КОНТРОЛЬ ЗА НЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ ПЛАМЕНИ ПОСРЕДСТВОМ ДАВЛЕНИЯ ТЯГИ И ПЕРЕМЕННОЙ ПРОЦЕССА
CONTROL OF FLAME INSTABILITY BY THRUST PRESSURE AND PROCESS VARIATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] На технологических установках для нагрева технологических текучих сред и сжигания выхлопного газа используются горелки. Такие горелки вырабатывают одно пламя или более внутри огневой коробки, используя топливный газ и источник кислорода, такой как воздух. Изменения в количестве или качестве топливного газа, как, например, изменения в теплосодержании топливного газа, или изменения в доступности кислорода в огневой коробке могут привести к нестабильности пламени горелки. Если не поддерживается правильное сочетание топлива и кислорода, горелка может перейти в фазу субстехиометрического сжигания, при которой нет достаточно кислорода для полного сжигания топлива. Субстехиометрическое сжигание может привести к нестабильности пламени горелки, и если вовремя его не скорректировать, пламя горелки может полностью исчезнуть. Это называют затуханием пламени.
[0002] Важно быстро обнаружить затухания пламени, потому что после того, как пламя исчезает, несожженное топливо заполняет огневую коробку. Если это топливо воспламенится, оно может взорваться, тем самым повредив горелку/нагреватель.
[0003] Одним из критериев производительности пламени является тяга в огневой коробке, которая может быть измерена как разность давлений между давлением внутри огневой коробки и давлением снаружи огневой коробки. Эта разность давлений называется давлением тяги или измерением тяги. Не так давно технология статистического контроля за процессом применялась к измерениям тяги в огневой коробке. При статистическом контроле за процессом значения давления для тяги в огневой коробке статистически обрабатываются для определения среднего и стандартного отклонения выборок давления. Стандартное отклонение давлений тяги затем используется для обнаружения нестабильности пламени.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] За горелкой ведется наблюдение посредством контроля за статистической переменной, вычисляемой из измерения тяги, и контроля за переменной процесса, связанной с функционированием горелки. Аномальное функционирование горелки определяется на основе статистической переменной и переменной процесса.
[0005] В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, система контроля за горелкой содержит устройство измерения тяги, производящее измерение тяги нагревателя, и модуль статистических вычислений для вычисления статистической величины на основе измерения тяги. Одно или более устройств измерения процесса измеряют одну или более переменных процесса, относящихся к горелке. Модуль определяет аномальное функционирование горелки на основе измеренной переменной процесса, статистической величины и параметров, характеризующих связь между статистической величиной и переменной процесса во время нормального функционирования горелки.
[0006] В следующих вариантах осуществления изобретения устройство включает в себя устройство вычисления стабильности пламени, получающее значение для переменной процесса, статистическую величину для измерения тяги и параметры, характеризующие связь между значениями переменной процесса и статистическими значениями измерения тяги, и устройство вычисления стабильности пламени, генерирующее величину стабильности, обозначающую стабильность пламени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Фиг. 1 - это блок-схема примера управления технологической установкой и диагностической сети.
[0008] Фиг. 2 - это блок-схема элементов электронной схемы в полевом устройстве и рабочей станции, используемой для реализации различных вариантов осуществления изобретения.
[0009] Фиг. 3 - это график стандартного отклонения давления тяги как функции от времени.
[0010] Фиг. 4 - это график скорости тепловыделения как функции от времени.
[0011] Фиг. 5 - это график стандартных отклонений давления тяги как функции от скорости тепловыделения.
[0012] Фиг. 6 - это график стандартных отклонений давления тяги как функции от скорости тепловыделения, изображающий пару стандартное отклонение/скорость тепловыделения во время нестабильности пламени.
[0013] Фиг. 7 - это график стандартного отклонения давления тяги как функции времени при испытании на нестабильность пламени.
[0014] Фиг. 8 - это график скоростей тепловыделения как функции времени при испытаниях на нестабильность пламени, изображенных на Фиг. 7.
[0015] Фиг.9 - это блок-схема элементов, используемых для определения аномальной ситуации в горелке.
[0016] Фиг.10 - это блок-схема последовательности действий способа определения аномальной ситуации в горелке.
[0017] Фиг. 11 - это график стандартного отклонения давления тяги при испытаниях горелки.
[0018] Фиг. 12 - это график скоростей тепловыделения во время испытаний горелки, изображенных на Фиг. 11
[0019] Фиг. 13 - это график значений стабильности во время испытания горелки, изображенного на Фиг. 11.
[0020] Фиг. 14 - это график стандартного отклонения давления тяги во время второго испытания горелки.
[0021] Фиг. 15 - это график скоростей тепловыделения во время испытания горелки, изображенного на Фиг. 14.
[0022] Фиг. 16 - это график значений стабильности во время испытания горелки, изображенного на Фиг. 14.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0023] Фиг. 1 - это блок-схема примера управления технологической установкой и системы диагностики 10, которая включает контроллер процесса 12, соединенный с рабочей станцией 14 через линию связи 15. Линия связи 15 может содержать, например, соединение сетей связи Ethernet или любой другой тип проводного, оптического или беспроводного соединения сетей связи. Дополнительно линия связи 15 может быть непрерывной или непостоянной линией. Контроллер 12 также соединяется с устройствами или оборудованием внутри технологической установки через устройство входа/выхода (I/O) (не показано) и набор линий связи или шину 18. В примере, показанном на Фиг. 1, контроллер 12 соединяется с устройствами и оборудованием, связанными с блоком нагревателя 16 (например, нагреватели сырой нефти, нагреватели текучих сред, нагреватели нефтеперерабатывающих установок, нагреватели нефтехимических продуктов, нагреватели нефтепродуктов, бойлеры, водонагреватели, нагреватели газа, нагреватели сырья, нагреватели исходного продукта, вакуумные нагреватели, жидкостные нагреватели, колонные нагреватели, трубопроводные нагреватели, накопительные системы подогрева и т.д.). Контроллер 12, который может быть только в качестве примера контроллером DeltaV™, продаваемым корпорацией Emerson Process Management, способен связываться с элементами управления, такими как, например, полевые устройства и функциональные блоки внутри полевых устройств, размещаемыми по всему объему технологической установки для выполнения одной или более программ управления процессом, чтобы тем самым реализовать желаемое управление нагревательным блоком 16. Эти программы управления процессом могут быть беспрерывными, либо периодическими программами или процедурами управления процессом. Рабочая станция 14 (которая может содержать, например, персональный компьютер, сервер и т.д.) может использоваться одним или более инженерами или операторами для проектирования программ управления процессом, исполняемых контроллером 12, чтобы связываться с контроллером 12 для того, чтобы загрузить эти программы управления технологическим процессом, чтобы получить и вывести на экран информацию, относящуюся к подогревателю 16 во время функционирования технологической установки, и чтобы в противном случае взаимодействовать с программами управления процессом, исполняемыми контроллером 12.
