基于多參量檢測(cè)的加熱爐可視化燃燒控制系統(tǒng)及控制方法與流程

本發(fā)明涉及燃燒系統(tǒng)及方法，具體涉及加熱爐可視化燃燒控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

加熱爐是冶金、化工、石油化工、有色金屬等行業(yè)重要的耗能設(shè)備，同時(shí)也是二氧化碳、氮氧化物等污染物排放的主要來(lái)源之一，國(guó)內(nèi)加熱爐多采用過(guò)氧燃燒控制技術(shù)，存在燃燒效率低、爐管表面氧化滲碳速度快、污染排放多，爐管使用壽命短和安全隱患等問(wèn)題，專(zhuān)利cn201410341338.3公開(kāi)了一種基于plc的低氮氧化物控制方法和系統(tǒng)，根據(jù)氮氧化物實(shí)測(cè)值和排放目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，dcs控制二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度指令和分離式燃盡風(fēng)sofa風(fēng)門(mén)開(kāi)度指令，實(shí)現(xiàn)鍋爐得低氮燃燒和優(yōu)化運(yùn)行，但氮氧化物濃度值難以連續(xù)在線(xiàn)測(cè)量，且該方法所示結(jié)構(gòu)僅為電廠燃煤鍋爐，專(zhuān)利cn01133648.x公開(kāi)了一種鍋爐多火嘴爐膛燃燒優(yōu)化控制方法，通過(guò)在爐膛內(nèi)布置多個(gè)火焰圖像探測(cè)器獲取爐膛三維溫度場(chǎng)分布，根據(jù)火焰中心偏離其理想位置的狀態(tài)給出燃燒爐中燃料量和風(fēng)量的分配控制指令，該方法對(duì)火焰圖像進(jìn)行采集，瞬態(tài)干擾較大，對(duì)爐膛三維溫度場(chǎng)的模擬方法可靠性要求高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于多參量檢測(cè)的加熱爐可視化燃燒控制系統(tǒng)，和該控制系統(tǒng)的控制方法，dcs控制系統(tǒng)根據(jù)加熱爐排放煙氣中co濃度、爐膛負(fù)壓、o2濃度檢測(cè)值進(jìn)行優(yōu)化控制決策，控制引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度，通過(guò)可視化監(jiān)測(cè)裝置直觀顯示燒嘴配風(fēng)、估算燃燒效率，測(cè)量目標(biāo)溫度，為燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)提供豐富的檢測(cè)手段和評(píng)估方法，并直接反饋于控制系統(tǒng)，保障最佳優(yōu)化控制效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗、減排，特別是降低nox和co2的排放。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于多參量檢測(cè)的加熱爐可視化燃燒控制系統(tǒng)，包括用于在線(xiàn)精密檢測(cè)煙氣中co含量的co分析儀、用于在線(xiàn)檢測(cè)爐膛內(nèi)o2含量的o2分析儀、可視化監(jiān)測(cè)裝置、壓力傳感器、變頻器、引風(fēng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)門(mén)擋板以及與co分析儀、o2分析儀、壓力傳感器閉環(huán)控制連接的dcs控制系統(tǒng)，用于檢測(cè)裝置運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的co分析儀、o2分析儀和壓力傳感器將結(jié)果信號(hào)發(fā)送至dcs控制系統(tǒng)，所述引風(fēng)機(jī)通過(guò)變頻器連接于dcs控制系統(tǒng)，所述風(fēng)門(mén)擋板通過(guò)驅(qū)動(dòng)器連接于dcs控制系統(tǒng)，所述dcs控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的控制系統(tǒng)安全調(diào)節(jié)閾值控制驅(qū)動(dòng)器以及變頻器，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度和引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，優(yōu)化調(diào)整加熱爐燃燒狀態(tài)，所述可視化監(jiān)測(cè)裝置顯示加熱爐內(nèi)燒嘴燃燒狀態(tài)，估算燃燒效率，計(jì)算爐膛橫向溫度均勻性和縱向溫度梯度。

優(yōu)選的，所述co分析儀包括分別安裝于加熱爐頂部煙道上的發(fā)射端和接收端，所述發(fā)射端包括光源、驅(qū)動(dòng)電路和準(zhǔn)直光路，所述接收端包含耦合光路、探測(cè)器和信號(hào)處理電路。

