CN112066408A - 控制至少一辐射管燃烧器操作和安全的电子控制模块和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制至少一个辐射管燃烧器的控制模块，所述燃烧器包括燃料供应阀、氧化物供应阀和燃烧烟道气体排放管道，其中，所述控制模块包括：用于测量燃烧质量的装置，其安装在所述至少一个燃烧器的燃烧烟道气体排放管道中；用于测量燃料流率的单元；用于测量氧化物流率的单元；以及用于驱动所述至少一个燃烧器的装置，其作用在所述至少一个燃烧器的氧化物和燃料供应阀的打开百分比上，以基于由用于确定燃烧质量的装置传送的信息来调节氧化物流率与燃料流率的比率。

Description

控制至少一辐射管燃烧器操作和安全的电子控制模块和方法

本申请是申请日为2016年12月15日、申请号为201680073367.3、发明名称为“控制至少一辐射管燃烧器操作和安全的电子控制模块和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于优化控制工业辐射管燃烧器的燃烧和安全的电子控制模块和方法，该燃烧器配备给用于连续热处理金属条带的水平线或垂直线。

背景技术

参照附图的图1，其示出了根据现有技术的用于连续热处理金属条带的垂直线的一部分的示意性示例。它包括用于例如通过热气喷嘴预热条带2的区域Z1、用于通过辐射管燃烧器加热条带的区域Z2、用于保持条带的温度并且也配备有辐射管燃烧器的区域Z3，以及区域Z4 和紧随的未详细说明的区域，用于条带的其他加工，例如其冷却。

该线由绝缘外壳1组成，其中，条带2进入各种滚轮3上，所述滚轮在多个垂直通道中引导它。在每个垂直通道的顶部布置有由矩形示意性表示的辐射管4、5。在现代化的退火线上，安装的辐射管(因此燃烧器)的数量可以在200和400之间。这些燃烧器中的每一个都是单独控制的，并且在开-关模式下工作，并且辐射管例如在推-拉模式下操作。

在图1中，其燃烧器关闭的辐射管4显示为白色，其燃烧器开启的辐射管5显示为黑色。

加热区Z2可产生的最大加热功率P_max对应于所有辐射管的同时接通。

根据现有技术，当区域Z2所需的加热功率P_requise小于P_max，例如等于P_max的60％时，加热区中的辐射管的每个燃烧器被点燃为60％的周期时间，一般设定为1或2分钟。

可以理解的是，在任何时刻需要的加热功率P_requise是通过在等于 P_requise/P_max的百分比的部分周期时间内调节每个辐射管燃烧器的操作时间而获得的。

图2是位于条带2的一侧上的辐射管4、5的列，其在滚轮3上延伸。在该图中示出了该列中的每个辐射管4、5的供应/排放；氧化物的供应，例如燃烧空气，被图示为6，液体或气体燃料的供应，例如天然气，为7，并且烟道气体的排放为8。可以理解的是，根据供应/ 排放管道上的辐射管的流体连接的位置，对于每个辐射管，空气供应或气体供应或烟道气体排放压力是不同的。

随后，为了简化本发明的描述，我们将使用术语“气体”来指定供应燃烧器的燃料，无论其性质如何，并且术语“空气”来指定氧化物，而无论其氧含量如何。

根据生产的炉操作速度的变化，条带形式的变化，或其必须达到的温度的变化，导致操作的燃烧器的数量的变化，这引起燃烧器上的空气、气体或烟道气体压力波动。

另一方面，燃烧器的点燃和熄火也会引起位于炉附近或相同区域内的燃烧器管道上的压力波动。

另外，增加辐射管的温度可以减少多余的空气。

在安装有热处理线的生产场所也可以看出，气体的性质或组成可能会波动，有时候会有相当大的比例，例如与平均值相比，热值变化 +/-10％值。该设备还可以供应有几种类型的气体，例如天然气和焦炉煤气，其密度或热值具有非常不同的特性。

可以看出，燃烧器的操作条件可以根据空气或气体供应或烟道气体排放压力、使用的气体的特性、辐射管的操作温度、以及在该列中、该区域中或流体环中相邻燃烧器的点燃和熄火的影响而变化很大。

