СПОСОБ И АППАРАТУРА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЗА СТАБИЛЬНОСТЬЮ ГОРЕЛКИ ТОПОЧНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ
METHOD AND EQUIPMENT TO MONITOR AND CONTROL FURNACE HEATER TORCH STABILITY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к методу и аппаратуре для наблюдения и контроля за стабильностью горелки топочного нагревателя.
Уровень техники
x
x
x
x
x
x
x
В результате наличия стандартов для окружающей среды, относящихся к ограничению выброса в атмосферу аксидов азота (NO), промышленность оборудовала много своих действующих нагревательных печей и котлов горелками с низким уровнем NO, чтобы сократить выбросы NO. Горелки с низким уровнем NO специально сконструированы так, чтобы обеспечить сгорание топлива с низким выходом и выбросом NO. Один из методов, посредством которого горелки достигают низкого уровня NO, заключается в конструкции горелок, обеспечивающей низкое превышение воздуха, чтобы ограничить количество кислорода, необходимого для топливного газа в наконечниках горелки. Это ограничение необходимого кислорода предусматривает более низкую температуру сгорания, более низкую скорость горения топлива и расширенный фронт горения, производящий меньше NO.
x
Проблема, которая обнаружилась при использовании горелок с низким уровнем NO в топках с естественной тягой, заключается в том, что работа указанной горелки менее стабильна, чем работа других обычных типов горелок. Эта нестабильность может иметь в результате и при определенных рабочих условиях имеет как результат срыв пламени или вспышку. Это условие вспышки может повлиять на процесс, вызвав разрушения, и является опасным в связи с потенциальной возможностью взрыва. Имеются различные методы для определения, когда произойдет срыв пламени горелки, но не имеется удовлетворительных методов, предсказывающих, когда пламя горелки готово к срыву, чтобы предусмотреть корректирующее действие для предотвращения этого явления. Более того, слежение за пламенем в нагревателях с естественной тягой является дорогостоящим, ненадежным и пока широко не практикуемым, поэтому желательно найти надежные и экономичные методы наблюдения за состоянием пламени горелок в нагревателях с естественной тягой.
Раскрытие изобретения
Соответственно, цель изобретения - предоставить способ и аппаратуру для наблюдения за работой действующего нагревателя, чтобы предотвратить потенциальный или неминуемый срыв пламени его горелки.
Другая цель изобретения - предоставить способ и аппаратуру для контроля работы горелок топочной камеры, чтобы предотвратить срыв пламени горелки.
В соответствии с изобретением указанный способ предусмотрен для контроля за состоянием стабильности горелки топочного нагревателя, управляемого для обеспечения тяги. Этот способ включает в себя измерение тяги в течение определенного периода времени и генерирование измеренного выходного сигнала, из которого определяется функция тяги, которая устанавливает соотношение между тягой и временем в продолжении определенного временного периода. Величина стабильности горелки определяется для отображения стабильной работы горелки. Функция тяги сравнивается с величиной стабильности горелки, и работа топочного нагревателя регулируется в качестве ответного действия на разницу между функцией тяги и величиной стабильности горелки.
В соответствии с другим изобретением аппаратура предусмотрена для контроля стабильности горелки топочного нагревателя, управляемого для обеспечения тяги. Эта аппаратура включает в себя средство для измерения тяги в течение определенного периода времени и средство для генерирования измеренного выходного сигнала, из которого определяется функция тяги, которая устанавливает соотношение между тягой и временем в продолжение определенного временного периода. Дополнительно включено средство для сравнения функции тяги с установленной величиной стабильности горелки, отображающей работу стабильной горелки, для определения отклонения от стабильной работы и средство для регулирования работы топочного нагревателя в качестве ответного действия на величину отклонения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 схематически показывает топочный нагреватель, оборудованный по меньшей мере одной горелкой, и систему наблюдения и контроля.
