CN1607038B - 控制压缩空气的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

在气体调节应用中用于降低空气消耗的方法和设备一种用于调节供应给接收液体和压缩空气的一个或者多个喷雾喷嘴的所需空气压力的控制系统，其中，根据该系统的各种被感测的工作参数来调节供给到喷雾喷嘴的压缩空气的量。

Description

控制压缩空气的控制系统和方法

技术领域

本发明总的涉及喷雾控制系统，更具体的，本发明涉及用于监测在工业气体调节应用中的工作条件和用于补偿系统中的变化以便优化由系统消耗的压缩空气的喷雾控制系统。

背景技术

工业生产设备通常产生热气或者烟气。这样的烟气通常必须被冷却，以便生产设备的正常工作。在这些应用中，烟气通常通过生产设备的各个部分，以提供冷却效果。然而，在其它情况下，必须使用额外的冷却和调节系统来产生适当的温度。有时通过将雾化液体流注入气流，诸如通过以非常微小的微滴将水喷射到气流中来冷却烟气。这起到降低气流的温度的作用。

通常有用于上述的普通类型的生产设备的各种冷却要求。例如，出口温度通常要求维持在特定的温度水平，或者温度设定点。由于烟气通常使出口温度上升到设定点的值之上，所以要求系统降低出口温度。此外，包含在排出气体内的水的完全蒸发必须在给定距离(停留距离)内完成。也就是，要求所有或者大致所有液体在喷雾喷嘴或者多个喷嘴的位置的给定距离内蒸发，以避免不适当地加湿系统的各个部件。这些通常包括过滤系统，例如，集尘室和其它部件。

为了提供液体喷雾，这样的系统有时使用一个或者多个双流体喷嘴。这些喷嘴使用压缩空气作为能量载体来将液体，诸如水，雾化成微小的微滴。在目前的大多数系统中，用于这种类型的喷雾喷嘴的空气压力在遍及工作冷却的范围保持恒定。要求的恒定空气压力的量通常根据在最差冷却条件下(通常处于最大入口气体温度和最大入口气体流率)在给定的距离内用于获得全部蒸发的最大允许的微滴尺寸，本领域中的普通技术人员已知的参数Dmax(即，最大微滴尺寸)来计算。

当然，当入口气体流率或者入口温度下降时，需要较少的液体喷雾来将气体冷却到需要的温度。在这些环境下维持恒定的气压引起气体流率增加。这导致增加的气体消耗和增加的压缩空气能量成本。为 了维持系统的冷却要求，通常在较低的冷却条件下不必要维持气压恒定。这样，期望紧密监测系统的这些参数，以使得可以根据需要或者要求适当地调节提供到雾化喷雾喷嘴的空气压力。

发明内容

因此，本发明的总的目的是克服现有技术中的问题。

本发明的更具体的目的是提供用于在气体调节应用中调节空气消耗的方法和系统。

本发明的另一个目的是提供用于在气体调节应用中产生更大的效率的方法和系统。

本发明减少了用于气体冷却应用中的类型的喷雾喷嘴的空气消耗。特别是，这些喷嘴接收加压的空气供给并且还接收液体。供给到喷嘴或者多个喷嘴的液体和空气的流率和压力被密切地监测。这样，应用到液体中的空气以所要求的微滴尺寸来雾化液体。根据本发明，控制系统监测喷嘴的液体流率，且根据检测的目前由喷嘴使用的液体流率来改变供给到喷嘴的空气压力。

一种用于控制压缩空气的控制系统，该压缩空气应用于在烟气冷却系统中使用的一个或者多个喷雾喷嘴，其中，该一个或者多个喷嘴是这样的类型，即，其在操作上接收加压的液体和压缩空气，以及提供朝向烟气的雾化液体，由此冷却该烟气，该控制系统包括：

液体供给管路，其与所述一个或者多个喷雾喷嘴连接，该液体供给线路包括设置其中的液体流量计，以用于感测供给到所述一个或者多个喷雾喷嘴的液体的流率；

压缩空气供给管路，其包括设置成调节供给到所述一个或者多个喷雾喷嘴的压缩空气的量的空气比例调节阀；

喷雾控制器，其与流量计和空气比例调节阀连接，该控制器依据基于在不同工作状况时的烟气流动和的温度特征的算法来操作，以便将控制信号提供给空气比例调节阀，以便将供给到所述一个或者多个喷嘴的压缩空气的量作为被感测的液体流率的函数来调节；