这些变化可以是快速的，并且再加上开-关模式下燃烧器的点燃和熄火周期的速度，例如具有每小时30或60次点燃和熄火周期，这会单独在燃烧器的操作中以及在列、区域或流体环中引起显着的干扰。

所有这些变化都会引起与期望的理论值相比空气-气体比的显着波动和/或诸如CO(一氧化碳)或NOx(氮氧化物)的污染物的显着产生。

为了解决这个问题，一般选择相对于化学计量值的+10％至+20％的过量空气值，使得无论空气和气体供应的条件以及气体的特性如何而进行燃烧。这附加的部分燃烧空气不参与燃烧。相反，加热它所需的能量为被损失的能量，牺牲了设备的效率。

可以看出，根据现有技术的设备不能根据气体特性或其供应的变化以及在火焰点燃和熄火阶段期间(这在具有在开-关模式下操作的大量燃烧器的装置上大量发生)有效地控制火焰的质量。

可以理解的是，燃烧器点燃、操作和熄火阶段的每个时刻的空气- 气体比是以下的结果：在每个时刻空气和气体阀的开启百分比、供应管道中的空气和气体压力以及相对于理论设定值的气体的实际热值。根据阀的开启和关闭特性、它们的实际密封、它们的密封装置的磨损以及空气和气体供应特性的变化(例如，由于管道阻碍而导致的压力变化)，或者在气体中的热值变化，这些差异在火焰点燃和熄火阶段是特别重要的。

对燃烧质量的近似控制的这些瞬态阶段，也就是说空气和气体流率和/或空气和气体流率之间的比率(空气/气体比率)具有一系列后果：

·污染物产量的增加，特别是氮氧化物(NOx)，其释放率越来越有限，有时甚至征税，

·可能产生未燃烧的副产品(未燃烧的燃料)，尤其是CO，这会降低装置的效率，并可能导致管道、气室和最终烟道气体排放环的爆炸，从而危及设备和人员的安全，

·产生可能是氧化或还原性的不被控制的燃烧气氛(atmosphere)，这可能会减少暴露于此气氛的设备的使用寿命，例如高温操作且暴露于一个或多个燃烧器的燃烧气体的辐射管以及基本上所有由耐火钢制成的设备。

根据现行标准安装的电流控制设备，例如EN746-2和EN298，控制火焰的存在，而不验证所述火焰的质量。这意味着它们是开环操作模式，不能优化燃烧。

可以看出，现有技术的所有缺陷导致在任何时候控制每个燃烧器的燃烧的缺陷，影响装置的不同方面，特别是燃烧效率的降低、排放的污染物水平的劣化、与燃烧气体接触的材料的阻力、管道、气室和最终烟道气体排放环中气体爆炸风险的建立或者更普遍地对位于附近的设备或人员造成的风险。

这些燃烧控制缺陷涉及燃烧器操作周期的规模或气体的打开/关闭时间和/或空气供应阀的快速现象。这些对燃烧和燃烧器操作的安全控制不佳的短时间要求安装快速控制装置，优选为局部的，尽可能靠近被控制的燃烧器，并且以关闭控制环的形式以快速反应时间而操作。

一些商业设备包括位于空气和气体供应或烟道气体中的传感器，以校正燃烧器的操作条件，但没有一个能够优化开-关周期的每个操作阶段并补偿供应气体的热值的变化。

此外，根据现有技术的设备不能够快速检测辐射管中的故障，无论是元件的故障还是劣化的操作模式。

发明内容

根据本发明的电子-控制模块和方法使得可以优化辐射管燃烧器的燃烧，以减少排放的污染物的量，以补偿供应气体的加热功率的变化，以通过减少以确保燃烧器的正常操作所需的过量空气而改善燃烧并且快速检测所述辐射管上的故障。