Фиг.2 показывает блок-схему с рядом элементов устройства по обработке сигналов одного варианта осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Это изобретение относится к методу и аппаратуре для наблюдения за стабильностью горелки или горелок топочного нагревателя, и дополнительно оно относится к контролю работы топочного нагревателя или горелок топочного нагревателя, чтобы поддерживать стабильность горелок для предотвращения срыва пламени горелки.
Топочным нагревателем, относящимся к указанным аппаратуре и методу контроля, может быть любой обычный топочный нагреватель или котел, известный специалистам в данной области техники. Отдельным типом топочного нагревателя, рассматриваемым в этом изобретении, является топочный нагреватель с естественной тягой, который использует тягу, созданную разностью плотности горячих газообразных продуктов сгорания топочного нагревателя и холодного наружного воздуха в верхней части дымовой трубы этого нагревателя. Обычно топочный нагреватель с естественной тягой включает в себя радиационную секцию, конвекционную секцию и дымовую трубу. Радиационная секция топочного нагревателя оборудована одной или большим количеством горелок, каждая из которых определяет зону горения и является средством для сжигания топлива, такого как углеводородный газ или углеводородная жидкость. Горелка для эксплуатации может быть расположена в нижней части или в стенке радиационной секции топочного нагревателя.
x
2
x
x
При сжигании горелкой в топочном нагревателе углеводородов с воздухом как источником кислорода образуются оксиды азота (NO) из окиси азота (NO) и диоксида азота (NO). Оксиды азота образуются, прежде всего, в зоне высокой температуры топочной камеры, где имеются достаточные концентрации азота и кислорода. Заботясь о защите окружающей среды, желательно сократить уровень NO, образующихся при работе топочного нагревателя, причем имеется ряд способов, с помощью которых это выполнимо. Одним из этих способов является использование новейших конструкций горелок и технологий использования горелок, которые обеспечивают низкий выход NO при сжигании углеводородов.
x
x
x
x
При сравнении с обычными горелками так называемые горелки с низким уровнем NO обеспечивают при их использовании уменьшенное образование NO. Одним из способов, которым указанные горелки с низким уровнем NO достигают этого, является обеспечение ограничения кислорода, необходимого для топливного газа в наконечниках горелки, или обеспечение низкого превышения воздуха при сгорании топливного газа. Различные типы горелок с низким уровнем NO были описаны, например, в следующих патентах США: U.S. Patent 4,004,875; U.S. 4,257,763; U.S. 4,347,052; U.S. 5,073,105; U.S. 6,422,858 и U.S. 6,616,442. Эти патентные публикации таким образом включены сюда в виде ссылки.
x
x
Проблемой, связанной с использованием горелок с низким уровнем NO в топочных нагревателях и, в частности, в нагревателях с естественной тягой, является то, что низкое превышение воздуха, используемого при сгорании топлива, происходит при менее стабильной работе горелки. Эта сниженная стабильность часто может быть результатом ситуации со срывом пламени во время работы топочного нагревателя, оборудованного горелкой с низким уровнем NO. Ситуация со срывом пламени может быть одновременно разрушительной для хода процесса, относящегося к топочному нагревателю, и опасной. Желательно, таким образом, уметь предсказать, когда ситуация со срывом пламени неминуема, чтобы принять корректирующие меры для предотвращения этого.
x
x
Было обнаружено, что при работе топочного нагревателя с естественной тягой, который оборудован горелками с низким уровнем NO, имеются определенные рабочие условия или характеристики, которые могут предсказывать возможный или неминуемый срыв пламени горелок. А именно, характерным рабочим условием, обнаруженным в качестве предсказывающего неминуемый срыв пламени, является частота, с которой колеблется тяга топочного нагревателя за единицу времени, и амплитуда флуктуации тяги. При использовании здесь термин «тяга» определяется как разность давлений между давлением в нижней части топочного нагревателя, применяющего горелку с низким уровнем NO, и атмосферным давлением.