[0024] Рабочая станция 14 включает запоминающее устройство (не показано) для хранения приложений, таких как приложения проектирования конфигурации, служебные приложения, приложения пользовательского интерфейса, приложения диагностики и т.д., и для хранения данных, таких как конфигурационные данные, служебные данные, данные диагностики и т.д., относящиеся к конфигурации блока нагревателя 16. Рабочая станция 14 также включает процессор (не показан), который исполняет приложения для того, чтобы, помимо других вещей, позволить пользователю проектировать программы управления процессом и загружать эти программы управления процессом на контроллер 12. Подобным образом контроллер 12 включает запоминающее устройство (не показано) для хранения конфигурационных данных и программ управления процессом, которые должны использоваться для управления блоком нагревателя 16, и включает процессор (не показан), который исполняет программы управления процессом, чтобы реализовать стратегию управления процессом. Если контроллер 12 - это контроллер DeltaV™, он, в сочетании с одним или более приложениями, реализованными рабочей станцией 14, может обеспечить графическое представление программ управления процессом внутри контроллера 12 пользователю, иллюстрируя элементы управления внутри программы управления процессом и способ, по которому эти элементы управления конфигурируются для обеспечения управления блоком нагревателя 16.
[0025] В примере управления технологической установкой и диагностической сети 10, которые проиллюстрированы на Фиг. 1, контроллер 12 коммуникационно соединяется через шину 18 с блоком нагревателя 16. Блок нагревателя 16 содержит печь 20, через которую проходит технологическая текучая среда, которая подогревается печью 20, и трубу 22. Устройство заслонки 24 в трубе 22 регулирует поток воздуха и/или давление тяги, а топливный клапан 26 регулирует впуск топлива в печь. Хотя печь с естественной тягой показана на Фиг. 1, варианты осуществления изобретения, приведенные ниже, могут также эксплуатироваться с печами с принудительной тягой, с уравновешенной тягой и с искусственной тягой. Блок нагревателя 16 может также включать некоторое количество датчиков, связанных с расходом топлива, датчиков, связанных с расходом технологической текучей среды, датчиков, связанных с теплосодержанием топлива, датчиков, связанных с печью, и датчиков, связанных с трубой. В примере блока нагревателя 16 датчик давления 32 может использоваться для измерения расхода топлива, а датчик расхода 33 может использоваться для измерения расхода топлива в направлении течения от клапана 26, а устройство измерения теплосодержания топлива 70 может использоваться для измерения теплосодержания топлива в реальном времени. Устройство измерения теплосодержания 70 и устройство измерения расхода 33 могут быть объединены для создания одного устройства, которое обеспечивает скорость тепловыделения или скорость нагрева для нагревателя.
[0026] Датчик температуры 34 может использоваться для измерения температуры, а датчик расхода 35 может использоваться для измерения расхода технологической текучей среды, выходящей из печи 20. Хотя на Фиг. 1 показано только одно прохождение технологической текучей среды через печь 20, в типичном блоке нагревателя технологическая текучая среда может проходить через печь множество раз, а датчик температуры (не показан) и/или датчик расхода (не показан) могут измерять температуру и/или расход технологической текучей среды после каждого прохождения. Один или более датчиков могут использоваться для измерения условий внутри печи, включая датчик уровня СO 36, датчик давления тяги 37, датчик уровня O2 38 и датчик температуры 40. Устройство измерения давления тяги 37 измеряет дифференциальное давление между внутренней областью печи или огневой коробки и внешней атмосферой и тем самым проводит измерение воздушного потока внутри печи. Подобным образом один или более датчиков могут использоваться для измерения условий внутри трубы, включая датчик температуры 42, датчик давления 44, датчик уровня O2 46 и датчик воздушного потока 48. Определенная реализация может отбросить один или более датчиков. Например, хотя как датчик уровня O2 38, так и датчик уровня O2 46 показаны на Фиг. 1, типовой блок нагревателя может иметь только один датчик уровня O2, который связан либо с трубой, либо с печью.
[0027] Как проиллюстрировано на Фиг. 1, контроллер 12 коммуникационно соединен с устройством заслонки 24, клапанным устройством 26 и датчиками 32-38, 40, 42, 44, 46, 48 и 70 через шину 18, чтобы управлять функционированием и/или чтобы получать данные от этих элементов. Конечно, контроллер 12 мог бы быть соединен с элементами блока нагревателя 16 через дополнительные шины, через выделенные линии связи, как, например, линии 4-20 мА, линии связи HART и т.д.
