CN110006067A - 通过气流压力和过程参数进行火焰稳定性监控 - Google Patents

Abstract

通过监控由气流测量值计算的统计变量和监控与炉子(16)的操作相关的过程变量来监控炉子(16)。基于统计变量和过程变量来确定炉子(16)的异常操作。

Description

通过气流压力和过程参数进行火焰稳定性监控

本申请为申请号为201380038686.7(国际申请号为PCT/US2013/060615)、国际申请日为2013年9月19日、发明名称为“通过气流压力和过程参数进行火焰稳定性监控”的专利申请的分案申请。

背景技术

在处理厂中，燃烧器用于加热过程流体和烧尽废气。这种燃烧器在使用燃料气体和诸如空气的氧气源的燃烧室中产生一种或多种火焰。燃料气体的数量或质量的变化，例如燃料气体的BTU含量的变化，或者燃烧室中氧气的可获得性的变化可能会导致燃烧器火焰的不稳定性。如果不能保持适当的燃料和氧气混合比，燃烧室可能会进入到亚化学计量燃烧阶段，在该阶段中，不存在足够的氧气用于燃料的完全燃烧。亚化学计量燃烧可能导致燃烧器火焰不稳定，并且如果没有立即校正的话，燃烧器火焰可能完全熄灭。这称为火焰熄灭。

迅速检测到火焰熄灭是非常重要的，这是因为在火焰熄灭之后，未燃烧的燃料填充燃烧室。如果该燃料被点燃，则可能发生爆炸，由此损坏燃烧器/加热器。

火焰特性的一种计量是燃烧室气流(firebox draft)，可以通过测量燃烧室内的压力和燃烧室外的压力之间的压力差来测量所述燃烧室气流。该压力差称为气流压力或者气流测量值。近年来，统计处理监控技术已经用于燃烧室气流测量。在统计处理监控中，燃烧室气流的压力值以统计学的方式被处理以确定压力样本的均值和标准差。气流压力的标准差然后用于检测火焰稳定性。

发明内容

通过监控由气流测量值计算的统计变量并监控与燃烧器的操作有关的过程变量来监控燃烧器。基于统计变量和过程变量来确定燃烧器的异常操作。

根据进一步的实施例，用于监控燃烧器的系统包括：气流测量装置，其提供加热器的气流的测量值；统计计算模块，其用于基于气流测量值计算统计值。一个或多个过程测量装置测量与燃烧器有关的一个或多个过程变量。一模块基于测量的过程变量、统计值和代表燃烧器的正常操作期间统计值和过程变量之间的关系的参数来识别燃烧器的异常操作。

在进一步的实施例中，设备包括火焰稳定性计算器，该火焰稳定性计算器接收过程变量的值、气流测量值的统计值、代表所述过程变量的值和所述气流测量值的统计值之间的关系的参数，并且火焰稳定性计算器生成指示火焰稳定性的稳定性值。

