通过气流压力和过程参数进行火焰稳定性监控的制作方法
【专利摘要】通过监控由气流测量值而计算的统计变量并监控与炉子(16)的操作相关的过程变量来监控炉子(16)。基于统计变量和过程变量来确定炉子(16)的异常操作。
【专利说明】通过气流压力和过程参数进行火焰稳定性监控
【背景技术】
[0001] 在处理厂中，燃烧器用于加热过程流体和烧尽废气。该种燃烧器在使用燃料气体 和诸如空气的氧气源的燃烧室中产生一种或多种火焰。燃料气体的数量或质量的变化，例 如燃料气体的BTU含量的变化，或者燃烧室中氧气的可获得性的变化可能会导致燃烧器火 焰的不稳定性。如果不能保持适当的燃料和氧气混合比，燃烧室可能会进入到亚化学计量 燃烧阶段，在该阶段中，不存在足够的氧气用于燃料的完全燃烧。亚化学计量燃烧可能导致 燃烧器火焰不稳定，并且如果没有立即校正的话，燃烧器火焰可能完全媳灭。该称为火焰媳 灭。
[0002] 迅速检测到火焰媳灭是非常重要的，该是因为在火焰媳灭之后，未燃烧的燃料填 充燃烧室。如果该燃料被点燃，则可能发生爆炸，由此损坏燃烧器/加热器。
[0003] 火焰特性的一种计量是燃烧室气流（firebox化aft)，可W通过测量燃烧室内的 压力和燃烧室外的压力之间的压力差来测量所述燃烧室气流。该压力差称为气流压力或者 气流测量值。近年来，统计处理监控技术已经用于燃烧室气流测量。在统计处理监控中，燃 烧室气流的压力值W统计学的方式被处理W确定压力样本的均值和标准差。气流压力的标 准差然后用于检测火焰稳定性。
【发明内容】
[0004] 通过监控由气流测量值计算的统计变量并监控与燃烧器的操作有关的过程变量 来监控燃烧器。基于统计变量和过程变量来确定燃烧器的异常操作。
[0005] 根据进一步的实施例，用于监控燃烧器的系统包括；气流测量装置，其提供加热器 的气流的测量值；统计计算模块，其用于基于气流测量值计算统计值。一个或多个过程测量 装置测量与燃烧器有关的一个或多个过程变量。一模块基于测量的过程变量、统计值和代 表燃烧器的正常操作期间统计值和过程变量之间的关系的参数来识别燃烧器的异常操作。
[0006] 在进一步的实施例中，设备包括火焰稳定性计算器，该火焰稳定性计算器接收过 程变量的值、气流测量值的统计值、代表所述过程变量的值和所述气流测量值的统计值之 间的关系的参数，并且火焰稳定性计算器生成指示火焰稳定性的稳定性值。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1是示例性处理厂控制诊断网络的方块图；
[000引图2是现场装置和工作站中的用于实现多种实施例的电路元件的方块图；
[0009] 图3是作为时间的函数的气流压力的标准差的图表；
[0010] 图4是作为时间的函数的燃烧率的图表；
[0011] 图5是作为时间的函数的气流压力的标准差的图表；
[0012] 图6是作为燃烧率的函数气流压力的标准差的图表，其示出了在火焰不稳定期间 的标准差/燃烧率对；
[0013] 图7是在火焰不稳定测试期间作为时间的函数的气流压力的标准差的图表；
[0014] 图8是在图7的火焰不稳定性测试期间作为时间的函数的燃烧率的图表；
[0015] 图9是用于识别燃烧器中的异常情况的元件的方块图；
[0016] 图10是确定燃烧器中的异常情况的方法的流程图；
[0017] 图11是在燃烧器测试期间气流压力的标准差的图表；
[0018] 图12是在图11的燃烧器测试期间燃烧率的图表；
[0019] 图13是在图11的燃烧器测试期间的稳定性值的图表；
[0020] 图14是在第二燃烧器测试期间气流压力的标准差的图表；
[002。 图15是在图14的燃烧器测试期间燃烧率的图表拟及
[0022] 图16是在图14的燃烧器测试期间稳定性值的图表。
[0023] 具体实现方式
[0024] 图1是示例性处理厂控制诊断网络10的方块图，所述控制诊断网络10包括经由 通信链路15联接到工作站14的过程控制器12。通信链路15可W包括例如W太通信连接 或者任何其他类型的有线、光学或无线通信连接。另外，通信链路15可W是连续或者断续 链路。控制器12也可W经由输入/输出（I/O)装置（未示出）和一系列通信线或总线18 而联接到处理厂内的装置或设备。在图1的示例中，控制器12联接到与加热器单元16(例 女口，原油加热器、流体加热器、精炼加热器、载料加热器（charge heater)、供料加热器（feed heater)、真空加热器、液体加热器、蒸觸培加热器、管道加热器、存储加热系统等）有关的 装置和设备。控制器12例如仅仅W示例的形式为由血erson process Management, Inc. 出售的DeltaV?控制器，并能够与诸如现场装置和现场装置中分布在整个处理场的功能块 的控制元件通信W执行一个或多个过程控制程序，由此执行对加热器单元16的期望控制。 该些过程控制程序可W是连续或批量处理过程控制程序或过程。工作站14(其可W包括例 如个人计算机、服务器等）可被一个或多个工程师或操作员使用W设计由控制器12执行的 过程控制程序，与控制器12通信W下载该些过程控制程序，在处理厂的操作期间接收和显 示与加热器单元16有关的信息，并W其他方式与由控制器12执行的过程控制程序互相作 用。
