ДЕТЕКТОР НАГАРА И КОРРОЗИИ ДЛЯ МУНДШТУКОВ ГОРЕЛКИ В ОБОРУДОВАНИИ ОГНЕВОГО ПОДОГРЕВА
SCALE AND CORROSION DETECTOR FOR BURNER TIPS IN FIRE HEATING EQUIPMENT

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к системам сгорания. Более конкретно, изобретение относится к аппарату для детектирования нагара или коррозии в мундштуке горелки системы огневого подогрева.
Термин "оборудование огневого подогрева" или "система подачи тепла" относится к устройствам, которые используют огонь или пламя для подачи тепла в систему. Как правило, оборудование огневого подогрева использует систему подачи топлива для управляемой подачи топлива в камеру сгорания или к мундштуку горелки. Термин "топливо" означает в данном случае газ, жидкость, горючую смесь (например, углемазутная суспензия) или любое воспламеняющееся вещество, которое пригодно для управляемой подачи через мундштук горелки. Примеры оборудования огневого подогрева включают в себя установки для сжигания отходов, теплообменники, реакторы, котлы и подобное. Один общий вариант отказа для процессов, использующих оборудование огневого подогрева, заключается в образовании нагара или коррозии мундштуков горелки или форсунок, поставляющих топливо в камеру сгорания. Такой нагар или коррозия могут воздействовать на подачу топлива и могут привести к отказу системы и, иногда, к прекращению работы предприятия.
В обрабатывающей промышленности незапланированные случаи простоя предприятия, вызванные отказом оборудования огневого подогрева, могут быть очень дорогостоящими, учитывая стоимость потерянной продукции и стоимость остановки/запуска. Помимо этих затрат, случаи, приводящие к простою предприятия, могут также привести к проблемам безопасности, экологическим проблемам, а также к выпуску дефектной продукции. Устройства, обеспечивающие диагностическую информацию и аварийную сигнализацию, используются в процессе управления производством для возможного избежания таких незапланированных случаев.
Одна диагностическая методика основана на использовании контролируемых переменных параметров процесса (PV), и если заданные пределы превышаются, то сообщается об аварийном состоянии. Такая аварийная сигнализация в действительности служит только для обнаружения отказа. Фактическая причина отказа должна быть при этом определена или получена из другой информации о процессе, доступной для пункта управления или доступной в средстве аварийной сигнализации. И хотя иногда само это средство может испытать отказ, такая ситуация становится все менее вероятной, поскольку для оборудования достигается все более высокая надежность. Обычно сигнал аварийной ситуации генерируется, если нечто в самом процессе протекает неправильно.
Традиционно нагар мундштука горелки или его закупорка обнаруживаются по малому топливному потоку, подаваемому на устройство огневого подогрева, или по невозможности достижения желаемой температуры обрабатываемого объекта. В некоторых вариантах реализации блок оборудования огневого подогрева имеет множество мундштуков горелки, что делает такое обнаружение затруднительным из позиции сверху по течению. Конкретно, когда отдельный мундштук горелки из набора мундштуков горелки становится закупоренным или корродированным, детектор, находящийся сверху по течению, может не продетектировать никакого изменения в топливном потоке, подаваемом на блок горелки, имеющей множественные мундштуки горелки, поскольку некоторые мундштуки горелки блока горелки могут просто производить несколько большее пламя. Альтернативно, если топливо является коррозийным, разъедаемый мундштук горелки может просто сжигать больше топлива, но менее эффективно. Идентификация того, какой именно мундштук горелки фактически закупорен или корродирован, может оказаться трудной, если не невозможной, без остановки системы.
Другая проблема, связанная с такими системами, заключается в том, что нагар и/или коррозия мундштука горелки обычно приводят к понижению тепловой мощности. Компенсация такого понижения тепловой мощности может включать в себя увеличение топливного потока в систему. Увеличенный топливный поток может привести к увеличенному выпуску пламени другими, незакупоренными, горелками, тем самым создавая ситуацию неравномерного нагрева или создавая точки перегрева в пределах системы. Неравномерное нагревание может привести к снижению эффективности, пониженному качеству продукта и различным другим нежелательным результатам. Кроме того, если горелки сжигают больше топлива, поскольку другая горелка закупорена, они могут произвести более жаркое пламя, чем то, на которое горелка рассчитана, тем самым подвергая горелку воздействию большей температуре, чем она может выдержать. Такие точки перегрева в конечном счете могут привести к преждевременному отказу стенок труб или сепаратора. В пределах самого процесса такие точки перегрева могут разрушить процесс.
