本发明属于控制系统技术领域，具体涉及一种面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器控制系统及方法。
背景技术：
随着我国工业的不断发展，日益严重的能源和环境问题业已成为制约我国经济发展的瓶颈之一，突出表现为：能源利用效率和质量低，燃烧过程污染物排放多。目前我国工业生产中气体燃料的燃烧主要是以自由火焰为特征的大气式燃烧，这种燃烧方式，火焰面附近温度梯度大，局部高温区的存在造成了大量nox生成，燃烧不完全，产生co量多，燃烧稳定性较差。
多孔介质燃烧技术是最近十余年国际燃烧领域发展的一种全新的燃烧方式。相比燃烧时存在局部高温的有焰燃烧，这种燃烧没有明火焰，nox和co等污染物的生成显著降低，可达70％以上。由于整体温度的显著提高和辐射传热的增加，燃烧热利用效率大大提高，在有些情况下甚至超过50％。另外，多孔介质燃烧技术对使用低热值(劣质)燃料(高炉煤气、有机废气等)具有明显优势。由于集节能、减排、环保于一身，将其应用于冶金、机械、化工、陶瓷、食品等行业，将具有巨大的节能减排潜力。
然而，由于种种限制，多孔介质燃烧技术在工业生产中还没有得到广泛应用，从报道来看，已经工业应用的多孔介质燃烧器多局限在造纸、纺织、干燥等低温加热领域，而面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器研究多集中于实验研究，还没有实现广泛的工业应用。中高温加热领域是工业生产的关键，是能源消耗与污染物排放的重中之重，因此，急需开发适用于中高温加热领域的多孔介质燃烧器。而多孔介质燃烧器开发过程中，燃烧器控制系统及方法是保证燃烧器安全、稳定、高效运行的关键，从目前关于多孔介质燃烧器的相关专利中可以发现，现有专利多集中于燃烧器本体，侧重于燃烧器结构的介绍，关于多孔介质燃烧器控制系统及方法的专利甚少见于报道。
多孔介质燃烧器一般为预混式燃烧器，少数采用扩散式燃烧。目前常见的多孔介质燃烧器多应用于低温加热领域(温度低于400℃)，由于燃烧时火焰温度较低，其控制系统一般比较简单，基本思路为采用检测电极深入多孔介质内部检测火焰，检测电极与燃烧器控制器连接，当检测电极检测到火焰信号时，认为燃烧正常，空煤气持续供给，当检测电极无法检测到火焰信号时，认为燃烧出现故障，关闭燃气阀门。然而，随着多孔介质燃烧技术向中高温加热领域推广，这种控制系统及思路就不再适用，具体缺陷表现为：
(1)燃烧器采用预混燃烧时，无法预测和有效防止回火。
常规的明火预混燃烧器通过将预混气体在燃烧器内保持一定的速度值来防止回火。而预混式多孔介质燃烧器防止回火的方式有两种，一是通过设置小孔径多孔介质，利用小孔对火焰的猝熄效应防止回火，二是保持预混气体一定的流速值，但是由于多孔介质燃烧器的构造，这一速度值远小于常规燃烧器防止回火的速度值。对于用于低温加热的多孔介质燃烧器，由于多孔介质单位面积热负荷(单位面积上燃气释放的热量)低，多孔介质处于较低的温度环境，因而多孔介质材料不易高温损坏，通过多孔介质回流至未燃预混气体的热量少，这样，即使燃烧工况出现很大的波动，仍可以防止回火。然而，当多孔介质燃烧器应用于中高温加热领域时，由于多孔介质单位面积热负荷较高，多孔介质整体处于较高的温度环境(燃烧高热值气体时，局部超过1400℃甚至更高)，通过多孔介质回流至未燃预混气体的热量多，长期工作或燃烧工况出现突变时，可能出现多孔介质材料孔隙结构高温损坏尤其是小孔多孔介质孔隙更易损坏，回流至未燃预混气体的热量突增的情况，当这种情况持续加剧，就会出现电极能够检测到火焰信号但是燃烧器发生回火的现象。因此，单纯依靠电极检测火焰来确定是否回火的控制思路不再适用。
(2)燃烧器采用低热值气体作为燃料时，现有控制系统无法工作。
