CN107084796B - 基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法，根据相同温度条件下探测器像元接收的目标红外辐射计算透过率，结合火焰形态判断燃烧效率；利用测量的目标表面温度计算空间温度场，根据横向空间温度分布均匀性和纵向温度梯度变化分析加热炉运行效率，监测加热炉运行状态。本发明提供的方法可有效解决加热炉燃烧状况和装置运行状态的在线检测的技术难题。
Description
技术领域
本发明属于加热炉燃烧状况测控领域，尤其是冶金、化工、石油化工、有色金属等相关行业加热炉温度测量及生产控制技术领域，具体涉及一种基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法。
背景技术
目前，国内冶金、化工、石油化工、有色金属等行业由于缺少对加热炉燃烧状态准确、稳定和可靠的诊断方法，主要依赖于局部温度、燃烧气体排放、人工经验、产品质量等判断，数据量稀少、缺乏实时性和连续性，且准确性和可靠性不高，导致无法实现对加热炉操作过程的精细化控制，装置的能耗过大，能源利用率低，设备损耗大，生产效率低，经济效益差。
专利CN102175350A公开了一种加热炉在线热平衡测试诊断系统，通过OPC技术从基础自动化控制系统获取加热炉各段炉温数据，汽化冷却水量、水压、水温数据，蒸汽产量、温度、压力数据，基于热工理论和能量守恒准则对以上数据进行计算处理，生成反映加热炉热能运行状况的直观数据表及图形。该诊断系统获取的炉温数据只是局部数据，导致计算结果精度和可靠性得不到充分保证，同时由于监测仪表、监测位置和计算方法不同，不适用于大尺寸、大空间的冶金、石油化工等行业中加热炉燃烧状态的诊断。
专利CN105734264A提出了一种轧钢加热炉燃烧状况在线测控方法，在各区段燃烧气体出口处增设氧分析仪，在线测量炉内不同区段燃烧气氛的氧含量，然后基于此氧含量的测量值对加热炉的燃烧状态进行诊断。该方法利用氧含量定点测量，不能充分反映燃烧状态，且普遍存在过氧燃烧状态、燃烧效率不高。
文献《燃气加热炉火焰视频监控系统设计》设计了利用燃气火焰的特点诊断加热炉燃烧状态的监控系统，利用数字图像处理技术,设计了相应的燃气加热炉火焰视频监控系统。通过图像预处理、火焰特征提取、火焰特征分析三个步骤实现对炉膛火焰燃烧状态进行实时判定。目前加热炉普遍采用天然气作为燃料，正常情况下火焰不可见，所以该方法火焰特征提取、火焰特征分析很难实现，且该方法无法测量空间温度分布和火焰梯度分布，因此无法有效判断加热炉燃烧状态。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种能够有效判断加热炉燃烧状态，解决加热炉运行状态在线检测的技术瓶颈的基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法，根据相同温度条件下探测器像元接收的加热炉内的目标红外辐射计算出高温烟气的辐射透过率，利用在特定红外波段中高温烟气的辐射透过率的变化与天然气燃烧效率的关系以及结合火焰形态特征直观反映加热炉内的燃烧状态；利用红外测温装置测量出加热炉的目标表面温度作为边界条件求解计算出加热炉内的空间温度，通过空间温度获得加热炉的横向空间温度分布和纵向温度梯度，根据横向空间温度分布判断加热炉各烧嘴燃烧均衡情况和空间温度波动情况，根据纵向温度梯度判断空间温度分布随着加热炉内的高度、流速和压力的变化情况；利用检测数据结合工艺指标和实际生产需求调整加热炉运行状态，实时监测加热炉运行效率。
加热炉内目标表面温度测量的困难在于：1)红外辐射要穿透高温烟气，而高温烟气是气体和固体颗粒混合物，空间上各向异性且瞬态变化，火焰谱和能量传递过程特别复杂，且燃烧过程中由于燃料种类和条件不同导致火焰辐射强度和辐射特性随机变化；2)加热炉尺寸大、结构复杂，待测目标和背景的辐射特性差异大，加热过程中高温背景的强辐射和反射等；3)目标长期处于高温过氧环境中，目标表面高温氧化和渗碳导致表面辐射率随时间变化。由于待测目标处于高温燃烧炉膛环境中，影响因素太多且过于复杂，突出主要影响因素，忽略次要因素，建立背景补偿模型，消除强背景辐射和光程上高温介质辐射、散射、吸收的影响，且考虑了系统噪声：