優(yōu)選的，所述可視化監(jiān)測(cè)裝置利用紅外輻射測(cè)溫原理測(cè)量目標(biāo)表面溫度以及燒嘴燃燒火焰形態(tài)，所述可視化監(jiān)測(cè)裝置的探測(cè)器像元根據(jù)在特定波段連續(xù)接收到的紅外輻射變化計(jì)算燃燒效率，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒控制狀態(tài)及效果，并反饋于燃燒控制系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述o2分析儀安裝于加熱爐拱頂或橫跨段，并測(cè)量煙氣中o2濃度含量。

基于多參量檢測(cè)的加熱爐可視化燃燒控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

1)壓力傳感器檢測(cè)爐膛壓強(qiáng)；

2)dcs控制系統(tǒng)對(duì)比爐膛壓強(qiáng)實(shí)測(cè)值和爐膛壓強(qiáng)設(shè)定值調(diào)節(jié)變頻器參數(shù)，控制引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證燃燒過(guò)程中爐膛始終處于穩(wěn)定的負(fù)壓狀態(tài)；

3)o2分析儀檢測(cè)爐膛內(nèi)部o2濃度，設(shè)定安全調(diào)節(jié)閾值范圍，若超出閾值范圍則立即停止dcs控制系統(tǒng)動(dòng)作并人工干預(yù)、發(fā)出報(bào)警提示，否則進(jìn)入步驟4)；

4)co分析儀檢測(cè)煙氣中的co濃度，與燃燒理論計(jì)算確定的加熱爐最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下co濃度范圍進(jìn)行對(duì)比，若在最優(yōu)范圍內(nèi)則回到步驟1)，否則進(jìn)入步驟5)；

5)pid控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度，優(yōu)化調(diào)節(jié)加熱爐配風(fēng)量。

優(yōu)選的，爐膛壓強(qiáng)實(shí)測(cè)值為若干壓力傳感器中各個(gè)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的中位數(shù)。

優(yōu)選的，當(dāng)爐膛壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，先通過(guò)控制引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)穩(wěn)定爐膛壓強(qiáng)，若壓強(qiáng)實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間誤差或誤差率仍然持續(xù)增大，則微調(diào)風(fēng)門(mén)擋板，改變進(jìn)風(fēng)量來(lái)維持爐膛壓力的穩(wěn)定。

優(yōu)選的，步驟5)中pid控制器的控制模型為：

α′＝α(ae1+be2+ce3)(1)

式(1)中α為風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度的原控制信號(hào)，α′為調(diào)節(jié)后風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度的新控制信號(hào)，e1為本次調(diào)控循環(huán)中煙氣所含co濃度相對(duì)誤差，e2為上次調(diào)控循環(huán)煙氣所含co濃度相對(duì)誤差，e3為再上次調(diào)控循環(huán)煙氣所含co濃度相對(duì)誤差，a、b、c為調(diào)節(jié)系數(shù)。

有益效果：本發(fā)明的基于多參量檢測(cè)的加熱爐可視化燃燒控制系統(tǒng)及控制方法，改變以往國(guó)內(nèi)加熱爐均采用基于氧含量控制的過(guò)氧燃燒狀態(tài)，采用co含量控制使加熱爐處于近理論燃燒狀態(tài)，提高燃燒效率、提高裝置運(yùn)行效率、降低污染物排放，特別是co2和nox的排放，可視化裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)燒嘴燃燒狀態(tài)、燃燒效率及爐膛溫度為燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)提供直觀的檢驗(yàn)手段和控制效果的實(shí)時(shí)在線(xiàn)評(píng)價(jià)方法，并直接反饋于控制系統(tǒng)，確保裝置安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，o2濃度含量用于優(yōu)化控制的參考量，設(shè)定安全閾值，減少爐膛內(nèi)過(guò)?？諝夂?，減少排煙損失，提高熱效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的co分析儀結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的可視化系統(tǒng)原理框圖；