[0028] Клапаны, датчики и другое оборудование, проиллюстрированные на Фиг. 1, могут быть любым желаемым видом или типом оборудования, включая, например, полевые устройства Fieldbus, стандартные устройства 4-20 мА, полевые устройства HART и т.д., и могут связываться с контроллером 12, используя любой известный или желаемый протокол связи, как, например, протокол Fieldbus, протокол HART, аналоговый протокол 4-20 мА и т.д. Более того, другие типы устройств могут управляться и соединяться с контроллером 12 любым желаемым способом. Также, другие контроллеры могут соединяться с контроллером 12 и/или с рабочей станцией 14 через, например, канал связи 15, чтобы управлять другими устройствами или областями, связанными с технологической установкой, а работа таких дополнительных контроллеров может быть скоординирована с работой контроллера 12, проиллюстрированного на Фиг. 1, любым желаемым или известным способом.
[0029] Что касается печи 20, например, один или более датчиков могут использоваться дополнительно или вместо датчика уровня CO 36, датчика давления 37, датчика уровня O2 38 и датчика температуры 40. В отношении трубы 22, например, один или более других датчиков могут использоваться дополнительно или вместо датчика температуры 42, датчика давления 44, датчика уровня O2 46 и датчика расхода воздуха 48. Например, датчик уровня CO, связанный с трубой 22, мог бы использоваться в дополнении к устройствам, показанным на Фиг. 1, или вместо одного или более этих устройств.
[0030] Каждый из одного или более датчиков 32-38, 40, 42, 44, 46, 48 и 70 могут включать запоминающее устройство (не показано) для хранения программ, как, например, программа для реализации генерации и сбора статистических данных в отношении одной или более переменных процесса, измеряемых датчиком. Каждый из одного или более датчиков 32-38, 40, 42, 44, 46, 48 и 70 могут также включать процессор (не показан), который исполняет программы, как, например, программа реализации генерации и сбора статистических данных. Программы, хранящиеся и реализуемые датчиком, могут включать один или более блоков для генерации, сбора и/или обработки статистических данных, связанных с датчиком. Такой блок может содержать, например, усовершенствованный блок диагностики (ADB), который является функциональным блоком известной технологии Foundation Fieldbus, который может быть добавлен к устройствам Fieldbus для генерации, сбора и обработки статистических данных внутри устройств Fieldbus. Другие типы блоков или модулей могут также использоваться для генерации и сбора данных устройства и вычисления, определения и/или обработки одного или более статистических измерений или параметров для этих данных. Более того, датчики не обязательно должны содержать устройства Fieldbus. Также блок генерации, сбора и/или обработки статистических данных может быть реализован посредством любой комбинации программного обеспечения, аппаратно-программного обеспечения и/или аппаратного обеспечения внутри датчика.
[0031] В качестве примера датчик давления 37, который измеряет давление тяги в нагревателе 10, может включать запоминающее устройство (не показано) для хранения программ, как, например, программа реализации генерации и сбора статистических данных в отношении давлений тяги, считываемых и замеряемых датчиком давления 37. Датчик давления 37 может также включать процессор (показан на Фиг. 2), который исполняет программы, как, например, программа реализации генерации, сбора и связи статистических данных. Программы, хранящиеся и реализуемые датчиком давления 37, могут включать один или более блоков для генерации, сбора и/или обработки статистических данных, связанных с датчиком давления 37. Блоки, которые предоставляют статистические величины, называют блоками статистического контроля за процессом. Например, эти блоки могут содержать ADB или какой-либо другой тип блока сбора статистических данных. Однако датчик давления 37 не обязательно должен содержать устройство технологии Fieldbus.
[0032] Термин «Блок статистического контроля за процессом» (SPM) используется в этом документе для описания функциональности, которая исполняет статистический контроль за процессом по как минимум одной переменной процесса либо другому параметру процесса и может быть исполнена любым желаемым программным обеспечением, аппаратно-программным обеспечением или аппаратным обеспечением, которые реализуются устройством, или внутри него, или даже вне устройства, для которого собираются данные. Будет подразумеваться, что из-за того, что блоки SPM в большинстве случаев реализуются устройствами, или как часть устройств, где собираются данные устройства, SPM блоки могут получить количественно и качественно более точные данные переменной процесса. В результате блоки SPM в большинстве случаев способны проводить более качественные статистические вычисления в отношении собранных данных о переменной процесса, чем блок, реализованный вне устройства, в котором собираются данные о переменной процесса.
[0033] В то время как блоки SPM были описаны в этом документе как подчиненные элементы ADB, они могут быть вместо этого независимыми блоками, размещенными внутри устройства. Также, в то время как блоки SPM, обсуждаемые в этом документе, могут быть блоками SPM известной технологии Foundation Fieldbus, термин «Блок статистического контроля за процессом» (SPM) используется в этом документе для ссылки на любой тип блока или элемента, который собирает данные, как, например, данные переменной процесса, и выполняет некоторую статистическую обработку этих данных, чтобы произвести статистическую оценку, такую как, например, среднее значение, стандартное отклонение и т.д. В результате предполагается, что этот термин будет относиться к программному обеспечению, аппаратно-программному обеспечению, аппаратному обеспечению и/или другим элементам, которые исполняют эту функцию, независимо от того, реализованы ли эти элементы в форме функциональных блоков или других типов блоков, программ, подпрограмм или элементов и подчиняются ли или нет эти элементы протоколу Foundation Fieldbus или любому другому протоколу, такому как Profibus, HART, CAN и т.д.
[0034] Данные, собираемые и генерируемые какими-либо или всеми блоками SPM, могут быть сделаны доступными внешнему клиенту, такому как, например, рабочая станция 14 через контроллер 12 и канал связи 15. Дополнительно или в качестве альтернативы данные, собираемые и генерируемые некоторыми или всеми блоками SPM, могут быть сделаны доступными для рабочей станции 14 через, например, сервер связи 60. Сервер связи 60 может содержать, например, технологию связывания и внедрения объектов (OLE) для сервера управления процессом (OPC), сервера, сконфигурированного для работы в сети связи Ovation, веб-сервера и т.д. Сервер связи 60 может получать данные, собираемые и генерируемые некоторыми или всеми блоками SPM через канал связи, такой как, например, беспроводное соединение, жесткое соединение, непостоянное соединение (как, например, то, что использует одно или более мобильных устройств) или любое другое желаемое соединение связи, использующее любой желаемый или подходящий протокол связи. Конечно любое из соединений связи, описанных в этом документе, может использовать сервер связи OPC для обобщения данных, полученных от различных типов устройств в общем или подходящем формате.
