专利名称：炉况优化监控装置及应用该装置优化的方法
技术领域：
本发明涉及一种油田工业用加热炉或其他工业用锅炉，特别涉及一种改善所述加热炉或锅炉运行状况的炉况自动优化监控装置及优化方法。
背景技术：
目前，油田工业用加热炉或其他行业用锅炉是工业能源消耗的大户，由于缺乏实时安防调控手段，加热炉整体炉况运行的状态更缺少安全监控与优化措施，使得常用的加热炉或锅炉炉效普遍偏低，设备提温速度慢，机泵运转的无用功大，系统运行效率低，烟气含氧量排放过剩，导致能源消耗严重，生产效率较低。此外，在油田工业上，每年都有近百台的加热炉发生损坏事故，火筒式加热炉损坏问题最为突出，给油田安全生产带来重大威胁，也会造成极大的经济损失。在各类加热炉连续生产的过程中，加热炉及锅炉是重点应用的工艺设备之一，因此，能否保证其自身及其相关机泵生产工艺系统时时处于经济、安全、高效、良好的运行是确保生产过程中的重要环节，同时这个环节的各个工况指标要由加热炉炉况的优劣所决定，而影响加热炉炉况优劣的因素却又有很多，其中只有稳态炉效、排烟温度、含氧量及运行负荷率的高低才是最能代表加热炉炉况优劣的主要因素。因此，我们只需要解决各类加热炉及锅炉低效率、高耗能、易损坏、标准排烟温度以及合理控制过剩空气含氧量的问题，便能确保在防护治理与科学优化管理方面具有极大的指导意义。现有技术中的加热炉在以下几个方面缺乏科学控制:I)过量空气系数过大
在排烟温度一定的情况下，过量空气系数越大，排烟量越大，通过烟气排出的热量也越多，热量损失增加，加热炉效率降低，同时，露点腐蚀温度越高，还会加速炉管的氧化，影响炉管使用寿命，促使氮氧化物增加，对环境产生不利的影响。2)过量空气系数过小会使燃料燃烧不充分，造成大量化学能未放出而浪费燃料，还会生成大量CO、H2和炭粒等污染空气的物质。3)排烟温度过高能量被带入大气中，能耗较大；过低易导致烟管腐蚀情况的发生。4)炉膛负压过小的炉膛负压可能造成回火伤人事故；过大的炉膛负压会加速炉膛内气体的流动速度，减少换热时间，造成排烟温度过高，另外，过大的炉膛负压还会使进入炉膛的空气量增加，进而提高过量空气系数其结果是导致加热炉热效率降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种改善加热炉或锅炉运行状况、提高其工作效率和降低能耗的自动控制的炉况优化监控装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:本发明的炉况优化监控装置，包括自动控制单元、人机数显操控单元和由自动控制单元监控的设置于加热炉、燃烧器上的工艺参数监测单元，在燃烧器的进风口处还设有由自动控制单元控制的燃烧设备优化单元，所述燃烧设备优化单元主要为氧含量微调器，该微调器包括带有优化指令接收微处理器的控制电路、与燃烧器进风口相接并与大气相通的通风管、置于通风管中可调节进风量大小的调风挡板及驱动调风挡板转动的驱动电机；其还包括与自动控制单元通讯连接的分别为记录、存储本装置中所有操作、监测信息的曲线记忆比较单元和对“加热炉排烟中氧含量过高”、“加热炉燃烧设备超负荷”和“加热炉燃烧设备效率低”进行报警提示的安防故障报警单元。所述自动控制单元由集成PLC控制单元、外设输入单元、外设输出单元、安全隔离单元、信号分配单元构成，自动控制单元将实时接收到的与“加热炉炉效”、“加热炉负荷率”、“环境温度”、“排烟温度”、“烟气中氧含量”、“微调器的开度”、“燃烧器的负荷”、“炉膛背压”和“燃气流量”相关的测量信号进行数据运算与分析后，向相关工艺设备发出联动控制指令和相关工艺参数的实时显示与监控，其中，集成PLC控制单元，主要由可编程序控制器构成，其将由外设输入单元从工艺参数监测单元获取的载有工艺参数信息的信号经运算和处理后，通过外设输出单元转化为工控信号传输给燃烧设备优化单元对所述的调风挡板的开度进行调节；外设输入单元主要由数据锁存器、状态所锁存器、地址编码器、触发器、缓冲器、连接线路构成，主要用于其他计算机系统、仪表系统、工艺设备输入数据的接收与转换处理后传输给可编程序控制器或存储记忆；外设输出单元主要由数据锁存器、状态所锁存器、地址编码器、触发器、缓冲器、连接线路构成，其作用主要是将可编程序控制器发出的数据进行相应的转换后输出给外部其他计算机系统、仪表系统、工艺设备，以实现驱动装置、控制电路或记忆存储的功能；安全隔离单元主要由功率放大器、电阻、电容、三端稳压器、固态继电器、模拟量信号隔离器、二极管、连接线路构成，其作用主要是对各类仪表或其他计算机系统输入的各类信号进行调整，同时对外界各类干扰源进行隔离；信号分配单元主要由中间继电器、信号分配器、连接线路构成，其作用是将各类仪表系统、外界计算计系统、工艺设备输入的单一的开关量或模拟量信号以及可编程序控制器运算后要输出的单一开关量或模拟量信号，复制后同时输送给不同的接受设备或系统使用。所述工艺参数监测单元包括外部信号测量传输单元、燃气流量测量设备、排烟温度测量设备、室外温度测量设备、防干扰设备、热电偶加热供电设备、炉膛负压测控设备、氧含量测控设备，其中，所述外部信号测量传输单元为主控单元，主要由可编程序控制器的扩展模块及其内部软件控制程序构成其中包含数字量的输入输出模块、数字量与模拟量转换模块、模拟量与数字量的转换模块以及连接线路构成，其将集中采集的实时测量的数据依据内部已经编写好的程序进行运算处 理后，通过数据线传输给自动控制单元；所述燃气流量测量设备的核心是设置于燃气输送管道内的燃气流量计，其将所测燃气流量信号经所述外部信号测量传输单元传给自动控制单元；