设置在液体喷雾供给管路中的可调节的液体比例调节阀，其设置成接收来自控制器的控制信号，以调节供给到一个或者多个喷雾喷嘴的液体的量；以及

位于来自出口的烟气附近的温度传感器，其设置成将温度感测信 号提供给该控制器，

其中，该喷雾控制器具有这样的装置，该装置响应于收到的温度感测信号以如下方式计算对于该液体比例调节阀的所需阀位置，

$m=K_p\·(e+1/K_i\·\∫\mathrm{edt}+K_d\·\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})$

其中，m是该液体比例调节阀的所需阀位置，e是由该温度感测信号表示的所测量的温度和设定点温度之间的温度差，以及K_p、K_i和K_d分别是比例、积分和差分因子，并且将控制信号供应给该液体比例调节阀以便将该液体比例调节阀调节到该所需的阀位置，从而改变流经该液体比例调节阀的液体流率。

一种用于控制应用于一个或者多个喷雾喷嘴的压缩空气的量的方法，所述一个或者多个喷雾喷嘴是这样一种类型，即，该喷雾喷嘴在烟气冷却系统的各个操作模式下用于冷却该系统产生的烟气且在操作上接收加压的液体和压缩空气并且供应雾化的液体喷雾，该方法包括的步骤为：

检测该烟气的所测量的温度；

以如下方式计算用于向一个或多个喷雾喷嘴供应液体的液体比例调节阀的所需阀位置；

$m=K_p\·(e+1/K_i\·\∫\mathrm{edt}+K_d\·\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})$

其中，m是该液体比例调节阀的所需阀位置，e是所测量的温度和设定点温度之间的温度差，以及K_p、K_i和K_d分别是比例、积分和差分因子；

将该液体比例调节阀调节到该所需阀位置，以便改变流经该液体比例调节阀的液体流率；

监测应用于所述一个或者多个喷雾喷嘴的实际液体流率；以及

将压缩空气的供给作为应用的液体流率的函数来调节。

附图说明

图1是根据本发明的工业设备和用于监测应用到喷嘴或者多个喷嘴的空气压力的喷射控制系统的示意性框图；

图2是表现图1中显示的喷射控制系统的更加详细的框图；

图3-4为本发明的曲线图，示出了根据本发明的一个方面的液体流量和施加到喷嘴上的空气压力之间的关系；以及

图5是一图表，示出了能够在本发明不同方面中被包含的喷嘴的性能值。

具体实施方式

本发明总的涉及监测用于气体调节应用的喷雾控制系统的各种工作参数的控制系统。该控制系统监测通过喷雾喷嘴的液体的流率。然后，该系统处理该被检测的流动。依据响应，该系统提供表示供给到喷嘴的空气压力的信号。这达到了压缩空气消耗的减少以及产生压缩空气的能量节约。

本发明对各种工业领域具有特殊的实用性。这些包括纸浆和造纸工业、废物再循环、钢制造、环境控制和发电。在这些普通领域内的各种应用包括在诸如集尘室灰尘收集装置之类的灰尘收集处理阶段之前的烟气冷却。此外，本发明可以结合诸如在矿物燃料消耗中和用于柴油发动机的一氧化二氮控制，以及在加湿或者干燥过程中用于二氧化硫去除来使用。

图1示出了用于实现本发明的一种环境。如所示的，工业设备10包括气体调节系统，其包括一个或者多个诸如图1中所示的调节塔12之类的调节塔。在其通常圆柱形的入口部分14处，调节塔12设置为接收作为生产过程的一部分产生的热烟气。调节塔12包括设置在入口部分14的下游的通常圆柱形的混合部分16。在入口14处接收的烟气在由图1中显示的箭头18表示的通常方向上定向。诸如喷嘴20之类的一个或者多个液体喷雾喷嘴设置在围绕调节塔12的混合部分16的圆周位置处。在所示的实施例中，液体喷雾喷嘴20设置为采用喷枪的形式，且提供在通常向下指向的液体喷雾模式中定向的液体喷雾，以将烟气冷却到要求的温度。

调节塔12还包括圆柱形出口或者排气部分22。该部分22与隔开的喷枪20下游的混合部分16连接，且相对于混合部分16成一定角度来定向。为了测量排出烟气流的温度，一个或者多个温度传感器24设置为接近出口部分22的远端。在大多数情况下，液体微滴在到达调节塔12的出口部分22以前已经蒸发。

为了将液体提供到液体喷雾喷嘴20，液体供给包括与双重过滤 系统32连接的泵部分30。该过滤系统32接收来自泵30的加压的液体供给，且将过滤的液体提供到液体调节部分34。该调节部分34以要求的压力和要求的流率供给到喷雾喷嘴20，如图1示意性地显示。