附图说明

图1是示例性处理厂控制诊断网络的方块图；

图2是现场装置和工作站中的用于实现多种实施例的电路元件的方块图；

图3是作为时间的函数的气流压力的标准差的图表；

图4是作为时间的函数的燃烧率的图表；

图5是作为时间的函数的气流压力的标准差的图表；

图6是作为燃烧率的函数气流压力的标准差的图表，其示出了在火焰不稳定期间的标准差/燃烧率对；

图7是在火焰不稳定测试期间作为时间的函数的气流压力的标准差的图表；

图8是在图7的火焰不稳定性测试期间作为时间的函数的燃烧率的图表；

图9是用于识别燃烧器中的异常情况的元件的方块图；

图10是确定燃烧器中的异常情况的方法的流程图；

图11是在燃烧器测试期间气流压力的标准差的图表；

图12是在图11的燃烧器测试期间燃烧率的图表；

图13是在图11的燃烧器测试期间的稳定性值的图表；

图14是在第二燃烧器测试期间气流压力的标准差的图表；

图15是在图14的燃烧器测试期间燃烧率的图表；以及

图16是在图14的燃烧器测试期间稳定性值的图表。

具体实现方式

图1是示例性处理厂控制诊断网络10的方块图，所述控制诊断网络10包括经由通信链路15联接到工作站14的过程控制器12。通信链路15可以包括例如以太通信连接或者任何其他类型的有线、光学或无线通信连接。另外，通信链路15可以是连续或者断续链路。控制器12也可以经由输入/输出(I/O)装置(未示出)和一系列通信线或总线18而联接到处理厂内的装置或设备。在图1的示例中，控制器12联接到与加热器单元16(例如，原油加热器、流体加热器、精炼加热器、载料加热器(charge heater)、供料加热器(feed heater)、真空加热器、液体加热器、蒸馏塔加热器、管道加热器、存储加热系统等)有关的装置和设备。控制器12例如仅仅以示例的形式为由Emerson process Management，Inc.出售的DeltaV^TM控制器，并能够与诸如现场装置和现场装置中分布在整个处理场的功能块的控制元件通信以执行一个或多个过程控制程序，由此执行对加热器单元16的期望控制。这些过程控制程序可以是连续或批量处理过程控制程序或过程。工作站14(其可以包括例如个人计算机、服务器等)可被一个或多个工程师或操作员使用以设计由控制器12执行的过程控制程序，与控制器12通信以下载这些过程控制程序，在处理厂的操作期间接收和显示与加热器单元16有关的信息，并以其他方式与由控制器12执行的过程控制程序互相作用。

工作站14包括存储装置(未示出)，该存储装置用于存储诸如结构设计应用、保养应用、用户界面应用和诊断应用的应用，还用于存储与加热器单元16的结构有关诸如结构数据、保养数据、诊断数据等的数据。除此之外，工作站14还包括执行能够使用户设计过程控制程序和将这些过程控制程序下载到控制器12的应用的处理器(未示出)。类似地，控制器12包括存储器(未示出)，其用于存储结构数据和用于控制加热器单元16的过程控制程序，并且包括执行过程控制程序以实施过程控制策略的处理器(未示出)。如果控制器12是DeltaV^TM控制器，那么该控制器与由工作站14执行的一个或多个应用相结合可以将控制器12内的过程控制程序的图表解说提供给用户，从而说明该过程控制程序内的控制元件和这些控制元件被构造以提供对加热器单元16的控制的方式。

在如图1所示的示例性处理厂控制诊断网络10中，控制器12经由总线18以能够通信的方式联接到加热器单元16。加热器单元16包括炉子20和烟道22，其中过程流体经过炉子20并且通过炉子20被加热。烟道22中的风门装置24调节空气流和/或气流压力，并且燃料阀26调节到炉子的燃料。虽然在图1中示出了自然气流炉子，但是以下的实施例也可使用强制气流炉子、平衡气流炉子和诱导气流炉子。加热器单元16还可以包括多个感测装置，例如，与燃料流相关的感测装置、与过程流体流相关的感测装置、与燃料的BTU大小相关的感测装置、与炉子相关的感测装置、与烟道相关的感测装置。在示例性加热器单元16中，压力感测装置32可以用于感测燃料压力，而流动感测装置33可以用于感测阀26下游的燃料流，以及BTU测量装置27可以用于实时地测量燃料的BTU大小。BTU测量装置27和流量感测装置33可组合以提供单个装置，该单个装置提供加热器的燃烧率或加热速率。

温度感测装置34可以用于感测温度，而流动感测装置35可以用于感测离开炉子22的过程流体的流动。虽然在图1中示出了流体只经过炉子20一次，但是在典型的加热器单元中，过程流体可多次通过炉子，并且温度感测装置(未示出)和/或流动感测装置(未示出)可以在每次流体经过之后感测过程流体的温度和/或流动。一个或多个感测装置可以用于感测炉子内的状态，包括CO感测装置36、气流压力感测装置37、O₂感测装置38和温度感测装置40。气流压力测量装置37测量炉子或燃烧室内部与外部大气之间的压差，由此提供进入到炉子内的空气流的测量值。类似地，一个或多个传感器装置可以用于感测烟道中的状态，包括温度感测装置42、压力感测装置44、O₂感测装置46和空气流感测装置48。具体的实施方式可以省略这些传感器装置中的一个或多个。例如，虽然在图1中示出了O₂感测装置38和O₂感测装置46，但是典型的加热器单元可以只具有一个与烟道或者炉子相关的O₂感测装置。

如图1所示，控制器12经由总线18以可通信的方式联接到风门装置24、阀装置26和感测装置32-38、40、42、44、46、48和70以控制这些元件的操作和/或接收来自这些元件的数据。当然，控制器12能够经由另外的总线、经由诸如4-20毫安线路、HART通信线路等的专用通信线路联接到加热器单元16的元件。

如图1所示的阀、传感器和其他设备可以是任何期望种类或类型的设备，包括例如现场总线现场装置、标准4-20毫安现场装置、HART现场装置等，并且可以使用诸如现场总线协议、HART协议、4-20毫安模拟协议等的任意已知或期望的通信协议与控制器12通信。此外，其他类型的装置可以任何期望的方式连接到控制器12和由控制器12控制。此外，其他控制器可经由例如通信链路15连接到控制器12和/或工作站14以控制与处理厂有关的其他装置或区域，并且这些额外的控制器的操作可以以任何期望或已知的方式与如图1所示的控制器12的操作协同。