根据本发明，一种用于至少一个辐射管燃烧器的控制模块，所述燃烧器包括燃料供应阀、氧化物供应阀和燃烧烟道气体排放管道，所述控制模块的特征在于其包括：

·安装在至少一个燃烧器的燃烧烟道气体排放管中的测量燃烧质量的装置，

·燃料流量测量装置，

·氧化物流量测量装置，

·用于控制至少一个燃烧器的装置，其根据由燃烧质量控制装置传递的信息来作用在至少一个燃烧器的氧化物和燃料供应阀的开口百分比上，以调节氧化物流率/燃料流率。

有利地，控制模块包括用于使用由燃烧质量测量装置、燃料流量测量装置和氧化物流量测量装置提供的数据来计算燃料的燃烧功率Va 的装置，将借助于计算的计算出的Va值与理论值比较以检测超过预定阈的偏差。

用于控制燃烧质量的装置可以是剩余氧气传感器。

更有利地，该模块可以能够控制两个辐射管燃烧器，基于由氧化物流量和燃料流量测量装置提供的数据以及由燃烧质量控制装置所传送的信息，对于每个燃烧器计算燃料的燃烧功率Va，对于所述两个燃烧器所获得的两个Va值进行比较以检测超过限定阈的偏差。

本发明还包括用于控制至少一个辐射管燃烧器的方法，该燃烧器包括燃料供应阀、氧化物供应阀和燃烧烟道气体排放管道，该方法的特征在于其包括：

·通过从由安装在至少一个燃烧器的燃烧烟道气体排放管道的测量燃烧的质量的装置传送的信息，将至少一个燃烧器的氧化物和燃料供应阀的开放百分比调节到期望的氧化物/燃料比，控制至少一个燃烧器的操作，

·计算供应至少一个燃烧器的燃料的燃烧功率值Va，特别是从由氧化物和燃料流量测量装置提供的数据和由用于测量至少一个燃烧器的燃烧质量的装置所提供的信息，并且将所述燃烧功率值Va与理论值进行比较以检测超过限定阈的偏差。

有利地，该控制方法还使得可能：

·控制两个辐射管燃烧器，

·计算对应于每个燃烧器的燃料燃烧功率值Va，特别是从由氧化物和燃料流量测量装置提供的数据和由用于测量至少一个燃烧器的燃烧质量的装置所提供的信息，并且将所述两个燃烧功率值进行比较以检测超过限定阈的偏差。

因此，本发明提供了一种用于管理在工业炉中大量安装的辐射管燃烧器的操作的快速且高效的系统。它优化燃烧并减少污染物产生量，同时确保燃烧器的安全操作。本发明提供了一种控制燃烧器的解决方案，即使在供应气体具有可变特性(热值或供应燃料压力)时，通过取决于空气量控制气体的量以永久保持对于每个燃烧器所需的空气/ 气体比率。

附图说明

在下文中，参照图片的图2和图3基于示例实施方式详细解释本发明。

图1是根据现有技术的用于连续热处理金属条带的垂直线的一部分的示意性示例，

图2是根据现有技术的燃烧器的流体分配管道的局部示意正视图，

图3是根据本发明的示例实施方式的辐射管组件的示意图。

具体实施方式

如附图的图2和图3所示，辐射管燃烧器由空气6管道和气体管道7供应。燃烧器的空气供应配备有流量测量装置，例如隔膜13和差压传感器12，以及电控制或气动控制打开阀14，可能具有打开位置反馈信号。

燃烧空气在图示为10的热交换器中被烟道气体加热，以向燃烧器 20供应热空气。

燃烧器的气体供应包括流量测量装置，例如隔膜16和差压传感器 15以及两个电控制或气动控制打开阀17和18，其根据EN746-2执行双重密封功能，并且可能至少一个传送打开位置的反馈(在图中为阀 18)和阀17和阀18之间的压力开关26。燃烧器20因此被供应有气体和空气。

