CN105020707A - 带监测的油喷燃器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带监测的油喷燃器。一种带监测的氧-油喷燃器，包括：油喷枪，其具有在末端处的油喷嘴，以及在末端的远处的油入口；包围油喷枪的一级氧化剂通道；在油喷嘴中定位在油喷枪的末端处的油喷嘴温度传感器；定位在油入口附近的油入口温度传感器；定位在油入口通道附近的油压力传感器；以及用于接收来自传感器的数据的仪器封壳；其中，油喷嘴温度、油供应温度和油供应压力共同可用来指示异常喷燃器状况。

Description

带监测的油喷燃器

技术领域

本申请涉及氧-燃料喷燃器，并且特别地，涉及分级式氧-油喷燃器，其构造有这样的仪器，该仪器用以监测喷燃器的状态和状况以及喷燃器运行，而且使得能够不是在需要才进行维护而是在失效之前或无法预料的停机状况之前进行智能的预防性维护。

背景技术

对于传统的喷燃器系统，炉操作者根据过去的经验或者根据常规安排来确定维护计划。这往往会产生过于激进的维护计划，花费过多工时和喷燃器停机时间，或者过于松懈，无法在发生失效之前发现可纠正的喷燃器问题。

存在用于对各种喷燃器参数进行有限监测的系统，但没有系统能够以综合的方式结合这个监测，以使得能够进行预测性维护。例如，一些现有系统需要能够看见火焰、需要温度传感器以防止过热，或者需要压力传感器以监测火焰的不稳定性。但没有系统能够以使得能够进行预测性维护的方式监测参数的组合。

发明内容

本文描述的分级式氧-燃料喷燃器构造有集成式传感器，以测量可用于监测喷燃器的状况和预测维护的需要的若干参数。对于任何分级式氧-燃料喷燃器，那些参数可单独地或以组合的方式包括入口燃料压力、氧馈送压力、分级阀位置、燃料喷嘴温度和喷燃器块温度。对于分级式氧-油喷燃器，那些参数可单独地或者以组合的方式包括一个或多个参数，包括(但不限于)入口油温度、入口油压力、雾化氧化剂(空气或富氧空气或氧)压力、氧馈送压力、分级阀位置、喷枪末端或雾化喷嘴温度和喷燃器块温度。操作者/工程师(直接地)或者自动化监测和警报系统可使用这个从这些传感器中收集到的信息来监测喷燃器的性能，以及识别喷燃器的任何维护需要，例如以安排维护和改进喷燃器运行。

这种仪器可集成到任何喷燃器中，包括使用气态燃料、液体燃料和固体燃料中的一个或多个的喷燃器，并且包括非分级式喷燃器、燃料分级式喷燃器、氧化剂分级式喷燃器，以及其中燃料和氧化剂两者都分级的喷燃器。要理解的是，对于各类喷燃器，可定制传感器的类型、位置和数量，以使其对应于与那个特定喷燃器最相关的运行模式和参数。

各种特征都构建在喷燃器中，使得电子监测不会干扰喷燃器的正常运行和维护。仪器还得到保护，使得它在其中喷燃器正常运行的类型的恶劣环境中将持续长时间工作。在一个实施例中，电子器件由电池提供功率，并且无线地发送数据，以易于安装和维护。

可使用具有集成式传感器的喷燃器作为用于远程跟踪喷燃器参数的系统的一部分，以使得能够实时地监测喷燃器性能，以及通过在发生失效和停机之前检测喷燃器的运行变化来协助进行预测性维护，诸如在与本发明同时提交的共同拥有的名称为“Remote Burner Monitoring System and Method(远程喷燃器监测系统和方法)”的专利申请中描述的那样，该专利申请通过引用而整体地结合在本文中。

方面1。带监测的氧-油喷燃器，包括：油喷枪，其具有在末端处的油喷嘴，以及在末端的远处的油入口；包围油喷枪的一级氧化剂通道；在油喷嘴中定位在油喷枪的末端处的油喷嘴温度传感器；定位在油入口附近的油入口温度传感器；定位在油入口通道附近的油压力传感器；以及用于接收来自传感器的数据的仪器封壳；其中，油喷嘴温度、油供应温度和油供应压力共同可用来指示存在或不存在异常喷燃器状况。

方面2。方面1的带监测的喷燃器，其中，异常喷燃器状况包括关于下者中的一个或多个的潜在问题：油喷嘴、油供应系统、油喷枪相对于一级氧化剂通道的位置和油成分。

方面3。方面1或方面2的带监测的喷燃器，其中，油喷嘴是雾化喷嘴，喷燃器进一步包括：在油喷枪的末端的远处的雾化气体入口；定位在雾化气体入口附近的雾化气体压力传感器；其中，雾化气体压力和油压力之间的差可用来进一步指示存在或不存在异常喷燃器状况，这包括关于下者中的一个或多个的潜在问题：雾化喷嘴、油成分和油温度。

方面4。方面1至3中的任一方面的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：氧化剂压力传感器，其定位成感测至少供应到一级氧化剂通道的氧化剂压力；以及其中，氧化剂压力和分级阀位置可用来进一步指示存在或不存在异常喷燃器状况，这包括一级氧化剂通道部分阻塞。

方面5。方面1至4中的任一方面的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：与一级氧化剂通道隔开固定距离的二级氧化剂通道；用于确定氧化剂在一级和二级氧化剂通道之间的比例的分级阀；分级阀位置传感器，其用于感测被引导到一级和二级氧化剂通道的氧化剂的相对比例；其中，分级阀位置以及氧化剂压力可用来进一步指示存在或不存在异常喷燃器状况，这包括下者中的一个或多个：次佳分级阀位置，以及一级和二级氧化剂通道中的一个或两者部分阻塞。

