CN107152695B - 基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统，包括用于在线精密检测烟气中CO含量的CO分析仪、用于在线检测炉膛内O₂含量的O₂分析仪、可视化监测装置、压力传感器、变频器、引风机、驱动器、风门挡板以及与CO分析仪、O₂分析仪、压力传感器闭环控制连接的DCS控制系统，所述DCS控制系统根据设定的控制系统安全调节阈值控制驱动器以及变频器，优化调整加热炉燃烧状态，所述可视化监测装置显示加热炉内烧嘴燃烧状态，估算燃烧效率，计算炉膛横向温度均匀性和纵向温度梯度，还公开了其控制方法。本发明采用多参量的可视化燃烧控制方法，使加热炉始终处于近理论燃烧状态，提高燃烧效率、提高装置运行效率、降低污染物排放，特别是CO₂和NO_x的排放。

Description

基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃烧系统及方法，具体涉及加热炉可视化燃烧控制系统及控制方法。

背景技术

加热炉是冶金、化工、石油化工、有色金属等行业重要的耗能设备，同时也是二氧化碳、氮氧化物等污染物排放的主要来源之一，国内加热炉多采用过氧燃烧控制技术，存在燃烧效率低、炉管表面氧化渗碳速度快、污染排放多，炉管使用寿命短和安全隐患等问题，专利CN201410341338.3公开了一种基于PLC的低氮氧化物控制方法和系统，根据氮氧化物实测值和排放目标值进行对比，DCS控制二次风门开度指令和分离式燃尽风SOFA风门开度指令，实现锅炉得低氮燃烧和优化运行，但氮氧化物浓度值难以连续在线测量，且该方法所示结构仅为电厂燃煤锅炉，专利CN01133648.X公开了一种锅炉多火嘴炉膛燃烧优化控制方法，通过在炉膛内布置多个火焰图像探测器获取炉膛三维温度场分布，根据火焰中心偏离其理想位置的状态给出燃烧炉中燃料量和风量的分配控制指令，该方法对火焰图像进行采集，瞬态干扰较大，对炉膛三维温度场的模拟方法可靠性要求高。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统，和该控制系统的控制方法，DCS控制系统根据加热炉排放烟气中CO浓度、炉膛负压、O₂浓度检测值进行优化控制决策，控制引风机转速及风门挡板开度，通过可视化监测装置直观显示烧嘴配风、估算燃烧效率，测量目标温度，为燃烧优化控制系统提供丰富的检测手段和评估方法，并直接反馈于控制系统，保障最佳优化控制效果，实现节能、降耗、减排，特别是降低NO_X和CO₂的排放。

技术方案：本发明所述的基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统，包括用于在线精密检测烟气中CO含量的CO分析仪、用于在线检测炉膛内O₂含量的O₂分析仪、可视化监测装置、压力传感器、变频器、引风机、驱动器、风门挡板以及与CO分析仪、O₂分析仪、压力传感器闭环控制连接的DCS控制系统，用于检测装置运行状态参数的CO分析仪、O₂分析仪和压力传感器将结果信号发送至DCS控制系统，所述引风机通过变频器连接于DCS控制系统，所述风门挡板通过驱动器连接于DCS控制系统，所述DCS控制系统根据设定的控制系统安全调节阈值控制驱动器以及变频器，进而调节风门挡板开度和引风机转速，优化调整加热炉燃烧状态，所述可视化监测装置显示加热炉内烧嘴燃烧状态，估算燃烧效率，计算炉膛横向温度均匀性和纵向温度梯度。

优选的，所述CO分析仪包括分别安装于加热炉顶部烟道上的发射端和接收端，所述发射端包括光源、驱动电路和准直光路，所述接收端包含耦合光路、探测器和信号处理电路。

优选的，所述可视化监测装置利用红外辐射测温原理测量目标表面温度以及烧嘴燃烧火焰形态，所述可视化监测装置的探测器像元根据在特定波段连续接收到的红外辐射变化计算燃烧效率，实时监测燃烧控制状态及效果，并反馈于燃烧控制系统。

