CN106352339A - 一种燃气加热炉空燃比优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气加热炉空燃比优化控制系统，属于工业控制领域。解决加热炉容易造成能源浪费的问题。包括数据输入模块，数据采集模块，残氧量计算模块，变频器频率计算模块；数据输入模块用于系统参数设置及数据校正模块参数设置，数据采集模块用于将接收到的系统参数，数据校正模块参数以及采集数据发送至残氧量计算模块；残氧量计算模块用于根据系统参数，数据校正模块参数和现场采集数据，在确定当前室内温度和燃气管道流量条件下，通过公式(1)和公式(2)，确定烟气中的含氧量和理想空燃比；变频器频率计算模块用于根据烟气中的含氧量和理想空燃比，通过公式(3)，确定燃气管道的阀门开度与鼓风机频率的对应关系。

Description

一种燃气加热炉空燃比优化控制系统

技术领域

本发明属于压缩空气供给与工业过程控制领域，更具体的涉及一种燃气加热炉空燃比优化控制系统。

背景技术

加热炉的目标群体广泛，有锅炉、冶炼炉、熔炉、热处理等领域。和热能有关的行业，燃烧系统是必不可少的。中国加热炉技术领域历史发展相对于欧洲等工业发达地区相对较短，有五至六年时间，生命力旺盛，市场处于上升期，生产稳定增长；加之国民和政府对环保的关注，加热炉的设计主要趋向于提高加热炉燃烧效率。燃烧控制过程是一个典型的复杂工业过程，燃烧对象彼此间的特性有很大的差异，但他们的控制目标是一致的：最佳燃烧，在满足动力性的前提条件下，追求最佳经济效益与最低污染量排放。

在实际操作过程中，烟气含氧量决定了燃烧品质。太小的过剩空气系数使得燃料不能够完全燃烧，这样便会浪费燃料，而且炉内的传热也不好，燃烧产物会冒出黑烟，污染空气；反之，如果过剩空气系数太大，由于进入炉膛内的空气量过多，便会从炉内带走大量的热量，致使炉膛温度下降，而且由于烟气中的空气量过多，排走的空气温度较高，浪费能源。

目前，加热炉的空燃比控制大多为连杆控制方式，即燃气管道的阀门开度与空气燃气管道的阀门开度成比例联动控制，这种控制方式只能在某一固定工作点达到燃料的最佳燃烧，而当工况发上改变时，会导致空燃比偏离最佳值。

综上所述，现有加热炉的空燃比存在燃气流量和空气流量比值控制困难，容易造成能源浪费的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种燃气加热炉空燃比优化控制系统，可以解决现有加热炉的空燃比存在燃气流量和空气流量比值控制困难，容易造成能源浪费的问题。

本发明实施例提供一种燃气加热炉空燃比优化控制系统，包括数据输入模块，数据采集模块，残氧量计算模块，变频器频率计算模块，数据校正模块；

所述数据输入模块用于系统参数设置及数据校正模块参数设置，并将所述系统参数和所述数据校正模块参数发送至所述数据采集模块；其中，所述数据校正模块参数包括燃气管道的阀门开度、鼓风机频率；

所述数据采集模块用于将接收到的所述系统参数，所述数据校正模块参数以及现场采集数据发送至残氧量计算模块；其中，所述现场采集数据包括当前燃烧室内温度、燃气管道流量、空气流量；

所述残氧量计算模块用于根据所述系统参数，所述数据校正模块参数和所述现场采集数据，在确定所述当前室内温度和所述燃气管道流量条件下，通过公式(1)和公式(2)，确定烟气中的含氧量和理想空燃比；

所述变频器频率计算模块用于根据所述烟气中的含氧量和所述理想空燃比，通过公式(3)，确定所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系；