所述排烟温度测量设备与室外温度测量设备的核心是分别设置在烟箱内壁和室外环境中的温度传感变送器，其将所采集到的相关温度参数经所述外部信号测量传输单元传给自动控制单元；所述防干扰设备主要是接地金属与防雷器，它确保了各类工艺设备时刻处在稳定安全的运行当中，较好的屏蔽了静电、雷击或短路超负荷等干扰因素；所述热电偶加热供电设备主要给氧含量测控设备提供电加热装置及测温用的热电偶。所述氧含量测控设备主要为设置于烟道出口处的一体化氧检测传感器，该传感器由电化学元件和集成电路板构成，其将烟气排放中氧含量的检测值传输给自动控制单元；所述炉膛负压测控设备主要是微压检测变送器，它作为系统运行的参比数据进行实时显示。所述曲线记忆比较单元主要由内部储存器、外部存储器、计数器、计时器、数据运算器、系统软件比较程序、人机组态软件读写界面构成。本发明的炉况优化的方法，包括本发明的炉况优化监控装置，该优化方法步骤如下:I)将本发明的炉况优化监控装置的工艺参数监测单元中所述的外部信号测量传输单元、燃气流量测量设备、排烟温度测量设备、室外温度测量设备、防干扰设备、热电偶加热供电设备、炉膛负压测控设备和氧含量测控设备安装就位，并接通其与自动控制单元的连接；2)进入人机数显操控单元后，分别对涉及“烟气中氧含量”的“氧传感器温度”值、“氧传感器控制目标值”、“电炉上限电压”、“电炉下限电压”和“温度自整定”的相关参数进行设定，对涉及“烟气中氧含量控制目标值”`、“氧含量偏差控制设定值”和“排烟温度最低控制设定值”的炉况优化参数进行设定，对涉及“装置启动流量设定值”、“微调器开度上限”和“微调器开度下限”的相关参数进行设定，对涉及“人工设定热值”和“自动监测分析燃气热值”的相关参数进行设定，对涉及“氧含量高报警”、“炉效低报警”和“超负荷报警”的相关参数进行设定；3)前述设定完成并启动运行后，人机数显操控单元将所述的各种参数设定值传输给自动控制单元，由自动控制单元发往曲线记忆比较单元储存；4)自动控制单元对所述的“加热炉炉效”、“加热炉负荷率”、“环境温度”、“排烟温度”、“烟气中氧含量”、“微调器的开度”、“燃烧器的负荷”、“炉膛背压”和“燃气流量”进行实时监控、检测，并将测量的相关参数信号进行数据运算与分析，继而向相关工艺设备发出联动控制指令和相关工艺参数的实时显示及将实时信息存储于曲线记忆比较单元；5)当前述第2)步中所述的设定项目超出设定范围时，自动控制单元向安防故障报警单元传输需要报警提示的信号。所述“炉膛背压”和“燃气流量”分别采用微动差压变送器和带有压力温度补偿的流量计进行测量。所述“烟气中氧含量”采用一体化氧检测传感器进行氧含量的测量，检测元件主要由热电偶、电炉、电化学检测元件和集成电路板构成，电化学检测元件最佳工作状态时的温度为700°C。
所述“环境温度”和“排烟温度”采用数字化温度变送器进行测量。所述“微调器的开度”采用具有信号反馈功能的伺服电机与氧量控制挡板，其开度范围为-100—100%，也可以行程时间为0-30分钟。与现有技术相比，本发明采用综合配套的安防增效装置，集炉况整体优化、安全生产监控、机泵系统增效、自动调节操控与节能降耗于一体的设备监测和控制系统，使得配有本发明的加热炉或锅炉炉效增高、烟气含氧量排放减少、排烟温度和能源消耗降低，从而，增大加热炉或锅炉机泵运转的有用功，提高了其运行效率和延长了其使用寿命。
图1为本发明炉况优化监控装置结构框图。图2为本发明炉况优化监控装置工艺监测单元框图。图3为本发明炉况优化监控装置人机界面设定流程图。图4为本发明炉况优化监控装置人机界面查询流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图标记如下:自动控制单元1、集成PLC控制单元11、工艺参数监测单元2、可编程序控制器CPU。
