一种靶向式CO为控制变量的加热炉燃烧控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种石油化工加热炉及工业窑炉燃烧控制领域，特别是一种靶向式co为控制变量的加热炉燃烧控制系统及控制方法。

背景技术：

目前国内绝大部分工业窑炉、石化加热炉、锅炉等燃烧加热设备的控制方式较落后，均采用基于烟气o2含量变化作为控制窑炉燃烧的依据，操作时为了确保安全保证燃烧充分，在调整助燃空气配比时均过剩，过剩空气系数一般为20~40%，烟气中o2含量控制在3~5%，大量的过剩空气携带大量的热量排放，造成浪费；另外，燃烧过程中过剩的o2与n2反应生成no、no2及其它氮氧化物，使污染增大。而在窑炉污染物排放的监管方面更是缺乏远程监管，环保职能部门不能即时了解企业排放数据，使得超标排放事件时有发生。

中国发明专利“一种基于烟气co为控制变量的加热炉燃烧控制系统”针对上述问题提出了解决方案，有效的改善了燃烧效果，但是对于有多个燃烧器的加热炉，该解决方案仅针对最终排放的混合烟气进行检测，只是对加热炉燃烧进行的整体评价，当出现燃烧器状态不一致时，可能出现有的燃烧器氧气过剩、有的贫氧燃烧，不能即时的掌控单台燃烧器的燃烧情况，故不能有针对性的精确配比燃烧控制，限制了co控制方式的节能减排优势的进一步提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述有多个燃烧器的加热炉情况下，不能有针

对性的精确配比燃烧控制的不足，提供一种能达到燃烧靶向式精准控制的靶向式co为控制

变量的加热炉燃烧控制系统及控制方法。

一种靶向式co为控制变量的加热炉燃烧控制系统，包括现场执行部分、现场控制部分、远程控制部分、监控总机、数据库服务器、传输部分。所述的现场控制部分包括系统控制柜、与系统控制柜相连的三个变频控制柜和工程师站。所述的现场执行部分包括加热炉、连接到系统控制柜的在线监测和执行控制设备。所述的传输部分包括互联网+modbus总线。所述的监控总机包括由pc机和组态软件组成的总监控系统，所述的远程控制部分包括通过互联网与总监控系统连接的远程终端设备。所述的监控总机通过传输部分连接数据库服务器。所述监控总机与所述工程师站相连。

所述的在线监测和执行控制设备包括二个烟道挡板执行器、烟道烟气分析仪、烟气采样泵、至少二组燃烧部分、主热风道、主热风道挡板、主燃料道、燃气调节阀、炉膛多点循环烟气分析仪、炉膛红外监视成像仪、炉膛压力计及压力变送器、温度传感器、烟气引风机变频电机、预热器回转电机变频调节器、空气鼓风机变频电机。

每组所述燃烧部分都与所述主热风道、主燃料道和炉膛多点循环烟气分析仪相连。所述主燃料道上设有所述燃气调节阀。所述烟气引风机变频电机、预热器回转电机变频调节器、空气鼓风机变频电机各通过一个所述变频控制柜与所述系统控制柜相连。每个所述烟道挡板执行器、烟道烟气分析仪、每组燃烧部分、燃气调节阀、炉膛多点循环烟气分析仪、炉膛红外监视成像仪、炉膛压力计及压力变送器、温度传感器都与所述系统控制柜相连。所述烟气采样泵与所述烟道烟气分析仪相连。所述主热风道通过所述主热风道挡板与所述预热器回转电机变频调节器相连通，所述预热器回转电机变频调节器分别与空气鼓风机变频电机、烟气引风机变频电机和加热炉相连通。所述烟气引风机变频电机与所述加热炉相连通。

每组所述燃烧部分包括燃烧器、炉膛多点烟气采样泵、手动调节阀、支风道挡板执行器手动燃气调节阀和燃烧器风门。

所述燃烧器通过所述燃烧器风门与所述主热风道相连通。所述燃烧器与所述主燃料道相连通。所述炉膛多点烟气采样泵与所述炉膛多点循环烟气分析仪相连通。所述燃烧器与所述主热风道之间设有所述手动调节阀和支风道挡板执行器。所述燃烧器与所述主燃料道之间设有手动燃气调节阀。

