TW201323790A - 煙囪點火控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種煙囪點火控制方法，係在煙囪內設置數個可獨立控制的點火器及溫度感測元件，並依據煙囪現場溫度計算出作為比較基準的一上升趨勢溫度設定值及一下降趨勢溫度設定值，當溫度感測元件所測得之溫度高於該上升趨勢溫度設定值或低於該下降趨勢溫度設定值，即可判斷煙囪是正處於點火燃燒的狀態，或是熄火降溫的狀態，避免因為狀態誤判而導致有害氣體未經燃而直接排放至大氣。

Description

煙囪點火控制方法

本發明係關於一種煙囪點火控制方法，特別是指可迅速判斷出煙囪狀態的控制方法。

在工業製程中有許多場所都可見到煙囪的使用，例如石化工業、鋼鐵工業等皆必然會採用，一般會有相應的控制系統來對其進行作業監管，如控制其點火、熄火、排氣、氣體及溫度監測等。

以鋼鐵工業的煉鋼廠轉爐為例，煉鋼廠轉爐在吹煉過程中會產生大量的廢氣，包含有CO、CO₂、O₂、H₂、N₂...等，由於廢氣中含有高熱值之一氧化碳(CO)，當廢氣中一氧化碳與氧氣之含量在適當的比例下，則可對廢氣進行回收及儲存而成為可再利用的能源。當廢氣回收的條件無法成立時，則廢氣將經由轉爐煙囪排放於大氣中，但若未將廢氣中的一氧化碳經由燃燒轉為二氧化碳而逕行排放至大氣，則會因大量的一氧化碳而汙染大氣。

轉爐從吹煉開始到正常吹煉結束大約耗時15分鐘，在圖5所示的廢氣排放階段約佔20%的時間，此時煙囪點火執行廢氣燃燒；如圖6所示的廢氣回收階段約佔80%的時間，此時將廢氣儲存在一儲氣槽中。

以日本川崎重工(KHI)所研發的轉爐煙囪點火系統為例，在煙囪內約60公尺處設置3支點火棒，並以天然氣做為輔助燃料同時點火，每次的點火動作固定持續30秒，並於煙囪內部設置熱電偶，以量測內部溫度。但前述系統存在有下列缺點：

1.在轉爐吹煉過程中，無論是在廢氣回收或燃燒的階段，均控制天然氣的閥門必須全程維持在開啟(ON)的狀態，導致天然氣能源耗費太多。

2.每支點火棒的持續點火時間耗時過久，容易導致點火器故障。

3.由於3支點火棒控制為同時點火，若有其中一支故障時，系統無法顯示該故障的點火棒。而點火棒定期點檢的工作，需要二人以上之人力配合，並以高空作業的安全規範進行，既耗費人力且具有極高的操作危險性。

4.煙囪內部雖設置熱電偶來測量其內部溫度是否達到一點火成功臨界值，做為點火成功或失敗的判定基準。但由於煙囪內部的溫度不管是上升或下降皆緩慢變化，會有誤判為點火成功的情形發生，此時煙囪實際上並未順利點火，造成未經燃燒之廢氣直接排放至大氣，當中所含的一氧化碳不僅會汙染環境，亦有可能危害到周圍作業人員的人身安全。

鑑於現有煙囪點火以固定的臨界值作為判斷煙囪點火/熄火的標準，無法快速準確的判斷出煙囪狀態，本發明之主要目的係提供一種能迅速判斷出煙囪狀態的控制方法，避免在廢氣排放階段因狀態誤判而導致有害氣體直接排放至大氣。

