CN103261887A - 氧测量仪器 - Google Patents
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Abstract
一种氧测量仪器（500）包括：入口管道（506），其具有第一端和第二端；氧传感器（511），其布置在所述入口管道（506）内部，在所述入口管道的所述第一端与入口管道的第二端之间，所述氧传感器（511）具有安置在其上并且延伸通过所述入口管道的第二端的通信媒介（515）；过滤媒介（505），其布置在所述入口管道（506）内部，在所述氧传感器（511）与所述入口管道的第一端之间；外壳（501），其抵靠在所述入口管道的第二端上而布置；和传感器控制接口（512），其布置在所述外壳（501）内并且与所述氧传感器（511）的通信媒介（515）进行通信。
Description
技术领域
本文公开的标的大体上涉及氧测量的领域，且更特定来说涉及燃烧控制应用中的氧测量。
发明背景
为了能正确操作锅炉，可能需要控制锅炉的燃料/空气比、锅炉水位和锅炉的蒸汽压力/温度。一般来说，可能存在涉及控制这些变量的多个促动器。
通常，将燃料/空气比控制在锅炉的整个操作范围内以确保锅炉安全和燃烧效率。在锅炉的燃烧范围内，通过燃料阀位置与气挡位置之间的协调映射实施燃料/空气比控制。如果通过机械***固定促动器之间的协调关系，那么燃烧***称作连接燃烧***。如果促动器位置是灵活的并且可响应于过程情况（例如，蒸汽压力/流动或水温）而进行独立调整，那么燃烧***可以是并行定位***（如果无流动传感器用于燃料/空气比控制）或全计量***（安装燃料和空气流动传感器用于燃料/空气比控制）。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种氧测量仪器包括：入口管道，其具有第一端和第二端；氧传感器，其布置在入口管道内部且在入口管道的第一端与入口管道的第二端之间，所述氧传感器具有安置在其上并且延伸通过入口管道的第二端的通信媒介；过滤媒介，其布置在入口管道内部且在氧传感器与入口管道的第一端之间；外壳，其抵靠在入口管道的第二端上而布置；和传感器控制接口，其布置在外壳内并且与氧传感器的通信媒介进行通信。
根据本发明的另一方面，一种氧测量仪器包括：入口管道，其具有第一端和第二端；氧传感套筒，其布置在入口管道内部，所述氧传感套筒具有与入口管道的内壁接触的外壁、与入口管道的第二端接触的第一端、安置在其上的通信媒介和布置在其中的过滤媒介；外壳，其布置在入口管道的第二端与氧传感套筒的第一端之间；和传感器控制接口，其布置在外壳内并且与氧传感套筒的通信媒介进行通信。
根据本发明的另一方面，一种锅炉控制***包括：燃烧腔；烟道，其与燃烧腔连通；闭环锅炉控制部分，其与烟道和燃烧腔进行通信；和氧测量仪器，其布置在所述烟道上。氧测量仪器包括：入口管道，其具有第一端和第二端，所述入口管道延伸通过烟道的壁；氧传感套筒，其布置在入口管道内部，所述氧传感套筒具有与入口管道的内壁接触的外壁、与入口管道的第二端和烟道的壁接触的第一端、安置在其上的通信媒介和布置在其中的过滤媒介；外壳，其布置在入口管道的第二端、氧传感套筒的第一端周围，并且抵靠在烟道的壁上而布置；和传感器控制接口，其布置在外壳内并且与氧传感套筒的通信媒介进行通信。
根据结合附图进行的下文描述，本发明的其它方面、特征和技术将变得更加显而易见。
附图的若干图的简要说明
现参考其中在多个图中相同元件类似编号的附图：
图1描绘了具有燃料和空气流动控制的锅炉***；
图2描绘了根据示例性实施方案的并行定位闭环锅炉控制方法；
图3描绘了锅炉中含氧量的图表；
图4描绘了根据示例性实施方案的运用氧量微调的并行定位闭环锅炉控制方法；
图5描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器；
