本發(fā)明屬于壓縮空氣供給與工業(yè)過程控制領域，更具體的涉及一種燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)。

背景技術：

加熱爐的目標群體廣泛，有鍋爐、冶煉爐、熔爐、熱處理等領域。和熱能有關的行業(yè)，燃燒系統(tǒng)是必不可少的。中國加熱爐技術領域歷史發(fā)展相對于歐洲等工業(yè)發(fā)達地區(qū)相對較短，有五至六年時間，生命力旺盛，市場處于上升期，生產(chǎn)穩(wěn)定增長；加之國民和政府對環(huán)保的關注，加熱爐的設計主要趨向于提高加熱爐燃燒效率。燃燒控制過程是一個典型的復雜工業(yè)過程，燃燒對象彼此間的特性有很大的差異，但他們的控制目標是一致的：最佳燃燒，在滿足動力性的前提條件下，追求最佳經(jīng)濟效益與最低污染量排放。

在實際操作過程中，煙氣含氧量決定了燃燒品質(zhì)。太小的過?？諝庀禂?shù)使得燃料不能夠完全燃燒，這樣便會浪費燃料，而且爐內(nèi)的傳熱也不好，燃燒產(chǎn)物會冒出黑煙，污染空氣；反之，如果過?？諝庀禂?shù)太大，由于進入爐膛內(nèi)的空氣量過多，便會從爐內(nèi)帶走大量的熱量，致使爐膛溫度下降，而且由于煙氣中的空氣量過多，排走的空氣溫度較高，浪費能源。

目前，加熱爐的空燃比控制大多為連桿控制方式，即燃氣管道的閥門開度與空氣燃氣管道的閥門開度成比例聯(lián)動控制，這種控制方式只能在某一固定工作點達到燃料的最佳燃燒，而當工況發(fā)上改變時，會導致空燃比偏離最佳值。

綜上所述，現(xiàn)有加熱爐的空燃比存在燃氣流量和空氣流量比值控制困難，容易造成能源浪費的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以解決現(xiàn)有加熱爐的空燃比存在燃氣流量和空氣流量比值控制困難，容易造成能源浪費的問題。

本發(fā)明實施例提供一種燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)輸入模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，殘氧量計算模塊，變頻器頻率計算模塊，數(shù)據(jù)校正模塊；

所述數(shù)據(jù)輸入模塊用于系統(tǒng)參數(shù)設置及數(shù)據(jù)校正模塊參數(shù)設置，并將所述系統(tǒng)參數(shù)和所述數(shù)據(jù)校正模塊參數(shù)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)采集模塊；其中，所述數(shù)據(jù)校正模塊參數(shù)包括燃氣管道的閥門開度、鼓風機頻率；

所述數(shù)據(jù)采集模塊用于將接收到的所述系統(tǒng)參數(shù)，所述數(shù)據(jù)校正模塊參數(shù)以及現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)發(fā)送至殘氧量計算模塊；其中，所述現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)包括當前燃燒室內(nèi)溫度、燃氣管道流量、空氣流量；

所述殘氧量計算模塊用于根據(jù)所述系統(tǒng)參數(shù)，所述數(shù)據(jù)校正模塊參數(shù)和所述現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，在確定所述當前室內(nèi)溫度和所述燃氣管道流量條件下，通過公式(1)和公式(2)，確定煙氣中的含氧量和理想空燃比；

所述變頻器頻率計算模塊用于根據(jù)所述煙氣中的含氧量和所述理想空燃比，通過公式(3)，確定所述燃氣管道的閥門開度與所述鼓風機頻率的對應關系；

公式(1)如下所示：

$\[O_2\]=\frac{21\%(Q_V-Q_T\×G_V)}{Q_V+(Q_{FT}-Q_T)\×G_V}$

公式(2)如下所示：

$k=\frac{Q_{FT}\[O_2\]}{21\%-\[O_2\]}+Q_T$

公式(3)如下所示：

$f=f_e\sqrt{\frac{2{\mathrm{gP}}_2{S}_k^2+{\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2}{2{\mathrm{gP}}_e{S}_k^2}}$

其中，Q_T為理論空氣量，Q_FT為理論煙氣容積，Q_V為鼓風機總送風量，G_V為燃氣管道流量，Vm為氣體摩爾體積，[O₂]為煙氣含氧量，k為空燃比，f為鼓風機給定頻率，f_e為鼓風機額定頻率，P₂為實際出口壓力，S_k為燃氣管道橫截面積，ξ_k為燃氣管道的閥門阻尼系數(shù)，Q_r為燃氣流量，P_e鼓風機額定功率，g為重力加速度。