一、炉况优化监控装置如图1、2所示，本发明的炉况优化监控装置，包括位于室外的加热炉、燃烧器、设于室内的自动控制单元1、人机数显操控单元和由自动控制单元I监控的设置于加热炉、燃烧器上的工艺参数监测单元2，在燃烧器的进风口处还设有由自动控制单元I控制的燃烧设备优化单元，所述燃烧设备优化单元主要为氧含量微调器，该微调器包括带有优化指令接收微处理器的控制电路、与燃烧器进风口相接并与大气相通的通风管、置于通风管中可调节进风量大小的调风挡板及驱动调风挡板转动的驱动电机；其还包括与自动控制单元I通讯连接的分别为记录、存储本装置中所有操作、监测信息的曲线记忆比较单元和对“加热炉排烟中氧含量过高”、“加热炉燃烧设备超负荷”和“加热炉燃烧设备效率低”进行报警提示的安防故障报警单元。其中涉及的具体部件有:可编程序控制器CPU、触摸屏、24V供电电源、数据扩展与信号采集模块、中间继电器、通讯电缆、报警器、安全栅、空气断路器、接线端子、通讯模块、数据存储设备、配线电缆、槽架、保险、组态软件、燃烧器燃烧优化微调器、烟气分析一体化测量器、温度传感器、水流量计量器和燃气流量计等。1、所述自动控制单元I由集成PLC控制单元11、外设输入单元、外设输出单元、安全隔离单元、信号分配单元构成，自动控制单元I将实时接收到的与“加热炉炉效”、“加热炉负荷率”、“环境温度”、“排烟温度”、“烟气中氧含量”、“微调器的开度”、“燃烧器的负荷”、“炉膛背压”和“燃气流量”相关的测量信号进行数据运算与分析后，向相关工艺设备发出联动控制指令和相关工艺参数的实时显示与监控，并通过数据线分别向燃烧设备优化单元、人机数显操控单元、安防故障报警单元和/或曲线记忆比较单元传输经过数据处理后的系统自动控制指令，进而实现数显\报警\记忆\操控等自动控制功能。其中，I)集成PLC控制单元11，将由外设输入单元从工艺参数监测单元2获取的载有工艺参数信息的信号经运算和处理后，通过外设输出单元转化为工控信号传输给燃烧设备优化单元对所述的调风挡板的开度进行调节，其是由可编程序控制器CPU单元、内存单元、接地单元、时钟单元、数字量I/o单元、模拟量I/O单元以及通讯扩展单元组成。其中，可编程序控制器CPU单元为主控单元，工艺参数监测单元2传输的各类信号通过安全隔离单元、信号分配单元进行信号稳定处理后传输给可编程序控制器CPU单元，该单元依据内部已经编写的逻辑程序进行数据运算与处理，再将信息传输给外设输入或输出单元，外设输入或输出单元再将所接收的指令转化为工控信号传输给燃烧设备优化单元，进而由燃烧设备优化单元对燃烧设备进行优化操作，从而实现数据交换、采集、显示、操作控制与优化燃烧的功能。内存单元主要由软件编程、内部存储器、外部可移动的存储设备构成，主要用于临时或长久的连续性数据存储、记忆与提供CPU运算。接地单元确保了自动控制单元I时刻处在稳定安全的运行当中，较好的屏蔽了静电、雷击或短路超负荷等干扰因素。时钟单元提供相关的时钟信息。数字量I/O单元和模拟量I/O单元主要用于与工艺参数监测单元2连接后进行信息的互相传输并实现燃烧设备优化单元的联动控制。通讯扩展单元，主要由扩展卡槽、RS485/RS422/RS322以及工业以太网通讯协议接口、功能扩展集成线路构成，主要用于与外界计算计系统、仪表系统以及工艺设备进行不同方式的数据交换与通信，同时用于自身设备功能的扩展。2)、所述外设输入单元主要由数据锁存器、状态所锁存器、地址编码器、触发器、缓冲器、连接线路构成，其作用主要用于其他计算机系统、仪表系统、工艺设备输入数据的接收与转换处理后传输给CPU或存储记忆；3)、所述外设输出单元外设输出单元主要由数据锁存器、状态所锁存器、地址编码器、触发器、缓冲器、连接线路构成，其作用主要是将CPU发出的数据进行相应的转换后输出给外部其他计算机系统、仪表系统、工艺设备，以实现驱动装置、控制电路或记忆存储的功能；4)、所述安全隔离单元主要由功率放大器、电阻、电容、三端稳压器、固态继电器、模拟量信号隔离器、二极管、连接线路构成，其作用主要是对现各类仪表或其他计算机系统输入的各类信号进行调整，同时对外界各类干扰源进行隔离；5)、所述信号分配单元主要由中间继电器、信号分配器、连接线路构成，其作用是将各类仪表系统、外界计算计系统、工艺设备输入的单一的开关量或模拟量信号以及CPU运算后要输出的单一开关量或模拟量信号，复制后同时输送给不同的接受设备或系统使用。2、所述工艺参数监测单元2包括外部信号测量传输单元、燃气流量测量设备、排烟温度测量设备、室外温度测量设备、防干扰设备、热电偶加热供电设备、炉膛负压测控设备、氧含量测控设 备。
其中，I)所述外部信号测量传输单元为主控单元，主要由可编程序控制器的扩展模块及期内部软件控制程序构成其中包含数字量的输入输出模块、数字量与模拟量转换模块、模拟量与数字量的转换模块以及连接线路构成，其将集中采集的实时测量数据进行简单信号变换处理转换为标准信号“打包”，再通过数据线传输给自动控制单元1，自动控制单元I将实时接收到的测量信号进行数据运算与分析后，再输出各类显示与控制指令，实现工艺设备(工艺设备还包括加热炉、炉内耐火砖、火筒、烟管、烟箱、燃烧器、燃气供给系统和燃气流量计等)的联动控制和工艺参数的实时显示与监控；2)所述燃气流量测量设备的核心是设置于燃气输送管道内的燃气流量计，主要用于燃料流量检测并将所检测的信号经所述外部信号测量传输单元传给自动控制单元1，自动控制单元I再依据该设备提供的参数，对燃烧设备的负荷率进行计算、报警与显示监控；3)所述排烟温度测量设备与室外温度测量设备的核心是分别设置在烟箱内壁和室外环境中的温度传感变送器，其将所采集到的相关温度参数经所述外部信号测量传输单元传给自动控制单元1， 这两个测量设备为对加热炉炉效的计算提供数据依据，并且使自动控制单元I在对该数据进行运算、分析后，决定是否指令燃烧设备优化单元进行相应的操作；4)所述防干扰设备主要是接地金属与防雷器，它确保了各类工艺设备时刻处在稳定安全的运行当中，较好的屏蔽了静电、雷击或短路超负荷等干扰因素；5)所述热电偶加热供电设备主要给氧含量测控设备提供电加热装置及测温用的热电偶，它为启动氧含量测控设备功能提供动力与运行保障；6)所述氧含量测控设备主要为设置于烟道出口处的一体化氧检测传感器，该传感器由电化学元件和集成电路板构成，其将烟气排放中氧含量的检测值传输给自动控制单元1，自动控制单元I依据它所提供的氧含量参数可实现各类优化设备的联动调解，使得加热炉的工况得以优化调整。