[0035] Более того, возможно реализовать блоки SPM в рабочей станции, сервере, персональном компьютере и т.д., или другие полевые устройства, независимые от данного полевого устройства, которые будут выполнять статистический контроль за процессом вне полевого устройства, которое собирает или генерирует первичные данные, такие как данные о давлении, температурные данные, данные об уровне O2 и т.д. Таким образом один или более блоков SPM могут быть реализованы рабочей станцией 14. Эти блоки SPM могут собирать первичные данные о давлении через, например, контроллер 12 или сервер связи 60 и могут вычислять определенную статистическую характеристику или параметр, как, например, среднее значение, стандартное отклонение и т.д., для этих данных о давлении. В то время как эти блоки SPM не размещаются в полевом устройстве, которое собирает эти данные и, следовательно, в большинстве случаев не способны собирать настолько много данных о давлении, чтобы произвести статистические вычисления согласно требованиям связи для этих данных, эти блоки полезны в установлении статистических параметров для устройства, которое не имеет или не поддерживает функциональности SPM. Таким образом, в дальнейшем обсуждении будет подразумеваться, что любые статистические характеристики или параметры, которые, как было описано, генерируются блоками SPM, могут производиться блоками SPM, реализованными полевыми устройствами или другими устройствами.
[0036] Во время функционирования контроллер 12 может управлять расходом топлива в печи через клапан 26. Датчик температуры 34 может предоставлять данные, которые указывают температуру технологической текучей среды, выходящей из печи 20. Дополнительно контроллер 12 может управлять расходом воздуха и/или давлением тяги через устройство заслонки 24.
[0037] Блок SPM получает сигнал процесса, генерируемый полевым устройством, и вычисляет статистические параметры для сигнала процесса. Эти статистические параметры могут включать одно или более из следующего: стандартное отклонение, среднее значение, выборочная дисперсия, среднее квадратическое (RMS), размах (AR), скорость изменения (ROC) сигнала процесса, максимум сигнала процесса и минимум сигнала процесса, например. Примеры уравнений для получения этих параметров включают:
Уравнение 1
Уравнение 2
Уравнение 3
ROC= Уравнение 4
Уравнение 5
где N - это общее число точек измерений за время выборки,  и  являются двумя последовательными значениями сигнала процесса, а T - это временной интервал между двумя значениями. Также,  и  являются соответственно максимумом и минимумом сигнала процесса за период выборки или времени обучения. Эти статистические параметры могут также быть вычислены, используя различные уравнения или алгоритмы. Когда переменной процесса является давление тяги, x представляет собой единственное измерение давления тяги.
[0038] Фиг. 2 показывает принципиальную схему полевого устройства 200 и рабочей станции 14, изображенной на Фиг. 1. Полевое устройство 200 является общим представлением полевого устройства, которое обеспечивает компоненты схемы, встречающиеся в полевых устройствах, как например, устройство измерения давления тяги 37, устройство измерения расхода топлива 33, устройство измерения давления топлива 32 и устройство измерения тепловыделения 70. Как показано, устройство 200 включает сенсорный модуль 232 и модуль электронной схемы 234. Согласно этому варианту осуществления изобретения, сенсорный модуль 232 включает датчик 246, аналоговую электронику и электронику процессора датчика. Модуль электронной схемы устройства 234 включает электронику вывода. Аналоговая электроника в сенсорном модуле 232 включает схему нормирования 252, схему преобразователя 254 и термометр сопротивления платины (PRT) 256. Электроника процессора датчика включает микропроцессор датчика 258, запоминающее устройство 260 и генератор синхроимпульсов 262. Электроника вывода включает микропроцессор вывода 264, запоминающее устройство 266 и схему связи 268. Рабочая станция 14 включает микропроцессор 270, устройства ввода 272, устройства вывода 274, запоминающее устройство 276, периферийные устройства 278 и интерфейс связи 280. Источник питания 222 обеспечивает питание рабочей станции 14, так же как и устройства 200 через рабочую станцию 14.
[0039] Датчик 246 измеряет переменную процесса, как, например, статистическое давление, дифференциальное давление, температуру и теплосодержание. Хотя для простоты показан только один датчик, устройство 200 может иметь множество различных датчиков. В этом варианте осуществления изобретения аналоговый вывод из датчика 246 передается в схему нормирования 252, которая усиливает и нормирует (т.е. фильтрует) сигналы. Схема преобразователя 254 преобразует аналоговые сигналы, сгенерированные датчиком 246, в цифровые сигналы, которые могут использоваться микропроцессором 258. Как показано на Фиг. 2, схема преобразователя включает как преобразователи напряжения в цифровую форму (V/D), так и преобразователи емкости в цифровую форму (C/D). PRT 256 отправляет температурный сигнал в схему преобразователя 254, характеризующий температуру рядом с датчиком 246, чтобы можно было компенсировать сигнал датчика изменения температуры. Микропроцессор 258 получает оцифрованные и нормированные сигналы датчика из схемы преобразователя 254, включая оцифрованный сигнал температуры из PRT 256. Микропроцессор 258 компенсирует и линеаризует сигналы датчика в случае ошибок и нелинейности, связанных с датчиком, используя коррекционные константы, хранящиеся в запоминающем устройстве 260. Генератор синхроимпульсов 262 отправляет в микропроцессор 258 синхроимпульсы. Оцифрованные, компенсированные и скорректированные сигналы датчика затем передаются микропроцессору 264.