当多孔介质燃烧器采用低热值气体(如高炉煤气)作为燃料时，由于燃料热值较低，燃烧初期，多孔介质内部形成的火焰温度低，无法被电极检测到，随着燃烧的进行，依靠多孔介质热回流加热未燃预混气体，预混气体加热到一定温度时，才能在多孔介质内检测到火焰信号。因此，多孔介质燃烧器采用低热值气体作为燃料时，电极检测到的火焰信号具有滞后性，且滞后时间随多孔介质材料和燃气种类的不同而不同，现有控制系统并未考虑这一问题。
(3)无法根据实时使用情况预测或诊断多孔介质材料使用情况。
多孔介质燃烧器的火焰是存在于多孔介质内部的，长期使用时，难免会遇到材料老化、孔隙结构损坏的情况，当小孔结构损坏时，部分火焰会出现在小孔区，火焰出现在小孔区又进一步加剧了小孔区的破坏，当材料损坏到一定程度，小孔区就丧失了防止回火的屏障作用，发生燃烧器回火，应用于中高温加热领域时这种情况更甚。因此，使用过程中需要监控小孔多孔介质材料的损坏情况，当损坏发展到一定程度时，需要及时更换，以免产生安全事故。
(4)燃烧器空燃气进行预热时，无法监控实时工况。
无论是常规明火燃烧器还是多孔介质燃烧器，目前的预混燃烧器均对空、煤气不进行预热，这是为了防止回火发生，然而理论上来说，将烟气余热用于预热空煤气是能量回收的最佳方式。空气或燃气预热时，对于预混燃烧来说，预热温度的控制非常重要，由于预混气体在预混室内还受到多孔介质回流热量的加热，相当于预混气体既收到预热加热的能量又收到多孔介质回流加热的能量，而这两部分能量又是相互关联的，预热能增大多孔介质回流的热量，回流热量的增加又能增加预热效果，一旦这些热量的叠加使得气体温度在预混室内达到某一数值，将引起回火爆炸，出现安全事故。在实际过程中，气体预热一般采用换热器，且热量来源为燃烧废气，而换热器目前的设计水平一般无法达到精确控温，且燃烧废气也有可能随时波动，这些因素都将导致换热器预热后的气体无法达到或超过设计温度，出现回火爆炸事故。对于扩散燃烧来说，预热温度的突变将会使得多孔介质燃烧区火焰温度升高，加快多孔介质损坏。因此，需要对气体预热工况在实际过程不可避免产生的突变状况进行监控。目前所有的燃烧控制系统均不具备此功能。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器控制系统及方法，能够实现有效预测和防止回火、适应不同热值气体燃烧、实时监控并诊断多孔介质材料使用情况、适用于空燃气预热实时监控等功能。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器控制系统，包括现场控制系统和远程控制系统；所述现场控制系统用于进行数据采集与反馈、动作执行；所述远程控制系统与现场控制系统实时通讯，用于进行数据存储、分析和指令发送。
进一步地，所述现场控制系统的数据采集与反馈包括采集燃烧器的火焰数据和温度数据并将这些数据反馈至远程控制系统，动作执行包括接受远程控制系统发出的指令并执行点火、开关燃气控制阀等功能；所述远程控制系统的数据存储、分析包括对现场控制系统反馈来的数据信息进行存储，同时对数据进行分析，以判断燃烧器运行情况、多孔介质材料使用情况等是否在安全范围之内；所述远程控制系统的指令发送包括对数据进行分析并判断燃烧器实时情况后，确定需要现场执行的动作，将该动作指令发送给现场控制系统。
进一步地，所述现场控制系统与空气控制阀、燃气控制阀联锁，通过热电偶对燃烧器预混室或布风区进行燃烧器温度采集，通过电极对燃烧器进行点火并对燃烧器着火情况进行检测。
优选地，所述远程控制系统是整个控制系统的核心，包括点火模块、火焰检测模块、温度检测模块、材料使用情况监控诊断模块和气体预热工况在线监控模块，各模块储存的数据及数据分析结果互相共享及调用。
优选地，所述点火模块用于承担燃烧器点火功能，当燃烧条件具备时向现场控制系统发送点火指令。
