甲醇燃烧器控制器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种甲醇燃烧器控制器及其控制方法，本发明根据实测压力，通过查询燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图，得到不同压力下燃料、空气和助燃剂之间的比例关系，并根据实测压力与锅炉设定目标压力的差值，通过查询PID参数脉谱图自动调节PID的参数，当锅炉设定目标压力与实测压力相差很大时，PID自动加大调节步长，当锅炉设定目标压力与实测压力接近时，PID自动减小调节步长；单片机模块基于燃料、空气和助燃剂的比例关系以及PID参数，调节燃料、空气和阻燃剂的流量。本发明能够合理控制燃料、空气、助燃剂的流量，提高了锅炉燃烧的效率和降低了有害气体的排放。
【专利说明】
甲醇燃烧器控制器及其控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于燃烧器用控制器，具体设及一种甲醇燃烧器控制器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 相对于燃煤、燃油和燃气锅炉，水裂解氨助燃甲醇锅炉在污染物排放方面有明显 优势。水裂解氨助燃甲醇锅炉的燃料燃烧更彻底充分，燃烧溫度更高，相对于燃煤锅炉，水 裂解氨助燃甲醇锅炉具有更高的热效率，燃烧后废气中的粉尘、二氧化硫及氮氧化物的浓 度比燃煤、燃油及燃气锅炉的低很多，同时其成本也比其他燃料低很多。
[0003] 为了满足锅炉燃烧数字化的发展需要，降低锅炉燃烧的排放，改善锅炉燃烧的经 济性，有必要开发一种甲醇燃烧器控制器。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种甲醇燃烧器控制器及其控制方法，能合理控制燃料、空 气、助燃剂的流量，W提高锅炉燃烧的效率和降低有害气体的排放。
[0005] 本发明所述的甲醇燃烧器控制器，包括电源模块、开关驱动模块、电流驱动模块、 信号采集模块和单片机模块；
[0006] 所述电源模块分别与开关驱动模块、电流驱动模块、信号采集模块、单片机模块电 连接，为各模块提供稳定的直流电源；
[0007] 所述信号采集模块与单片机模块电连接，所述信号采集模块包括锅炉压力采集单 元，用于采集锅炉内的压力并传送给单片机模块；
[000引所述单片机模块内存储有燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图和PID参数脉谱图， 单片机模块根据实测压力，通过查询燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图，得到不同压力下 燃料、空气和助燃剂之间的比例关系，并根据实测压力与锅炉设定目标压力的差值，通过查 询PID参数脉谱图自动调节PID的参数，当锅炉设定目标压力与实测压力相差很大时，PID自 动加大调节步长，当锅炉设定目标压力与实测压力接近时，PID自动减小调节步长;单片机 模炔基于燃料、空气和助燃剂的比例关系W及PID参数，控制燃料、空气和助燃剂的流量，并 发出对应控制指令；
[0009] 所述电流驱动模炔基于单片机模块所发出的指令控制燃烧器中用于调节助燃剂 流量的第一调节组件，该电流驱动模块与单片机模块电连接；
[0010] 所述开关驱动模炔基于单片机模块所发出的指令控制燃烧器中用于调节燃料流 量和空气流量的第二调节组件。
[0011] 所述诊断模块与开关驱动模块和电源模块电连接，诊断模块在诊断出燃烧器中各 开关型负载出现短路、断路和过溫异常时发出报警指示。
[0012] 所述单片机模块还具有通讯接口，用于与外部设备进行通讯。
[0013] 所述信号采集模块还包括：
[0014] 用于采集火焰燃烧信号的火焰探测器采集单元；
[0015] 用于采集风压信号的风压传感器采集单元；
