CN113720169B - 基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法及系统 - Google Patents

基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫系统，包括检测单元、通讯单元、模型计算单元以及反吹控制单元；通讯单元将检测单元检测的检测数据传送至模型计算单元；模型计算单元通过计算得到烟气中的CO含量和反吹时间；反吹控制单元接收模型计算单元的信号，并对反吹时间进行控制；通过利用移动加权平均法计算第i时刻CO的有效值，并计算第i时刻，加热炉热负荷HLi，综合加热炉内热负荷和CO的有效值通过线性插值法来确定反吹控制时间Ti，本系统将目标热需求与目标污染物排放量作为双目标进行控制，通过动态调整反吹时间，一方面有助于满足污染物排放标准，另一方面有助于保证加热节奏的控制效果，且实用性好，可靠性高。

Description

基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法及系统
技术领域
本发明涉及加热炉吹扫技术领域，具体地，涉及一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法及系统。
背景技术
目前，蓄热式加热炉燃烧方式为加热炉两侧交替燃烧方式，即通过控制换向阀控制当前烧嘴处于进气周期或排气周期。
在正常生产时，燃烧侧的烧嘴将会由燃烧状态切换到排烟状态，即三通换向阀将会由进煤气状态切换到排烟气状态，换向后公共管道内的高炉煤气将会被抽到排烟管道中，而且由于换向阀每六十秒将换向一次，加热炉的各个控制段将会周而复始的不停的排放公共管道中的煤气。此种燃烧方式在两种换向方式交替过程中，由于未燃烧完全的煤气存在与烟道总管内，导致燃气在烟道内与预热后的空气进行燃烧，损坏设备。同时，加热炉内未完全燃烧气体(氮氧化物、碳氧化物等污染物)也会由烟囱排放至大气中，产生能源浪费并造成污染。
现有公开号为CN110849163A的中国专利，其公开了一种蓄热式加热炉反吹扫系统及方法，其装置包括加热炉、煤气总管和一次烟气总管；还设置有反吹烟气总管，反吹烟气总管通过反吹烟气支管连接加热炉烧嘴，所述煤气换向阀设置于反吹烟气支管上；一次烟气总管连接一次烟气引风机，一次烟气引风机通过排烟管连接烟囱；反吹烟气总管连接反吹烟气引风机，反吹烟气引风机通过连接管连接排烟管，连接管上设置有反吹烟气储气罐。
发明人认为现有技术中的系统在投运时因增加了固定的反吹扫时间，导致加热炉的加热节奏放慢，并且在热负荷较小或者CO排放符合环保要求时仍旧进行反吹控制，实用性差，可靠性低，存在待改进之处。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法及系统。
根据本发明提供的一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法,包括如下步骤：S1、通过所述检测单元检测烟道内CO的值；S2、通过所述通讯单元将检测单元检测到的CO的值传送至模型计算单元；S3、所述模型计算单元通过移动加权平均法计算CO的有效值；S4、比较所述模型计算单元将CO的有效值是否大于阈值，当所述CO的有效值大于阈值时，进入步骤S5；当所述CO的阈值小于等于阈值时，进入步骤S8；S5、所述模型计算单元计算加热炉热负荷；S6、所述模型计算单元通过CO的有效值和加热炉的热负荷计算反吹控制时间；S7、所述模型计算单元通过反吹控制单元对反吹时间进行控制；S8、步骤结束。
优选地，对于步骤S3，利用移动加权平均法计算CO的有效值：
其中COi为第i时刻CO的有效值，n为采样周期，j为表示加热炉的燃烧段数，COj为第j个烧热段的烟道内CO的值。
优选地，对于步骤S5，第i时刻，加热炉热负荷用下式表示：
其中m表示加热炉有效燃烧段数，j表示加热炉的燃烧段数，spi表示第j个燃烧段的炉温设定值，pvi表示第j个燃烧段的炉温实际值，αj表示第j个燃烧段的热负荷权重，且∑αj＝1。
优选地，对于步骤S6计算反吹控制时间，加热炉的最大反吹控制时间为Tmax，其所对应的热负荷上限为HLmax，若HLi≥HLmax，反吹时间按照Tmax进行控制。
优选地，对于步骤S6计算反吹控制时间，加热炉的最大反吹控制时间为Tmax，其所对应的热负荷上限为HLmax，若HLi＜HLmax，应用线性插值法来确定反吹控制时间Ti：
其中β∈(0.5,1)，表示加热炉由于工况与炉况的差别所应调整的系数，COs表示当地环保要求的CO最高排放量，其函数的特点为Ti与COi正相关，Ti与HLi负相关。
