一种工业烟气加热炉系统的制作方法

本实用新型实施例涉及工业烟气加热净化领域，特别涉及一种工业烟气加热炉系统。

背景技术：

目前，随着企业节能环保意识的增强和国家环保部门的要求，大多工业企业都配备了工业烟气净化设备和余热回收设备。

通常情况下，自然产生的工业烟气温度都相对较低，但烟气净化设备在对烟气净化的过程中需要较高温度才能达到良好的净化效果，另外，低温烟气在进行净化时换热效率不高，节能增效效果不明显。所以，在工业烟气进入净化设备和换热设备(即余热回收设备)前，需增设工业烟气加热炉以提高输入至净化设备和换热设备的烟气温度，进而达到净化烟气及节能增效的效果。

传统工业烟气加热炉需要操作人员手动点火烧炉，通过观察火焰，手动调节助燃空气阀门的开度和煤气阀门的开度。但大多工业煤气热值、压力波动较大，操作人员若无较高的技艺水平很难对助燃空气、煤气等所需燃料进行较好地控制。因此，现有技术中在对工业烟气进行净化前或换热前的升温过程中具有劳动强度大，且对操作人员技艺水平要求高，以及容易出现煤气燃烧效率低、能源浪费、烟气升温不稳定等问题。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种可自动调节助燃空气及煤气的供给量以使烟气输出温度满足要求，同时可有效提高燃料燃烧效率及利用率，使烟气升温稳定的工业烟气加热炉系统及。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种工业烟气加热炉系统，包括：

烟气加热炉，其上设有烧嘴机构，所述烟气加热炉分别与进烟管道和排烟管道连通以用于接收待处理的烟气并将所述烟气加热净化后排出；

助燃空气管路机构，其通过所述烧嘴机构与所述烟气加热炉连通以向所述烟气加热炉提供助燃空气；

煤气管路机构，其通过所述烧嘴机构与所述烟气加热炉连通以向所述烟气加热炉提供煤气；以及

控制机构，其至少与所述烧嘴机构、助燃空气管路机构以及煤气管路机构电连接，以分别控制所述助燃空气管路机构对助燃空气的供给、煤气管路机构对煤气的供给以及烧嘴机构的运行。

作为优选，所述烧嘴机构至少包括烧嘴组件、火焰监测器、火焰温度检测器、烟气输出温度检测器。

作为优选，所述助燃空气管路机构至少包括助燃空气管路以及设于所述助燃空气管路上的助燃空气压力检测器、助燃空气流量检测器、助燃空气电动调节阀。

作为优选，所述煤气管路机构至少包括煤气管路以及设于所述煤气管路上的煤气压力检测器、煤气流量检测器、煤气切断阀、煤气流量电动调节阀。

基于上述实施例的公开可以获知，本实用新型实施例的有益效果在于工业烟气加热炉系统全程自动控制，熄火联锁保护，而且，通过控制机构对助燃空气、煤气以及烟气等的监控，可使控制机构对煤气热值、压力波动及时准确响应，保证最佳燃烧效率，提高能源利用率，降低能源损耗和废气中有害物质含量。同时控制机构还可基于火焰温度而实时调整例如空燃比等来调节烟气加热炉内的燃烧状态，实现对火焰温度的控制，以及后续烟气输出温度的控制，整体控制过程高效且人为参与度低，有效的保证了系统稳定性和安全性。本实用新型实施例中的方案应用广泛，可适用于高炉煤气、转炉煤气、srv熔融炉煤气、焦炉煤气、天然气等多种燃烧介质的燃烧控制。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的工业烟气加热炉系统的结构示意图。

图2为本实用新型实施例中的工业烟气加热炉系统控制方法的流程图。

图3为本实用新型实施例中的工业烟气加热炉系统的程序流程图；

图4为本实用新型实施例中的工业烟气加热炉系统的原理框图；

图5为本实用新型实施例中的工业烟气加热炉系统中火焰温度控制原理框图；

图6为本实用新型实施例中的工业烟气加热炉系统中烟气温度控制原理框图；

图7为本实用新型实施例中的工业烟气加热炉系统中温度偏差多点分段参数化曲线图。

附图标记：

1-烟气加热炉；2-煤气流量检测器；3-排烟管道；4-助燃空气压力检测器；5-助燃空气流量检测器；6-助燃空气电动调节阀；7-助燃空气管路；8-煤气管路；9-煤气压力检测器；10-煤气切断阀；11-煤气流浪电动调节阀；12-燃烧器烧嘴；13-火焰温度检测器；14-烟气输出温度检测器。