优选地，所述火焰检测模块用于承担火焰检测、判断燃烧器运行工况是否正常功能，当点火失败或燃烧器运行工况异常时，具备报警功能。
优选地，所述温度检测模块承担多孔介质燃烧器预混室或布风区温度数据存储与分析、判断燃烧器点火是否成功、异常情况报警功能。
优选地，所述材料使用情况监控诊断模块承担燃烧器整个生命周期内多孔介质材料使用情况监控诊断、异常情况报警功能，用于判定多孔介质材料在当前使用条件下是否能够安全、正常运行。
优选地，所述气体预热工况在线监控模块用于燃烧气体预热时监控预热工况是否满足安全使用要求，当燃烧气体不预热时，该模块不工作。
一种面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器控制方法，包括以下步骤：
(1)在远程控制系统输入系统需要的参数，包含：多孔介质材料、燃气种类、滞后时间、是否预热、存储间隔、存储周期、温度设定值、重复点火次数；其中，多孔介质材料、燃气种类、是否预热三个参数由使用者输入，其余参数可由使用者输入也可以采用由系统提供者提供的推荐数据；
(2)参数输入完毕，确保各设备无故障情况下，在远程控制系统点击点火指令，远程控制系统将该指令发送给现场控制系统，现场控制系统按顺序分别执行空气控制阀打开、燃气控制阀打开、电极加压打火动作，在经过预先输入的滞后时间后，火焰检测模块能检测到火焰信号且温度检测模块检测到的温度数据正常，认定点火成功，其中任一检测结果不正常均判定点火失败，点火失败信号反馈至远程控制系统，远程控制系统重复执行上述动作，在预先设定的重复点火次数内仍无法点火成功，发出报警，需要检查设备；
(3)点火成功后，进入燃烧器运行工况监控诊断阶段，主要包括材料监控诊断、燃烧监控诊断、预热工况监控，任一监控出现异常，均判定运行异常，发出报警，并关闭燃气阀门；在所有监控均正常的情况下，认为运行正常，系统持续工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)适用于多孔介质燃烧，能够有效预测和防止回火，安全性大大提高。
(2)可应用于中高温多孔介质加热领域，是对低温多孔介质加热领域控制系统的改进和完善。
(3)适用范围广，能够适应不同热值气体在多孔介质内燃烧的控制，既能应用于预混燃烧的多孔介质燃烧器，又能应用于扩散燃烧的多孔介质燃烧器。
(4)采用温度、火焰信号协同作用控制燃烧系统，是目前控制系统中未有的。
(5)能够监控并诊断多孔介质材料使用情况，并预测多孔介质材料使用寿命，经济效益提高。
(6)能够在空燃气预热情况下有效监控燃烧工况，反馈并调节预热设备和加热空间内运行参数。
附图说明
图1是本发明所提供的一种面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器控制系统的结构组成示意图。
图2是远程控制系统的模块组成结构图。
图3是本发明所提供的一种面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器控制方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本发明公开了一种面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器控制系统，包括现场控制系统和远程控制系统。现场控制系统与空气控制阀、燃气控制阀联锁，通过热电偶对燃烧器预混室或布风区进行燃烧器温度采集，通过电极对燃烧器进行点火并对燃烧器着火情况进行检测，现场控制系统主要行使数据采集与反馈、动作执行等功能，数据采集与反馈功能是指采集燃烧器的火焰数据和温度数据并将这些数据反馈至远程控制系统，动作执行功能是指接受远程控制系统发出的指令并执行点火、开关燃气控制阀等功能。远程控制系统与现场控制系统实时通讯，具备数据存储、分析和指令发送功能，数据存储、分析功能是指对现场控制系统反馈来的数据信息进行存储，便于查询和产品升级需要的关键运行数据提供，同时对数据进行分析，以判断燃烧器运行情况、多孔介质材料使用情况等是否在安全范围之内。指令发送功能是指对数据进行分析并判断燃烧器实时情况后，确定需要现场执行的动作，将该动作指令发送给现场控制系统。