Имеется возрастающая потребность в системах детектирования нагара и коррозии для прогнозирования того, когда мундштук горелки или другие преграждающие поток элементы станут нагарными или корродированными, так, чтобы система могла быть своевременно обслужена. Варианты реализации настоящего изобретения предоставляют решения этих и других проблем и предоставляют другие преимущества перед техникой по предшествующему уровню техники.
Сущность изобретения
Система для прогнозирования нагара и коррозии системы сгорания в технологическом процессе включает в себя трубку, ограничивающий элемент и детектор нагара и коррозии. Трубка содержит топливо. Ограничивающий элемент соединен с трубкой, и топливо проходит через ограничивающий элемент. Детектор нагара и коррозии соединен с трубкой и приспособлен для детектирования характеристического признака ограничивающего элемента и для генерации аварийного сигнала, если изменение в продетектированном характерном признаке превышает заданный предел относительно исходного характеристического признака.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает упрощенную схему системы детектирования нагара и коррозии мундштука горелки согласно варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.2A и 2B - упрощенные схемы пассивной акустической системы детектирования нагара и коррозии мундштука горелки согласно варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.3А и 3B - упрощенные схемы активной акустической системы детектирования нагара и коррозии мундштука горелки согласно другому варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.4A и 4B - упрощенные схемы оптической системы детектирования нагара и коррозии мундштука горелки согласно варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.5A и 5B - упрощенные схемы пассивной акустической системы детектирования нагара и коррозии для использования с любым ограничивающим поток элементом согласно варианту реализации настоящего изобретения.
Подробное описание
Обычно текучие среды, текущие по трубке или трубопроводу, производят детектируемые акустические сигналы, вследствие контакта со стенками трубки. Вблизи сужений или преграждающих элементов в пределах трубы (например, трубы Вентура, мундштука горелки и подобного) изменяющийся внутренний диаметр трубки приводит к акустическим отражениям, которые детектируемы выше по течению от сужения или преграждающего элемента. Например, при протекании топлива через мундштук горелки, при сужении потока топлива в тракте, генерируется акустическое отражение, по существу противоположное направлению потока. Обычно это акустическое отражение можно рассматривать как характеристический акустический признак, который изменяется со скоростью потока. Однако это акустическое отражение или признак также изменяется, если при нагаре или коррозии образуется сужение или преграждающий элемент. И нагар (наращивание нежелательного вещества на поверхности), и коррозия (точечная коррозия или эрозия поверхности материала) вызывают изменение в профиле преграждающего или сужающего элемента, приводя к изменению характеристического акустического признака, свойственного для нагара или коррозии. Детектируя изменение характеристического акустического признака, которое превышает заданный предел, система может проверяться на нагар или коррозию и обслуживаться прежде, чем система выходит из строя.
В некоторых случаях технологический шум может занимать широкую полосу частот, что может сделать обнаружение отраженного сигнала затруднительным. В таких случаях в настоящем изобретении продолжается использование имеющейся преграды потока посредством отражения акустического сигнала от преграды в полосе различающихся частот и измерение отраженного характеристического акустического признака для детектирования изменения, превышающего заданный предел. Конкретно, акустический широкополосный сигнал, направленный через газовую трубку к мундштуку горелки, производит акустическое отражение от мундштука горелки, которое изменяется, если мундштук горелки подвергается коррозии или нагару.
В дополнение к изменению характеристического акустического признака, нагар или коррозия мундштука горелки изменяют характерный оптический признак мундштука горелки и самого пламени. В зависимости от топливовоздушной смеси и от присутствия загрязнителей, характерный тепловой признак, цвет, профиль пламени, форма факела и так далее могут изменяться. Кроме того, закупорка или коррозия мундштука горелки может воздействовать на эффективность мундштука горелки, делая мундштук горелки горячее нормального, или может привести к неравномерному нагреванию. Если системные переменные остаются постоянными, пламя мундштука горелки сохраняет относительно постоянную форму, размер, характерный тепловой признак и так далее. Если в пламя вводятся примеси, цвета, связанные с химическим составом введенного вещества, также могут появиться в пламени. Если мундштук горелки подвергся коррозии или нагару, пламя может колебаться, и форма пламени может измениться. Кроме того, характерный тепловой признак пламени может при этом содержать холодные области, не присутствующие в пламени, производимом чистым мундштуком горелки. Эти изменения могут быть продетектированы с использованием различных чувствительных оптических средств, которые более подробно рассматриваются ниже.
