CN115997096A - 用于监测和控制炉的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种炉监测和/或控制系统。该系统包括：热成像设备，该热成像设备设置在距该炉外部一定距离处，用于生成该炉的场信号；信号处理单元，该信号处理单元被配置和编程用于接收所述场信号并生成该炉外部的温度图；以及用于显示该炉外部的温度图的装置。该系统可以进一步包括：分析单元，该分析单元被配置和编程用于基于所接收的场信号或温度图产生控制信号；以及炉控制器，该炉控制器被配置用于接收所述控制信号并应用它们以控制该炉。本发明还描述了一种用上述系统控制该炉操作的方法。

Description

用于监测和控制炉的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种监测或控制炉操作的方法和系统。更具体地，本发明涉及用热成像技术监测或控制炉操作。

背景技术

比如钢铁、铝和玻璃等各种各样的工业都依赖炉进行工艺制造。

本领域中已知需要监测炉的物理完整性，特别是炉结构的耐火材料的物理完整性。

US-A-2013/120738涉及衬有耐火材料并且被设计为在升高的温度下保持材料的金属器皿或容器，如在工业应用中所使用的，比如化学和电力生产中的气化工艺、钢铁制造中的电弧炉(EAF)、碱性氧气转炉(BOF)、钢包、高炉、脱气机和氩氧脱碳(AOD)炉。从US-A-2013/120738可知，通过以下方式来监测由耐火材料保护的这种容器的完整性：第一辐射检测器被配置为测量容器外表面温度，并且第一辐射源被配置为测量耐火材料厚度，由此中央控制器向用户显示容器外表面温度的测量值和耐火材料厚度的测量值。

US-A-2017/131033披露了一种系统，该系统用于评估和监测形成资产(比如，耐火炉)的一部分的材料的状态。该系统使用射频信号确定缺陷并测量不同材料(包括工业炉的耐火材料)的侵蚀轮廓和厚度。该系统包括软件管理子系统，该软件管理子系统被配置为实施信号处理技术以处理所收集的数据并生成报告以使状态可视化、估计剩余工作寿命、以及确定熔融材料渗透到炉周围层中的程度，并使用户能够本地和远程监测炉的状态。

US-A-2014/123758披露了一种用于声学监测冶金炉的结构完整性和物理变形的系统和方法，包括在炉操作期间。声学传感器(以及可选的其他传感器)安装在炉上。对炉中生成的声发射事件进行分析，以确定超过一个或多个阈值的条件。可以确定并报告声发射的位置。可以响应于声发射来生成输出信号。声发射的位置可以用于确定炉中潜在故障的位置。

因此，上述方法和系统的目的是监测炉的结构完整性。

由于多种原因，炉很容易出现效率低下或发生故障。示例包括覆盖炉内部的焦化、加热不足和过度加热、燃烧器未对准和产品泄漏。工艺条件也会显著影响炉的性能。如果这些故障或次佳条件未得到纠正，则将会导致质量问题、能源浪费，甚至整条工艺生产线停产。

为此，还已知需要监测炉的操作。

在US-A-2017/261264中，披露了一种用于电熔镁炉的故障诊断方法，该方法包括以下步骤：1)布置六个相机；2)通过这六个相机获得炉操作期间的视频信息，并将该视频信息发送到控制中心；然后由控制中心的芯片对该视频信息进行分析。该芯片使用基于多视角的故障诊断方法。所述方法包括以下步骤：2-1)将两个连续帧直方图之间的差异进行比较以用于镜头分割；2-2)计算由步骤2-1)获得的每个镜头的一组特征值，然后计算颜色、纹理和运动向量信息。经由熵来评估镜头重要性。2-3)通过计算相似性将镜头聚类在一起。2-4)生成多视角视频概括并用多目标优化模型进行优化，以及2-5)提供故障检测和诊断。3)将故障检测和诊断的结果显示在控制中心的主机计算机界面上。