本發明煙囪點火控制方法係藉由以下步驟而達成前述目的：設置複數個點火器於煙囪內部，各點火器具有一測量其周圍溫度變化的溫度感測元件；設定溫度參數，係設定有一上升趨勢增量溫度設定值、一下降趨勢增量溫度設定值及一點火成功臨界值；測量各點火器於點火前/熄火前的溫度，係利用鄰近點火器的各個溫度感測元件測量每個點火器在點火前/熄火前的溫度；輸出點火指令，係開啟天然氣閥並輸出點火指令至指定的點火器；測量各點火器之即時溫度，即利用鄰近點火器的各個溫度感測元件持續測量並記錄每個點火器周圍之即時溫度；計算一上升趨勢溫度設定值及一下降趨勢溫度設定值，其計算式為：上升趨勢溫度設定值=點火前的感測溫度+上升趨勢增量溫度設定值；下降趨勢溫度設定值=熄火前的感測溫度-下降趨勢增量溫度設定值；判斷升溫狀態或降溫狀態，將各個溫度感測元件所測的之即時溫度與前述上升趨勢溫度設定值及下降趨勢溫度設定值比較，若點火器的即時溫度大於該上升趨勢溫度設定值，即為升溫狀態；若點火器的即時溫度小於該下降趨勢溫度設定值，即為降溫狀態；判斷煙囪是否點火成功，當已輸出點火指令且天然氣閥開啟後，若判斷煙囪內部為升溫狀態，即輸出一取消點火指令至對應的點火器，當該點火器的溫度高於所設定的點火成功溫度值，即判定為點火成功；若天然氣閥開啟且經一段預設時間後，溫度未高於該點火成功臨界值，即判定為點火失敗。

本發明配合非固定的上升趨勢溫度設定值或下降趨勢溫度設定值來判斷煙囪狀態，當點火器已順利點燃時，利用溫度會快速上升的現象，依據測量到的即時溫度與上升趨勢溫度設定值相較，便可快速得知是為升溫狀態，可立刻取消點火指令以延長點火器的使用壽命。

同理，若煙囪已熄火，只要其降溫的幅度低於計算下降趨勢溫度設定值，便可得知已熄火而開始進入降溫狀態，於確定煙囪已熄火後，可保證下次煙囪排放廢氣時，點火命令必定會被執行。

本發明利用溫度感測元件(Thermocouple)具有快速反應溫度變化的特性，故在煙囪內部的各個點火器旁均設置一溫度感測元件，測量每個點火器周圍的溫度變化，本實施例以三個點火器搭配三個溫度感測元件為例說明。而各個點火器係以獨立線路與一控制室連接，可個別輸出點火指令至單一點火器，或是獨立控制是否要啟用或停用單一支點火器。

請參考圖1所示，為本發明的控制方法流程圖，該控制方法可由控制室的控制主機所執行，包含有以下步驟：

設定溫度參數(S101)，係設定至少有一上升趨勢增量溫度設定值(ΔT1)、一下降趨勢增量溫度設定值(ΔT2)及一點火成功臨界值，舉例而言，上升趨勢增量溫度設定值(ΔT1)可訂為20度，下降趨勢增量溫度設定值(ΔT2)可訂為30度，點火成功臨界值為200度；

測量各點火器於點火前/熄火前的溫度(S102)，利用鄰近點火器的各個溫度感測元件，測量每個點火器在點火前/熄火前的溫度；

輸出點火指令(S103)，係開啟天然氣閥並輸出點火指令至指定的點火器，一般是同時控制所有點火器均開啟點火，在本發明中亦可獨立控制每個點火器進行點火；

測量各點火器之即時溫度(S104)，即利用鄰近點火器的各個溫度感測元件，持續測量並記錄每個點火器之即時溫度；

計算上升趨勢溫度設定值及下降趨勢溫度設定值(S105)，其計算式為：

上升趨勢溫度設定值=點火前的感測溫度+上升趨勢增量溫度設定值ΔT1

下降趨勢溫度設定值=熄火前的感測溫度-下降趨勢增量溫度設定值ΔT2

判斷升溫狀態或降溫狀態(S106)，將各個點火器的即時溫度與前述上升趨勢溫度設定值及下降趨勢溫度設定值比較，若點火器的即時溫度大於該上升趨勢溫度設定值，即認定為目前煙囪是處於升溫狀態，如圖2所示；相反的，若點火器的即時溫度小於該下降趨勢溫度設定值，即認定為是處於降溫狀態，表示煙囪熄火，如圖3所示；判斷煙囪是否點火成功(S107)，當輸出點火指令且天然氣閥開啟後，若煙囪內部處於升溫狀態，即輸出一取消點火指令至對應的點火器，此時天然氣閥仍在開啟狀態，當該點火器的溫度高於所設定的點火成功溫度值，即判定為點火成功，並點亮一點火成功指示燈；相反的，天然氣閥開啟且經一段預設時間(如120秒)後，若溫度未高於所設定的點火成功臨界值，即判定為點火失敗，在確認為點火失敗後，可立即關閉天然氣閥。