Во время работы топочного нагревателя, оборудованного горелкой, тяга нагревателя может быть измерена за определенный период времени. Из этой измеренной величины можно определить функциональное соотношение между изменением тяги и данным периодом времени. Как указано выше, было обнаружено, что стабильность горелки может быть предсказана путем наблюдения за частотой, с которой тяга меняется, и за амплитудой этих изменений. Это соотношение определяется здесь как «функция тяги».
Определение стабильности горелки топочного нагревателя может зависеть от особенностей оборудования и его конфигурации, но, как правило, обнаружено, что, когда функция тяги такова, что тяга нагревателя колеблется на уровне примерно выше 1 Гц (герц, циклы в секунду) с амплитудой циклов тяги нагревателя, примерно превышающей 0,4671 мм рт.ст. (0,25 дюймов вод.ст.), работа горелки начинает становиться нестабильной. Таким образом, используемый здесь термин «величина стабильности горелки» означает величину, отображающую нестабильную работу горелки. Величина стабильности горелки может быть представлена функцией тяги, которая характеризуется как имеющая время цикла колебаний в тяге, превышающей 1 Гц, с колебаниями тяги нагревателя, превышающими 0,4671 мм рт.ст. (0,25 дюймов вод.ст.). Более типично, что величина стабильности горелки, при которой работа нагревателя становится неприемлемой, является таковой, когда циклическое время колебаний тяги нагревателя превышает 1 Гц или даже превышает 2 Гц, а амплитуда колебаний тяги нагревателя превышает 0,5605 мм рт.ст. (0,3 дюймов вод.ст.), и более типично, когда колебания превышают 0,7473 мм рт.ст. (0,40 дюймов вод.ст.).
Для контроля стабильности горелки топочного нагревателя, управляемого для обеспечения тяги нагревателя, эта тяга измеряется за определенный период времени, чтобы определить функцию тяги, как указано выше. Эта измеренная функция тяги затем сравнивается с величиной стабильности горелки, чтобы специальная аппаратура топочного нагревателя определила, работает ли горелка при нестабильных условиях, которые потенциально могут привести к срыву пламени горелки. Если сравнение между величиной функции тяги и величиной стабильности горелки указывает, что аппаратура топочного нагревателя работает в условиях нестабильности горелки, может быть произведена регулировка работы топочного нагревателя, чтобы вернуть его к стабильным рабочим условиям. Эта регулировка выполняется, таким образом, как ответное действие на разность между величиной стабильности горелки, являющейся показателем нестабильности работы топки или горелки, и измеренной функцией тяги.
Это ответное действие на нестабильные рабочие условия может включать в себя только контроль или наблюдение за работой горелки, чтобы определить, будет ли срыв пламени или уже имеется срыв пламени. Однако, как правило, желательно произвести регулировку работы топочного обогревателя или горелки, или их обоих, чтобы вернуть работу топочного нагревателя к стабильным рабочим условиям. Можно использовать любой тип или метод регулировки, известный специалистам, который обеспечит возвращение топочного нагревателя к работе со стабильными условиями работы горелки. Многие топочные нагреватели с естественной тягой оборудованы регуляторами тяги, расположенными в дымовой трубе топочного нагревателя, и основная мера по регулировке тяги - это соответствующее изменение позиции регулятора тяги для обеспечения стабильной работы горелки. Другая мера, которая может быть принята в качестве ответного действия на нестабильные рабочие условия, заключается в регулировке количества воздуха, необходимого горелке для сжигания топлива, вводимого в горелку. Также могут быть отрегулированы состав топлива и скорость, с которой топливо поступает в горелку.