.一种靶向式co为控制变量的加热炉燃烧控制系统的控制方法，包括以下步骤：

（1）用户根据工艺需要调整燃料气总量时，通过系统控制柜操作燃气调节阀，这个调节工艺操作中是要求逐步调整的；

（2）烟气采样泵对整个加热炉的烟气进行采样，采样后的烟气组分让烟道烟气分析仪进行分析，并传至给系统控制柜进行分析、计算；各个炉膛多点烟气采样泵进行循环采样，炉膛多点循环烟气分析仪对采样后的各个炉膛多点烟气采样泵的烟气组分轮流进行分析，并传至给系统控制柜进行分析、计算；与此同时，炉膛红外监视成像仪、炉膛压力计及压力变送器、温度传感器采集的数据传至给控制柜进行分析、计算。

（3）系统控制柜根据预算结果，一方面输出指令信号给各执行器进行相关操作，另一方面输出信号至工程师站进行显示。

所述的执行器相关操作中至少包括控制空气鼓风机变频电机或主热风道挡板，用于调节主热风道风量，以及控制炉膛多点循环烟气分析仪作业时所对应的那组燃烧部分的燃烧器风门，调整助燃风总量的合理分配。

（4）co控制实现空燃比寻优操作。根据燃烧过程中co和过剩o2量的关系，在过o2量小时，co变化较快，有利于模糊寻优；过剩o2量较大时，co浓度变化太慢，因此，控制系统切换至o2的修正串级pi控制。

根据烟气中co浓度及o2浓度值设置的控制变量关系如下：

co低于15ppm时，切换至o2的修正串级pi控制；

co高于30ppm时，切换至模糊自寻优控制；

co介于15ppm至30ppm时，若当前为模糊控制方式则停止寻优；若为o2校正方式则仍保持自动方式；若为o2校正方式且当前氧量过高（漏风造成误差）则手动设置偏置（bias）纠正。

在其中一个实施例中，所述加热炉包括炉膛、炉底板、烟囱、第二烟道和第三烟道。

所述烟囱设置在所述炉膛的顶部。所述炉底板设置在所述炉膛的底部。所述第二烟道和第三烟道竖向从上至下依次设置在所述烟囱上且都与所述烟囱相连通。所述第二烟道与所述烟气引风机变频电机相连通。所述第三烟道与所述预热器回转电机变频调节器相连通。所述烟气采样泵设置在所述第三烟道上。二个所述烟道挡板执行器设置在所述烟囱上。所述主热风道环绕设置在所述炉膛的底部。每个所述燃烧器设置在所述炉底板上。每个所述炉膛多点烟气采样泵、温度传感器、炉膛压力计及压力变送器、炉膛红外监视成像仪都设置在所述炉膛的侧壁上。所述烟道烟气分析仪设置在烟囱、或第二烟道、或第三烟道上。

在其中一个实施例中，所述的系统控制柜包括带有a/d接口的智能终端控制器。所述烟道烟气分析仪、炉膛多点循环烟气分析仪、炉膛红外监视成像仪、炉膛压力计及压力变送器、温度传感器直接或通过变送器连接智能终端控制器的a/d接口。

本发明的优点及有益效果：

1、本发明从整体上宏观控制加热炉燃烧，通过终排烟气对燃烧效果进行评价，控制

燃料与总风量，使加热炉燃烧更接近理论配比，降低过剩空气系统减少烟气排放总量，提高加热炉效率。

2、本发明单个燃烧器的燃烧控制具有靶向式，通过定时循环采样、单个燃烧器精准

控制，使燃烧接近理论配比，发挥燃烧器最佳性能，提高燃烧效率。

3、本发明使炉膛内过剩空气系数降低，氧含量减少，使得生成nox的总量大幅度

减少，从而达到超低nox排放，随着燃烧效率提高及过剩空气的降低，加热炉热效率也进一步提高，节约燃料、减少烟气排放总量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明工作原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置”在另一个元件，它可以是直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是与另一个元件“相连”，它可以是直接连接到另一个元件，或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

