CN114252553A - 平均燃烧原位氧气分析器 - Google Patents

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德克·鲍什克
大卫·洛伯格
纳伦德拉·库尔卡尼
特哈斯·杜贝
图沙尔·索纳瓦内
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Abstract

原位平均燃烧分析器(303)包括壳体(102)和在近端部处联接到壳体(102)的探头(302)。探头(302)具有被配置成延伸到烟道(14)中的远端部，并且包含有邻近所述远端部(306)的基于氧化锆的氧气感测元件(112)。电子器件(106)设置在壳体(102)中并且联接到基于氧化锆的氧气感测元件(112)。电子器件被配置成测量基于氧化锆的氧气感测元件(112)的电特性并且计算氧气浓度值。平均导管(300)设置在探头(302)周围，并且具有与探头(302)的所述远端部(306)以不同距离间隔开的多个入口(304)。平均导管(300)具有定位在探头的所述远端部和近端部之间的至少一个出口(308)。电子器件(106)被配置成基于所计算的氧气浓度值提供平均氧气浓度输出。

Description

平均燃烧原位氧气分析器
技术领域
本公开的实施例一般地涉及诸如燃烧过程之类的工业过程的管理或控制，并且更具体地，涉及原位平均燃烧分析器、用于该分析器的平均导管和提供分层废气的平均氧气浓度的方法。
背景技术
工业过程通常依赖于例如燃烧的能量源为原料液体产生蒸汽或热量。一些燃烧过程涉及炉膛或锅炉的操作。虽然燃烧提供了相对低成本的能量源，但是通常在过程内寻求最大化燃烧效率，因为退出系统的所产生的废气或烟道气可能受到关于有害气体排放的法规的约束。因此，燃烧过程管理工业的一个目标是最大化现有炉膛和锅炉的燃烧效率，这固有地减少了温室气体和其它有害副产物的产生。
可以通过在来自燃烧过程的排气或废气中维持理想的氧气水平来优化燃烧效率，这确保了燃烧副产物的氧化。原位或在线分析器通常被用于监测、优化和/或控制正在进行的燃烧过程。通常，这样的分析器采用传感器，该传感器被加热到相对高温度并且直接在炉膛或锅炉燃烧区域上方或附近操作。
已知的过程燃烧分析器通常采用基于氧化锆的氧气传感器，所述氧气传感器设置在插入到废气流中的探头的一个端部处。当排气/废气流动到传感器中时，其通过过滤器或扩散器扩散到基于氧化锆的氧气传感器附近。不存在被用于将样本流引导到传感器中的泵或其它流动诱导装置。相反，气体被动地穿透扩散器。传感器提供与废气中存在的氧气量相关的电信号。
基于氧化锆的氧气传感器提供电位测定指示，所述电位测定指示被认为是燃烧环境中的可靠氧气测量结果，从而准许有效和安全的过程控制。通常，单个探头通过过程侵入或插入被插入到排气烟囱中。O2百分比测量结果被用于控制小型锅炉中的燃烧效率。在大型锅炉安装中，操作者经常会遇到具有许多不同氧气浓度的层的废气分层。在试图获得分层信息时，操作者可以选择将多个(有时多达16个)探头安装到排气烟囱中，以实现高效并且安全的操作。
具有进行电位测定的氧化锆氧气传感器的典型原位分析器提供单点氧气测量，以用于控制发电厂、焚烧炉、节能系统、炼油厂、化工厂或小型燃烧装置的燃烧效率。如上文所描述，大烟囱具有相当大程度的废气分层，其在废气中具有许多不同的浓度层。在这样的情况下，在这样的大型燃烧应用中，通常利用多个氧气感测探头。然而，利用这样的探头增加了整个燃烧控制系统的复杂性和费用。举例来说，每个探头需要电力/信号布线、校准气体管线和探头安装配件。
对于一些大型燃烧应用，提供氧气分层信息的替代方案是利用可调谐二极管激光氧气传感器。这样的传感器虽然目前被用于应用中以提供平均氧气浓度，但是通常被认为是单个氧化锆氧气探头的成本的3倍或4倍，并且这样的系统将不会具有定期原位校准的益处。此外，这样的可调谐二极管激光系统依赖于通过废气的激光能量，并且在其中废气部分或完全不透明的情况中可能受到限制。