[0016] W及用于采集燃料压力信号的燃料压力采集单元。
[0017] 本发明所述的甲醇燃烧器的控制方法，采用本发明所述的甲醇燃烧器控制器，包 括W下步骤：
[0018] 步骤1、锅炉压力采集单元实时采集锅炉内的压力并传送给单片机模块；
[0019] 步骤2、单片机模块根据实测压力，通过查询燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图， 得到不同压力下燃料、空气和助燃剂之间的比例关系，并根据实测压力与锅炉设定目标压 力的差值，通过查询PID参数脉谱图自动调节PID的参数，当锅炉设定目标压力与实测压力 相差很大时，PID自动加大调节步长，当锅炉设定目标压力与实测压力接近时，PID自动减小 调节步长;单片机模炔基于燃料、空气和助燃剂的比例关系W及PID参数，得出燃料、空气和 阻燃剂的流量，并发出对应控制指令；
[0020] 步骤3、电流驱动模炔基于单片机模块所发出的指令控制第一调节组件，开关驱动 模炔基于单片机模块所发出的指令控制第二调节组件，实现自动调节燃料、空气和助燃剂 的流量。
[0021] 所述诊断模块在诊断出燃烧器中各开关型负载出现短路、断路和过溫异常时发出 报警指示。
[0022] 还包括锅炉压力检测、燃烧状态检测W及控制自检，在出现某些错误时能够安全 停机W及产生相应的提示。
[0023] 本发明具有W下优点：
[0024] (1)能够根据锅炉压力合理控制燃料和空气的供给量，并能匹配适当的助燃剂，提 高了锅炉燃烧的效率，降低了有害气体的排放。
[0025] (2)该甲醇燃烧器控制器对锅炉压力进行闭环控制，且对不同压力段进行了分段 PID控制，能够使锅炉压力快速稳定在目标压力。
[0026] (3)在锅炉点火前，根据压力传感器对燃料泄露情况进行自检，在燃烧过程中，实 时监测锅炉压力和燃烧状态，同时电路内部有自检模块，在出现异常情况时能够自动进入 安全模式并提示错误。
[0027] (4)甲醇燃烧器控制器的内部包含电源模块，能够输出不同供电电压，满足不同传 感器供电需要。
[0028] (5)该甲醇燃烧器控制器能够适应于多种型号的锅炉，通用性好。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的原理框图；
[0030] 图2是本发明的流程图；
[0031 ]图3是本发明中电流驱动模块的电路原理图；
[0032] 图4是本发明中锅炉压力采集单元的电路原理图；
[0033] 图5是本发明中火焰探测器采集单元的电路原理图；
[0034] 图6是本发明中诊断模块的电路原理图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0036] 如图1所示的甲醇燃烧器控制器，包括电源模块1、开关驱动模块2、电流驱动模块 3、诊断模块4、信号采集模块5和单片机模块6。该甲醇燃烧器控制器是为W甲醇为燃料，W 水蒸汽裂解氨作为助燃气的锅炉燃烧器设计的，可W根据设定的锅炉压力，自动控制燃烧 器的燃烧状态。
[0037] 如图1所示，所述电源模块1分别与开关驱动模块2、电流驱动模块3、诊断模块4、信 号采集模块5、单片机模块6电连接，该电源模块1通过内部的AC-DC变换电路，能够产生5V和 24V的电压，为各模块W及设在燃烧器和/或锅炉内的各传感器(包括:用于检测锅炉内压力 的压力传感器，用于检测燃料压力的燃料压力传感器，用于检测风压信号的风压传感器，W 及用于探测火焰信号的火焰探测器等)供电。
[0038] 如图1所示，所述信号采集模块5与单片机模块6电连接，用于采集设在燃烧器和/ 或锅炉内各传感器所检测的信号并传送给单片机模块6,该信号采集模块5包括锅炉压力采 集单元、火焰探测器采集单元、风压传感器采集单元和燃料压力采集单元。其中：锅炉压力 采集单元用于采集锅炉内的压力。火焰探测器采集单元用于采集火焰探测器所检测的火焰 燃烧信号，单片机模块通过该信号实时监测燃烧器是否正常燃烧。风压传感器采集单元用 于采集风压传感器所检测的风压信号，单片机模块通过该风压信号来判断燃烧器内是否有 空气连续进入。燃料压力采集单元用于采集燃料压力传感器所检测的燃料压力信号，单片 机模块通过该燃料压力信号判断燃烧器的燃料供给系统是否有泄漏，在燃烧器点火前，需 确保燃料无泄漏。