图6描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器；
图7描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器；
图8描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器的氧探头部分；
图9描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器；
图10描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器的控制***；和
图11描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器的控制***。
具体实施方式
本文提供了氧测量仪器和控制***的实施方案，其中下文详细论述示例性实施方案。
如本文描述，示例性实施方案提供了一种模块化、低成本的氧测量仪器，其相对容易维护、相对容易校准，且包括监控/数据采集的能力，并且具有与子***和控制***进行通信的数字和模拟构件。
示例性实施方案可以包括用于监控燃烧气体混合物中的氧浓度的宽带型通用废气氧（UEGO）传感器/探头。UEGO探头可以是任何合适探头。例如，合适探头可以包括通常用于自动应用排放控制的氧监控探头。UEGO探头控制电子装置可以负责将氧传感器的加热器激发到合适工作温度；负责监控氧传感器的操作环境；和采集传感器的O2含量信号进行处理。处理的信号随后作为对闭环***的反馈信号的部分提供到控制***，和/或提供到其它合适组件进行监控。
示例性实施方案能够经由热电偶或其它合适的温度测量仪器监控锅炉的烟道温度。采集的温度数据可以用来导出燃烧效率数据和/或用于其它目的。与UEGO探头进行的通信可以通过通信媒介（例如，串口、CAN总线、modbus等）变得容易或作为模拟电压/电流信号。
后文中，详细描述了示例性实施方案。
图1描绘了锅炉***。如所示，***100包括炉腔/燃烧腔101、布置在锅炉上的负载102和布置在负载上的烟道103。***100还包括与烟道103、负载102和炉腔/燃烧腔101进行通信的锅炉控制部分104。
烟道温度和氧信息（例如，来自氧测量仪器）可以通过通信媒介（例如，串口、CAN总线等）作为电压/电流信号或作为任何合适信号/数据提供到锅炉控制部分104。蒸汽压力信息可以通过如上文描述的任何合适媒介提供到锅炉控制部分104。响应于温度、氧和蒸汽压力信息，锅炉控制部分104可以控制燃料和空气以维护锅炉***100的稳定和/或有效操作。
例如，***100包括与变速驱动器106进行通信的空气驱动风扇107，变速驱动器106又与锅炉控制部分104进行进一步通信。***100还包括与锅炉控制部分104进行通信的氧量微调伺服机构105。氧量微调伺服机构105可以布置在空气驱动风扇107与炉腔/燃烧腔101之间，使得由风扇107驱动的空气可以通过伺服机构105被迫进入炉腔/燃烧腔101中。因此，锅炉控制部分104可以准确控制进入炉腔/燃烧腔101的氧和空气的含量。
***100还包括与锅炉控制部分104进行通信的燃油控制伺服机构108和燃气控制伺服机构109。控制伺服机构108至109分别控制进入炉腔/燃烧腔101的燃油和燃气的流动。因此，锅炉控制部分104可以准确控制进入炉腔/燃烧腔101的燃油或燃气的流动。
根据示例性实施方案，锅炉***的锅炉控制部分可以包括用于准确维护锅炉***的操作和其效率的闭环锅炉控制模型。
图2描绘了根据示例性实施方案的并行定位闭环锅炉控制方法。如所示，方法200包括在方框201接收锅炉的压力值Psp和将测量值与计算值进行混合。在方框202，通过函数K并使用混合值确定燃烧速率。此后，在方框203，将燃料/空气伺服机构映射函数f(x)应用于燃烧速率。在调试过程期间，确定锅炉燃烧速率范围内的燃料/空气伺服机构映射函数203。
