CN117739362A - 一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统及控制方法，该控制系统包括炉膛，与该炉膛相连通的燃烧器，与该燃烧器相连通的燃气流量控制器和鼓风机，该燃气流量控制器与外部掺氢天然气配送管道相连通；该炉膛侧面开设有透镜组件，该透镜组件通过光纤与至少一个光传感器连接；以及具有一控制单元，该光传感器与控制单元之间信号连接，该控制单元与燃气流量控制器和鼓风机之间控制连接。通过火焰光谱在某几个波长的化学发光强度，利用其与火焰当量比的对应关系，对火焰当前的实际当量比进行实时的监测，从而使火焰当量比保持在最佳工作点，获得较优的燃烧品质。
Description
技术领域
本发明专利属于天然气掺氢燃烧设备领域，尤其涉及一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统及控制方法。
背景技术
天然气掺混氢气送入锅炉等设备燃烧，用于热能或电能的生产，是现阶段一种经济可行的氢能利用路线。设备在经过少量改造之后，就可以适应掺氢天然气燃烧。
在掺氢天然气燃烧设备应用中的难点之一是对波动氢气含量的适应性。实际运行过程中，氢气供应量的稳定性常常难以保证。绿色低碳氢通常来源于风电或光伏等波动性电源，并且制氢系统本身通常被用来消纳风电或光伏的富余电力，因此氢气产量同时受到风能或太阳能资源及下游其他用电、用氢负荷的影响，具有较大的随机性和不稳定性。对于下游燃烧设备来说，燃气的总流量是确定的，但由于上游氢气产量的波动，燃气中氢气的比例也是波动的。为应对这种不稳定性，燃烧设备应当具备在波动氢气含量条件下灵活运行的能力。
在天然气中掺入不超过30％的氢气时，锅炉的燃烧组织本身具备技术上的可行性。但是，当氢气的含量波动时，会使火焰空燃比偏移最佳工作点，如果不加控制，将进而导致燃烧品质恶化，具体表现为锅炉的氮氧化物浓度上升、热效率下降、不稳定性增加。为保证燃烧质量，必须跟随氢气含量的变化实时调整燃气流量，以维持空燃比保持相对稳定。
控制火焰当量比的前提是实现对其的准确测量。一种方法是分别测量空气、天然气、氢气的流量并计算得到火焰当量比的数值，但这种方式一方面增加了设备成本，另一方面氢气的特性造成其流量准确计量的困难。
发明内容
本专利提出一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统及控制方法，不同于背景技术，测量火焰当量比的另一种方式是依靠火焰的自发光谱，火焰的自发光源于燃烧过程中几种基团的跃迁，包括308nm附近的OH*发光、430nm附近的CH*发光、300-600nm的CO2*发光等，这些发射峰的光强度与火焰当量比存在对应关系，因此可以通过对其光强度的测量来反推火焰当量比，从而实现后续对其的控制。
本发明所采用的技术手段如下所述：
一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统，包括：
炉膛；
与该炉膛相连通的燃烧器；
与该燃烧器相连通的燃气流量控制器和鼓风机，该燃气流量控制器与外部掺氢天然气配送管道相连通；
该炉膛侧面开设有透镜组件，该透镜组件通过光纤与至少一个光传感器连接；
以及具有一控制单元，该光传感器与控制单元之间信号连接，该控制单元与燃气流量控制器和鼓风机之间控制连接。
作为优选，在光传感器的靠近透镜组件的一侧设置带通滤光片。
作为优选，设置三组光传感器和带通滤光片的组合，其三个带通滤光片的可通过波长分别为：300nm-320nm、425nm-435nm、435-440nm。
作为优选，在透镜组件和光纤连接处的外围还设置有隔热罩。
一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统的控制方法：
S1：绘制参考光强度值Iref与火焰当量比φ之间的标定曲线；
S2：确定燃烧设备的火焰最佳当量比φset，并依据测量计算得到的参考光强度值Iref和步骤S1中得到的标定曲线，反推计算得到火焰当量比φ的数值；
S3：对步骤S2中得到的φ与φset进行比较，若二者的比值与1的差值绝对值大于一预设容忍值∈，则对燃气流量进行调节，使当量比φ维持在火焰最佳当量比φset附近。