優(yōu)選地，還包括數(shù)據(jù)輸出模塊；

所述數(shù)據(jù)輸出模塊用于將所述燃氣管道的閥門開度與所述鼓風機頻率的對應關系發(fā)送至所述數(shù)據(jù)輸入模塊。

所述數(shù)據(jù)輸入模塊用于存儲所述燃氣管道的閥門開度與所述鼓風機頻率的對應關系。

優(yōu)選地，所述校正模塊用于根據(jù)氧化鋯測量儀測定的煙氣氧含量，確定調(diào)節(jié)所述燃氣管道的閥門開度，并通過多組實驗，利用最小二乘法對所述燃氣管道的閥門開度與所述鼓風機頻率的對應關系進行參數(shù)辨識；

所述參數(shù)辨識通過公式(4)確定：

$f^2=m\left({\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2\right)+n$

其中，m，n為待辨識的參數(shù)。

本發(fā)明實施例，提供了一種燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)，在不改變工業(yè)生產(chǎn)中原有連桿控制裝置的基礎上，加入變頻器控制鼓風機的頻率，通過對氣體流量以及燃燒過程的精確建模，實現(xiàn)燃燒過程空氣流量和空燃比的優(yōu)化控制，達到優(yōu)化燃燒、從而達到節(jié)約能源的目的。解決了現(xiàn)有加熱爐的空燃比存在燃氣流量和空氣流量比值控制困難，容易造成能源浪費的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供了一種燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)結構圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)。如圖1所示，本發(fā)明實施例所提供的一種燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)，主要包括：數(shù)據(jù)輸入模塊101，數(shù)據(jù)采集模塊103，殘氧量計算模塊104，變頻器頻率計算模塊105，數(shù)據(jù)校正模塊102。

具體地，數(shù)據(jù)輸入模塊101用于設置系統(tǒng)參數(shù)以及數(shù)據(jù)校正模塊102參數(shù)設置。其中，系統(tǒng)參數(shù)包括用戶密碼、系統(tǒng)時間、燃氣成分，語言，變頻器參數(shù)，數(shù)據(jù)校正模塊102參數(shù)包括燃氣管道的閥門開度，鼓風機頻率和點數(shù)設置；進一步地，數(shù)據(jù)輸入模塊101將設置好的參數(shù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊103。

數(shù)據(jù)采集模塊103用于將接收的系統(tǒng)參數(shù)，數(shù)據(jù)校正模塊102參數(shù)以及現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)發(fā)送至殘氧量計算模塊104；其中，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)包括當前燃燒室內(nèi)溫度、燃氣管道流量和空氣流量等。進一步地，數(shù)據(jù)采集模塊103將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至殘氧量計算模塊104。

所述殘氧量計算模塊104用于根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，數(shù)據(jù)校正模塊102參數(shù)和現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，在確定當前室內(nèi)溫度和燃氣管道流量條件下，對煙氣含氧量進行軟測量，并通過公式(1)和公式(2)，確定煙氣中的含氧量和理想空燃比。

具體地，公式(1)如下所示：

$\[O_2\]=\frac{21\%(Q_V-Q_T\×G_V)}{Q_V+(Q_{FT}-Q_T)\×G_V}---\left(1\right)$

公式(2)如下所示：

$k=\frac{Q_{FT}\[O_2\]}{21\%-\[O_2\]}+Q_T---\left(2\right)$

需要說明的是，上述公式(1)中，Q_T為理論空氣量；Q_FT為理論煙氣容積；Q_V為鼓風機總送風量；G_V為然氣管道流量。

在實際應用中，假設1m³天然氣完全燃燒所需的理論空氣量Q_T可以通過公式(4)確定：

$Q_T=\frac{(\frac{8}{3}{C}^y+S^y+8H^y+\frac{8x}{7}(\frac{78{\mathrm{\%Q}}_V}{Vm}\×28+\frac{N^y}{100})x-Q^y)}{100\×32}\×Vm\÷21\%---\left(5\right)$

在實際應用中，燃燒后的煙氣主要包括下列廢氣：N₂、CO₂、SO₂、H₂O、NO_x，其中，上述廢氣分別可以通過下列公式確定：

$V_{N_2}=(1-x)(78{\mathrm{\%Q}}_V+\frac{N^y}{100\×28}\×Vm)---\left(6\right)$

$V_{{\mathrm{RO}}_2}=\frac{\frac{C^y}{12}+\frac{S^y}{32}}{100}\×Vm---\left(7\right)$

$V_{H_{2}O}=\frac{H^y}{100\×2}\×Vm---\left(8\right)$

$V_{{\mathrm{NO}}_x}=2x(78{\mathrm{\%Q}}_V+\frac{N^y}{100\×28}\×Vm)---\left(9\right)$

進一步地，通過上述公式(5)～公式(9)，可以通過公式公式(10)確定理論煙氣容積：

$Q_{\mathrm{FT}}=V_{N_2}+V_{{\mathrm{NO}}_x}+V_{{\mathrm{RO}}_2}+V_{H_{2}O}+1\%Q_V---\left(10\right)$