其中，L(T)为待测目标有效辐射度；T为待测目标温度；LM为探测系统获得的总辐射信号强度；τp为辐射透过率；εt为探测目标发射率；L(Tsur)为环境背景辐射；L(Tcam)为系统热噪声、散粒噪声等噪声等效辐射；L(Tp)为光程上高温介质的辐射；Tp为辐射光程上燃烧介质温度；Tcam为探测器温度。
被测目标辐射强度经过高温烟气中二氧化碳、水蒸气吸收和散射造成衰减，红外探测系统获得的总辐射信号强度扣除环境背景辐射、系统噪声等效辐射、高温烟气辐射之后与待测目标有效辐射度的比值即为辐射透过率τp：
辐射透过率越小，衰减程度越大，探测器接收到辐射能越少，加热炉燃烧效率越低。
基于背景补偿模型和双波段比色测温技术，设计测温系统测量出目标表面温度，根据目标表面温度与炉膛空间温度场分布相关性，把目标表面温度作为关键的边界条件求解炉膛空间温度场分布和定标，结合炉膛网格化参数、能量吸收分布随机数、流速分布参数，构建辐射对流能量平衡方程组，通过求解方程组，即可得到空间温度场分布。
进一步地，所述红外测温装置包括依次连接的温度监测高温镜头、红外滤波片、红外探测器和计算与分析诊断模块。
进一步地，所述选取的特定红外波段中包括高温烟气中二氧化碳、水蒸气最大辐射透过率对应波长。
有益效果：本发明与现有技术相比，能够根据目标红外辐射透过率变化和火焰形态直观的判断出加热炉烧嘴的燃烧效率，能够根据横向空间温度分布和纵向温度梯度变化分析诊断加热炉的运行状态，从而能够有效的判断加热炉的燃烧状态，实时监测加热炉运行效率，解决了加热炉运行状态在线检测的技术瓶颈。
附图说明
图1为本发明的加热炉燃烧诊断流程图；
图2为本发明中红外测温装置的系统结构图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法，根据相同温度条件下探测器像元接收的加热炉内的目标红外辐射计算出高温烟气的辐射透过率，利用在特定红外波段中高温烟气的辐射透过率的变化与天然气燃烧效率的关系以及结合火焰形态特征直观反映加热炉内的燃烧状态；利用红外测温装置测量出加热炉的目标表面温度作为边界条件求解计算出加热炉内的空间温度，通过空间温度获得加热炉的横向空间温度分布和纵向温度梯度，根据横向空间温度分布判断加热炉各烧嘴燃烧均衡情况和空间温度波动情况，根据纵向温度梯度判断空间温度分布随着加热炉内的高度、流速和压力的变化情况。
所有的检测数据都可通过可视化温度检测系统直接的获取，利用检测数据结合工艺指标和实际生产需求调整加热炉运行状态，实时监测加热炉运行效率。
实施例2：
研究加热炉火嘴处高温烟气中二氧化碳、水蒸气辐射图谱，寻找红外辐射透过率较大的辐射窗口，结合近红外探测器光谱响应特性，确定最佳滤波中心波长，从而最大限度地获取火焰形态。火焰形态直观反映烧嘴配风情况，烧嘴配风好，则透过率高、燃烧效率高且火焰不可见；烧嘴配风不好，则透过率低、燃烧效率低，火焰可见且随风摆动。
利用红外测温装置测量出加热炉的目标表面温度，由于待测目标处于高温燃烧炉膛环境中，影响因素太多且过于复杂，突出主要影响因素，忽略次要因素，建立背景补偿模型，消除强背景辐射和光程上高温介质辐射、散射、吸收的影响，且考虑了系统噪声：
其中，L(T)为待测目标有效辐射度；T为待测目标温度；LM为探测系统获得的总辐射信号强度；τp为辐射透过率；εt为探测目标发射率；L(Tsur)为环境背景辐射；L(Tcam)为系统热噪声、散粒噪声等噪声等效辐射；L(Tp)为光程上高温介质的辐射；Tp为辐射光程上燃烧介质温度；Tcam为探测器温度。
被测目标辐射强度经过高温烟气中二氧化碳、水蒸气吸收和散射造成衰减，红外探测系统获得的总辐射信号强度扣除环境背景辐射、系统噪声等效辐射、高温烟气辐射之后与待测目标有效辐射度的比值即为辐射透过率τp：
辐射透过率越小，衰减程度越大，探测器接收到辐射能越少，加热炉燃烧效率越低。
目标表面温度分布与炉膛空间温度场分布具有较大的相关性，可以作为关键的边界条件求解炉膛空间温度场分布和定标。红外测温装置测量目标表面温度作为辐射对流能量平衡方程求解的关键边界条件，通过求解方程组，即可得到空间温度场分布。从空间温度中提取空间横向温度分布和纵向温度梯度，根据横向温度可以反映各烧嘴火焰温度分布和空间温度波动情况；根据纵向温度梯度判断空间温度分布随高度、流速、压力的变化情况。