远程控制系统是整个控制系统的核心，承担着数据分析和指令发送的任务，也是本控制系统实现有效预测和防止回火、适应不同热值气体燃烧、实时监控并诊断多孔介质材料使用情况、适用于预混燃烧时空煤气预热实时监控等功能的关键所在。为了实现上述功能，远程控制系统包含以下模块：点火模块、火焰检测模块、温度检测模块、材料使用情况监控诊断模块和气体预热工况在线监控模块，各模块储存的数据及数据分析结果可互相共享及调用，如图2所示。各模块的详细说明如下：
(1)点火模块。承担燃烧器点火功能，当燃烧条件具备，操作者执行该功能时，向现场控制系统发送点火指令，现场控制系统执行打开空气控制阀、打开燃气控制阀、向电极加载电压产生电火花等动作，完成燃烧器点火。
(2)火焰检测模块。承担火焰检测，判断燃烧器运行工况是否正常功能，当点火失败或燃烧器运行工况异常时，具备报警功能。在点火启动阶段，为了适应不同热值燃气的使用需要，该模块针对不同热值的燃气具有不同的火焰检测程序，具体表现为：点火模块执行后，根据预先设定的燃气种类，火焰信号反馈滞后时间不同。如假设多孔介质材料为sic，燃烧天然气时，点火20秒后火焰可稳定在多孔介质内部并能检测到稳定信号，则sic材质、天然气为燃气时的火焰信号反馈滞后时间为20秒；如多孔介质材料为sic，燃烧焦炉煤气时，点火40秒后火焰可稳定在多孔介质内部并能检测到稳定信号，则sic材质、焦炉煤气为燃气时的火焰信号反馈滞后时间为40秒。即不同材质的多孔介质材料、不同燃气种类的火焰信号滞后时间是不同的，火焰信号滞后时间的具体数值可由使用者手动输入，也可由系统提供者预先加装相关数据库。当超出滞后时间仍无法检测到火焰信号时，说明点火失败，失败信号反馈至远程控制系统，远程控制系统发出点火失败警告。需要说明的是，此处举例说明仅做系统模块展示使用，不代表实际使用的真实值。在燃烧器稳定运行阶段，该模块持续检测到火焰信号并将该信号反馈给远程控制系统，表示燃烧器内火焰燃烧正常。一旦该阶段火焰信号中断，表明燃烧器燃烧出现异常，远程控制系统控制界面发出燃烧异常警告，发出指令至现场控制系统，现场控制系统执行燃气控制阀关闭动作。
(3)温度检测模块。承担多孔介质燃烧器预混室或布风区温度数据存储与分析、判断燃烧器点火是否成功、异常情况报警功能。现场控制系统通过放置在燃烧器预混室或布风区的热电偶采集温度数据，并将该数据反馈至远程控制系统。远程控制系统通过温度检测模块储存并分析这些温度数据，储存的数据可以进行历史记录查询，该模块通过对温度数据分析进一步判定燃烧器点火是否成功。具体方式为：点火阶段，在火焰检测模块持续检测到火焰信号后一定时间内，温度检测模块分析温度数据变化趋势，当温度变化趋势合理时，认为点火成功。否则，即使火焰检测模块能持续检测到火焰信号，仍判定点火不成功，并发出报警信号。温度检测模块持续检测到火焰信号之后的时间长度的具体数值可由使用者手动输入，也可由系统提供者预先加装相关数据库。需要说明的是，温度检测模块在燃烧器的整个寿命周期内持续检测温度值，模块判断燃烧器点火是否成功只针对点火阶段的温度数据进行分析，其余的温度数据持续存储在系统内，为适应计算机存储空间，存储间隔和存储周期可由使用者手动输入，也可由系统提供者预先设定。
