CN101886883A - 一种智能加热炉调炉决策装置 - Google Patents

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孙全胜
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Abstract

本发明公开了一种智能加热炉调炉决策装置，包括：燃烧数据采集单元，用于采集加热炉内的燃烧状况数据，并转发给控制处理单元；控制处理单元，与燃烧数据采集单元、调炉决策预先存储单元相连接，用于根据调炉决策预先存储单元预先存储的多个不同的燃烧状况数据与不同的多个调炉决策之间的映射关系，获得与所接收到的燃烧状况数据具有映射关系的调炉决策然后一起发送给显示决策单元；显示决策单元，与控制处理单元相连接，用于实时显示出所接收到的调炉决策。本发明可以实时采集加热炉内的燃烧状况数据，向工作人员传达加热炉内各种气体的燃烧状况以及所需要采取的调炉决策信息，方便工作人员根据调炉决策信息对加热炉进行操作控制。

Description

一种智能加热炉调炉决策装置
技术领域
本发明涉及单片机控制和数据采集通信技术领域，特别是涉及一种智能加热炉调炉决策装置。
背景技术
目前，对于普遍应用于工业生产的加热炉装置，其控制指标主要是根据生产工艺要求确定的，缺少对能耗优化控制的充分考虑。而由于当前国家对于企业节能降耗的发展要求，近年来国内相关行业给与了极大的重视，在原有设备控制的基础上采取了一些相应的措施。然而，目前国内对于加热炉能耗优化控制的工作还十分薄弱，亟待开展这方面的工作以提高加热炉的能耗控制水平。随着近年来的技术发展，基于单片机技术为核心的数据采集系统已经日趋成熟，芯片选择便利程序设计灵活，对于恶略的现场工业环境适应能力不断增强，大大方便了数据采集系统的设计。
在实际现场环境中，由于环境十分恶劣，加热炉需要不间断的进行工作，而工作人员无法实时去监测加热炉的工作状态，因此无法实时地采集加热炉内的烟气数据和温度数据，无法获得加热炉内的燃烧情况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种智能加热炉调炉决策装置，其可以实时采集加热炉内的燃烧状况数据，并将该燃烧状况数据以及对应所述燃烧状况数据的调炉决策及时地告知工作人员，从而向工作人员传达加热炉内各种气体的燃烧状况以及所需要采取的调炉决策信息，方便工作人员根据调炉决策信息对加热炉进行操作控制，有利于提高工作人员对加热炉操作的工作效率，降低管理成本，促进工业上的推广应用，具有重大的实际意义。
为此，本发明提供了一种智能加热炉调炉决策装置，包括：
燃烧数据采集单元，与至少一个加热炉的烟气采集通道相连接，用于采集加热炉内的燃烧状况数据，并转发给控制处理单元；
调炉决策预先存储单元，用于预先存储多个不同的燃烧状况数据与不同的多个调炉决策之间的映射关系；
控制处理单元，与燃烧数据采集单元、调炉决策预先存储单元相连接，用于接收所述加热炉内的燃烧状况数据，根据所述调炉决策预先存储单元预先存储的多个不同的燃烧状况数据与不同的多个调炉决策之间的映射关系，获得与所接收到的燃烧状况数据具有映射关系的调炉决策，然后将所获得的调炉决策以及加热炉内的燃烧状况数据一起发送给显示决策单元；
显示决策单元，与控制处理单元相连接，用于实时显示出所接收到的调炉决策。
其中，所述加热炉内的燃烧状况数据包括加热炉内的烟气数据和温度数据；燃烧数据采集单元包括有气体分析仪和温度分析仪。
其中，所述气体分析仪通过一个模数A/D转换器与控制处理单元相连接，所述温度分析仪直接与控制处理单元相连接。
其中，所述控制处理单元还用于选择并控制一个所述加热炉烟气通道的开启和闭合。