在方框204和205，分别将函数f(x)的输出应用于传递函数Ga和Gf。随后，在方框206，将传递函数Ga和Gf的输出应用于锅炉传递函数G。在207，将锅炉传递函数G与外部干扰传递函数Gd（208）的输出混合以确定参考方框201描述的计算值。因此，锅炉控制方法200是闭环控制方法。
由于控制***200不包括用于测量空气流动和燃料流动的质量流传感器，所以可能无法准确控制通过空气和燃料伺服机构的流动。任何空气或燃料变化（诸如空气密度、温度、湿度或燃料供应压力）会导致空气端或燃料端的质量流变化并且燃料/空气比将脱离以映射函数f(x)（203）生成的燃料/空气伺服机构映射。这将造成过量空气含量有所变化。为了防止过量空气含量太低（其可以造成不安全的锅炉操作），应定义燃料/空气伺服机构映射函数使得在燃烧过程期间存在足够的过量空气。然而，过多的过量空气将导致较低燃烧效率。图3在图表300中描绘了与燃烧速率相比的过量氧曲线。一般来说，与较高燃烧速率相比，较低燃烧速率可能需要增加过量氧。这主要是因为较低燃烧范围的火焰不稳定问题。如果不存在氧量微调控制，那么氧曲线可能介于图3的最大氧曲线与最小氧曲线之间。
为了在相对长的时段内获得较好燃烧效率，可以使用氧量微调控制更好地解决质量流变化。这可以通过以更精确方式控制过量空气/氧而变得容易。例如，为了关闭氧量微调环路，需要氧传感器测量烟道中的过量空气。
图4描绘了根据示例性实施方案的运用氧量微调的并行定位闭环锅炉控制方法。如所示，方法400包括在方框401接收锅炉的压力值Psp和将测量值与计算值进行混合。在方框402，通过函数K并使用混合值确定燃烧速率。此后，在方框407，将燃料/空气伺服机构映射函数f(x)应用于燃烧速率和混合的氧量微调含量（406）。
在方框408和409，分别将函数f(x)的输出应用于传递函数Ga和Gf。随后，在方框410，将传递函数Ga和Gf的输出应用于锅炉传递函数G。在411，将锅炉传递函数G与外部干扰传递函数Gd（412）的输出进行混合以确定参考方框401描述的计算值。
至于氧量微调含量，在方框403，将通过函数K计算的燃烧速率应用于目标过量氧曲线。随后，在方框404，将应用的曲线与来自锅炉传递函数G的氧输出值进行混合。如上文描述，在方框405将混合值应用于氧量微调传递函数K2，并在方框406与燃烧速率进行混合。因此，锅炉控制方法400是闭环控制方法。
如上文描述，为了更有效地微调锅炉***中的氧，氧测量传感器或仪器是必要的。
图5描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器。如所示，仪器500包括外壳501。外壳501可以是任何合适外壳，包括耐高温塑料、金属（例如，铝）或任何合适材料。仪器500还包括布置在外壳501内的管502。管502可以是任何合适管，包括金属或铝管。仪器500还包括被安置来将管502密封在外壳501内并且抵靠在管504上而布置的导热垫片503。管504可以是任何合适管，例如不锈钢、铝或金属管。如所示，管504可以延伸到管501之外并且可以相对于管/管道506弯曲以使烟道内的气体测量变得容易。例如，管道506可以延伸到烟道中并且允许烟气进入一端，流动通过过滤器505，并且在传感器511处测量含氧量。
过滤器505布置在管504内，并且被安置来过滤进入外壳501的气体。过滤器505可以是任何合适过滤器，包括筛网或微米过滤器。过滤器505可以通过螺丝、螺栓或任何其它合适的附接构件507支撑在管504内。仪器500还包括安置在管504内的氧传感器511与管502之间的隔热件508。隔热件508可以由任何合适材料形成，包括可加工陶瓷、玻璃或其它合适材料。
仪器500还包括被安置来支撑隔热件509和抵靠在外壳501的内壁的管502的支撑杆510。外壳501内还包括与热电偶和/或氧传感器511进行通信的热电偶和/或氧通信接口512。