[0039] 如图1所示，所述单片机模块6内存储有燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图和PID 参数脉谱图（参见表1)，单片机模块6根据实测压力，通过查询燃料、空气及助燃剂比例关系 脉谱图（参见表2)，得到不同压力下燃料、空气和助燃剂之间的比例关系，并根据实测压力 与锅炉设定目标压力的差值，通过查询PID参数脉谱图自动调节PID的参数，当锅炉设定目 标压力与实测压力相差很大时，PID自动加大调节步长，当锅炉设定目标压力与实测压力接 近时，PID自动减小调节步长;单片机模块6基于燃料、空气和助燃剂的比例关系W及PID参 数，得出燃料、空气和阻燃剂的流量，并发出对应控制指令。单片机模块6还具有通讯接口， 用于与外部设备进行通讯。
[0040]
[0041] 表 1
[0042] 表1中，P功锅炉实时压力，每200ms采集一次Pi,Pt为设定的目标压力。目标压力范 围为0.5~20bar。根据I Pi-Pt I查询脉谱图，用插值法获取PID参数Kp、Ki和KcL注意：表中的 数值不具有代表性，PID参数的取值会受到锅炉型号、燃料累功率、伺服电机的量程等因素 影响，实际取值要在燃烧器安装好后进行标定试验，根据锅炉压力曲线图对PID参数脉谱图 进行标定。
[004；3] AKout=Kp ? (ei_ei-i)+Ki ? ei+Kd ? (ei+ei-2_2ei-i)
[0044] 公式中Gi = Pi-Pt, A Kout为燃料控制伺服电机输出变化量，单位为度，A Kout每Is计 算一次。为了减少锅炉压力相对稳定时，燃料伺服电机不必要的动作，控制器内部设定了最 小调节量为±2°，即当I A Kout I <2时，放弃本次PID调节。
[0045]
[0046] 表 2
[0047] 表2中，Knut为燃料伺服电机输出的角度，输出范围为0~130°，Ka为风口开度的比 例，1代表风口全开。Kb为比例阀开度比例，1代表比例阀全开。根据Kwt查询脉谱图，用插值 法获取参数Ka和Kb。注意:表中的数值不具有代表性，Ka和Kb的取值由空气累功率、伺服电机 的量程、风口尺寸、助燃剂浓度等因素共同决定，实际取值要在燃烧器安装好后进行标定试 验，对尾气CO浓度进行测定，获取最佳比例系数。
[004引例：锅炉压力为0,燃料伺服电机输出K0ut = 40°，设定目标压力为IObar;通过查询 PID参数脉谱图，得到Kp = 0.25 ,Ki = 0.02 ,Kd = O，此时Si= 10,设定目标压力前，目标压力 默认为0，所Wei-i = ei-2 = 0。那么设定目标压力后，在PID调节时间片中，计算得到A Kwt = 2.7°，此时，控制器会调节燃料伺服电机输出到42.7°，同时查表2确定Ka = O . 357 ,Ka = 0.320。
[0049] 如图1所示，所述电流驱动模块3基于单片机模块6所发出的指令控制燃烧器中用 于调节助燃剂流量的第一调节组件，该电流驱动模块3与单片机模块6电连接。
[0050] 如图1所示，所述开关驱动模块2基于单片机模块6所发出的指令控制燃烧器中用 于调节燃料流量和空气流量的第二调节组件。
[0051] 如图1所示，所述诊断模块4与开关驱动模块2电连接，诊断模块4在诊断出燃烧器 中各开关型负载出现短路、断路和过溫异常时发出报警指示;能够有效避免因为意外电路 故障导致燃烧器失控的安全隐患。本发明的软件部分包含错误诊断算法，包含了锅炉压力 检测、燃烧状态检测W及控制自检，在出现某些错误时能够安全停机W及产生相应的提示。