方面6。方面1至5中的任一方面的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：喷燃器块，其具有在炉附近的热面；喷燃器块温度传感器，其在热面附近安装在喷燃器块中；其中，喷燃器块温度传感器可用来进一步指示存在或不存在异常喷燃器状况，这包括下者中的一个或多个：潜在的块过热和火焰不对称。

方面7。方面1至6中的任一方面的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：用于感测喷燃器的安装角度的位置传感器；其中，喷燃器的安装角度可用来进一步指示喷燃器是否相对炉以期望定向和/或斜度安装。

方面8。方面1至7中的任一方面的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：用于发送仪器封壳的内部温度的温度传感器；其中，仪器封壳内部温度可用来指示封壳中的电子构件有潜在的过热。

方面9。方面1至8中的任一方面的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：在一级氧化剂通道上的独特的标识器；以及在油喷枪上的独特的标识器；其中，一级氧化剂通道的标识器和油喷枪的标识器可用来标记数据，以进行分析。

方面10。方面1至9中的任一方面的带监测的喷燃器，仪器封壳包括：数据收集器，其编程成仅在要收集数据时，基于感测到的数据的组合和周期性计划中的一个或两者，以及考虑各个单独的传感器的具体要求，来对单独的传感器提供功率；以及用于无线地将传感器数据从数据收集器发送到数据中心的发送器。

方面11。方面10的带监测的喷燃器，仪器封壳进一步包括：用于对数据收集器、传感器和发送器提供功率的本地功率发生系统。

方面12。确定氧-油喷燃器的运行状况的方法，氧-油喷燃器包括：油喷枪，其具有油喷嘴；包围油喷枪的一级氧化剂通道；以及喷燃器块，其具有在炉附近的面，方法包括：接收来自选自下者组成的组的一个或多个传感器的关于喷燃器参数的数据：温度传感器、压力传感器、流量传感器、位置传感器、角度传感器和它们的组合；确定喷燃器参数的期望值；比较接收到的参数数据与喷燃器参数的期望值，以确定喷燃器参数的偏差；以及如果喷燃器参数在规定方向上的偏差大于或等于规定阈值，则指示需要维护。

方面13。方面12的方法，其中，喷燃器进一步包括与一级氧化剂通道隔开固定距离的二级氧化剂通道，以及用于确定氧化剂在一级和二级氧化剂通道之间的比例的分级阀。

方面14。方面12或方面13的方法，方法进一步包括：感测油喷枪入口压力；感测油入口温度；感测油喷嘴温度；以及基于感测到的参数来确定喷燃器是否处于异常运行状况，这包括关于下者中的一个或多个的潜在问题：油喷嘴、油供应系统、油喷枪相对于一级氧化剂通道的位置和油成分。

方面15。方面12至14中的任一方面的方法，其中，油喷嘴是雾化喷嘴，方法进一步包括：感测雾化气体入口压力；基于雾化气体压力和油压力之间的差来确定喷燃器是否处于异常运行状况，这包括关于下者中的一个或多个的潜在问题：雾化喷嘴、油成分和油温度。

方面16。方面12至15中的任一方面的方法，方法进一步包括：感测供应到一个或两个至少一级氧化剂通道的氧化剂压力；感测分级阀位置；以及基于氧化剂压力和分级阀位置来确定喷燃器是否处于异常运行状况，这包括下者中的一个或多个：次佳分级阀位置，以及一级和二级氧化剂通道中的一个或两者部分阻塞。

方面17。权利要求12至16中的任一项的方法，方法进一步包括：感测所述面附近的喷燃器块温度；基于喷燃器块温度来确定存在或不存在异常喷燃器状况，这包括下者中的一个或多个：潜在的块过热和火焰不对称。

方面18。带监测的氧-燃料喷燃器，包括：燃料通道，其具有在末端处的燃料喷嘴，以及在末端的远处的燃料入口；包围燃料通道的一级氧化剂通道；在燃料喷嘴中定位在燃料通道的末端处的温度传感器；以及定位在燃料入口附近的燃料压力传感器。

方面19。方面18的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：与一级氧化剂通道隔开固定距离的二级氧化剂通道；用于确定氧化剂在一级和二级氧化剂通道之间的比例的分级阀；定位在分级阀上游的氧化剂压力传感器；以及分级阀位置传感器，其用于感测被引导到一级和二级氧化剂通道的氧化剂的相对比例。

方面20。方面18或方面19的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：用于接收来自传感器的数据的数据单元，其中，数据单元编程成基于接收自一个或多个传感器的数据来确定存在或不存在异常喷燃器状况。

方面21。方面18至20中的任一方面的带监测的喷燃器，喷燃器进一步包括：用于感测喷燃器的安装角度的位置传感器；其中，喷燃器的安装角度可用来进一步指示喷燃器是否相对于炉以期望定向和/或斜度安装。

方面22。方面18至21中的任一方面的具有的监测喷燃器，喷燃器进一步包括：在一级氧化剂通道上的独特的标识器；其中，一级氧化剂通道的标识器可用来标记数据，以进行分析。

方面23。带监测的氧-油喷燃器，包括：油喷枪，其具有在末端处的雾化喷嘴，以及在末端的远处的油入口和雾化气体入口；包围油喷枪的一级氧化剂通道；与一级氧化剂通道隔开固定距离的二级氧化剂通道；用于确定氧化剂在一级和二级氧化剂通道之间的比例的分级阀；雾化喷嘴温度传感器，其在雾化喷嘴中定位在油喷枪的末端处；定位在油入口附近的油供应温度传感器；定位在油入口通道附近的油压力传感器；定位在雾化气体入口附近的雾化气体压力传感器；定位在分级阀上游的氧化剂压力传感器；分级阀位置传感器，其用于感测被引导到一级和二级氧化剂通道的氧化剂的相对比例；以及用于接收来自传感器的数据的数据单元，其中，数据单元编程成基于接收自一个或多个传感器的数据来确定存在或不存在异常喷燃器状况。