优选地，对于步骤S6，计算反吹控制时间之前判断是否满足安全联锁条件；满足安全联锁条件则计算反吹控制时间，不满足安全联锁条件则步骤结束。
优选地，所述安全联锁条件包括：所述反吹管路各控制阀门关到位并无异常报警；所述O2含量小于含量上限值；所述反吹风压高于设定值；所述反吹快切阀位于打开状态。
根据本发明提供的一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫系统，包括权利要求1-7任一项所述的基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫系统，包括检测单元、通讯单元、模型计算单元以及反吹控制单元；所述检测单元用于检测烟气CO含量、烟气O2含量以及烟气温度，且所述检测单元检测的检测数据传送至通讯单元，所述通讯单元将检测单元检测的检测数据传送至模型计算单元；所述模型计算单元通过计算得到烟气中的CO含量和反吹时间；所述反吹控制单元接收模型计算单元的信号，并对反吹时间进行控制。
优选地，所述检测单元包括CO检测仪、O2检测仪以及烟温计，所述CO检测仪、O2检测仪以及烟温计三者在总管和任一烟气支管内均设置有一组或多组。
优选地，还包括换向阀和快切阀，所述换向阀连接引风机入口和煤气废气总管，所述换向阀还连接引风机出口和煤气管道，所述快切阀连接烟气管道和煤气管道。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过利用移动加权平均法计算第i时刻CO的有效值，并计算第i时刻，加热炉热负荷HLi，综合加热炉内热负荷和CO的有效值通过线性插值法来确定反吹控制时间Ti，本系统将目标热需求与目标污染物排放量作为双目标进行控制，通过动态调整反吹时间，一方面有助于满足污染物排放标准，另一方面有助于保证加热节奏的控制效果，且实用性好，可靠性高；
2、本发明通过设置安全联锁条件，在反吹系统满足安全联锁条件时，才进行反吹扫作业，有助于提高烟气反吹扫系统工作的安全性；
3、本发明通过将各个检测元器件检测到的数据传送至PLC控制系统，之后再通过网络传输协议将数据保存并上传至模型计算单元，有助于检测反吹扫系统的运动过程，进而有助于保证反吹扫系统工作的安全性和可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为主要体现本发明整体工作的流程示意图；
图2为主要体现本发明反吹控制时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫系统，包括检测单元、通讯单元、模型计算单元以及反吹控制单元。检测单元用于检测烟气CO含量、烟气O2含量以及烟气温度，且检测单元检测的检测数据传送至通讯单元，通讯单元将检测单元检测的检测数据传送至模型计算单元。模型计算单元通过计算得到烟气中的CO含量和反吹时间，反吹控制单元接收模型计算单元的信号，并对反吹时间进行控制。
检测单元包括CO检测仪、O2检测仪以及烟温计，CO检测仪、O2检测仪以及烟温计三者在总管和任一烟气支管内均设置有一组，O2检测仪为氧化锆氧量分析仪，CO检测仪为CO分析仪。通讯单元包括PLC控制系统，PLC控制系统连接检测单元中各元器件，且通讯单元通过网络传输协议将PLC控制系统中检测单元传输的数据保存并上传至模型计算单元。
还包括引风机、煤气废气总管、煤气管道、烟气管道、换向阀以及快切阀。换向阀连接引风机入口和煤气废气总管，换向阀还连接引风机出口和煤气管道，快切阀连接烟气管道和煤气管道，从而组成一个与原燃烧系统相对独立的并联烟气反吹扫系统。通过控制引风机开度来保持反吹扫系统的管网压力为6KPa，再调整快切阀与换向阀启、闭的时间，切吹扫系统为氮气吹扫系统。
考虑到不同热需求情况下，相同的污染物排放量所需反吹时间不同，因此，本系统将目标热需求与目标污染物排放量作为双目标进行控制，在保持燃烧控制系统不变的情况下，依据双目标反馈结果计算反吹时间，通过动态调整反吹时间达到既满足污染物排放标准，同时保证加热节奏的控制效果。
如图1所示，根据本发明提供的一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法，包括上述反吹扫系统，方法包括如下步骤：
S1、设置检测单元的采样间隔G＝10S，采样周期n＝6，即每隔10秒采样一次，每个采样周期为6次采样。通过检测单元中的CO分析仪检测烟道内CO的值，通过氧化锆氧量分析仪检测烟道内O2的值，通过烟温计检测烟道内的温度。
S2、检测单元中的各个元气件均将检测到的数据传输至通讯单元的PLC控制系统内，之后通讯单元通过网络传输协议将PLC控制系统中检测单元传输的CO的值、O2的值以及烟道内的温度均保存并上传至模型计算单元。