对于炉子20，例如，除了或代替可以使用CO感测装置36、压力感测装置37、O₂感测装置38和温度感测装置40，还可以使用一个或多个其他感测装置。对于烟道22，例如，除了或代替可以使用温度感测装置42、压力感测装置44、O₂感测装置46和空气流传感器48，还可以使用一个或多个其他感测装置。例如，除了如图1所示的装置之外或者替代这些装置中的一个或多个，还可以使用与烟道22有关的CO感测装置。

感测装置32-38、40、42、44、46、48和70中的一个或多个中的每一个都可以包括存储器(未示出)，该存储器用于存储诸如用于实施与由感测装置所感测到的一个或多个过程变量有关的统计数据的生成和采集的程序的程序。感测装置32-38、40、42、44、46、48和70中的一个或多个中的每一个还可以包括处理器(未示出)，该处理器执行诸如用于实施统计数据的生成和采集的程序。由感测装置存储和执行的程序可以包括用于生成、采集和/或处理与感测装置相关的统计数据的一个或多个模块。该模块可以包括例如高级诊断模块(ADB)，该高级诊断模块是已知的基础现场总线功能模块，该基础现场总线功能模块能够被添加到现场总线装置以生成、采集和处理现场总线装置中的统计数据。也可使用其他类型的模块或模组以生成和采集装置数据，并且计算、确定和/或处理这些数据的一个或多个统计测量值或参数。此外，该感测装置不需要包括现场总线装置。此外，可以通过感测装置中的软件、固件和/或硬件的任意组合来执行统计数据的生成、采集和/或处理模块。

例如，测量加热器10中的气流压力的压力感测装置37可以包括用于存储诸如执行与由压力感测装置37所感测和取样的气流压力相关的统计数据的生成和采集的程序的程序的存储器(未示出)。压力感测装置37还可以包括处理器(图2所示)，该处理器执行用于实施统计数据的生成、采集和通信的程序的程序。由压力感测装置37存储和执行的程序可以包括用于生成、采集和/或处理与压力感测装置37相关的统计数据的一个或多个模块。提供统计值的模块被称为统计处理监控模块。例如，这些模块可以包括ADB或一些其他类型的统计数据采集模块。然而，压力感测装置37不需要包括现场总线装置。

术语“统计处理监控模块(SPM)”在这里用于描述对至少一个过程变量或其他过程参数执行统计处理监控的功能，并且可以通过由装置或装置内或甚至在采集数据的装置的外部所执行任何期望的软件、固件或硬件来执行这些功能。可以理解到，因为SPM通常由采集装置数据的装置或该作为该装置的一部分来执行，所以SPM能够获得数量上和质量上更加精确的过程变量数据。因此，对于采集到的过程变量数据而言，与在采集过程变量数据的装置外执行的模块相比，SPM模块通常能够更好地确定统计计算结果。

虽然SPM模块在此文中已经被描述为高级诊断模块(ADB)的子元件，但是替代地SPM模块可以是位于装置中的单独的模块。此外，虽然此文中讨论的SPM模块可以是已知的基础现场总线SPM模块，但是术语“统计处理监控模块(SPM)”在这里用于表示任意类型的采集诸如过程变量数据等的数据并对该数据执行一些统计处理以确定诸如均值、标准方差等的统计测量值的模块或元件。因此，该术语旨在涵盖执行该功能的软件、固件、硬件和/或其他元件，而不论这些元件在形式上是否是功能模块，或者其他类型的模块、软件程序、程序或元件，并且不论这些元件是否符合基础现场总线协议或者诸如Profibus、HART、CAN协议等的一些其他协议。

可以通过控制器12和通信链路15使诸如工作站14的外部客户端获得由SPM模块中的一些或所有采集和生成的数据。另外或可选地，可以通过通信服务器60使工作站14获得由SPM模块中的一些或所有采集和生成的数据。通信服务器60可以例如包括过程控制(OPE)服务器的对象链接和嵌入(OLE)、被构造成在通信网络中运行的服务器、网络服务器等。通信服务器60可以经由诸如无线连接、固线连接、间歇连接(例如，使用一个或多个手持装置的间歇连接)等的通信链路，或经由使用任何期望或合适的通信协议的其他任何期望的通信连接而接收由SPM模块中的一些或所有采集和生成的数据。当然，本文描述的通信连接中的任意一个可以使用OPC通信服务器以通用或相容的格式集成从不同类型的装置接收到的数据。