[00巧]工作站14包括存储装置（未示出），该存储装置用于存储诸如结构设计应用、保养 应用、用户界面应用和诊断应用的应用，还用于存储与加热器单元16的结构有关诸如结构 数据、保养数据、诊断数据等的数据。除此之外，工作站14还包括执行能够使用户设计过程 控制程序和将该些过程控制程序下载到控制器12的应用的处理器（未示出）。类似地，控 制器12包括存储器（未示出），其用于存储结构数据和用于控制加热器单元16的过程控 制程序，并且包括执行过程控制程序W实施过程控制策略的处理器（未示出）。如果控制 器12是DeltaV?控制器，那么该控制器与由工作站14执行的一个或多个应用相结合可W 将控制器12内的过程控制程序的图表解说提供给用户，从而说明该过程控制程序内的控 制元件和该些控制元件被构造W提供对加热器单元16的控制的方式。
[0026] 在如图1所示的示例性处理厂控制诊断网络10中，控制器12经由总线18 W能够 通信的方式联接到加热器单元16。加热器单元16包括炉子20和烟道22,其中过程流体经 过炉子20并且通过炉子20被加热。烟道22中的风口装置24调节空气流和/或气流压 力，并且燃料阀26调节到炉子的燃料。虽然在图1中示出了自然气流炉子，但是W下的实 施例也可使用强制气流炉子、平衡气流炉子和诱导气流炉子。加热器单元16还可W包括多 个感测装置，例如，与燃料流相关的感测装置、与过程流体流相关的感测装置、与燃料的BTU 大小相关的感测装置、与炉子相关的感测装置、与烟道相关的感测装置。在示例性加热器单 元16中，压力感测装置32可W用于感测燃料压力，而流动感测装置33可W用于感测阀26 下游的燃料流，W及BTU测量装置27可W用于实时地测量燃料的BTU大小。BTU测量装置 27和流量感测装置33可组合W提供单个装置，该单个装置提供加热器的燃烧率或加热速 率。
[0027] 温度感测装置34可W用于感测温度，而流动感测装置35可W用于感测离开炉子 22的过程流体的流动。虽然在图1中示出了流体只经过炉子20-次，但是在典型的加热器 单元中，过程流体可多次通过炉子，并且温度感测装置（未示出）和/或流动感测装置（未 示出）可W在每次流体经过之后感测过程流体的温度和/或流动。一个或多个感测装置可 W用于感测炉子内的状态，包括C0感测装置36、气流压力感测装置37、〇2感测装置38和温 度感测装置40。气流压力测量装置37测量炉子或燃烧室内部与外部大气之间的压差，由此 提供进入到炉子内的空气流的测量值。类似地，一个或多个传感器装置可W用于感测烟道 中的状态，包括温度感测装置42、压力感测装置44、〇2感测装置46和空气流感测装置48。 具体的实施方式可W省略该些传感器装置中的一个或多个。例如，虽然在图1中示出了化 感测装置38和〇2感测装置46,但是典型的加热器单元可W只具有一个与烟道或者炉子相 关的〇2感测装置。
[002引如图1所示，控制器12经由总线18 W可通信的方式联接到风口装置24、阀装置 26和感测装置32-38、40、42、44、46、48和70 W控制该些元件的操作和/或接收来自该些元 件的数据。当然，控制器12能够经由另外的总线、经由诸如4-20毫安线路、HART通信线路 等的专用通信线路联接到加热器单元16的元件。
[0029] 如图1所示的阀、传感器和其他设备可W是任何期望种类或类型的设备，包括例 如现场总线现场装置、标准4-20毫安现场装置、HART现场装置等，并且可W使用诸如现场 总线协议、HART协议、4-20毫安模拟协议等的任意已知或期望的通信协议与控制器12通 信。此外，其他类型的装置可W任何期望的方式连接到控制器12和由控制器12控制。此 夕F，其他控制器可经由例如通信链路15连接到控制器12和/或工作站14 W控制与处理厂 有关的其他装置或区域，并且该些额外的控制器的操作可任何期望或已知的方式与如 图1所示的控制器12的操作协同。
[0030] 对于炉子20,例如，除了或代替可W使用C0感测装置36、压力感测装置37、化感测 装置38和温度感测装置40,还可W使用一个或多个其他感测装置。对于烟道22,例如，除 了或代替可W使用温度感测装置42、压力感测装置44、〇2感测装置46和空气流传感器48， 还可W使用一个或多个其他感测装置。例如，除了如图1所示的装置之外或者替代该些装 置中的一个或多个，还可W使用与烟道22有关的C0感测装置。