На Фиг.1 показана упрощенная схема системы 100 детектирования нагара и коррозии в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Система 100 включает в себя подводящую трубку 102 с мундштуком 104 горелки (который представляет собой сузившийся внутренний диаметр относительно подводящей трубки 102). Мундштук 104 горелки проходит в оборудование огневого подогрева 106 для подачи тепла посредством пламени 118. Оборудование огневого подогрева 106 может быть котлом или любым другим типом оборудования в технологическом процессе, для которого требуется тепло пламени.
Преобразователь 108 присоединен к подводящей трубке 102 сверху по течению от мундштука 104 горелки. Преобразователь 108 соединен со схемой 110 детектирования нагара и коррозии, которая, в свою очередь, соединяется с центром 112 управления через линию связи 114. Линия связи 114 может быть проводной или беспроводной линией связи. Дополнительно, линия связи 114 может быть двумя, тремя, или четырьмя проводными петлями, включающими в себя питающий и заземляющий провода. Схема 110 детектирования нагара и коррозии и управляющий центр 112 связываются по линии связи 114, обеспечивая измерительную информацию и сигналы управления соответственно.
Устройство 115 памяти служит для хранения измерительной информации так, чтобы текущие измерения, выполняемые преобразователем 108, могли быть сравнены с исходными измерениями для идентификации изменений, показательных для нагара или коррозии. Устройство памяти 115 показано условно, поскольку устройство памяти 115 может быть расположено в любом месте, например внутри корпуса передатчика 111, вдоль преобразователя 108 и схемы 110 детектирования нагара и коррозии. Альтернативно, устройство памяти 115 может находиться в центре управления 112. В предпочтительном варианте реализации устройство памяти 115 сохраняет исходный (безнагарный или бескоррозионный) характеристический акустический признак сужающегося элемента (например, мундштука 104 горелки). В одном варианте реализации измерительная информация сохраняется как необработанные данные, означая, что сохраняется информация измерительного отсчета или напряжения как противоположность информации, характеризующей переменный параметр процесса. В альтернативном варианте реализации сохраняются обработанные измерительные данные. Может быть предусмотрен локальный операторский интерфейс 113 с тем, чтобы оператор или пользователь формировал начальные условия (например, перезагружая характерный исходный измерительный признак после того, как установлен новый мундштук 104 горелки, или после того, как закупоренный мундштук обработан).
При желании, для улучшения точности системы могут быть использованы интеллектуальные системы 117. Интеллектуальные системы 117 могут включать в себя самообучающиеся системы, нейронные сети, нечеткую логику, искусственный интеллект и т.п.
Поскольку топливо течет к мундштуку 104 горелки, как обозначено стрелкой 116, топливо вынуждено попадать в область суженного внутреннего диаметра мундштука 104 горелки. Акустическое отражение (обозначенное как 120) производится топливом, текущим через сузившийся проход. Это акустическое отражение 120 регистрируется преобразователем 108. Обычно акустическое отражение 120 производится в сузившемся мундштуке 104 горелки и обычно не возникает от шума пламени 118. Пунктирная линия 122 показывает общую линию среза, где может возникнуть отраженный звуковой сигнал 120.
Обычно, при установке или в течение обслуживания, исходное измерение регистрируется преобразователем 108 и сохраняется в устройстве памяти 115. При работе акустическое отражение 120 от мундштука 104 горелки регистрируется и результаты измерений, предоставляемые преобразователем 108, сравниваются с сохраненным исходным измерением схемой 110 детектирования нагара и коррозии. Если измеренное акустическое отражение 120 превышает заданный предел по сравнению с сохраненным исходным характеристическим признаком, то схема 110 детектирования нагара и коррозии готова при этом подать аварийный сигнал на центр управления 112.
Используя преобразователь 108 возможно также продетектировать условия “срыва пламени”. Конкретно, если мундштук 104 горелки становится полностью закупоренным, отраженный характерный шумовой признак исчезнет (или изменится настолько сильно, что данные измерений изменятся подобно скачку напряжения). Если мундштук 104 горелки не закупорен, но газ отключен (т.е. отсутствует топливный поток к мундштуку 104), то преобразователь 108 для характеристик давления укажет давление, близкое к нулевому. Таким образом, устройство может различать отключение подачи топлива и закупоренный мундштук 104.
Обычно преобразователь 108 может быть измерительным преобразователем для давления или соответствующим акустическим датчиком. В любом случае несколько преобразователей могут быть подключены к общей электронной схеме так, что преобразователь может быть связан с каждым мундштуком 104 горелки. Если используются акустические датчики, то может быть желательно присоединить один или несколько дополнительных датчиков давления к блоку горелки для различения режима отключения горелки и закупоренного или нагарного состояния мундштука горелки.