发明内容
一种原位平均燃烧分析器包括壳体和在近端部处联接到所述壳体的探头。所述探头具有被配置成延伸到烟道中的远端部，并且含有邻近所述远端部的基于氧化锆的氧气感测元件。电子器件设置在所述壳体中并且联接到基于氧化锆的氧气感测元件。所述电子器件被配置成测量所述基于氧化锆的氧气感测元件的电特性并且计算氧气浓度值。平均导管设置在所述探头周围，并且具有与所述探头的所述远端部以不同距离间隔开的多个入口。所述平均导管具有定位在所述探头的所述远端部和所述近端部之间的至少一个出口。所述电子器件被配置成基于所计算的氧气浓度值而提供平均氧气浓度输出。
附图说明
图1是本发明的实施例特别适用的原位氧气分析器/变送器的示意图。
图2是本发明的实施例特别适用的燃烧氧气变送器的示意性透视图。
图3是图示跨越烟道管道的氧气分层的示意图。
图4是示出在烟道内被使用探头以提供跨越烟道的宽度的平均氧气测量结果的多个单点氧气探头/分析器的示意性正视图。
图5是根据本发明的实施例的原位平均氧气感测探头/分析器的示意图。
图6是根据本发明的另一实施例的平均氧气感测探头/分析器的示意图。
图7A和图7B是用于根据本发明的实施例的原位氧气探头/分析器的平均导管的示意性透视图。
图8A到图8D示出了平均导管的多种实施例，其中各个平均导管的入口孔的直径是变化的。
图9是根据本发明的实施例的原位氧气探头/分析器的示意图。
图10是根据本发明的实施例的、使用单个氧气探头/分析器提供分层废气的平均氧气浓度的方法的流程图。
具体实施方式
图1是本发明的实施例特别适用的原位氧气分析器/变送器的示意图。变送器10可以是例如罗斯蒙特公司(Rosemount Inc.)(艾默生自动化解决方案公司(EmersonAutomation Solutions Company))的6888型氧气变送器。变送器10包括基本上设置在燃烧过程的烟囱或烟道14内的探头组件12。变送器10被配置成测量由在燃烧器16处发生的燃烧所产生的废气内的氧气浓度。燃烧器16可以可操作地联接到空气源或其它氧气源18以及燃烧燃料源20。燃烧控制器22可操作地联接到氧气阀24和燃料阀20。基于来自燃烧控制器22的信号，阀18和/或20控制被供应给在燃烧器16处发生的燃烧过程的空气和/或燃料。燃烧控制器22从变送器10接收废气中氧气的指示，并且使用该指示来提供对燃烧过程的有效并且环境友好的控制。由于变送器10被配置成暴露于燃烧区域，因此其可以被构造为承受高温。
图2是本发明的实施例特别适用的燃烧氧气变送器的示意性透视图。变送器100包括壳体102、探头104和电子器件106。通常使用凸缘120将变送器100安装到烟囱或烟道。
探头104包括远端部108，在远端部108中安装了扩散器或过滤器110。扩散器110是被配置成允许至少一些气体扩散穿过该扩散器但是保护探头104内的部件的物理装置。具体地，扩散器110保护基于氧化锆的氧气测量元件或传感器112。当氧化锆的氧气测量元件112在其热操作范围内操作时，基于氧化锆的氧气测量元件112利用已知的技术和设计来提供废气中的氧气的电位测定指示或电流测定指示。电子器件106通常被配置成使用电加热器和温度传感器(未示出)向探头104提供热控制。另外，电子器件106被配置成获得元件112的电流测定响应或电位测定响应并且计算氧气输出。在一个示例中，电子器件106采用已知的能斯特(Nernst)方程进行这样的计算。
图3是图示烟道14内的氧气分层的示意图。图3是出于图示目的基本上示出了分层的横截面的俯视图。如可以看出，氧气浓度从区域200中的0.0％O2变化到区域202中的4.0％O2。另外，在附图标记204处提供具有0.3％O2的氧气百分比的相对低浓度的氧气岛。因此，设置在烟道内的单个探头通常将测量探头的远端部处的位置处的氧气浓度。如可以了解的那样，对于这样的单点测量，当发生分层时，这可能不提供关于烟道中的氧气浓度的整体图像。