同时，控制的空气流也提供到喷雾喷嘴。如图1所示，空气压缩机40将压缩空气提供到空气调节部分42。该空气调节部分42又将被调节量的压缩空气供给到喷雾喷嘴20。如上所述，现有技术系统提供固定量的压缩空气。供给该量，而不管排出烟气的工作温度。

图2示出了在一个所示的实施例中的液体和空气供给部分的某些部件。如所示的，包含诸如水之类的液体的容器44将液体供给到液体供给的泵部分30。该泵部分30可以包括入口阀46。在所示的实施例中，液体通过液体过滤器48到达泵50。该泵工作来在其出口提供加压的液体。

加压的液体从泵部分30经由供给管路提供到液体调节部分。在这样的情况下，加压的液体供给到比例调节阀52。该比例调节阀52控制供给到喷雾喷嘴的液体。该调节阀又将液体供给到液体流量计54，以确定液体的流率。压力传感器也设置在液体供给管路中，作为调节部分的一部分，以监测供给到喷雾喷嘴20的液体的压力。

空气供给部分的细节也在图2中显示。该空气供给管路包括压缩机58，用于将压缩空气提供到压力容器60。流动控制阀62设置在压力容器60的出口处，以允许压缩空气排出容器。空气过滤器64优选地设置在空气供给管路中，以减少压缩空气管路中的杂质。

图2也更详细地示出了压缩空气调节部分42。如所示的，比例调节阀66调节供给到喷雾喷嘴20的压缩空气。此外，空气流量计68测量喷雾喷嘴20的消耗。最后，压力传感器(压力计)70连续地监测供给到喷雾喷嘴20的压缩空气的压力。

为了控制喷雾喷嘴20的液体喷雾，控制系统与液体调节部分和压缩空气调节部分连接。在所示的实施例中，喷雾控制器80通过提供响应于收到输入控制信号而提供输出控制信号来执行各种控制功能。尤其是，控制器80设置为接收来自温度传感器24的表示在调节塔出口22处测量的温度的感测信号。控制器80也接收来自液体部分的输入信号。这些包括来自液体流量计54的表示应用到喷雾喷嘴的液体的流率的液体流信号。控制器80也接收来自压力传感器56的表 示压力的信号。

此外，控制器80接收来自压缩空气管路的各种输入信号。尤其是，控制器80接收来自空气流量计68的空气流率信号。类似的，控制器80接收来自与空气流管路相关的压力传感器70的感测信号。

如下更详细地说明，控制器80以逻辑方式工作来处理这些信号。然后，控制器80将输出信号提供到液体调节部分34，如线82表示的。该信号应用到在图2中显示的比例调节阀52，以控制液体流到喷雾喷嘴20。此外，控制器80提供输出信号，以控制压缩空气供给。也就是，控制器80将控制信号供给到比例调节阀66，以控制提供到喷嘴20的压缩空气的量。如下所述，液体和空气系统以这样的方式调节维持了要求的出口温度，以及液体微滴的完全蒸发。

根据本发明，控制系统根据处理的入口气体条件和用于获得完全蒸发的最大允许微滴尺寸(Dmax)来确定液体流率和空气压力之间的关系。通常，该关系在最小、正常和最大处理条件处确定。当操作位于这些条件中时，控制器80使用插值技术，以提供各种输出信号，如下所述。已知的气体冷却系统通常根据最差情况的气体冷却条件来使用恒定空气压力。即使当系统不在最差情况的冷却条件下工作时，空气压力也维持在恒定的值。这有时导致由系统产生的不必要的空气压力消耗。

和本发明一致，空气压力根据气体冷却条件的改变而改变。这些可以是改变入口气体温度或者烟气流率的结果。这样，系统只消耗给定环境所必需的要求量的空气。系统提前知道不同的可能处理条件。该信息被用来计算要求的空气压力和液体流率之间的表格关系。

根据本发明，当系统工作在减小的冷却条件下时，空气压力减小，因为有较少的气体要求由系统冷却。这以这样的方式来执行，即，维持液体微滴在相同的距离的完全或者大致完全蒸发。这导致压缩空气消耗的减少和产生压缩空气的能量节约。可以节约的具体的能量的量依赖于处理本身。