优选的，所述O₂分析仪安装于加热炉拱顶或横跨段，并测量烟气中O₂浓度含量。

基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)压力传感器检测炉膛压强；

2)DCS控制系统对比炉膛压强实测值和炉膛压强设定值调节变频器参数，控制引风机转速，保证燃烧过程中炉膛始终处于稳定的负压状态；

3)O₂分析仪检测炉膛内部O₂浓度，设定安全调节阈值范围，若超出阈值范围则立即停止DCS控制系统动作并人工干预、发出报警提示，否则进入步骤4)；

4)CO分析仪检测烟气中的CO浓度，与燃烧理论计算确定的加热炉最优运行状态下CO浓度范围进行对比，若在最优范围内则回到步骤1)，否则进入步骤5)；

5)PID控制器动态调整风门挡板开度，优化调节加热炉配风量。

优选的，炉膛压强实测值为若干压力传感器中各个传感器测量数据的中位数。

优选的，当炉膛压强发生变化时，先通过控制引风机转速来稳定炉膛压强，若压强实测值与设定值之间误差或误差率仍然持续增大，则微调风门挡板，改变进风量来维持炉膛压力的稳定。

优选的，步骤5)中PID控制器的控制模型为：

α′＝α(Ae₁+Be₂+Ce₃) (1)

式(1)中α为风门挡板开度的原控制信号，α′为调节后风门挡板开度的新控制信号，e₁为本次调控循环中烟气所含CO浓度相对误差，e₂为上次调控循环烟气所含CO浓度相对误差，e₃为再上次调控循环烟气所含CO浓度相对误差，A、B、C为调节系数。

有益效果：本发明的基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统及控制方法，改变以往国内加热炉均采用基于氧含量控制的过氧燃烧状态，采用CO含量控制使加热炉处于近理论燃烧状态，提高燃烧效率、提高装置运行效率、降低污染物排放，特别是CO₂和NO_x的排放，可视化装置通过监测烧嘴燃烧状态、燃烧效率及炉膛温度为燃烧优化控制系统提供直观的检验手段和控制效果的实时在线评价方法，并直接反馈于控制系统，确保装置安全、稳定、高效运行，O₂浓度含量用于优化控制的参考量，设定安全阈值，减少炉膛内过剩空气含量，减少排烟损失，提高热效率。