图4是示出在烟道14内使用的多个单点氧气探头/分析器以便提供跨越烟道14的宽度的平均氧气测量结果的示意性正视图。如图所示，废气206向上流动穿过烟道14，并且分层将导致针对不同氧气探头分析器208、210和212的不同测量结果。这是因为各个氧气探头/分析器的感测区域设置在距烟道壁214的不同距离处。举例来说，氧气探头/分析器208的传感器216被设置成相对靠近于壁214。另一方面，探头/分析器212的传感器218设置成几乎一直跨越烟道14，并且实际上邻近相反的壁。此外，氧气探头/分析器210的传感器220定位在烟道14的中心附近。因此，如果发生废气分层，不同的传感器216、218和220将基于它们在分层内的离散位置而读取略微不同的氧气百分比读数。然后，由探头/分析器208、210、212提供的各个氧百分比值可以被平均或以其它方式组合，以便提供比在单个探头情况下将可能实现的指示更准确的废气中氧气百分比的指示。
然而，如上文所述，利用多个探头/分析器来处理废气分层引入了相当大的复杂性和费用。
图5是根据本发明的实施例的原位平均氧气感测探头/分析器的示意图。在许多清洁的天然气、轻油或甚至中度含尘油/煤燃烧应用中，平均导管300可以在内部安装有单个探头302。平均导管300可以安装至氧气变送器的凸缘或安装至探头302。在一个实施例中，氧气变送器303包括单个探头302，并且可以是传统的或已知的氧气变送器。使用具有探头302和平均导管300的单个氧气变送器303提供了非常具有成本效蔬的平均氧气测量。
导管300具有多个上游开口304，所述多个上游开口304准许进行跨越管道或烟道14的废气取样。与利用多个探头(图4)或基于可调谐二极管激光器的解决方案相比较，本文中提供的实施例可以提供可靠并且具有成本效益的平均选项。来自跨越管道或烟道14的不同位置的废气流动穿过导管300的入口304，并且被输送到探头302的远端部306处的基于氧化锆的氧气元件感测元件112。
在一个示例中，穿过导管300的流动是通过下游出口308产生的抽吸(类似于喷射器)实现的，该流动具有通过管道开口尺寸和文丘里(Venturi)效应被管理或控制的低速度和高速度。在图5中所示的实施例中，当废气穿过烟囱或烟道14上升时，上游孔304面向下地定位。然而，可以实践管道或烟道不垂直的实施例。如图所示，出口孔308通常定位在输送管300的下游侧，并且轴向地(即，沿着导管300的长度)定位在距烟道壁14的距离与传感器306距烟道壁14的距离相同或者比传感器306更靠近烟道壁14的位置处。在所示出的示例中，出口孔308实际上定位成比探头302的传感器306更靠近于壁14。这确保了废气被抽吸经过元件感测元件112，以便提供平均操作。
图6是根据本发明的另一实施例的平均氧气感测探头/分析器的示意图。平均导管400类似于导管300(在图5中示出)，并且相似的部件被类似地编号。平均导管400设置有定位在导管400的远端部处的端部勺402。端部勺402被配置成捕获沿着由箭头404指示的方向行进的废气的一部分，并且将该废气在输送管400内朝向远端部306轴向地引导。以这种方式，通过由端部勺402产生的额外流动促进了从各个入口孔或喷嘴304到远端部306的流动。
图7A和图7B是用于根据本发明的实施例的原位氧气探头/分析器的平均导管的示意性透视图。如图7A中所示，导管500包括从探头接纳部502延伸到远端部504的均匀间隔开的多个入口喷嘴或孔304。另外，与上文描述的先前实施例不同，平均导管500包括多个出口孔或喷嘴506、508。如可以看出，孔506、508比探头接纳部502的端部512更靠近于导管500的近端部510。因此，探头接纳部502内的探头的传感器或感测区域将定位成比出口孔506、508更远离近端部510。另外，如图7A中可以看出，孔506、508没有设置在导管500的最终下游表面上，而是设置成与入口孔成或相距大约90°另外，出口孔506、508定位成彼此径向相反。因此，出口孔的定位和数量可以根据本发明的实施例而变化。另外，入口孔304的尺寸可以根据需而要变化。