压缩空气减少的量依赖于入口温度和烟气流率的关系。例如，当处理在降低的条件下操作时，当入口温度保持恒定，且只有实际气体流率减小时，那么在处理塔12中的气体速度减小。当气体速度减小时，液体微滴具有增加的时间来蒸发。如果入口温度保持恒定，那么 液体喷雾的微滴尺寸可以增加，以在相同的停留距离获得完全蒸发。这导致系统消耗充分减少的压缩空气。

为了实现本发明的控制系统，可以使用几个变量。例如，通过使用多个泵来代替单个泵50，控制模式可以更加可靠。此外，可以使用多个过滤器而不是单个液体和空气过滤器48和64。此外，可以增加安全旁路，以当在所示流动管路中的传感器或者调节阀故障时，保证将液体和空气安全供给到喷嘴。

为了实现本发明，可以使用各种控制算法。根据一个优选实施例，用于控制调节阀52和66的控制算法如下：

根据基于由温度传感器24测量的出口温度和要求的设定点温度的PI D(比例积分微分)控制算法，控制用于液体供给的比例调节阀52的阀位置。该设定点温度通常是恒定值。

$m=K_p\·(e+1/K_i\·\∫\mathrm{edt}+K_d\·\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})$

其中

m：调节阀52的阀位置(0...100％)

e：测量的温度和设定点温度之间的温度差，以及

K_p、K_I和K_d为比例、积分和差分因子。

PID控制算法控制压缩空气调节阀66的阀位置。虽然可以使用各种算法，但是输入参数依赖于由压力传感器70测量的空气压力和要求的空气压力设定点。该空气压力设定点本身依赖于如由液体流量计54测量的当前液体流率。

要求的空气压力和测量的液体流率之间的关系依赖于处理。根据本发明的一个实施例，要求的空气压力可以根据不同的空气入口条件来计算。为了实现本发明，在各种不同的入口气体条件下计算要求的空气压力。它们通常由至少如下表示：

最小入口气体条件(其通常要求最小液体流率)；

正常入口气体条件(其通常要求正常液体流率)；以及

最大入口气体条件(其通常要求最大液体流率)。

空气压力的计算依赖于在给定的条件下具有完全蒸发的要求的Dmax微滴尺寸。作为这些计算的结果，控制器80产生具有三个(或 者更多)液体流率值和它们相应的空气压力值的表格。控制系统使用该表格来计算要求的空气压力(使用表格点之间的插值)。

根据本发明的一个优选实现，下面的表格I根据由控制系统使用的各种计算来构成：

表1

在该所示的例子中，控制器80使用上述的表格I中的阴影区域来计算要提供到喷雾喷嘴20的要求的空气压力。这样，应用到喷嘴的液体流率和空气压力之间的关系可以根据如图3绘制：

如所示的，关于要求的压缩空气的最差情况的工作条件位于最大液体流率处，这是因为在该位置处要求最大空气压力。这样，在空气压力维持在相对恒定值的现有技术的系统中，要求空气压力设置为满足最差情况的条件。在上述的例子中，空气压力要求维持在近似6.2巴。

和本发明一致，当供给的空气压力适于相应于目前的液体流率要求和条件时，可以节约充分量的压缩空气。换句话说，当液体流率在近似12公升/分钟下工作时，系统可以将压缩空气的量减少到近似2.5巴。另一方面，当液体流率在相应于表格I中的近似19公升/分钟的正常条件下工作时，压缩空气的量可以调节到近似3.5巴。如上所述，控制系统使用插值来绘制位于这些值之间的各种工作条件。

在某些情况下，用于压缩空气要求的最差情况条件可能位于减小的液体流率处，如图4中所示：

在该例子中，与使用恒定空气压力方案的现有技术控制系统相 比，可以节约供给到系统的压缩空气的相当大的量。也就是，当液体流率增加时，诸如增加到25公升每分钟的流率时，要求的空气压力可以降低到稍微多于3巴。另一方面，当检测到减小的液体流率时，诸如近似12公升每分钟，压缩空气的量可能增加，在该例子中，增加到近似5.5巴。

压缩空气的潜在的节约可以从下面的用于本发明的优选实现中的典型的喷雾喷嘴的图5来进一步解释。在这样的情况下，喷雾喷嘴是由本发明的受让人制造的FloMax喷嘴。

图5示出了由Spraying Systems公司制造的、在60磅每平方英寸的恒定空气压力下工作的FM5 FloMax类型喷嘴的性能值。从该图5可见，当液体速度下降时，空气流率增加(例如，在7GPM液体下，喷嘴需要83scfm空气，而在2GPM液体下，喷嘴需要115scfm空气)。同时，Dmax也趋向于下降。另一方面，在较低的液体流率条件下，通常不要求较低的Dmax。因此，空气压力可以下降。这导致由系统消耗较少的空气。