被控制打开阀14、17和18也可以配备有传感器或限位开关，以确认阀在完全打开或关闭时的位置。

燃烧器20配备有火焰检测装置21，例如紫外线型光学单元，以及点燃装置22，例如点火电极。

辐射管配备有温度传感器，例如用于测量其表面温度的至少一个热电偶25和位于辐射管4的湿烟道气体排放口8上的传感器24，以控制燃烧质量，例如残余氧气传感器。

所述燃烧系统配备有位于燃烧器附近的电子控制模块23，具有输出信号23a和输入信号23b。根据所给出的示例的输入信号是被控制阀 14和18的位置、火焰检测21、空气和气体流量测量12和15、由传感器24测量的湿烟道气体中的残余氧气以及由热电偶25测量的该管的温度。输出信号是阀14、17和18以及点燃控制22的控制。

最后，数字链路可以在集中式控制/命令系统和各电子控制模块23 之间和/或在各电子控制模块23之间发送和接收信息。

该电子控制模块提供根据现有技术和标准中限定的市场上现有的燃烧器控制系统处理的所有功能，特别是点燃操作顺序，燃烧器熄火和与这些操作阶段中的每一个相关的安全的功能。它还具有如下所述的燃烧控制和故障控制。

在开-关模式中，所提出的系统使用阀14调节空气的量，所述空气的量是由燃烧器在其各种操作阶段中传送的瞬时功率的反映。差压传感器12连接到电子装置控制模块23，其计算传送到燃烧器的空气的瞬时流量。

用于测量烟道气体中残余氧气的传感器24连接到电子控制模块 23，该电子控制模块确定在燃烧器的不同操作阶段中(诸如点燃、稳定的操作和熄火)满足湿烟道气体中的氧气水平所需气体的量，并且通过控制阀18来调节该流量。

在气体环上以相同的方式，差压传感器15连接到电子模块23，所述电子模块计算传递到燃烧器的气体的瞬时流率。

使用ISO5167-2中描述的公式计算空气和气体流率，该公式集成了主要测量元件13、16的几何特性、与流体特性有关的参数和操作条件，诸如大气压力、压力、温度和密度，这些是常见的动态数据或单独的测量数据并且被传输到电子控制模块23。

从燃烧参数Va(化学计量空气或对应于确保气体体积单元完全燃烧所需的和足够的空气的量的燃料气体的燃烧功率)、所需空气系数 (或通气率)记为n，以及记为R(R＝n×Va)的空气/气体比率以及每种流体特有的其他参数，电子控制模块23计算湿烟道气体中预期的残余氧率并调节气体流量以保持所需湿烟道气体中的氧气水平。因此，无论气体和空气供应压力如何波动，本发明都保持燃烧的质量。

本发明还提出了其他功能，诸如由压力开关26控制的气体阀密封性测试序列器以及在超过由热电偶25控制的最大操作温度的情况下的保护。

用于测量辐射管4的温度的传感器25连接到电子控制模块23。因此，在辐射管超过最大安全温度的情况下，所述模块23可以控制燃烧器的关闭。

我们了解对于炉最终用户的本发明的优势，因为除了生产过程的改进之外，它还降低了由设施消耗的燃料成本，并且降低了可能基于排放的污染物的量而需要的税收。

根据本发明的另一个基本特征，电子控制模块23使得能够快速检测其所连接的辐射管中的故障，并且如果故障被认为是严重的，则将所述管置于安全位置。

取决于接收到的指示故障的信号的性质，特别是取决于相关元件，所述电子模块将在局部和/或向集中式控制/指令系统发出警报，同时保持有关的辐射管处于服务中，或通过将其置于安全位置而停止。

如我们先前所见，电子控制模块23与用于测量和控制空气12、 13、14和气体流率15、17、18、26的装置，以及剩余氧气传感器24 和温度传感器25交换信息。电子控制模块23因此可以检测由这些元件或传感器中的一个提供的信息、由其他元件或传感器提供的信息以及理论上预期的数据之间的出入。

例如，这种出入可能包括：

·在空气或气体上测量的流率与调节所述流率的控制阀的打开之间存在的出入，

·残余氧含量的测量与相对于空气和气体流率的测量的预期之间的出入，

·辐射管的测量温度与预期之间的出入。

从由测量氧化物和燃料流率的装置和测量燃烧器的燃烧烟道气体中残余氧含量的传感器提供的数据，电子控制模块23计算燃料的Va 并将其与燃料的理论Va进行比较。该理论Va有利地由集中式控制/ 命令系统提供给所述模块。它也可以由操作员直接输入到模块中。在计算出的Va值与燃料的理论值之间存在出入的情况下，超过某个差值阈，电子控制模块23发出警报。当这个差异达到第二更高的阈时，辐射管停止并固定。例如第一阈是10％的偏差，且所述第二阈是15％的偏差。