用于监测炉操作的其他方法包括温度感测和红外成像。传感器或IR相机放置在炉内或靠近查看口放置，它们测量炉内的单点或非常有限的区域。因此，操作员无法获得总体情况，也无法在工艺步骤与炉性能之间形成直接关联。US-A-2017/261262披露了一种基于EFMF(电熔镁炉)的运行视频信息的公共信息和特殊信息的故障诊断设备，其使用六个相机。在EFMF表面层上方三个电极的相对位置布置三个相机，并对准EFMF的电极，以便监测炉喷发故障。其他相机围绕炉体呈120度角对称布置，并对准炉主体，以便监测炉泄漏故障的发生。在连接到六个相机的控制中心中，收集并分析由这六个相机获得的视频信息。将分析后的数据显示在控制中心的主机计算机界面上。因此，这六个相机根据多视角的理念用于监测炉表面和炉主体，以便通过所提取的公共信息和特殊信息，很好地检测、诊断和确定炉喷发故障和炉泄漏故障。没有提及温度检测和热成像。发明内容

本发明旨在提供一种系统和方法，该系统和方法基于热成像技术(尤其是红外(IR)相机)，在一段时间内对整个炉进行整体数据收集和监测。可以应用合适的控制算法来处理所收集的数据以产生控制信号，然后将这些控制信号馈送到炉控制器以优化炉的性能。改进的炉控制提供了显著节能和减排(尤其是NO_x)的潜力。整个系统被设计为坚固的、易于安装的，并且对炉操作员来说相对透明的。

在一个方面，本发明披露了一种包括热成像设备的炉监测系统，所述设备设置在距炉外部一定距离处，用于生成炉的场信号。监测系统还包括：信号处理单元，该信号处理单元被配置和编程用于接收所述场信号并用于生成炉外部的温度图；以及人机界面(HMI)，该人机界面用于本地或远程显示温度图。

在另一方面，热成像设备包括CCD(电荷耦合器件)相机。

根据本发明，温度图被分成几个区，这几个区对应于炉的不同部件。这些不同的部件是从包括一个或多个燃烧器、进料口、出料口、烟气通道或至少两个所述部件的组合的组中选择的。

在另一方面，本发明披露了一种包括热成像设备的炉控制系统，所述热成像设备设置在距炉外部一定距离处，用于生成炉的场信号。炉控制系统还包括：信号处理单元，该信号处理单元被配置和编程用于接收所述场信号并生成炉外部的温度图；HMI，该HMI用于本地或远程显示温度图；分析单元，该分析单元被配置和编程用于基于所接收的场信号或所生成的温度图产生控制信号；以及炉控制器，该炉控制器被配置用于接收所述控制信号并应用它们以控制炉。

在另一方面，本发明披露了一种用于使用上述炉控制系统控制炉操作的方法。该方法包括以下步骤：

·用热成像设备在一定时间跨度内产生炉外部的场信号；

·将场信号传输到信号处理单元，并用该信号处理单元生成炉外部在该时间跨度内的温度图；

·通过HMI本地或远程显示所述温度图；

·将控制算法应用于所接收的场信号或所生成的温度图，并通过分析单元产生控制信号；以及

·由炉控制器使用所产生的控制信号来控制炉的操作。

对于上述方法，该时间跨度覆盖了被监测的炉的多个操作步骤。这种可能的操作步骤的示例包括：经由进料口向炉中进料，经由出料口从炉中排出，加热进料而不使该进料发生相变，通过向其供应热量使固体进料熔融，在炉中精炼熔融物，等等。

在本发明中，热成像设备(特别是IR相机)放置在炉外并且距炉一定距离处。因此，本发明不需要用于成像设备的昂贵的耐热材料或冷却附件。布置在适当位置的热成像设备和对应的信号处理单元在一段时间内产生炉的热分布图或温度图。热分布图或温度图被分成不同的区，集中在炉的所选部件上。这提高了成像灵敏度。

