CN105737191B - 一种在线检测和控制尾气排放的智能化锅炉系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种监控尾气排放的智能化锅炉系统，包括CO/CO₂含量设定和采集仪、CO/CO₂含量测量仪、风机调节阀、风机、燃料流量控制调节装置、燃料喷枪，所述燃料喷枪一端连接锅炉，另一端连接燃料流量控制调节装置，所述控制调节装置与中央控制器数据连接；所述风机一端与锅炉连接，一端与风机调节阀连接，所述风机调节阀与中央控制器进行数据连接；所述CO/CO₂含量测量仪设置在锅炉的排烟烟道中，用于测量烟气中的CO和CO₂的含量，所述CO/CO₂含量设定和采集仪一端连接CO/CO₂含量测量仪，另一端与中央控制器进行数据连接；所述CO/CO₂含量设定和采集仪用于采集CO/CO₂含量数据和设定数据。本发明一方面确保锅炉内部燃料足够和充分燃烧，提高锅炉燃烧效率，另一方面减少污染的排放，达到节能环保。

Description

一种在线检测和控制尾气排放的智能化锅炉系统

技术领域

本发明属于锅炉和自动化结合领域，尤其涉及一种在线检测和控制尾气排放的智能化锅炉系统。

背景技术

锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。广泛应用于居民日常生活、电站、船舶、机车和工矿等行业。锅炉在运行过程中，必须连续不断地将燃料和空气送人炉膛，并将燃烧产物排出炉膛和烟道。燃料和通风的合理搭配，才能够使得燃料燃烧达到充分，才能达到能源节约的作用。

目前现有的锅炉燃料添加和通风控制大多数为人工手动根据经验完成，一方面不仅效率低下、浪费人力，另一方面调节的准确度也有非常差，经常造成燃料不足或者空气不足，锅炉燃烧效率比较低。此外，人工手动完成还具有一定的危险性。

鉴于上述情况，针对锅炉燃烧时的燃料添加和通风控制，研制一种可以根据烟囱中CO/CO₂含量自动调节和控制锅炉排烟的系统，一方面确保锅炉内部燃料足够和充分燃烧，提高锅炉燃烧效率，另一方面减少污染的排放，达到节能环保。

发明内容

本发明旨在提供一种在线检测和控制尾气排放的锅炉系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种监控尾气排放的智能化锅炉系统，包括CO/CO₂含量设定和采集仪、CO/CO₂含量测量仪、风机调节阀、风机、燃料流量控制调节装置、燃料喷枪，所述燃料喷枪一端连接锅炉，另一端连接燃料流量控制调节装置，所述控制调节装置与中央控制器数据连接；所述风机一端与锅炉连接，一端与风机调节阀连接，所述风机调节阀与中央控制器进行数据连接；所述CO/CO₂含量测量仪设置在锅炉的排烟烟道中，用于测量烟气中的CO和CO₂的含量，所述CO/CO₂含量设定和采集仪一端连接CO/CO₂含量测量仪，另一端与中央控制器进行数据连接；所述CO/CO₂含量设定和采集仪用于采集CO/CO₂含量数据和设定数据。

作为优选，所述中央控制器进行在线监测和控制。

作为优选，监控过程如下：

锅炉燃烧时单位时间内燃烧释放CO体积含量为V1,燃烧时单位时间内燃烧释放CO₂体积含量为V2，在CO/CO₂含量设定和采集仪中设定锅炉正常运行时的V1_设定和V2_设定；

对于CO含量的调节，如果测量的CO的含量V1_测量>V1_设定,因此中央控制器会将增加通风的指令传递给风机调节阀，通过增加风机调节阀的开度来增加送风量，如果测量的CO的V1_测量<V1_设定,并且测量的CO₂含量V2_测量<V2_设定，中央控制器会将减少通风的指令传递给风机调节阀，通过减小风机调节阀的开度来减小送风量。

其中V1_设定和V2_设定是一个数值范围，>V1_设定表示大于V1_设定的上限值，<V1_设定表明小于V1_设定的下限值，>V2_设定表示大于V2_设定的上限值，<V2_设定表明小于V2_设定的下限值。

作为优选，在中央控制器中设定V1_设定和V2_设定。

作为优选，锅炉的排烟烟道设置空气预热器，所述空气预热器包括热管，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述蒸发端设置在烟道中，用于吸收烟气的余热，所述冷凝端设置在空气流道中，将热量传递给空气，加热的空气通过风机送入锅炉炉膛中。

作为优选，所述的热管蒸发端的横截面是正方形，所述热管蒸发端内部设置内翅片，所述内翅片连接正方形的对角，所述内翅片将热管蒸发端内部分为多个小通道，在内翅片上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通。

作为优选，所述正方形的内边长为L，所述连通孔是圆形，半径r，所述同一翅片上相邻的连通孔圆心之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10＝a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0；