其中，所述控制处理单元包括有单片机W78E516B，所述加热炉的烟气通道上设置有电磁阀，该单片机W78E516B与可编程外围接口芯片82C55A相连接，可编程外围接口芯片82C55A的输出端与电磁阀相接，所述可编程外围接口芯片82C55A用于控制电磁阀的开闭，实现选通加热炉的烟气通道。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种智能加热炉调炉决策装置，其可以实时采集加热炉内的燃烧状况数据(包括烟气数据和温度数据)，并将该燃烧状况数据以及对应所述燃烧状况数据的调炉决策及时地告知工作人员，从而向工作人员传达加热炉内各种气体的燃烧状况以及所需要采取的调炉决策信息，方便工作人员根据调炉决策信息对加热炉进行操作控制，有利于提高工作人员对加热炉操作的工作效率，降低管理成本，促进工业上的推广应用，具有重大的实际意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种智能加热炉调炉决策装置的结构框图；
图2为本发明的加热炉的结构简图；
图3为控制处理单元中单片机与总线驱动器74HC245的外部连接扩展电路图；
图4a为控制处理单元中两片可编程逻辑芯片GAL16V8的电路的电路图；
图4b为控制处理单元中一片数据锁存器74HC573的电路图；
图5为控制处理单元中的一片可编程外围接口芯片82C55A的电路连接图；
图6为控制处理单元中的时钟芯片DS12C887的电路连接图；
图7为控制处理单元中的模数A/D转换芯片MAX197的电路连接图；
图8为控制处理单元中的RS485总线通信的电路连接图；
图9为控制处理单元中的异步串行收发器TL16C550的电路连接图；
图10为控制处理单元中的RS232总线通信的电路连接图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本
图1为本发明提供一种智能加热炉调炉决策装置的结构框图；
参见图1，本发明提供了一种智能加热炉调炉决策装置，包括有燃烧数据采集单元101、调炉决策预先存储单元102、控制处理单元103和显示决策单元104，其中：
燃烧数据采集单元101，与至少一个加热炉的烟气采集通道相连接，用于采集加热炉内的燃烧状况数据，并转发给控制处理单元102；
需要说明的是，燃烧数据采集单元101内有抽气泵，抽气泵将气体从采样点通过烟气采集通道抽到充当燃烧数据采集单元101的气体分析仪和温度分析仪，用以分析得到数据。
调炉决策预先存储单元102，用于预先存储多个不同的燃烧状况数据与不同的多个调炉决策之间的映射关系；
在本发明中，所述调炉决策预先存储单元102为一个数据存储器，优选为非易失性随机访问存储器NVRAM。
具体实现上，本发明对于不同的燃烧状况数据采用不同的调炉决策。
需要说明的是，参见图2，本发明的加热炉中，包括有空气预热器，空气预热器位于如图2所示位置，通过鼓风机吹入空气，将烟气回吹回加热炉，从而来回收烟气所携带的热量。在每一个采样点(对流段顶、预热期前和预热期后采样点)都引出一个烟气采样通道连接到燃烧数据采集单元101，在采样时刻通过智能选择切换，切换当前采样点的烟气采样管道，通过燃烧数据采集单元101内的烟气抽气泵将采样点的烟气通过烟气管道抽到燃烧数据采集单元101以供处理。
需要说明的是，对于本发明，包括有对流段顶，预热期前，预热器后这三个采样点，对流段顶采样点其实就是在对流段的对流段出口那个部分，往上就是烟囱了，也就是位于排气烟囱与对流段交界处；预热期前采样点就是预热器上面那一部分，那里有个采样点，预热期后采样点就是图2上预热器左边的那一个通道，经过了预热器所以叫预热期后采样点。
例如：当加热炉中预热器后采样点氧气的百分含量大于百分之5且一氧化碳的ppm(一百万体积的空气中所含一氧化碳的体积数)值在0与1之间时，那么加热炉的状态诊断为进风量过剩，本发明采取的调炉决策预先设定为适当减少进风量；
当加热炉中预热器后采样点的温度大于200度时，那么加热炉的状态诊断为由于含硫增高，空气预热器的冷端产生露点腐蚀，而使热管积灰甚至堵塞，换热效果差，加热炉的烟气没有进行充分预热回收就排入大气，这时本发明采取的调炉决策为温度太高，会导致预热管损坏，建议除灰排烟温度过高时，会导致空气预热器热管损坏，本发明采取的调炉决策为对加热炉中的空气预热器清灰；
