可攜式加熱爐效率自動測試調節儀的製作方法

2023-06-23 10:07:36

專利名稱：可攜式加熱爐效率自動測試調節儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種加熱爐控制系統，特別涉及一種可攜式加熱爐效率自動測試調節儀。
背景技術：
加熱爐是石油、煉化工生產中重要設備之一。在油田大面積進入高含水期及稠油的開發期，加熱爐顯得更為重要。其形式可分為箱式、立式和圓筒爐三大類。對於加熱爐，工藝介質受熱升溫或同時進行汽化，其溫度的高低會直接影響後一工序的操作工況和產品質量。 當爐子溫度過高時，會使物料在加熱爐內分解，甚至造成結焦而燒壞爐管。加熱爐的平穩操作可以延長爐管使用壽命。因此，加熱爐出口溫度必須嚴加控制。
加熱爐是傳統設備的一種，同樣具有熱量傳遞過程。熱量通過金屬管壁傳給工藝介質，因此它們同樣符合導熱與對流傳熱的基本規律。但加熱爐屬於火力加熱設備，首先由燃料的燃燒產生熾熱的火焰和高溫的氣流，主要通過輻射傳熱將熱量傳給管壁，然後由管壁傳給工藝介質，工藝介質在輻射室獲得的熱量約佔總熱負荷的709Γ80%，而在對流段獲得的熱量約佔熱負荷的209Γ30%。因此加熱爐的傳熱過程比較複雜，想從理論上獲取對象特性是很困難的。
加熱爐的對象特徵一般基於定性分析和實驗測試獲得。從定性角度出發，可以看出其傳熱過程為爐膛熾熱火焰輻射給爐管，經熱傳導、對流傳熱給工藝介質。所以與一般傳熱對象一樣，具有較大的時間常數和純滯後時間。特別是爐膛，它具有較大的熱容量，故滯後更為顯著，因此加熱爐屬於一種多容量的被控對象。根據若干實驗測試，並做了一些簡化，可以用一介環節加純滯後來近似，其時間常熟和純滯後時間與爐膛容量大小及工藝介質停留時間有關。爐膛容量大，停留時間長，則時間常數和純滯後時間大，反之亦然。
在沒有大資金更新加熱爐的情況下，如何改進加熱爐調節技術和發展，提高加熱爐的運行效率非常關鍵，對安全生產、節能降耗和提高生產效率有著重要的意義。
另外，以某油田為例，採油廠調節加熱爐燃燒的方式，主要是採用風機工頻運行， 風門只有三檔，一般固定在中檔運行，來油量採用人工通過觀察手動開啟閥門，屬於粗放式調節。這樣的調節方式存在空氣燃料配比不合理，人工手動調節不及時、不準確的情況，導致效率較低。
大部分加熱爐熱效率在60% 80%，平均熱效率不到74%，低於石油行業標準75% 的標準要求，多數屬於不達標低效設備，甚至部分加熱爐效率不到60%。過剩空氣係數平均在2.0以上，遠高於石油行業標準1. 1 1.6，個別爐子達到了 9以上，燃燒狀況十分不良。 而排煙溫度平均在280°C以上，遠高於油田制定的標準220°C。由此帶來的排煙損失在20% 以上，造成巨大的能量浪費。

發明內容
本發明的目的就是針對現有技術存在的上述缺陷，提供一種可攜式加熱爐效率自動測試調節儀，解決現有手動調節效率較低，空氣剩餘指數較大等問題；為指導加熱爐運行提供依據，可以帶來巨大的經濟效益，同時還大大減少環境汙染。
其技術方案是主要由可攜式煙氣檢測儀、熱效控制器、調節執行機構組成，調節3執行機構用來接收調節指令對風量進行控制；所述的可攜式煙氣檢測儀，可以便攜移動，用來測量煙道中煙氣溫度、含氧量、一氧化碳、二氧化碳的數據，並計算燃燒效率，反饋給熱效控制器；所述的熱效控制器根據可攜式煙氣檢測儀反饋的參數，自動調整風門調節閥，優化燃燒效率；熱效控制器和調節執行機構固定在加熱爐現場，可攜式煙氣檢測儀和熱效控制器之間通過通信總線連接。
