)+p1(t)lnσ1(t)]-2×[p0(t)lnp0(t)+p(t)lnp1(t)](3)式(3)為計算圖像佳分割閾值的判斷準則函數,它表示了小錯誤分割概率的問題。其中:tmaxp0(t)=i=h(i),p1(t)=i=h(i),為兩類的樣本總數;ti=[i-μ0(t)]2h(i)p0(t),maxi=[i-μp1(t)為兩類樣本的方差;i=h(i)×ip0(t),maxi×ip1(t),為兩類樣本的分布均值。

     通過循環計算每個t值對應的J(t),從中找出J(t)小值對應的t,為分割的佳閾值。

t3=Arg,t,)l}(對于256級灰度圖,l=255)

(a)人為估計閾值分割后(b)小誤差法閾值分割

圖6圖像分割后的二值圖像

     由圖6兩種處理結果可知:采用小誤差分割算法獲得的二值化圖像效果更好。

5膠球位置定位

     眾所周知,光照條件對圖像處理結果有著至關重要的影響。有鑒于此,本裝置在封閉管道內側不同角度配置有一定數量的頻閃燈,這有效地避免了光照不穩定、不均勻現象以及圖像中陰影的出現。在得到分割后的二值化圖像的基礎上,采用水平/垂直投影變換即可實現膠球的邊界定位。而所謂水平/垂直投影變換就是將圖像的某行(或某列)投影到水平(垂直)軸,將該行(列)的黑點(或白點)數目累加起來。這里根據需要,將每一列像素的黑點數相累加得到圖像在水平方向上黑像素點的分布函數,根據黑像素點的分布,來確定膠球的上下邊界和左右邊界,從而獲得膠球的數量以及半徑。定位結果如圖7所示。

圖7膠球位置終定位結果

     在仿真實驗臺上,對300個樣本球(其中包括280個完好球,20個破損球)進行循環監測,實驗證明,本膠球監測系統能夠快速、準確地判斷并顯示回收膠球的數量及磨損程度,準確率大于99.5%;在數量或完好程度低于規定閾值時,能夠給出自動報警信號;另外,備有歷史記錄,方便工作人員查閱。

     隨著國內電廠市場化的加深,節能降耗工作的進一步開展,膠球清洗裝置系統的節能產品需求將越來越旺盛。而凝汽器清洗膠球回收自動監測系統的使用,能明顯地提高發電機組的真空,有效地減少汽輪機排汽損失,降低汽輪機的汽耗率。

     由于國內一直沒有此類產品,國外進口產品價格昂貴,而且國外公司都是成套售賣,國內電廠不得不換掉并未完全失效的膠球清洗裝置系統,造成了極大的資源浪費。應用本產品時只需作為原膠球清洗裝置系統的附加系統使用,避免了資源浪費,大大減少了資金。