S3、模型计算单元通过移动加权平均法计算CO的有效值：第i时刻，CO的有效值可用下式表示：
其中COi为第i时刻CO的有效值，n为采样周期，j为表示加热炉的燃烧段数，COj为第j个烧热段的烟道内CO的值。
S4、模型计算单元将CO的有效值与阈值进行比较，阈值根据实际的生产情况进行确定，当CO的有效值大于阈值时，进入步骤S5，当CO的阈值小于等于阈值时，步骤结束。
S5、模型计算单元计算加热炉热负荷：第i时刻，加热炉热负荷用下式表示：
其中m表示加热炉有效燃烧段数，j表示加热炉的燃烧段数，spi表示第j个燃烧段的炉温设定值，pvi表示第j个燃烧段的炉温实际值，αj表示第j个燃烧段的热负荷权重，且∑αj＝1。
S6、模型计算单元通过CO的有效值和加热炉的热负荷计算反吹控制时间，在计算反吹控制时间之前，先判断反吹系统是否满足安全联锁条件，安全联锁条件包括：反吹管路各控制阀门关到位并无异常报警；O2含量小于含量上限值，O2含量上限值小于8％；反吹风压高于设定值，反吹风压的设定值为3KP；反吹快切阀位于打开状态。
实施收集其他过程检测数据，包括：炉内、空煤气管路压力，炉内各燃烧段温度，各燃烧煤气流量，空气流量，烟气管路温度，煤气热值，烟气管路碳氧化物含量，O2含量等。
若反吹系统满足安全联锁条件，则继续进行反吹控时间的计算，若反吹系统不满足安全联锁条件，步骤结束。
加热炉的最大反吹控制时间为Tmax，其所对应的热负荷上限为HLmax，若HLi≥HLmax，反吹时间按照Tmax进行控制。若HLi＜HLmax，应用线性插值法来确定反吹控制时间Ti：其中β∈(0.5,1)，表示加热炉由于工况与炉况的差别所应调整的系数，COs表示当地环保要求的CO最高排放量，其函数的特点为Ti与COi正相关，即COi越大，则Ti越长；Ti与HLi负相关，即HLi越大，则Ti越短，以满足生产负荷的需求。由于每个换向周期中热负荷不同，导致燃气量不同，因此残留在煤气管道中的煤气量也不相同。仅仅依靠COi来确定反吹时间会存在极大的控制误差。此时，可以将Ti认为是一个关于COi与HLi的二元关系函数。
S7、模型计算单元通过反吹控制单元对反吹时间进行控制，快切阀打开，引风机进行吹扫，吹扫时间为Ti，吹扫结束后快切阀关闭，同事排烟侧煤气阀、空气阀打开，一次反吹扫作业结束。
优选例
如图1和图2所示，燃烧过程：蓄热式加热炉A侧进行燃烧时，B侧进行排烟。此时A侧煤气阀与空气阀按照控制程序进行开口度调节，当燃烧周期(60秒)结束时，首先关闭煤气调节阀，2秒后关闭空气调节阀。下表为系统涉及的检测点：
序号 项目 内容 配置数量 位置
1 测压 风机后压力 1 风机出口后管道
2 温度 风机前温度 1 风机进口前管道
3 反吹阀位检测 位置检测 20 反吹阀电磁阀
4 快切阀位检测 开关位置检测 4 电磁阀
5 煤烟气体浓度检测 CO 1 煤烟总管
6 煤烟气体浓度检测 O2 1 煤烟总管
7 空烟气体浓度检测 CO 1 空烟总管
8 煤气流量检测 煤气流量值 3 各燃烧段煤气支管
8 空气流量检测 空气流量值 3 各燃烧段空气支管
9 测温 炉内温度 12 各燃烧段顶部、两侧
10 测压 炉膛压力 3 各燃烧段中部
11 热值 煤气热值 1 煤气总管
模型计算单元计算反吹控制时间：
计算COi：换向周期为60秒，因此，考虑每10秒进行一次CO含量检测，采集6次数据计算COi。通过计算，可以得知COi含量为1500mg/Nm3，按照要求，COi控制排放量应该在1000mg/Nm3以下。
计算HLi：加热炉供三个燃烧控制段，每段设定炉温与实际炉温如下表所示：
加一段℃ 加二段℃ 均热段℃
热负荷权重 0.2 0.5 0.3
设定值SP 880 1120 1100
实际值PV 890 1100 1090
热需求 -10 20 10
依据定义可得HLi＝11，工艺要求HLmax＝30，此时HLi＜HLmax，表明系统热负荷允许进行反吹操作。
安全联锁判断过程：反吹管路各控制阀门关到位信号，无设备故障报警；当O2含量小于8％；反吹风压大于3KP；反吹快切阀开到位信号；连锁条件满足后，启动反吹系统。
设置β＝0.7(此值可以依据工艺经验给出)，计算Ti：
当Ti＞0时，在煤气换向阀进气侧关闭，并且确认符合烟气反吹安全联锁条件后，迟Ti+4秒再打开废气侧阀抽走炉内烟气；同时，延迟2秒关闭同侧空气换向阀，保证烟气反吹系统有充足的时间将残余煤气排挤到炉内完全燃烧掉。
反吹过程：每组进气侧煤气换向阀关闭；2秒后每组进气侧空气换向阀关闭；同时，吹快切阀打开，耗时1-2秒；将烟道内剩余煤气利用烟气进行反吹，使之在炉内充分燃烧，耗时Ti秒；快切阀关闭，耗时1-2秒；废气测煤气换向阀打开；将燃烧产生的烟气在引风机作用下经烟囱排放到大气中去。