请参阅图1和图2，一种靶向式co为控制变量的加热炉燃烧控制系统，包括现场执行部分、现场控制部分、远程控制部分、监控总机、数据库服务器、传输部分。

其中，现场控制部分包括系统控制柜6、与系统控制柜6相连的三个变频控制柜27和工程师站21。其中，传输部分包括互联网+modbus总线。

其中，监控总机24包括由pc机和组态软件组成的总监控系统。

其中，远程控制部分包括通过互联网与总监控系统连接的远程终端设备。监控总机24通过传输部分连接数据库服务器。

其中，现场执行部分包括加热炉、连接到系统控制柜6的在线监测和执行控制设备。

具体的，在线监测和执行控制设备包括二个烟道挡板执行器2、烟道烟气分析仪4、烟气采样泵3、三组燃烧部分、主热风道15、主热风道挡板、主燃料道19、燃气调节阀20、炉膛多点循环烟气分析仪5、炉膛红外监视成像仪7、炉膛压力计及压力变送器8、温度传感器9、烟气引风机变频电机11、预热器回转电机变频调节器12、空气鼓风机变频电机13。

具体的，每组燃烧部分都与主热风道15、主燃料道19和炉膛多点循环烟气分析仪5相连。主燃料道19上设有燃气调节阀20。11、预热器回转电机变频调节器12、空气鼓风机变频电机13各通过一个变频控制柜27与系统控制柜6相连。每个烟道挡板执行器2、烟道烟气分析仪4、每组燃烧部分、燃气调节阀20、炉膛多点循环烟气分析仪5、炉膛红外监视成像仪7、炉膛压力计及压力变送器8、温度传感器9都与系统控制柜6相连。烟气采样泵3与烟道烟气分析仪4相连。主热风道15通过主热风道挡板与预热器回转电机变频调节器12相连通。预热器回转电机变频调节器12分别与空气鼓风机变频电机13、烟气引风机变频电机11和加热炉相连通。烟气引风机变频电机11与加热炉相连通。

其中，每组燃烧部分包括燃烧器14、炉膛多点烟气采样泵10、手动调节阀17、支风道挡板执行器16、手动燃气调节阀18和燃烧器风门。

具体的，燃烧器14通过燃烧器风门与主热风道15相连通。燃烧器14分别与主燃料道19相连通。炉膛多点烟气采样泵10与炉膛多点循环烟气分析仪5相连通。燃烧器14与主热风道15之间设有手动调节阀17和支风道挡板执行器16。燃烧器14与主燃料道19之间设有手动燃气调节阀18。

其中，加热炉包括炉膛30、炉底板、烟囱1、第二烟道28和第三烟道29。

具体的，烟囱1设置在炉膛30的顶部。炉底板设置在炉膛30的底部。第二烟道28和第三烟道29竖向从上至下依次设置在烟囱1上且都与烟囱1相连通。第二烟道28与烟气引风机变频电机11相连通。第三烟道29与预热器回转电机变频调节器12相连通。烟气采样泵3设置在第三烟道29上。二个烟道挡板执行器2设置在烟囱1上。主热风道15环绕设置在炉膛30的底部。每个燃烧器14都设置在炉底板上。每个炉膛多点烟气采样泵10、温度传感器9、炉膛压力计及压力变送器8、炉膛红外监视成像仪7都设置在炉膛30的侧壁上。烟道烟气分析仪4设置在烟囱1、或第二烟道28、或第三烟道29上。

其中，烟气采样泵3用于烟气的取样，通过管线及线缆与烟道烟气分析仪4连接，将采集的烟气样本送至烟道烟气分析仪4进行检测烟气组分、流量、温度，将分析的数据传送到系统控制柜6。

具体的，烟道挡板执行器2用于执行控制调节挡板开度，通过线缆与系统控制柜6之间进行控制信号和叶片开度位置信号的传送。

其中，三个炉膛多点烟气采样泵10用于烟气的取样，采样方式为循环采样，每个点轮流采样，并将采集的烟气样本送至炉膛多点循环烟气分析仪5，每个炉膛多点烟气采样泵10都与炉膛多点循环烟气分析仪5通过管线及线缆连接，炉膛多点循环烟气分析仪5自动对应分析各烟气样本，并将分析结果传送到系统控制柜6。

具体的，炉膛红外监视成像仪7用于监视炉膛30内部，通过线缆将信号传送到系统控制柜6。炉膛压力计及压力变送器8和温度传感器9用于检测炉膛30压力与温度，并各自将信号通过线缆传送至系统控制柜6。