因此，已经描述了满足前述目的的用于减少由系统消耗的压缩空气的量的控制系统。然而，应该理解，前面的描述只限于实践本发明的目前考虑的最好模式。可以明白可以对本发明进行各种修改，且可以获得本发明的一些或者所有优点。此外，本发明不是意在要求每个上述的特征和方面，或者它们的组合，因为在很多情况下，某些特征和方面对于实践其它特征和方面不是必需的。因此，本发明只应该由后附的权利要求书及其等价物来限定，该权利要求书意在覆盖在本发明的真正精神和范围内的其它变化和修改。

Claims (6)

1.一种用于控制压缩空气的控制系统，该压缩空气应用于在烟气冷却系统中使用的一个或者多个喷雾喷嘴，其中，该一个或者多个喷雾喷嘴是这样的类型，即，其在操作上接收加压的液体和压缩空气，以及提供朝向烟气的雾化液体，由此冷却该烟气，该控制系统包括：

液体供给管路，其与所述一个或者多个喷雾喷嘴连接，该液体供给线路包括设置其中的液体流量计，以用于感测供给到所述一个或者多个喷雾喷嘴的液体的流率；

压缩空气供给管路，其包括设置成调节供给到所述一个或者多个喷雾喷嘴的压缩空气的量的空气比例调节阀；

喷雾控制器，其与流量计和空气比例调节阀连接，该控制器依据基于在不同工作状况时的烟气流动和温度特征的算法来操作，以便将控制信号提供给空气比例调节阀，以便将供给到所述一个或者多个喷嘴的压缩空气的量作为被感测的液体流率的函数来调节；

设置在液体喷雾供给管路中的可调节的液体比例调节阀，其设置成接收来自控制器的控制信号，以调节供给到一个或者多个喷雾喷嘴的液体的量；以及

位于来自出口的烟气附近的温度传感器，其设置成将温度感测信号提供给该控制器，

其中，该喷雾控制器具有这样的装置，该装置响应于收到的温度感测信号以如下方式计算对于该液体比例调节阀的所需阀位置：

$m=K_p.(e+1/K_i.\∫\mathrm{edt}+K_d.\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})$

其中，m是该液体比例调节阀的所需阀位置，e是由该温度感测信号表示的所测量的温度和设定点温度之间的温度差，以及K_p、K_i和K_d分别是比例、积分和差分因子，并且将控制信号供应给该液体比例调节阀以便将该液体比例调节阀调节到该所需的阀位置，从而改变流经该液体比例调节阀的液体流率。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

该控制器包括一用于基于流经该液体比例调节阀的所感测的液体流率来计算所需空气压力的装置以及一表明液体流率与用于一个或多个喷雾喷嘴的空气压力的之间的关系的表格。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：液体比例调节阀设置成接收来自控制器的控制信号，当感测到温度增加时，增加供给到一个或者多个喷嘴的液体流。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：液体比例调节阀设置成接收来自控制器的控制信号，当感测到温度下降时，减少供给到一个或者多个喷嘴的液体流。

5.一种用于控制应用于一个或者多个喷雾喷嘴的压缩空气的量的方法，所述一个或者多个喷雾喷嘴是这样一种类型，即，该喷雾喷嘴在烟气冷却系统的各个操作模式下用于冷却该系统产生的烟气且在操作上接收加压的液体和压缩空气并且供应雾化的液体喷雾，该方法包括的步骤为：

检测该烟气的所测量的温度；

以如下方式计算用于向一个或多个喷雾喷嘴供应液体的液体比例调节阀的所需阀位置：

$m=K_p.(e+1/K_i.\∫\mathrm{edt}+K_d.\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})$

其中，m是该液体比例调节阀的所需阀位置，e是所测量的温度和设定点温度之间的温度差，以及K_p、K_i和K_d分别是比例、积分和差分因子；

将该液体比例调节阀调节到该所需阀位置，以便改变流经该液体比例调节阀的液体流率；

监测应用于所述一个或者多个喷雾喷嘴的实际液体流率；以及

将压缩空气的供给作为应用的液体流率的函数来调节。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

其中，调节该压缩空气供应的步骤包括基于应用的液体流率来计算所需空气压力和一表明流体流率与用于一个或多个喷雾喷嘴的空气压力的之间的关系的表格，并且调节该压缩空气供应以便实现所需的空气压力。

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