具体实施方式

下面，结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细的描述，但不作为本实用新型的限定。

应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改。因此，下述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本实用新型的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本实用新型进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本实用新型的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。

下面，结合附图详细的说明本实用新型实施例。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种工业烟气加热炉系统，包括：

烟气加热炉1，其上设有烧嘴机构，烟气加热炉1分别与进烟管道和排烟管道3连通以用于接收待处理的烟气并将烟气加热净化后排出；

助燃空气管路机构，其通过烧嘴机构与烟气加热炉1连通以向烟气加热炉1提供助燃空气；

煤气管路机构，其通过烧嘴机构与烟气加热炉1连通以向烟气加热炉1提供煤气；以及

控制机构，其至少与烧嘴机构、助燃空气管路机构以及煤气管路机构电连接，以分别控制助燃空气管路机构对助燃空气的供给、煤气管路机构对煤气的供给以及烧嘴机构的运行。

本实用新型实施例中的工业烟气加热炉1系统全程自动控制，熄火联锁保护，而且，通过控制机构对助燃空气、煤气以及烟气等的监控，可使控制机构对煤气热值、压力波动及时准确响应，保证最佳燃烧效率，提高能源利用率，降低能源损耗和废气中有害物质含量。同时控制机构还可基于火焰温度而实时调整例如空燃比等来调节烟气加热炉1内的燃烧状态，实现对火焰温度的控制，以及后续烟气输出温度的控制，整体控制过程高效且人为参与度低，有效的保证了系统稳定性和安全性。本实用新型实施例中的方案应用广泛，可适用于高炉煤气、转炉煤气、srv熔融炉煤气、焦炉煤气、天然气等多种燃烧介质的燃烧控制。

具体地，本实施例中的烧嘴机构至少包括烧嘴组件、火焰监测器、火焰温度检测器13、烟气输出温度检测器14。其中，烧嘴组件包括高压点火变压器、点火电极和点火烧嘴，高压点火变压器设置在现场的点火箱内，点火电极及点火烧嘴位于烟气加热炉1内的燃烧器烧嘴12中，在进行点火操作时是远程高压电极点火，点燃启动燃烧器烧嘴12。火焰监测器为火焰监测探头，其设置在燃烧器烧嘴12的火焰监测孔上，以使控制机构根据火焰燃烧与熄灭状态，进行熄火保护控制。火焰温度检测器13包括火焰温度传感器，其安装在燃烧器烧嘴12邻近火焰出口处，用于采集燃烧火焰温度以辅助控制机构进行助燃空气与煤气混合配比的控制。烟气输出温度检测器14包括烟气输出温度传感器，其安装在烟气加热炉1上的烟气出口处，用于采集输出烟气温度，以辅助控制机构进行输出烟气温度校准的控制。

进一步地，助燃空气管路机构至少包括助燃空气管路7以及设于助燃空气管路7上的助燃空气压力检测器4、助燃空气流量检测器5、助燃空气电动调节阀6，该各检测器及调节阀用于辅助进行助燃空气流量的控制。其中，助燃空气压力检测器4包括安装在助燃空气管路7上的缓冲管和设于该缓冲管上的压力变送器。助燃空气流量检测器5包括节流机构、三阀组和差压变送器，节流机构安装在助燃空气管路7上，三阀组安装在节流机构上，差压变送器安装在三阀组上。

进一步地，煤气管路机构至少包括煤气管路8以及设于煤气管路8上的煤气压力检测器9、煤气流量检测器2、煤气切断阀10、煤气流量电动调节阀11，该各检测器及调节阀用于辅助进行煤气流量的控制。其中，煤气压力检测器9同样包括缓冲管和压力变送器，其安装位置同助燃空气压力检测器4中对应器件的安装位置一样；煤气流量检测器2也同样包括节流机构、三阀组和差压变送器，三者的安装位置同助燃空气流量检测器5中对应器件的安装位置一样。

控制机构至少包括具有参数矩阵数据库和空燃比带模糊推理机制，可基于历史实例推理空燃比的cbr实例推理机、具有空燃比模糊方程和最佳空燃比选择机制的最佳空燃比模糊控制器以及包括烟气模糊控制器和pid控制器的烟气温度模糊pid控制器。其中，最佳空燃比模糊控制器用于整定火焰温度与实时空燃比关系模糊模型，进行最佳燃烧空燃比控制。烟气温度模糊pid控制器用于根据采集的烟气输出温度和下游工艺系统需求烟气输出温度给定值，进行烟气输出温度控制。

