专利名称：在气体调节应用中用于监测系统完整性的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及喷雾控制系统，更具体的，本发明涉及用于监测工业气体调节应用中的喷射条件和特性的控制系统。
背景技术：
工业生产设备通常包括过滤系统，例如，集尘室以及其它部件，其操作产生热气或者烟气。这样的烟气通常必须被冷却，以便生产设备的正常工作。在这些应用中，烟气通常通过生产设备的各个部分，以提供冷却效果。然而，在其它情况下，必须使用额外的冷却和调节系统来产生适当的温度。有时通过将雾化液体流注入气流，诸如通过以非常微小的微滴将水喷射到气流中来冷却烟气。这起到降低气流的温度的作用。
上述的普通类型的生产设备的各种冷却要求在本领域中也是已知的。例如，出口温度通常维持在特定的温度水平，或者温度设定点，以允许设备正常工作。由于烟气通常使出口温度上升到设定点的值之上，所以喷射系统必须将出口温度降低到期望的水平。此外，应用到烟气的液体喷雾应该在烟气行进的给定距离(停留距离)内完全蒸发。也就是，所有或者大致所有液体必须在喷雾喷嘴或者多个喷嘴的位置的给定距离内蒸发，以避免不适当地加湿和磨损设备的各个部件。
为了提供液体喷雾，这样的系统有时使用一个或者多个双流体喷嘴。这些喷嘴使用压缩空气作为能量载体来将液体，诸如水，雾化成微小的微滴。在目前的大多数系统中，用于这种类型的喷雾喷嘴的空气压力在遍及工作冷却的范围保持恒定。要求的恒定空气压力的量通常根据在最差冷却条件下(通常处于最大入口气体温度和最大入口气体流率)在给定的距离内用于获得全部蒸发的最大允许的微滴尺寸，本领域中的普通技术人员已知的参数Dmax(即，最大微滴尺寸)来计算。
当然，当入口气体流率或者入口温度下降时，需要较少的液体喷雾来将气体冷却到需要的温度。在这些环境下维持恒定的气压引起气体流率增加。这导致增加的气体消耗和增加的压缩空气能量成本。为了维持系统的冷却要求，通常在较低的冷却条件下不必要维持气压恒定。这样，期望紧密监测系统的这些参数，以使得可以适当地检测系统的工作部件的偏差。这样，可以实现某些工作特性的调节和/或更换磨损的或者故障的部件。
发明内容
因此，本发明的总的目的是克服现有技术中的问题。
本发明的更具体的目的是提供用于在气体调节应用中监测喷嘴工作条件的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供用于当某些工作条件超过最大可允许误差时产生检测信号和/或采取其它行动的方法和系统。
本发明监测在气体冷却应用中所使用的类型的喷雾喷嘴的工作条件。特别是，这些喷嘴接收加压的空气供给并且还接收液体。供给到喷嘴或者多个喷嘴的液体和空气的流率和压力被密切地监测。然后，它们与计算的液体和空气流率和压力相比。以这种方式，控制系统根据目前通过喷嘴的测量的或者检测的流率与被使用的喷嘴的已知的或者计算的流率的比较来检测这些流率的偏差。因此，喷嘴或者多个喷嘴的性能可以被监测。考虑下面的详细描述和权利要求书会明白本发明的其它优点和特征。
图1是根据本发明的工业设备和用于监测应用到喷嘴或者多个喷嘴的空气压力的喷射控制系统的示意性框图；图2是表现图1中显示的喷射控制系统的更加详细的框图；图3示出了应用到喷嘴的液体流率和空气压力之间的关系；以及图4示出了在某些情况下的喷嘴的液体流率和空气压力之间的关系。
具体实施例方式
本发明总的涉及监测用于气体调节应用的喷雾控制系统的各种工作参数的控制系统。该控制系统监测通过喷雾喷嘴的各孔的液体和空气的流率。然后，该系统处理检测的流，且将其与计算的流率相比。当该比较超过最大的误差时，系统提供表示该特性的信号和/或采取其它合适的行动。