[0040] Микропроцессор 264 анализирует сигналы датчика, чтобы определить состояние процесса. В частности, запоминающее устройство 266 (которое может быть энергонезависимым запоминающим устройством с произвольной выборкой (NVRM)) включает таблицы соответствий, в которых хранятся алгоритмические коэффициенты, которые используются для установления определенных значений состояния процесса, таких как давление тяги, массовый расход, теплосодержание и/или скорость тепловыделения, основанные на величине измеренных переменных процесса. Дополнительно, параметры аппаратного обеспечения и параметры текучей среды, такие как тип и внутренний диаметр трубы, переносящей текучую среду, вязкость и плотность текучей среды, загружаются на запоминающее устройство 266 через управляющий контур 218. В других примерах осуществления изобретения данные, относящиеся к параметрам аппаратного обеспечения и параметрам текучей среды, напрямую заносятся в передатчик 264 через интерфейс пользователя (не обозначено на Фиг. 2). Более того, параметры текучей среды могут быть функцией переменных процесса, вследствие чего различные параметры текучей среды хранятся в таблицах соответствий и выбираются на основе других параметров текучей среды и измеренных переменных процесса.
[0041] Используя параметры аппаратного обеспечения, параметры текучей среды, измеренные переменные процесса и алгоритмические коэффициенты, микропроцессор 264 проводит вычисление на протяжении всего периода работы. Вычисление за весь период работы решает уравнение условия процесса, чтобы определить условие процесса или состояние процесса. Сигнал условия процесса, представляющий собой вычисленное условие процесса, и сигналы датчика передаются в рабочую станцию 14 через управляющий контур 218, используя схему связи 268. Схема связи 268 включает регулятор напряжения 268A, схему модулятора 268B, контроллер контурного тока 268C и приемник протокола, такой как приемник HART 4-20 mA или приемопередатчик 268D, чтобы позволить электронному модулю передатчика связываться с интерфейсом связи 280 рабочей станции 14.
[0042] Энергонезависимое запоминающее устройство NVRAM 266 также содержит команды статистического контроля за процессом (SPM). Эти команды выполняются параллельно с командами, используемыми для генерации состояния процесса. Команды SPM вычисляют статистические значения из сигналов датчика, такие как среднее значение/медиана, стандартное отклонение и т.д. одного или более сигналов датчика. Например, может быть определено стандартное отклонение давления тяги.
[0043] Согласно этому варианту осуществления изобретения, статистические значения, полученные микропроцессором 264, отправляются в рабочую станцию 14 через схему связи 268. Рабочая станция 14 может хранить статистические значения в запоминающем устройстве 276 и может отображать среднестатистические значения на выходном мониторе 274. Микропроцессор 270 рабочей станции 14 может также использовать статистическое значение, чтобы определить, функционирует ли горелка неисправно, что будет обсуждено далее по тексту.
[0044] Рабочая станция 14, как правило, содержит персональный компьютер, такой как портативный компьютер, устанавливаемый вблизи от промышленного процесса, чтобы контролировать и регулировать переменные процесса и условия процесса промышленного процесса. Рабочая станция 14 включает устройства ввода 272, такие как клавиатура, мышь или любой другой пользовательский интерфейс, которые позволяют операторам вводить входные данные управления процессом в запоминающее устройство 276. Рабочая станция 14 также включает устройства вывода 274, такие как монитор, которые обеспечивают просмотр данных. Периферийные устройства 278, такие как принтер или другие широко используемые устройства, могут также соединяться с рабочей станцией 14 для ввода и вывода данных из микропроцессора 270. Рабочая станция 14 включает интерфейс связи 280, который передает данные в микропроцессор 264 и получает данные из микропроцессора 264. Рабочая станция 14 сконфигурирована для получения полной оценки и анализа возможностей модуля 234 и сигналов датчика, генерируемых датчиком 246.
[0045] Через элементы схемы, показанные на Фиг. 2, рабочая станция 14 может получать стандартное отклонение давления тяги и как минимум одну переменную процесса, которая описывает состояние горелки/нагревателя. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, по меньшей мере одной переменной процесса является скорость тепловыделения горелки/нагревателя, которая является мерой количества тепла, высвобождаемого горелкой за выбранную единицу времени. Например, скорость тепловыделения может быть выражена как число BTU (1055 Дж), высвобождаемых за час. В случаях, когда датчик тепла не доступен, скорость тепловыделения может быть оценена только из расхода топлива либо давления топлива.
[0046] Стандартное отклонение давления тяги может различаться, даже когда пламя стабильно. Фиг. 3 изображает график стандартного отклонения давления тяги в течение периода времени, во время которого пламя остается в стабильном состоянии. На Фиг. 3 стандартное отклонение давления тяги показано по вертикальной оси 300, а время показано вдоль горизонтальной оси 302. График Фиг. 3 показывает, что стандартное отклонение давления тяги поднимается в точке 306 и падает в области 308. Ни подъем, ни падение стандартного отклонения давления тяги не характеризуют нестабильность пламени. Вместо этого изобретатели данного изобретения обнаружили, что изменения в стандартном отклонении давления тяги совпадают с изменениями скорости тепловыделения горелки. Фиг. 4 показывает график скорости тепловыделения как функции от времени для испытания горения, показанного на Фиг. 3. На Фиг. 4 скорость тепловыделения изображена на вертикальной оси 400, а время показано вдоль горизонтальной оси 402, где временной диапазон горизонтальной оси 402 совпадает с временным диапазоном горизонтальной оси 302 на Фиг. 3.