7)所述炉膛负压测控设备主要是微压检测变送器，它作为系统运行的参比数据进行实时显示。3、所述曲线记忆比较单元主要由内部储存器、外部存储器、计数器、计时器、数据运算器、系统软件比较程序、人机组态软件读写界面构成。在系统运行操作过程中，系统所产生的所有信息，包括历史和实时信息都将由曲线记忆比较单元进行记忆、存储与分析，该单元将数据处理后返回给可编程序控制器CPU，可编程序控制器CPU再经过逻辑程序运算将数据分析比较，将比较后的结果输出给安防故障报警单元，以实现时时刻刻的报警监视功能。当启动本发明的炉况优化监控装置后，自动控制单元I和工艺参数监测单元2均具备进行正常启动运行的条件，点击人机数显操控单元上的“启动”按键，装置开始运行，工艺参数监测单元2运行时，该单元中的各类检测设备开始检测加热炉的各类工艺参数并将检测的信号通过主控单元——外部信号测量传输单元实时转换并传输给自动控制单元1，自动控制单元I中的主控单元——可编程序控制器CPU单元，将接收到的各类工艺参数的信号进行逻辑程序运算，再经过分析对比后，将运算结果与指令分别输出给燃烧设备优化单元、人机数显操控单元安防故障报警单元和/或曲线记忆比较单元，接收到由自动控制单元I发出的运算结果和指令后，燃烧设备优化单元、人机数显操控单元、安防故障报警单元和/或曲线记忆比较单元，将各自启动自身的联动调解、数显监控、声光报警与历史记忆等功能，在系统不断的周而复始的微动调解下，实现加热炉或锅炉各类工艺参数的优化调整，使得加热炉或锅炉的运行工况，始终保持在最佳、最稳定的状态，进而使得系统中各类运转的机泵效率提升、增强实效与增加单位时间内的产出量，对油田生产系统的管理来说，在安全预防、降耗增效方面产生了良好效果。二、炉况优化的方法如图3、4所示，本发明的炉况优化的方法，包括使用本发明的炉况优化监控装置，该优化方法步骤如下:1)将所述的炉况优化监控装置的工艺参数监测单元2中所述的外部信号测量传输单元、燃气流量测量设备、排烟温度测量设备、室外温度测量设备、防干扰设备、热电偶加热供电设备、炉膛负压测控设备和氧含量测控设备安装就位，并接通其与自动控制单元I的连接。2)装置上电后，进入人机数显操控单元，人机界面进入首画面，首画面中通过软件组态编写后显示公司名称、服务电话、公司LOGO、产品名称和产品型号，点击“进入”按键后可进入到“状态显示”画面。人机数显操控单元的组态软件中设有参数设定与控制应用的多种组态画面，集成PLC控制单元11通过通讯扩展单元与它连接并进行数据交换与传输。在所述“状态显示”画面中，通过软件组态编写，可显示装置简易的工艺流程及工艺参数，包括“加热炉炉效”、“加热炉负荷率”、“环境温度”、“排烟温度”、“烟气中氧含量”、“微调器的开度” “燃烧器的负荷” “炉膛背压” “燃气流量”的实时监测信息以及装置的“启动”和“停止”按钮。然后，分别对涉及“烟气中氧含量”的“氧传感器温度”值、“氧传感器控制目标值”、“电炉上限电压”、“电炉下限电压”和“温度自整定”的相关参数进行设定，对涉及“烟气中氧含量控制目标值”、“氧含量偏差控制设定值”和“排烟温度最低控制设定值”的炉况优化参数进行设定，对涉及“装置启动流量设定值”、“微调器开度上限”和“微调器开度下限”的相关参数进行设定，对涉及“人工设定热值”和“自动监测分析燃气热值”的相关参数进行设定，对涉及“氧含量高报警”、“炉效低报警”和“超负荷报警”的相关参数进行设定。3)前述设定完成并启动运行后，人机数显操控单元将所述的各种参数设定值传输给自动控制单元1，由自动控制单元I发往曲线记忆比较单元储存。4)自动控制单元I对所述的“加热炉炉效”、“加热炉负荷率”、“燃烧器的负荷”、“环境温度”、“排烟温度”、“烟气中氧含量”、“微调器的开度”、“炉膛背压”和“燃气流量”进行实时监控、检测，并将测量的相关参数信号进行数据运算与分析，继而向相关工艺设备发出联动控制指令和相关工艺参数的实时显示及将实时信息存储于曲线记忆比较单元。其中，“加热炉炉效”则是根据检测设备传输的数据进行公式计算得出，运算的公式是一种配方公式，它在可编程序控制器CPU中编写，参与计算的工艺参数值为“烟气中氧含量”、“加热炉炉效”、“环境温度”和“排烟温度”，当“烟气中氧含量”、“环境温度”和“排烟温度”三个参数分别检测到数据后，可编程序控制器CPU中“加热炉炉效”寻址系统开始运行并动态寻址读取数据，根据以上三个数据的实时动态采集值，“加热炉炉效”也随之在不断的动态寻址，并将读到的百分比数据传输给人机数显操控单元中的人机界面指定地址显示并监控。