图6描绘了氧测量仪器500的透视图并且图7描绘了氧测量仪器500的替代透视图。出于说明目的，图7将外壳501描绘成半透明，但是半透明/透明的耐高温塑料均可以用于外壳501。如图7所示，热电偶514使用支撑构件516布置在管/管道504/506上。支撑构件516可以是焊接、粘接或以其它方式附接到管/管道504/506的支撑部分。而且，虽然描述成热电偶，但是应了解可以使用任何合适的温度测量探头/仪器。如进一步所示，烟气出口512至513布置在管/管道504/506上。烟气出口512至513可以穿透管/管道504/506的壁并且被安置来释放从烟道进入管道506的烟气的一部分。以此方式，烟气的相对连续样本可以流动通过过滤器505并且暴露于传感器511的采样部分。为了进一步说明示例性实施方案，图8提供了仪器500的氧探头部分/套筒的详图。
图8描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器的氧探头部分520。如所示，探头511可以使用附接/支撑构件517布置在部分520内。构件517可以是螺母、螺栓、垫片或其它支撑构件。此外，垫环或密封环518还可以将探头511支撑在部分520内。部分520可以全部或部分布置在仪器500的管道506内。此外，通信媒介515可以从氧探头511延伸到外壳501内部。通信媒介515可以连接到上文描述的探头511和通信部分/接口512。或者，通信媒介515可以（例如，通过焊丝或焊锡丝）永久附接到探头511。整个氧测量部分520可以布置成可置换套筒以促成仪器500的简单维护和校准。此外，如所示，部分520可以包括被安置来与管道506的内壁接触的外壁。
图9描绘了布置在烟道壁521上的氧测量仪器500。如所示，外壳501可以抵靠在壁521上而布置，同时管/管道504/506延伸到烟道中。以此方式，外壳501可以保护通信接口512，同时氧测量部分520可以保持在烟道内，从而使烟气内的氧测量变得容易。
图10描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器的控制***。***1000包括与氧传感器1003进行通信的通信接口512。氧传感器1003可以与上文描述的氧传感器511有些类似。接口512可以包括传感器控制部分1022、存储部分1023、电源1024和校准部分1025。传感器控制部分1022可以是被安置来控制传感器温度、过滤和调节来自传感器的信号以及监控传感器的健康状况的控制部分。例如，为了能正确操作，传感器1003可能需要处于正确操作温度。此外，与探头进行通信以检索氧信息和监控健康状况是必要的。因此，传感器控制部分1022可以确定必要参数并且通过媒介1020提供/接收必要信号。例如，媒介1020可以与上文描述的媒介515有些类似。接口512可以通过媒介1021与热电偶1004进行进一步通信。例如，媒介1021可以包括焊接在热电偶1004处以检索指示焊接温度的电压的不同金属。或者，媒介1021可以是被安置来与任何其它温度传感器（例如，能够监控烟道内温度的耐高温传感器）进行通信的媒介。因此，接口512可以监控温度信息以使控制传感器1003变得容易。
存储部分1023可以是任何合适的电子存储媒介。例如，存储部分1023可以是非易失性存储器或其它合适的计算机可读存储器。电源1024可以是与外部电压源进行通信的任何合适电源（包括电池、多个电池、变压器）或被安置来将电力提供给传感器控制部分1022、存储部分1023和校准部分1025的任何其它电源。校准部分1025可以是能够选择性地控制传感器1003和热电偶1004的手动校准构件，包括开关、旋钮、按钮***或任何其它合适的校准机构。