公式(1)如下所示：

$\[O_2\]=\frac{21\%(Q_V-Q_T\×G_V)}{Q_V+(Q_{FT}-Q_T)\×G_V}$

公式(2)如下所示：

$k=\frac{Q_{FT}\[O_2\]}{21\%-\[O_2\]}+Q_T$

公式(3)如下所示：

$f=f_e\sqrt{\frac{2{\mathrm{gP}}_2{S}_k^2+{\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2}{2{\mathrm{gP}}_e{S}_k^2}}$

其中，Q_T为理论空气量，Q_FT为理论烟气容积，Q_V为鼓风机总送风量，G_V为燃气管道流量，Vm为气体摩尔体积，[O₂]为烟气含氧量，k为空燃比，f为鼓风机给定频率，f_e为鼓风机额定频率，P₂为实际出口压力，S_k为燃气管道横截面积，ξ_k为燃气管道的阀门阻尼系数，Q_r为燃气流量，P_e鼓风机额定功率，g为重力加速度。

优选地，还包括数据输出模块；

所述数据输出模块用于将所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系发送至所述数据输入模块。

所述数据输入模块用于存储所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系。

优选地，所述校正模块用于根据氧化锆测量仪测定的烟气氧含量，确定调节所述燃气管道的阀门开度，并通过多组实验，利用最小二乘法对所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系进行参数辨识；

所述参数辨识通过公式(4)确定：

$f^2=m\left({\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2\right)+n$

其中，m，n为待辨识的参数。

本发明实施例，提供了一种燃气加热炉空燃比优化控制系统，在不改变工业生产中原有连杆控制装置的基础上，加入变频器控制鼓风机的频率，通过对气体流量以及燃烧过程的精确建模，实现燃烧过程空气流量和空燃比的优化控制，达到优化燃烧、从而达到节约能源的目的。解决了现有加热炉的空燃比存在燃气流量和空气流量比值控制困难，容易造成能源浪费的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供了一种燃气加热炉空燃比优化控制系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种燃气加热炉空燃比优化控制系统。如图1所示，本发明实施例所提供的一种燃气加热炉空燃比优化控制系统，主要包括：数据输入模块101，数据采集模块103，残氧量计算模块104，变频器频率计算模块105，数据校正模块102。

具体地，数据输入模块101用于设置系统参数以及数据校正模块102参数设置。其中，系统参数包括用户密码、系统时间、燃气成分，语言，变频器参数，数据校正模块102参数包括燃气管道的阀门开度，鼓风机频率和点数设置；进一步地，数据输入模块101将设置好的参数发送至数据采集模块103。

数据采集模块103用于将接收的系统参数，数据校正模块102参数以及现场采集数据发送至残氧量计算模块104；其中，现场采集数据包括当前燃烧室内温度、燃气管道流量和空气流量等。进一步地，数据采集模块103将上述数据发送至残氧量计算模块104。

所述残氧量计算模块104用于根据系统参数，数据校正模块102参数和现场采集数据，在确定当前室内温度和燃气管道流量条件下，对烟气含氧量进行软测量，并通过公式(1)和公式(2)，确定烟气中的含氧量和理想空燃比。

具体地，公式(1)如下所示：

$\[O_2\]=\frac{21\%(Q_V-Q_T\×G_V)}{Q_V+(Q_{FT}-Q_T)\×G_V}---\left(1\right)$

公式(2)如下所示：

$k=\frac{Q_{FT}\[O_2\]}{21\%-\[O_2\]}+Q_T---\left(2\right)$

需要说明的是，上述公式(1)中，Q_T为理论空气量；Q_FT为理论烟气容积；Q_V为鼓风机总送风量；G_V为然气管道流量。

在实际应用中，假设1m³天然气完全燃烧所需的理论空气量Q_T可以通过公式(4)确定：

$Q_T=\frac{(\frac{8}{3}{C}^y+S^y+8H^y+\frac{8x}{7}(\frac{78{\mathrm{\%Q}}_V}{Vm}\×28+\frac{N^y}{100})x-Q^y)}{100\×32}\×Vm\÷21\%---\left(5\right)$

