专利名称：燃烧器系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及燃烧器系统，例如锅炉系统，特别涉及燃烧器系统的故障检测装置。
商用和工业用燃烧器系统，不论是用于加热流体还是产生蒸气，本身都有出现严重的燃烧器故障的危险。通常为气态的燃料被供给到燃烧室，在这里被受控燃烧，通常是在被送到燃烧室中的空气等中燃烧。燃料供给通常是由一阀调节，而空气供给通过一与一风扇联接的气闸控制器调节，通过两者供给的调节来控制产生的热量。不论什么原因使得控制失灵，很可能会发生爆炸。
少量的锅炉系统带有氧气调节系统，其可改善燃烧器的安全性，但是许多锅炉控制仍然是仅仅依靠基本的压力开关和联接或致动开关，因为调节系统的成本较高，对于运行时间少的小的锅炉系统来说不合适。较大的锅炉系统中少量有氧或二氧化碳的传感器，但基本上都要求操纵者检测以便安全或有效地操作。重要的是，氧传感器在点火之后才能证明安全，尽管氧的检测能关掉不安全的系统，但有一个显著的时间延迟，由于偶然的“非必要的”警报，“闭锁”(如果安装的话)经常被禁止。
目前，燃气/空气比控制装置的完善性通常仅仅由下述装置来保证a)一低气压报警器，如果在点火前或点火后(通常设定为最低)压力降低到最小预设水平以下时，该报警器被触发；b)微动开关，其就在点火之前保证联接或致动电机的完善性。这些开关经常被仅仅用于证明动作，不用于证明各条件已经满足了。一些开关整体形成于驱动伺服电机中，不能证明联接、扇形板、气门或阀的完整性。
在燃烧器控制下点火后，低压开关通常仅仅在空气供给完全没有的情况下(例如燃烧器风扇失灵)才启动。因此，在5-1调节比(即20％至100％的最大热量)的燃烧器中，仅仅所需空气的20％在高火被供给，而没有“闭锁”。这种现象并不少见，导致氮氧化物、一氧化碳、未燃烧燃料大量放出，破坏管路，有造成严重事故的危险。
美国专利4915613(转让给Honeywell公司)公开了在一控制器控制燃料阀的启动的加热系统中检测燃料压力的方法和装置。燃料压力极限信号被供给控制器，以确定燃料压力是否越过了预定的阈值。为了避免非必要的关闭，在启动燃料阀之后燃料压力极限信号被控制器忽视一定的时间间隔。该预定时间间隔根据对燃料管线中的压力过渡态值的响应而选择，以防止非必要关闭。
安全检查员、燃烧器操作者和技术人员关心的是在操作中燃料阀或空气调节器部分或完全失灵这样的典型事件没有被现存的系统检测到。随着越来越强调锅炉房的自动控制和较少的检查和维护，需要改善燃烧器的安全性。在本申请的说明书中，燃烧器系统定义为包括燃烧器和燃烧室以在含氧气体中燃烧流体燃料，空气和燃料都供给到燃烧器。燃烧产物通过一管道排出燃烧室。
根据本发明提供一种燃烧器系统的故障检测装置，包括检测流体燃料(例如天然气、丙烷或丁烷)供给到燃烧室的装置；检测含氧气体供给到燃烧室的装置；比较检测装置的读数和参考值的装置；以及根据比较结果产生信号的装置。
该系统提供了一种通过检测每单位时间实际供给到燃烧室中的燃料和含氧气体的有效量，评价进行燃烧的成分(流体燃料和含氧气体)的相对比例的方法，而不是自认为的输入燃烧室的量。有效量涉及供给的有用成分的摩尔数，尽管当在同样的温度和压力下处理气体供给时，有效量只与供给的体积相关。
当燃烧器系统使用时，参考值可这样获得在理想燃烧条件下从检测装置读出读数。使用多重气体管道分析仪容易肯定这样的状态达到了并已实现正确的过量空气，以保证完全燃烧(即管道燃气不含有低氮氧化物和一氧化碳)。另外，安装有标准供给管线的给定的燃烧器系统可具有可预测的特征，这使得参考值可预设，从而不需要就地确定。