[0031] 感测装置32-38、40、42、44、46、48和70中的一个或多个中的每一个都可^包括存 储器（未示出），该存储器用于存储诸如用于实施与由感测装置所感测到的一个或多个过 程变量有关的统计数据的生成和采集的程序的程序。感测装置32-38、40、42、44、46、48和 70中的一个或多个中的每一个还可W包括处理器（未示出），该处理器执行诸如用于实施 统计数据的生成和采集的程序。由感测装置存储和执行的程序可W包括用于生成、采集和 /或处理与感测装置相关的统计数据的一个或多个模块。该模块可W包括例如高级诊断模 块（ADB)，该高级诊断模块是已知的基础现场总线功能模块，该基础现场总线功能模块能够 被添加到现场总线装置W生成、采集和处理现场总线装置中的统计数据。也可使用其他类 型的模块或模组W生成和采集装置数据，并且计算、确定和/或处理该些数据的一个或多 个统计测量值或参数。此外，该感测装置不需要包括现场总线装置。此外，可W通过感测装 置中的软件、固件和/或硬件的任意组合来执行统计数据的生成、采集和/或处理模块。
[0032] 例如，测量加热器10中的气流压力的压力感测装置37可W包括用于存储诸如执 行与由压力感测装置37所感测和取样的气流压力相关的统计数据的生成和采集的程序的 程序的存储器（未示出）。压力感测装置37还可W包括处理器（图2所示），该处理器执 行用于实施统计数据的生成、采集和通信的程序的程序。由压力感测装置37存储和执行的 程序可W包括用于生成、采集和/或处理与压力感测装置37相关的统计数据的一个或多个 模块。提供统计值的模块被称为统计处理监控模块。例如，该些模块可W包括ADB或一些 其他类型的统计数据采集模块。然而，压力感测装置37不需要包括现场总线装置。
[0033] 术语"统计处理监控模块（SPM)"在该里用于描述对至少一个过程变量或其他过程 参数执行统计处理监控的功能，并且可W通过由装置或装置内或甚至在采集数据的装置的 外部所执行任何期望的软件、固件或硬件来执行该些功能。可W理解到，因为SPM通常由采 集装置数据的装置或该作为该装置的一部分来执行，所WSPM能够获得数量上和质量上更 加精确的过程变量数据。因此，对于采集到的过程变量数据而言，与在采集过程变量数据的 装置外执行的模块相比，SPM模块通常能够更好地确定统计计算结果。
[0034] 虽然SPM模块在此文中已经被描述为高级诊断模块（ADB)的子元件，但是替代地 SPM模块可W是位于装置中的单独的模块。此外，虽然此文中讨论的SPM模块可W是已知 的基础现场总线SPM模块，但是术语"统计处理监控模块（SPM)"在该里用于表示任意类型 的采集诸如过程变量数据等的数据并对该数据执行一些统计处理W确定诸如均值、标准方 差等的统计测量值的模块或元件。因此，该术语旨在涵盖执行该功能的软件、固件、硬件和 /或其他元件，而不论该些元件在形式上是否是功能模块，或者其他类型的模块、软件程序、 程序或元件，并且不论该些元件是否符合基础现场总线协议或者诸如Prof ibus、HART、CAN 协议等的一些其他协议。
[003引可W通过控制器12和通信链路15使诸如工作站14的外部客户端获得由SPM模 块中的一些或所有采集和生成的数据。另外或可选地，可W通过通信服务器60使工作站 14获得由SPM模块中的一些或所有采集和生成的数据。通信服务器60可W例如包括过程 控制（0P巧服务器的对象链接和嵌入（OLE)、被构造成在(X'aUoiiK.通信网络中运行的服务 器、网络服务器等。通信服务器60可W经由诸如无线连接、固线连接、间歇连接（例如，使 用一个或多个手持装置的间歇连接）等的通信链路，或经由使用任何期望或合适的通信协 议的其他任何期望的通信连接而接收由SPM模块中的一些或所有采集和生成的数据。当 然，本文描述的通信连接中的任意一个可W使用0PC通信服务器W通用或相容的格式集成 从不同类型的装置接收到的数据。
[0036] 此外，可W在工作站、服务器、个人计算机等或与现场装置分离的其他现场装置中 实施SPM模块W在采集或生成原始数据（例如，压力数据、温度数据、化数据等）的现场装 置的外部执行统计处理监控。因此，例如，一个或多个SPM模块能够由工作站14实施。该 些SPM模块能够经由例如控制器12或通信服务器60采集原始压力数据并且能够计算压力 数据的一些统计测量值或参数，诸如均值、标准差等。虽然该些SPM模块没有位于采集数据 的现场装置中，因此通常由于压力数据的通信需求而不能采集足够多的压力数据W执行统 计计算，但是该些SPM模块有助于确定不具有或不支持SPM功能的装置的统计参数。因此， 将要理解的是，在下面的讨论中，所描述的将由SPM模块生成的任何统计测量值或参数可 W通过由现场装置或由其他装置实施的SPM模块生成。
[0037] 在操作中，控制器12可W经由阀26控制到炉子的燃料流。温度感测装置34可W 提供指示离开炉子20的过程流体的温度。另外地，控制器12可W经由风口装置24控制空 气流和/或气流压力。