В один из вариантов осуществления изобретения включено использование высокочастотного инерционного датчика давления как измерительного устройства для измерения тяги за определенный период времени и генерирования измеренного выходного сигнала, определяющего фактическую функцию тяги, показываемой топочным нагревателем. Частоты изменений тяги, предполагаемых в типовом топочном нагревателе, делают использование высокочастотного датчика давления важной особенностью этого изобретения. Амплитудно-частотная характеристика высокочастотного датчика давления должна быть достаточной, чтобы делать возможным измерение предполагаемых изменений тяги. Как было указано выше, величина стабильности горелки, при которой работа нагревателя находится в нестабильном состоянии, как правило, является таковой, когда фактическая функция тяги характеризуется как имеющая колебания тяги, превышающие 1 Гц, что показывает превышение амплитуд 0,4671 мм рт.ст. (0,25 дюймов вод.ст.). Предполагая, что значение величин стабильности горелки рассматривается методом этого изобретения, датчик давления должен быть способен измерять величины тяги от таких низких, как 0,0934 мм рт.ст. (0,05 дюймов вод.ст.), и которые показывают колебания тяги, частота которых превышает 5 Гц, или превышает 10 Гц, или даже превышает 30 Гц.
Измеренный выходной сигнал, генерированный устройством измерения тяги, может быть обработан средством обработки сигнала, которое обрабатывает измеренный выходной сигнал, чтобы генерировать расчетный выходной сигнал, представляющий собой квадратный корень средней величины измеренного выходного сигнала. Этим средством обработки сигнала может быть любое средство, известное специалистам, которое может приемлемо использоваться для обработки измеренного выходного сигнала, генерированного устройством измерения тяги, чтобы обеспечить расчетный выходной сигнал.
В другом варианте осуществления способа контроля стабильности горелки топочного нагревателя расчетный выходной сигнал средства обработки сигнала сравнивается с определенным заданным сигналом, который равен квадратному корню средней величины функции тяги, отражающим стабильную работу горелки. Результатом сравнения расчетного выходного сигнала и определенного заданного сигнала является сравнительная величина, которая используется для того, чтобы определить, нужно или не нужно производить регулировку работы топочного нагревателя. Таким образом, регулировка топочного нагревателя производится как ответное действие на генерированную сравнительную величину, являющуюся разностью между расчетным выходным сигналом и определенным заданным сигналом.
Измеренный выходной сигнал может также фильтроваться перед его обработкой для генерирования расчетного выходного сигнала. Таким образом, в другом варианте осуществления изобретения, измеренный выходной сигнал фильтруется средством обработки с фильтрацией, чтобы обработать измеренный выходной сигнал для генерирования фильтрованного сигнала, представляющего собой фильтрованную фактическую функцию тяги. Фильтрующее средство обеспечивает улучшение точности измерения тяги, отфильтровывая флуктуационный шум в сигнале. Фильтрующим средством может быть любое средство, известное специалистам, которое может быть приемлемым для его использования при обработке измеренного выходного сигнала для генерирования фильтрованного сигнала.
x
x
x
Фиг.1 схематически показывает топочный нагреватель с системой контроля 10. Этот топочный нагреватель с системой контроля 10 включает в себя топочный нагреватель 12, который предпочтительно должен быть с естественной тягой. Топочный нагреватель 12 включает в себя радиационную секцию 14, конвекционную секцию 16 и дымовую трубу 18. Указанная дымовая труба 18 включает в себя регулятор тяги 20, который обеспечивает средство для контроля тяги нагревателя. По меньшей мере одна горелка 22 установлена для эксплуатации в нижней части топочного нагревателя 12. Горелка 22 должна быть предпочтительно того типа, который обеспечивает выброс малого количества NO во время сгорания, то есть горелкой с низким уровнем NO. Горелка 22 определяет зону горения, в которой сжигаются кислород и углеводородное топливо, и она является средством для сжигания углеводородного топлива с кислородом, предпочтительно с низким выпуском NO при выделении таким образом теплоты.