圖4為本發(fā)明的燃燒控制系統(tǒng)的控制方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

如圖1所示，本發(fā)明的基于多參量檢測(cè)的加熱爐可視化燃燒控制系統(tǒng)，包括用于在線(xiàn)精密檢測(cè)煙氣中co含量的co分析儀1、用于在線(xiàn)檢測(cè)爐膛內(nèi)o2含量的o2分析儀8、可視化監(jiān)測(cè)裝置6、壓力傳感器7、變頻器2、引風(fēng)機(jī)3、驅(qū)動(dòng)器5、風(fēng)門(mén)擋板4以及與co分析儀1、o2分析儀8、壓力傳感器7閉環(huán)控制連接的dcs控制系統(tǒng)，若干壓力傳感器7成組的安裝于加熱爐輻射段和對(duì)流段內(nèi)部，通過(guò)取所有單個(gè)壓力傳感器7檢測(cè)數(shù)據(jù)的中位數(shù)來(lái)確定爐膛壓強(qiáng)，用于檢測(cè)前端檢測(cè)裝置運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的co分析儀1、o2分析儀8和壓力傳感器7將結(jié)果信號(hào)發(fā)送至dcs控制系統(tǒng)，引風(fēng)機(jī)3通過(guò)變頻器2連接于dcs控制系統(tǒng)，風(fēng)門(mén)擋板4通過(guò)驅(qū)動(dòng)器5連接于dcs控制系統(tǒng)，dcs控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的控制系統(tǒng)安全調(diào)節(jié)閾值控制驅(qū)動(dòng)器5以及變頻器2，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)擋板4開(kāi)度和引風(fēng)機(jī)3轉(zhuǎn)速，優(yōu)化調(diào)整配風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的最佳配比，穩(wěn)定爐膛負(fù)壓，提高加熱爐運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)加熱爐安全、穩(wěn)定、高效、長(zhǎng)周期運(yùn)行的目的，優(yōu)化調(diào)整加熱爐燃燒狀態(tài)，如圖3所示，可視化監(jiān)測(cè)裝置6顯示加熱爐內(nèi)燒嘴燃燒狀態(tài)，估算燃燒效率，計(jì)算爐膛橫向溫度均勻性和縱向溫度梯度，反演爐膛內(nèi)目標(biāo)和空間溫度直觀反映燃燒控制效果，給燃燒控制系統(tǒng)提供更豐富的檢測(cè)手段，指導(dǎo)燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和保持最佳控制狀態(tài)，可視化監(jiān)測(cè)裝置6還可與dcs控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接，將燃燒效率直接輸入dcs控制系統(tǒng)，還可通過(guò)視頻、圖像、數(shù)據(jù)等信息直觀反應(yīng)加熱爐工作狀態(tài)，便于人工觀測(cè)和手動(dòng)干預(yù)，co分析儀1采用光譜吸收技術(shù)實(shí)時(shí)在線(xiàn)精確測(cè)量煙氣中co濃度，根據(jù)物質(zhì)對(duì)不同頻率的電磁波有不同的吸收特征，因此吸收譜線(xiàn)可作為識(shí)別不同氣體分子的“指紋”，根據(jù)吸收譜線(xiàn)的位置和強(qiáng)度可以確定分子的成分和濃度，采用分布反饋式結(jié)構(gòu)的近紅外波段半導(dǎo)體激光器作為光源，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線(xiàn)寬、快速調(diào)諧特性，通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)氣體的一條孤立吸收線(xiàn)實(shí)現(xiàn)氣體濃度的快速檢測(cè)，同時(shí)采用調(diào)制和多次反射技術(shù)可使系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到ppm甚至ppb量級(jí)，如圖2所示，co分析儀1包括分別安裝于加熱爐頂部煙道上的發(fā)射端9和接收端10，發(fā)射端9包括光源、驅(qū)動(dòng)電路和準(zhǔn)直光路，接收端10包含耦合光路、探測(cè)器和信號(hào)處理電路，安裝完成第一次使用時(shí)，需要對(duì)準(zhǔn)直光路和耦合光路進(jìn)行定標(biāo)，co濃度測(cè)量范圍可達(dá)0～1000ppm，精確度可達(dá)1ppm，根據(jù)燃燒理論和加熱爐煙氣中co、o2和nox含量的關(guān)系可確定滿(mǎn)足加熱爐燃燒效果好且nox排放少時(shí)co最優(yōu)濃度范圍，并通過(guò)對(duì)co濃度的控制來(lái)直接控制燃燒效果，實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的最佳配比，可視化監(jiān)測(cè)裝置6利用紅外輻射測(cè)溫原理測(cè)量目標(biāo)表面溫度以及燒嘴燃燒火焰形態(tài)，通過(guò)選取合適的波長(zhǎng)、帶寬及波長(zhǎng)間距可有效減少目標(biāo)輻射率和高溫?zé)煔鈱?duì)測(cè)溫精度的影響，準(zhǔn)確測(cè)量壁面溫度分布。在波長(zhǎng)λ1和λ2下，同時(shí)測(cè)量目標(biāo)同一點(diǎn)發(fā)射的光譜輻照度為m(t,λ1)和m(t,λ2)，利用二者的比值可反演目標(biāo)任一點(diǎn)的溫度：