优选地，本实施例中的控制机构还包括助燃空气流量控制器和煤气流量控制器。助燃空气流量控制器用于根据系统发出的助燃空气流量控制信号，控制助燃空气电动调节阀6动作，以对助燃空气流量进行调整；煤气流量控制器用于根据系统发出的煤气流量控制信号，控制煤气流量电动调节阀11动作，以对煤气流量进行调整。其中上述控制信号可根据用户指令，或各管路的压力检测器(包括助燃空气压力检测器4和煤气压力检测器9)检测到的压力，或火焰监测器检测到的火焰状态等而定。另外，控制机构还包括煤气切断阀控制器，其用于根据火焰状态信号，控制煤气切断阀10动作，以关断或打开煤气。当然，当控制机构检测到煤气管路8中的压力异常时，也可通过煤气切断阀控制器控制煤气切断阀10动作以切断煤气。

本实施例中的控制机构通过采用cbr实例推理机进行最佳空燃比模糊控制，可对煤气热值、压力波动进行及时且准确的响应，保证最佳燃烧效率，提高能源利用率，降低能源损耗和废气中有害物质的含量。同时还可通过pid控制器采用模糊pid控制方法实现烧炉全过程、大范围的准确控制，进一步提高响应速度及控制精度。

如图2至图6所示，本实用新型实施例同时提供一种工业烟气加热炉系统的控制方法，包括：

分别自进烟管道、助燃空气管道以及煤气管道处接收待处理的烟气、助燃空气以及煤气；

启动烧嘴机构，点燃烟气加热炉；

通过火焰监测器实时监测烟气加热炉内的火焰状态；

若发生异常熄火时，通过煤气切断阀切断煤气管路，并发出警报；

若未发生熄火现象，通过火焰温度检测器实时获得火焰温度实际值fipv(t)；

若火焰温度实际值不满足预设取值范围，则利用控制机构中的实例推理机确定最佳燃烧空燃比，设定最佳空燃比最大值a(max)和最佳空燃比最小值a(min)，并通过最佳空燃比模糊控制器输出当前状态下最佳空燃比值a(t)；

通过煤气流量检测器获取煤气流量实际值gfpv(t)；

通过煤气流量实际值计算助燃空气流量给定值afsp(t)＝a(t)*gfpv(t)；

通过助燃空气流量检测器获取助燃空气流量实际值afpv(t)；

基于助燃空气流量给定值以及助燃空气流量实际值对助燃空气流量进行调节，具体为通过助燃空气电动调节阀调节助燃空气流量，以使当前流量下助燃空气和煤气混合燃烧后的火焰温度实际值满足预设取值范围；

当火焰温度实际值满足预设取值范围后，通过烟气输出温度检测器获取烟气输出温度实际值fupv(t)；

若烟气输出温度值与目标值不符，则基于烟气输出温度实际值与目标值推理出当前状态下控制机构中的pid控制器的控制参数；

通过pid控制器基于控制参数得到的计算值du(t)作为煤气流量的附加给定值；

基于煤气流量的附加给定值对煤气流量进行调节，以使当前燃烧状态下产生的烟气的实际温度值满足目标值。

当然，上述过程中系统也要时刻根据助燃空气压力检测器以及煤气压力检测器检测的数值对助燃空气管路内的压力以及煤气管路内的压力进行监控，以使在满足各目标压力的前提下确保各管路内的气体流量满足烟气燃烧的需要。

本实用新型实施例中的工业烟气加热炉系统的控制方法可实现烟气加热净化过程全程自动控制的效果，无需人为过多参与，大大简化了操作人员的控制操作，而且，通过控制机构对助燃空气、煤气以及烟气等的监控，可使控制机构对煤气热值、压力波动及时准确响应，保证最佳燃烧效率，提高能源利用率，降低能源损耗和废气中有害物质含量。同时系统还可基于火焰温度而实时调整例如空燃比等来调节烟气加热炉内的燃烧状态，实现对火焰温度的控制，以及后续烟气输出温度的控制，有效保证了烟气加热净化效率及程度，降低了能源损耗。

具体地，本实施例中在启动烧嘴机构，点燃烟气加热炉时包括：

根据系统点火指令启动煤气管路的吹扫程序和点火程序，点燃燃烧器烧嘴，开始烧炉，即，点燃烟气加热炉并对其内部的助燃空气、煤气的混合气进行燃烧，以升温烟气，达到净化效果产生高温烟气，混入烟气管道，以达到烟气加热净化效果。