0.34<l/L<0.38；

0.14<r/L<0.17；

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm。

与现有技术相比较，本发明太阳能热水器具有如下的优点：

1)本发明能够自动检测锅炉尾气排放，并根据检测的结果自动调整送风量和燃料量，一方面确保锅炉内部燃料足够和充分燃烧，提高锅炉燃烧效率，另一方面减少污染的排放，达到节能环保。

2)本发明采用提供了一种新的热管结构空气预热器，利用空气预热器预热空气对锅炉进行助燃，提高了余热的利用。

3)本发明提供了一种新式的热管的结构，并通过集热管内的通孔的面积的规律变化，达到最优的集热效果以及流动阻力，在保证换热量最大以及流动阻力满足要求的情况下，得到一个最优的热管蒸发端优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

附图说明

图1是本发明锅炉系统的示意图；

图2是本发明锅炉烟道中空气预热器的结构示意图；

图3是本发明热管蒸发端横截面结构示意图；

图4是本发明内翅片连通孔分布示意图；

图5是本发明集热管内正方形尺寸示意图；

图6是本发明控制流程示意图。

附图标记如下：

CO/CO₂含量设定和采集仪1，CO/CO₂含量测量仪2，风机调节阀3，风机4，燃料流量控制调节装置5，燃料喷枪6，排烟烟道7，中央控制器8，锅炉9，空气流道10，蒸发端11，内翅片12，连通孔13，小通道14，冷凝端15，

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，所述锅炉9监控自动化系统包括锅炉燃烧监控自动化系统，主要包括CO/CO₂含量设定和采集仪1、CO/CO₂含量测量仪2、风机调节阀3、风机4、燃料流量控制调节装置5、燃料喷枪6。所述燃料喷枪6一端连接锅炉，往锅炉炉膛添加燃料，另一端连接燃料流量控制调节装置5，所述控制调节装置5与中央控制器8数据连接。所述风机4一端与锅炉连接，负责向炉膛送风助燃，一端与风机调节阀3连接，所述风机调节阀调节进入风机的风量，所述风机调节阀3与中央控制器8进行数据连接。所述CO/CO₂含量测量仪2设置在锅炉9的排烟烟道7中，用于测量烟气中的CO和CO₂的含量，所述CO/CO₂含量设定和采集仪1一端连接CO/CO₂含量测量仪2，另一端与中央控制器8进行数据连接。所述CO/CO₂含量设定和采集仪1用于采集CO/CO₂含量数据和设定数据。

作为优选，所述中央控制器8是在线监测系统。

锅炉燃烧监控自动化系统的监控过程如下：

锅炉燃烧时单位时间内燃烧释放CO体积含量为V1,燃烧时单位时间内燃烧释放CO₂体积含量为V2。在CO/CO₂含量设定和采集仪1中设定锅炉正常运行时的V1_设定和V2_设定。在实际锅炉运行过程中，中央控制器会根据CO/CO₂含量设定和采集仪1采集的数据自动对通风量和输送的燃料量进行控制。

当然，作为优选，也可以在中央控制器8设定V1_设定和V2_设定。

对于CO含量的调节，如果测量的CO的含量V1_测量>V1_设定,则表明通风量不够，因此中央控制器会将增加通风的指令传递给风机调节阀，通过增加风机调节阀3的开度来增加送风量，如果测量的CO的V1_测量<V1_设定,并且测量的CO₂含量V2_测量<V2_设定，则表明通风量过多，因此中央控制器会将减少通风的指令传递给风机调节阀3，通过减小风机调节阀3的开度来减小送风量。

当然，作为另一种选择，如果测量的CO的含量V1_测量>V1_设定,则表明燃料量过多，因此中央控制器会将降低燃料量的指令传递给燃料流量控制调节装置5，通过燃料流量控制调节装置5来减少燃料量，如果测量的CO的V1_测量<V1_设定,并且测量的CO₂含量V2_测量<V2_设定，则表明燃料量过少，因此中央控制器会将增加燃料量的指令传递给燃料流量控制调节装置5，通过燃料流量控制调节装置5的来减少燃料流量。

当然，对CO含量的调节，作为优选，可以将上述两种调节方式同时使用，以便加快调节速度。

对于CO₂含量的调节，如果测量的CO₂含量V2_测量<V2_设定，表明燃料供应不足，因此中央控制器8会将增加燃料量的指令传递给燃料流量控制调节装置5，通过燃料流量控制调节装置5的来减少燃料流量。

对于CO₂含量的调节，优先是在CO的含量满足设定值的情况下进行。

作为优选，如果测量的CO₂含量V2_测量<V2_设定，则表明通风量过多，因此中央控制器会将减少通风的指令传递给风机调节阀3，通过减小风机调节阀3的开度来减小送风量。