Для оборудования огневого подогрева, работающего в широком диапазоне скоростей подачи топлива, может быть установлена корреляция между скоростью подачи и противодавлением мундштука горелки (по измерению измерительным преобразователем для давления). Сохранение характерных признаков фонового шума для различных пределов изменения противодавления обеспечивает лучшее прогнозирующее детектирование нагара. Если скорость подачи топлива изменяется, то для сравнения с данным измеренным характерным шумовым признаком должен использоваться характеристический признак фонового шума, соответствующий этим пределам изменения противодавления.
Для определения характерного шумового признака суженного элемента (например, мундштука 104 горелки) могут использоваться различные способы. Например, к измерительным данным может быть применено быстрое преобразование Фурье. В предпочтительном варианте реализации к измерительным данным применяется вейвлетная технология для анализа измеренной формы волны, поскольку она хорошо подходит к сигналам с высоким содержанием шума. Вейвлетное разложение сигнала дает преимущество по сравнению с разложением Фурье, поскольку могут быть лучше отображены локальные или кратковременные вклады в сигнал.
В целом настоящее изобретение предоставляет множество преимуществ по сравнению со схемами детектирования нагара и коррозии предшествующего уровня техники. Во-первых, при помещении преобразователя (акустического детектора или датчика давления) сверху по течению от мундштука 104 горелки (но вблизи мундштука горелки) преобразователь 108 не подвергается непосредственному нагреванию, и поэтому можно избежать проблем, связанных с периодическим нагревом и непосредственным нагревом. Во-вторых, преобразователь 108 предоставляет возможность определения нагара и коррозии мундштука горелки с высокой чувствительностью. В-третьих, преобразователь 108 может быть осуществлен во множестве различных вариантов. В предпочтительном варианте реализации преобразователь объединен с передатчиком. Другое преимущество состоит в том, что информация о топливном расходе не требуется для получения информации о нагаре или закупорке. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает различение между "отключением подачи топлива" и состояниями закупоренного мундштука. Передатчик 108 может также предоставлять топливное давление PV, в качестве дополнительной выгоды. Наконец, в настоящем изобретении распределенная система управления не нагружается больше, чем нормальный передатчик. В большинстве применений для питания детектора достаточно контура питания в 4-20 мА.
На Фиг.2A и 2B показана упрощенная блок-схема пассивного детектора нагара и коррозии, связанного с отдельным мундштуком горелки согласно варианту реализации настоящего изобретения. Детектор нагара и коррозии имеет топливную подводящую трубку 102 с мундштуком 104 горелки и измерительный преобразователь 108 для давления, присоединенный к трубке 102. Поток 116 жидкости или газа проходит через трубку 102 и через отверстие в мундштуке 104 горелки, и отраженный шумовой сигнал 120 отражается назад на преобразователь 108, который детектирует отражение 120 шума у мундштука. Зарегистрированный отраженный акустический сигнал 120 затем обрабатывается схемой 110 детектирования нагара и коррозии, которая сравнивает зарегистрированный сигнал 120 с исходным сигналом, сохраняемым в устройстве 115 памяти. На Фиг.2A мундштук 104 горелки чист, и, таким образом, сравнение не должно привести к генерации аварийного сигнала.
На Фиг.2B показан детектор, связанный с мундштуком 104 горелки, который частично закупорен или частично заполнен нагарными отложениями 124 (или корродирован), что приводит к измененному отраженному акустическому сигналу 120 (по сравнению с отражением, показанным в Фиг.2A). Измерительный преобразователь 108 детектирует измененный отраженный сигнал 120, указывающий на нагар мундштука 104. Схема 110 детектирования нагара и коррозии, которая соединена с измерительным преобразователем 108 для давления, затем сравнивает принятый отраженный сигнал 120 с сохраненными измерительными данными в устройстве 115 памяти. Если различие между сохраненным сигналом и зарегистрированным сигналом 120 превышает заданный предел, на центр управления может быть подан аварийный сигнал. В предпочтительном варианте реализации преобразователь, с адекватной полосой пропускания для восприятия шума необходимой частоты, используется для получения характерного акустического или шумового признака потока в мундштуке горелки.
Используемые в данном случае термины "акустический" и "шумовой" относятся к волне сжатия или другому колебанию, имеющему частоту, которая может находиться в пределах звукового частотного диапазона или нет. Во время установки или обслуживания характерный базовый шумовой признак измеряется и сохраняется в устройстве памяти (или в преобразователе, или в центре управления, или даже в пределах схемы детектирования нагара и коррозии). Характерные дополнительные шумовые признаки измеряются в течение нормальной работы мундштука горелки и сравниваются с базовой величиной. Если изменение в характерном шумовом признаке больше заданного предела, то в выходном сигнале устройства предоставляется аварийный сигнал или сигнал предупреждения.
