CN111023088A - 氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用及流量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用及流量计算方法，包括以下步骤：1)PLC控制器给出点火启动信号，风机根据预定转速工作；2)比例调节阀打开，天然气和空气完成充分混合；3)充分混合之后的混合气体进入燃烧器，在点火器加热作用下点燃，进行燃烧过程；4)连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器、风压传感器实时将信号传输到PLC控制器；5)PLC控制器根据尾气中的含氧量对比例调节阀以及风机进行调整，直至尾气中的含氧量达到预设值。本发明可保证燃气与空气完全混合均匀燃烧充分，并且可大大提高氧化锆氧传感器在信号传输过程中的有效性和可靠性，更精确的检测排放，做到节能环保提高燃烧效率。

Description

氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用及流量计算方法

技术领域

本发明涉及燃烧技术领域，具体是一种氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用及流量计算方法。

背景技术

随着科学技术的发展，氧传感器的发展和应用得到发展，氧气的分析测定广泛应用于实验室、生物学、医学、汽车、化工、能源等许多领域，可以实现对汽车、内燃机尾气以及各种工业烟气等含氧量的实时监测。检测氧含量在工业生产和环境保护等领域具有十分重要的意义，而氧化锆氧传感器因其独特的反应机理能够测量高粉尘、高温和混合气体的氧含量，氧传感器年产量已经占全部气体传感器的四成，居首位，仅汽车行业每年用量就达到数千万只。

因氧化锆氧传感器的输出特性，在天然气燃烧系统中的使用并不普遍，尤其是在壁挂炉、冷凝锅炉、热气热泵等大部分采用开环或者半闭环燃烧，对烟气的排放不能实现实时监测和控制，长时间运行很可能导致排放不达标，造成能源浪费和环境污染。

结合燃气热泵机组当前燃烧系统的现状与氧化锆氧传感的特性，现将氧化锆氧传感器应用于燃气热泵机组，对烟气进行实时监测和控制，完成燃烧系统的烟气排放的全闭环控制，提高机组排放性能，节能环保。

燃烧传感器尾气检测方法一般是利用氧传感器对尾气进行检测，氧化锆氧传感器可适用于600℃以上的环境中，然而氧化锆氧传感器传统的应用方式是利用氧化锆传感器突变点信号传给ECU，在燃油控制的理论空燃比：A/F＝14.7:1，λ＝1。当混合气体变浓时，即尾气中的含氧量低时氧传感器输出电压接近1V；当混合气体变稀时，即尾气中含氧量高氧传感器输出信号接近0V，ECU根据信号的突变判断排放状态从而调节燃料阀的开度，从而实现对烟气排放的实时监控。在天然气燃烧系统中，为了保证排放达标和高燃烧效率，经过大量的实验测试数据控制的空燃比为21.57:1，λ＝1.25，对于氧化锆氧传感器来说一直处于过稀状态，输出电压信号一直低于0.45V；可见，氧化锆氧传感器在天然气燃烧系统中的使用和在燃油中的使用存在很大的差别，主要表现为控制过量空气的目标值不同；在天然气燃烧系统中氧化锆氧传感器的输出信号微弱，其在传输信号时的有效性和可靠性也大大降低。

发明内容

本发明目的是提供一种氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用及流量计算方法，可以保证燃气与空气完全混合均匀燃烧充分，并且可大大提高氧化锆氧传感器在信号传输过程中的有效性和可靠性，进而形成闭环控制系统，更精确的检测排放，确保排放达标，做到节能环保提高燃烧效率。

氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用方法主要是利用传感器输出电压，将传感器输出电压信号传送给PLC，PLC根据氧传感器信号判断天然气燃烧尾气中氧含量，根据过浓过稀状态调节燃气阀开度，从而实现天然气尾气排放的闭环控制。

因为在该燃烧系统中氧传感器的输出信号微弱，因此需要对氧传感器输出信号进行处理，以保证信号的有效性和可靠性。信号处理主要包括信号抗干扰处理和信号放大。抗干扰处理主要是采用滤波电容，防止外部交流信号干扰，同时放大器具有共模抑制作用，可以有效的防止外部干扰源造成信号失真，保证信号的可靠性和稳定性。采用放大器对信号进行放大，便于PLC对信号的采集和处理，方便控制功能的实现。