上述的可攜式煙氣檢測儀主要由光學傳感器、紅外光源及其調製、鍍膜氣室、紅外探測器、傳感器測控系統組成，所述的紅外光源及其調製、鍍膜氣室、紅外探測器設置在同一光軸上；紅外光源由穩流供電，供電電壓和電流根據使用的光源不同而不同，光學傳感器根據預先設定的調製頻率發出周期性的紅外光，紅外光源發出的紅外光通過窗口材料入射到鍍膜氣室，鍍膜氣室由採樣氣泵連續將被測氣體通入測量氣室，氣體吸收特定波長的紅外光，透過測量氣室的紅外光由紅外探測器探測；由於調製紅外光的作用紅外傳感器輸出交流的電信號，通過其後的前置放大電路放大後在一次經過高精密放大整流電路，得到一個與被測氣體濃度對應的直流信號送入測控系統處理，紅外傳感器內有溫度傳感器探測其工作環境溫度，紅外傳感器信號經過測控系統，並經數字濾波、線性插值及溫度補償等軟體處理後，給出氣體濃度測量值。
上述的熱效控制器完成可攜式煙氣檢測儀的數據採集處理，將採集的信號輸入控制模塊，通過PID算法模塊完成閥門開度的控制。
採集的信號輸入控制模塊之前，需要設有低通濾波器來進行硬體濾波，先將信號進行一級粗過濾，去除幹擾和採樣噪聲；然後，在分析儀的軟體部分採用滑動平均軟體濾波進行二級精過濾，還原被檢測信號的真實值。
上述的熱效控制器選擇使用PC/104系列主板和採集卡作為基礎，並設計相對應的濾波處理板和外殼進行封裝，嵌入系統和專用軟體。
本發明的有益效果是可攜式煙氣檢測儀能夠直接檢測煙氣成分中C02、CO、O2的濃度，同時檢測環境溫度、煙氣溫度，並根據這些參數實時計算氧氣過剩係數；並根據以上參數對加熱爐的燃料(油、氣)量、進風量進行調節，形成一個完整的閉環測控系統，使加熱爐的效率提升空間較大，至少實現5%的提高，可以帶來巨大的經濟效益，同時還大大減少環境汙染，對加熱爐開展綜合節能技術研究具有重大而現實的經濟和社會意義。


附圖1是本發明的控制原理圖； 附圖2是本發明的內部硬體電路原理圖； 附圖3是本發明的內部軟體結構圖；
具體實施例方式結合附圖1-3，對本發明作進一步的描述本發明主要由可攜式煙氣檢測儀、熱效控制器、調節執行機構組成，調節執行機構用來接收調節指令對風量進行控制；所述的可攜式煙氣檢測儀，可以便攜移動，用來測量煙道中煙氣溫度、含氧量、一氧化碳、二氧化碳的數據，並計算燃燒效率，反饋給熱效控制器；所述的熱效控制器根據可攜式煙氣檢測儀反饋的參數，自動調整風門調節閥，優化燃燒效率；熱效控制器和調節執行機構固定在加熱爐現場，可攜式煙氣檢測儀和熱效控制器之間通過通信總線連接。
其中，可攜式煙氣分析儀關鍵部件如下光學傳感器在設計傳感器的光學系統部分時，為了減少紅外傳感器微弱信號的衰減以及外界信號幹擾，將前置放大電路也一併放在光學部件上，並採取了一定的電磁屏蔽措施。為了使氣體紅外吸收信號具有較好的解析度，在進行結構設計時，紅外光源、氣室、紅外探測器應設置在同一光軸上。此外為了使得信號足夠大，可以使用橢圓型或拋物線型反射鏡。紅外光源由穩流供電，供電電壓和電流根據使用的光源不同而不同。工作時，傳感器根據預先設定的調製頻率發出周期性的紅外光，紅外光源發出的紅外光通過窗口材料入射到測量氣室，測量氣室由採樣氣泵連續將被測氣體通入測量氣室，氣體吸收特定波長的紅外光，透過測量氣室的紅外光由紅外探測器探測。由於調製紅外光的作用紅外傳感器輸出交流的電信號，通過其後的前置放大電路放大後在一次經過高精密放大整流電路，得到一個與被測氣體濃度對應的直流信號送入測控系統處理。紅外傳感器內有溫度傳感器探測其工作環境溫度。紅外傳感器信號經過測控系統，並經數字濾波、線性插值及溫度補償等軟體處理後，給出氣體濃度測量值。