Обычно электронное устройство обеспечивает возможность установки начальных значений через внешнее устройство, через центр управления или через локальный интерфейс оператора. В предпочтительном варианте реализации электроника поддерживает двунаправленную связь через цифровую шину, например HART, Foundation FieldBus, CAN, или другие протоколы связи. Обычно эта возможность связи может быть использована для установки начальных значений и для вывода различных уровней критичности аварийного сигнала, так же как, потенциально, PV в случае устройства на основе преобразователя. Кроме того, через цифровую шину можно передать сообщение о состоянии акустического датчика. Для электроники преобразователя контур питания обычно составляет 4-20мA; однако могут использоваться другие электронные устройства и другие варианты связи.
На Фиг.3А и 3B показана упрощенная схема детектора нагара и коррозии согласно варианту реализации настоящего изобретения для использования в средах с высоким уровнем шума. В зависимости от конкретной установки, фоновый шум от процесса может подавить возможность для преобразователя 108 отличить характеристический признак мундштука горелки от фонового шума. В таких окружающих средах может быть желательно разместить акустический преобразователь 128 сверху по течению от мундштука 104 горелки для направления акустического сигнала 129 заданной частоты к мундштуку 104 горелки. Схема 110 детектирования нагара и коррозии может затем быть сконфигурирована для обработки зарегистрированного сигнала 120 отражения для узкой полосы частот, которые могут быть связаны с переданным сигналом 129. В предпочтительном варианте реализации акустический преобразователь 128 выполняет функции и передачи, и приема, тем самым упрощая вариант реализации. В таком варианте реализации измерительный преобразователь 108 для давления просто заменен акустическим преобразователем 128.
На Фиг.3В показана упрощенная блок-схема мундштука 104 горелки, который частично закупорен или загрязнен нагарными отложениями 124. Подача 126 топлива обеспечивает топливо через трубку 102, которая, свою очередь, поставляет топливо в мундштук 104 горелки. Переданный сигнал 129 отражается на сужении внутреннего диаметра мундштука 104 горелки и на отложениях 124, приводя к измененному отраженному сигналу 120 по сравнению с базовыми отраженными сигналами, сохраняемыми в устройстве 115 памяти. В предпочтительном варианте реализации схема 110 детектирования нагара и коррозии приспособлена для такой работы преобразователя, когда он посылает сигнал с частотой акустического шума. В одном варианте реализации акустический преобразователь 128 приспособлен для посылки и приема сигналов с требуемыми частотами акустического шума.
В этом варианте реализации может быть желательно разместить преобразователь 108 рядом с акустическим преобразователем 128 и вблизи топливного потока, чтобы способствовать измерению и выделению технологического шума из отраженного сигнала.
Как показано, пламя 118 может быть менее точным или эффективным в случае частично закупоренного мундштука 104. Вместо надежно управляемого и устойчивого пламени 118 (как показано на Фиг.2A и 3А), частично закупоренный мундштук 104 приводит к разветвленному пламени, которое, если бы его измерить используя оптический датчик, вероятно, содержало бы больше чем один цвет.
Вообще говоря, главное в этом подходе это то, что отраженный сигнал 120 непрерывно изменяется, если нагар мундштука горелки увеличивается. В дополнение к обеспечению сильной прогнозирующей способности электроника может обеспечить выходную переменную, которая пропорциональна величине нагара на мундштуке горелки. Кроме того, измеряя отраженный сигнал, исходя из переданного сигнала, отраженный сигнал 120 намного более зависит от нагара мундштука горелки, чем от скорости потока.
Хотя показан измерительный преобразователь для давления, может быть использовано любое соответствующее полевое устройство, пригодное для запуска и регистрации характерных акустических признаков. Может использоваться, например, акустический преобразователь. Кроме того, могут быть использованы другие типы преобразователей для измерения температуры, расхода или других переменных параметров процесса (PV). Как указано выше, множество датчиков могут быть объединены в единый преобразователь для использования общего электронного устройства.
Альтернативно, полностью специальное полевое устройство может являться решением с низкой стоимостью для многих вариантов оборудования огневого подогрева, поскольку несколько акустических преобразователей, по одному для каждого мундштука горелки, могут быть введены в общее электронное устройство.