其中，支风道挡板执行器16和燃气调节阀20的开度由系统控制柜6进行控制。手动调节阀17和手动燃气调节阀18提供手动调节空气与燃气的作用。

具体的，烟道挡板执行器2和烟气引风机变频电机11主要用于调整炉膛30压力。空气鼓风机变频电机13主要用于调整主热风道给风量和给风压力，保证加热炉燃烧系统总燃料气与总风量接近理论燃烧配比，发挥最大的燃烧效率。支风道挡板执行器16主要调整单台对应燃烧器14的给风量。

其中，系统控制柜6包括带有a/d接口的智能终端控制器。烟道烟气分析仪4、炉膛多点循环烟气分析仪5、炉膛红外监视成像仪7、炉膛压力计及压力变送器8、温度传感器9直接或通过变送器连接智能终端控制器的a/d接口。在本实施方式中，智能终端控制器以zdrg-fx-40-4-2控制器为主控单元。

其中，远程终端设备包括远程pc26、pad25、移动控制终端22。

具体的，监控总机24设置有系统管理单元，还包括含有图形化、集中化的人机交互系统。

其中，工程师站21包括多台台式电脑。工程师站21的作用是一方面进行现场数据采集、运算、发布监控指令；另一方面向监控总机24传送数据，接收控制指令，并通过运算向系统控制柜发布执行控制指令。

其中，局域网浏览是通过web页浏览器和wifi，观察由监控总机24发布的监控画面。

本发明配置了现场显示单元(hmi)，方便用户操作，使操作方式图形化、集中化。采用ppi总线通讯方式，抗干扰能力较好，组网方式简单，传输距离较远，信号中继设计为系统信号传输提供了保障。

需要说明的是：本发明可以针对用户需要，删减其中一些配置及功能，例如炉膛红外摄像功能、回转空气预热器控制、远程干预及数据传送。为了与用户工艺操作系统dcs匹配，实际实施中的系统控制柜6及工程师站21设置了与dcs通讯功能，所有在线采集的数据均发送至用户dcs工艺操作系统。

本发明仅针对石化配备了两台以上燃烧器14的加热炉燃烧控制，不适用仅设置有一台燃烧器14的加热炉燃烧控制及其它工业炉窑的燃烧控制。另外，根据用户的操作需要，本控制系统针对烟囱1或烟道的co为控制变量的控制模式，可以从基于烟气co为控制变量控制方式切换到基于烟气o2为控制变量控制方式，并且不会造成加热炉燃烧控制的负面作用，也不对炉膛单个燃烧器14的co为控制变量的控制模式发生影响。

本发明的工作原理和工作过程：

（1）用户根据工艺需要调整燃料气总量时，通过系统控制柜6操作燃气调节阀20，这个调节工艺操作中是要求逐步调整的。

（2）烟气采样泵3对整个加热炉的烟气进行采样，采样后的烟气组分让烟道烟气分析仪4进行分析；各个炉膛多点烟气采样泵10进行循环采样，炉膛多点循环烟气分析仪5对采样后的各个炉膛多点烟气采样泵10的烟气组分轮流进行分析；烟道烟气分析仪4、炉膛多点循环烟气分析仪5、炉膛红外监视成像仪7、炉膛压力计及压力变送器8、温度传感器9对烟气的压力、流量、温度及o2、co、nox、so2、湿度、粉尘等参数进行分析，并通过压力、流量、温度及o2、co、nox、so2、湿度、粉尘等各种传感器及变送器转换成4—20ma.dc标准模拟信号，直接接入系统控制柜6的智能终端控制器的a/d接口。智能终端控制器将定时把所有测量值发送给工程师站21上位主机进行处理。

（3）经工程师站机数据处理后，一方面输出指令信号给各执行器进行相关操作，另一方面输出信号至工程师站21进行显示。

执行器相关操作中至少包括控制空气鼓风机变频电机或主热风道挡板，用于调节主热风道风量，以及控制炉膛多点循环烟气分析仪作业时所对应的那组燃烧部分的燃烧器风门，调整助燃风总量的合理分配。