本煙氣分析儀模塊採用NWR紅外測量原理，根據氣體成分中C02、CO、02、CH4, C3H8 和NO等由異種原子構成的分子在紅外線波長區域具有吸收光譜，其吸收強度遵循郎伯-比爾定律。當對應某一種氣體特徵吸收波長的光波通過被測氣體時，其強度明顯減弱，強度衰減程度與該氣體濃度有關，兩者關係遵循郎伯-比爾(Lambert-Beer)定律。
紅外光源及其調製PUISIR，REFLECI1R等新型電調製紅外光源等，升降溫速度很快.紅外光源發射窗口上安裝有透明窗，一方面可以保證發射的紅外光波長在特定範圍內，適合於對常規的氣體如C02、CO、CH4、NO、S02等氣體進行測量。此外也可以阻止外界環境對光源溫度的影響。
鍍膜氣室採用氣室與外支撐分離的結構，安裝時只需將氣室固定安裝在支撐結構的中心即可。此種結構設計保證了該部件易於裝卸、更換；同時由於與外支撐分離，進一步減小了外界條件的影響，使儀器能適應複雜環境下工作。此外原來一些需要較長氣室的傳感器，採用以往方法加工鍍膜工藝十分困難，採用此法後將十分容易，成本也將大大降低。傳統氣室採用了與外支撐一體化設計，具有製造容易、安裝方便等優點，但受外界溫度波動影響較大；其次，由於被分析氣體成分複雜，具有一定的腐蝕性，如S02、NOx等，長時間使用後氣室極易被汙染，直接影響測量精度。
紅外探測器紅外探測器，NWR氣體傳感器的核心部件，測量精度很大程度取決於傳感器的性能高低。本研究採用高靈敏度紅外傳感器，例如TPS2534Gx/Gy，TPS4339Gw/ Gx/Gy/Gz,在其封裝上固定安裝有針對不同氣體的窄帶幹涉濾光片，可以實現對不同氣體的測量。為了確保紅外探測器得到較強的穩定信號，可以設計一種紅外探測器定向軸，即使在前置放大板上焊接的紅外探測器位置有一定的偏差，本傳感器也可確保與紅外光源和氣室位於同一光學中心軸上。
紅外探測器接收紅外光產生的信號十分微弱，極易受外界的幹擾，因此穩定可靠的前置放大電路是關鍵，最好採用高精密、低飄移的模擬放大電路，並採用窄帶濾波電路。 前置放大電路具有精度高、漂移小、響應快的特點。前置放大出來的信號通過二級放大電路，直接輸出一個與氣體濃度對應信號，並送入測控系統，通過非線性校正和補償後得到氣體濃度。
傳感器測控系統為了實現NWR氣體傳感器的測量、控制以及自動標定等功能， 需要一個合適的微控制器來管理傳感器。傳感器測控系統通過採集紅外輸出信號及測量標準氣體曲線，採用非線性校正算法可以直接得到測量氣體的濃度。
通訊技術及協議設計為了將測量好的數據反饋給控制中心單元，煙氣分析儀需要提供通訊接口。為了方便現場長距離的通訊，煙氣分析儀提供RS485標準通訊接口，通訊距離為1200米。採用標準的ModBus RTU通訊協議，能夠穩定的數據傳送到控制中心單元。
另外，本發明的熱效控制器概述控制中心單元為本儀器的核心大腦，控制整個儀器的良好運行。控制中心單元完成煙氣分析模塊的數據採集處理，將採集的信號輸入控制模塊，通過PID算法模塊完成閥門開度的控制。
顯示接口設計儀器選用工業觸摸液晶顯示器作為儀器顯示接口，界面顯示直觀，操作簡單，使用方便。