在下面描述本发明的其它方面。

附图说明

图1A是用于插入到喷燃器块中的带监测的油喷燃器的后视透视图。

图1B是如图1A中那样插入喷燃器块中的带监测的油喷燃器的后视透视图。

图2是类似于图1A中的喷燃器的、插入喷燃器块中，但没有监测能力的油喷燃器的正视透视图。

图3是用于在图1A中那样的带监测的油喷燃器中使用的油喷枪的后视透视图。

图4是油喷枪的局部侧视图，其显示用于围绕传感器接近端口保持油喷枪的油密封的O形圈密封件。

图5是插入喷燃器块中的带监测的油喷燃器的横截面图。

图6是显示针对处于不同温度的燃料油比较油入口压力和雾化气体入口压力之间的差的示例性压力数据的图表。

图7是图表，其显示针对两种燃料油成分比较油入口压力和雾化气体入口压力之间的差的示例性压力数据，并且显示当喷嘴末端部分地堵塞时，以及当发生温度漂移时，那些燃料油成分中的一个的差。

图8是显示通信系统的构件的示意图，通信系统用于收集、发送和分析收集自喷燃器上的各种传感器的数据，并且用于对各个喷燃器处的数据收集器提供本地功率发生。

具体实施方式

图1A、1B、2和5描绘了具有集成式传感器、功率供应和通信装备的分级式氧-油喷燃器10的实施例。虽然氧-油喷燃器在本文被描述成带监测的喷燃器的示例性实施例，但可在燃烧气态燃料与氧化剂的喷燃器上使用针对特定喷燃器的构造、设计和运行模式定制而成的相同或相似的通信装备和方法，以及相似或类似的集成式传感器。特别地，除了尤其与油燃烧有关的参数，诸如油和雾化气体入口压力，本文描述的所有参数和传感器都可类似地应用于燃烧任何燃料的喷燃器，包括气态燃料、在运载气体中的固体燃料(例如石油焦)或液体燃料。另外，在分级式氧燃料喷燃器中，使燃料和氧化剂中的一个或两者(例如，氧)分级，使得一级流参与初始燃烧，而二级流则参与远离喷燃器的延迟燃烧。例如，为了进行氧化剂分级，确定氧化剂在一级氧化剂通道和二级氧化剂通道之间的比例，其中，二级氧化剂供应到与一级氧化剂喷嘴(一个或多个)和燃料喷嘴(一个或多个)间隔开的至少一个二级氧化剂喷嘴。这种分级可由一级和二级氧化剂通道上游的分级阀实现，分级阀确定一个进入的氧化剂流在两个通道之间的比例。备选地，通往各个一级和二级氧化剂通道的流可由单独的控制阀独立控制。在其它喷燃器中，通过使用分级阀或者用于一级流和二级流的单独的流量控制器，可使燃料类似地分级。另外，在一些喷燃器中，燃料和氧化剂两者都可分级。

功率供应优选是电池或本地发电机，以易于安装，以及避免有线功率可能有的安全问题。传感器可以任何组合的方式包括(但不限于)温度传感器、压力传感器、位置传感器、角度传感器、接触传感器、加速计和流量传感器。

在美国专利No. 8,172,566中描述了不带传感器的喷燃器10，该专利通过引用而整体地结合在本文中。喷燃器10具有排出端51和入口端19。为了方便描述，排出端51在本文有时被称为喷燃器10的前面或向前方向，而入口端19有时则被称为喷燃器10的后面或后向方向。当喷燃器10安装在炉中时，排出端51面向炉的内部。

喷燃器10包括喷燃器块12、相对于炉定位在喷燃器块12后部的喷燃器本体14，以及相对于喷燃器本体14定位在后部的仪器封壳16。喷燃器本体14包括固定到喷燃器块12上的安装板53。喷燃器块12具有正部面18，当安装好时，正部面18面向炉中。

喷燃器块12包括一级氧化剂通道30。在描绘的实施例中，一级氧化剂通道30具有伸长的横截面形状，该横截面形状具有长轴(限定宽度)，长轴比短轴(限定高度)更长。特别地，描绘的一级氧化剂通道30具有长方形形状，该长方形形状具有半圆形端部，而且宽高比为大约5至大约30。但是，在其它实施例中，一级氧化剂通道30可具有圆形、卵形、卵形长方形、长方形或其它形状。

油喷枪20定位在一级氧化剂通道30内，并且在其排出端处具有雾化喷嘴22。在描绘的实施例中，油喷嘴是雾化喷嘴22。雾化喷嘴22基本被一级氧化剂通道30包围，使得从喷嘴22排出的雾化燃料油将在排出之后与一级氧化剂流密切混合。优选地，油喷枪20和喷嘴22是单独制造的部件，它们例如通过焊接而连结在一起，以形成具有喷嘴的一体喷枪。在描绘的实施例中，油喷枪20基本居中地定位在一级氧化剂通道30内，但要理解的是，油喷枪20可不居中定位，只要喷嘴22适于分配待与一级氧化剂流充分混合以进行燃烧的雾化油即可。备选地，对于氧-气体喷燃器，气态燃料通道可定位在一级氧化剂通道30内代替油喷枪20。

喷燃器块12进一步包括二级氧化剂通道40，它与一级氧化剂通道30隔开固定距离。在描绘的实施例中，这类似于一级氧化剂通道30，二级氧化剂通道40具有伸长的横截面形状，横截面形状具有长轴(限定宽度)，长轴比短轴(限定高度)更长。特别地，描绘的一级氧化剂通道30具有长方形形状，该长方形形状具有半圆形端部，并且宽高比为大约5至大约30，这可与一级氧化剂通道30的宽高比相同或不同。二级氧化剂通道40的长轴基本平行于一级氧化剂通道30的长轴。但是，在其它实施例中，第二氧化剂通道40可具有圆形、卵形、卵形长方形、长方形或其它形状，并且优选地(但不是必须)在形状上与一级氧化剂通道30大致相同。