本发明对诸如纸浆和造纸工业、废物再循环、钢制造、环境控制和发电之类的工业应用具有特殊的实用性。在这些普通领域内的各种具体的喷雾应用包括润滑油喷雾器、试硫液喷雾器、高压清洗喷雾器以及筛网或者隔垫板清洗喷雾器。然而，本发明也可以用于其它应用。本发明对诸如化学生产、水泥、钢、纸浆和纸、废物焚化和发电之类的工业应用具有特殊的实用性。在这些领域中的各种应用包括在将气体引入到集尘室之前的气体冷却、诸如在矿物燃料消耗中和用于柴油发动机的一氧化二氮控制系统，以及在工业加湿或者干燥过程中用于二氧化硫去除。
图1示出了用于实现本发明的一种环境。如所示的，工业设备10包括气体调节系统，其包括一个或者多个诸如图1中所示的调节塔12之类的调节塔。在其通常圆柱形的入口部分14处，调节塔12设置为接收作为生产过程的一部分产生的热烟气。调节塔12包括设置在入口部分14的下游的通常圆柱形的混合部分16。在入口14处接收的烟气在由图1中显示的箭头18表示的通常方向上定向。诸如喷嘴20之类的一个或者多个液体喷雾喷嘴设置在围绕调节塔12的混合部分16的圆周位置处。在所示的实施例中，液体喷雾喷嘴20设置为采用喷枪的形式，且提供在通常向下指向的液体喷雾模式中定向的液体喷雾，以将烟气冷却到要求的温度。
调节塔12还包括圆柱形出口或者排气部分22。该部分22与隔开的喷枪20下游的混合部分16连接，且相对于混合部分16成一定角度来定向。为了测量排出烟气流的温度，一个或者多个温度传感器24设置为接近出口部分22的远端。在大多数情况下，液体微滴在到达调节塔12的出口部分22以前已经蒸发。
为了将液体提供到液体喷雾喷嘴20，液体供给包括与双重过滤系统32连接的泵30。该过滤系统32接收来自泵30的加压的液体供给，且将过滤的液体提供到液体调节部分34。该调节部分34以要求的压力和要求的流率供给到喷雾喷嘴20，如图1示意性地显示。
同时，控制的空气流也提供到喷雾喷嘴。如图1所示，空气压缩机40将压缩空气提供到空气调节部分42。该空气调节部分42又将被调节量的压缩空气供给到喷雾喷嘴20。如上所述，现有技术系统提供固定量的压缩空气。供给该量，而不管排出烟气的工作温度。
图2示出了在一个所示的实施例中的液体和空气供给部分的某些部件。如所示的，包含诸如水之类的液体的容器44将液体供给到液体供给的泵部分30。该泵部分30可以包括入口阀46。在所示的实施例中，液体通过液体过滤器48到达泵50。该泵工作来在其出口提供加压的液体。
加压的液体从泵部分30经由供给管路提供到液体调节部分。在这样的情况下，加压的液体供给到比例调节阀52。该比例调节阀52控制供给到喷雾喷嘴的液体。该调节阀又将液体供给到液体流量计54，以确定液体的流率。压力传感器也设置在液体供给管路中，作为调节部分的一部分，以监测供给到喷雾喷嘴20的液体的压力。
空气供给部分的细节也在图2中显示。该空气供给管路包括压缩机58，用于将压缩空气提供到压力容器60。流动控制阀62设置在压力容器60的出口处，以允许压缩空气排出容器。空气过滤器64优选地设置在空气供给管路中，以减少压缩空气管路中的杂质。
图2也更详细地示出了压缩空气调节部分42。如所示的，比例调节阀66调节供给到喷雾喷嘴20的压缩空气。此外，空气流量计68测量喷雾喷嘴20的消耗。最后，压力计70连续地监测供给到喷雾喷嘴20的压缩空气的压力。
为了控制喷雾喷嘴20的液体喷雾，控制系统与液体调节部分和压缩空气调节部分连接。在所示的实施例中，喷雾控制器80通过提供响应于收到输入控制信号而提供输出控制信号来执行各种控制功能。尤其是，控制器80设置为接收来自温度传感器24的表示在调节塔出口22处测量的温度的感测信号。控制器80也接收来自液体部分的输入信号。这些包括来自液体流量计54的表示应用到喷雾喷嘴的液体的流率的液体流信号。控制器80也接收来自压力传感器56的表示压力的信号。
此外，控制器80接收来自压缩空气管路的各种输入信号。尤其是，控制器80接收来自空气流量计68的空气流率信号。类似的，控制器80接收来自与空气流管路相关的压力传感器70的感测信号。