Важно понимать, что диагностика мундштука горелки должна быть надежной для различных скоростей подачи топлива и соответствующих типов топлива. Если тип топлива резко изменяется, как от жидкости к газу, то следует установить новый набор характерных признаков базового отраженного сигнала. Следовательно, локальный интерфейс оператора (показанный как элемент 113 на Фиг.1) может использоваться для загрузки характерных базовых признаков, если это требуется. Альтернативно, измерения базовых величин могут быть инициированы командой из центра управления.
Как правило, нагар мундштука 104 горелки приводит к дальнейшему сужению прохода топливного потока, приводя к более высокочастотному отраженному сигналу 120 или характерному акустическому признаку. Наоборот, коррозия мундштука 104 может привести к расширению отверстия, тем самым приводя к более характерному низкочастотному сигналу 120. Альтернативно, коррозия или нагар могут привести к неравномерным или случайным отражениям 120 (как показано на Фиг.2B и 3B), тем самым обеспечивая раннее указание возможного нагара.
Вообще говоря, настоящее изобретение предсказывает нагар и/или коррозию исходя из степени изменения отраженного сигнала 120 по сравнению с сохраненной базовой величиной. Это позволяет оператору оценить, когда суженный элемент в процессе работы требует обслуживания. Например, когда в мундштуке 104 горелки вызывается изменение отраженного сигнала 120, которое превышает заданный предел, схема детектирования подает аварийный сигнал на центр управления. Исходя из аварийного сигнала, оператор может предусмотреть стандартное обслуживание оборудования перед следующим использованием. При серийном производстве оборудование может обслуживаться между сериями. Такое предусмотренное обслуживание на предприятии с прекращением работы намного дешевле и более желательно, чем незапланированные остановки из-за отказа оборудования. Кроме того, детектор облегчает определение того, когда именно следует обслужить оборудование.
На Фиг. 4A и 4B показана упрощенная схема детектора нагара и коррозии мундштука горелки, приспособленная для получения характеристического оптического признака пламени, произведенного мундштуком горелки согласно варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на Фиг.4A, оптический детектор 129 включает топливную подводящую трубку 102 с мундштуком 104 горелки и схему 108 детектирования нагара и коррозии, присоединенную к устройству отображения 130 (оптический детектор). Оптический детектор 130 расположен относительно пламени 118 так, что пламя 118 находится в пределах его области обзора 132. В предпочтительном варианте реализации устройство отображения 130 помещается в стороне или ниже пламени 118, чтобы снизить нагрев устройства отображения 130 теплом пламени 118. Топливный поток 116 проходит через трубку 102 и выходит из мундштука 104 горелки, где он поджигается для производства пламени 118, которое может быть продетектировано оптическим датчиком 130. Оптический датчик 130 передает оцифрованное изображение на схему 110 детектирования нагара и коррозии, которая в этом случае приспособлена для сравнения оцифрованного изображения пламени с базовым изображением пламени, сохраняемым в устройстве 115 памяти, для определения, имеется ли нагар или коррозия. Например, пламенем 118, зажженным при подаче газообразного топлива, можно управлять так, чтобы пламя 118 имело неизменную форму и оттенок. Однако, если мундштук 104 становится нагарным или закупоренным, пламя 118 может колебаться и изменять цвета, если в пламени 118 содержатся примеси. Оптический детектор 130 обнаружит эти визуальные изменения, и схема 110 детектирования нагара и коррозии может идентифицировать такие изменения для прогнозирования нагара и/или коррозии.
На Фиг.4B показан оптический детектор 129 с мундштуком 104 горелки, который частично закупорен отложениями 124. Топливный поток, который проходит через мундштук 104 горелки, поджигается для производства пламени 118, которое имеет форму, отличающуюся от пламени 118 на Фиг.4A. Используя оптический датчик 130, измененная форма пламени 118 может быть продетектирована и сравнена с сохраняемым в устройстве 115 памяти исходным измерением для прогнозирования коррозии или нагара мундштука 104 горелки.
В одном варианте реализации оптический детектор 129 состоит из устройства отображения, связанного с электронным устройством, пригодным для работы с устройством отображения и приспособленным для детектирования того, возникли ли нагар или закупорка мундштука горелки, исходя из оцифрованных изображений пламени. Кроме того, электронное устройство обеспечивает выходной сигнал, который или содержит информацию о состоянии мундштука горелки, или выводит аварийный сигнал или сигнал предупреждения, означающий, что мундштук горелки имеет нагар или закупорку.