以實際範例說明，若在點火前所測得的溫度為攝氏40度，則上升趨勢溫度設定值為40+20=60度，當輸出點火指令予點火器之後，則即時觀測該點火器的溫度變化，當該點火器所對應之溫度感測元件測得即時溫度大於60度時，代表進入升溫狀態，此時可立刻取消點火指令使點火，以延長點火器的壽命。待溫度提升至點火成功溫度值後，可確定已經成功點火，煙囪開始進行廢氣燃燒。

反之，若熄火前的溫度測得為400度，下降趨勢溫度設定值為400-30=370度，當後續測得溫度低於370度之後，便可得知目前正處於降溫狀態，煙囪已熄火。

本發明並非只依據單一的點火成功臨界值來判斷煙囪的狀態，而是配合動態變化的上升趨勢溫度設定值或下降趨勢溫度設定值來判斷。若以點火成功臨界值為200度配合上述範例而言，依據本發明的方式，在煙囪溫度上升至60度時即可確定點火器已順利點燃，可立刻取消點火指令，同理，若煙囪已熄火，只要其溫度變化低於370度，便可得知已開始進入降溫狀態，確定煙囪已熄火後，可保證下次煙囪排放廢氣時，點火命令必定會被執行。相較於傳統根據固定臨界值的判斷方式，本發明可快速判斷煙囪內部的狀態。

在煙囪點火時，天然氣產生的火焰係稱為母火，以母火輔助點燃廢氣，此時廢氣燃燒的火焰係稱為主火。本發明在煙囪點火成功後，可進一步判斷主火是屬於自然熄火或正常熄火。「自然熄火」的發生原因可能來自於外在的環境因素，如風力、降雨或是廢氣本身的問題，當天然氣閥開啟且點火成功指示燈已點亮，但根據溫度感測元件的測溫結果顯示目前正處於降溫狀態，則判定主火已熄滅，此時可將點火成功指示燈與天然氣閥關閉，並驅動一警報器以提醒操作員進行手動點火。「正常熄火」是指在點火成功指示燈為點亮的狀態下，天然氣閥關閉(母火熄滅)，若溫度感測元件的測溫結果顯示目前溫度低於點火成功臨界值，即判定主火已正常熄滅，可轉而關閉該點火成功指示燈。

針對本發明所提出的上升趨勢溫度設定值及下降趨勢溫度設定值，可在前述設定溫度參數(S101)之步驟中，再設定一上升趨勢溫度最低設定值及一下降趨勢最高溫度設定值，例如分別設定為50度及700度。最低值的設定是用於煙囪測量出的即時溫度必須大於該50度，才會開始判斷煙囪是否進入升溫狀態；反之，最高值的設定則是要求煙囪溫度必須低於該最高值，才會開始判斷煙囪是否進入降溫狀態。

在前述輸出點火指令(S103)之步驟中，可設定一點火延遲時間，令天然氣閥預先開啟，再輸出點火指令至煙囪內部的點火器，確保已具有足夠的天然氣先進入至管線中，避免點火器進行無意義的點火動作。

本發明在前述判斷煙囪是否點火成功(S107)之步驟中，若判斷某點火器點火失敗，則記錄其未點燃次數以作為維修單位之參考資料，並對該點火器單獨輸出點火指令。

請參考圖4所示，為依據本發明的控制方法所設計的控制顯示介面，可顯示各溫度感測元件測量到的即時溫度10、上升趨勢增量溫度設定值11、下降趨勢增量溫度設定值12、下降趨勢設定值13、下降趨勢溫度最高設定值14、上升趨勢溫度最低設定值15、點火延遲時間16等資訊，使控制室人員能掌握煙囪的多種即時訊息。

由於本發明可準確判斷出煙囪是處於燃燒或熄火的狀態，當本發明應用在轉爐煙囪時，可在轉爐吹煉的第一階段中，即廢氣燃燒階段，控制天然氣閥打開；待進入第二階段，即廢氣回收階段中，關閉該天然氣閥。如此將可節省大約80%的天然氣使用量及費用，達到節約能源的目的。本發明採用「升溫狀態確認」及「降溫狀態確認」的控制方式，在工業煙囪中能確實無誤的執行點火動作，避免含一氧化碳的廢氣汙染環境並降低點火器的故障次數。