一级氧化剂通道30被从一级氧化剂管道32馈送氧化剂，一级氧化剂管道32定位在喷燃器本体14中，并且延伸到喷燃器块12的后部部分中。氧化剂通过一对氧化剂入口38馈送到氧化剂稳压室36中，氧化剂稳压室36又馈送到一级氧化剂管道32。扩散器34可定位在氧化剂入口38和氧化剂稳压室36之间，以在一级氧化剂流进入一级氧化剂管道32之前，协助弄直一级氧化剂流。

二级氧化剂通道40被从二级氧化剂管道42馈送氧化剂，二级氧化剂管道42定位在喷燃器本体14中，并且延伸到喷燃器块12的后部部分中。喷燃器本体14中的分级阀48将由氧化剂入口38供应的氧化剂的一部分改向到二级氧化剂管道42中。用语“分级比”用来描述改向到二级氧化剂管道42且因而远离一级氧化剂管道32的氧化剂的比例。例如，在分级比为30%时，70%的氧化剂被引导到一级氧化剂管道32(且因而被引导到一级氧化剂通道30)作为一级氧化剂流并且，并且30%的氧化剂被引导到二级氧化剂管道42(且因而被引导到二级氧化剂通道40)作为二级氧化剂流。

馈送到氧化剂入口38的氧化剂气体可为适合燃烧的任何氧化剂气体，包括空气、富氧空气和工业级氧。氧化剂优选具有至少大约23%、至少大约30%、至少大约70%或至少大约98%的分子氧(O₂)含量。

油喷枪20向后延伸通过喷燃器本体14且通过仪器封壳16。燃料油通过油入口26供应到油喷枪20。由于燃料油的粘度的原因，典型地，还通过雾化气体入口28将雾化气体供应到油喷枪20是必要的。雾化气体可为能够在燃料油离开喷嘴22时使其雾化的任何气体，包括空气、富氧空气或工业级氧。

可使用各种温度传感器来监测喷燃器构件的温度，以及帮助确定燃料入口状况。在图1A、1B、2和5的描绘的实施例中，温度传感器102嵌在油喷枪20中的雾化喷嘴22中，以测量油喷枪20的排出端处的温度。温度传感器可为热电偶或任何其它适当的传感器。传感器102装配到喷嘴22的后侧中的盲孔103中。因为必须能够移除热电偶来进行维护和更换，所以未将热电偶焊接就位。连接到温度传感器102上的导线(未显示)沿着油喷枪20延伸回到仪器封壳16。为了保护导线104免受磨损、过热和炉环境的其它恶劣状况的影响，包裹住导线是合乎需要的。但是，对于对油喷枪20的大部分长度形成小直径的孔在制造观点上看是困难的。因此，导线优选沿着喷枪的长度凹进渠道106中，并且鞘(未显示)定位在渠道106上面，以保护导线。在一个实施例中，鞘匹配喷枪20的外壁，以将导线和温度传感器102与炉环境密封开，以对导线和温度传感器102提供机械保护，以及限制在一级氧化剂通道30中且围绕油喷枪20流动的一级氧化剂流的流扰动。

可将温度传感器置于喷燃器10的其它构件上，以监测运行参数，诸如喷燃器完整性、火焰稳定性、火焰位置。例如，一个或多个温度传感器110可在正部面18附近安装在喷燃器块12中。温度传感器110优选相对于正部面18略微缩回，以保护它们免受炉环境的影响。温度传感器110可相对于一级氧化剂通道30居中，或者相对于短轴中心线偏移，并且温度传感器110可用来确定火焰是否冲击在喷燃器块12上，或者火焰是否关于油喷枪20或一级氧化剂通道30居中。温度传感器甚至可定位在喷燃器附近的其它炉位置上，以监测燃烧状况。

温度传感器112在油流中定位在油入口26附近，以监测供应到喷燃器10的油的温度。重要的是确保油流的粘度将使得能够使油恰当地雾化，并且粘度随温度和油成分而改变。因此，对于任何特定的油成分，可针对雾化来确定最佳温度范围。

油馈送温度传感器112必须能够测量油入口温度，但也优选定位成以便容许在不移除温度传感器112的情况下清洁喷枪。在图4中的油喷枪20的后部部分的描绘的实施例中，在喷枪20的后部部分处提供密封机构61。密封机构61使得温度传感器112能够靠近喷枪20中的流动的油流，而且还不阻碍喷枪20的膛孔21，使得可清洁膛孔21，以及使得可在不移除温度传感器112的情况下，从套管64中移除本体23。密封机构61包括本体23和包围本体23的套管64，膛孔21沿纵向方向延伸通过本体23。本体23包括传感器井68，承坐在O形圈凹槽72中的两对O形圈70包围传感器井68的前面和后面，O形圈抵靠着套管64的内表面74进行密封。接近开口69或多个这样的开口使得流过膛孔21的油能够进入传感器井68。传感器端口67位于套管64中，并且温度传感器112固定到(例如通过螺纹或其它机构)传感器端口67中，以便使其感测末端与套管64的内表面74齐平，或者相对于内表面74略微凹进。实验已经显示，如上面显示和描述的那样安装的温度传感器112对于响应于油入口温度变化的灵敏度是合适的。因此，温度传感器112能够测量膛孔21中的油温度，或者至少已经在实验上显示为精确地表示油温度的温度，同时仍然容许从套管64中移除本体23，以在不必干扰温度传感器112的情况下清洁本体23。因为传感器68围绕本体23的整个周边延伸，所以本体23可包括多个传感器端口67，以使得能够安装多个传感器。而且，可存在多个接近开口69，以对传感器井68中的油提供较好的均匀性。这个布置允许油流接触温度传感器112，同时保持与套管64的密封，以阻止任何油泄漏。特别地，通过将温度传感器112安装成与膛孔几乎齐平，使得温度传感器112接触指示当前油温度的油。而且，由于齐平或几乎齐平，温度传感器112不会阻挡插入到油喷枪20的膛孔21中以进行清洁的物理构件，以及允许从油喷枪20中移除本体23，以进行清洁。在一个实施例中，温度传感器112可装配有外凸式NPT配件，以匹配传感器端口67中的内凹式NPT螺纹。