关闭快切阀同时，将煤气与空气侧排烟阀打开，通过引风机进行排烟。对侧进行燃烧过程，以此往复。
工作原理
工作中，检测单元检测加热炉烟道内CO等污染物的排放量，再通过通讯单元将检测单元数据传送给模型计算单元；通过移动加权算法计算等得到CO含量，同时基于工艺给定的设定条件，计算炉内热负荷综合平衡得出最佳反吹时间，之后将控制参数下发给反吹控制单元进行反吹扫作业，从而保证蓄热式加热炉烟气中CO等污染物排放量低于环保要求的前提下，增加蓄热过程时间，进而达到保证生产加热需求的作用。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过检测单元检测烟道内CO的含量值；
S2、通过通讯单元将检测单元检测到的CO的含量值传送至模型计算单元；
S3、所述模型计算单元通过移动加权平均法计算CO的含量有效值；
S4、比较所述CO的含量有效值是否大于阈值，当所述CO的含量有效值大于阈值时，进入步骤S5；当所述CO的含量有效值小于等于阈值时，进入步骤S8；
S5、所述模型计算单元计算加热炉热负荷；
S6、所述模型计算单元通过CO的含量有效值和加热炉的热负荷计算反吹控制时间；
S7、所述模型计算单元通过反吹控制单元对反吹时间进行控制；
S8、步骤结束；
对于步骤S3，利用移动加权平均法计算CO的含量有效值：
其中COi为第i时刻CO的含量有效值，n为采样周期，j为表示加热炉的燃烧段数，COj为第j个烧热段的烟道内CO的含量值；
对于步骤S5，第i时刻，加热炉热负荷用下式表示：其中m表示加热炉有效燃烧段数，j表示加热炉的燃烧段数，spi表示第j个燃烧段的炉温设定值，pvi表示第j个燃烧段的炉温实际值，αj表示第j个燃烧段的热负荷权重，且∑αj＝1。
2.如权利要求1所述的基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法，其特征在于，对于步骤S6计算反吹控制时间，加热炉的最大反吹控制时间为Tmax，其所对应的热负荷上限为HLmax，若HLi≥HLmax，反吹时间按照Tmax进行控制。
3.如权利要求2所述的基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法，其特征在于，对于步骤S6计算反吹控制时间，加热炉的最大反吹控制时间为Tmax，其所对应的热负荷上限为HLmax，若HLi＜HLmax，应用线性插值法来确定反吹控制时间Ti：其中β∈(0.5,1)，表示加热炉由于工况与炉况的差别所应调整的系数，COs表示当地环保要求的CO最高排放量，其函数的特点为Ti与COi正相关，Ti与HLi负相关。
4.如权利要求3所述的基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法，其特征在于，对于步骤S6，计算反吹控制时间之前判断是否满足安全联锁条件；
满足安全联锁条件则计算反吹控制时间，不满足安全联锁条件则步骤结束。
5.如权利要求4所述的基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法，其特征在于，所述安全联锁条件包括：
反吹管路各控制阀门关到位并无异常报警；
O2含量小于含量上限值；
反吹风压高于设定值；
反吹快切阀位于打开状态。
6.一种基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫系统，该系统采用权利要求1-5任一项所述的基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫方法，其特征在于，包括检测单元、通讯单元、模型计算单元以及反吹控制单元；
所述检测单元用于检测烟气CO含量、烟气O2含量以及烟气温度，且所述检测单元检测的检测数据传送至通讯单元，所述通讯单元将检测单元检测的检测数据传送至模型计算单元；
所述模型计算单元通过计算得到烟气中的CO含量有效值和反吹时间；
所述反吹控制单元接收模型计算单元的信号，并对反吹时间进行控制。
7.如权利要求6所述的基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫系统，其特征在于，所述检测单元包括CO检测仪、O2检测仪以及烟温计，所述CO检测仪、O2检测仪以及烟温计三者在总管和任一烟气支管内均设置有一组或多组。
8.如权利要求6所述的基于双目标反馈的蓄热式加热炉烟气反吹扫系统，其特征在于，还包括换向阀和快切阀，所述换向阀连接引风机入口和煤气废气总管，所述换向阀还连接引风机出口和煤气管道，所述快切阀连接烟气管道和煤气管道。
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