其中，本实施例中在实现确定若火焰温度实际值不满足预设取值范围时具体包括：

以火焰温度设定值fisp(t)为目标值，火焰温度检测器输出值fipv(t)为实际值，计算当前采样时刻火焰温度偏差efi(kts)：

efi(kts)＝fisp(kts)-fipv(kts)(1)

其中，k为当前采样次数，ts为采样周期，并将efi(kts)值传递给控制机构中的最佳空燃比模糊控制器，由最佳空燃比模糊控制器确定火焰温度偏差是否满足预设取值范围。

进一步地，本实施例中在利用控制机构中的cbr实例推理机确定最佳燃烧空燃比，设定最佳空燃比最大值a(max)和最佳空燃比最小值a(min)，并通过最佳空燃比模糊控制器输出当前状态下最佳空燃比值a(t)时包括：

实时检测火焰温度实际值fipv(t)和实时空燃比值a(t)，并按采样周期ts存储记录数据，创建[fipv(kts),a(kts)]矩阵数据库；

根据实例推理机的执行周期tc，轮询[fipv(kts),a(kts)]矩阵；取fipv(t)的最大值fipv(max)至fipv(max)-100℃温度区间段，调取该温度段内所有空燃比值由小到大组成[a(xts),a(yts),……a(its)]数组(a)；将数组(a)中数值偏差小于目标范围的元素组成一组，分成若干个子数组(b)(c)……(n)；统计数组(a)和各子数组(b)(c)……(n)中元素个数；选出各子数组中元素个数大于数组(a)中元素总数5％的数组，组成新的数组(a)；将数组(a)中最小的元素值a(min)和最大的元素值a(max)作为空燃比带限值，传递给最佳空燃比模糊控制器；

根据当前采样时刻火焰温度偏差efi(kts)，和上一采样时刻火焰温度偏差efi(kts-ts)，计算当前采样时刻火焰温度偏差变化率efir(kts)：

efir(kts)＝[efi(kts)-efi(kts-ts)]/ts(2)

当efi(kts)＞0℃时，如果efir(kts)＜-6℃/s或efir(kts)＞0℃/s,则输出当前空燃比a(t1)为a(t)：

a(t)＝a(kts)-efir(kts)/d(3)

如果-0.3℃/s＜efir(kts)＜0℃/s,则输出当前空燃比a(t1)为a(t)：

a(t)＝a(kts)+fir(kts)/d(4)

否则当前空燃比a(t1)不做调整；

当efi(kts)＜-100℃时，如果efir(kts)＜0℃/s,输出当前空燃比a(t1)按式(3)求得；否则当前空燃比a(t1)不做调整；

当-100℃≤efi(kts)≤0℃时：根据空燃比模糊方程计算空燃比a(t)：

其中，[b²-4a(c-fipv(kts))]≥0；

求得空燃比a(t)1和a(t)2，如果a(min)≤a(t)1≤a(max),且a(min)≤a(t)2≤a(max)，则输出当前空燃比a(t)：

a(t)＝min[a(t)1),a(t)2](6)

如果a(min)≤a(t)1≤a(max)，且a(t)2＜a(min)或a(max)＜a(t)2，则输出前空燃比a(t)：

a(t)＝a(t)1(7)

如果a(min)≤a(t)2≤a(max)，且a(t)1＜a(min)或a(max)＜a(t)1，则输出前空燃比a(t)：

a(t)＝a(t)2(8)

否则当前空燃比a(t)不做调整。

其中，上式(3)、(4)中的d为常数，式(5)中a、b、c为常数。

进一步地，如图7所示，本实施例中在确定烟气输出温度值与目标值不符，并基于烟气输出温度实际值与目标值推理出当前状态下控制机构中的pid控制器的控制参数时包括：

以烟气温度设定值fusp(t)为目标值，烟气温度检测器的输出值fupv(t)为实际值，计算当前采样时刻烟气温度偏差efu(kts)：

efu(kts)＝fusp(kts)-fupv(kts)(9)

根据当前采样时刻烟气温度偏差efu(kts)，和上一采样时刻烟气温度偏差efu(kts-ts)，计算当前采样时刻烟气温度偏差变化率efur(kts)：

efur(kts)＝[efu(kts)-efu(kts-ts)]/ts(10)

对烟气温度偏差进行多点校正，包括将烟气温度偏差值按其绝对值大小分为7个梯段，即0≤|efu(kts)|＜e1；e1≤|efu(kts)|＜e2；e2≤|efu(kts)|＜e3；e3≤|efu(kts)|＜e4；e4≤|efu(kts)|＜e5；e5≤|efu(kts)|＜e6；e6≤|efu(kts)|；