在描绘的实施例中，压力传感器还安装在喷燃器10中。压力传感器114在油流中定位在油入口26附近。压力传感器114可安装在与温度传感器112相同的密封机构61中，其中，压力传感器114位于不同的传感器端口(未显示)中。备选地，压力传感器114可安装在与密封机构61具有基本相同的结构的单独的密封机构中。

在图5的实施例中，压力传感器116在雾化气体流中安装在雾化气体入口28附近，并且压力传感器128在氧化剂流中安装在一个氧化剂入口38附近或者在分级阀48上游的氧稳压室36中。如果期望，单独的氧化剂压力传感器可安装在一级氧化剂管道32和二级氧化剂管道42中的各个中，以检测分别供应到喷燃器块12中的氧化剂通道30和40中的各个的氧化剂的压力。压力传感器可位于仪器封壳16的内部或外部，并且通过电缆进行接线，以实现功率供应和信号发送两者。

如显示的那样，仪器封壳16包括电池端口81和天线83，以用无线的方式传送数据。

注意，可使用类似于前述的构造来安装其它传感器，以监测任何馈送流。

测量油压力可提供关于油喷枪的流阻(例如，因为结焦或一些其它阻塞引起的流面积减小将导致压力升高)、油的流率，以及油的粘度(随温度和成分而改变)的信息。当与其它信息(例如，油温度、油流量、喷燃器末端温度和数据趋势)结合起来检测油喷枪的维护需要时，油压力信息很可能更有用。

测量雾化氧化剂压力还提供关于油流率和油流阻的信息，并且因此与油压力有关，但典型地是不同的，并且提供另一个信息要素。这两个仪器都位于油喷枪上的仪器箱内。

氧压力度量提供关于氧流率、流阻(即，可出现的阻塞)和分级阀位置的信息。

在图1A和1B中的局部剖面图中显示的仪器封壳16被密封和隔离，以保护包含在其中的仪器免受炉环境的灰尘和热的影响。仪器封壳定位成朝向喷燃器10的后部19，以降低接收自炉的辐射热能。仪器封壳16至少包括数据收集器60、功率供应，以及用于将数据从数据收集器发送到位于本地或远处的数据接收器200(它可收集和显示来自多个喷燃器的数据)的发送器62。

功率供应用来对压力传感器、数据收集器和发送器以及需要功率的任何其它传感器和装备提供功率。优选地，功率供应由可或不可通过本地能量收集或发电充电的本地电池提供功率，以避免必须将外部功率连接到仪器封壳16。例如，本地发电可包括使用温度梯度、质量流、光、感应或其它手段来产生足够的功率，以支持仪器封壳16中的传感器和其它相关联的装备。

图8是用于操纵喷燃器数据的示例性系统的示意图，要理解的是，硬件、固件和软件的各种备选组合可构造和组装成实现相同的功能。一个或多个喷燃器10可安装在炉70中，各个喷燃器10都具有上面描述的仪器封壳16。在图8的示意图中，多个喷燃器10安装在炉70中。各个仪器封壳16包含用于收集和汇聚由喷燃器10上的各个传感器产生的数据的数据收集器60，以及用于发送来自数据收集器60的数据的无线发送器62，以及诸如功率供应的其它构件。数据收集器60可独立地或以组合的方式通过硬件、固件和软件中的一个或多个编程成执行特定用途的功能。

在示例性实施例中，各个喷燃器10处的数据收集器60使用高度可配置的无线智能传感器节点(WIN)来汇聚关于那个喷燃器10的数据。数据收集器60对与喷燃器10相关联的各种传感器提供功率，并且编程成将介于3.2 V和6 V之间的电池电压转换成例如各个传感器所需的正确电压(例如12 V)。电池电压可由安装在本地的电池供应，电池是可更换的，或者可通过本地发电充电。在一个实施例中，传感器发送模拟输出信号，通过模数转换器来读取模拟输出信号，模数转换器具有可编程的增益放大器，以考虑到各个传感器的输出范围。在另一个实施例中，传感器发送基于各个传感器的输出范围缩放比例或可缩放比例的数字输出信号。

数据收集器60还能够读取数字传感器或指示符，诸如序列号。内部温度传感器允许监测周围温度，并且因而可监测热电偶的冷接点补偿。内部加速计允许测量节点的姿态(并且因此测量节点附连到什么上)。使用高级功率管理来最大程度地增加电池寿命。特别地，数据收集器60编程成在进行测量时，基于一系列感测到的状况或常规计划，对传感器提供功率。

通过将采用的放大器的增益、冷端补偿和任何其它有关因素考虑在内，传感器度量得到强化，并且优选地通过无线链路将传感器度量发送到数据接收/处理中心200。在示例性实施例中，无线链路使用2.4 GHz ISM带和802.15.4标准作为其物理层和媒体访问控制(MAC)。但是，可使用目前已知或今后开发出的适合运行环境的任何其它无线链路。协议使用星形网络拓扑结构。备选频率和协议是可行的，包括(无限制)网状网络拓扑结构。选择2.4 GHz带，因为它是世界范围的ISM带，而大多数其它ISM带是针对国家的。与节点的无线链路是双向的，以允许无线地配置节点。为了安全目的，可在发送之前对数据加密。数据可从数据收集器60直接发送到数据中心200，或者通过一个或多个Wi-Fi中继器间接地发送到数据中心200，这取决于喷燃器10和数据中心200之间的距离和信号路径。