濾波板設計因現場信號存在各種幹擾信號，主要包括周期幹擾信號(如變頻設備產生的幹擾)、非周期幹擾信號(其他模塊電器設備)、平穩幹擾信號、非平穩幹擾信號、共模幹擾等。這樣就是採集到的信號是一個包含各種幹擾的混雜信號，如果這樣的信號傳送給分析軟體，必將導致採集到的信號不正確。
因此，在便攜調節儀內部，採用硬體濾波和軟體濾波相結合的二級濾波方式。在便攜調節儀採集板卡前端，根據現場採集信號的特徵和頻率要求，設計低通濾波器來進行硬體濾波，先將信號進行一級粗過濾，去除幹擾和採樣噪聲；然後，在分析儀的軟體部分採用滑動平均軟體濾波進行二級精過濾，還原被檢測信號的真實值。
模擬量濾波板設計模擬量濾波板要完成兩部分功能信號轉換、信號濾波。
控制中心硬體設計根據以上性能要求，完全自己開發便攜調節儀周期較長，性能等都無法保證，同時，便攜調節儀具有一定的特殊性，購買成品也不利於以後的開發和改進。因此系統選擇使用工業市場上現有標準的模塊進行二次開發封裝，並嵌入自己的系統和軟體以滿足系統的需求。
在本系統中，系統選擇使用PC/104系列主板和採集卡作為基礎，並設計相對應的濾波處理板和外殼進行封裝，嵌入系統和專用軟體，形成和系統配套的專用便攜調節儀。
PC/104是嵌入式PC的機械電氣標準。它的制定，為嵌入式應用提供了標準的系統平臺，它秉承了 IBM-PC開放式總線結構的優點，為設計應用系統的工程師提供了標準的、高可靠的、功能強大的、方便使用的系統組件，從而將人力從繁瑣的基於晶片的設計中解放出來。
PC/104有兩個總線插頭，其中Pl有64個引腳，P2有40個引腳，共有104個引腳， 這也是PC104名稱的由來。第一塊PC104模塊產生於1987年，但嚴格意義的規範說明在 1992年才公布，當時就有125個廠家引進PC104規範生產PC104兼容產品。像原來的PC總線一樣，PC104 一直是以一個非法定標準在執行，而不是委員會設計制定的。1992年IEEE開始著手為PC和PC/AT總線制定一個精簡的IEEEP996標準。可見PC104是一種專門為嵌入式應用而定義的工業控制總線。與PC .P C/AT總線相對應，PClO 4也定義了兩種模塊版本8位和16位。為了與PCI總線兼容，又制定了 PC104 Plus規範.可以連接高速外界設備。
根據選擇產品的一般原則通用性、可擴展性、兼容性、後期維護等，主板和採集卡一般選擇儘量使用同一廠家產品，因為不同廠家的產品很多時候是沒有相互測試過的，有可能造成產品兼容性等不必要的麻煩。
在本系統中採用了盛博科技的系列產品，原為一軍工企業，現做工業產品。
主板選型主板選用x86結構的SCM/SPTD 7062模塊，SCM/SPTd (PC/104模塊)是一款 "all-in-one" CPU模塊，它在板集成了 lO/lOOBase-T乙太網接口及高性能圖形處理器。 採用X86兼容的64位第六代處理器，最高運行速度可達300MHz，在板內存支持最大128M 3.3V SDRAM。最大4M顯存最大支持至1280*1024、16. 7M種顏色，同時在板支持PS/2鍵盤、PS/2滑鼠、IDE接口、Floppy接口、兩串一併接口、USB、乙太網接口以及Watchdog。晶片組Cx5530A 是一個PCI-to-ISA橋(南橋)，ACPI兼容的晶片組，提供AT/ISA功能。 SCM/SPTd模塊提供一個完美的電源管理功能，使系統達到深層「綠色節能」。集成的總線主 EIDE控制器支持兩個ATA兼容的設備。USB接口提供高速、即插即用的用戶外設連接(如數位相機)。