如下更详细地说明，控制器80以逻辑方式工作来处理这些信号。然后，控制器80将输出信号提供到液体调节部分34，如线82表示的。该信号应用到在图2中显示的比例调节阀52，以控制液体流到喷雾喷嘴20。此外，控制器80提供输出信号，以控制压缩空气供给。也就是，控制器80将控制信号供给到比例调节阀66，以控制提供到喷嘴20的压缩空气的量。液体和空气系统以这样的方式调节维持了要求的出口温度，以及液体微滴的完全蒸发。此外，以这样的方式监测喷雾喷嘴的即时性能允许检测喷雾喷嘴的磨损和/或部分阻塞。这允许避免过滤器系统的不适当的加湿、增加的空气消耗、增加的水消耗和/或系统的不充分冷却。
根据本发明，控制系统通过监测喷嘴的各个工作条件来确定一个或者多个喷雾喷嘴的性能。在一个实施例中，系统将测量的液体流率与在某一工作压力下系统的计算的流率比较。此外，系统将测量空气流率与系统在某一工作压力下计算的空气流率比较。当测量的流率超过计算的流率的某一百分比偏差时，系统提供表示该偏差的感测信号，或者开始其它合适的动作。这样，系统确定喷嘴的工作性能。
为了监测喷雾喷嘴的性能，喷雾控制器导出四个变量(1)QL输送到喷雾喷嘴的总液体流率；(2)PL输送到喷雾喷嘴的液体压力(由于喷嘴经由歧管供给接收液体，所以该压力在优选实施例中是相同的)；(3)QA输送到喷雾喷嘴的总空气流率；以及(4)PA输送到喷雾喷嘴的空气压力(由于所有喷嘴经由歧管供给接收空气，所以该压力在优选实施例中是相同的)。
在所示的实施例中，示出了一个喷嘴20。然而，本领域中的普通技术人员会理解，可以使用多个喷嘴。在这样的情况下，液体压力对于所有的喷嘴通常是相同，因为它们依赖于共同的歧管液体供给。另一方面，当喷嘴来源于不同的歧管或者设备时，系统确定在各种工作压力下的多个液体流率。
为了使喷雾喷嘴正常地起作用，在上述变量之间存在已知的关系。也就是，液体流率QL和空气流率QA在给定液体压力PL和空气压力PA下根据下面的函数来固定QL＝f1(PL，PA)QA＝f2(PL，PA)函数f1和f2与使用的喷嘴的类型相关。在优选实施例中，通过对于空气和液体压力的不同值测量液体和空气流率来为特殊类型的喷雾喷嘴确定这些函数。以这样的方式，这些函数描述了系统中的喷雾喷嘴(或者多个喷嘴)的正确的性能特性。
在如图1和2中所示的喷嘴控制系统10中，测量变量QL、QA、PL、PA，且与理论的或者预定的性能特性特征相比。尤其是，控制系统使用下面的变量说明QLc总体计算的液体流率QAc总体计算的空气流率PLm测量的液体压力PAm测量的空气压力QLm总体测量的液体流率QAm总体测量的空气流率此外，计算的空气和压力流描述为测量的液体和空气压力的函数，如下面的等式3和4阐明QLc＝f1(PLm，PAm)QAc＝f2(PLm，PAm)基于前述的关系，系统确定喷嘴以令人满意的方式或者不令人满意的方式执行。尤其是，系统确定下面的关系|QLc-QLm|QLc≥ϵ]]>或者|QAc-QAm|QAc≥ϵ]]>其中，ε＝最大允许百分比误差。
这样，当测量的流率与在给定的液体压力下计算的流率差别太大时，该系统确定工作喷嘴或者多个喷嘴没有令人满意地执行。
测量的和计算的流率之间的关系也提供性能问题的指示。在优选实施例中，系统根据下面的关系检测何时呈现某些喷嘴条件QLm＞QLc液体孔磨损在这样的情况下，由于在系统中的喷嘴或者多个喷嘴磨损，所以喷嘴在给定的压力条件下使用更多的液体。
QLm＜QLc液体孔部分阻塞另一方面，因为喷嘴在给定的压力条件下使用较少的液体，所以该条件表示喷嘴的孔被部分堵塞。
此外，下面的条件也表示性能问题QAm＞QAc空气孔磨损在上述条件下，喷嘴在给定的压力条件下使用更多的空气。当没有被纠正时，这导致系统的更大的低效率。
QAm＜QAc空气孔部分阻塞在这样的情况下，喷嘴在给定的压力条件下使用较少的空气。
根据本发明的一个实施例，可以使用工作在3.45巴空气压力和3巴液体压力下的FloMax型FM1喷嘴。在该实施例中，喷嘴理论上使用5公升/分钟的液体流和55Nm3/小时的空气。当喷雾控制器80测量在给定的压力条件下6公升/分钟的液体流时，提供表示喷嘴磨损的信号。或者，当喷雾控制器测量在相同的压力条件下65Nm3/小时的空气消耗时，那么喷雾控制器80提供表示空气孔磨损的信号。