数据中心200构造成接收来自单独的喷燃器10的数据，而且还可构造成将数据发送到基于云的服务器，然后基于云的服务器可通过互联网或其它网络来提供数据，提供警报，以及执行任何其它计算功能。数据中心200可为构造和编程成执行本文描述的所有期望功能的单块硬件或协作的多块硬件。

电功率可由本地功率发生系统供应到数据收集器60。图8显示示例性本地功率发生系统208，它用以对数据收集器60提供电功率。在描绘的实施例中，本地功率发生系统208包括可再充电的电池206或超级电容器和能量采集器204。可再充电的电池206可包括例如一个或多个锂离子电池等。对电池206充电和放电由电池监督器202控制，电池监督器202作为毂定位在数据收集器60、电池206和能量收集器204之间。电池监督器202可构造成执行各种功能，独自或以组合的方式包括(但不限于)下者中的一个或多个：调节流到和流出电池206和能量收集器204的功率；为了最大程度地提高从能量收集器204获得的能量效率进行的最大功率点跟踪；以及仅在电池206中有足够能量时容许数据收集器60打开。本文描述的本地功率发生系统208可用来分别对位于各个喷燃器10处的单独的数据收集器60提供功率，或者一个本地功率发生系统可对一个或多个附近的数据收集器60提供功率。这些本地功率发生系统可运行来在使用量低的时期期间存储功率，以及在使用量高的时期期间释放功率，从而最大程度地降低能量收集器所需的容量。另外，可使用类似的本地功率发生系统208来对一个或多个数据中心200提供功率。

高级功率管理帮助确保以有限的电池或本地产生的功率供应长期地运行系统。功率供应到无线智能传感器节点(WIN)，无线智能传感器节点可非常好地构造成对各个不同的传感器提供恰当的所需电压。此外，当不使用传感器时，WIN智能地切断通往单独的传感器的功率，当使用传感器时，WIN收集来自传感器的数据，并且以可配置的时间间隔发送数据。指示灯显示系统的状态，而且还提供警告。通过仅在使用传感器时对其提供功率(例如，在预定时间运行，以获得周期性度量)，这会节约来自功率供应的功率。但是，已经确定了，一些传感器(包括(但不限于)压力传感器)在被提供功率不久之后可能不会提供可靠数据，而且对于仅在少量时间被提供功率不能很好地作出响应。因此，系统需要慎重地选择传感器和WIN的具体构造，以使通电和断电循环与各个传感器的运行要求匹配。

数据收集器接收来自所有传感器的信号，并且发送器将收集到的信号数据发送到数据指示器，在那里，用户可观察被测量的各种参数的状态。

在描绘的实施例中，喷燃器10还具有在分级阀48上的旋转传感器124，以检测分级百分比。旋转传感器124可包括(但不限于)霍尔效应型传感器、加速计型传感器、电位计、光学传感器，或者可指示旋转位置的任何其它传感器。额外的位置和角度传感器可用来确定喷燃器本体14相对于炉或喷燃器块12的位置和/或角度、喷枪20相对于喷燃器本体14或喷燃器块12的位置和/或角度、喷枪20的插入深度，以及可与喷燃器10的运行有关的任何其它角度或位置。

例如，油喷枪20上的位置传感器可用来检测和检验正确的插入深度，以及记录用于跟踪性能的信息。喷燃器10上的角度传感器可用来确保喷燃器恰当地安装。这可用于确保喷燃器抵靠着安装板恰当地承坐，以承坐正密封件。另外，相对于水平面以给定的角度安装喷燃器有时是合乎需要的。诸如喷燃器和安装板之间的接触传感器的其它传感器可用来确保将喷燃器恰当地安装到安装板上。通过使用一个或多个这样的传感器(优选地至少两个)，喷燃器可检查其安装，以确保它不是半开的，而是实际上接触两个传感器(例如，顶部传感器和底部传感器，或者左边的传感器和右边的传感器，或者所有四个位置)。

额外的连接端口可位于油喷枪20、喷燃器本体14和/或喷燃器块12上，以使得能够将额外的外部传感器或其它信号连接到数据收集器上，以发送到数据中心200。

在系统的一个实施例中，各个喷燃器本体14和各个油喷枪20具有独特的标识器。这是有用的，因为油喷枪可与喷燃器本体分开，并且可转换到不同的喷燃器本体上。通过在喷燃器本体和喷枪上结合独特的标识器，仪器箱中的通信装备(与喷枪一起运动)可识别它连接到哪个喷燃器本体上，以进行历史数据读取、趋势分析和为了其它原因。这个标识器可为RFID、一种类型的无线发送器、条形码、单总线硅序列号、独特的电阻器、经编码的标识器或者任何其它标识手段。

单独地和以组合的方式测量喷燃器及其构件的各种温度、压力和位置和来自其它相关联的装备(包括流量控制橇(skid))的馈送流和输入可提供使得操作者能够仅在需要时执行预防性维护和避免代价高昂的意外失效或停机的有价值的信息。

在一个示例中，高的油末端温度以及高于期望的油压力和雾化气体压力可指示油喷嘴堵塞或者开始堵塞。这警告操作者，应立刻进行维护，使得末端不会在热炉中烧坏。

油入口压力和雾化气体入口压力之间的差可提供对期望燃烧速率的估计，因为对于给定的燃烧速率，在油和雾化气体之间将存在期望压差。但是，这个燃烧速率估计可受堵塞的影响。备选地，或者结合测量油和雾化气体压力之间的差，氧入口压力和分级阀位置可用来基于假设的化学计量来计算燃烧速率，并且这个度量典型地不受油喷嘴堵塞的影响。所以对于任何燃烧速率，如果油和雾化气体之间的压差高于期望(基于测得的油温度而考虑油粘度)，则这指示正发生一些堵塞且需要维护。