本发明的具体的技术方案是：

氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用方法，包括以下步骤：

1)PLC控制器给出点火启动信号，风机根据预定转速工作；

2)打开比例调节阀；

3)天然气和空气进入燃烧器，在点火器加热作用下点燃，进行燃烧过程；

4)连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器、风压传感器实时将信号传输到PLC控制器；

5)PLC控制器根据尾气中的含氧量对比例调节阀以及风机进行调整，直至尾气中的含氧量达到预设值。

进一步地方案是，所述天然气和空气在进入燃烧器前，先在预混器内进行完全混合。

系统正常燃烧时，氧化锆氧传感器实时采集排放烟气参数，比例调节阀基本在一个开度范围自动微调，维持设定的预设值，保证燃烧的充分高效。如果天然气的燃值发生变化，会引起烟气排放参数的变化，氧化锆氧传感器的输出信号会发生变化，从而引起比例调节阀开度比正常值大或者小，再结合风压传感器数值可以判断燃气燃值的不同。如果空气侧发生轻微堵塞，风压传感器数值会发生变化，PLC控制器会根据预设的风压目标值来提高或者降低风机的转速，从而实现恒风量及恒功率的输入，保证空燃比正常，实现高效节能。

进一步地方案是，调整步骤为：

1)PLC控制器与所设定原始的含氧量对比，根据实际的含氧量偏差，由PLC控制器调节比例调节阀开度，使燃烧后的含氧量达到原始预设值；

2)由PLC控制器控制调节风压值，保证风压值恒定，调整风机调速信号的占空比大小，同时，PLC控制器再次控制连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器检测燃烧器内燃烧后的含氧量，根据该氧化锆氧传感器的反馈含氧值，由PLC控制器再次与原始设定的含氧值对比，循环调整，直至燃烧后的含氧量达到原始预设值。

一种天然气流量计算方法，包括以下步骤：

1)PLC控制器采集风压传感器的风压数据，根据空气进口处的截面积，计算空气的流量；

2)PLC控制器采集连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器测得的含氧量，得到过量空气系数；

3)根据空气的流量和过量的空气系数计算出天然气瞬时流量；

4)对瞬时流量积分计算出累计流量。

进一步地方案是，所述天然气流量计算方法应用于天然气燃烧闭环控制系统。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明可实现充分燃烧，燃烧效率高，同体积的燃料能够转化利用更大比例的热能，在使用清洁能源的前提下更加节约；且可大大提高氧化锆氧传感器在信号传输过程中的有效性和可靠性，且排放物低，燃烧产生的碳氧化物以及氮氧化物极低，在环保方面有突出贡献。

2)本发明可自动检测点火爆燃和回火问题，并且及时调整，确保点火和着火时安全，保证点火稳定有效，提高系统安全稳定运行。

3)本发明可以实现实时监测燃烧状态，精确判断炉体内部火焰燃烧的状态，有效的保证燃烧充分，及时进行故障识别，确保燃烧系统的安全高效稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例中的燃烧系统结构示意图；

图2为本发明实施例燃烧系统控制图；

图3为本发明中氧化锆氧传感器连接的信号放大器及滤波器的电路图。

图中：1、控制系统；2、风机；3、比例调节阀；4、燃烧器；5、风压传感器；6、风压开关；7、连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器；8、点火器；9、预混器；10、燃气进口；11、空气进口；12、排烟管道。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

本实施例公开一种氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用方法，包括以下步骤：

1)PLC控制器给出点火启动信号，鼓风机根据指定转速工作；

2)点火器开始发热达到一定温度后比例调节阀打开；天然气在天然气进口处进入预混腔和空气完成充分混合；

3)充分混合之后的混合气体进入燃烧器，在点火器加热作用下点燃，点火之后点火器停止加热进入火焰检测模式；

4)PLC控制器实时采集风压传感器、风压开关以及连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器的信号，根据采集到的信号判断点火状态，并进行自动调整，从而达到最佳的工作状态和较高工作效率，出现异常可以及时切断天然气保证系统的安全稳定。