在实际应用中，燃烧后的烟气主要包括下列废气：N₂、CO₂、SO₂、H₂O、NO_x，其中，上述废气分别可以通过下列公式确定：

$V_{N_2}=(1-x)(78{\mathrm{\%Q}}_V+\frac{N^y}{100\×28}\×Vm)---\left(6\right)$

$V_{{\mathrm{RO}}_2}=\frac{\frac{C^y}{12}+\frac{S^y}{32}}{100}\×Vm---\left(7\right)$

$V_{H_{2}O}=\frac{H^y}{100\×2}\×Vm---\left(8\right)$

$V_{{\mathrm{NO}}_x}=2x(78{\mathrm{\%Q}}_V+\frac{N^y}{100\×28}\×Vm)---\left(9\right)$

进一步地，通过上述公式(5)～公式(9)，可以通过公式公式(10)确定理论烟气容积：

$Q_{\mathrm{FT}}=V_{N_2}+V_{{\mathrm{NO}}_x}+V_{{\mathrm{RO}}_2}+V_{H_{2}O}+1\%Q_V---\left(10\right)$

上述公式中，Q_V为鼓风机总送风量；G_V为天然气流量；Vm为气体摩尔体积；x为不同温度下，N元素的反应百分数，N^y、C^y、S^y、H^y、Q^y分别为燃料的氮元素、碳元素、硫元素、氢元素、氧元素的百分含量。

变频器频率计算模块105用于根据烟气中的含氧量和理想空燃比，由于空气经过调节阀时，流体发生局部阻力损失，该损失可以通过伯努利方程表示：

$P_{k1}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2+\mathrm{\ρ}gh=P_{k2}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2+\mathrm{\ρ}gh+\mathrm{\ξ}\frac{v^2}{2g}---\left(11\right)$

其中，P_k1为阀门前气体压力，P_k2为阀门后气体压力，v为气体流速，ρ为气体密度，ξ为阀门阻尼系数，g为重力加速度。

通过公式(11)，可得气体通过阀门后流速

$v=\sqrt{\frac{2g(P_1-P_2)}{\mathrm{\ξ}}}---\left(12\right)$

因为Q＝Sv，从而得到气体通过阀门后流量

$Q=S\sqrt{\frac{2g(P_1-P_2)}{\mathrm{\ξ}}}---\left(13\right)$

其中，Q为气体流量，S为管道横截面积。

在实际应用中，因为鼓风机频率与风机出口风压存在关系：即可以确定下列公式

$Q=S\sqrt{\frac{2g\[{\left(\frac{f}{f_e}\right)}^2{P}_e-P_2\]}{\mathrm{\ξ}}}---\left(14\right)$

进一步地，通过公式(3)，计算出已知所需空气流量时，鼓风机所应对应的频率：

$f=f_e\sqrt{\frac{2{\mathrm{gP}}_2{S}_k^2+{\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2}{2{\mathrm{gP}}_e{S}_k^2}}---\left(3\right)$

其中，k为空燃比，f为鼓风机给定频率，f_e为鼓风机额定频率，P₂为实际出口压力，S_k为燃气管道横截面积，ξ_k为燃气管道的阀门阻尼系数，Q_r为燃气流量，P_e鼓风机额定功率，g为重力加速度。

需要说明的是，在本发明实施例中，可以通过上述燃气管道的阀门开度与鼓风机频率的对应关系，实现燃烧过程空气流量和空燃比的优化控制，达到优化燃烧、从而达到节约能源的目的。