此外，可以在工作站、服务器、个人计算机等或与现场装置分离的其他现场装置中实施SPM模块以在采集或生成原始数据(例如，压力数据、温度数据、O₂数据等)的现场装置的外部执行统计处理监控。因此，例如，一个或多个SPM模块能够由工作站14实施。这些SPM模块能够经由例如控制器12或通信服务器60采集原始压力数据并且能够计算压力数据的一些统计测量值或参数，诸如均值、标准差等。虽然这些SPM模块没有位于采集数据的现场装置中，因此通常由于压力数据的通信需求而不能采集足够多的压力数据以执行统计计算，但是这些SPM模块有助于确定不具有或不支持SPM功能的装置的统计参数。因此，将要理解的是，在下面的讨论中，所描述的将由SPM模块生成的任何统计测量值或参数可以通过由现场装置或由其他装置实施的SPM模块生成。

在操作中，控制器12可以经由阀26控制到炉子的燃料流。温度感测装置34可以提供指示离开炉子20的过程流体的温度。另外地，控制器12可以经由风门装置24控制空气流和/或气流压力。

SPM模块接收由现场装置生成的过程信号并且计算过程信号的统计参数。这些统计参数例如可以包括过程信号的标准差、均值、样本差、均方根(RMS)、变化范围(ΔR)、变化率(ROC)、过程信号的最大值、过程信号的最小值中的一个或多个。用于生成这些参数的公式的示例包括：

ΔR＝X_MAX-X_MIN 公式-5

其中，N是采样周期中的数据点的总数量，x_i和x_i-1是过程信号的两个连续值，而T是两个值之间的时间间隔。此外，X_MAX和X_MIN分别是采样或训练时间段中的过程信号各自的最大值和最小值。还可以使用不同的公式或算法计算这些统计参数。当过程变量是气流压力时，x_i表示单个气流压力测量值。

图2示出了图1的现场装置200和工作站14的电路图。现场装置200是提供设置在诸如气流压力测量装置37、燃料流量测量装置33、燃料压力测量装置32和BTU测量装置70中的现场装置中的电路部件的现场装置的通用代表。装置200被示出为包括传感器模块232和电路模块234。根据该实施例，传感器模块232包括传感器246、模拟电路和传感处理器电子设备。装置电路模块234包括输出电子设备。传感器模块232中的模拟电子设备包括调节电路252、转换器电路254和铂电阻温度计(PRT)256。传感器处理器电子设备包括传感器微处理器258、存储器260和时钟262。输出电子设备包括输出微处理器264、存储器266和通信电路268。工作站14包括微处理器270、输入装置272、输出装置274、存储器276、外围设备278和通信接口280。电源222向工作站14供电以及通过工作站14向装置200供电。

传感器246例如感测诸如静态压力、压差、温度和BTU大小等的过程变量。虽然为了简化起见仅示出了单个传感器，但是装置200可以具有多个不同的传感器。在该实施例中，来自传感器246的模拟输出被发送到调节电路252，该调节电路放大和调节(例如，过滤)信号。转换器电路254将由传感器246生成的模拟信号转换成微处理器258可用的电子信号。如图2所示，转换器电路包括电压(V/D)数字转换器和电容(C/D)数字转换器。PRT 256向转换器电路254提供指示传感器246附近的温度的温度信号，使得传感器信号能够补偿温度变化。微处理器258接收来自转换器电路254的数字化且被调节的传感器信号，该传感器信号包括来自PRT 256的数字化温度信号。微处理器258使用存储在存储器260中的校正常量来补偿和线性化用于传感器特定误差的传感器信号。时钟262向微处理器258提供时钟信号。数字化被补偿并被校正的传感器信号然后被发送到微处理器264。

微处理器264分析传感器信号以确定过程状态。具体地，存储器266(其可以是非易失随机存取存储器(NVRAM))包括查阅表，在该查阅表中存储有用于基于感测到的过程变量的大小来确定过程状态的诸如气流压力、质量流量、BTU大小和/或燃烧率的具体值。另外，诸如输送流体的管道的类型和孔径以及流体的粘度和密度的硬件参数和流体参数经由控制回路218被上传到存储器266中。在其他实施例中，与硬件参数和流体参数有关的数据经由用户界面(在图2中未示出)直接输入到发送器264中。此外，流体参数可以是过程变量的函数，从而粘性流体参数被存储在查阅表中并且基于其他流体参数和感测到的过程变量而被选择。