[0047] Как показано на Фиг. 4, скорость тепловыделения увеличивается на отметке 406 в то же время как и стандартное отклонение давления тяги увеличивается на отметке времени 306. Подобным образом, когда скорость тепловыделения уменьшается на отметке 408, стандартное отклонение давления тяги также уменьшается в области 308. Таким образом, оказывается, что изменения в скорости тепловыделения вызывают изменения в стандартном отклонении давления тяги. Это характеризует то, что в то время как скорость тепловыделения увеличивается, разброс в давлении тяги увеличивается, и в то время как скорость тепловыделения уменьшается, разброс в давлении тяги уменьшается. Стоит принять к сведению, что эти изменения происходят, даже несмотря на то, что пламя остается в стабильном состоянии.
[0048] Фиг. 5 показывает график стандартного отклонения давления тяги как функции скорости тепловыделения во время нормального функционирования, когда пламя стабильно. На Фиг. 5 стандартное отклонение давления тяги показано на вертикальной оси 500 в то время как скорость тепловыделения показана вдоль горизонтальной оси 502. Каждая точка на Фиг. 5 представляет собой временную отметку во время испытания горелки, во время которого пламя было стабильно. Кривая наилучшего приближения 506, которая показана в виде прямой линии на Фиг. 5, показывает общее соотношение между скоростью тепловыделения и стандартным отклонением давления тяги.
[0049] Фиг. 6 изображает график стандартного отклонения давления тяги как функции скорости тепловыделения, который показывает соотношение между точками измерения данных при стабильном пламени и точкой измерения данных при нестабильном пламени. На Фиг. 6 стандартное отклонение давления тяги показано вдоль вертикальной оси 600, а скорость тепловыделения показана вдоль горизонтальной оси 602. Круглые точки на Фиг. 6 представляют собой точки измерения данных при стандартном отклонении давления тяги и скорости тепловыделения во время нормального функционирования, когда пламя стабильно. Линия 604 обозначает общее соотношение между стандартным отклонением давления тяги и скоростью тепловыделения. Помеченная звездочкой точка измерения данных 606 предоставляет значения для стандартного отклонения давления тяги и скорости тепловыделения во время аномального функционирования, когда пламя нестабильно. Как изображено на Фиг. 6, точка измерения данных 606 значительно отклоняется от линии 604, обозначая, что сумма скорости тепловыделения и стандартного отклонения давления тяги во время нестабильности пламени значительно отличается от суммы скорости тепловыделения и стандартного отклонения давления тяги во время нормального функционирования.
[0050] Фиг. 7 и 8 изображают графики стандартного отклонения давления тяги и скорости тепловыделения соответственно во время испытаний горения, включающих как стабильное, так и не стабильное пламя. На Фиг. 7 время показано вдоль горизонтальной оси 702, а на Фиг. 8 время показано вдоль горизонтальной оси 802, где одни и те же отметки времени на каждом из графиков вертикально совмещены. На Фиг. 7 стандартное отклонение давления тяги показано на вертикальной оси 700, а на Фиг. 8 скорость тепловыделения показана на вертикальной оси 800.
[0051] Во время первого испытания 804 подача топлива для одной из горелок в огневой коробке постепенно прекращается для формирования «ленивого» пламени. Это «ленивое пламя» все еще считается стабильным. Как обозначено квадратом "L" 806 во время испытания на низкое давление топлива 804, горелки имеют низкую скорость тепловыделения. Из-за того, что пламя стабильно во время испытания на низкое давление топлива, стандартное отклонение давления тяги также низкое, что обозначено квадратом L 706 на Фиг. 7.
[0052] Во время второго испытания 808 скорость тепловыделения горелок увеличивается за счет увеличения уровня топлива и кислорода, подаваемого в горелки таким образом, что остается избыточный кислород в огневой коробке. Как обозначено квадратом M 810, увеличение уровня топлива и кислорода приводит к скорости тепловыделения среднего уровня, и, как обозначено квадратом M 710 на Фиг. 7, приводит к стандартному отклонению давления тяги среднего уровня.
[0053] Во время третьего испытания 812 расход топлива в сравнении с этапом проверки 808 уменьшается, а уровень кислорода, подаваемого в горелки, уменьшается, чтобы перевести горелки в состояние с низким избытком кислорода. Как показано на Фиг. 8, это приводит к низкой скорости тепловыделения 814 и соответствующему низкому стандартному отклонению давления тяги 714. Во время этапа 812 пламя при наблюдении остается стабильным в горелках.
[0054] Во время четвертого испытания 816 количество топлива, подаваемого в горелки, увеличивается, в то же время поддерживая низкую кислородную среду. Как обозначено квадратом H 818, это приводит к высокой скорости тепловыделения, и, как обозначено квадратом H 718, порождает соответствующее высокое стандартное отклонение давления тяги. Во время начальной фазы этапа 816 в горелке наблюдается стабильность.
[0055] На этапе 820 только одна горелка в огневой коробке входит в состояние субстехиометрического сжигания, что приводит к понижению скорости тепловыделения до среднего диапазона 822. Изначально стандартное отклонение давления тяги падает до среднего значения 722. Однако, т.к. субстехиометрическое горение пламени продолжается, стандартное отклонение давления тяги увеличивается до высокого значения 724. Подача топлива в горелки затем уменьшается, что приводит к падению скорости тепловыделения до низкого уровня 826, тем самым выводя горелку из состояния субстехиометрического сжигания и приводя к низкому стандартному отклонению давления тяги в точке 726 на Фиг. 7.
[0056] Как изображено на Фиг. 6, 7 и 8, соотношение между скоростью тепловыделения и стандартным отклонением давления тяги сохраняется на протяжении нескольких различных условий в огневой коробке до тех пор, пока нет продолжительного субстехиометрического сжигания или нестабильности пламени. Однако при длительном субстехиометрическом сжигании или нестабильности пламени соотношение между стандартным отклонением давления тяги и скоростью тепловыделения становится в большей степени различным.
[0057] Фиг. 9 и 10 изображают блок-схему и блок-схему последовательности действий элементов и этапов, используемых для идентификации функционирования горелки аномальным образом на основе стандартного отклонения давления тяги и скорости горения.