由于场信号和温度图是在炉连续操作期间的一定时间跨度内生成的，所以对于操作员来说，与特定零件或操作步骤相关联的热泄漏、过热点或其他异常都很容易在本地或远程看到。例如，分别对应于装料或进料口和出料点的场信号和温度图区揭示了装料和出料的顺序和频率，以及每个所述工艺步骤的持续时间。这种信息不仅可以帮助操作员监测炉及其部件的物理状况以防止灾难性故障，而且可以进一步帮助操作员优化炉操作，从而优化炉中发生的(多个)工艺。

另外，从场信号和/或温度图得出的信息可以输入到分析单元中以生成控制信号，这些控制信号被馈送到炉控制器以用于控制炉。

由分析单元应用的控制算法可以是或可能已经通过历史(即，先前收集的)操作数据的数学计算或模拟而开发出来。

总之，本发明提供了一种用于监测、优化和控制炉操作的经济且接近实时的方法。因此，也可以在需要时进行预防性维护，并且可以避免代价高昂的意外故障或停机。

附图说明

附图应被理解为本发明的示例，而绝不以任何方式限制本发明的范围。

图1是示出了炉监测和控制系统的部件的示意性表示。

图2指示本发明的步骤的流程图。

在图1中，附图标记指示以下特征：1-炉，2-CCD相机，3-信号处理单元，4-分析单元，5-炉控制器，6-燃烧器，7-装料口，8-出料口，9-烟气通道。

具体实施方式

在所展示的实施例中，使用多个红外波长的热成像设备被用于在炉操作期间获得炉的完整场的快速且准确的温度图。例如，热成像设备包括CCD相机，该相机向分束器发送场信号。一束光用于光学聚焦相机；另一束光将被发送到信号处理单元，比如包含数据处理软件的计算机。

在本上下文中，与仅在单个点测量参数的点状或“斑点”信号相比，“场信号”指的是在关注的2D或3D区域或区上的参数图。

CCD相机设置在能够捕获来自所有关注区域(包括燃烧器、所有查看口、装料口和出料口以及烟气通道)的信号的位置。收集到的IR场信号被数字化处理成人工色温图(不同的颜色指示不同的温度)，这些图可以存储或显示在监视器上。监视器或其他显示装置可以位于炉附近或远离炉的遥远区域。

CCD相机的测量场被分成对应于炉的所选部件的不同区，比如，装料口、出料口、燃烧器、用于观察燃烧器的查看口和烟气通道。根据本发明的实施例，信号处理单元仅收集和处理来自与这种所选部件相对应的区的场信号。以这种方式，可以提高数据灵敏度和数据处理速度，并且产生的温度图对操作员来说更加清晰。

在本地或远程查看炉温度图的操作员可以将所测量的(多个)温度与对应于标准或期望炉操作的炉的(多个)设定温度进行比较，并根据他/她的经验或设定的协议调整操作参数。例如，通过比较两个不同IR波长的像素强度，可以获得准确的温度测量值。可以使用700至800nm的近IR波长。

除了或代替(多个)操作员的手动控制，经数字处理的场信号或温度图被发送到分析单元。在分析单元中，基于并入的控制算法的软件可以本地或远程运行，例如在基于云的服务器上运行，以产生能够执行各种功能的控制信号。特别地，控制算法可以产生控制信号，以便最小化现场温度设定点与所测量的现场温度之间的差异。该软件允许存储数据和查看历史信息。控制信号被传输到炉控制器，用于以闭环或开环方式控制炉，以将操作参数保持在安全或控制范围内，并自动将这些操作参数调整到预设值或对警告信号作出快速响应。为此，分析单元可以将实际数据值与警报或警告阈值进行比较，以确定是否期望或需要发出警告，并且还可以对照理论和/或实验数据库分析传感器数据的组合，以确定是否需要维护干预或需要注意的其他条件。这种分析和警报确定可以由云计算系统来执行。可以经由任何标准方法进行警告，包括在控制室、燃烧器、流量控制台架(skid)或任何其他方便的位置使用灯或声音警报。炉控制器可以是主控制器或辅助控制器，其被配置为接收控制信号以辅助炉控制。