使用硬件参数、流体参数、感测到的过程变量和算法系数，微处理器264执行运行时间计算。运行时间计算估计过程状态公式，以确定过程状态或过程状况。使用通信线路268通过过程回路218将传感信号和表示计算的过程状态的过程状态信号发送到工作站14。通信线路268包括调压器268A、调制器线路268B、回路电流控制器268C和诸如4-20毫安接收器的协议接收器，或收发器268D，以使得发射器线路模块234能够与工作站14的通信接口280通信。

NVRAM 266还包括用于统计处理监控(SPM)的指示。这些指示与用于生成过程数据的指示并行地执行。SPM指示由传感信号计算诸如一个或多个传感信号的均值/中位数、标准差等统计值。例如，可以确定气流压力的标准差。

根据该实施例，由微处理器264生成的统计值经由通信线路268被发送到工作站14。工作站14可以将统计值存储在存储器276中，并且能够将历史统计值显示在输出监控器274上。工作站14的微处理器270还能够使用统计值确定燃烧器是否以如下进一步详细描述的异常方式运行。

工作站14通常包括安装在工业过程附近的个人计算机(例如，便携式计算机)以监控和调节工业过程的过程变量和过程状态。工作站14包括输入装置272(例如，键盘、鼠标或其他用户界面)，所述输入装置能够使操作者将过程控制输入输入到存储器276中。工作站14还包括诸如监视器的输出装置274，所述输出装置能够使得数据可视。外围设备278(例如，打印机或其他常用设备)也能够连接到工作站14以输入数据和从微处理器270提取数据。工作站14包括通信接口280，其将数据传送给微处理器和从微处理器264接收数据。工作站14被构造成提供模块234的性能和由传感器246生成的传感器信号的完整估算和分析。

经由如图2所示的电路元件，工作站14能够接收描述燃烧器/加热器的状态的气流压力和至少一个过程变量的标准差。根据一些所述例，至少一个过程变量是燃烧器/加热器的燃烧率，其中燃烧率是燃烧器在每选择的单位时间释放的热量的测量值。例如，燃烧率能够被表示成每小时释放的BTU的数量。在BTU传感器不可用的情况下，可以仅从燃料流量或燃料压力估算燃烧率。

即使当火焰是稳定的时，气流压力的标准差也可能会变化。图3提供了在火焰保持稳定状态的时间段气流压力的标准差的图表。在图3中，气流压力的标准差在竖轴300上被示出，时间在横轴302上被示出。在图3的图表中，气流压力的标准差被示出为在点306处上升且示出为在区域308中下降。气流压力的标准差的上升或下降是火焰的不稳定性的指示。替代地，本发明已经发现气流压力的标准差的变化与燃烧器的燃烧率的变化相一致。图4提供了在图3中示出的燃烧测试的作为时间函数的燃烧率的图表。在图4中，竖轴400描述燃烧率，而横轴402显示时间，其中横轴402的时间跨度与图3的横轴302的时间跨度相同。

如图4所示，燃烧率在时间点406处增加，同时气流压力的标准差在时间点306处增加。类似地，当燃烧率在时间点408处减小时，气流压力的标准差也在区域308处减小。因此，燃烧率的变化似乎造成了气流压力的标准差的变化。这表明随着燃烧率增加，气流压力的变化增加，而随着燃烧率减小，气流压力标准差减小。应当注意到即使在火焰保持稳定状态时也会发生这些变化。

图5提供了当火焰稳定时在正常操作期间作为燃烧率的函数的气流压力的标准差的图表。在图5中，气流压力的标准差示出在竖轴500上，而燃烧率示出在横轴502上。图5中的每个点表示燃烧器测试期间的时间点，其中在此测试期间，火焰是稳定的。在图5中被示出为线性的最优拟合线506示出了燃烧率和气流压力的标准差之间的大致关系。

图6示出了作为燃烧率的函数的气流压力的标准差的第二图表，其示出了稳定火焰的数据点和不稳定火焰的数据点之间的关系。在图6中，沿着竖轴600示出了气流压力的标准差，沿着横轴602示出了燃烧率。图6中的圆点表示火焰稳定时在正常操作期间气流压力的标准差和燃烧率的数据点。线604表示气流压力的标准差和燃烧率之间的大致关系。星状数据点606提供在火焰不稳定时在异常操作期间气流压力的标准差和燃烧率的值。如图6所示，数据点606明显地与线604分开，这表明在火焰不稳定期间气流压力的标准差和燃烧率的组合明显与正常操作期间气流压力的标准差和燃烧率的组合不同。

图7和图8分别提供了涉及稳定火焰和不稳定火焰的燃烧测试的气流压力的标准差和燃烧率的图表。在图7中，时间沿横轴702被示出，而在图8中，时间沿横轴802被示出，同时在各图中竖直地对齐。在图7中，气流压力的标准差示出在竖轴700上，在图8中，燃烧率示出在竖轴800上。

