CN102654286B

CN102654286B - 智能动态燃烧气氛控制仪

Info

Publication number: CN102654286B
Application number: CN201210157731.8A
Authority: CN
Inventors: 吴军方; 陆彬; 侯峻巍; 高建勋
Original assignee: WUXI LONGSHAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Yifei Data Technology Co. Ltd.
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: CN102654286A

Abstract

本发明提供了一种智能动态燃烧气氛控制仪，它包括可燃物含量检测仪、残氧量分析仪、烟气温度检测仪、PLC及触摸屏，所述PLC的输入端连接可燃物含量检测仪、残氧量分析仪、烟气温度检测仪，PLC的输出端连接空气流量调节阀；实时采集到的烟气中的可燃物含量、残氧量和烟气温度信号送入PLC，由PLC根据设定参数进行计算、比较、分析，提示燃烧气氛状况，并控制空气流量调节阀实施自动调节空燃比，精确控制燃烧气氛；通过触摸屏设定燃烧种类、控制模式、控制参数和报警参数。优点是：通过对加热炉、锅炉等燃烧设备中烟气成分的可燃物含量、残氧量和烟气温度的测量、分析，智能调节助燃空气的流量，实时地自动调节空燃比，精确控制燃烧气氛。

Description

智能动态燃烧气氛控制仪

技术领域

本发明涉及一种智能动态燃烧气氛控制仪，应用于各类燃烧炉。

背景技术

节能与环保是相互关联的两个不同视角，能耗大一般污染也重，在燃化石燃料的加热炉上，节能与环保指标很大程度上与燃烧是否充分有直接关系，尤其是一些钢铁厂的大型加热炉，所用燃料的热值、压力波动较大，而常用的控制系统通常将燃料热值作为一个给定值，而不是实际测出的值，即使有些系统采用了在线的热值仪，也由于所测参数的滞后和测量精度太低，所得到的热值数据也无法较精确的用于控制，对于钢铁厂的加热炉而言，炉内燃烧气氛的控制非但影响到节能和环保，对产品质量和成材率的影响所造成的经济损失可能更大。

目前燃化石燃料的燃烧系统空燃比的控制采用如图1所示的前置式空燃比控制模式。

1.按燃料理论空燃比给定值控制。

在线检测各控制段的空气、煤气的瞬时流量，当煤气量发生变化时，空气量按以下公式的计算值随动，热值变化时误差较大。

Q_空气 =α×Q_煤气×K_{理论空燃比}（通常α取1.00～1.05）。

其中，Q_空气表示空气的流量，α表示空气过剩系数，Q_煤气表示煤气的流量，K_{理论空燃比}表示理论空燃比。

2.采用热值仪在线检测给定值控制

在线检测煤气热值，并实时计算空燃比K瞬时，同时检测各控制段的空气、煤气的瞬时流量，当煤气量发生变化时，空气量按以下公式的计算值随动，消除因热值变化所带来的误差。

Q_空气 =α×Q_煤气×K_瞬时（通常α取1.00～1.05）。

其中，K_瞬时表示瞬时空燃比。

上述模式可以称为一种前置式控制模式，是一种很粗放的控制方式，主要是因为燃料热值的给定不是实际的值，即使是装有在线燃料热值检测仪，其测量值的精度和实时性也不够精确，加上流量计的误差和控制软件的响应误差，最终的空燃比控制精度非常粗放。

有些要求较高的燃烧控制系统在烟气管道上设有在线烟气分析仪，检测烟气中的残氧量和一氧化碳含量，但一般都只是检测、显示一下数值而已，都不参与实时空燃比自动控制，因此仍属前置式控制模式。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种智能动态燃烧气氛控制仪，通过对加热炉、锅炉等燃烧设备中烟气成份的在线实时综合检测与分析，智能动态地调节空燃比，克服因燃料的热值、压力波动干扰，从而实现实时地自动调节空燃比，精确控制燃烧气氛。

按照本发明提供的技术方案，所述智能动态燃烧气氛控制仪包括：设置于燃烧炉现场的可燃物含量检测仪、残氧量分析仪、烟气温度检测仪、PLC及触摸屏，所述PLC的输入端连接可燃物含量检测仪、残氧量分析仪、烟气温度检测仪，PLC的输出端连接空气流量调节阀；实时采集到烟气中的可燃物含量、残氧量和烟气温度信号送入PLC，由PLC根据设定参数进行计算、比较、分析，然后提示燃烧气氛状况，并控制空气流量调节阀实施自动调节空燃比，精确控制燃烧气氛；通过所述触摸屏设定燃烧种类、控制模式、控制参数和报警参数，PLC根据设定参数进行自动检测和控制；整个燃烧过程的检测参数、设定参数和反馈参数均在触摸屏上予以显示。

所述PLC连接现场的主控计算机系统，通过触摸屏调取工作过程和参数的历史记录。

所述检测参数包括：实测烟气中的温度、一氧化碳含量、氧含量，所述设定参数包括：一氧化碳含量设定和氧含量设定，所述反馈参数包括：空气流量调节阀的实际阀位信号和实际空燃比。