利用上述炉监测和控制系统，基本上实时生成炉外部和负载的现场温度数据，并且可以在覆盖各种工艺步骤的一段时间内获得或存储该现场温度数据。基于历史数据构建数学模型或模拟，以获得更佳的操作条件。通过与经优化的数据库进行比较来执行现场控制。现场控制与传统控制器协同工作，以提供用于减轻热点和不稳定性的调节，并优化燃烧性能。现场控制不包括匹配有限数量的测量设定点，而是最小化一组现场设定点与实际现场测量值之间的差异。

场信号和所生成的温度图不仅可以监测炉的安全操作，还可以确定是否需要维护干预。场信号和/或所生成的温度图也可以用于优化炉操作。

例如，控制算法可以确定对空气/燃料比、对所有或一些燃烧器的燃烧速率、对装料和出料的顺序和频率以及对每个工艺步骤的时间间隔的所需调整。

例如，与燃烧器或燃烧器查看口相对应的场信号可以基于与燃烧器或查看口或所生成的温度图中的对应区相对应的场信号，接近实时地验证相关燃烧器的正确操作，并确定任何故障(比如，火焰熄灭或火焰偏离)或优化范围(比如，增加或降低燃烧速率，以便在炉中获得期望的温度分布)。

与进料口相对应的场信号可以基于与进料口或所生成的温度图中的对应区相对应的场信号，接近实时地观察进料口是打开还是关闭、打开的口是否完全打开、或关闭的口是否完全关闭、以及进料口打开的时间。由于对炉的热图像的影响，甚至可以经由所述场信号或所生成的温度图来观察材料(进料)是否正经由进料口馈送到炉，以及进料口保持打开的时间是否明显长于馈送进料所需的时间。

类似地，与出料口相对应的场信号可以接近实时地观察出料口是打开还是关闭、关闭是否完成以及出料口保持打开的时长。甚至可以观察材料是否有效地经由出料口排出，包括在出料口打开与开始排出材料之间是否存在时间间隔，和/或在出料终止与出料口关闭之间是否存在时间间隔。

炉口，特别是进料口或出料口，在生产周期期间保持打开的时间是影响炉性能的重要因素。实际上，打开口可能导致显著的热损失和大量未加热的含氮环境空气的进入。因此，将口打开的持续时间保持在最小可以显著提高炉效率。

与烟气通道和所生成的温度图中的对应区相对应的场信号接近实时地指示经由烟气通道的热损失水平。另外，当烟气通道包括后燃烧区时，其中烟气中存在的可燃物质与氧化剂一起燃烧，与烟气通道中的后燃烧区和温度图中的对应区相对应的场信号可以接近实时地指示从炉排空的烟气中可燃物质水平(的变化)。

因此，由热成像设备生成的场信号和由信号处理单元生成的温度图接近实时地提供了关于炉操作、任何异常和用于提高炉操作效率的机会的重要信息。

因此，比如提高热效率、降低NOx排放、消除热点和防止停机等目标得以实现。在所有实施例中，信号通过有线和/或无线通信经由电线或网络传输，比如互联网、内联网、局域网(LAN)和广域网(WAN)。数据处理单元可以包括本地或基于云的服务器，数据可以在其中存档，并且可以从其中检索数据。图1展示了本发明的炉监测和控制系统。示例性炉1包括炉主体、燃烧器6、装料或进料口7、出料口8和烟气通道9。尽管图中仅示出了一个燃烧器，但是炉可以包括多个燃烧器，并且可以使用本发明的炉监测或控制系统来监测所述燃烧器中的全部或一些(优选地全部)。装料口7打开，用于将原材料馈送到炉中，并在馈送完成后关闭。同样，出料口8打开和关闭，以用于从炉中卸载产品。它们的打开持续时间、相对顺序和步骤之间的时间间隔对炉性能的能量效率有影响。至少一个热成像设备，在这种情况下是CCD相机2，被放置在炉外的预定位置，这使得它能够对炉的所选部件进行测量。由于信号是在整个场上收集的，而不是集中在几个不同的点上，所以这些信号被称为场信号。这种场信号通过硬连线或无线网络传输到信号处理单元3。信号处理单元3将场信号转换成温度图，并且该图通过集成显示设备显示或者发送到远程显示设备(HMI)，比如蜂窝电话，以供操作员查看。当需要更多的控制功能时，温度图或原始场信号被馈送到分析单元4，该分析单元利用控制算法基于与理想操作条件的数据进行比较来产生控制信号。分析单元4可以是独立的计算机，或者与信号处理单元3组合成一件装备。控制信号然后被传输到炉控制器5，这有助于控制器对炉操作进行控制。通常，炉控制器5依靠来自其他传感器的信号来实施主要控制，而最初由热成像设备捕获的信号用作辅助控制的源。