所述“加热炉负荷率”和“燃烧器的负荷”均应用检测设备传输的数据进行公式计算得出，运算的公式在可编程序控制器CPU中编写，即:加热炉的负荷率等于燃烧器燃烧的负荷与加热炉设计的负荷比值的百分数，而燃烧器的负荷又等于燃气的热值与标准状况下燃气流量的乘积，燃气的热值经过检测元件分析计算得出，加热炉设计负荷由用户直接提供并输入公式，经过上述两个公式运算的结果便得到了“加热炉负荷率”与“燃烧器的负荷”并通过数据线传输给人机数显操控单元的人机界面指定地址显示并监控。所述“环境温度”和“排烟温度”采用数字化温度变送器进行测量，该变送器将温度信号转换为标准电信号，同样是通过可编程序控制器CPU存储记忆后，再转换地址输出给人机数显操控单元的人机界面中指定地址显示并监控。所述“烟气中氧含量”采用一体化氧检测传感器进行氧含量的测量，检测元件主要由热电偶、电炉、电化学检测元件和集成电路板构成，电化学检测元件最佳工作状态时的温度为700°C，其可以直接检测到烟气中，氧电势的毫伏级电信号，再将该信号对应放大到0-5伏，通过可编程序控制器CPU中已编写好的计算公式进行计算，所述公式为氧含量的百分数=48.27 X log (20.6/E) X 100%(E-放大后的氧电势值)，计算后的数据存储记忆在可编程序控制器CPU内，同时将氧含量的计算结果输往人机数显操控单元的指定地址显示并监控。所述“微调器的开度”采用具有信号反馈功能的伺服电机与氧量控制挡板，其开度范围为-100— 100%，+100和-100代表挡板可以正旋180度也可以反旋180度，总计开度范围为-100—100%，机械上对挡板不做限定，依据实际控制要求在软件程序中进行正旋与反旋的选择并设定开度为0-100%还是O—-100%)，行程时间为0-30分钟。“微调器的开度”在所述人机界面中显示的数据是一个反馈数据。装置运行后，先由可编程序控制器CPU根据“烟气中氧含量”的数据与参数设定人机界面中的设定值，当其接收到新的指令后，经比较输出指令，微调器在0-30分钟以内，进行正转或反转，达到所需的开度，即完成了控制指令的要求并反馈一组稳态信号给可编程序控制器CPU，可编程序控制器CPU根据接收的反馈信号进行数据记忆存储同时关闭装置程序指令，闭环控制操作完成，一次氧含量微调动作也就完成了，之后再输出给人机界面的指定地址显示并监控，直到下一次氧含量数据的变化，再开始下一次联动微调进行炉况优化。所述“炉膛背压”和“燃气流量”分别采用微动差压变送器和带有压力温度补偿的流量计进行测量，其将测量到的信号转换为标况下的流量信号，同样是通过可编程序控制器CPU存储记忆后，再转换地址输送给人机数显操控单元的指定地址显示与监控。5)当前述第2)步中所述的设定项目超出设定范围时，自动控制单元I向安防故障报警单元传输需要报警提示的信号。三、所述“氧传感器参数设定”、“炉况优化设定”、“微调参数设定”、“燃气热值设定”和“报警参数设定”详述如下:1、“氧传感器参数设定”
点击“氧传感器参数设定”按键进入设定区，在此可设定一体化氧含量传感器的相关参数，主要包含有动态显示“氧传感器温度”值、“氧传感器控制目标值”、“电炉上限电压”、“电炉下限电压”和“温度自整定”设定框。一体化氧含量传感器内部的电化学检测元件处于最佳工作状态时的温度为700°C，因此，传感器集成电路内部自带加热功能并设有0-220伏的交流稳压器。“氧传感器温度”值由热电偶实时检测输出，而“氧传感器加热温度控制目标值”则需要设定为700°C，该温度的控制方式为固态继电器开关量控制，同时由于内部的电炉在不同的电压下会实现不同的加热速度，为了保证电炉的稳定加热，需将“电炉上限电压”设为50Vac (设定值范围为0_230Vac) “电炉下限电压”设为40Vac (设定值范围为0_230Vac)，参数设定完毕之后即可保证氧含量传感器的正常工作，以上所有设定值均由人机数显操控单元中的人机界面输入到可编程序控制器CPU内部制定的地址进行记忆运算与数据分析。热电偶所检测的氧传感器温度越接近700°C，则测得的氧含量越准确，当温度达不到或超越设定值很大时，可以点击“温度自整定”按钮来进行校正。参数设定完后，界面会自动提示“是” “否”保存数据，点击“是”则保存设定值并可进入下一个参数设定区。2、“炉况优化设定”点击“炉况优化设定”按键进入设定区，在此可设定炉况优化的相关参数，主要包含有“烟气中氧含量控制目标值”、“氧含量偏差控制设定值”和“排烟温度最低控制设定值”三个设定框。“烟气中氧含量控制目标值”为百分数，由于氧在空气中的含量为20.9%，该数值通过人机界面写入可编程序控制器CPU的软件中做为参比数据，将其作为烟气氧含量测定值的上限，这就使得加热炉燃烧后，烟气中氧含量的百分数=48.27X log(20.6/E) X 100%(E-放大后的氧电势值)的最大值为20.9%，即确定了烟气中氧含量的测量范围为0.0-20.9%，由于许多加热炉烟气中的含氧量都处于3-10%之间，因此初始默认值为3.0%(其设定范围为0.0-5.0%)。