本发明的优点是：通过对加热炉、锅炉等燃烧设备中烟气成分的可燃物含量、残氧量和烟气温度的测量、分析，智能动态地调节助燃空气的流量，克服因燃料的热值、压力波动干扰，从而实现了实时地自动调节空燃比，精确控制燃烧气氛。该产品是在线、连续、高速控制各种燃烧气氛的理想设备，可广泛应用于冶金、化工、电力等行业的各种加热炉、锅炉等。

附图说明

图1是前置式空燃比控制流程示意图。

图2是后置式空燃比控制流程示意图。

图3是空燃比动态曲线示意图。

图4是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

本设备是如图2所示的一种后置式燃烧气氛控制装置，可同时检测烟气温度T、CO%、O₂%，甚至还可增加H₂%、CH₄%的检测，以适应不同的燃料和燃烧系统。

本设备的控制原理参见图3所示，横坐标是空燃比，纵坐标是烟气中CO及O₂的含量。以高炉煤气为例，一般情况下，合理的空燃比是要使得空气过剩系数在1.00～1.05左右，假设实际空燃比控制在“A”至“B”之间的范围内，则空燃比在“L”范围内波动，由于实际烟气中氧气和一氧化碳不可能为零，所以当燃烧系统形式确定后，正常燃烧时烟气中的氧气和一氧化碳都有一个“底值”。实际生产时图3曲线按下述规律变化：

1.实际空燃比总是在“L”区域内波动，不可能是一个点。

2.当空燃比降低时，“L”区左移，烟气中一氧化碳值会增加，但氧气不会明显减少。

3.当空燃比增加时，“L”区右移，烟气中氧气量会增加，但一氧化碳不会明显减少。

4.系统控制精度越高，“L”区越窄。

5.燃料热值或压力波动越大，“L”区越宽。

6.当燃烧系统不正常工作时，曲线会同时上移，即“底值”增加。

本设备基于上述原理，直接在线测出烟气中的残氧量和一氧化碳含量，快速反馈控制助燃空气量，在将“L”区域跟踪在最佳范围内的同时，也将“L”区域控制在最小范围内。

如图4所示，本发明包括：设置于燃烧炉现场的可燃物含量检测仪、残氧量分析仪、烟气温度检测仪、PLC及触摸屏，所述PLC的输入端连接可燃物含量检测仪、残氧量分析仪、烟气温度检测仪，PLC的输出端连接空气流量调节阀；实时采集到的烟气中的可燃物含量、残氧量和烟气温度信号送入PLC，由PLC根据设定参数进行计算、比较、分析，然后提示燃烧气氛状况，并控制空气流量调节阀实施自动调节空燃比，精确控制燃烧气氛；通过所述触摸屏设定燃烧种类、控制模式、控制参数和报警参数，PLC根据设定参数进行自动检测和控制。

本智能动态燃烧气氛控制仪采用智能的可燃物含量检测仪、残氧量分析仪、烟气温度检测仪及德国西门子公司的可编程控制器（PLC）、触摸屏（HMI）组成先进、实用、可靠的燃烧气氛自动调节控制仪器。操作人员在HMI上通过人机对话的形式，可以设定燃烧种类、控制模式、控制和报警参数。系统的整个过程检测参数、控制设定参数和反馈参数均在HMI上显示，同时可随时调阅各种历史记录或根据用户要求打印，声音报警系统又能及时对故障、误操作等进行报警，并向操作者提示处理方法。

1、本发明所使用的残氧量分析仪的技术参数如下。

传感器型号：ZO-4-600。

测量范围：0～25%O₂。

测量精度：＜±2.0%F.S，转换器：＜±1.0%F.S。

输出信号：4～20mADC，负载电阻≤500Ω，隔离。

被测烟气温度：ZO—4型低于600℃（低温型）；ZO—5型 600℃～800℃（高温型）。

响应时间：从通标准气起，5秒内达到氧量90%的响应。

氧化锆探头加热升温时间（低温型）：约20分钟。

工作电压：220VAC±10%，50Hz。

功耗：小于150w。

环境温度：检测器-10～80℃，转换器-5～45℃，相对湿度＜90%RH。

2、可燃物含量检测仪的技术参数如下。

传感器型号：TA3120。

仪表类型：隔爆型气体变送器。

采样方式：自然扩散式。

检测原理：电化学。

工作方式：固定式连续工作。

测量范围：0～1000ppm。

测量精度：≤±2.0%F.S。

输出信号：4～20mADC（三线制）。

响应时间：≤30s（达90%稳定值）。

工作电压：24VDC。

功耗：＜2w。

环境温度：－20℃～50℃，相对湿度＜90%RH。

防爆等级：ExdⅡCT6。

3、烟温检测仪的技术参数如下。

传感器型号：WRN-220。

测量范围：0～800℃。

测量精度：＜±1.0%F.S。

响应时间：＜90s。

传感器类型：分度号“K”。

环境温度：－20℃～50℃。

在本发明智能动态燃烧气氛控制仪的控制主界面，将智能动态燃烧气氛控制仪检测的烟气温度、一氧化碳含量及氧气含量实时的显示在画面中；一氧化碳设定和氧含量设定是我们控制仪的控制目标。只要在对应框内输入相应的值，再点“手动/自动选择”按钮，如出现偏差，直接调节空气流量调节阀或通过主控计算机系统自动调节空气量，从而达到最佳的燃烧状态，并在主界面中显示实际的空燃比值和空气调节阀的阀位反馈值。具体操作方法为：