[0058] На этапе 100 на Фиг. 10 для нормализации измерений тяги выбирается переменная процесса. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения переменной процесса является скорость тепловыделения горелок в огневой коробке. Однако в других вариантах осуществления изобретения могут использоваться другие переменные процесса, такие как давление тяги, теплосодержание, скорость расхода топлива, производительность процесса или показания температур в печи. На этапе 1002 данные измерения тяги SPM 904 и данные переменной процесса 906, представляющие собой испытательные данные при стабильном функционировании 902, собираются для множественности условий стабильного функционирования горелки. Эти условия стабильного функционирования могут включать низкое давление топлива на одной или более горелках, высокое давление топлива с избытком кислорода и низкое давление O2. В каждом из этих условий стабильной работы пламя, производимое горелками, стабильно при наблюдении и таким образом не испытывает субстехиометрического сжигания в состоянии, близком к затуханию пламени или при затухании пламени. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения данные измерения тяги SPM собираются из устройства измерения давления 37, а данные скорости тепловыделения собираются посредством вычисления данных скорости тепловыделения из данных расхода топлива, получаемых устройством измерения расхода топлива 33, а данные тепловой энергии из устройства измерения тепловой энергии 70. В частности, данные тепловой энергии из устройства измерения тепловой энергии 70 указывают количество тепла в объеме топливного газа, а устройство измерения расхода топлива 33 определяет объем газа, поступающего в горелки каждую секунду. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения скорость тепловыделения поступает напрямую из устройства измерения скорости тепловыделения, которое определяет как скорость расхода топлива, так и теплосодержание топлива.
[0059] На этапе 1004 кривая подобрана к данным измерения тяги SPM/переменной процесса, используя алгоритм подбора кривой 908 для формирования параметров кривой 910. Как показано на Фиг. 5 и 6, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения к данным переменной процесса/измерений тяги SPM подбирается прямая линия. Однако специалисты в данной области увидят, что к этим данным могут быть подобраны более сложные кривые, включая кривые второго порядка и кривые третьего порядка. Например, кривая может быть описана как
2
3
σ=aF+bF+cFУравнение 6
или как
2
3
F=xσ+yσ+zσУравнение 7
[0060] где σ - это стандартное отклонение давления тяги, F - это скорость тепловыделения, а a, b, c, x, y и z - это параметры, описывающие кривые. Параметры, определенные модулем подбора кривой 908 хранятся в запоминающем устройстве, как параметры кривой 910. Кривые определяют наблюдаемое соотношение между стандартным отклонением давления тяги и скоростью тепловыделения.
[0061] На этапе 1006 устройство вычисления стабильности пламени 916 получает текущее значение переменной процесса 912 и статистическую переменную 914, вычисляемую из показаний измерения тяги. Текущим значением переменной процесса 912 является переменная процесса, связанная с работой горелки/нагревателя. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения статистическая переменная 914 является стандартным отклонением значений давления тяги. Как было указано выше, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения статистическая переменная 914 образуется внутри полевого устройства, как, например, устройство 37 измерения давления.
[0062] На этапе 1008 устройство вычисления стабильности пламени 916 использует параметры кривой 910 для определения значения стабильности из переменной процесса 912 и величины стандартного отклонения давления тяги 914. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения величина стабильности вычисляется как
Уравнение 8
либо как
Уравнение 9
[0063] где S - это значения стабильности, а другие значения берутся из уравнений 6 и 7, представленных выше.
[0064] В одном определенном варианте осуществления изобретения, где существует линейное соотношение между скоростью тепловыделения и стандартным отклонением давления тяги, как изображено на Фиг. 5 и 6, уравнение 9 становится:
Уравнение 10
где параметр кривой x - это инверсия наклона линий, изображенных на Фиг. 5 и 6.
[0065] В альтернативных вариантах осуществления изобретения вместо сбора данных давления тяги SPM и данных переменной процесса и подбора кривой к этим данным предполагается, что соотношение между стандартным отклонением давления тяги и скоростью тепловыделения линейно, а значение x в равенстве 10 равняется
Уравнение 11
где  - это исходная скорость тепловыделения, а  - это значение стандартного отклонения давления тяги при исходной скорости сжигания с исходным избытком кислорода в огневой коробке.
[0066] Для стабильного пламени величина стабильности S должна быть около единицы. Однако, когда существует нестабильность в пламени горелки или другие аномальные условия в горелках, как, например низкий избыток кислорода, субстехиометрическое сжигание, состояние, близкое к затуханию, или затухание, значение S будет значительно выше для вариантов осуществления изобретения, которые используют уравнение 7 и уравнение 9, приведенные выше, либо значительно ниже для вариантов осуществления изобретения, которые используют равенство 6 и равенство 9, приведенные выше.
[0067] На этапе 1010 значение стабильности 918, полученное устройством вычисления стабильности пламени 916, используется детектором аномальных ситуаций 920 для определения, находится ли горелка в аномальном состоянии, как, например, нестабильное пламя, низкий избыток кислорода, субстехиометрическое сжигание, состояние, близкое к затуханию пламени, или затухание пламени, на этапе 1012. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения детектор аномальных ситуаций 920 определяет, находится ли горелка в аномальном состоянии, посредством применения одного или более правил статистического управления процессом (SPC), чтобы определить отличается ли статистически величина стандартного отклонения давления тяги от наблюдаемого соотношения между стандартным отклонением давления тяги и переменной процесса при стабильных условиях. Если горелка не находится в нестабильном состоянии, процесс возвращается к этапу 1006, чтобы получить новые данные измерения тяги SPM и данные переменной процесса. Этапы 1006, 1008, 1010 и 1012 повторяются неопределенное количество раз, пока не обнаруживается аномальное состояние на этапе 1012. Когда обнаруживается аномальная ситуация, детектор аномальной ситуации 920 запускает индикатор аномальной ситуации 922 на этапе 1014. Этот индикатор аномальной ситуации 922 может быть предупреждающим сигналом, размещаемым на рабочей станции 14 или отдельным предупреждающим сигналом, размещаемым в комнате управления или на мобильном устройстве, как, например, мобильный телефон или планшетное устройство.