在普通的操作中，如果从检测装置的即时读数与参考值符合，指示一切正常，不需要进一步的动作，只要继续检测供给量。但是，如果检测装置的即时读数与参考值不同，产生一信号，可能是警告操作者潜在的危险，或接管燃烧装置的操作，例如停止燃烧，或在关闭操作中的装置。该信号也可仅仅警告偏离了最佳燃烧效率的状态。
燃烧器系统可进一步包括用于调节流体燃料流入燃烧室的阀装置，其中流体燃料供给检测装置安装在该阀装置的下游。燃烧器系统可进一步包括用于调节含氧气体流入燃烧室的阀装置，其中含氧气体供给检测装置位于相应的阀的下游。优选地，检测装置位于燃烧器内，紧挨燃烧器头部，此处燃料和含氧气体在燃烧前混合。
这样，从检测装置读出的读数精确反映供给到燃烧室中的燃料和含氧气体的比例。因此，检测装置检测到实际供给到燃烧室的物质，而不是认为的供给到燃烧室的物质。
至少一个检测装置包括一传感器，用于检测相应的供给的压力。在有检测含氧气体供给的压力的传感器的情况下，供给到燃烧室的气体量与供给的压力成正比。因此，连续检测压力可精确指示气体供给到燃烧室中的流率。另外，压力传感器可在净化时使用以发现背压的增加，这种增加可能是这样发生的，例如管路堵塞或锅炉内热传导表面玷污。另外，净化压力传感器信号用于发现其它的工作不良，例如引风阀控制或引风机的故障。玷污或故障可通过比较环境空气压力和背压来检测，该背压通过净化时的压力传感器测量。
另外，至少一个检测装置可包括一流量传感器。流量传感器可用于压力变化太小，而不能精确测量流率的情况下。
故障检测装置可进一步包括一温度传感器，用于检测含氧气体的温度；一补偿装置，用于补偿比较前温度变化。在恒定压力下一定量的气体的体积随温度变化，因此温度变化会影响送入燃烧室中的气体的实际量。可提供多个参考值，不同的参考值用于不同的温度。优选含氧气体为空气，因此可安装温度传感器以检测环境条件。
优选根据比较所得的信号还依赖于参考值和检测装置的读数之间的差的大小。本发明的一个实施例提供对偏离安全操作条件的具体的计量的响应，以便及时发现问题，及时维护，而不必临时关机。信号发生装置可根据实际读数和参考值之间差的严重程度提供一信号范围。在最严重的情况下(可能表示有潜在爆炸的危险)，该信号可启动自动操作，立即关闭燃烧装置，在不严重的情况下，该信号可启动一报警器，指示进行常规的维护检测。
故障检测装置可进一步包括检测从燃烧室出来的燃烧副产品(烟道气体)流的装置。烟道气体检测装置可通过检测供给到燃烧室的燃料和含氧气体的相对量保证更精确的比较。烟道气体检测装置可以是一压力变换器。该压力变换器与前述的压力传感器一起保证检测到燃烧室的压力降低。任何这种降低都可能是表示系统中存在阻塞，这种结构可保证实现进一步的安全控制。
故障检测装置可进一步包括检测从燃烧室出来的燃烧副产品(烟道气体)的温度的装置；根据供给的燃料/含氧气体的热量值预报从燃烧室出来的燃烧副产品的温度的装置；比较检测和预报的温度，根据比较产生一输出的装置；例如如果检测和预报的温度的差超过一预定量(可能表示火侧或水侧热传导表面玷污或热传导流体丧失)，该输出可包括系统的受控的关闭。在这样的装置下，应当知道“冷启动”读数与“稳态”读数显著不同。
故障检测装置可进一步包括根据检测到的含氧气体的供给量与预定供给量之间的差调节含氧气体供给的装置。该调节装置可产生风扇电机速度的计量反应，以便增加或降低含氧气体的供给量，以恢复供给量至预定值，例如保持在任何给定压力下所需的燃烧空气的供给量。风扇电机速度一般由AC可变速驱动控制，其可通过AC驱动装置内的比例积分微分函数方便的调节。另外，如果不使用AC驱动装置，可根据燃烧空气节气门伺服电机的反馈提供一位置调节。