当加热炉中对流段顶采样点的二氧化硫ppm(一百万体积的空气中所含二氧化硫的体积数)值大于200时，那么加热炉的状态诊断为燃料含硫量较高，容易在烟道及余热回收设备的低温换热面上产生低温露点腐蚀，这时本发明采取的调炉决策为保证燃料品质，控制排烟温度在露点温度以上20度。
控制处理单元103，与燃烧数据采集单元101、调炉决策预先存储单元102相连接，用于接收所述加热炉内的燃烧状况数据，根据所述调炉决策预先存储单元102预先存储的多个不同的燃烧状况数据与不同的多个调炉决策之间的映射关系，获得与所接收到的燃烧状况数据具有映射关系的调炉决策，然后将所获得的调炉决策以及加热炉内的燃烧状况数据一起发送给显示决策单元104；
显示决策单元104，与控制处理单元103相连接，用于实时显示出所接收到的调炉决策，让工作人员实时了解到加热炉内各种气体的燃烧状况。
在本发明中，具体实现上，所述加热炉内的燃烧状况数据包括加热炉内的烟气数据和温度数据，对应地，燃烧数据采集单元101包括有气体分析仪和温度分析仪，其中，所述气体分析仪通过一个模数A/D转换器与控制处理单元103相连接，其将加热炉内被测气体的含量转换为4～20mA的模拟电信号，并通过与其相连接的模数A/D转换器转换成数字信号，然后传送给控制处理单元103；所述温度分析仪通过RS485总线直接与控制处理单元103相连接，其直接采集获得加热炉内的温度数据并形成温度数字信号发送给控制处理单元103。
需要说明的是，由MAX491芯片组成的RS485通信收发器是在控制处理单元上，温度分析仪上有标准的RS485通信接口，直接通过标准的接口就可以引出信号的，通过温度分析仪引出的RS485总线与控制处理单元103上的由MAX491组成的收发器相连来通信。
在本发明中，控制处理单元103还用于选择并控制一个所述加热炉烟气通道的开启和闭合；
具体实现上，所述控制处理单元103包括有单片机MCU W78E516B，所述加热炉的烟气通道(具体有三路烟气通道)上设置有电磁阀，该单片机W78E516B与可编程外围接口芯片82C55A相连接，参见图4，图4为可编程外围接口芯片82C55A控制电路图。将可编程外围接口芯片82C55A设置为输出方式，数据端接受来自单片机的控制信息，可编程外围接口芯片82C55A的输出端B口的第7位、5位、3位用来控制三路电磁阀的开闭，从而实现选通相应采样点的烟气通道。
在本发明中，具体实现上，所述控制处理单元103可以根据所接收到的加热炉内的烟气数据和温度数据，计算得到加热炉的热效率、酸露点和过剩空气系数等数据，并且进行存档处理，以便工作人员随时调用。
需要说明的是，对于本发明，所述热效率为总输入热量减去总损失热量二者之间的差值与总输入热量的比值。总输入热量包括：燃料的低热值、雾化蒸汽入炉时带入的热量、燃料入炉时带入的热量、空气入炉时带入的热量。总损失热量包括：烟气带走的热量、燃料的化学不完全燃烧损失、燃料的机械不完全燃烧损失、炉壁散热损失。
其中，化学不完全燃烧损失，其主要取决与烟气中一氧化碳CO的含量，因此可通过监测烟气中的CO的含量来计算。烟气带走的热量由过剩空气量和排烟温度决定，这是加热炉的主要热损失。加热炉是靠燃料燃烧供给热量的。在操作过程中，加热炉内烟气含氧量增加，表明进入炉内的过剩空气多。在排烟中，大量的过剩空气将热量带走排入大气，所以使炉子热损失增多，热效率下降。由于过剩的空气是在出口烟气温度下排入大气的，所以排烟温度越高，过剩空气带走的热量越多，对热效率的影响就越大。因此要想提高加热炉热效率既要采取措施使燃料充分燃烧，热能释放最大化；又要减小热能损失；还要提高操作水平，及时调节控制氧含量、一氧化碳含量和排烟温度，在保证充分燃烧的前提下，提高热量有效利用率。这些措施的实施必须建立在准确有效的检测基础上，分析出影响热效率提高的原因，可以通过操作调节得到改善。根据现场的采样数据以及多年的专家经验分析，总结出了一套综合效率的简化计算方法，适用于管式炉的日常操作调节和管理，也可用于微机上综合效率的显示、记录和控制。