具体地，根据PLC控制器与所设定原始的含氧量对比，根据实际的含氧量偏差，由PLC控制器调节比例调节阀开度的大小，从而增大或者减少天然气进气量，使燃烧后的含氧量达到原始预设值，由PLC控制器控制调节风机调速信号占空比，调整火焰大小，同时，PLC控制器再次控制连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器检测燃烧器内燃烧后的含氧量，根据氧传感器的反馈含氧值，由PLC控制器再次与原始设定的含氧值对比，循环调整，直至燃烧后的含氧量达到原始预设值。

上述使用方法应用于天然气燃烧闭环控制系统，如图2所示，包括控制系统1、燃烧器4、比例调节阀3、风机2、风压传感器5、风压开关6、连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器7和预混器9。如图1所示，预混器9上设置有空气接口、燃气接口和混合气体出口；空气进口11与空气接口相连通，燃气进口10与燃气接口相连通；混合气体出口与燃烧器4相连通；比例调节阀3设置在燃气进口10上；比例调节阀具有较宽的调节范围，可调性强，可以实现不同工况以及不同环境温度，对抗环境变化能力强，提高了适应能力，并且调节速度快，反应迅速；空气进口11与风机2相连通；连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器7安装设置在排烟管道12上，氧化锆氧传感器连接有信号放大器和滤波器(如图3所示为信号放大和滤波电路图)，并与控制系统形成电性连接；风压传感器5和风压开关6设置在空气进气口处；风压传感器5、风压开关6、比例调节阀3和风机2均与控制系统形成电性连接。控制系统1包括点火控制器、点火器、火焰检测器以及PLC控制器；其中风压传感器5及风压开关6与风机2相连接。氧化锆氧传感器的加热电压采用低压DC5V预热，预热后升压至DC12V加热，目的是为了防止低温下传感器表面结冰，突然加热损坏传感器，从而提高传感器使用寿命。

进一步地，预混器为文丘里混合器，空气接口为所述文丘里混合器的进气口，燃气接口为所述文丘里混合器的吸气口，混合气体出口为文丘里混合其器的出气口。

在燃烧系统进行燃烧时，空气和燃气通过管道分别进入预混器内进行充分混合，由风机吹入燃烧器的燃烧室内；PLC控制器控制点火器启动点火功能，气体被点火器点燃，在燃烧器头部充分燃烧；在燃烧器尾部排烟管道上的氧化锆氧传感器，根据烟气中的氧气含量的变化的不同发出信号反馈给控制系统，同时，控制系统实时检测火焰状态、风机转速、进气口风压以及尾气排放状态，PLC控制器根据数据反馈进行控制，实现恒功率控制和高标准的尾气排放控制。控制系统可实时监测天然气的瞬时流量和累计流量，实现输入控制，可有效判断实时的燃烧状态和尾气排放，并且进行自适应调节，以及能够有效克服各地燃料燃值不统一对燃烧效率的影响。优选地，风机为鼓风机。

根据风压传感器有效判断空气侧状态，防止意外回火，根据风压开关，可以有效的检测点火瞬间状态，判断是否存在回火和爆燃状态，发现故障立即停火，提高了系统安全稳定型；对氧传感器的信号进行处理使用，提高传感器信号的有效性和可靠性，提高了控制的稳定性。进排气孔及炉芯发生严重堵塞时，根据风压传感器以及氧化锆氧传感器的反馈，实现自动关机，以保证设备安全。

例如，空气侧进气口稍有堵塞：空气侧进气口稍有堵塞，进气侧风压发生变化，进空气量发生变化，即预混的空气量与燃气量比例发生变化，燃烧不充分，燃烧效率降低；燃烧系统中风压传感器实时采集风压数据，氧化锆氧传感器实时采集燃烧烟气排放参数，当数据发生变化时，快速响应，调整风机转速以及比例调节阀的开度，保证高效率充分燃烧。

本实施例可实现充分燃烧，燃烧效率高，同体积的燃料能够转化利用更大比例的热能，且可大大提高氧化锆氧传感器在信号传输过程中的有效性和可靠性；且排放物低，燃烧产生的碳氧化物以及氮氧化物极低，可以实现实时监测燃烧状态，精确判断炉体内部火焰燃烧的状态，有效的保证燃烧充分，及时进行故障识别，确保燃烧系统的安全高效稳定运行。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，公开一种天然气流量计算方法，包括以下步骤：