(4)材料使用情况监控诊断模块。承担燃烧器整个生命周期内多孔介质材料使用情况监控诊断、异常情况报警功能，即判定多孔介质材料在当前使用条件下是否能够安全、正常运行。由于多孔介质燃烧器的火焰浸没与多孔介质内，长期使用不可避免的会产生材料不同程度损坏现象，材料损坏未达到一定程度时仍可满足正常运行需要，当材料损坏超过一定程度时，无法安全运行，需要及时更换。该模块通过调用温度检测模块存储的温度数据并进行分析，以监控诊断材料使用情况。具体方式为：首先将当日之前一定时期(可以是一周、任意天数或任意时间段)内的温度数据调用并分析其变化趋势；其次将当前工作时间点之前一定时间(不超过当日)内的温度数据调用并分析其变化趋势；最后分析变化是否异常，当变化异常，判定材料已不满足使用要求，需要及时更换。这里所说的异常包含两层含义，一是保持某种变化趋势一定时间，二是温度最大值超过某一规定值。判定结果为：(1)当变化趋势异常持续一定时间，但未超过规定值，系统给出结论：材料持续损坏，预计使用寿命剩余n小时；(2)当变化过程中温度最大值超过某一规定值，系统给出结论：材料损坏或运行工况异常，请更换材料或检查使用工况，远程控制系统发出指令给现场控制系统执行燃气控制阀关闭动作，并给出报警信号。需要说明的是，本模块介绍中出现的“一定时期”、“一定时间”、“一定值”等规定，在文中未做特殊规定时，均可取任意数值。
(5)气体预热工况在线监控模块。当燃烧气体(空气、燃气)预热时，监控预热工况是否满足安全使用要求，当燃烧气体不预热时，该模块不工作。空气或燃气预热时，对于预混燃烧来说，预热温度的控制非常重要，由于预混气体在预混室内还受到多孔介质回流热量的加热，相当于预混气体既收到预热加热的能量又收到多孔介质回流加热的能量，而这两部分能量又是相互关联的，预热能增大多孔介质回流的热量，回流热量的增加又能增加预热效果，一旦这些热量的叠加使得气体温度在预混室内达到某一数值，将引起回火爆炸，出现安全事故。在实际过程中，气体预热一般采用换热器，且热量来源为燃烧废气，而换热器目前的设计水平一般无法达到精确控温，且燃烧废气也有可能随时波动，这些因素都将导致换热器预热后的气体无法达到或超过设计温度，出现回火爆炸事故。对于扩散燃烧来说，预热温度的突变将会使得多孔介质燃烧区火焰温度升高，加快多孔介质损坏。因此，需要对气体预热工况在实际过程不可避免产生的突变状况进行监控。具体方式为：本模块通过调用温度检测模块采集的实时温度数据并与某一设定值进行比较，该设定值根据不同材质多孔介质材料、不同燃气种类、不同空燃气而确定，当达到或超过该设定值，判定当前的预热工况危险，发送关闭燃气控制阀指令给现场控制系统，并给出报警信号及推荐调节手段。
图3所示为一种面向中高温加热领域的多孔介质燃烧器控制方法的工作流程图，具体过程如下：(1)在远程控制系统输入系统需要的参数，包含：多孔介质材料、燃气种类、滞后时间、是否预热、存储间隔、存储周期、温度设定值、重复点火次数；其中，多孔介质材料、燃气种类、是否预热三个参数主要由使用者输入，其余参数可由使用者输入也可以采用由系统提供者提供的推荐数据；(2)参数输入完毕，确保各设备无故障情况下，在远程控制系统点击点火指令，远程控制系统将该指令发送给现场控制系统，现场控制系统按顺序分别执行空气控制阀打开、燃气控制阀打开、电极加压打火动作，在经过预先输入的滞后时间后，火焰检测器能检测到火焰信号且温度检测模块检测到的温度数据正常，认定点火成功，其中任一检测结果不正常均判定点火失败，点火失败信号反馈至远程控制系统，远程控制系统重复执行上述动作，在预先设定的重复点火次数内仍无法点火成功，发出报警，需要检查设备；(3)点火成功后，进入燃烧器运行工况监控诊断阶段，主要包括材料监控诊断、燃烧监控诊断、预热工况监控(根据输入是否预热情况开启或关闭该功能)几个部分，任一监控出现异常，均判定运行异常，发出报警，并关闭燃气阀门；所有监控均正常的情况下，认为运行正常，系统持续工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。