实际上，本发明可以参考由控制器50维持的查询表格来实现。该表格最好包括相应于各种压力/流关系和计算的压力和流率值的条目。这样，系统使用表格关系来用于一定数量的校准点。这些点最好在使用的喷嘴或者多个喷嘴的正常工作范围内。这样，对于具有从1.0巴到5.0巴液体压力的正常工作范围的喷嘴，表格可以包括相应于1.0、2.0、3.0、4.0和5.0巴液体压力来计算的液体流率的条目。然后，控制器50使用基于表格条目的插值来计算在给的液体压力下的要求的流率。计算的流率与测量的流率相比，如上所述，当差值超过特定的值时，提供适当的纠正行动。
和本发明一致，系统也可以改变各种工作条件，以维持系统的正常工作。例如，系统也可以根据改变气体冷却条件来提供信号来改变空气压力。这些可以是改变入口气体温度或者烟气流率的结果。这样，系统只消耗给定环境所必需的要求量的空气。系统提前知道不同的可能处理条件。该信息被用来计算要求的空气压力和液体流率之间的表格关系。
压缩空气减少的量依赖于入口温度和烟气流率的关系。例如，当处理在降低的条件下操作时，当入口温度保持恒定，且只有实际气体流率减小时，那么在处理塔12中的气体速度减小。当气体速度减小时，液体微滴具有增加的时间来蒸发。如果入口温度保持恒定，那么液体喷雾的微滴尺寸可以增加，以在相同的停留距离获得完全蒸发。这导致系统消耗充分减少的压缩空气。
为了实现本发明的控制系统，可以使用几个变量。例如，通过使用多个泵来代替单个泵50，控制模式可以更加可靠。此外，可以使用多个过滤器而不是单个液体和空气过滤器48和64。此外，可以增加安全旁路，以当在所示流动管路中的传感器或者调节阀故障时，保证将液体和空气安全供给到喷嘴。
为了实现本发明，可以使用各种控制算法。根据一个优选实施例，用于控制调节阀52和66的控制算法如下根据基于由温度传感器24测量的出口温度和要求的设定点温度的PID(比例积分微分)控制算法，控制用于液体供给的比例调节阀52的阀位置。该设定点温度通常是恒定值。
m=Kp·(e+1/K1·∫edt+Kd·dedt)]]>其中m调节阀52的阀位置(0…100％)e测量的温度和设定点温度之间的温度差，以及Kp、Kl和Kd为比例、积分和差分因子。
PID控制算法控制压缩空气调节阀66的阀位置。虽然可以使用各种算法，但是输入参数依赖于由压力传感器70测量的空气压力和要求的空气压力设定点。该空气压力设定点本身依赖于如由液体流量计54测量的当前液体流率。
要求的空气压力和测量的液体流率之间的关系依赖于处理。根据本发明的一个实施例，要求的空气压力可以根据不同的空气入口条件来计算。为了实现本发明，在各种不同的入口气体条件下计算要求的空气压力。它们通常由至少如下表示最小入口气体条件(其通常要求最小液体流率)；正常入口气体条件(其通常要求正常液体流率)；以及最大入口气体条件(其通常要求最大液体流率)。
空气压力的计算依赖于在给定的条件下具有完全蒸发的要求的Dmax微滴尺寸。作为这些计算的结果，控制器80产生具有三个(或者更多)液体流率值和它们相应的空气压力值的表格。控制系统使用该表格来计算要求的空气压力(使用表格点之间的插值)。
根据本发明的一个优选实现，下面的表格I根据由控制系统使用的各种计算来构成
表1 在该所示的例子中，控制器80使用上述的表格I中的阴影区域来计算要提供到喷雾喷嘴20的要求的空气压力。这样，应用到喷嘴的液体流率和空气压力之间的关系可以根据如下的图3中的表格II来绘制。
如图3所示的，关于要求的压缩空气的最差情况的工作条件位于最大液体流率处，这是因为在该位置处要求最大空气压力。这样，在空气压力维持在相对恒定值的现有技术的系统中，要求空气压力设置为满足最差情况的条件。在上述的例子中，空气压力要求维持在近似6.2巴。