作为优选，步骤S1具体包括：
S1.1：选择用于绘制标定曲线的已知组分的燃气；
S1.2：选择用于绘制标定曲线的鼓风量数值；
S1.3：选择用于绘制标定曲线的燃气流量区间；
S1.4：在步骤S1.3中的燃气流量区间内选择若干数值点；
S1.5：启动锅炉，使鼓风量保持在步骤S1.2所选的数值，使燃气流量保持在S1.4所选择的一个数值点；
S1.6：待火焰稳定后，测量并记录该标定策略下的光强度值，并计算该标定策略下的参考光强度值Iref；
S1.7：根据步骤S1.5中使用的鼓风量和燃气流量，以及步骤S1.1确定的燃气组分，计算火焰的当量比φ，并结合步骤S1.6，得到一组(Iref，φ)值；
S1.8：根据选定的鼓风量值及步骤S1.4选定的各燃气流量值，重复步骤S1.6和步骤S1.7，得到若干组(Iref，φ)值，并绘制参考光强度值Iref与火焰当量比φ之间的曲线，即为标定曲线。
作为优选，步骤S1.6中的参考光强度值Iref通过以下方式计算得到：
将其三组光传感器测得的光强度为别记为Ia、Ib、Ic，光强度值Iref通过下式计算得到：
Iref＝(Ic-Ib)/Ia
以及步骤S1.7中的火焰的当量比φ通过下式计算得到：
作为优选，该火焰最佳当量比φset由燃烧设备类型、污染物排放情况、热效率进行确定。
作为优选，该预设容忍值∈由光强测量不确定性和当量比控制精度要求两因素共同确定，且该预设容忍值∈的下限不小于光强测量误差，上限确保燃烧不出现明显恶化并留有安全余量。
作为优选，当需要对燃气流量进行调节时，若φ>φset，则调节燃气流量控制器减小燃气的流量；若φ＜φset，则调节燃气流量控制器增大燃气的流量。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于，本系统通过火焰光谱在某几个波长的化学发光强度，利用其与火焰当量比的对应关系，对火焰当前的实际当量比进行实时的监测。在运行过程中，鼓风量由燃烧设备的需要的热功率决定，而燃气中氢气含量的波动则通过燃气的流量调节来进行补偿，从而使火焰当量比保持在最佳工作点，获得较优的燃烧品质。
附图说明
图1为本发明掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统的结构示意图。
图2为参考光强度值Iref与火焰当量比φ之间的标定曲线示意图。
图中：
1掺氢天然气配送管道；
2燃气流量控制器；
3鼓风机；
4燃烧器；
5炉膛；
6透镜组件；
7隔热罩；
8光纤；
9第一带通滤光片；
10第一光传感器；
11第二带通滤光片；
12第二光传感器；
13第三带通滤光片；
14第三光传感器；
15控制单元。
具体实施方式
如图1所示，提出一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统，包括：
炉膛5；
与该炉膛5相连通的燃烧器4；
与该燃烧器4相连通的燃气流量控制器2和鼓风机3，该燃气流量控制器2与外部掺氢天然气配送管道1相连通；掺氢天然气经过流量调节后，与从鼓风机3来的空气混合后从燃烧器4喷出并在炉膛5内燃烧；
该炉膛5侧面开设有开口，安装透镜组件6，用来收集火焰的光信号；以及，在透镜组件6和光纤8连接处的外围还设置有隔热罩7，用来保护光路组件。该透镜组件6通过光纤8与至少一个光传感器连接；
以及具有一控制单元15，该光传感器与控制单元15之间信号连接，该控制单元15与燃气流量控制器2和鼓风机3之间控制连接。
以及，在光传感器的靠近透镜组件6的一侧设置带通滤光片。从透镜获得的光信号通过光纤8传送给光传感器，每个光传感器前的带通滤光片筛选出特定波长的光信号，波长的选择由控制策略决定，光传感器测量相应波长光信号强度，并将信息传送给控制单元15。
优选的，如图1所示，设置三组光传感器和带通滤光片的组合，其三个带通滤光片即第一带通滤光片9、第二带通滤光片11、第三带通滤光片13；该三组光传感器即图1所示的第一光传感器10、第二光传感器12、第三光传感器14。其具体光传感器和带通滤光片的组数及带通滤光片波长选择由标定策略决定。