需要说明的是，计算热效率的公式是依据现有的中华人民共和国石油天然气行业标准中的管式加热炉规范制定的经验公式，是简化的计算方法，适用于管式炉的日常操作调节和管理，也可用于微机上综合效率的显示、记录和控制，不适用于管式炉的标定、考核、评价和分析。
简化计算式为：加热炉的热效率η＝100-q1-q2-q3；
排烟损失热量占供给能量的百分数
Figure BSA00000167254300061
不完全燃烧损失热量占供给能量的百分数
Figure BSA00000167254300063
式中，q3--表面散热损失热量占供给能量的百分数，本发明应根据被测炉子的日常积累的测试数据及操作热负荷来预先选取适当的数值，即预先设定该数值。
上述公式中，a为过剩空气系数，O2为氧含量百分数，tg为排烟温度，W为雾化蒸汽用量；CO为烟气中一氧化碳含量，ppm；ta为外供热源预热空气温度时，热空气的温度。
加热炉的过剩空气系数是衡量操作的主要参数。它的大小不仅影响到加热炉的热效率，还影响其它许多方面。提高热效率、降低燃料用量，必须找到最佳过剩空气系数值。事实上，任何一台加热炉，当其燃料固定时，在一定负荷下，必然存在最高热效率的工况，对应于最高热效率，排烟温度和过剩空气系数就是最佳参数。由过剩空气系数与燃料消耗量的采样关系曲线看，空气过剩系数控制在1.13～1.20时，燃料耗量最低。对应于干烟气(取样分析)和湿烟气(氧化锆氧分析仪)两种情况下有相应的两套简化计算公式来计算过剩空气系数的采样值。
需要说明的是，计算过剩空气系数的采样值的公式是现有的中华人民共和国石油天然气行业标准中的管式加热炉规范制定的经验公式。
例如，进行取样分析后获得的干烟气过剩空气系数α＝(21-0.0627O2)/(21-O2)；采用氧化锆氧分析仪获得的湿烟气过剩空气系数()：α＝(21+0.116O2)/(21-O2)；在这两个公式中，O2为所采样空气中的氧含量百分数。
烟气露点温度随燃料中的含硫量或硫化氢含量的增多而升高。低温露点腐蚀已成为进一步降低管式炉排烟温度和提高热效率的主要障碍，严格控制燃烧过剩空气量，可以有效减少三氧化硫SO3的生成量，减少低温腐蚀。因此SO3的含量多少很大程度决定了酸露点温度的高低，通过及时对原料组分的监测分析，及时推断出降低了露点温度，合理调节加热炉的配风情况，能更有效的控制好加热炉的燃烧状态。具体实现上，由过剩空气系数与SO3的转化率关系曲线可以计算出SO2的数值，继而由烟气中水蒸汽含量与烟气中SO3气体体积含量关系图计算出酸露点的温度。
在本发明中，所述显示决策单元104为液晶显示屏，当然还可以是其他类型的现场显示终端；作为控制处理单元103核心的单片机W78E516B可以通过由MAX232芯片组成的RS232通信收发器，通过RS232总线与作为显示决策单元104的液晶屏进行数据通信，向工作人员传达加热炉内的各种气体的燃烧状况以及调炉决策信息，工作人员通过不同的按键选择可以显示出对应当前加热炉内燃烧状态的调炉决策。
具体实现上，下面说明本发明的控制处理单元103的各个部分的电路连接结构。
参见图3和图4，图3和图4为作为控制处理单元103核心的单片机的外部扩展电路，用于完成数据锁存，各种芯片的片选。
图5为可编程外围接口芯片82C55A控制电路图。可编程外围接口芯82C55A设置为输出方式，它的数据端接受单片机W78E516B的控制信息，可编程外围接口芯片82C55A的输出端B口的第7位、5位、3位用来控制三路电磁阀的开闭，从而用以选通相应采样点的烟气通道。
在图6中，时钟芯片DS12C887的数据端与单片机W78E516B的数据端相连，从而实现与单片机W78E516B交换信息，单片机W78E516B通过对时钟芯片DS12C887的寄存器控制，可以实现读取和写入时间信息。
图7为MAX197芯片的连接电路，它的输入端接烟气分析仪，接收来自烟气转换后4-20mA的三路气体电信号，它的输出端将转换后的数字信号传送给单片机W78E516B进行处理，通过控制它的HBEN端的高低电平来输出高4位数据以及低8位数据，共同组成12位数字信号。