Типично, что топочный нагреватель 12 является технологическим нагревателем для ввода тепловой энергии в технологический процесс. Например, технологическое сырье поступает по трубопроводу 24 в конвекционную секцию 16 топочного нагревателя 12. После того как оно пройдет через трубы конвекционной секции 26, это технологическое сырье проходит затем через трубы радиационной секции 28, при этом нагретое технологическое сырье выходит из топочного нагревателя 12 через трубопровод 30.
Система наблюдения и контроля включает в себя измерительное устройство 32 для измерения тяги топочного нагревателя 12. Тяга нагревателя - это разность давлений, имеющаяся между давлением радиационной секции 14, измеренным на нижнем пролете печи 34, и атмосферным давлением, измеренным на высоте нижнего пролета печи 34. Измерительным устройством 32 может быть любой подходящий обычный измерительный прибор для измерения давления и разности давлений, который может обеспечить измерение разности давлений, имеющейся между давлением окружающей среды за пределами нижнего пролета печи 34 радиационной секции 14 и давлением внутри радиационной секции 14 топочного нагревателя 12 на нижнем пролете печи 34.
Предпочтительно, чтобы измерительное устройство 32 было устройством типа высокоскоростного датчика давления, известного специалистам, который может преобразовывать выявленную разность давлений в другой сигнал, такой как электрический сигнал, воспроизводящий измеренную разность давлений. Этот воспроизведенный выходной сигнал передается по сигнальной линии 38 прибору для обработки сигнала 39, который преобразует сигнал разности давлений в сигнал, пропорциональный амплитуде циклического диапазона разности давлений. Этот преобразованный выходной сигнал передается по сигнальной линии 40 на контрольное устройство или контроллер 41.
Контрольным устройством 41 может быть любой подходящий тип контроллера, известный специалистам, который может использовать такие методы, как контроль посредством принимаемого человеком решения и контроль посредством компьютера. Контроллер 41 является контрольным устройством для сравнения преобразованного выходного сигнала 41 с известным опорным значением измеряемой величины 42 для стабильной работы.
Основным аспектом этого изобретения является то, что прибор для обработки сигнала 39 обеспечивает анализ измеренной тяги нагревателя для определения функции тяги, которая пропорциональна циклическим колебаниям тяги нагревателя. Эта функция тяги используется как параметр, прогнозирующий возможный или неминуемый срыв пламени горелки 22. Функция тяги отражает колебания и амплитуду колебаний тяги нагревателя как функцию времени. Когда функция тяги такова, что колебания имеют амплитуду, превышающую 0,25 дюймов вод.ст., и частота превышает величину в диапазоне от 1 до 10 Гц, имеется условие нестабильной работы горелки. Контрольное устройство 41 сравнивает функцию тяги с величиной для стабильной работы горелки, обеспечивая этим величину разности, которая передается как выходной сигнал контрольного устройства 41 по сигнальной линии 44. Работа топочного нагревателя 12 или горелки 22, или их обоих регулируется, в качестве ответного действия на выходной сигнал, переданный по сигнальной линии 44, с целью изменить их работу так, чтобы обеспечить функцию тяги, отражающую стабильную работу горелки.
Фиг.1 показывает один метод, которым может быть отрегулирована работа топочного нагревателя 12, чтобы обеспечить стабильную работу горелки. Трубопровод 48 для эксплуатации соединен с горелкой 22 и является средством для подачи топлива в горелку 22. В трубопровод 48 вставлен клапан регулировки подачи топлива 50 для контроля количества или скорости подачи топлива, вводимого в горелку 22. Клапан регулировки подачи топлива 50 может быть отрегулирован в качестве ответного действия на выходной сигнал или сравнительную величину, которые переданы по сигнальной линии 44, чтобы изменить работу горелки 22 посредством подачи большего или меньшего количества топлива в горелку 22 таким образом, чтобы обеспечить условия стабильной работы горелки. Другой метод изменения работы топочного нагревателя 12 или горелки 22 может быть также использован для обеспечения условий стабильной работы горелки, например метод, включающий в себя контроль регулятора тяги 20, контроль количества воздуха, необходимого для горелки 22, изменение состава топлива или изменение загрузки топочного нагревателя 12 посредством регулировки количества обрабатываемого сырья, загружаемого в топочный нагреватель через трубопровод 24.
