CN210951880U - 一种基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统 - Google Patents

一种基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统 Download PDF

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刘蓉
史永征
王浩
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Abstract

本实用新型提供了一种基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，包括燃烧控制器、燃气压力传感器、空气压力传感器、电磁阀、火焰监测器、燃烧室、烟管、水浴箱，其中，燃烧室和换热器都浸没在水浴箱中，燃烧生成的高温烟气通过浸没在水浴箱的水浴下的鼓泡管鼓出，与水浴进行热质交换，水浴再与换热器进行换热，加热流经换热器的天然气，如果水浴箱的水位深度下降，燃烧室压力随之下降，导致进入燃烧室的空气与燃气比例改变，因此可通过水位深度对空燃比的影响，在达到水位下限时，使空燃比大于燃气的爆炸浓度下限，终止燃烧，达到安全控制的目的。

Description

一种基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统
技术领域
本实用新型涉及新能源技术领域，具体为一种基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统。
背景技术
浸没燃烧加热装置热效率高，结构紧凑，很适合用于液体加热。比如采用水浴加热的液化天然气(LNG)气化、场站防冻的天然气加热等。浸没燃烧式天然气加热装置，其天然气换热管置于水浴中，燃烧的高温烟气直接喷入水里，热量通过水浴传递给天然气换热管，可实现高效的换热。但是，天然气是易燃易爆的，在天然气场站采用燃烧加热的方式，必须做到安全可靠。浸没燃烧的水浴是低温烟气(低于100℃)排放的保障。如果因为天然气泄漏，特别是高压天然气泄漏而导致水浴急速下降时，可能会使高温烟气接触到泄漏的天然气。因此，如果水位异常下降，需要燃烧器停止工作。
目前一般采用的措施是基于火焰感测的熄火控制系统，当火焰熄灭时通过火焰感测器发出的电信号切断燃气供应，从而防止燃气泄漏。但该系统只在火焰熄灭后切断燃气，无法保证水浴下降后火焰会熄灭。
实用新型内容
本实用新型提供了一种基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，具体的技术方案为：
包括传感器单元、进风单元、燃烧单元、水浴单元及热交换单元，其中，传感器单元包括燃烧控制器、空气压力传感器、燃气压力传感器、电磁阀和火焰监测器；进风单元包括空气喷孔、燃气喷孔、鼓风机；
空气压力传感器设置在所述鼓风机的出风口处，电磁阀设置在燃气喷孔的燃气进口处，燃气压力传感器设置在燃气喷孔的燃气进口处并与电磁阀电连接，火焰检测器设置在空气喷孔的空气进口处并与电磁阀电连接，电磁阀设置在燃气进气口端，燃烧控制器分别与空气压力传感器、燃气压力传感器、电磁阀和火焰监测器电连接；
进风单元的空气喷孔、燃气喷孔与燃烧单元连接，燃烧单元与热交换单元分别浸没在水浴单元中；
进一步的，燃烧单元包括燃烧室、烟管和烟气喷孔，空气喷孔的空气出风口和燃气喷孔的燃气出风口均伸入燃烧室中；
进一步的，水浴单元为水浴箱，在水浴箱的上部开设有烟囱；
进一步的，热交换单元为换热器，换热器中通入冷天然气；
进一步的，燃烧控制器设定的空燃比为β0，火焰监测器的熄火空燃比为β′，水浴箱正常运行时的水位所产生的燃烧室压力为
Figure BDA0002200051530000021
则熄火工况与设定工况参数的关系如下述公式所示：
Figure BDA0002200051530000022
其中，
β0、β′为设计体积空燃比、熄火空燃比，Pa；
Figure BDA0002200051530000023
为正常运行设定水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa；
pb′为安全保护设定的最低水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa；
pg为燃气压力，Pa；
pa为空气压力，Pa；
进一步的，空气压力pa比所述燃烧室压力
Figure BDA0002200051530000024
高2000Pa；
进一步的，燃气压力pg比所述空气压力pa高2000Pa；
进一步的，燃烧控制器的体积空燃比为β，具体公式为：
Figure BDA0002200051530000025
其中，
pg为燃气压力，Pa；
pa为空气压力，Pa
pb为水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa；
进一步的，体积空燃比β公式中，
Figure BDA0002200051530000031
其中，