在某些情况下，用于压缩空气要求的最差情况条件可能位于减小的液体流率处，如图4中的表格III中所示在该例子中，与使用恒定空气压力方案的现有技术控制系统相比，可以节省供给到系统的压缩空气的相当大的量。也就是，当液体流率增加时，诸如增加到25公升每分钟的流率时，要求的空气压力可以降低到稍微多于3巴。另一方面，当检测到减小的液体流率时，诸如近似12公升每分钟，压缩空气的量可能增加，在该例子中，增加到近似5.5巴。
因此，已经描述了满足前述目的的用于监测通过一个或者多个喷雾喷嘴的液体和空气的量的控制系统。然而，应该理解，前面的描述只限于实践本发明的目前考虑的最好模式。可以明白可以对本发明进行各种修改，且可以获得本发明的一些或者所有优点。此外，本发明不是意在要求每个上述的特征和方面，或者它们的组合，因为在很多情况下，某些特征和方面对于实践其它特征和方面不是必需的。因此，本发明只应该由后附的权利要求书及其等价物来限定，该权利要求书意在覆盖在本发明的真正精神和范围内的其它变化和修改。
权利要求
1.一种用于监测在烟气冷却系统中使用的一个或者多个喷雾喷嘴的特性的控制系统，其中，该一个或者多个喷嘴是这样的类型，即，其在操作上接收加压的液体和加压的空气，以及提供以烟气而定向的雾化液体，由此冷却该烟气，该控制系统包括液体供给管路，其与一个或者多个喷雾喷嘴连接，该喷雾喷嘴包括设置在其中的流量计，以用于感测供给到所述一个或者多个喷雾喷嘴的液体的流率；压缩空气供给管路，其包括设置成提供供给到所述一个或者多个喷雾喷嘴的一定量的压缩空气的空气调节部分；以及喷雾控制器，其与流量计和空气调节部分连接，该控制器设置成用于提供输出信号，以便根据测量的液体压力和/或测量的空气压力来表示喷雾喷嘴的性能特性。
2.如权利要求1所述的发明，其特征在于，其还包括设置在液体喷雾供给管路中的可调节的液体流阀，其设置成接收来自控制器的控制信号，以调节供给到一个或者多个喷雾喷嘴的液体的量；以及位于烟气附近的温度传感器，其设置成将温度感测信号提供给控制器，其中，响应于收到温度感测信号，控制器调节供给到液体流阀的控制信号。
3.如权利要求1所述的发明，其特征在于对于给定的压力条件，当检测的液体流超过选定的域值时，该控制器提供表示磨损喷嘴的信号。
4.如权利要求1所述的发明，其特征在于对于给定的压力条件，当检测的液体流小于选定的域值时，该控制器提供表示阻塞液体喷嘴孔的信号。
5.如权利要求1所述的发明，其特征在于对于给定的压力条件，当检测的空气流率大于选定的域值时，该控制器提供表示磨损空气孔的信号。
6.如权利要求1所述的发明，其特征在于对于给定的压力条件，当检测的液体流小于选定的域值时，该控制器提供表示阻塞空气喷嘴孔的信号。
7.一种用于监测一个或者多个喷雾喷嘴的工作条件的方法，所述一个或者多个喷雾喷嘴是这样一种类型，即，其用于冷却烟气并且在操作上接收加压的液体和加压的空气并且供给雾化的液体喷雾，该方法包括的步骤为对于应用于所述一个或者多个喷雾喷嘴的各种工作液体流率，确定要求的压力流率；监测应用于所述一个或者多个喷雾喷嘴的实际液体流率；以及当检测的液体流大于最大可允许百分比误差时，提供表示故障的的信号。
8.如权利要求7所述的发明，其特征在于，其还包括的步骤为监测应用于所述一个或者多个喷雾喷嘴的实际空气流率；以及当检测的空气流大于最大的可允许百分比误差时，提供表示故障的信号。
全文摘要
一种用于监测一个或者多个喷雾喷嘴的性能的控制系统，该控制系统测量诸如被输送到喷雾喷嘴的喷雾的液体流率和液体压力之类的变量，并且在给定液体压力下，当在计算的液体流率和实际的液体流率之间的差值超过误差时，提供感测信号。
文档编号B05B12/08GK1628912SQ200410061810
公开日2005年6月22日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年6月25日
发明者L·伍尔特皮泰 申请人:喷洒系统公司