附图说明

图1为本发明的燃烧控制系统结构示意图；

图2为本发明的CO分析仪结构图；

图3为本发明的可视化系统原理框图；

图4为本发明的燃烧控制系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统，包括用于在线精密检测烟气中CO含量的CO分析仪1、用于在线检测炉膛内O₂含量的O₂分析仪8、可视化监测装置6、压力传感器7、变频器2、引风机3、驱动器5、风门挡板4以及与CO分析仪1、O₂分析仪8、压力传感器7闭环控制连接的DCS控制系统，若干压力传感器7成组的安装于加热炉辐射段和对流段内部，通过取所有单个压力传感器7检测数据的中位数来确定炉膛压强，用于检测前端检测装置运行状态参数的CO分析仪1、O₂分析仪8和压力传感器7将结果信号发送至DCS控制系统，引风机3通过变频器2连接于DCS控制系统，风门挡板4通过驱动器5连接于DCS控制系统，DCS控制系统根据设定的控制系统安全调节阈值控制驱动器5以及变频器2，进而调节风门挡板4开度和引风机3转速，优化调整配风量，实现燃料和空气的最佳配比，稳定炉膛负压，提高加热炉运行效率，实现加热炉安全、稳定、高效、长周期运行的目的，优化调整加热炉燃烧状态，如图3所示，可视化监测装置6显示加热炉内烧嘴燃烧状态，估算燃烧效率，计算炉膛横向温度均匀性和纵向温度梯度，反演炉膛内目标和空间温度直观反映燃烧控制效果，给燃烧控制系统提供更丰富的检测手段，指导燃烧优化控制系统实现和保持最佳控制状态，可视化监测装置6还可与DCS控制系统进行通讯连接，将燃烧效率直接输入DCS控制系统，还可通过视频、图像、数据等信息直观反应加热炉工作状态，便于人工观测和手动干预，CO分析仪1采用光谱吸收技术实时在线精确测量烟气中CO浓度，根据物质对不同频率的电磁波有不同的吸收特征，因此吸收谱线可作为识别不同气体分子的“指纹”，根据吸收谱线的位置和强度可以确定分子的成分和浓度，采用分布反馈式结构的近红外波段半导体激光器作为光源，利用可调谐半导体激光器的窄线宽、快速调谐特性，通过检测目标气体的一条孤立吸收线实现气体浓度的快速检测，同时采用调制和多次反射技术可使系统的测量精度达到ppm甚至ppb量级，如图2所示，CO分析仪1包括分别安装于加热炉顶部烟道上的发射端9和接收端10，发射端9包括光源、驱动电路和准直光路，接收端10包含耦合光路、探测器和信号处理电路，安装完成第一次使用时，需要对准直光路和耦合光路进行定标，CO浓度测量范围可达0～1000ppm，精确度可达1ppm，根据燃烧理论和加热炉烟气中CO、O₂和NO_X含量的关系可确定满足加热炉燃烧效果好且NO_X排放少时CO最优浓度范围，并通过对CO浓度的控制来直接控制燃烧效果，实现燃料和空气的最佳配比，可视化监测装置6利用红外辐射测温原理测量目标表面温度以及烧嘴燃烧火焰形态，通过选取合适的波长、带宽及波长间距可有效减少目标辐射率和高温烟气对测温精度的影响，准确测量壁面温度分布。在波长λ₁和λ₂下，同时测量目标同一点发射的光谱辐照度为M(T,λ₁)和M(T,λ₂)，利用二者的比值可反演目标任一点的温度：

式(2)中，C₂为温度常数，T为壁面温度，ε为目标辐射率，目标温度分布作为空间温度场重建方程求解的关键边界条件，求解空间单元辐射对流能量平衡方程组即可得到炉膛空间温度，利用探测器像元在连续时间段内接收的目标红外辐射及目标辐射的对比度变化可反演辐射光程上燃烧效率，进而得到炉膛空间燃烧效率，根据烧嘴燃烧火焰形态可直观判断烧嘴燃烧状态，通过烧嘴火焰形态变化直观反映加热炉配风情况，利用燃烧炉配风、炉膛空间燃烧效率和温度分布情况可直观体现装置运行情况，判断优化燃烧控制效果，给燃烧优化控制系统提供最直接、最有效的检测手段和评价方法，O₂分析仪8安装于加热炉拱顶或横跨段，测量烟气中O₂浓度含量，及时发现燃烧过程中的异常情况，由于传统加热炉控制系统采用炉膛内O₂含量来调节给风量的方法控制燃烧效果，所以O₂分析仪8可与传统加热炉控制系统实现兼容，并给基于CO控制的燃烧控制系统设定操作的安全阈值范围，如图4所示，基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)压力传感器7检测炉膛压强，对炉膛不同位置、不同高度的压力进行多点测量，监测加热炉运行状态；

2)DCS控制系统对比炉膛压强实测值和炉膛压强设定值调节变频器2参数，控制引风机3转速，保证燃烧过程中炉膛始终处于稳定的负压状态；

3)O₂分析仪8检测炉膛内部O₂浓度，与低氧燃烧设定范围对比，设定安全调节阈值范围，若超出阈值范围则立即停止DCS控制系统动作并将异常信号输出至控制室人工干预、发出报警提示，否则进入步骤4)；