以下提供一张可选的标定策略，选用3组带通滤光片和光传感器的组合，3项光强数据相互结合，从而剔除光谱重叠、采光量等干扰因素的影响。
其第一带通滤光片9、第二带通滤光片11、第三带通滤光片13的可通过波长分别为：300nm-320nm、425nm-435nm、435-440nm；3个光传感器测得的光强度分别记为Ia，、Ib、Ic；通过从光传感器获得的光强度数据可以计算出Iref＝(Ic-Ib)/Ia；Iref与火焰的当量比φ存在一一对应的关系，可以用来标定后者。
根据该标定策略；提出以下基于上述掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统的控制方法或控制策略，步骤为：
S1：绘制参考光强度值Iref与火焰当量比φ之间的标定曲线；
S2：确定燃烧设备的火焰最佳当量比φset，并依据测量计算得到的参考光强度值Iref和步骤S1中得到的标定曲线，反推计算得到火焰当量比φ的数值；
S3：对步骤S2中得到的φ与φset进行比较，若二者的比值与1的差值绝对值大于一预设容忍值∈，则说明燃气中氢气的比例发生了较大变化并导致火焰的当量比漂移，则对燃气流量进行调节以平衡燃气组分变化的影响，使当量比φ维持在火焰最佳当量比φset附近。
其中，步骤S1具体包括：
S1.1：选择用于绘制标定曲线的已知组分的燃气；建议采用天然气和氢气混合气，氢气比例为实际运行中氢气比例最大值和最小值的平均数；
S1.2：选择用于绘制标定曲线的鼓风量数值；如果锅炉的负荷可调，建议选择负荷最大值和最小值的平均数所对应的鼓风量；
S1.3：选择用于绘制标定曲线的燃气流量区间；在保证锅炉火焰稳定的前提下，该区间应当涵盖一个尽量宽的燃气流量范围；
S1.4：在步骤S1.3中的燃气流量区间内选择若干数值点；这些数值点可以平均分布，也可以在关键区间加密分布；
S1.5：启动锅炉，使鼓风量保持在步骤S1.2所选的数值，使燃气流量保持在S1.4所选择的一个数值点；
S1.6：待火焰稳定后，测量并记录该标定策略下的光强度值，并计算该标定策略下的参考光强度值Iref；
S1.7：根据步骤S1.5中使用的鼓风量和燃气流量，以及步骤S1.1确定的燃气组分，计算火焰的当量比φ，并结合步骤S1.6，得到一组(Iref，φ)值；
S1.8：根据选定的鼓风量值及步骤S1.4选定的各燃气流量值，重复步骤S1.6和步骤S1.7，得到若干组(Iref，φ)值，并绘制参考光强度值Iref与火焰当量比φ之间的曲线，即为标定曲线。
其步骤S1.6中的参考光强度值Iref通过以下方式计算得到：
将其三组光传感器测得的光强度为别记为Ia、Ib、Ic，参考光强度值Iref通过下式计算得到：
Iref＝(Ic-Ib)/Ia
以及步骤S1.7中的火焰的当量比φ为鼓风量与燃气在化学计量点即恰好完全燃烧的鼓风量之比，其通过下式计算得到：
其次，为运行过程中的控制方法，燃烧设备运行过程中，掺氢天然气中的含氢量发生波动，导致φ发生偏移，燃烧品质恶化。而通过对光信号的实时测量，利用上述标定方法就可以及时感知到工作点的偏移，并作出相应的调整。
其中，在确定该火焰最佳当量比φset时，该火焰最佳当量比φset由燃烧设备类型、污染物排放情况、热效率进行确定；其具体数据可能因不同的设备而异，操作人员综合上述等因素后决定。
以及，上述该预设容忍值∈由光强测量不确定性和当量比控制精度要求两因素共同确定，且该预设容忍值∈的下限不小于光强测量误差，上限确保燃烧不出现明显恶化并留有安全余量。进一步，该预设容忍值∈可初步取0.01并根据实际情况调整。
以及上述步骤S3中，当需要对燃气流量进行调节时，若φ>φset，则调节燃气流量控制器2减小燃气的流量；若φ＜φset，则调节燃气流量控制器2增大燃气的流量；重复上述步骤，使当量比φ维持在火焰最佳当量比φset附近，获得较优的燃烧品质。
Claims (10)
1.一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统，其特征在于，包括
炉膛(5)；
与该炉膛(5)相连通的燃烧器(4)；