[0052] 本实施例中燃烧器的第一调节组件为比例阀，通过比例阀调节助燃剂流量。
[0053] 本实施例中燃烧器中的第二调节组件为两个伺服电机，一个伺服电机用于驱动燃 气蝶阀的开度，另一个伺服电机用于控制风口挡板的开度来调节进风量。本发明通过电流 驱动模块3用于输出4mA~20mA的电流，控制比例阀的调节，从而达到控制助燃剂的流量。本 发明通过开关驱动模块2来控制伺服电机的相位，从而达到控制空气的流量和燃料的流量。 开关驱动模块2还用于控制其他开关型执行器，比如:燃料电磁阀（用于控制燃料管道的开 关）、点火器和交流接触器等。
[0054] 本发明所述甲醇燃烧器控制器还包括外壳和连接件，该外壳采用侣合金材料，压 力铸造成型，能够达到IP66W上的防护等级，其性能包括:耐盐雾腐蚀、防水、抗冲击。连接 件使用美国军标标准，满足MIL_C_26482标准。壳体与连接件保证控制器在各种现场环境中 可正常工作，并减小了控制器对外界环境的电磁干扰。
[0055] 本发明在标定过程中，需要针对具体锅炉型号适当的调整相应参数，通过实际操 作标定PID参数脉谱图和燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图，使得控制器能合理控制燃 料、空气、助燃剂的供给量，从而使锅炉内的压力在正常的范围内波动。
[0化6] 如图3所示，本发明中所述电流驱动模块3包括忍片U6 (型号为XTRl 11)、忍片呪（型 号为AD5310)、电容C13、电容C14、电容C15、电容C18、电容C19、电阻R31~R36,电阻R40~ R44、二极管D1、S极管Ql和MOS管Q2,其中：忍片U6的1脚经电容C13接地，忍片U6的5脚依次 经电阻R32与其4脚连接，忍片U6的5脚还经电容C14后接地，忍片U6的4脚还经电阻R33后接 地，忍片U6的6脚依次经电阻R34、二极管Dl后接地，忍片U6的7脚经R36后接地，忍片U6的10 脚和11脚均接地，忍片U6的3脚分别与S极管Ql 1的集电极、MOS管Q2的栅极连接，忍片U6的2 脚与S极管Qll的发射极连接，忍片U6的9脚接地。S极管Qll的发射极还经电阻R31分别与 S极管Qll的基极、MOS管Q2的源极连接，MOS管Q2的漏极经电容C15后接地，MOS管Q2的漏极 还与电阻R35的一端连接。忍片呪的1脚与电阻R40、电容C18接地，忍片呪的2脚经电容C19后 接5V电源，忍片呪的3脚接5V电源，忍片呪的4脚与电阻R44的一端连接，忍片呪的5脚与电阻 R42的一端连接，忍片呪的6脚与电阻R41的一端连接。
[0057]图如4所示，本发明所述的锅炉压力采集单元包括忍片U3(型号为AD8628)、忍片U4 (型号为AD8628)、电阻R23~电阻R30,电容口 W及电容C7~电容C12。其中：忍片U3的4脚与 其1脚连接，忍片U3的3脚经电容C10接地，忍片U3的3脚还经电阻R29接地，忍片U3的3脚还经 电阻328接5￥电源，忍片1]3的2脚接地，忍片1]3的1脚还经电阻1?0、电容(：12后接地，忍片1]3的 5脚经电容Cll接地。忍片U4的4脚经电阻R27后与电容C12和电阻R30的连接点连接，忍片U4 的3脚经电阻R23、电阻R25后接地，忍片U4的3脚还经电容C7接地，忍片U4的2脚接地，忍片U4 的5脚接5V电源，忍片U4的5脚还经电容C8接地，忍片U4的1脚经电阻R26、电容C9接地，忍片 U4的1脚还经电阻R24与忍片U4的4脚连接。
[005引如图5所示，本发明中所述火焰探测器采集单元包括电阻R12,电阻R12的一端接 地，另一端分别与Fire-、AN2连接，Fire+接5V电源。