图8为一片MAX491芯片组成的RS485总线通信电路，它的AY端和BZ端分别短接，接收使能端/RE端接地，在低电平时MAX491芯片处于接收状态，DE端为发送使能端，在高电平时MAX491芯片处于发送状态，与单片机W78E516B的P3.5口相连用以控制发送状态的允许与禁止，RO端和DI端分别接单片机W78E516B的RXD和TXD端，从而完成与单片机W78E516B的数据交换。
图9与图10为RS232总线的通信部分电路图，图9中，异步串行收发器TL16C550B可将并行的数字信号转换为串行模式输出，它的数据端口与单片机W78E516B的数据口相连，完成与单片机W78E516B之间的数据交换，而MAX232芯片的T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT脚分别与异步串行收发器TL16C550B的SCOUT、RTS、SIN、CTS脚相连，完成MAX232芯片与异步串行收发器TL16C550B二者之间的数据通信。
上述本发明提供的决策装置为工业现场，尤其是在单片机控制的智能调炉决策系统中，提供了一种经济高效的工作方式。作为控制处理单元103的单片机外接有可编程外围接口芯片82C55A，这也能大限度的扩展输入输出点数，增加了装置应用的灵活性。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种智能加热炉调炉决策装置，作为一种智能调炉决策的解决方案，其可以实时采集加热炉内的燃烧状况数据(包括烟气数据和温度数据)，并将该燃烧状况数据以及对应所述燃烧状况数据的调炉决策及时地告知工作人员，从而向工作人员传达加热炉内各种气体的燃烧状况以及所需要采取的调炉决策信息，方便工作人员根据调炉决策信息对加热炉进行操作控制，有利于提高工作人员对加热炉操作的工作效率，降低管理成本，促进工业上的推广应用，具有重大的实际意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能加热炉调炉决策装置，其特征在于，包括：
燃烧数据采集单元，与至少一个加热炉的烟气采集通道相连接，用于采集加热炉内的燃烧状况数据，并转发给控制处理单元；
调炉决策预先存储单元，用于预先存储多个不同的燃烧状况数据与不同的多个调炉决策之间的映射关系；
控制处理单元，与燃烧数据采集单元、调炉决策预先存储单元相连接，用于接收所述加热炉内的燃烧状况数据，根据所述调炉决策预先存储单元预先存储的多个不同的燃烧状况数据与不同的多个调炉决策之间的映射关系，获得与所接收到的燃烧状况数据具有映射关系的调炉决策，然后将所获得的调炉决策以及加热炉内的燃烧状况数据一起发送给显示决策单元；
显示决策单元，与控制处理单元相连接，用于实时显示出所接收到的调炉决策。
2.如权利要求1所述的智能加热炉调炉决策装置，其特征在于，所述加热炉内的燃烧状况数据包括加热炉内的烟气数据和温度数据；燃烧数据采集单元包括有气体分析仪和温度分析仪。
3.如权利要求2所述的智能加热炉调炉决策装置，其特征在于，所述气体分析仪通过一个模数A/D转换器与控制处理单元相连接，所述温度分析仪直接与控制处理单元相连接。
4.如权利要求1所述的智能加热炉调炉决策装置，其特征在于，所述控制处理单元还用于选择并控制一个所述加热炉烟气通道的开启和闭合。
5.如权利要求4所述的智能加热炉调炉决策装置，其特征在于，所述控制处理单元包括有单片机W78E516B，所述加热炉的烟气通道上设置有电磁阀，该单片机W78E516B与可编程外围接口芯片82C55A相连接，可编程外围接口芯片82C55A的输出端与电磁阀相接，所述可编程外围接口芯片82C55A用于控制电磁阀的开闭，实现选通加热炉的烟气通道。
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