本发明实施例所提供的燃气加热炉空燃比优化控制系统，还包括数据输出模块106，节能计算模块和故障报警模块。

其中，在确定燃气管道的阀门开度与鼓风机频率的对应关系之后，还包括：

数据输出模块106用于将燃气管道的阀门开度与鼓风机频率的对应关系发送至数据输入模块101。

数据输入模块101在接收到数据输出模块106发送的燃气管道的阀门开度与鼓风机频率的对应关系之后，将该关系式存储在数据输入模块101中。

节能计算模块用于计算相比于现有的连杆控制方式，采用上述燃气管道的阀门开度与鼓风机频率的对应关系所节省的燃气量以及所节约的费用。

故障报警模块用于记录显示各个模块的报警时间，报警详细信息。

校正模块用于根据氧化锆测量仪测定的烟气氧含量，确定调节所述燃气管道的阀门开度，并通过多组实验，利用最小二乘法对所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系进行参数辨识；

其中，参数辨识通过下列公式(4)确定：

$f^2=m\left({\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2\right)+n---\left(4\right)$

其中，m，n为待辨识的参数；ξ_k为当前阀门开度下管道的阻尼系数。

当则有

综上所述，本发明实施例，提供了一种燃气加热炉空燃比优化控制系统，在不改变工业生产中原有连杆控制装置的基础上，加入变频器控制鼓风机的频率，通过对气体流量以及燃烧过程的精确建模，实现燃烧过程空气流量和空燃比的优化控制，达到优化燃烧、从而达到节约能源的目的。解决了现有加热炉的空燃比存在燃气流量和空气流量比值控制困难，容易造成能源浪费的问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种燃气加热炉空燃比优化控制系统，其特征在于：包括数据输入模块，数据采集模块，残氧量计算模块，变频器频率计算模块，数据校正模块；

所述数据输入模块用于系统参数设置及数据校正模块参数设置，并将所述系统参数和所述数据校正模块参数发送至所述数据采集模块；其中，所述数据校正模块参数包括燃气管道的阀门开度、鼓风机频率；

所述数据采集模块用于将接收到的所述系统参数，所述数据校正模块参数以及现场采集数据发送至残氧量计算模块；其中，所述现场采集数据包括当前燃烧室内温度、燃气管道流量；

所述残氧量计算模块用于根据所述系统参数，所述数据校正模块参数和所述现场采集数据，在确定所述当前室内温度和所述燃气管道流量条件下，通过公式(1)和公式(2)，确定烟气中的含氧量和理想空燃比；

所述变频器频率计算模块用于根据所述烟气中的含氧量和所述理想空燃比，通过公式(3)，确定所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系；

公式(1)如下所示：

$\[O_2\]=\frac{21\%(Q_V-Q_T\×G_V)}{Q_V+(Q_{FT}-Q_T)\×G_V}$

公式(2)如下所示：

$k=\frac{Q_{FT}\[O_2\]}{21\%-\[O_2\]}+Q_T$

公式(3)如下所示：

$f=f_e\sqrt{\frac{2{\mathrm{gP}}_2{S}_k^2+{\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2}{2{\mathrm{gP}}_e{S}_k^2}}$

其中，Q_T为理论空气量，Q_FT为理论烟气容积，Q_V为鼓风机总送风量，G_V为燃气管道流量，Vm为气体摩尔体积，[O₂]为烟气含氧量，k为空燃比，f为鼓风机给定频率，f_e为鼓风机额定频率，P₂为实际出口压力，S_k为燃气管道横截面积，ξ_k为燃气管道的阀门阻尼系数，Q_r为燃气流量，P_e鼓风机额定功率，g为重力加速度。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括数据输出模块；

所述数据输出模块用于将所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系发送至所述数据输入模块。

所述数据输入模块用于存储所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述校正模块用于根据氧化锆测量仪测定的烟气氧含量，确定调节所述燃气管道的阀门开度，并通过多组实验，利用最小二乘法对所述燃气管道的阀门开度与所述鼓风机频率的对应关系进行参数辨识；

所述参数辨识通过公式(4)确定：

$f^2=m\left({\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2\right)+n$

其中，m，n为待辨识的参数。