最后结合火焰形态、火焰温度、空间横向温度和纵向温度梯度综合诊断加热炉燃烧状况和实时调整装置运行状态，提高加热炉运行效率。
实施例3：
如图2所示，采用红外测温装置进行测量加热炉的目标表面温度，所述红外测温装置包括依次连接的温度监测高温镜头、红外滤波片、红外探测器和计算与分析诊断模块，所述红外探测器的红外监测探头通过密封连接机构直接安装在炉体侧壁或顶部，炉膛内部红外辐射信号首先通过温度监测高温镜头，再经过红外滤波片滤波作用后在红外探测器上形成电信号，电信号通过电缆线传输至工控机通过计算与分析诊断模块进行数据分析与处理，所述计算与分析诊断模块通过目标温度计算模块计算出目标表面温度，空间温度计算模块通过目标表面温度求解出空间温度，通过显示与信号输出模块进行信号输出。
Claims (4)
1.基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法，其特征在于：根据相同温度条件下探测器像元接收的加热炉内的目标红外辐射计算出高温烟气的辐射透过率，利用在特定红外波段中高温烟气的辐射透过率的变化与天然气燃烧效率的关系以及结合火焰形态特征直观反映加热炉内的燃烧状态；利用红外测温装置测量出加热炉的目标表面温度作为边界条件求解计算出加热炉内的空间温度，通过空间温度获得加热炉的横向空间温度分布和纵向温度梯度，根据横向空间温度分布判断加热炉各烧嘴燃烧均衡情况和空间温度波动情况，根据纵向温度梯度判断空间温度分布随着加热炉内的高度、流速和压力的变化情况；利用检测数据结合工艺指标和实际生产需求调整加热炉运行状态，实时监测加热炉运行效率。
2.根据权利要求1所述的基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法，其特征在于：将辐射透过率设定为τp，τp的计算公式为：
其中，
上述公式(1)和公式(2)中T为待测目标表面温度；LM为探测系统获得的总辐射信号强度；L(T)为待测目标有效辐射度；εt为探测目标发射率；L(Tsur)为环境背景辐射；L(Tcam)为噪声等效辐射；L(Tp)为光程上高温介质的辐射；Tp为辐射光程上燃烧介质温度；Tcam为探测器温度。
3.根据权利要求1所述的基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法，其特征在于：所述红外测温装置包括依次连接的温度监测高温镜头、红外滤波片、红外探测器和计算与分析诊断模块。
4.根据权利要求1所述的基于温度分布的加热炉燃烧诊断方法，其特征在于：所述选取的特定红外波段中包括高温烟气中二氧化碳、水蒸气最大辐射透过率对应波长。
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Inventor after: Tang Lei Inventor after: Cang Yajun Inventor after: Liu Chunhong Inventor after: Feng Junsheng Inventor after: Xiong Danfeng Inventor after: Bi Yu Inventor after: Li Dachuang Inventor after: Jiang Shan Inventor after: Shu Zhifeng Inventor after: Zhao Xiaohu Inventor after: Wu Haibin Inventor before: Feng Junsheng Inventor before: Cang Yajun Inventor before: Liu Chunhong Inventor before: Xiong Danfeng Inventor before: Bi Yu Inventor before: Tang Lei Inventor before: Li Dachuang Inventor before: Jiang Shan Inventor before: Shu Zhifeng Inventor before: Zhao Xiaohu Inventor before: Wu Haibin |
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