權利要求
1.一種可攜式加熱爐效率自動測試調節儀，其特徵是主要由可攜式煙氣檢測儀、熱效控制器、調節執行機構組成，調節執行機構用來接收調節指令對風量進行控制；所述的可攜式煙氣檢測儀，可以便攜移動，用來測量煙道中煙氣溫度、含氧量、一氧化碳、二氧化碳的數據，並計算燃燒效率，反饋給熱效控制器；所述的熱效控制器根據可攜式煙氣檢測儀反饋的參數，自動調整風門調節閥，優化燃燒效率；熱效控制器和調節執行機構固定在加熱爐現場，可攜式煙氣檢測儀和熱效控制器之間通過通信總線連接。
2.根據權利要求1所述的可攜式加熱爐效率自動測試調節儀，其特徵是所述的可攜式煙氣檢測儀主要由光學傳感器、紅外光源及其調製、鍍膜氣室、紅外探測器、傳感器測控系統組成，所述的紅外光源及其調製、鍍膜氣室、紅外探測器設置在同一光軸上；紅外光源由穩流供電，供電電壓和電流根據使用的光源不同而不同，光學傳感器根據預先設定的調製頻率發出周期性的紅外光，紅外光源發出的紅外光通過窗口材料入射到鍍膜氣室，鍍膜氣室由採樣氣泵連續將被測氣體通入測量氣室，氣體吸收特定波長的紅外光，透過測量氣室的紅外光由紅外探測器探測；由於調製紅外光的作用紅外傳感器輸出交流的電信號，通過其後的前置放大電路放大後在一次經過高精密放大整流電路，得到一個與被測氣體濃度對應的直流信號送入測控系統處理，紅外傳感器內有溫度傳感器探測其工作環境溫度，紅外傳感器信號經過測控系統，並經數字濾波、線性插值及溫度補償等軟體處理後，給出氣體濃度測量值。
3.根據權利要求1所述的可攜式加熱爐效率自動測試調節儀，其特徵是所述的熱效控制器完成可攜式煙氣檢測儀的數據採集處理，將採集的信號輸入控制模塊，通過PID算法模塊完成閥門開度的控制。
4.根據權利要求3所述的可攜式加熱爐效率自動測試調節儀，其特徵是採集的信號輸入控制模塊之前，需要設有低通濾波器來進行硬體濾波，先將信號進行一級粗過濾，去除幹擾和採樣噪聲；然後，在分析儀的軟體部分採用滑動平均軟體濾波進行二級精過濾，還原被檢測信號的真實值。
5.根據權利要求1或3所述的可攜式加熱爐效率自動測試調節儀，其特徵是所述的熱效控制器選擇使用PC/104系列主板和採集卡作為基礎，並設計相對應的濾波處理板和外殼進行封裝，嵌入系統和專用軟體。
全文摘要
本發明涉及一種可攜式加熱爐效率自動測試調節儀。其技術方案是主要由可攜式煙氣檢測儀、熱效控制器、調節執行機構組成，調節執行機構用來接收調節指令對風量進行控制；可攜式煙氣檢測儀，用來測量煙道中煙氣溫度、含氧量、一氧化碳、二氧化碳的數據，並計算燃燒效率，反饋給熱效控制器；所述的熱效控制器根據可攜式煙氣檢測儀反饋的參數，自動調整風門調節閥，優化燃燒效率。有益效果是可攜式煙氣檢測儀能夠直接檢測煙氣成分中CO2、CO、O2的濃度，同時檢測環境溫度、煙氣溫度，根據以上參數對加熱爐的進風量進行調節，形成一個完整的閉環測控系統，使加熱爐的效率提升空間較大，至少實現5%的提高。
文檔編號F27D19/00GK102506592SQ20111036426
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者劉廣友, 劉傑, 張興華, 張閣平, 李洪擴, 陳永生, 高聚同 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司孤東採油廠