1)PLC控制器实时采集风压传感器以及连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器的信号，PLC根据采集到的的风压数据以及预混器空气侧的截面积可以计算得到空气的流量；

2)根据燃烧排放的含氧量得到过量空气系数；

3)PLC控制器可根据空气量和过量空气系数计算出天然气瞬时流量；

4)对瞬时流量积分即可计算出累计流量。

本实施例可以利用PLC控制器采集连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器和风压传感器的信号，并计算天然气的流量，实现天然气系统的充分燃烧，燃烧效率高，同体积的燃料能够转化利用更大比例的热能，且可大大提高氧化锆氧传感器在信号传输过程中的有效性和可靠性；且排放物低，燃烧产生的碳氧化物以及氮氧化物极低，可以实现实时监测燃烧状态，精确判断炉体内部火焰燃烧的状态，有效的保证燃烧充分，及时进行故障识别，确保燃烧系统的安全高效稳定运行。

实施例3

本实施例公开一种氧化锆氧传感器信号放大电路，氧化锆氧传感器采用如图3所示的信号放大电路，其中包括信号放大器和滤波器，采用的滤波器是滤波电容，防止外部交流信号干扰，同时放大器具有共模抑制作用，可以有效的防止外部干扰源造成信号失真，保证信号的可靠性和稳定性；采用信号放大器对信号进行放大，便于控制器对信号的采集和处理，方便控制功能的实现；但是，需要说明的是，对于本发明来讲，信号放大电路并不仅限于本具体实施方式所公开的电路，也可以是实现上述功能的其他的信号放大电路。

本实施例可与氧化锆氧传感器连接应用于天然气燃烧系统，可实现充分燃烧，燃烧效率高，同体积的燃料能够转化利用更大比例的热能，且可大大提高氧化锆氧传感器在信号传输过程中的有效性和可靠性，且排放物低，燃烧产生的碳氧化物以及氮氧化物极低，可以实现实时监测燃烧状态，精确判断炉体内部火焰燃烧的状态，有效的保证燃烧充分，及时进行故障识别，确保燃烧系统的安全高效稳定运行。

本具体的实施例仅仅是对本发明的解释，而并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)PLC控制器给出点火启动信号，风机根据预定转速工作；

2)打开比例调节阀；

3)天然气和空气进入燃烧器，在点火器加热作用下点燃，进行燃烧过程；

4)连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器、风压传感器实时将信号传输到PLC控制器；

5)PLC控制器根据尾气中的含氧量对比例调节阀以及风机进行调整，直至尾气中的含氧量达到预设值。

2.根据权利要求1所述的氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用方法，其特征在于，所述天然气和空气在进入燃烧器前，先在预混器内进行完全混合。

3.根据权利要求2所述的氧化锆氧传感器在天然气燃烧中的使用方法，其特征在于，所述调整步骤为：

1)PLC控制器与所设定原始的含氧量对比，根据实际的含氧量偏差，由PLC控制器调节比例调节阀开度，开大或者减小比例开度，使燃烧后的含氧量达到原始预设值；

2)由PLC控制器控制调节鼓风机的调速信号的占空比，调整火焰大小，同时，PLC控制器再次控制氧化锆氧传感器检测燃烧器内燃烧后的含氧量，根据氧化锆氧传感器的反馈含氧值，由PLC控制器再次与原始设定的含氧值对比，循环调整，直至燃烧后的含氧量达到原始预设值。

4.一种天然气流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)PLC控制器采集风压传感器的风压数据，根据空气进口处的截面积，计算空气的流量；

2)PLC控制器采集连接有信号放大器和滤波器的氧化锆氧传感器测得的含氧量，得到过量空气系数；

3)根据空气的流量和过量的空气系数计算出天然气瞬时流量；

4)对瞬时流量积分计算出累计流量。

5.根据权利要求4所述的天然气流量计算方法，其特征在于，所述天然气流量计算方法应用于天然气燃烧闭环控制系统。

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