Kg为燃气喷孔的阻力系数；
Ka为空气喷孔的阻力系数；
Ag为燃气喷孔面积，㎡；
Aa为空气喷孔面积，㎡；
优选地，在水浴箱中还可以设置水位传感器。
本实用新型的燃烧室和换热器都浸没在水浴箱中，燃烧生成的高温烟气通过浸没在水浴箱的水浴下的鼓泡管鼓出，与水浴进行热质交换，水浴再与换热器进行换热，加热流经换热器的天然气，如果水浴箱的水位深度下降，燃烧室压力随之下降，导致进入燃烧室的空气与燃气比例改变，因此可通过水位深度对空燃比的影响，在达到水位下限时，使空燃比大于燃气的爆炸浓度下限，终止燃烧，达到安全控制的目的。
附图说明
图1为本实用新型的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统结构示意图。
图中：01-燃烧控制器、02-空气压力传感器、03-燃气压力传感器、04-电磁阀、05-火焰监测器、06-空气喷孔、07-燃气喷孔、08-燃烧室、09-水浴箱、10-烟管、11-烟气喷孔、12-换热器、13-烟囱、14-鼓风机。
具体实施方式
为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本实用新型的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，包括燃烧控制器(01)、燃气压力传感器(03)、空气压力传感器(02)、电磁阀(04)、火焰监测器(05)、燃烧室(08)、烟管(10)、水浴箱(09)，设水浴水位下降到安全保护设定的最低值时的燃烧室(08)的压力为pb′，此时空燃比也增加到超出可燃浓度范围，即达到熄火空燃比β′，而设定的设计体积空燃比为β0，正常运行设定水浴水位所产生的燃烧室压力为
Figure BDA0002200051530000041
则熄火工况与设定工况参数的关系如公式(a)所示。
Figure BDA0002200051530000042
其中，
β0、β′—设计体积空燃比、熄火空燃比，Pa；
Figure BDA0002200051530000044
—正常运行设定水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa；
pb′—安全保护设定的最低水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa；
pg—燃气压力，Pa；
pa—空气压力，Pa。
根据公式(a)，在满足正常运行设定水浴水位下，所产生的燃烧室压力为
Figure BDA0002200051530000043
通过设定燃气压力pg和空气压力pa，可使水浴箱(09)的水位下降到安全保护设定的最低水位时，燃烧室(08)所产生的压力下降至pb′，空燃比增大至β′，火焰熄灭，达到安全保护的目的。
本实用新型的工作原理如下：设备正常运行时，燃烧用空气通过鼓风机(14)经过空气喷孔(06)进入燃烧室(08)，同时燃烧用燃气以一定的供气压力经过燃气喷孔(07)进入燃烧室(08)，在设定水浴箱(09)的水位时，燃烧控制器(01)根据设定的空燃比β和空气压力传感器(02)的空气压力pa值，按照公式(b)的算法计算出所需的燃气压力pg，并通过燃气压力传感器(03)的反馈信号调节电磁阀(04)以实现设定的空燃比，在燃烧的情况下通过火焰监测器(05)的信号保持电磁阀(04)开启的状态维持燃气供应，当火焰熄灭时，燃烧控制器(01)得不到火焰监测器(05)的信号，就会指挥电磁阀(04)切断燃气供应。
Figure BDA0002200051530000051
其中，
β—体积空燃比；
pb—水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa。
Figure BDA0002200051530000052
其中，
Kg—燃气喷孔的阻力系数；
Ka—空气喷孔的阻力系数；
Ag—燃气喷孔面积，㎡；
Aa—空气喷孔面积，㎡。
燃烧室(08)产生的烟气通过烟管(10)从烟气喷孔(11)进入水浴箱(09)中将水加热，水再加热流过换热器(12)的冷天然气。烟气经过水浴箱(09)冷却从烟囱(13)排除。
当水浴箱(09)水位下降时，燃烧室(08)的压力Pb随之下降，进入燃烧室(08)的空燃比β发生变化。当燃烧室压力Pb下降到一定程度时，空燃比β超出了可燃气体浓度范围，火焰熄灭，此时火焰监测器(05)监测不到火焰，随之控制电磁阀(04)切断燃气供应，达到中断燃烧并切断燃烧用的燃气供应的目的。
设水浴水位下降到安全保护设定的最低值时的燃烧室(08)的压力为pb′，此时空燃比也增加到超出可燃浓度范围，即达到熄火空燃比β′，而设定空燃比为β0，正常运行设定水浴水位所产生的燃烧室压力为
Figure BDA0002200051530000053
则熄火工况与设定工况参数的关系如上述公式(a)所示。
根据公式(a)，在满足正常运行设定水浴水位下，所产生的燃烧室压力为
Figure BDA0002200051530000054
通过设定燃气压力pg和空气压力pa，可使水浴箱(09)的水位下降到安全保护设定的最低水位时，燃烧室(08)所产生的压力下降至pb′，空燃比增大至β′，火焰熄灭，达到安全保护的目的。