燃料的Va的理论值是例如根据下面的公式根据气体的组成而计算的，其中，各气体的化学组成将被燃料中的这些气体的含量以每m³燃料的气体m³来表示：

Va＝H₂x2.36+COx2.38+CH4x9.54+C₂H₄x14.4+C₂H₆x16.84+C₃H₆x21.84+ C₃H₈x24.37+C₄H₈x29.64+C₄H₁₀X32.41+C₅H₁₂x40.87-O₂x4.77

有利地根据本发明，所述电子模块23被放置在其控制的辐射管的紧邻附近。这允许电子控制模块和放置在辐射管上的各元件之间由于电缆长度减小而快速交换信息。该解决方案可以比通过集中式控制/命令系统更快地控制和固定辐射管组件。电子控制模块与其所连接的辐射管之间的接近也便于在设备调试和维护期间操作人员进行干预。

有利地根据本发明，所述电子控制模块23连接到彼此靠近布置的两个辐射管。它能够检测两个辐射管的不同行为，这可能会揭示两者之一的故障。

该解决方案是特别有利的，因为它可以消除可以与气体和/或空气的特性的变化有关的干扰，这些对于两个辐射管是共同的。

如，如果电子控制模块23检测到辐射管中的一个的由传感器24 给出的剩余氧气含量与该辐射管的气体和空气中测量的流率之间的偏差，则该偏差可以被解释为与燃料成分的变化及其Va有关。在这种情况下，根据本发明的控制模块23验证第二辐射管上是否存在相同的偏差。如果是这种情况，这是各流体中的一个的特性的变化。如果情况并非如此，则这是第一辐射管上的部件的故障，并且电子控制模块发出警报。这种分析还可以检测辐射管的穿孔因为这会导致炉内气氛进入管道内，如果辐射管在推-拉模式下(管内压力低于管外压力)操作，并且因此烟道气体中测量的残余氧含量下降。

如我们所见，在优化的实施方式中，本发明的电子控制模块包括：

·目前技术状况的安全功能和现有标准的强制实施，

·用空气和气体供应阀的打开的闭环调节来控制一个或两个燃烧器的操作，这些环以空气/气体比率操作，该比率取决于在操作周期中的所有点处(点燃、稳定操作、熄火)湿烟道气体中所需的氧气值，无论燃烧器在开-关模式或比例模式下操作，

·考虑空气和气体特性的数据，特别是燃料的成分、温度、供应压力和热值，用于控制燃烧器操作的空气与气体比率，

·从由流量计算而验证的烟道气体中剩余O₂的测量，在闭环中进行燃烧器的操作的空气-气体比的控制，

·用于计算气体Va的系统，以验证其与集中式控制/命令系统提供的符合，并且如果偏差超出限定阈则触发警报，

·在此打开或关闭顺序的每个点上实时执行所述空气和气体阀的组合打开和关闭阶段的控制，以维持所需的空气/气体比率，

·如果测试未被验证，则定期核实气体阀的密封性和燃烧器的安全性。

Claims (11)

1.用于至少一个辐射管燃烧器(4、5)的控制模块，所述至少一个辐射管燃烧器包括燃料供应阀、氧化剂供应阀、燃烧烟道气体排放管道(8)、燃料流量测量装置、和氧化剂流量测量装置，燃烧质量测量装置安装在所述燃烧烟道气体排放管道(8)中，并且

其中，控制模块配置成可操作地耦合到所述至少一个辐射管燃烧器，使得所述控制模块配置成：

-控制所述至少一个辐射管燃烧器，这是通过基于从安装在所述至少一个辐射管燃烧器的所述燃烧烟道气体排放管道中的燃烧质量测量装置接收的信息，调整在所述至少一个辐射管燃烧器的所述氧化剂供应阀和所述燃料供应阀的打开百分比，以适应于氧化剂流率相对于燃料流率的比率，以及