在第一测试804期间，用于燃烧室中的燃烧器中的一个的燃料被渐渐地中断以形成“缓慢(lazy)”火焰。该缓慢火焰依旧被认为是稳定的。如“L”框806所示，在低燃料压力测试期间，燃烧器具有较低的燃烧率。因为火焰在低燃料压力测试期间火焰是稳定的，所以气流压力的标准差如图7的“L”框706所示较低。

在第二测试808期间，通过增加提供到燃烧器的燃料和氧气水平使得燃烧室中存在过量的氧气来增加燃烧器的燃烧率。如“M”框810所示，增加燃料和氧气水平将产生如图7的“M”框710所示的中间水平燃烧率，产生中间水平的气流压力标准差。

在第三测试812期间，测试步骤808的燃烧率减小，并且提供到燃烧器的氧气水平减少从而将燃烧器置于低过剩氧状态。如图8所示，这导致了低燃烧率814和相应的低气流压力标准差714。在步骤812中观察到火焰在燃烧器中保持稳定。

在第四测试816期间，提供给燃烧器的燃料量增加，同时保持低氧环境。如“H”框818所示，这产生了较高的燃烧率，并如“H”框718所示，产生了相应的气流压力的高标准差。在步骤816的这种初始阶段期间，观察到燃烧器是稳定的。

在步骤820中，燃烧室中的单个燃烧器进入亚化学计量燃烧，从而使得燃烧率降低到中间范围822。最初，气流压力的标准差降到中间值722。然而，随着火焰的亚化学计量燃烧持续，气流压力的标准差增加到较高值724。到燃烧器的燃料然后减少，从而造成了燃烧率降低到低水平826，由此使燃烧器不处于亚化学计量燃烧状态，并且在图7的点726处产生气流压力的低标准差。

如图6、7和8所示，燃烧率和气流压力的标准差之间的关系在燃烧室的几个不同状态下都是一致的，只要没有持续很久的亚化学计量燃烧或火焰不稳定。然而，在亚化学计量燃烧或火焰不稳定持续很久的情况下，气流压力的标准差和燃烧率之间的关系变得明显不同。

图9和10提供了用于基于气流压力标准差和燃烧率来识别燃烧器以异常方式操作时的元件和步骤的方块图和流程图。

在图10的步骤1000中，选择过程变量使得气流测量值被标准化。根据一些实施例，过程变量是燃烧室中的燃烧器的燃烧率。然而，在其他实施例中，可以使用诸如燃料压力、BTU大小、燃料流量、过程流或炉子温度的其他过程变量。在步骤1002中，对燃烧器的多个稳定操作状态采集表示稳定操作测试数据902的SPM气流测量数据904和过程变量数据906。这些稳定操作状态可以包括一个或多个燃烧器的低燃料压力、具有过量氧气的高燃料压力、低O₂压力。在各个稳定操作状态下，观察到燃烧器产生的火焰是稳定的，且没有经历亚化学计量燃烧、接近火焰熄灭或火焰熄灭。根据一个实施例，由压力测量装置37采集SPM气流测量数据，通过由燃料流量测量装置33提供的燃料流动数据计算燃烧率数据以及来自BTU测量装置70的BTU数据来采集燃烧率数据。具体地，来自BTU测量装置70的BTU数据指示燃料气体体积中的热量大小，燃料流动测量装置33指示每秒流动到燃烧器的气体的体积。根据其他的实施例，由确定燃料流量和燃料的BTU大小的燃烧率测量装置直接提供燃烧率。

在步骤1004中，使用曲线拟合算法908对SPM气流测量值/过程变量数据进行曲线拟合以形成曲线参数910。如图5和6所示，根据一个实施例，对SPM气流测量值/过程变量数据进行线性曲线拟合。然而，本领域中的技术人员将认识到可以对所述数据进行包括二次和三次曲线的多个复杂曲线拟合。例如，曲线可以被描述为：

σ＝aF+bF²+cF³ 公式-6

或者描述为：

F＝xσ+yσ²+zσ³ 公式-7

其中σ是气流压力的标准差，F是燃烧率，a、b、c、x、y和z是描述曲线的参数。由曲线拟合模块908所确定的参数作为曲线参数910被存储在存储器中。曲线定义了气流压力的标准差和燃烧率之间的可视关系。

在步骤1006中，火焰稳定性计算器916接收当前过程变量值912和由气流测量值所计算出的统计变量914。当前过程变量值912是与燃烧器/加热器的操作相关的过程变量。根据一些实施例，统计变量914是气流压力值的标准差。如上所述，根据一些实施例，统计变量914在诸如压力测量装置37的现场装置中生成。