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“氧含量偏差控制设定值”默认值0.5% (其设定范围为0.0-1.0%),当可编程序控制中运算得到的氧含量百分数〉目标值+偏差(=3.5%)时，微调器反转关挡板，适当减少进风量，当目标值-偏差(=2.5%) <可编程序控制中运算得到的氧含量百分数〈目标值+偏差(=3.5%)时微调器停止动作维持挡板开度，当可编程序控制中运算得到的氧含量百分数〈标值-偏差(=2.5%)时，微调器正转开挡板，适当增加进风量。通过上述动作可以稳定烟气中的含氧量，进而实现加热炉优化燃烧状态。“排烟温度最低控制设定值”的默认值为120°C (其设定范围为120-200)，当数字化温度变送器将温度信号转换为标准电信号输入给可编程序控制器CPU后，测量值与该设定值进行比较，当烟气温度低于120°c时，微调器锁定风门，保证排烟温度，防止烟囱腐蚀、结冰及化水回流。参数设定完后，界面会自动提示“是” “否”保存数据，点击“是”则保存设定值并可进入下一个参数设定区。3、“微调参数设定”点击“微调参数设定”按键进入设定区，在此可设定微调器的相关参数，主要包含有“装置启动流量设定值”、“微调器开度上限”和“微调器开度下限”设定框。其中“装置启动流量设定值”设定范围为0-10立方米/每小时，该值设定后通过人机界面把数据写入可编程序控制器CPU中记忆，当带有压力温度补偿的流量计传输给可编程序控制器CPU燃气流量的测量值后，系统将自动比较，当流量计测量值3 “装置启动流量设定值”时，装置将自动启动并联动微调器自动调节，当流量计测量值 < “装置启动流量设定值”时，装置默认燃烧设备没有启动，微调器自身也将保持现状。“微调器开度上限”用来设定微调器的最大开度，“微调器开度下限”用来设定微调器的最小开度，二者设定值范围均为0-100%，设定值通过人机界面被写入可编程序控制器CPU中，以此来限制微调器联动运行的动作范围。参数设定完后，界面会自动提示“是”“否”保存数据，点击“是”则保存设定值并可进入下一个参数设定区。4、“燃气热值设定”点击“燃气热值设定”按键进入设定区，在此可设定燃气热值的相关参数，主要包含有“人工设定热值”和“自动监测分析燃气热值”两个设定框。“人工设定热值”为用户提供数据手动输入人机界面中，可编程序控制器CPU内部程序应用这个数据进行计算“加热炉负荷率”、“燃烧器的负荷”(可编程序控制器CPU中的程序公式为:加热炉的负荷率等于燃烧器燃烧的负荷与加热炉设计的负荷比值的百分数，而燃烧器的负荷又等于燃气的热值与标准状况下燃气流量的乘积)。“自动监测分析燃气热值”则通过燃气成分检测传感器，检测燃气中不同成分的热值含量，通过可编程序控制器CPU中所编写的计算公式，即在程序中设定Cl...C7、02、N2、C02.(注:其中C1-C7为含碳化合物)多组分的体积分数与低热热值量的配方表，将监测的数据一一对应自动写入可编程序控制器CPU内部程序相应的地址，再利用公式寻址最后计算出多组分燃气热值，即=G= ( Σ (VC1R1....VC7R7)+V 02R 02+V N2R N2+VC02RC02)/100...(注:G—天然气低热值VCl—VC7为含碳化合物的体积分数，Rl—R7为含碳化合物的低热值，V 02为含氧的体积分数，R02为氧的低热值，V N2为含氮气的体积分数，R N2为氮气的低热值，V C02为含一氧化碳的体积分数，R C02为一氧化碳的低热值)。可编程序控制器CPU利用上述公式得出的数据可继续应用到“加热炉负荷率”、“燃烧器的负荷”的计算程序中，同时可编程序控制器CPU将结果输出给人机界面并在配方表相应的设定框内显示出燃气各组分的体积分数、低热值量与最后寻址计算所得的燃气热值数据。参数设定完后，界面仍会自动提示“是” “否”保存数据，点击“是”则保存设定值并可进入下一个参数设定区。5、“报警参数设定”点击“报警参数设定”按键进入设定区，在此可设定装置各类报警的相关参数，主要包含有“氧含量高报警”、“炉效低报警”和“超负荷报警”三个设定框及报警“消音”按键。“氧含量高报警”设定值直接由人机界面写入可编程序控制器CPU内部特定的程序段中，它主要用来设定烟气中检测的氧含量高报警值，即当可编程序控制器CPU内氧含量测量计算后的数据 > 氧含量高报警设定值时时，氧含量高报警装置会自动报警。“炉效低报警”的设定值也是直接由人机界面写入可编程序控制器CPU内部特定的程序段中，它主要用来设定炉效低报警值。当可编程序控制器CPU内炉效测量计算后的数据< 炉效低报警值时，炉效低报警装置会自动报警。“超负荷报警”的设定值也是直接由人机界面写入可编程序控制器CPU内部特定的程序段中，它主要用来设定加热炉燃烧设备超负荷的报警值。当可编程序控制器CPU内氧含量测量计算后的负荷数据 > 超负荷报警设定值时，超 负荷报警装置会自动启动，当出现报警时，点击“消音”按键即可消除。