在执行各操作的基本逻辑是：根据负荷变化，烟道挡板执行器2、烟气引风机变频电机11、空气鼓风机变频电机13、支风道挡板执行器件16协同动作，以保证炉膛30压力，确保炉膛30压力在安全值范围内；烟道挡板执行器2和烟气引风机变频电机11主要用于调整炉膛30压力。空气鼓风机变频电机13主要用于调整主热风道给风量和给风压力，保证加热炉燃烧系统总燃料气与总风量接近理论燃烧配比，发挥最大的燃烧效率，支风道挡板执行器16主要调整单台对应燃烧器14的给风量，而给风量的调整依据就是以烟气中co含量为控制变量，co浓度高时，增大给风量；co浓度低时，减少给风量；即对每台燃烧器14进行靶向式定时评价与控制，使每台燃烧器14燃料气与给风量接近理论燃烧配比，精准控制以发挥每台燃烧器14的最佳燃烧效率。

其中，助燃空气总量的调节，依靠调整烟囱挡板、主热风道挡板的开度，以及各燃烧器14风门的开度，其中，调节烟囱挡板开度可以调节炉膛30压力；炉膛30压力调整时，同步调节主热风道挡板开度，可以调节助燃空气总量及压力；调节各台燃烧器14风门可以调整助燃风总量的合理分配。燃料量的调节，依靠调整燃料管线上的手动调节阀18或燃气调节阀20开度。

（4）co控制实现空燃比寻优操作，控制策略如图3所示。根据燃烧过程中co和过剩o2量的关系，在过o2量小时，co变化较快，有利于模糊寻优；过剩o2量较大时，co浓度变化太慢，因此，控制系统切换至o2的修正串级pi控制。

根据烟气中co浓度及o2浓度值设置的控制变量关系如下：

co低于15ppm时，切换至o2的修正串级pi控制；

co高于30ppm时，切换至模糊自寻优控制；

co介于15ppm至30ppm时，若当前为模糊控制方式则停止寻优；若为o2校正方式则仍保持自动方式；若为o2校正方式且当前氧量过高（漏风造成误差）则手动设置偏置（bias）纠正。

虚线框为模糊自寻优控制器，它以co最佳值为指标，寻找最佳的空/燃比。每个周期测量co含量，根据变化量和上一周期输出控制量决定本次控制量。k1是co增量的量化因子，k2为比例因子，它将输出控制量转换为相应的风量指令。

本发明通过监控总机的人机交互系统，操作者可以方便的设定系统参数的控制、报警值，实现由本发明控制系统的全自动燃烧控制；也可以人为干预进行系统，将控制参数即时输入，实现燃烧过程的手动控制。不论是预先设定的控制参数，还是人工干预输入的控制参数，通过本发明控制系统运算处理后直接转化为各执行器的相应动作，如挡板叶片开度、阀门流量调整，电机转速控制等。操作电脑屏具有直观的动态图形化界面显示，操作者只需点击界面显示的各功能区域，按界面提示或帮助提示进行数据输入。

本发明在加热炉炉膛实现多点在线循环采样，设置一台炉膛多点循环烟气分析仪5，对各台燃烧器14对应的烟气co含量轮流进行分析，并通过数据信号线连接智能终端控制器（智能rtu），智能终端控制器对数据进行采集、分析、运算，并输出控制、报警等信号，智能终端控制器可以在自动模式下通过指令及执行器动作对燃烧器风门进行控制；也可以通过pc人机界面互动控制，并通过输入执行指令驱动对应的燃烧器风门执行器，调整风门大小，从而达到燃烧靶向式精准控制。

本发明的优点及有益效果：

1、本发明从整体上宏观控制加热炉燃烧，通过终排烟气对燃烧效果进行评价，控制燃料

与总风量，使加热炉燃烧更接近理论配比，降低过剩空气系统减少烟气排放总量，提高加热炉效率。

2、本发明单个燃烧器14的燃烧控制具有靶向式，通过定时循环采样、单个燃烧器14精准控制，使燃烧接近理论配比，发挥燃烧器14最佳性能，提高燃烧效率。

3、本发明使炉膛30内过剩空气系数降低，氧含量减少，使得生成nox的总量大幅度

减少，从而达到超低nox排放，随着燃烧效率提高及过剩空气的降低，加热炉热效率也进一步提高，节约燃料、减少烟气排放总量。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。