空气压力pa比燃烧室(08)的压力
Figure BDA0002200051530000061
高2000Pa，燃气压力pg比空气压力pa高2000Pa。
本实用新型的火焰监测器、燃气切断阀及比例调节阀并不限于某特定形式，能实现感知和控制功能即可。
另外在本实用新型的系统中，还可以加入电子和物理的水位传感器实现水位变化的信号感知。
本实用新型的浸没燃烧安全控制系统与目前仅基于火焰感测的火熄控制系统相比，不仅仅是在火焰熄灭后可以切断燃气供应，还可以保证水浴下降到一定程度后终止燃烧，是结合燃烧室压力感测和火焰感测双重感知系统共同作用，即可以终止燃烧，也可以切断燃气供应的方法，可以防止在水位异常下降后燃烧仍然持续导致高温烟气接触到环境中的可燃气体发生爆炸。
本实用新型的浸没燃烧安全控制系统，只需要确定燃烧器的燃气压力、空气压力与水位的关系，不需要额外增加传感设备或构件，利用原有空气与燃气比例调节阀、火焰监测器和电磁阀就可以实现，不会增加设备成本。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，包括传感器单元、进风单元、燃烧单元、水浴单元及热交换单元，其中，所述传感器单元包括燃烧控制器、空气压力传感器、燃气压力传感器、电磁阀和火焰监测器；所述进风单元包括空气喷孔、燃气喷孔、鼓风机；
所述空气压力传感器设置在所述鼓风机的出风口处，所述电磁阀设置在所述燃气喷孔的燃气进口处，所述燃气压力传感器设置在所述燃气喷孔的燃气进口处并与所述电磁阀电连接，所述火焰监测器设置在所述空气喷孔的空气进口处并与所述电磁阀电连接，所述电磁阀设置在燃气进气口端，所述燃烧控制器分别与所述空气压力传感器、所述燃气压力传感器、所述电磁阀和所述火焰监测器电连接；
所述进风单元的空气喷孔、燃气喷孔与所述燃烧单元连接，所述燃烧单元与所述热交换单元分别浸没在所述水浴单元中。
2.根据权利要求1所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，所述燃烧单元包括燃烧室、烟管和烟气喷孔，所述空气喷孔的空气出风口和所述燃气喷孔的燃气出风口均伸入所述燃烧室中。
3.根据权利要求2所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，所述水浴单元为水浴箱，在所述水浴箱的上部开设有烟囱。
4.根据权利要求1所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，所述热交换单元为换热器，所述换热器中通入冷天然气。
5.根据权利要求3所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，所述燃烧控制器设定的空燃比为β0，所述火焰监测器的熄火空燃比为β′，所述水浴箱正常运行时的水位所产生的燃烧室压力为
Figure FDA0002200051520000011
则熄火工况与设定工况参数的关系如下述公式所示：
Figure FDA0002200051520000021
其中，
β0、β′为设计体积空燃比、熄火空燃比，Pa；
Figure FDA0002200051520000022
为正常运行设定水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa；
pb′为安全保护设定的最低水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa；
pg为燃气压力，Pa；
pa为空气压力，Pa。
6.根据权利要求5所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，所述空气压力pa比所述燃烧室压力
Figure FDA0002200051520000023
高2000Pa。
7.根据权利要求5所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，所述燃气压力pg比所述空气压力pa高2000Pa。
8.根据权利要求1所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，所述燃烧控制器的体积空燃比为β，具体公式为：
Figure FDA0002200051520000024
其中，
pg为燃气压力，Pa；
pa为空气压力，Pa
pb为水浴水位所产生的燃烧室压力，Pa。
9.根据权利要求8所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，在所述体积空燃比β公式中，
Figure FDA0002200051520000025
其中，
Kg为燃气喷孔的阻力系数；
Ka为空气喷孔的阻力系数；
Ag为燃气喷孔面积，m2；
Aa为空气喷孔面积，m2。
10.根据权利要求3所述的基于燃烧室压力保护的浸没燃烧安全控制系统，其特征在于，在所述水浴箱中还可以设置水位传感器。
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