上述公式中，Q_V為鼓風機總送風量；G_V為天然氣流量；Vm為氣體摩爾體積；x為不同溫度下，N元素的反應百分數(shù)，N^y、C^y、S^y、H^y、Q^y分別為燃料的氮元素、碳元素、硫元素、氫元素、氧元素的百分含量。

變頻器頻率計算模塊105用于根據(jù)煙氣中的含氧量和理想空燃比，由于空氣經(jīng)過調(diào)節(jié)閥時，流體發(fā)生局部阻力損失，該損失可以通過伯努利方程表示：

$P_{k1}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2+\mathrm{\ρ}gh=P_{k2}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2+\mathrm{\ρ}gh+\mathrm{\ξ}\frac{v^2}{2g}---\left(11\right)$

其中，P_k1為閥門前氣體壓力，P_k2為閥門后氣體壓力，v為氣體流速，ρ為氣體密度，ξ為閥門阻尼系數(shù)，g為重力加速度。

通過公式(11)，可得氣體通過閥門后流速

$v=\sqrt{\frac{2g(P_1-P_2)}{\mathrm{\ξ}}}---\left(12\right)$

因為Q＝Sv，從而得到氣體通過閥門后流量

$Q=S\sqrt{\frac{2g(P_1-P_2)}{\mathrm{\ξ}}}---\left(13\right)$

其中，Q為氣體流量，S為管道橫截面積。

在實際應用中，因為鼓風機頻率與風機出口風壓存在關系：即可以確定下列公式

$Q=S\sqrt{\frac{2g\[{\left(\frac{f}{f_e}\right)}^2{P}_e-P_2\]}{\mathrm{\ξ}}}---\left(14\right)$

進一步地，通過公式(3)，計算出已知所需空氣流量時，鼓風機所應對應的頻率：

$f=f_e\sqrt{\frac{2{\mathrm{gP}}_2{S}_k^2+{\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2}{2{\mathrm{gP}}_e{S}_k^2}}---\left(3\right)$

其中，k為空燃比，f為鼓風機給定頻率，f_e為鼓風機額定頻率，P₂為實際出口壓力，S_k為燃氣管道橫截面積，ξ_k為燃氣管道的閥門阻尼系數(shù)，Q_r為燃氣流量，P_e鼓風機額定功率，g為重力加速度。

需要說明的是，在本發(fā)明實施例中，可以通過上述燃氣管道的閥門開度與鼓風機頻率的對應關系，實現(xiàn)燃燒過程空氣流量和空燃比的優(yōu)化控制，達到優(yōu)化燃燒、從而達到節(jié)約能源的目的。

本發(fā)明實施例所提供的燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)輸出模塊106，節(jié)能計算模塊和故障報警模塊。

其中，在確定燃氣管道的閥門開度與鼓風機頻率的對應關系之后，還包括：

數(shù)據(jù)輸出模塊106用于將燃氣管道的閥門開度與鼓風機頻率的對應關系發(fā)送至數(shù)據(jù)輸入模塊101。

數(shù)據(jù)輸入模塊101在接收到數(shù)據(jù)輸出模塊106發(fā)送的燃氣管道的閥門開度與鼓風機頻率的對應關系之后，將該關系式存儲在數(shù)據(jù)輸入模塊101中。

節(jié)能計算模塊用于計算相比于現(xiàn)有的連桿控制方式，采用上述燃氣管道的閥門開度與鼓風機頻率的對應關系所節(jié)省的燃氣量以及所節(jié)約的費用。

故障報警模塊用于記錄顯示各個模塊的報警時間，報警詳細信息。

校正模塊用于根據(jù)氧化鋯測量儀測定的煙氣氧含量，確定調(diào)節(jié)所述燃氣管道的閥門開度，并通過多組實驗，利用最小二乘法對所述燃氣管道的閥門開度與所述鼓風機頻率的對應關系進行參數(shù)辨識；

其中，參數(shù)辨識通過下列公式(4)確定：

$f^2=m\left({\mathrm{\ξ}}_k{k}^2{Q}_r^2\right)+n---\left(4\right)$

其中，m，n為待辨識的參數(shù)；ξ_k為當前閥門開度下管道的阻尼系數(shù)。

當則有

綜上所述，本發(fā)明實施例，提供了一種燃氣加熱爐空燃比優(yōu)化控制系統(tǒng)，在不改變工業(yè)生產(chǎn)中原有連桿控制裝置的基礎上，加入變頻器控制鼓風機的頻率，通過對氣體流量以及燃燒過程的精確建模，實現(xiàn)燃燒過程空氣流量和空燃比的優(yōu)化控制，達到優(yōu)化燃燒、從而達到節(jié)約能源的目的。解決了現(xiàn)有加熱爐的空燃比存在燃氣流量和空氣流量比值控制困難，容易造成能源浪費的問題。

本領域內(nèi)的技術人員應明白，本發(fā)明的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實施例的方法、設備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領域內(nèi)的技術人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例做出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。