与该燃烧器(4)相连通的燃气流量控制器(2)和鼓风机(3)，该燃气流量控制器(2)与外部掺氢天然气配送管道(1)相连通；
该炉膛(5)侧面开设有透镜组件(6)，该透镜组件(6)通过光纤(8)与至少一个光传感器连接；
以及具有一控制单元(15)，该光传感器与控制单元(15)之间信号连接，该控制单元(15)与燃气流量控制器(2)和鼓风机(3)之间控制连接。
2.根据权利要求1所述的一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统，其特征在于，在光传感器的靠近透镜组件(6)的一侧设置带通滤光片。
3.根据权利要求2所述的一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统，其特征在于，设置三组光传感器和带通滤光片的组合，其三个带通滤光片的可通过波长分别为：300nm-320nm、425nm-435nm、435-440nm。
4.根据权利要求1所述的一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统，其特征在于，在透镜组件(6)和光纤(8)连接处的外围还设置有隔热罩(7)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述一种掺氢燃烧设备火焰当量比自动控制系统的控制方法，其特征在于：
S1：绘制参考光强度值Iref与火焰当量比φ之间的标定曲线；
S2：确定燃烧设备的火焰最佳当量比φset，并依据测量计算得到的参考光强度值Iref和步骤S1中得到的标定曲线，反推计算得到火焰当量比φ的数值；
S3：对步骤S2中得到的φ与φset进行比较，若二者的比值与1的差值绝对值大于一预设容忍值∈，则对燃气流量进行调节，使当量比φ维持在火焰最佳当量比φset附近。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S1.1：选择用于绘制标定曲线的已知组分的燃气；
S1.2：选择用于绘制标定曲线的鼓风量数值；
S1.3：选择用于绘制标定曲线的燃气流量区间；
S1.4：在步骤S1.3中的燃气流量区间内选择若干数值点；
S1.5：启动锅炉，使鼓风量保持在步骤S1.2所选的数值，使燃气流量保持在S1.4所选择的一个数值点；
S1.6：待火焰稳定后，测量并记录该标定策略下的光强度值，并计算该标定策略下的参考光强度值Iref；
S1.7：根据步骤S1.5中使用的鼓风量和燃气流量，以及步骤S1.1确定的燃气组分，计算火焰的当量比φ，并结合步骤S1.6，得到一组(Iref,φ)值；
S1.8：根据选定的鼓风量值及步骤S1.4选定的各燃气流量值，重复步骤S1.6和步骤S1.7，得到若干组(Iref,φ)值，并绘制参考光强度值Iref与火焰当量比φ之间的曲线，即为标定曲线。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤S1.6中的参考光强度值Iref通过以下方式计算得到：
将其三组光传感器测得的光强度为别记为Ia、Ib、Ic，光强度值Iref通过下式计算得到：
Iref＝(Ic-Ib)/Ia
以及步骤S1.7中的火焰的当量比φ通过下式计算得到：
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，该火焰最佳当量比φset由燃烧设备类型、污染物排放情况、热效率进行确定。
9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，该预设容忍值∈由光强测量不确定性和当量比控制精度要求两因素共同确定，且该预设容忍值∈的下限不小于光强测量误差，上限确保燃烧不出现明显恶化并留有安全余量。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，当需要对燃气流量进行调节时，若φ>φset，则调节燃气流量控制器(2)减小燃气的流量；若φ<φset，则调节燃气流量控制器(2)增大燃气的流量。
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