当然，对CO₂含量的调节，作为优选，可以将上述两种调节方式同时使用，以便加快调节速度。

作为优选，其中V1_设定和V2_设定是一个数值范围，>V1_设定表示大于V1_设定的上限值，<V1_设定表明小于V1_设定的下限值，>V2_设定表示大于V2_设定的上限值，<V2_设定表明小于V2_设定的下限值

作为优选，可以对CO、CO₂中的每一个独立进行自动化控制，例如只控制CO或者只控制CO₂，或者两者都控制。

作为优选，在中央控制器8中设置CO的上限和/或下限的报警数据和/或CO₂下限报警数据。一旦超过了上限或者下限的数据，中央控制器8就发出报警信号。此种情况表明对于送风量以及燃料输送量的控制已经失效，可能锅炉运行出现问题，需要立刻进行检修。

作为优选，所述的烟气中CO/CO₂含量探测仪是采用德图testo350Pro分析仪器，耐温极限高达500℃，从而满足高温测量的要求。

如图2所示，所述锅炉的排烟烟道7设置空气预热器，所述空气预热器包括热管，所述热管包括蒸发端11和冷凝端15，所述蒸发端11设置在烟道7中，用于吸收烟气的余热，所述冷凝端15设置在空气流道10中，将热量传递给空气，加热的空气通过风机4送入锅炉炉膛中。

作为优选，热管蒸发端11的横截面是长方形。

作为优选，所述热管蒸发端11内部设置内翅片12，所述内翅片12连接长方形的对角，如图3所示。所述内翅片12将热管内部分为多个小通道14，在内翅片上设置连通孔13，从而使相邻的小通道14彼此连通。

通过设置内翅片12，将热管蒸发端11内部分为多个小通道14，进一步强化传热，但是相应的流体流动的压力增加。通过设置连通孔13，保证相邻的小通道14之间的连通，从而使得压力大的小通道内的流体可以向邻近的压力小的小通道内流动，解决冷凝端15的内部各个小通道14压力不均匀以及局部压力过大的问题，从而促进了流体在换热通道内的充分流动，同时通过连通孔13的设置，也降低了热管内部的压力，提高了换热效率，同时也提高了热管的使用寿命。

优选的，在热管蒸发端11，沿着热管内流体的流动方向(沿着蒸发端11向冷凝端15方向)，所述连通孔13的面积不断的增加。

所述的连通孔13为圆形结构，沿着热管内流体的流动方向(沿着蒸发端11向冷凝端15方向)，所述圆形结构的半径不断的增加。

因为沿着热管内流体的流动方向，热管内的流体不断的吸热甚至蒸发，因此使得热管的压力不断的增加，而且因为连通孔13的存在，使得热管内部的压力分配越来越均匀，因此连通孔的面积需要很大，通过设置不断的变大，从而使得在保证热管内部压力均匀和压力的情况下，通过连通孔面积的变化来增加换热面积，从而提高换热效率。

优选的，在热管蒸发端11，沿着热管蒸发端11向冷凝段15内流体的流动方向，所述连通孔13的面积不断的增加的幅度不断增加。通过如此设置，也是符合流动压力的变化规律，进一步降低流动阻力的同时，提高换热效率。通过如此设置，通过是实验发现可以提高9％左右的换热效率，同时阻力基本保持不变。

优选的，沿着热管内流体的流动方向(沿着蒸发端11向冷凝端15方向)，连通孔13的分布数量越来越多，进一步优选，所述连通孔数量不断的增加的幅度不断增加。

通过上述数量的分布原理与面积减少原理相同，与连通孔数量完全相同相比，通过数量分布来减少流通面积。

在实际实验中发现，连通孔13的面积不能过小，过小的话会导致流动阻力的增加，从而导致换热的减弱，连通孔13的面积不能过大，面积过大，会导致换热面积的减少，从而降低换热效果。同样，热管的横截面积不能过大，过大导致管板结构单位长度上分布的换热管过少，同样导致换热效果变差，热管流动面积也不能过小，过小会导致流动阻力增加，从而导致换热效果变差。因此连通孔13与热管横截面面积及其相邻连通孔13之间的距离必须满足一定要求。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的热管的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下(10MPa以下)，在实现最大换热量的情况下，总结出的最佳的热管的尺寸优化关系。

本发明是热管蒸发端11横截面是正方形下进行的尺寸优化。

所述正方形的内边长(即正方形的外边长减去壁厚)为L，所述连通孔的半径r，所述同一翅片上相邻的连通孔之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10＝a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0；