在步骤1008中，火焰稳定性计算器916使用曲线参数910以由过程变量912和气流压力标准差值914确定稳定性值。根据一个实施例，稳定性值如下计算：

或者如下计算：

其中S是稳定值，其他值由公式6和7获得。

在一个具体的实施例中，如图5和6所示，在燃烧率和气流压力的标准差之间存在线性关系，公式9变为：

其中曲线参数x是如图5和6所示的线的斜率的倒数。

在可选的实施例中，代替采集SPM气流压力数据和过程变量数据且对这些数据进行曲线拟合，燃烧率和气流压力标准差之间的关系被假设为是线性的，并且公式10中的x的值可以设定为：

其中，F_design是设计的燃烧率，σ_base是在燃烧室中存在设计的过量氧气的情况下在设计燃料率下的气流压力的标准差的值。

对于稳定火焰，稳定性值S应当是大约1。然而，当燃烧器火焰不稳定或者在燃烧器中出现其他的异常情况时，例如氧气过少、亚化学计量燃烧、火焰即将熄灭或火焰熄灭时，S的值将明显比使用公式7和公式9的实施例大，或者明显比使用公式6和公式8的实施例小。

在步骤1010中，由火焰稳定性计算器916所得的稳定性值918被异常情况检测器920所用以在步骤1012中确定燃烧器是否处于异常情况，例如不稳定火焰、低过剩氧量、亚化学计量燃烧、火焰即将熄灭或火焰熄灭。根据一个实施例，异常情况检测器920通过应用一个多个统计过程控制(SPC)规则来确定燃烧器是否处于异常状态，从而确定气流压力的标准差的值是否不同于稳定状态期间气流压力标准差和过程变量之间所观察到的关系在统计量上不同。如果燃烧器处于非稳定状态，则过程返回到步骤1006，以接收新的SPM气流测量数据和过程变量数据。步骤1006、1008、1010和1012无限循环直到在步骤1012中检测到了异常状态。当异常情况被检测到时，在步骤1014中，由异常情况检测器920生成异常情况指示器922。该异常情况指示器922能够是设置在工作站14上的报警器或设置在控制室中或诸如移动电话或平板装置之类的移动装置上的单独的报警器。

根据一些实施例，在工作站14中实施执行图10的方法的图9中的元件。具体地，图2的微处理器270能够执行存储在存储器276中的指令，该指令执行曲线拟合操作908，并且用作火焰稳定性计算器916和异常情况检测器920。气流压力的标准差和过程变量能够经由通信接口280而被接收到，并且稳定性值曲线参数和异常情况指令能够被存储在存储器276中。

图11、12和13提供了显示在30天的时间段内气流压力的标准差、燃烧率、稳定性值之间的关系的图表，其中第一天包括图7和图8的燃烧器测试。在图11、12和13中，沿横轴1102、1202和1302示出了时间，其中相同的时间点在各个图表中在竖直方向上对齐。在图11中，竖轴1100显示了气流压力的标准差。在图12中，竖轴1200显示了燃烧器的燃烧率。在图13中，竖轴1300显示了稳定性值的大小。如图13所示，在图7和图8的燃烧器测试期间发生的最高不稳定性值1304与燃烧率1204和气流压力标准差1104相对应。因此，该稳定性值表示火焰在这些燃烧器测试期间变得不稳定。在图11、12和13中所示的燃烧器的其他操作期间，燃烧器火焰保持稳定。在阶段1310期间，气流压力的标准差如值1106所示增加。然而，气流压力的标准差的这种增加似乎与1206处燃烧率的的增加相关。因此，稳定值1306保持在表示健康燃烧的值1.1之下。

图14、15和16分别提供了一组燃烧器测试的气流压力标准差、燃烧率、稳定性值的图表。坐标轴1402、1502和1602提供时间，且同时在各图之间竖直对齐。竖轴1400提供了气流压力标准差，竖轴1500提供了燃烧率，竖轴1600提供了稳定性值。在点1406、1506和1606处，执行高燃料压力测试，在该测试中，提供到燃烧器中的燃料量增加。在此测试期间，气流压力的标准差被示出为如点1406所示增加。此增加与如点1506所示的燃烧率的增加相对应。因为气流压力的标准差的增加与燃烧率的增加相对应，所以稳定值1606保持在表示稳定火焰的值1.1之下。

在点1408、1508和1608处，执行低氧气测试，在该测试中，提供到燃烧器的燃料量增加，然而氧气的量保持在较低的水平。如点1408所示，气流压力的标准差随着燃烧率在点1508处的增加而增加。虽然在此测试期间没有观察到火焰的不稳定性，但是在点1608处稳定值增加到值1.1之上，这表明燃烧存在一些异常，例如，亚化学计量燃烧、氧气过少、火焰不稳定或者火焰熄灭。