[0化9] 如图6所示，本发明中所述诊断模块4包括忍片U9(其型号为TLE8110邸）、电阻R46、 电阻R47、电阻R52、电阻R54、电阻R56、电阻R57、电阻R64、电阻R65、电阻R68、电阻R69、电阻 尺70、电阻373、电阻1?78、电阻1?85、电阻1?86、电阻1?87、电阻1?88、电阻1?89、电阻1?90、电阻1?92、 电容C32、电容C33、电容C25、电容C44、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、 二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、二极管D13和二极管T2。其中：忍片U9的0脚、1 脚、18脚、19脚、23脚、32脚和36脚均接地;忍片U9的8脚经电容C44后接地;忍片U9的8脚还经 电阻R92后接5V电源;忍片U9的5脚经电阻R89接3.3V电源;忍片U9的4脚经电阻R87接3.3V电 源;忍片U9的21脚经二极管D13接VIN;忍片U9的20脚经二极管D12接VIN;忍片U9的34脚经二 极管Dll接VIN;忍片U9的35脚经二极管DlO接VIN;忍片U9的24脚经二极管D9接VIN;忍片U9 的31脚经二极管D8接VIN;忍片U9的25脚经二极管D7接VIN;忍片U9的26脚经二极管D6接 VIN;忍片U9的29脚经二极管D5接VIN;忍片U9的30脚经二极管D4接VIN;忍片U9的10脚经电 容C25后接地，忍片U9的10脚还经电阻R47接3.3V电源;忍片U9的2脚与电阻R52的一端连接； 忍片U9的3脚与电阻R54的一端连接;忍片U9的6脚与电阻R56的一端连接;忍片U9的7脚与电 阻R57的一端连接;忍片U9的9脚与电阻R64的一端连接;忍片U9的15脚与电阻R65的一端连 接;忍片U9的16脚与电阻R68的一端连接;忍片U9的17脚与电阻R69的一端连接;忍片U9的27 脚与电阻R70的一端连接;忍片U9的28脚与电阻R73的一端连接;忍片U9的11脚与电阻R78的 一端连接;忍片U9的12脚与电阻R85的一端连接;忍片U9的13脚与电阻R86的一端连接;忍片 U9的14脚与电阻R88的一端连接。
[0060] 如图2所示，本发明所述的甲醇燃烧器的控制方法，采用本发明所述的甲醇燃烧器 控制器，包括W下步骤：
[0061] 步骤1、锅炉压力采集单元实时采集锅炉内的压力并传送给单片机模块6。
[0062] 步骤2、单片机模块6根据实测压力，通过查询燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱 图，得到不同压力下燃料、空气和助燃剂之间的比例关系，并根据实测压力与锅炉设定目标 压力的差值，通过查询PID参数脉谱图自动调节PID的参数，当锅炉设定目标压力与实测压 力相差很大时，PID自动加大调节步长，当锅炉设定目标压力与实测压力接近时，PID自动减 小调节步长;单片机模块6基于燃料、空气和助燃剂的比例关系W及PID参数，得出燃料、空 气和阻燃剂的流量，并发出对应控制指令。
[0063] 步骤3、电流驱动模块3基于单片机模块6所发出的指令控制第一调节组件，开关驱 动模块2基于单片机模块6所发出的指令控制第二调节组件，实现自动调节燃料、空气和助 燃剂的流量。
[0064] 所述诊断模块4在诊断出燃烧器中各开关型负载出现短路、断路和过溫异常时发 出报警指示。
[0065] 本发明所述的甲醇燃烧器的控制方法，还包括锅炉压力检测、燃烧状态检测W及 控制自检，在出现某些错误时能够安全停机W及产生相应的提示。
[0066] 本发明所述的甲醇燃烧器控制器支持锅炉目标压力设定在0.5~20bar范围内。开 关控制由继电器完成，响应速度快，可靠性高;采用电流传感器完成电磁阀电流的测量，特 点是测量精确、电气隔离、干扰小;单片机模块6采用STM08系列的忍片。
[0067] 对于使用甲醇燃料的锅炉，锅炉压力稳定十分重要，锅炉压力波动过大，会导致燃 料雾化后在空气中的分布不稳定，从而导致火焰不稳定，产生喘振现象。本发明所述的甲醇 燃烧器控制器对锅炉压力进行闭环控制，且对不同压力段进行了分段PID控制，能够使锅炉 压力快速稳定在目标压力。