其中，e1-e6均为常数，且0＜e1＜e2＜e3＜e4＜e5＜e6；

当e5≤|efu(kts)|时，计划目标烟气温度偏差变化率efursp(t)：

efursp(t)＝[efu(kts)/|efu(kts)|]*(e5-e6)/ta(11)

如果|efursp(t)|≤|efur(kts)|，设定该阶段pid控制器参数p＝p6，i＝i6，d＝d6；

如果|efursp(t)|＞|efur(kts)|，设定该阶段pid控制器参数p＝p61，i＝0，d＝d61；其中，ta为控制器参数最小整定周期，p6、p61、i6、d6、d61为不等于零的常数；

当e4≤|efu(kts)|＜e5时，计划目标烟气温度偏差变化率efursp(t)：

efursp(t)＝[efu(kts)/|efu(kts)|]*(e4-e5)/ta(12)

如果|efursp(t)|≤|efur(kts)|，设定该阶段pid控制器参数p＝p5，i＝i5，d＝d5；

如果|efursp(t)|＞|efur(kts)|，设定该阶段pid控制器参数p＝p51，i＝0，d＝d51；其中，p5、p51、i5、d5、d51为不等于零的常数；

当e3≤|efu(kts)|＜e4时，计划目标烟气温度偏差变化率efursp(t)：

efursp(t)＝[efu(kts)/|efu(kts)|]*(e3-e4)/(2ta)(13)

如果|efursp(t)|≤|efur(kts)|，设定该阶段pid控制器参数p＝p4，i＝i4，d＝d4；

如果|efursp(t)|＞|efur(kts)|，设定该阶段pid控制器参数p＝p41，i＝0，d＝d41；其中，p4、p41、i4、d4、d41为不等于零的常数；

当e2≤|efu(kts)|＜e3时，计划目标烟气温度偏差变化率efursp(t)：

efursp(t)＝[efu(kts)/|efu(kts)|]*(e2-e3)/(3ta)(14)

如果|efursp(t)|≤|efur(kts)|，设定该阶段pid控制器参数p＝p3，i＝i3，d＝d3；

如果|efursp(t)|＞|efur(kts)|，设定该阶段pid控制器参数p＝p31，i＝i31，d＝d31；其中，p3、p31、i3、i31、d3、d31为不等于零的常数；

当e1≤|efu(kts)|＜e2时，设定该阶段pid控制器参数p＝p2，i＝i2，d＝d2；其中，p2、i2、d2为不等于零的常数；

当|efu(kts)|＜e1时，设定该阶段pid控制器参数p＝p1，i＝i1，d＝d1；其中，p1、i1、d1为不等于零的常数。

进一步地，本实施例中在通过pid控制器基于控制参数得到的计算值u(t)作为煤气流量的附加给定值时包括：

当e2＜|efu(kts)|时，将当前采样时刻烟气温度偏差变化率efur(kts)，和当前采样时刻计划目标烟气温度偏差变化率efursp(kts)作为pid控制器的输入值，按下式(15)作为煤气流量控制器的附加给定值du(t)：

du(t)＝p*[eer(kts)﹣eer(kts﹣ts)]+i*eer(kts)+d*[eer(kts)﹣2eer(kts﹣ts)+eer(kts﹣2ts)](15)

式(15)中eer(kts)＝[efursp(kts)﹣efur(kts)](16)

pid控制器参数取|efu(kts)|所处相应控制阶段的p、i、d值；

式(16)中efursp(kts)取|efu(kts)|所处相应控制阶段式(11)、(12)、(13)、(14)的计算值；

当|efu(kts)|≤e2时，将当前采样时刻烟气温度偏差efu(kts)，作为pid控制器的输入，按下式(17)作为煤气流量控制器的附加给定值du(t)：

du(t)＝p*[efu(kts)﹣efu(kts﹣ts)]+i*efu(kts)+d*[efu(kts)﹣2efu(kts﹣ts)+efu(kts﹣2ts)](17)

其中，pid控制器参数取|efu(kts)|所处相应控制阶段的p、i、d值；

将pid控制器的输出值u(t)作为煤气流量的附加给定值，其中：

u(t)＝u+du(t)(18)

式(18)中u为煤气流量初始给定值，为常数，du(t)由计算式(15)、(17)求得。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的数据处理方法所应用于的电子设备，可以参考前述产品实施例中的对应描述，在此不再赘述。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。