***1000还包括与接口512进行通信的外部接口1001。例如，外部接口1001可以是被构造和安置来通过通信媒介1010与接口512进行通信的计算机设备或处理器。根据至少一个示例性实施方案，外部接口1001是被安置来以专用方式监控探头1003和热电偶1004的专用接口。或者，外部接口还可以是被安置来以可编程方式（例如，可编程温度/氧控制曲线等）监控探头1003和热电偶1004的可编程计算设备或处理器。
图11描绘了根据示例性实施方案的氧测量仪器的替代控制***。如所示，***1100包括电子控制接口1101。电子控制接口1101可以包括多个控制部分。例如，接口1101可以包括输入构件1118。输入构件1118可以是被安置来允许用户控制氧测量仪器的多个按钮、按键、一系列旋钮、其组合或任何其它输入构件。接口1101还可以包括显示构件1119。显示构件1119可以是数字显示器、字母数字显示器、液晶显示器、一堆指示灯或其任何组合。接口1101还可以包括时钟1120。时钟1120可以是被构造来提供用于操作接口1101的时钟信号（包括记录时间或其它时间信息）的实时时钟或任何时间测量仪器。接口1101还可以包括存储装置1121。存储装置1121可以是例如如上文参考接口512描述的任何合适存储构件。接口1101还可以包括被构造来监控实际接口1101的温度的内部温度传感器1122。接口1101还可以包括被构造来监控传感器输出以确定何时/是否已发生传感器输出峰值的曲线和/或峰值检测电路1123。接口1101还可以包括传感器控制器1124。传感器控制器1124可以与上文描述的传感器控制器1022有些类似。此外，接口1101可以包括电压监控器1125。
重新参考图11，***1100还可以包括与接口1101进行通信的电源1112。电源1112可以是能够将电力提供给接口1101的任何合适电源。
***1100还可以包括氧传感器1116和热电偶1117。氧传感器1116和热电偶1117可以与上文描述的传感器1003和热电偶1004有些类似。
***1100还可以包括与接口1101进行通信的温度传感器1114。例如，温度传感器1114可以布置在氧测量仪器的外壳内。
***1100还可以包括通信接口1115。通信接口1115可以是被构造来在接口1101与任何所要的外部控制器/计算设备之间建立通信的串联接口、MODBUS接口或任何其它合适接口。
此外，***1100可以包括被构造来提供往/返接口1101和锅炉***/外部计算设备的信号的多个信号接口1102至1111。例如，输出信号1102至1105可以提供关于烟道温度/含氧量的信息。警报输出1106至1107可以提供与燃烧器控制相关的警报信号。此外，输入1108至1111可以将输入提供到接口1101进行接口1101的外部修改/控制。
如上文描述，提供了新颖、低成本的氧测量仪器和相关控制***。氧测量仪器可以包括可容易更换和控制的氧测量部分或套筒。因此，技术优点包括与锅炉***中氧传感器的维护和置换相关的成本得以减小。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的且并非旨在限制本发明。虽然出于说明和描述目的已呈现本发明的描述，但是其并非旨在详尽或将本发明限于所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，所属技术领域一般人员将明白本文未描述许多修改、变化、替代、更换或等效布置。此外，虽然已描述本发明的各个实施方案，但是应了解本发明的方面可以仅包括所描述的实施方案的一些。因此，本发明不应被视作受限于前文描述，但是仅受限于随附权利要求书的范围。
Claims (20)
1.一种氧测量仪器（500），其包括：
入口管道（506），其具有第一端和第二端；
氧传感器（511），其布置在所述入口管道（506）内部，在所述入口管道的所述第一端与所述入口管道的所述第二端之间，所述氧传感器（511）具有安置在其上并且延伸通过所述入口管道的所述第二端的通信媒介（515）；
过滤媒介（505），其布置在所述入口管道（506）内部且在所述氧传感器（511）与所述入口管道的所述第一端之间；
外壳（501），其抵靠在所述入口管道的所述第二端上而布置；和