4)CO分析仪1检测烟气中的CO浓度，与燃烧理论计算确定的加热炉最优运行状态下CO浓度范围进行对比，若在最优范围内则回到步骤1)，否则进入步骤5)；

5)PID控制器动态调整风门挡板开度，优化调节加热炉配风量。

炉膛压强实测值为若干压力传感器7中各个传感器测量数据的中位数，当炉膛压强发生变化时，先通过控制引风机3转速来稳定炉膛压强，避免影响加热炉进风量进而改变了烧嘴处空燃比，当引风机3转速调节不能满足要求，压强实测值与设定值之间误差或误差率仍然持续增大，则微调风门挡板4，改变进风量来维持炉膛压力的稳定，步骤5)中PID控制器的控制模型为：

α′＝α(Ae₁+Be₂+Ce₃) (1)

式(1)中α为风门挡板开度的原控制信号，α′为调节后风门挡板开度的新控制信号，e₁为本次调控循环中烟气所含CO浓度相对误差，e₂为上次调控循环烟气所含CO浓度相对误差，e₃为再上次调控循环烟气所含CO浓度相对误差，A、B、C为调节系数。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (4)

1.基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统的控制方法，燃烧控制系统包括用于在线精密检测烟气中CO含量的CO分析仪、用于在线检测炉膛内O₂含量的O₂分析仪、可视化监测装置、压力传感器、变频器、引风机、驱动器、风门挡板以及与CO分析仪、O₂分析仪、压力传感器闭环控制连接的DCS控制系统，用于检测装置运行状态参数的CO分析仪、O₂分析仪和压力传感器将结果信号发送至DCS控制系统，所述引风机通过变频器连接于DCS控制系统，所述风门挡板通过驱动器连接于DCS控制系统，所述DCS控制系统根据设定的控制系统安全调节阈值控制驱动器以及变频器，进而调节风门挡板开度和引风机转速，优化调整加热炉燃烧状态，所述可视化监测装置显示加热炉内烧嘴燃烧状态，估算燃烧效率，计算炉膛横向温度均匀性和纵向温度梯度，所述CO分析仪包括分别安装于加热炉顶部烟道上的发射端和接收端，所述发射端包括光源、驱动电路和准直光路，所述接收端包含耦合光路、探测器和信号处理电路，所述O₂分析仪安装于加热炉拱顶或横跨段，并测量烟气中O₂浓度含量；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)压力传感器检测炉膛压强；

2)DCS控制系统对比炉膛压强实测值和炉膛压强设定值调节变频器参数，控制引风机转速，保证燃烧过程中炉膛始终处于稳定的负压状态；

3)O₂分析仪检测炉膛内部O₂浓度，设定安全调节阈值范围，若超出阈值范围则立即停止DCS控制系统动作并人工干预、发出报警提示，否则进入步骤4)；

4)CO分析仪检测烟气中的CO浓度，与燃烧理论计算确定的加热炉最优运行状态下CO浓度范围进行对比，若在最优范围内则回到步骤1)，否则进入步骤5)；

5)PID控制器动态调整风门挡板开度，优化调节加热炉配风量。

2.根据权利要求1所述的基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统的控制方法，其特征在于：炉膛压强实测值为若干压力传感器中各个传感器测量数据的中位数。

3.根据权利要求1所述的基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统的控制方法，其特征在于：当炉膛压强发生变化时，先通过控制引风机转速来稳定炉膛压强，若压强实测值与设定值之间误差或误差率仍然持续增大，则微调风门挡板，改变进风量来维持炉膛压力的稳定。

4.根据权利要求1所述的基于多参量检测的加热炉可视化燃烧控制系统的控制方法，其特征在于：步骤5)中PID控制器的控制模型为：

α′＝α(Ae₁+Be₂+Ce₃) (1)

式(1)中α为风门挡板开度的原控制信号，α′为调节后风门挡板开度的新控制信号，e₁为本次调控循环中烟气所含CO浓度相对误差，e₂为上次调控循环烟气所含CO浓度相对误差，e₃为再上次调控循环烟气所含CO浓度相对误差，A、B、C为调节系数。