Пламя, относящееся к конкретному мундштуку горелки, имеет профиль интенсивности, который зависит от условий сгорания, тепла, цвета и формы пламени, и изменяется, если мундштук горелки становится нагарным или закупоренным. Устройство отображения детектирует изменения свойств, например размера пламени, изменения цвета, вследствие полного или неполного сгорания, формы пламени, температуры пламени и подобного. При нормальной работе профиль пламени мундштука горелки разумно эволюционирует или постоянен со временем. Однако, если мундштук нагорает или закупоривается, профиль пламени может стать заметно изменяющимся (колебательным) со временем (появляются прерывание, вспышки или иначе изменяется форма во времени). Таким образом, нагар и закупорка мундштука горелки могут быть продетектированы посредством фиксации изменения относительно базового профиля пламени мундштука горелки, который измерен и сохранен в устройстве 115 памяти. Если изменения свойств пламени или изменения профиля пламени со временем превышают заданный предел, аварийный сигнал или сигнал предупреждения предоставляется на выходном сигнале устройства. Если мундштук 104 горелки полностью закупорен, изображение пламени может вообще отсутствовать. Это позволяет устройству отличить нагар или частичную закупорку от полностью закупоренного состояния.
Для улучшения чувствительности в предпочтительном варианте реализации на вход диагностической электроники преобразователя можно предоставить сигнал команды топливного потока или сигнал от датчика топливного потока. Это позволяет устройству переустанавливать опорные профили, когда топливный поток через форсунку изменяется. Такое обновление профилей обеспечивает большую чувствительность при обнаружении нагара.
В одном варианте реализации измерительный преобразователь 133 для давления (показан условно) обеспечивает сигнал топливного потока и корпус для цифрового электронного устройства 110. Альтернативно, для большого оборудования огневого подогрева может быть предоставлено полностью специализированное устройство, поскольку несколько датчиков отображения, по одному для каждого мундштука горелки, могут быть введены в общее электронное устройство.
В настоящем изобретении могут использоваться различные технологии отображения, в зависимости от потребности и от параметра, в котором заинтересован конструктор. Цветные, так же как и черно-белые, устройства отображения могут использоваться для детектирования различия параметров в пламени горелки. Тепловые устройства отображения могут быть использованы для измерения характеристического оптического признака и, в частности, для предоставления теплового профиля или характеристического признака, связанного с мундштуком горелки. Различия в температуре пламени, так же как параметры пламени, могут быть продетектированы. Тепловое отображающее или цветовое отображающее устройство также может быть пригодно для детектирования типа вещества, которое нагорело в мундштуке горелки, если цвет пламени и температура могут измениться в соответствии с химическими параметрами нагарного вещества.
Для определения условий активации аварийной сигнализации схема детектирования нагара и коррозии может включать в себя схему и/или программное обеспечение, приспособленное для выполнения сравнения и распознавания изображения. Известны различные способы распознавания оцифрованных изображений. Для улучшения точности датчика и диагностической надежности может оказаться желательным использование интеллектуальных систем, например самообучающейся нейронной сети, или сетей в соединении с данными методиками, для улучшения точности устройства для конкретного применения в процессе обслуживания. Кроме того, другие интеллектуальные системы, например нечеткая логика, методики и устройства искусственного интеллекта, и различные методики временной и частотной обработки сигнала могут использоваться для дальнейшего повышения точности устройства.
В целом специалистам в данной области техники должно быть ясно, что аварийный сигнал может быть электронным сигналом, который передается, например, к центру управления. Альтернативно, аварийный сигнал может быть визуальным сигналом в аппарате, например светоизлучающий LED, мерцающий дисплей и подобное.
Хотя вышеописанные варианты реализации в значительной степени относились к нагару мундштука горелки, коррозия также может быть обнаружена с использованием той же самой методики. Например, акустический детектор, такой как показанный на Фиг.2A-3B, вероятно, обнаружил бы уменьшающуюся частоту (и, возможно, некоторое ослабление) в отраженном характерном акустическом признаке 120 мундштука 104 горелки, если мундштук 104 горелки разрушается или коррозирует по сравнению с характерным опорным признаком, сохраняемым в устройстве памяти 115.
Если мундштук 104 горелки корродирует, то пламя 118 также изменяется. Например, коррозия мундштука 104 горелки может воздействовать на топливный поток и, таким образом, на топливную/воздушную смесь, приводя к изменениям в характерном тепловом признаке и окраске пламени. Кроме того, коррозия может влиять на форму мундштука 104 горелки, приводя к изменениям формы и "устойчивости" или к колебаниям пламени 118. Такие изменения детектируются оптическим детектором 130, как указано выше.