根据本发明的第二方面，提供一种检测前述燃烧系统故障的方法，其包括检测流体燃料供给到燃烧室的流率；检测供给到燃烧室的含氧气体的流率；比较检测的读数和参考值；根据比较结果产生信号。
下面参考附图描述本发明的实施例，其中
图1是本发明实施例的燃烧器系统的示意图。
燃烧器或锅炉系统10包括一燃烧室12，其具有气体燃料供给管线14和空气供给管线16。阀15调节进入燃烧室12的燃料流，风扇和节气门17调节向燃烧室12的空气供给。在燃烧器18燃烧燃料的副产品通过管路20排出，燃烧产生的热量被锅炉热交换器22吸收。
故障检测装置包括第一压力传感器24，其位于空气供给管线16中，位于风扇和节气门17的下游；和第二压力传感器26，其位于燃料供给管线14内，阀15的下游。(压力传感器是容易得到的零件，一般为硅薄膜型，测量压力范围典型地为100～3500帕，输出范围为4～20mA，或0～10伏特)。分别由传感器24，26检测的压力P1和P2与温度传感器28测量的空气供给的温度指示T1送到微处理器30。
微处理器30存储在一温度范围的参考压力值范围，其指示最佳燃烧状态。该值可在燃烧器使用管道气体分析仅试车以确定在给定温度供给管路中压力时决定，在该压力下可产生完全燃烧所需的燃料/空气混合。
选择出传感器28检测的温度对应的参考值后，微处理器30将它们与传感器24，26检测的压力读数比较，根据该比较的结果产生一计量响应32。该比较可这样产生，首先确定参考值和检测读数的商，然后比较该商。但是，为了简化，这里考虑直接比较参考值和读数。计量响应32定级如下0，如果P1，P2与参考值匹配，微处理器30只是继续检测锅炉系统10，比较新的压力和温度读数与参考值。
1，如果P1，P2稍微偏离参考值，可能指示燃烧不良和/或一氧化碳和低的氮氧化物释放量不良的增加，微处理器30启动一用于该系统的非紧急操作的报警器，并继续检测燃烧工作。
2，如果P1，P2严重偏离参考值，表示可能有些零件因长期使用而损坏，在一时间延迟之后微处理器30关闭锅炉系统10，该时间延迟用于进一步读数来确认最初的读数。
3，如果P1或P2超过表示严重控制故障的压力阈值，微处理器30停止点火程序，或者如果燃料已燃烧，立即关闭锅炉系统10。
与燃烧器18间隔的可燃气体检测器40检测系统房间42中的可燃气体。(检测器可以是公知的电催化类型，其中两个颗粒催化剂一个为主动的，一个为补偿的，形成半个惠斯登桥结构。)检测器40的输出D1被微处理器30接收，其分析该值是否接近或高于爆炸下限。如果可燃气体被检测到接近或高于爆炸下限，微处理器30立即隔离对锅炉的电力和气体供给。
优点大大改善了安全性—如果检测到不安全的燃料/空气状态立即关闭。
邻近故障诊断，可安排维修—减小了燃料损耗和停机时间和损失。
避免了锅炉/燃烧器的过烧的危险和随后的锅炉损坏的高额代价和燃料的低效率。
如果检测到严重故障，烟道气体温度检测以限制器(闭锁)警告操作者火侧或水侧的故障。
不损坏现有的燃烧器安全控制。
可选择的气体泄漏检测系统警告和防止在潜在的爆炸气氛中燃烧器点火。
提供重要的独立的“检测狗”，用于电子直接驱动伺服燃料/空气比例系统。
方便快速常规维护，因为可使用现有的维护人员利用故障诊断软件来完成。
可使得燃烧器在最佳的试车值之内进行工作，如果检测到偏离厂家规定的条件一定程度后可安全关机。
对环境的污染超过一定限度时保证锅炉不会继续工作。