1、在控制仪的主界面上设定一氧化碳含量的控制值和氧含量的控制值，控制方式选择“手动”或“自动”。

2、控制方式选择“手动”：主界面中显示实测烟气中的温度，一氧化碳含量和氧含量，另外，有主系统中反馈过来的空气流量调节阀的实际阀位信号和实际空燃比。当一氧化碳含量实测值超过设定值，氧含量实测值在设定值以下时，则说明燃料没有充分燃烧，欠氧，实际空燃比偏低，所以要手动调节空气流量调节阀的开度，适当增加助燃空气量，使一氧化碳含量降低到设定值以下，达到燃烧的最佳状态；当氧含量实测值超过设定值，一氧化碳含量实测值在设定值以下时，则说明空气量过剩，实际空燃比偏高，所以要手动调节空气流量调节阀的开度，适当减少助燃空气量，使氧含量降到设定值以下，达到燃烧的最佳状态；当一氧化碳含量和氧含量的实测值都超过设定值时，则说明空气和燃料没有混合好，还没有充分燃烧就排到烟道中去了，大部分原因是燃烧器出了故障，需要维修。

3、若控制方式选择“自动”：主界面中显示的实测值，则自动和设定值进行比较；若出现偏差超过规定阈值，则控制仪将直接或通过主控计算机系统（在采用本发明对现场进行改造时，可能现有的控制系统已经布置好了，因此无需断开原先的连接，将本控制仪直接与空气流量调节阀相连，可以借助现有的控制系统实现通信）向现场发出控制信号，自动调节空气流量调节阀，增加或减少助燃空气流量，使一氧化碳含量或氧含量降低到设定值以下，系统处于最佳的燃烧状态，此时，实际空燃比也就是最佳空燃比，保证燃烧气氛控制在理想的范围内。

在参数设定界面中，给出了烟气温度、一氧化碳含量和氧含量高报警值的设定；当到达高报警设定值时，控制仪将报警。

在系统的曲线画面中分别记录了一氧化碳含量、氧含量和烟气温度1小时的实时曲线，系统内保存半年以上的历史数据，可用U盘导出。

系统的报警画面中对检测超限值的进行报警，并显示报警参数的当前值和界限值，记录报警的相关信息，并提示处理方法。

本发明能够适应加热炉、锅炉等燃烧系统因燃料热值波动大、压力不稳定的干扰，始终保持合理的空燃比例，提高燃烧效率。对燃气的种类和燃烧的方式适应范围广，适应能力强。

气体传感变送器采用全进口传感器，抗烟气腐蚀能力强，具有零位漂移自动调整，工作稳定，调节方便。外壳采用耐高温、耐腐蚀的不锈钢材料组成，防爆、防渗漏。

表内结构全浮空，抗干扰能力强，监测数据可靠；PLC核心系统运算速度快，精确度高，兼容性强，控制模式多；HMI人机界面友好，操作方便，组态功能强大。

本发明发送4～20mADC的标准信号，便于和现场已有的流量调节系统或主控计算机系统的传输连接，也可采用现场总线的方式进行通讯连接。

根据智能动态燃烧气氛控制仪检测出的可燃物含量和残氧量，作为手动或参与自动系统控制的依据，精确动态控制燃烧气氛或查找燃烧不佳的设备故障，采用此装置可降低加热炉能耗10%以上。

Claims

1. 智能动态燃烧气氛控制仪，包括设置于燃烧炉现场的可燃物含量检测仪、残氧量分析仪、烟气温度检测仪及PLC，所述PLC的输入端连接残氧量分析仪、烟气温度检测仪，PLC的输出端连接空气流量调节阀；实时采集到烟气中的可燃物含量、残氧量和烟气温度信号送入PLC，由PLC根据设定参数进行计算、比较、分析，然后提示燃烧气氛状况，并控制空气流量调节阀实施自动调节空燃比，精确控制燃烧气氛；其特征是：所述PLC的输入端连接可燃物含量检测仪；还包括触摸屏，通过所述触摸屏设定燃烧种类、控制模式、控制参数和报警参数，PLC根据设定参数进行自动检测和控制；整个燃烧过程的检测参数、设定参数和反馈参数均在触摸屏上予以显示；

所述PLC连接现场的主控计算机系统，通过触摸屏调取工作过程和参数的历史记录；

所述检测参数包括：实测烟气中的温度、一氧化碳含量、氧含量，所述设定参数包括：一氧化碳含量设定值和氧含量设定值，所述反馈参数包括：空气流量调节阀的实际阀位信号和实际空燃比。