Фиг.2 показывает увеличенную часть некоторых элементов сигнальной системы обработки данных 100, показанных на Фиг.1. Дополнительно показаны некоторые добавочные элементы прибора для обработки сигнала 39, не показанные на Фиг.1, которые включены в один вариант конструкции изобретения. Выходной сигнал измерительного устройства 32 в качестве измеренного выходного сигнала передается по сигнальной линии 38 на прибор для обработки сигнала 39. Этот прибор для обработки сигнала 39 затем может включить либо средство фильтрации сигнала 102, либо средство обработки или преобразования сигнала 104, либо оба средства 102 и 104, установленные для обеспечения передачи расчетного выходного сигнала по сигнальной линии 40 в качестве входного сигнала на контрольное устройство 41.
Средством фильтрации сигнала 102 может быть любое оборудование или прибор, известные специалистам, для обработки или фильтрации измеренного выходного сигнала, который передается по сигнальной линии 38 и генерирует фильтрованный сигнал, воспроизводящий фильтрованную фактическую функцию тяги.
Средством обработки или преобразования сигнала 104 может быть любое оборудование или прибор, известные специалистам, для преобразования входного сигнала в квадратный корень средней величины и генерирования расчетного выходного сигнала, представляющего квадратный корень средней величины входного сигнала.
В одном варианте осуществления изобретения измеренный выходной сигнал, который генерирует устройство измерения тяги 32, фильтруется средством фильтрации сигнала 102, и фильтрованный сигнал передается по сигнальной линии 40 в качестве входного сигнала на контрольное устройство 41, где он сравнивается с известным опорным значением или определенным заданным сигналом 42, представляющим позицию, в которой работа горелки становится нестабильной. В другом варианте осуществления изобретения измеренный выходной сигнал, который генерирует устройство измерения тяги 32, передается по сигнальной линии 38 на средство обработки или преобразования сигнала 104, которое обрабатывает измеренный выходной сигнал для генерирования расчетного выходного сигнала, представляющего собой квадратный корень средней величины измеренного выходного сигнала. Этот расчетный выходной сигнал передается по сигнальной линии 40 в качестве входного сигнала на контрольное устройство 41, где он сравнивается с известным опорным значением или определенным заданным сигналом 42, представляющим позицию, в которой работа горелки становится нестабильной.
В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.2, измеренный выходной сигнал, который генерирует измерительное устройство 32, передается по сигнальной линии 38 как входной сигнал на средство фильтрации сигнала 102. Это средство фильтрации сигнала 102 обрабатывает измеренный выходной сигнал и генерирует фильтрованный сигнал, отображающий фильтрованную фактическую функцию тяги, которая передается по сигнальной линии 106 как входной сигнал на средство обработки или преобразования сигнала 104. Это средство обработки или преобразования сигнала 104 обрабатывает фильтрованный сигнал и генерирует расчетный выходной сигнал, представляющий собой квадратный корень средней величины фильтрованного сигнала. Расчетный выходной сигнал передается по сигнальной линии 40 в качестве входного сигнала на контрольное устройство 41, где он сравнивается с известным опорным значением или определенным заданным сигналом 42, представляющим позицию, в которой работа горелки становится нестабильной.
Следует понимать, что, хотя здесь и были описаны отдельные варианты осуществления изобретения, разумные варианты изменения и адаптации этого изобретения могут быть произведены в пределах описанного раскрытия и прилагаемой формулы изобретения без отхода от пределов изобретения, указанных в формуле изобретения.