-利用从燃烧质量测量装置、燃料流量测量装置和氧化剂流量测量装置接收的数据，计算燃料燃烧功率Va，将计算出的燃料燃烧功率Va值与理论值进行比较，以检测超过预定阈的偏差。

2.根据权利要求1所述的控制模块，其中，燃烧质量测量装置包括剩余氧气传感器(24)。

3.根据权利要求1所述的控制模块，其中，所述控制模块配置成控制两个辐射管燃烧器，从氧化剂流量测量装置和燃料流量测量装置接收的数据和从燃烧质量测量装置接收的信息来计算对于每个燃烧器的燃料的燃烧功率Va，将对于所述两个燃烧器获得的Va的两个值进行比较，以检测超过预定阈的偏差。

4.一种燃烧系统，包括：

至少一个辐射管燃烧器，包括：燃料供应阀、氧化剂供应阀、烟道气体排放管道、燃料流量测量装置和氧化剂流量测量装置；

燃烧质量测量装置，其安装在所述辐射管燃烧器的烟道气体排放管道中；以及

控制模块，其可操作性地耦合到：燃料供应阀和氧化剂供应阀，以控制所述氧化剂供应阀和所述燃料供应阀的打开百分比，燃料流量测量装置和氧化剂流量测量装置，用于从燃料流量测量装置和氧化剂流量测量装置接收数据，和燃烧质量测量装置，用于从燃烧质量测量装置接收信息；

其中，所述控制模块配置成：

基于从安装在辐射管燃烧器的烟道气体排放管道中的燃烧质量测量装置接收的信息，调整在所述辐射管燃烧器的所述氧化剂供应阀和所述燃料供应阀的打开百分比，以适应于氧化剂流率相对于燃料流率的比率。

5.根据权利要求4所述的燃烧系统，其中，控制模块配置成，使用从燃烧质量测量装置接收的信息和从燃料流量测量装置和氧化剂流量测量装置接收的数据，计算燃料燃烧功率值，并且其中，控制模块配置成，将计算的燃料燃烧功率值与理论值进行比较，以检测超过第一预定阈的偏差。

6.根据权利要求5所述的燃烧系统，其中，控制模块配置成当偏差超过第一预定阈时，发送警报。

7.根据权利要求6所述的燃烧系统，其中，控制模块配置成当计算的燃料燃烧功率值和理论值之间的偏差超过第二预定阈时，停止所述至少一个辐射管的操作。

8.根据权利要求7所述的燃烧系统，其中，所述第一预定阈为10％的偏差，并且所述第二预定阈为15％的偏差。

9.根据权利要求4所述的燃烧系统，其中，所述控制模块还配置为从燃料供应阀和氧化剂供应阀接收关于燃料供应阀和氧化剂供应阀的位置的数据。

10.一种用于控制至少一个辐射管燃烧器的方法，所述方法包括：

-基于从安装在所述至少一个辐射管燃烧器的燃烧烟道气体排放管道中的燃烧质量测量装置接收的信息，根据所期望的氧化剂/燃料比率，调节所述至少一个辐射管燃烧器的氧化剂供应阀和燃料供应阀的打开百分比，和

-从氧化剂流量测量装置和燃料流量测量装置接收的数据和从所述至少一个辐射管燃烧器的燃烧质量测量装置接收的信息，计算供应给所述至少一个辐射管燃烧器的燃料的燃烧功率Va，并且将所述燃烧功率Va与理论值进行比较，以检测超过预定阈的偏差。

11.根据权利要求10所述的控制方法，包括：

控制辐射管燃烧器中的两个，和

从氧化剂流量测量装置和燃料流量测量装置接收的数据和从所述辐射管燃烧器的燃烧质量测量装置接收的信息，计算对于每个辐射管燃烧器的燃料燃烧功率Va，并且将对于各辐射管燃烧器的获得的各燃料燃烧功率值Va进行比较，以检测超过限定阈的偏差。

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