在图2的流程图中总结了用于监测和控制炉的步骤。

尽管已经参考某些实施例详细描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到可以使用所描述的实施例的变化和修改。因此，这些变化和修改也在由所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围内。

Claims (9)

1.一种用于在炉操作期间在一定时间跨度内监测炉(1)的炉监测系统，该监测系统包括：

a)热成像设备(2)，所述设备(2)设置在该炉(1)外并且距该炉(1)外部一定距离处，以生成该炉(1)的场信号；

b)信号处理单元(3)，该信号处理单元被配置和编程用于接收所述场信号并生成该炉(1)外部的温度图；以及

c)用于本地或远程显示该温度图的装置(4)，

其特征在于，

-该炉监测系统是用于在炉操作期间在一定时间跨度内监测该炉(1)的系统，并且

-所生成的温度图被分成几个区，这几个区对应于该炉的从燃烧器(6)、用于观察燃烧器的查看口、进料口(7)、出料口(8)和烟气通道(9)中选择的不同部件。

2.根据权利要求1所述的炉监测系统，包括红外CCD相机(2)，该相机设置在距该炉(1)外部一定距离处，以生成该炉(1)外部的温度图，其中，可以本地或远程查看该温度图。

3.一种用于在一定时间跨度内控制炉的操作的炉控制系统，该控制系统包括根据权利要求1所述的炉监测系统，该炉控制系统进一步包括：

d)分析单元(4)，该分析单元被配置和编程用于基于所接收的场信号或所生成的温度图产生控制信号；以及

e)炉控制器(5)，该炉控制器被配置用于接收所述控制信号并应用它们以控制该炉(1)。

4.一种用于使用根据权利要求3所述的炉控制系统在一定时间跨度内控制炉(1)的操作的方法，该方法包括：

a)用该热成像设备(2)在炉操作期间在该时间跨度内产生该炉(1)外部的场信号；

b)将这些场信号传输到该信号处理单元(3)并生成该炉(1)外部在该时间跨度内的温度图，该温度图被分成几个区，这几个区对应于该炉(1)的从燃烧器(6)、进料口(7)、出料口(8)和烟气通道(9)中选择的不同部件，并且本地或远程显示所显示的温度图；

c)用该分析单元(4)将控制算法应用于所接收的场信号或所生成的温度图，以产生控制信号；

d)用该炉控制器(5)使用所产生的控制信号来控制该炉(1)的操作。

5.如权利要求4所述的方法，其中，步骤a)和步骤b)由CCD相机(2)执行。

6.如权利要求4所述的方法，其中，该信号处理单元(3)仅处理来自与该炉(1)的所选部件相对应的区的场信号。

7.如权利要求4所述的方法，其中，该算法在基于云的服务器上运行。

8.如权利要求4所述的方法，其中，该时间跨度覆盖该炉(1)的多个操作步骤。

9.如权利要求8所述的方法，其中，该多个操作步骤包括通过该进料口(7)将原材料馈送到该炉(1)中，以及从该出料口(8)排出残余物。

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