Система детектирования нагара и коррозии мундштука горелки, рассмотренная выше, предоставляет множество преимуществ по сравнению с системами по предшествующему уровню техники. Все три варианта реализации используют характеристический признак мундштука горелки, чтобы обеспечить чувствительный, прогнозирующий способ определения нагара мундштука горелки. Кроме того, все три варианта реализации просты для монтажа и реализации, и средство детектирования, при желании, может быть объединено с преобразователем. В системе оптического детектирования устройство отображения может быть установлено в любом положении, имеющем хороший обзор контролируемого пламени сгорания. В предпочтительном варианте реализации устройство отображения помещается далеко от тепла, например ниже или в стороне от пламени.
Ни один из этих трех вариантов реализации не требует измерения скорости подачи топлива для предоставления информации относительно нагара или закупорки мундштука горелки; однако во всех трех случаях такие данные могут быть использованы для улучшения чувствительности детектора. Кроме того, ни один из этих трех вариантов реализации не загружает DCS вне PV преобразователя или аварийного входного сигнала в предпочтительном варианте реализации.
Активный акустический детектор и детектор отображения предоставляют способ детектирования возрастающего нагара, позволяя диагностическому устройству вывести сигнал, который отвечает количеству нагара. Также активный акустический детектор легко выдерживает изменения в топливном потоке.
Для большинства применений оба акустических датчика могут работать с контуром питания в 4-20 мА, и оба могут легко отличить режим прекращения подачи топлива от состояния закупорки. Наконец, пассивный акустический детектор может предоставить PV давления топлива в качестве дополнительного преимущества.
Наконец, следует отметить, что настоящее изобретение было рассмотрено относительно выходных характерных признаков мундштука горелки и выходных характерных признаков пламени; однако настоящее изобретение применимо к другим, ограничивающим поток или преграждающим поток, устройствам.
На Фиг.5A и 5B показана упрощенная схема процесса с ограничивающим поток элементом 134, расположенным в пределах трубки или трубопровода 102. Для простоты, вариант реализации подобен таковому для пассивной схемы на Фиг.2A; однако акустический преобразователь (например, такой, как показан на Фиг.3А и 3B) может быть использован для передачи сигнала к суженному элементу. В альтернативном варианте реализации акустический преобразователь может быть помещен на трубке 102 на противоположной стороне ограничения потока относительно преобразователя 108 так, чтобы переданный акустический сигнал был отражен и часть сигнала прошла бы через ограничение потока для регистрации. Изменение в принятом сигнале относительно исходного должно указывать на нагар в пределах ограничивающего элемента 134 потока.
Однако, как показано, поток текучей среды проходит через ограничение 134, тем самым производя отраженный шумовой сигнал 120. Отраженный шумовой сигнал может быть продетектирован преобразователем 108 и сравнен схемой 110 детектирования нагара и коррозии с базовыми сигналами, сохраняемыми в устройстве 115 памяти. Если различия между зарегистрированным сигналом 120 и сохраняемыми сигналами превышают заданный предел, на центр управления может быть подан аварийный сигнал, указывающий, что ограничивающий элемент 134 скоро может потребовать обслуживания.
Обычно закупорка или коррозия могут быть продетектированы посредством сравнения характеристического отраженного акустического признака от любой частичной преграды или от ограничения потока флюида с характерным базовым признаком. Ограничение 134 потока может быть трубой Вентури, пластиной с отверстием, перекрывающим препятствием, клапаном, форсункой и т.п. Если такие устройства коррозируют или получают нагар, то отраженный характеристический акустический признак изменяется. Кроме того, оптический детектор может быть применен к выходному потоку любого типа, который может быть продетектирован оптически, включая потоки с высокой температурой и подобное. В таком варианте реализации может использоваться, например, инфракрасный детектор для регистрации изменений в температурном профиле потока текучей среды.
Настоящее изобретение предоставляет также преимущество, заключающееся в том, что оказывается возможным продетектировать развивающиеся проблемы в технологическом процессе, исходя из существенных изменений фонового шума, независимо от характеристического акустического признака, используемого для оценки нагара и коррозии. Например, в перемещающемся оборудовании если давление начинает падать, то оборудование производит увеличивающийся выходной шум. Это изменение в выходе шума изменит фоновый шум продетектированного сигнала, и существенные изменения могут быть проанализированы для прогнозирования потенциальной необходимости обслуживания другого смежного оборудования перед окончательным отказом.
Хотя настоящее изобретение было рассмотрено в связи с предпочтительными вариантами реализации, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что возможны изменения по форме и в деталях без отступления от существа и объема притязаний изобретения.