图7B示出了平均导管520的透视图，平均导管520类似于平均导管500，但是采用了均匀间隔开的多个较大的入口喷嘴522。另外，虽然图7A和图7B示出了入口喷嘴或孔之间的均匀间隔，但是还明确地预期，这种间隔可以以任何合适的方式交错或以其它方式变为不均匀的。
图8A到图8D示出了多种实施例。其中各个平均导管的入口孔的直径是变化的。举例来说，图8A示出了平均导管554上的8个这样的入口孔或喷嘴550、552。另外，图8A示出了平均导管554，平均导管554具有被设置成与入口孔成大或相距约90°并且彼此径向相反的多个出口孔556。如图8A中可以看出，更靠近于远端部558的入口孔或喷嘴550具有比入口孔552大的直径，入口孔552更靠近于导管554的近端部560。当然，如果需要，情况可以颠倒，例如图8B中所示。此外，如图8C和图8D中所示，可以使用三个或更多个不同直径的入口孔。
图9是根据本发明的实施例的原位氧气探头/分析器的示意图。系统600与关于图5描述的系统具有一些类似性，并且相似的部件被类似地编号。然而，系统600包括主动抽吸装置，所述主动抽吸装置安装在凸缘602上或以其它方式联接到凸缘602，以便主动地将废气从入口304抽吸经过远端部306。在所图示的实施例中，主动抽吸装置是具有入口606和输出部608的喷射器604。抽吸端口610流体地联接到导管300的内部612，使得当喷射器604操作时，在导管300的近端部处产生吸力以将废气朝向远端部306抽吸。喷射器604的输出然后可以返回到管道。喷射器604仅仅是在平均导管内产生流动的主动装置的一个示例。
图10是根据本发明的实施例的使用单个氧气探头/分析器提供分层废气的平均氧气浓度的方法的流程图。方法700在框702处开始，其中，产生从多个输入或输入部朝向单个氧气传感器(例如，传感器112)的流，所述多个输入或输入部接收来自烟道内的至少两个不同的位置的废气。所述流可以是被动的，如框704处所指示，或者是主动的，如框706处所指示。主动流的示例包括利用喷射器，如参考图9所描述。
接下来，在框708处，系统使用单个基于氧化锆的传感器(例如，元件112(图2中所示))来测量氧气浓度。该传感器的响应指示接触传感器元件的氧气浓度。由于废气流来自多个输入，因此传感器响应是两个输入的物理组合，并且可以粗略地被认为是该输入的平均数。因此，在框710处，变送器的控制器或电子器件将所测量的氧气浓度参数(其作为废气的平均氧气浓度)提供为输出。该输出可以被提供作为本地显示的输出，和/或可以在过程通信网络(例如FOUNDATIONTM现场总线或WirelessHART(IEC 62591))上被传送。在任何情况下，单个过程侵入(通过烟道/管道壁安装探头)可以为整个烟道产生可靠并且有效的平均氧气浓度值。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出改变。

Claims (22)

1.一种原位平均燃烧分析器，包括：
壳体；
探头，所述探头在近端部处联接到所述壳体并且具有被配置成延伸到烟道中的远端部，所述探头含有邻近所述远端部的氧气感测元件；
电子器件，所述电子器件设置在所述壳体中并且联接到基于氧化锆的氧气感测元件，所述电子器件被配置成测量所述氧气感测元件的电特性并且计算氧气浓度值；
平均导管，所述平均导管设置在所述探头周围，所述平均导管具有与所述探头的所述远端部以不同距离间隔开的多个入口，所述平均导管具有定位在所述探头的所述远端部和所述近端部之间的至少一个出口；并且
其中，所述电子器件被配置成基于所计算的氧气浓度值提供平均氧气浓度输出。
2.根据权利要求1所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述氧气感测元件是基于氧化锆的氧气感测元件。