参数设定完后，界面会自动提示“是”“否”保存数据，点击“是”则保存，至此所有参数均已经设定完成，可返回“状态显示画面”点击“启动”按键，装置开始运行了，如果装置出现故障，“启动”按键将被锁定，启动后所有的工艺参数将被时时的采集，人机界面将进入可切换的操作流程。四、本发明的炉况优化监控装置具有以下功能:(I)可实现加热炉稳态时正反平衡炉效与负荷率的实时监控。(2)可实现加热炉运行时的各种温度、流量等参数记忆与监控。(3)可实现各种数据连续性变化趋势的比较、报警记录的分析、历史数据分析与存储比较系统，指导炉况安全分析与优化预防措施的实施。(4)可实现远程室内或就地设有数字化控制，抗干扰性强，操控方便。(5)可实现发生超负荷、低炉效以及罐内结淤、结垢严重等状况时装置将自动报警与燃烧联动优化。(6)装置运行平稳，加热炉运行工况安全高效可靠，实现加热炉优化燃烧、节能降耗。(7)可提高热炉及锅炉炉效，合理控制烟气含氧量排放过剩。(8)可合理控制排烟温度，延长烟囱使用寿命，提高温升时率。(9)增大机泵运转的有用功，提高机泵生产工艺系统的运行效率。(10)实现 空燃比的多参数串级联动控制及空燃比的微调控制。(11)设有其他系统兼容的外设接口及功能模块的扩展通道。(12)设有便捷的多数据配方查询设定系统可实现控制参数的配方数据处理与修正。 ( 13)在油田采油工艺中，提高加热时效，减少采油井热洗液体地层下的“倒灌”量。五、本发明的炉况优化监控装置技术指标(I)通讯方式:RS_232/422/485，工业以太网(2)控制系统工况温度:_45°C -50°C(3)加热炉温升时率提高5%以上，提高机泵系统运行效率2%以上；(4)控制信号传输方式:PT1004-20mA、l-5V等标准电信号(5)系统元件反应时间:1-2毫秒(6)加热炉能耗降低3%以上；(7)平均无故障工作时间:20000h(8)控制过程反应时间:2-3秒(9)报警频次:3次/秒(10)稳态时间:>lh(11)扩展输出:RLY、晶体管(12)数据储存:8G U盘或RS卡(13)加热炉效率保持在80-90%之间，平均可提高5%以上；(14)氧含量及烟气损失降低3%以上，(15)可以外接任意一款计算机及打印机并输出A4数据报表。
权利要求
1.一种炉况优化监控装置，包括自动控制单元(I)、人机数显操控单元和由自动控制单元(I)监控的设置于加热炉、燃烧器上的工艺参数监测单元(2)，其特征在于在燃烧器的进风口处还设有由自动控制单元(I)控制的燃烧设备优化单元，所述燃烧设备优化单元主要为氧含量微调器，该微调器包括带有优化指令接收微处理器的控制电路、与燃烧器进风口相接并与大气相通的通风管、置于通风管中可调节进风量大小的调风挡板及驱动调风挡板转动的驱动电机； 其还包括与自动控制单元(I)通讯连接的分别为记录、存储本装置中所有操作、监测信息的曲线记忆比较单元和对“加热炉排烟中氧含量过高”、“加热炉燃烧设备超负荷”和“力口热炉燃烧设备效率低”进行报警提示的安防故障报警单元。
2.根据权利要求I所述的炉况优化监控装置，其特征在于所述自动控制单元(I)由集成PLC控制单元(11)、外设输入单元、外设输出单元、安全隔离单元、信号分配单元构成，自动控制单元(I)将实时接收到的与“加热炉炉效”、“加热炉负荷率”、“环境温度”、“排烟温度”、“烟气中氧含量”、“微调器的开度”、“燃烧器的负荷”、“炉膛背压”和“燃气流量”相关的测量信号进行数据运算与分析后，向相关工艺设备发出联动控制指令和相关工艺参数的实时显示与监控，其中， 集成PLC控制单元(11)，主要由可编程序控制器(CPU)构成，其将由外设输入单元从工艺参数监测单元(2)获取的载有工艺参数信息的信号经运算和处理后，通过外设输出单元转化为工控信号传输给燃烧设备优化单元对所述的调风挡板的开度进行调节； 外设输入单元主要由数据锁存器、状态所锁存器、地址编码器、触发器、缓冲器、连接线路构成，主要用于其他计算机系统、仪表系统、工艺设备输入数据的接收与转换处理后传输给可编程序控制器(CPU)或存储记忆； 外设输出单元主要由数据锁存器、状态所锁存器、地址编码器、触发器、缓冲器、连接线路构成，其作用主要是将可编程序控制器(CPU)发出的数据进行相应的转换后输出给外部其他计算机系统、仪表系统、工艺设备，以实现驱动装置、控制电路或记忆存储的功能； 安全隔离单元主要由功率放大器、电阻、电容、三端稳压器、固态继电器、模拟量信号隔离器、二极管、连接线路构成，其作用主要是对各类仪表或其他计算机系统输入的各类信号进行调整，同时对外界各类干扰源进行隔离； 信号分配单元主要由中间继电器、信号分配器、连接线路构成，其作用是将各类仪表系统、外界计算计系统、工艺设备输入的单一的开关量或模拟量信号以及可编程序控制器(CPU)运算后要输出的单一开关量或模拟量信号，复制后同时输送给不同的接受设备或系统使用。