0.34<l/L<0.38；

0.14<r/L<0.17；

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm。

其中，l等于相邻连通孔13圆心之间的距离。如图4、5所示的左右相邻和上下相邻的连通孔圆心之间的距离。

进一步优选，15mm<l<45mm。

优选的，随着r/L的增加，所述的a,b增加。

作为优选，a＝1.57,b＝2.93。

作为优选，冷凝端15具有和蒸发端11相同的结构。

作为优选，沿着烟气的流动的方向，相邻热管之间的距离不断的变大。主要原因是沿着烟气的流动的方向，烟气的温度越来越的，热管吸收余热的能力也越来越差，因此通过增大热管之间的间距，保证热管整体吸热均匀，避免有的热管吸热过多导致温度过高，从而容易损坏。

作为优选，沿着烟道7内烟气的流动的方向，相邻热管之间的距离L1不断的变大的幅度越来越大。通过如此设置可以更好的保证热管吸热均匀，提高吸热量。

作为优选，沿着烟道7内烟气的流动的方向，热管蒸发端11的吸热能力逐渐增强，进一步作为优选，吸热能力增强的幅度逐渐增加。通过实验发现，通过如此设置，可以提高余热吸收能力15％左右。而且通过如此设置，可以使得热管整体的吸热均匀，温度差异变小，保证热管整体寿命，避免部分热管蒸发端11温度过高，造成不断的频繁的更换。

作为优选，热管蒸发端11的外表面设置吸热材料。通过设置吸热材料来增加吸热量。

作为优选，沿着烟道7内烟气的流动的方向，不同热管表面吸热材料的吸热能力逐渐增强，进一步作为优选，吸热能力增强的幅度逐渐增加。主要原因类似前面。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种监控尾气排放的智能化锅炉系统，包括CO/CO₂含量设定和采集仪、CO/CO₂含量测量仪、风机调节阀、风机、燃料流量控制调节装置、燃料喷枪，所述燃料喷枪一端连接锅炉，另一端连接燃料流量控制调节装置，所述燃料流量控制调节装置与中央控制器数据连接；所述风机一端与锅炉连接，一端与风机调节阀连接，所述风机调节阀与中央控制器进行数据连接；所述CO/CO₂含量测量仪设置在锅炉的排烟烟道中，用于测量烟气中的CO和CO₂的含量，所述CO/CO₂含量设定和采集仪一端连接CO/CO₂含量测量仪，另一端与中央控制器进行数据连接；所述CO/CO₂含量设定和采集仪用于采集CO/CO₂含量数据和设定数据；

锅炉的排烟烟道设置空气预热器，所述空气预热器包括热管，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述蒸发端设置在烟道中，用于吸收烟气的余热，所述冷凝端设置在空气流道中，将热量传递给空气，加热的空气通过风机送入锅炉炉膛中；

所述的热管蒸发端的横截面是正方形，所述热管蒸发端内部设置内翅片，所述内翅片连接正方形的对角，所述内翅片将热管蒸发端内部分为多个小通道，在内翅片上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通；

所述正方形的内边长为L，所述连通孔是圆形，半径为r，同一翅片上相邻的连通孔圆心之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10＝a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0；

0.34<l/L<0.38；

0.14<r/L<0.17；

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm；

在热管蒸发端，沿着蒸发端向冷凝端方向，所述连通孔的面积不断的增加；

在热管蒸发端，沿着蒸发端向冷凝端方向，所述连通孔的面积不断的增加的幅度不断增加；

沿着排烟烟道内烟气的流动的方向，热管蒸发端的吸热能力逐渐增强，沿着排烟烟道内烟气的流动的方向，吸热能力增强的幅度逐渐增加；

沿着烟气的流动的方向，相邻热管之间的距离不断的变大；

沿着烟气的流动的方向，相邻热管之间的距离不断的变大的幅度越来越大。

2.如权利要求1所述的锅炉系统，其特征在于，所述中央控制器进行在线监测和控制。

3.如权利要求1所述的锅炉系统，其特征在于，监控过程如下：

锅炉燃烧时单位时间内燃烧释放CO体积含量为V1,燃烧时单位时间内燃烧释放CO₂体积含量为V2，在CO/CO₂含量设定和采集仪中设定锅炉正常运行时的V1_设定和V2_设定；

对于CO含量的调节，如果测量的CO的含量V1_测量>V1_设定,因此中央控制器会将增加通风的指令传递给风机调节阀，通过增加风机调节阀的开度来增加送风量，如果测量的CO的V1_测量<V1_设定,并且测量的CO₂含量V2_测量<V2_设定，中央控制器会将减少通风的指令传递给风机调节阀，通过减小风机调节阀的开度来减小送风量；

其中V1_设定和V2_设定是一个数值范围，>V1_设定表示大于V1_设定的上限值，<V1_设定表明小于V1_设定的下限值，<V2_设定表明小于V2_设定的下限值。

4.如权利要求3所述的锅炉系统，其特征在于，在中央控制器中设定V1_设定和V2_设定。