再者，將點火器改為獨立點火的控制方式，如此可監控各個點火棒的狀況；另外，點火棒定期點檢的工作可在控制室內由單人即可完成，不需再以高空作業的方式進行，可節省人力並令點檢作業更加安全，降低發生工安意外的機率。

10．．．即時溫度

11．．．上升趨勢增量溫度設定值

12．．．下降趨勢增量溫度設定值

13．．．下降趨勢設定值

14．．．下降趨勢溫度最高設定值

15．．．上升趨勢溫度最低設定值

16．．．點火延遲時間

圖1：本發明之方法流程圖。

圖2：本發明之煙囪溫度為上升狀態的溫度曲線圖。

圖3：本發明之煙囪溫度為下降狀態的溫度曲線圖。

圖4：依據本發明的控制方法所設計的控制顯示介面示意圖。

圖5：現有轉爐煙囪執行廢氣排放之示意圖。

圖6：現有轉爐煙囪執行廢氣回收之示意圖。

Claims (7)

1. 一種煙囪點火控制方法，包含有：設置複數個點火器於煙囪內部，各點火器具有一測量其周圍溫度變化的溫度感測元件；設定溫度參數，係設定有一上升趨勢增量溫度設定值、一下降趨勢增量溫度設定值及一點火成功臨界值；測量各點火器於點火前/熄火前的溫度，係利用鄰近點火器的各個溫度感測元件測量每個點火器在點火前/熄火前的溫度；輸出點火指令，係開啟天然氣閥並輸出點火指令至指定的點火器；測量各點火器之即時溫度，即利用鄰近點火器的各個溫度感測元件持續測量並記錄每個點火器周圍之即時溫度；計算一上升趨勢溫度設定值及一下降趨勢溫度設定值，其計算式為：上升趨勢溫度設定值=點火前的感測溫度+上升趨勢增量溫度設定值；下降趨勢溫度設定值=熄火前的感測溫度-下降趨勢增量溫度設定值；判斷升溫狀態或降溫狀態，將各個溫度感測元件所測的之即時溫度與前述上升趨勢溫度設定值及下降趨勢溫度設定值比較，若點火器的即時溫度大於該上升趨勢溫度設定值，即為升溫狀態；若點火器的即時溫度小於該下降趨勢溫度設定值，即為降溫狀態；判斷煙囪是否點火成功，當已輸出點火指令且天然氣閥開啟後，若判斷煙囪內部為升溫狀態，即輸出一取消點火指令至對應的點火器，當該點火器的溫度高於所設定的點火成功溫度值，即判定為點火成功；若天然氣閥開啟且經一段預設時間後，溫度未高於該點火成功臨界值，即判定為點火失敗。
2. 如請求項1所述之煙囪點火控制方法，在前述設定溫度參數之步驟中，進一步設定一上升趨勢溫度最低設定值及一下降趨勢最高溫度設定值。
3. 如請求項1或2所述之煙囪點火控制方法，在前述輸出點火指令之步驟中，係設定一點火延遲時間，令天然氣閥預先開啟，再輸出點火指令至指定的點火器。
4. 如請求項1或2所述之煙囪點火控制方法，在前述判斷煙囪是否點火成功之步驟中，若判斷任一點火器點火失敗，則記錄其未點燃次數，並對該點火器再單獨輸出點火指令。
5. 如請求項3所述之煙囪點火控制方法，在前述判斷煙囪是否點火成功之步驟中，若判斷任一點火器點火失敗，則記錄其未點燃次數，並對該點火器再單獨輸出點火指令。
6. 如請求項5所述之煙囪點火控制方法，當判斷煙囪己點火成功，係進一步點亮一點火成功指示燈。
7. 如請求項6所述之煙囪點火控制方法，在判斷煙囪己點火成功後，係進一步包含：判斷煙囪之主火是為自然熄火或正常熄火，其中，若天然氣閥開啟且點火成功指示燈已點亮，當根據溫度感測元件的測溫結果顯示目前正處於降溫狀態，則判定主火已自然熄火，經判斷自然熄火後，係關閉該點火成功指示燈與天然氣閥，並驅動一警報器發出警示信號；若點火成功指示燈為點亮，且天然氣閥顯示為關閉，當溫度感測元件的測溫結果顯示目前溫度低於點火成功臨界值，即判定主火為正常熄火，係關閉該點火成功指示燈。