3.根据权利要求2所述的炉况优化监控装置，其特征在于所述工艺参数监测单元(2)包括外部信号测量传输单元、燃气流量测量设备、排烟温度测量设备、室外温度测量设备、防干扰设备、热电偶加热供电设备、炉膛负压测控设备、氧含量测控设备，其中， 所述外部信号测量传输单元为主控单元，主要由可编程序控制器(CPU)的扩展模块及其内部软件控制程序构成其中包含数字量的输入输出模块、数字量与模拟量转换模块、模拟量与数字量的转换模块以及连接线路构成，其将集中采集的实时测量的数据依据内部已经编写好的程序进行运算处理后，通过数据线传输给自动控制单元(I); 所述燃气流量测量设备的核心是设置于燃气输送管道内的燃气流量计，其将所测燃气流量信号经所述外部信号测量传输单元传给自动控制单元(I); 所述排烟温度测量设备与室外温度测量设备的核心是分别设置在烟箱内壁和室外环境中的温度传感变送器，其将所采集到的相关温度参数经所述外部信号测量传输单元传给自动控制单元(I)； 所述防干扰设备主要是接地金属与防雷器，它确保了各类工艺设备时刻处在稳定安全的运行当中，较好的屏蔽了静电、雷击或短路超负荷等干扰因素； 所述热电偶加热供电设备主要给氧含量测控设备提供电加热装置及测温用的热电偶。
所述氧含量测控设备主要为设置于烟道出口处的一体化氧检测传感器，该传感器由电化学元件和集成电路板构成，其将烟气排放中氧含量的检测值传输给自动控制单元(I); 所述炉膛负压测控设备主要是微压检测变送器，它作为系统运行的参比数据进行实时显不O
4.根据权利要求I所述的炉况优化监控装置，其特征在于所述曲线记忆比较单元主要由内部储存器、外部存储器、计数器、计时器、数据运算器、系统软件比较程序、人机组态软件读写界面构成。
5.一种炉况优化的方法，包括权利要求3所述的炉况优化监控装置，该优化方法步骤如下 1)将权利要求3所述的炉况优化监控装置的工艺参数监测单元(2)中所述的外部信号测量传输单元、燃气流量测量设备、排烟温度测量设备、室外温度测量设备、防干扰设备、热电偶加热供电设备、炉膛负压测控设备和氧含量测控设备安装就位，并接通其与自动控制单元(I)的连接； 2)进入人机数显操控单元后，分别对涉及“烟气中氧含量”的“氧传感器温度”值、“氧传感器控制目标值”、“电炉上限电压”、“电炉下限电压”和“温度自整定”的相关参数进行设定，对涉及“烟气中氧含量控制目标值”、“氧含量偏差控制设定值”和“排烟温度最低控制设定值”的炉况优化参数进行设定，对涉及“装置启动流量设定值”、“微调器开度上限”和“微调器开度下限”的相关参数进行设定，对涉及“人工设定热值”和“自动监测分析燃气热值”的相关参数进行设定，对涉及“氧含量高报警”、“炉效低报警”和“超负荷报警”的相关参数进行设定； 3)前述设定完成并启动运行后，人机数显操控单元将所述的各种参数设定值传输给自动控制单元(I)，由自动控制单元(I)发往曲线记忆比较单元储存； 4)自动控制单元(I)对所述的“加热炉炉效”、“加热炉负荷率”、“环境温度”、“排烟温度”、“烟气中氧含量”、“微调器的开度”、“燃烧器的负荷”、“炉膛背压”和“燃气流量”进行实时监控、检测，并将测量的相关参数信号进行数据运算与分析，继而向相关工艺设备发出联动控制指令和相关工艺参数的实时显示及将实时信息存储于曲线记忆比较单元； 5)当前述第2)步中所述的设定项目超出设定范围时，自动控制单元(I)向安防故障报警单元传输需要报警提示的信号。
6.根据权利要求5所述的炉况优化的方法，其特征在于所述“炉膛背压”和“燃气流量”分别采用微动差压变送器和带有压力温度补偿的流量计进行测量。
7.根据权利要求5所述的炉况优化的方法，其特征在于所述“烟气中氧含量”采用一体化氧检测传感器进行氧含量的测量，检测元件主要由热电偶、电炉、电化学检测元件和集成电路板构成，电化学检测元件最佳工作状态时的温度为700°C。
8.根据权利要求5所述的炉况优化的方法，其特征在于所述“环境温度”和“排烟温度”采用数字化温度变送器进行测量。
9.根据权利要求5所述的炉况优化的方法，其特征在于所述“微调器的开度”采用具有信号反馈功能的伺服电机与氧量控制挡板，其开度范围为-100—100%，也可以行程时间为0-30分钟。
全文摘要
本发明公开了一种改善加热炉或锅炉运行状况、提高效率和降低能耗的炉况优化监控装置。其在燃烧器的进风口处还设有由自动控制单元控制的主要为氧含量微调器的燃烧设备优化单元，该微调器包括带有优化指令接收微处理器的控制电路；其还包括曲线记忆比较单元和对“加热炉排烟中氧含量过高”等监测项目进行报警提示的安防故障报警单元。本发明采用综合配套的安防增效装置，集炉况整体优化、安全生产监控、机泵系统增效、自动调节操控与节能降耗于一体的设备监测和控制系统，使得配有本发明的加热炉或锅炉炉效增高、烟气含氧量排放减少、排烟温度和能源消耗降低，从而，增大加热炉或锅炉机泵运转的有用功，提高了其运行效率和延长了其使用寿命。
文档编号F22B35/00GK103256719SQ201310150610
公开日2013年8月21日 申请日期2013年4月27日 优先权日2013年4月27日
发明者刘永才 申请人:深圳市佳运通电子有限公司