在点1510处，燃烧率下降，然而气流压力的标准差在相应的点1410处保持较高。因此，此阶段期间的稳定值1610较高，这表明该火焰是不稳定的、存在低过剩氧量、存在亚化学计量燃烧、火焰即将熄灭或火焰熄灭。

根据一个实施例，图14和15的图表可以实时被显示在工作站14的监视器上，以向操作者显示气流压力的当前标准差和当前燃烧率。根据进一步的实施例，图16的图表也被显示在工作站14的监视器上以向操作者示出当前的燃烧器稳定性。因此，图14、15和16表示可提供给操作者以有助于操作者控制燃烧器/加热器并由此避免燃烧器/加热器中的火焰熄灭的情况的用户界面。

虽然上述的讨论是指燃烧率，但是在可选的实施例中，使用作为每小时每立方英尺的BTU的测量值的体积燃烧率替代燃烧率。

虽然以上参考加热器讨论了这些实施例，但是本领域的技术人员将意识到在包括用于燃烧废气而不需要加热过程材料的燃烧器的其他燃烧器应用情况中也可实现这些实施例。

虽然已经参考优选的实施例对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员将意识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对形式和细节做出修改。

Claims (24)

1.一种监控燃烧器的方法，所述方法包括以下步骤：

监控由气流测量值计算出的统计变量；

监控与燃烧器的操作相关的至少一个过程变量；以及

基于所述统计变量和所述过程变量确定燃烧器的异常操作。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述统计变量包括标准差。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在气流测量装置中计算所述统计变量。

4.如权利要求1所述的方法，其中，另外的过程变量包括燃烧率。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述异常操作包括下列情况中的一种或多种：不稳定的燃烧器火焰、低过剩氧量、业化学计量燃烧、或火焰熄灭。

6.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

确定所述统计变量和所述另外的过程变量之间的观测关系。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述关系是线性的。

8.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：

确定稳定性值。

9.如权利要求8所述的方法，其中，基于所述统计变量和所述另外的过程变量的比值来确定所述稳定性值。

10.如权利要求6所述的方法，其中，所述统计变量是标准差，而所述另外的过程变量是燃烧率。

11.如权利要求6所述的方法，其中，对所述统计变量和所述另外的过程变量之间的观测关系进行曲线拟合。

12.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：

当所述统计变量的当前值明显地不同于所述统计变量和所述另外的过程变量的之间的观测关系时，检测到异常情况。

13.如权利要求12所述的方法，其中，一个或多个统计过程控制(SPC)规则用于确定所述统计变量的当前值在统计学上不同于所述统计变量和所述另外的过程变量之间的观测关系。

14.一种用于监控燃烧器的系统，包括：

气流测量装置，其提供加热器的气流的测量值；

统计计算模块，其用于基于所述气流测量值计算统计值；

过程测量装置，其用于测量与所述燃烧器有关的过程变量；

模块，其用于基于测量的过程变量、所述统计值和代表所述燃烧器的正常操作期间所述统计值和所述过程变量之间的关系的参数来识别所述燃烧器的异常操作。

15.如权利要求14所述的系统，其中，代表所述统计值和所述过程变量之间的关系的参数指示所述统计值和所述过程变量之间的线性关系。

16.如权利要求14所述的系统，其中，用于识别异常操作的模块由所述气流测量值、测量的过程变量和所述参数确定稳定性值。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述统计值包括气流压力的标准差。

18.如权利要求17所述的系统，其中，所述过程变量包括炉子的燃烧率。

19.如权利要求17所述的系统，其中，所述过程变量包括炉子的体积燃料率。

20.如权利要求17所述的系统，其中，所述异常操作是如下所述情况中的一种或多种：不稳定的燃烧器火焰、低过剩氧量、亚化学计量燃烧、或火焰熄灭。

21.一种包括火焰稳定性计算器的设备，所述火焰稳定性计算器接收过程变量的值、气流测量值的统计值、以及代表所述过程变量的值和所述气流测量值的统计值之间的关系的参数，并且生成指示火焰的稳定性的稳定性值。

22.如权利要求21所述的设备，还包括异常情况检测模块，其基于所述稳定性值来确定所述燃烧器是否存在异常情况。

23.如权利要求21所述的设备，其中，气流测量值的统计值包括气流压力的标准差，而所述过程变量包括燃烧器的燃料率。

24.如权利要求23所述的设备，其中，所述参数包括描述一曲线的参数。