图6针对处于三个不同的油温下的成分已知的燃料油比较油入口和雾化气体入口压力之间的随燃烧速率而变化的压差。在所有情况下，雾化喷嘴都是干净且畅通无阻的。如从可数据中看出的那样，对于温度较低的油，压差在所有燃烧速率下都较大，其中，压差在较高的燃烧速率下在绝对项和相对项两者方面变得较大。测试已经显示，与单独的油入口压力相比，这个压差是雾化喷嘴状况的更好的指标。

在与图6相同的轴上，图7比较175℉下的三种情况：三角形数据点表示第一燃料，并且是与图6上的三角形数据点相同的数据；圆形数据点表示在干净的雾化喷嘴的情况下在相同温度状况下具有更有粘性的成分的第二燃料；并且菱形数据点表示第一燃料，但是第一燃料流过部分受阻的雾化喷嘴。可清楚地看到，由于其粘度较高，第二燃料展现比粘度较低的第一燃料高得多的压差(在油入口压力和雾化气体压力之间)，而且当雾化喷嘴部分受阻或堵塞时，压差显著升高。另外，当温度意外改变时，在图表的右上方圈出的菱形数据点在雾化喷嘴的温度漂移的期间出现，从而显示考虑到辅助作用的多变量监测作为对所有传感器和系统的恰当运行的内部检查也是有用的。

另外，使用对燃烧速率的任何估计(但是确定的)会提供期望油压力。如果油压力高于期望油压力，则要么正发生一些堵塞，要么油粘度低于期望。比期望更高的油压力以及油入口温度将帮助确定油粘度是否低，或者油喷嘴是否部分被阻塞。

如果油压力正如所期望，而且入口油温度正如所期望，则较高的末端温度可指示末端插入得比设计的更深，或者火焰不在期望的地方(参见下面的示例)。因此，例如为了确定末端温度升高或油压力低于期望或油压力高于期望的原因，要清楚在各种测得的参数之间存在复杂的相互影响。注意，除了比较各个喷燃器上的这些参数与(例如)历史数据或预测数据之外，还可在不同喷燃器之间比较这些参数，以检测一个喷燃器的异常运行，而且可结合这些参数与其它装置数据。这个确定可包括多变量分析，例如在2013AIChE年会的Neogi, D等人的会议报告No. 268b(2013年11月5日)“A New Paradigm in Real Time Asset Monitoring and Fault Diagnosis(关于实时资产监测和故障诊断的新范例)”中描述的那样。

在另一个示例中，高于期望的氧化剂压力可指示喷燃器块12中的氧化剂流面积减小。期望氧化剂压力可由其它测得的变量确定，变量包括流量控制橇数据。氧化剂压力随氧化剂流量(或者对于一级近似，是已知化学计量的燃烧速率)和分级阀位置而改变。通过基于测得的油压力(假设干净的油喷嘴)，或者根据上面描述的方法来估计氧化剂流量，基于分级阀位置，存在期望氧化剂压力。如果氧化剂压力高于期望氧化剂压力，则这可指示氧化剂的流面积减小，因为喷燃器块开口或一些其它开口阻塞。喷燃器块开口可能由于被块面、渣料或可能飞溅或滴落到喷燃器上的其它材料的流失而部分地堵塞。如果发生这种局部阻塞而未被发现，则这可导致喷燃器和/或喷燃器块失效，所以在发生这种失效之前进行检测是重要的。为了更精确地确定期望氧化剂压力，例如还通过氧化剂流量计来确定氧化剂流率，或者使用喷燃器燃烧速率(可使用前面描述的方法来确定)和化学计量来推断氧化剂流率可为有用的。

在另一个示例中，可使用安装在喷燃器块12的面18附近的一个或多个温度传感器110来检测火焰检测，例如通过比较在氧化剂和油的出口上方和下方，或者在氧化剂和油的出口的左边和右边的喷燃器块温度。与二级氧化剂出口相比，这些度量对于顶部(一级氧化剂和燃料)出口可为特别有用的。

在另一个示例中，分级阀位置本身可用来确定喷燃器设定得到优化，以及确定操作者/工程师知道喷燃器什么时候有了变化。典型地，在启动或开始期间设定分级阀位置，以针对特定的炉和过程优化分级阀位置，以优化喷燃器性能。在启动之后，分级阀位置通常不会改变。但是，有时分级阀可能被意外或有意地转到非最佳位置，而且识别这种状况，以确保喷燃器正如期望的那样运行将是重要的。

在另一个示例中，入口油温度可用来估计雾化喷嘴22处的油粘度。粘度取决于油的成分，所以入口油温度本身无法确定粘度，但它可提供关于粘度的信息，尤其是在与入口油压力(随粘度改变)结合时。这将让操作者了解入口温度是否合适，而且在与压力数据结合时，让操作者能够了解油成分是否已经改变。

在另一个示例中，位置和角度传感器可提供关于喷燃器的定向以及其安装是否恰当的信息，包括喷燃器是否水平，或者是否相对于炉壁处于期望斜度或角度。另外，喷枪上的传感器电缆与仪器封壳的连接使得喷枪连接到喷燃器上，并且因此安装在炉中。

在另一个示例中，监测可帮助优化喷燃器的运行状况，以减少污染物的形成，诸如氧化氮(NOx)，以及通过减少或消除积碳来最大程度地提高火焰品质。

本发明在范围上不局限于示例中公开的具体方面或实施例，示例意于说明本发明的几方面，而且功能等效的任何实施例都在本发明的范围内。除了本文显示和描述的那些之外，本发明的各种修改对本领域技术人员将变得显而易见，并且各种修改意于落在所附权利要求的范围之内。

Claims (17)