[0068] Элементы Фиг. 9, которые исполняют способ, представленный на Фиг. 10, реализованы в рабочей станции 14 в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. В частности, микропроцессор 270 на Фиг. 2 может выполнять команды, хранящиеся в запоминающем устройстве 276, которые выполняют операцию подбора кривой 908 и которые действуют как устройство вычисления стабильности пламени 916 и детектор аномального состояния 920. Переменная процесса и стандартное отклонение давления тяги могут быть получены через интерфейс связи 280 и параметры кривой значений стабильности, а индикатор аномальной ситуации может храниться в запоминающем устройстве 276.
[0069] Фиг. 11, 12 и 13 изображают графики, показывающие соотношение между стандартным отклонением давления тяги, скоростью тепловыделения и значением стабильности в течение периода 30 дней, где первый день включает испытания горелки на Фиг. 7 и 8. На Фиг. 11, 12 и 13 время показано вдоль горизонтальных осей 1102, 1202 и 1302, а одни и те же временные отметки на каждом из графиков вертикально совмещены между графиками. На Фиг. 11 вертикальная ось 1100 обозначает стандартное отклонение давления тяги. На Фиг. 12 вертикальная ось 1200 обозначает скорость тепловыделения горелок. На Фиг. 13 вертикальная ось 1300 обозначает значение величины стабильности. Как показано на Фиг. 13 наиболее высокое значение нестабильности 1304 возникает во время испытаний горелок, изображенных на Фиг. 7 и 8, которые соответствуют скорости тепловыделения 1204 и стандартному отклонению давления тяги 1104. Таким образом значение стабильности обозначает, что пламя становится нестабильным во время этих испытаний горелок. За оставшееся время работы горелки на Фиг. 11, 12 и 13 пламя горелки остается стабильным. Во время периода 1310 стандартное отклонение давления тяги увеличивается, что обозначено значением 1106. Однако это увеличение стандартного отклонения давления тяги оказывается связанным с увеличением скорости тепловыделения на 1206. В результате значение стабильности 1306 остается ниже 1,1, что обозначает хорошее горение.
[0070] Фиг. 14, 15 и 16 изображают графики стандартного отклонения давления тяги, скорости сжигания топлива и величины стабильности соответственно для ряда испытаний горелки. Временные отметки осей 1402, 1502 и 1602 вертикально совмещены с одинаковыми отметками времени на каждом из графиков. Вертикальная ось 1400 отображает стандартное отклонение давления тяги, вертикальная ось 1500 отображает скорость тепловыделения, а вертикальная ось 1600 отображает значение стабильности. В точках 1406, 1506 и 1606 производится испытание с высоким давлением топлива, в котором количество топлива, доставляемого в горелку, увеличивается. Во время этого испытания наблюдается увеличение стандартного отклонения давления тяги, что показано точкой 1406. Это увеличение соответствует увеличению скорости тепловыделения, как обозначено точкой 1506. Из-за того, что увеличение стандартного отклонения давления тяги соответствует увеличению скорости тепловыделения, величина стабильности 1606 остается ниже 1,1, что обозначает стабильное пламя.
[0071] В точках 1408, 1508 и 1608 производится испытание с низким содержанием кислорода, в котором количество топлива, доставляемого в горелку, увеличивается в то время как количество кислорода сохраняется на низком уровне. Как обозначено точкой 1408, стандартное отклонение давления тяги увеличивается в то время как скорость тепловыделения увеличивается в точке 1508. Хотя нестабильность пламени не наблюдается во время этого испытания, значение стабильности поднимается выше 1,1 в точке 1608, что указывает на нечто аномальное в процессе горения, как, например, субстехиометрическое сжигание, низкий уровень O2, нестабильность пламени или затухание пламени.
[0072] В точке 1510 скорость тепловыделения падает, однако стандартное отклонение давления тяги остается высоким в соответствующей точке 1410. В результате значение стабильности 1610 во время этого периода высокое, что указывает на то, что пламя нестабильно, существует низкий избыток кислорода, происходит субстехиометрическое сжигание, состояние пламени близко к затуханию, либо происходит затухание пламени.
[0073] В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения графики на Фиг. 14 и 15 могут быть отображены на мониторе рабочей станции 14 в реальном времени, чтобы показать оператору текущее стандартное отклонение давления тяги и текущую скорость тепловыделения. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения график Фиг. 16 также отображается на мониторе рабочей станции 14, чтобы показать оператору текущую стабильность горелки. Как таковые, Фиг. 14, 15 и 16 представляют собой пользовательские интерфейсы, которые предоставляются оператору, чтобы помочь данному оператору в управлении горелкой/нагревателем и тем самым избежать условий затухания пламени в горелке/нагревателе.
[0074] Хотя описанное выше относится к скорости тепловыделения, в альтернативных вариантах осуществления изобретения объемная скорость тепловыделения, которая является мерой тепловой энергии в секунду на кубический метр, используется вместо скорости тепловыделения.
[0075] Хотя варианты осуществления изобретения рассмотрены выше в отношении нагревателей, специалисты в данной области поймут, что варианты осуществления изобретения могут быть реализованы в любых видах горелок, включая горелки, используемые для сжигания выхлопного газа без нагрева технологического материала.
[0076] Хотя настоящее изобретение описывается в отношении предпочтительных вариантов осуществления изобретения, работники, имеющие опыт в данной области, поймут, что изменения могут быть сделаны как в форме, так и в деталях, не отступая от сущности и объема изобретения.