式(2)中，c2為溫度常數(shù)，t為壁面溫度，ε為目標(biāo)輻射率，目標(biāo)溫度分布作為空間溫度場(chǎng)重建方程求解的關(guān)鍵邊界條件，求解空間單元輻射對(duì)流能量平衡方程組即可得到爐膛空間溫度，利用探測(cè)器像元在連續(xù)時(shí)間段內(nèi)接收的目標(biāo)紅外輻射及目標(biāo)輻射的對(duì)比度變化可反演輻射光程上燃燒效率，進(jìn)而得到爐膛空間燃燒效率，根據(jù)燒嘴燃燒火焰形態(tài)可直觀判斷燒嘴燃燒狀態(tài)，通過(guò)燒嘴火焰形態(tài)變化直觀反映加熱爐配風(fēng)情況，利用燃燒爐配風(fēng)、爐膛空間燃燒效率和溫度分布情況可直觀體現(xiàn)裝置運(yùn)行情況，判斷優(yōu)化燃燒控制效果，給燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)提供最直接、最有效的檢測(cè)手段和評(píng)價(jià)方法，o2分析儀8安裝于加熱爐拱頂或橫跨段，測(cè)量煙氣中o2濃度含量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒過(guò)程中的異常情況，由于傳統(tǒng)加熱爐控制系統(tǒng)采用爐膛內(nèi)o2含量來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量的方法控制燃燒效果，所以o2分析儀8可與傳統(tǒng)加熱爐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容，并給基于co控制的燃燒控制系統(tǒng)設(shè)定操作的安全閾值范圍，如圖4所示，基于多參量檢測(cè)的加熱爐可視化燃燒控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

1)壓力傳感器7檢測(cè)爐膛壓強(qiáng)，對(duì)爐膛不同位置、不同高度的壓力進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，監(jiān)測(cè)加熱爐運(yùn)行狀態(tài)；

2)dcs控制系統(tǒng)對(duì)比爐膛壓強(qiáng)實(shí)測(cè)值和爐膛壓強(qiáng)設(shè)定值調(diào)節(jié)變頻器2參數(shù)，控制引風(fēng)機(jī)3轉(zhuǎn)速，保證燃燒過(guò)程中爐膛始終處于穩(wěn)定的負(fù)壓狀態(tài)；

3)o2分析儀8檢測(cè)爐膛內(nèi)部o2濃度，與低氧燃燒設(shè)定范圍對(duì)比，設(shè)定安全調(diào)節(jié)閾值范圍，若超出閾值范圍則立即停止dcs控制系統(tǒng)動(dòng)作并將異常信號(hào)輸出至控制室人工干預(yù)、發(fā)出報(bào)警提示，否則進(jìn)入步驟4)；

4)co分析儀1檢測(cè)煙氣中的co濃度，與燃燒理論計(jì)算確定的加熱爐最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下co濃度范圍進(jìn)行對(duì)比，若在最優(yōu)范圍內(nèi)則回到步驟1)，否則進(jìn)入步驟5)；

5)pid控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度，優(yōu)化調(diào)節(jié)加熱爐配風(fēng)量。

爐膛壓強(qiáng)實(shí)測(cè)值為若干壓力傳感器7中各個(gè)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的中位數(shù)，當(dāng)爐膛壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，先通過(guò)控制引風(fēng)機(jī)3轉(zhuǎn)速來(lái)穩(wěn)定爐膛壓強(qiáng)，避免影響加熱爐進(jìn)風(fēng)量進(jìn)而改變了燒嘴處空燃比，當(dāng)引風(fēng)機(jī)3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不能滿(mǎn)足要求，壓強(qiáng)實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間誤差或誤差率仍然持續(xù)增大，則微調(diào)風(fēng)門(mén)擋板4，改變進(jìn)風(fēng)量來(lái)維持爐膛壓力的穩(wěn)定，步驟5)中pid控制器的控制模型為：

α′＝α(ae1+be2+ce3)(1)

式(1)中α為風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度的原控制信號(hào)，α′為調(diào)節(jié)后風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)度的新控制信號(hào)，e1為本次調(diào)控循環(huán)中煙氣所含co濃度相對(duì)誤差，e2為上次調(diào)控循環(huán)煙氣所含co濃度相對(duì)誤差，e3為再上次調(diào)控循環(huán)煙氣所含co濃度相對(duì)誤差，a、b、c為調(diào)節(jié)系數(shù)。

如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對(duì)本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。