当可能导致锅炉壳体或管路的损坏时防止锅炉继续工作。
改善系统所在地的环境状况。
减小燃料和维护费用。
可检测的故障的举例气体压力调节阀的失灵或部分失灵。
气体调压器组失灵。
不正确地设定净化确认开关。
锅炉水的严重损耗。
火侧或水侧沉淀或结垢，随后导致效率低和热应力。
阻塞或部分阻塞火管或烟道。
在调节气体阀例如SKP70 Landis & Gyr阀上粘有薄膜。
空气节气门连接件失灵或节气门片连接卡箍的滑脱。
空气特征凸轮失灵。
燃烧空气风扇入口的部分堵塞(例如聚乙烯吹入空气入口)。
例如SKP70 Landis & Gyr阀失灵，其会导致富燃料状态。
平衡节气阀或引风扇/节气阀失灵。
空气风扇叶片或节气阀片玷污。
气体阀门轴或连接件的剪断。
燃料空气直接驱动伺服系统中的电子故障，例如RFI引起的系统“爬升”。
不正确的维护或修理过程。
系统所在的房间中有燃气泄漏，导致潜在的爆炸危险(可选择)。
权利要求
1.一种燃烧器系统的故障检测装置，包括检测流体燃料供给到燃烧室的装置；检测含氧气体供给到燃烧室的装置；比较检测装置的读数和参考值的装置；以及根据比较结果产生信号的装置。
2.根据权利要求1的故障检测装置，其特征在于，流体燃料供给检测装置安装在用于调节流体燃料流入燃烧室的阀装置的下游。
3.根据权利要求1或2的故障检测装置，其特征在于，含氧气体供给检测装置位于用于调节含氧气体流入燃烧室的阀装置的下游。
4.根据权利要求1，2或3的故障检测装置，其特征在于，至少一个检测装置包括一传感器，用于检测相应的供给的压力。
5.根据前述任一权利要求的故障检测装置，其特征在于，还包括一温度传感器，用于检测含氧气体的温度；一补偿装置，用于补偿比较前检测到的温度变化。
6.根据权利要求5的故障检测装置，其特征在于，该补偿装置包括从一组值中选择对应于检测温度的参考值的装置。
7.根据前述任一权利要求的故障检测装置，其特征在于，含氧气体是空气。
8.根据前述任一权利要求的故障检测装置，其特征在于，产生的信号还依赖于参考值和检测装置的读数之间的差的大小。
9.根据前述任一权利要求的故障检测装置，其特征在于，参考值表示完全燃烧的状态。
10.根据权利要求1-9中任一项的故障检测装置，其特征在于，还包括检测从燃烧室出来的燃烧副产品即烟道气体流的装置。
11.根据权利要求10的故障检测装置，其特征在于，烟道气体检测装置是一压力变换器。
12.根据权利要求10的故障检测装置，其特征在于，烟道气体检测装置是一温度传感器。
13.根据权利要求12的故障检测装置，其特征在于，还包括根据供给的燃料/含氧气体的热量值预报从燃烧室出来的燃烧副产品即烟道气体的温度的装置；比较检测和预报的温度，根据比较产生一输出的装置。
14.包括根据权利要求1-13中任一项的故障检测装置的燃烧器系统。
15.一种检测前述燃烧器系统故障的方法，其包括检测流体燃料供给到燃烧室的流率；检测供给到燃烧室的含氧气体的流率；比较检测的读数和参考值；根据比较结果产生信号。
全文摘要
锅炉系统(10)的故障检测装置包括:第一压力传感器(24),其位于空气供给管线(16)中,位于风扇和节气门(17)的下游;和第二压力传感器(26),其位于燃料供给管线(14)内,阀(15)的下游。分别由传感器(24,26)检测的压力P
文档编号F23N5/18GK1265729SQ98807858
公开日2000年9月6日 申请日期1998年8月3日 优先权日1997年8月1日
发明者克里斯托弗·R·希利 申请人:马克·圣约翰·韦布, 克里斯托弗·R·希利