1. 一种带监测的氧-油喷燃器，包括：

油喷枪，其具有在末端处的油喷嘴，以及在所述末端的远处的油入口；

包围所述油喷枪的一级氧化剂通道；

油喷嘴温度传感器，其在所述油喷嘴中定位在所述油喷枪的所述末端处；

定位在所述油入口附近的油入口温度传感器；

定位在所述油入口通道附近的油压力传感器；以及

用于接收来自所述传感器的数据的仪器封壳；

其中，油喷嘴温度、油供应温度和油供应压力共同可用来指示存在或不存在异常喷燃器状况。

2. 根据权利要求1所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述异常喷燃器状况包括关于所述油喷嘴、油供应系统、所述油喷枪相对于所述一级氧化剂通道的位置和油成分中的一个或多个的潜在问题。

3. 根据权利要求1或2所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述油喷嘴是雾化喷嘴，所述喷燃器进一步包括：

在所述油喷枪的所述末端的远处的雾化气体入口；

定位在所述雾化气体入口附近的雾化气体压力传感器；

其中，雾化气体压力和油压力之间的差可用来进一步指示存在或不存在异常喷燃器状况，这包括关于所述雾化喷嘴、油成分和油温度中的一个或多个的潜在问题。

4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述喷燃器进一步包括：

氧化剂压力传感器，其定位成感测至少供应到所述一级氧化剂通道的氧化剂压力；以及

其中，氧化剂压力和分级阀位置可用来进一步指示存在或不存在异常喷燃器状况，这包括所述一级氧化剂通道的部分阻塞。

5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的带监测的喷燃器，其特征在于，进一步包括：

与所述一级氧化剂通道隔开固定距离的二级氧化剂通道；

确定氧化剂在所述一级和二级氧化剂通道之间的比例的分级阀；

分级阀位置传感器，其用于感测被引导到所述一级和二级氧化剂通道的氧化剂的相对比例；

其中，所述分级阀位置以及所述氧化剂压力可用来进一步指示存在或不存在异常喷燃器状况，这包括下者中的一个或多个：次佳分级阀位置，以及所述一级和二级氧化剂通道中的一个或两者部分阻塞。

6. 根据权利要求1至5中的任一项所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述喷燃器进一步包括：

喷燃器块，其具有在所述炉附近的热面；

在所述喷燃器块中安装在所述热面附近的喷燃器块温度传感器；

其中，所述喷燃器块温度传感器可用来进一步指示存在或不存在异常喷燃器状况，这包括下者中的一个或多个：潜在的块过热和火焰不对称。

7. 根据权利要求1至6中的任一项所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述喷燃器进一步包括：

用于感测所述喷燃器的安装角度的位置传感器；

其中，所述喷燃器的所述安装角度可用来进一步指示所述喷燃器是否相对于所述炉以期望定向和/或斜度安装。

8. 根据权利要求1至7中的任一项所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述喷燃器进一步包括：

用于发送所述仪器封壳的内部温度的温度传感器；

其中，所述仪器封壳内部温度可用来指示所述封壳中的电子构件有潜在的过热。

9. 根据权利要求1至8中的任一项所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述喷燃器进一步包括：

在所述一级氧化剂通道上的独特标识器；以及

在所述油喷枪上的独特标识器；

其中，所述一级氧化剂通道的标识器和所述油喷枪的标识器可用来标记数据，以便进行分析。

10. 根据权利要求1至9中的任一项所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述仪器封壳包括：

数据收集器，其编程成仅在要收集数据时，基于感测到的数据的组合和周期性计划中的一个或两者以及考虑单独的传感器中的各个的具体要求，而对单独的传感器提供功率；以及

用于将传感器数据从所述数据收集器无线地发送到数据中心的发送器。

11. 根据权利要求10所述的带监测的喷燃器，其特征在于，所述仪器封壳进一步包括：

用于对所述数据收集器、传感器和发送器提供功率的本地功率发生系统。

12. 一种确定氧-油喷燃器的运行状况的方法，所述氧-油喷燃器包括：油喷枪，其具有油喷嘴；包围所述油喷枪的一级氧化剂通道；以及喷燃器块，其具有在炉附近的面，所述方法包括：

接收来自选自下者组成的组的一个或多个传感器的关于喷燃器参数的数据：温度传感器、压力传感器、流量传感器、位置传感器、角度传感器和它们的组合；

确定所述喷燃器参数的期望值；

比较所接收到的参数数据与所述喷燃器参数的期望值，以确定所述喷燃器参数的偏差；以及

如果所述喷燃器参数在规定方向上的偏差大于或等于规定阈值，则指示需要维护。

13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述喷燃器进一步包括与所述一级氧化剂通道隔开固定距离的二级氧化剂通道，以及用于确定氧化剂在所述一级和二级氧化剂通道之间的比例的分级阀。

14. 根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

感测油喷枪入口压力；

感测油入口温度；

感测油喷嘴温度；以及

基于感测到的参数来确定所述喷燃器是否处于异常运行状况，这包括关于下者中的一个或多个的潜在问题：油喷嘴、油供应系统、所述油喷枪相对于所述一级氧化剂通道的位置和油成分。

15. 根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其特征在于，所述油喷嘴是雾化喷嘴，所述方法进一步包括：

感测雾化气体入口压力；

基于雾化气体压力和油压力之间的差来确定所述喷燃器是否处于异常运行状况，这包括关于下者中的一个或多个的潜在问题：雾化喷嘴、油成分和油温度。

16. 根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

感测供应到一个或两个至少所述一级氧化剂通道的氧化剂压力；

感测分级阀位置；以及

基于所述氧化剂压力和分级阀位置来确定所述喷燃器是否处于异常运行状况，这包括下者中的一个或多个：次佳分级阀位置和所述一级和二级氧化剂通道中的一个或两者部分阻塞。

17. 根据权利要求12至16中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

感测所述面附近的喷燃器块温度；

基于所述喷燃器块温度来确定存在或不存在异常喷燃器状况，这包括下者中的一个或多个：潜在的块过热和火焰不对称。