[0038] SPM模块接收由现场装置生成的过程信号并且计算过程信号的统计参数。该些统 计参数例如可W包括过程信号的标准差、均值、样本差、均方根（M巧、变化范围（AR)、变 化率（R0C)、过程信号的最大值、过程信号的最小值中的一个或多个。用于生成该些参数的 公式的示例包括：
【权利要求】
1. 一种监控燃烧器的方法，所述方法包括以下步骤： 监控由气流测量值计算出的统计变量； 监控与燃烧器的操作相关的至少一个过程变量；以及 基于所述统计变量和所述过程变量确定燃烧器的异常操作。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述统计变量包括标准差。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，在气流测量装置中计算所述统计变量。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，另外的过程变量包括燃烧率。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述异常操作包括下列情况中的一种或多种：不稳 定的燃烧器火焰、低过剩氧量、亚化学计量燃烧、或火焰熄灭。
6. 如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤： 确定所述统计变量和所述另外的过程变量之间的观测关系。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述关系是线性的。
8. 如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤： 确定稳定性值。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，基于所述统计变量和所述另外的过程变量的比值 来确定所述稳定性值。
10. 如权利要求6所述的方法，其中，所述统计变量是标准差，而所述另外的过程变量 是燃烧率。
11. 如权利要求6所述的方法，其中，对所述统计变量和所述另外的过程变量之间的观 测关系进行曲线拟合。
12. 如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤： 当所述统计变量的当前值明显地不同于所述统计变量和所述另外的过程变量的之间 的观测关系时，检测到异常情况。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，一个或多个统计过程控制（SPC)规则用于确定所 述统计变量的当前值在统计学上不同于所述统计变量和所述另外的过程变量之间的观测 关系。
14. 一种用于监控燃烧器的系统，包括： 气流测量装置，其提供加热器的气流的测量值； 统计计算模块，其用于基于所述气流测量值计算统计值； 过程测量装置，其用于测量与所述燃烧器有关的过程变量； 模块，其用于基于测量的过程变量、所述统计值和代表所述燃烧器的正常操作期间所 述统计值和所述过程变量之间的关系的参数来识别所述燃烧器的异常操作。
15. 如权利要求14所述的系统，其中，代表所述统计值和所述过程变量之间的关系的 参数指示所述统计值和所述过程变量之间的线性关系。
16. 如权利要求14所述的系统，其中，用于识别异常操作的模块由所述气流测量值、测 量的过程变量和所述参数确定稳定性值。
17. 如权利要求16所述的系统，其中，所述统计值包括气流压力的标准差。
18. 如权利要求17所述的系统，其中，所述过程变量包括炉子的燃烧率。
19. 如权利要求17所述的系统，其中，所述过程变量包括炉子的体积燃料率。
20. 如权利要求17所述的系统，其中，所述异常操作是如下所述情况中的一种或多种： 不稳定的燃烧器火焰、低过剩氧量、亚化学计量燃烧、或火焰熄灭。
21. -种包括火焰稳定性计算器的设备，所述火焰稳定性计算器接收过程变量的值、气 流测量值的统计值、以及代表所述过程变量的值和所述气流测量值的统计值之间的关系的 参数，并且生成指示火焰的稳定性的稳定性值。
22. 如权利要求21所述的设备，还包括异常情况检测模块，其基于所述稳定性值来确 定所述燃烧器是否存在异常情况。
23. 如权利要求21所述的设备，其中，气流测量值的统计值包括气流压力的标准差，而 所述过程变量包括燃烧器的燃料率。
24. 如权利要求23所述的设备，其中，所述参数包括描述一曲线的参数。
【文档编号】F23N5/00GK104487771SQ201380038686
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年9月19日 优先权日:2012年9月21日
【发明者】约翰·P·米勒, 约瑟夫·H·夏普 申请人:罗斯蒙特公司