【主权项】
1. 一种甲醇燃烧器控制器，其特征在于:包括电源模块（1)、开关驱动模块(2)、电流驱 动模块(3)、信号采集模块(5)和单片机模块(6); 所述电源模块（1)分别与开关驱动模块(2)、电流驱动模块(3)、信号采集模块(5)、单片 机模块(6)电连接，为各模块提供稳定的直流电源； 所述信号采集模块(5)与单片机模块(6)电连接，所述信号采集模块(5)包括锅炉压力 采集单元，用于采集锅炉内的压力并传送给单片机模块(6); 所述单片机模块(6)内存储有燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图和PID参数脉谱图， 单片机模块(6)根据实测压力，通过查询燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图，得到不同压 力下燃料、空气和助燃剂之间的比例关系，并根据实测压力与锅炉设定目标压力的差值，通 过查询PID参数脉谱图自动调节PID的参数，当锅炉设定目标压力与实测压力相差很大时， PID自动加大调节步长，当锅炉设定目标压力与实测压力接近时，PID自动减小调节步长;单 片机模块(6 )基于燃料、空气和助燃剂的比例关系以及PID参数，得出燃料、空气和阻燃剂的 流量，并发出对应控制指令； 所述电流驱动模块(3)基于单片机模块(6)所发出的指令控制燃烧器中用于调节助燃 剂流量的第一调节组件，该电流驱动模块(3)与单片机模块(6)电连接； 所述开关驱动模块(2)基于单片机模块(6)所发出的指令控制燃烧器中用于调节燃料 流量和空气流量的第二调节组件。2. 根据权利要求1所述的甲醇燃烧器控制器，其特征在于:所述诊断模块(4)与开关驱 动模块(2)和电源模块（1)电连接，诊断模块(4)在诊断出燃烧器中各开关型负载出现短路、 断路和过温异常时发出报警指示。3. 根据权利要求1或2所述的甲醇燃烧器控制器，其特征在于:所述单片机模块(6)还具 有通讯接口，用于与外部设备进行通讯。4. 根据权利要求1或2所述的甲醇燃烧器控制器，其特征在于:所述信号采集模块(5)还 包括： 用于采集火焰燃烧信号的火焰探测器采集单元； 用于采集风压信号的风压传感器采集单元； 以及用于采集燃料压力信号的燃料压力采集单元。5. -种甲醇燃烧器的控制方法，其特征在于:采用如权利要求1至4任一所述的甲醇燃 烧器控制器，包括以下步骤： 步骤1、锅炉压力采集单元实时采集锅炉内的压力并传送给单片机模块(6); 步骤2、单片机模块(6)根据实测压力，通过查询燃料、空气及助燃剂比例关系脉谱图， 得到不同压力下燃料、空气和助燃剂之间的比例关系，并根据实测压力与锅炉设定目标压 力的差值，通过查询PID参数脉谱图自动调节PID的参数，当锅炉设定目标压力与实测压力 相差很大时，PID自动加大调节步长，当锅炉设定目标压力与实测压力接近时，PID自动减小 调节步长;单片机模块(6 )基于燃料、空气和助燃剂的比例关系以及PID参数，得出燃料、空 气和阻燃剂的流量，并发出对应控制指令； 步骤3、电流驱动模块(3)基于单片机模块(6)所发出的指令控制第一调节组件，开关驱 动模块(2)基于单片机模块(6)所发出的指令控制第二调节组件，实现自动调节燃料、空气 和助燃剂的流量。6. 根据权利要求5所述的甲醇燃烧器的控制方法，其特征在于:所述诊断模块(4)在诊 断出燃烧器中各开关型负载出现短路、断路和过温异常时发出报警指示。7. 根据权利要求5所述的甲醇燃烧器的控制方法，其特征在于:还包括锅炉压力检测、 燃烧状态检测以及控制自检，在出现某些错误时能够安全停机以及产生相应的提示。
【文档编号】G05B19/042GK105955140SQ201610445567
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】邱奇, 张鹏, 黄都, 李鹏豪, 王迪, 桑印, 覃彬, 吴竞
【申请人】重庆红江机械有限责任公司