3.根据权利要求2所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述多个入口设置在所述平均导管的下游侧。
4.根据权利要求2所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述多个入口具有不同的直径。
5.根据权利要求2所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述多个入口包括具有第一直径的多个第一入口和具有小于所述第一直径的第二直径的多个第二入口。
6.根据权利要求5所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述多个第一入口被设置成比所述多个第二入口更靠近所述探头的近端部。
7.根据权利要求5所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述多个第二入口被设置成比所述多个第一入口更靠近所述探头的所述近端部。
8.根据权利要求2所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述多个入口包括沿着所述平均导管间隔开的至少三个入口。
9.根据权利要求8所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述至少三个入口沿着所述平均导管均匀地间隔开。
10.根据权利要求2所述的原位平均燃烧分析器，其中，至少一个出口被设置成邻近所述平均导管的下游侧。
11.根据权利要求2所述的原位平均燃烧分析器，其中，至少一个出口包括多个出口。
12.根据权利要求11所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述多个出口彼此径向相反地设置。
13.根据权利要求11所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述多个出口被设置成与至少两个入口相距大约90度。
14.根据权利要求2所述的原位平均燃烧分析器，进一步包括：流动辅助装置，所述流动辅助装置被配置成增加从至少两个入口到基于氧化锆的氧气感测元件的废气流。
15.根据权利要求14所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述流动辅助装置是安装到所述平均导管的远端部的端部勺。
16.根据权利要求14所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述流动辅助装置是邻近所述壳体被安装的喷射器。
17.根据权利要求2所述的原位平均燃烧分析器，其中，所述平均导管是输送管。
18.一种平均导管，该平均导管用于基于氧化锆的燃烧分析器，所述平均导管包括：
安装部，所述安装部被配置成相对于燃烧探头被安装，所述安装部包括近端部；
侧壁，所述侧壁从所述安装部延伸到远端部，所述侧壁具有下游表面和上游表面，所述侧壁被配置成接纳燃烧分析器的探头；
多个入口孔，所述多个入口孔定位成邻近所述上游表面；和
至少一个出口孔，所述至少一个出口孔定位成邻近所述下游表面，所述至少一个出口孔被设置成比所述多个入口孔更靠近于所述近端部。
19.根据权利要求18所述的平均导管，其中，所述安装部被配置成安装到所述燃烧探头。
20.根据权利要求18所述的平均导管，其中，所述安装部被配置成安装到所述燃烧分析器的凸缘。
21.根据权利要求18所述的平均导管，其中，所述平均导管是输送管。
22.一种提供与在管道中的分层废气相关的平均氧气值的方法，所述方法包括：
产生从多个输入到单个基于氧化锆的氧气传感器的流；
测量所述单个基于氧化锆的氧气传感器的响应；和
基于所述单个基于氧化锆的氧气传感器的被测量到的响应提供平均氧气浓度值输出。
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