传感器控制接口（512），其布置在所述外壳（501）内并且与所述氧传感器（511）的所述通信媒介（515）进行通信。
2.根据权利要求1所述的仪器，其还包括在所述氧传感器（511）与所述外壳（501）之间的隔热件（508），其中所述氧传感器的所述通信媒介（515）延伸通过所述隔热件（508）。
3.根据权利要求2所述的仪器，其还包括布置在所述隔热件（508）与所述外壳（501）之间的导热垫片（503）。
4.根据权利要求1所述的仪器，其还包括热电偶（514），所述热电偶（514）布置在所述入口管道（506）的外壁上并且延伸通过抵靠在所述入口管道上而布置的所述外壳（501）的壁。
5.根据权利要求4所述的仪器，其中所述传感器控制接口（512）与所述热电偶（514）进行通信。
6.根据权利要求1所述的仪器，其还包括布置在所述外壳（501）内部的内管（502），其中所述氧传感器的所述通信媒介（515）延伸通过所述内管。
7.根据权利要求6所述的仪器，其还包括环绕所述内管并且抵靠在所述外壳（501）的壁上而布置的隔热件（503），其中所述外壳（501）的所述壁抵靠在所述入口管道（506）上而布置。
8.根据权利要求7所述的仪器，其还包括布置在所述隔热件与所述外壳的所述壁之间的导热垫片（508）。
9.根据权利要求8所述的仪器，其还包括布置在所述入口管道（506）的外壁上并且延伸通过所述外壳（501）的所述壁的热电偶（514）。
10.根据权利要求9所述的仪器，其中所述传感器控制接口（512）与所述热电偶（514）进行通信。
11.一种氧测量仪器（500），其包括：
入口管道（506），其具有第一端和第二端；
氧传感套筒（520），其布置在所述入口管道（506）内部，所述氧传感套筒（520）具有与所述入口管道（506）的内壁接触的外壁、与所述入口管道的所述第二端接触的第一端、安置在其上的通信媒介（515）和布置在其中的过滤媒介（505）；
外壳（501），其布置在所述入口管道（506）的所述第二端与所述氧传感套筒（520）的所述第一端之间；和
传感器控制接口（512），其布置在所述外壳（501）内并且与所述氧传感套筒（520）的所述通信媒介（515）进行通信。
12.根据权利要求11所述的仪器，其还包括所述氧传感套筒（520）与所述外壳（509）之间的隔热件（509）。
13.根据权利要求12所述的仪器，其还包括布置在所述隔热件（503）与所述外壳（501）之间的导热垫片（508）。
14.根据权利要求11所述的仪器，其还包括布置在所述入口管道（506）的外壁上并且延伸通过所述外壳（501）的壁的热电偶（514）。
15.根据权利要求14所述的仪器，其中所述传感器控制接口（512）与所述热电偶（514）进行通信。
16.根据权利要求11所述的仪器，其还包括布置在所述外壳内部并且抵靠在所述氧传感套筒（520）上而布置的内管（502）。
17.一种锅炉控制***（100），其包括：
燃烧腔（101）；
烟道（103），其与所述燃烧腔（101）连通；
闭环锅炉控制部分（200），其与所述烟道（103）和所述燃烧腔（101）进行通信；和
氧测量仪器（500），其布置在所述烟道（103）上；其中所述氧测量仪器（500）包括：
入口管道（506），其具有第一端和第二端，所述入口管道延伸通过所述烟道（103）的壁（521）；
氧传感套筒（520），其布置在所述入口管道（506）内部，所述氧传感套筒（520）具有与所述入口管道的内壁接触的外壁、与所述入口管道的所述第二端和所述烟道的所述壁（521）接触的第一端、安置在其上的通信媒介（515）和布置在其中的过滤媒介（505）；
外壳（501），其布置在所述入口管道（506）的所述第二端、所述氧传感套筒（520）的所述第一端周围，并且抵靠在所述烟道的所述壁（521）上而布置；和
传感器控制接口（512），其布置在所述外壳（501）内并且与所述氧传感套筒（520）的所述通信媒介（515）进行通信。
18.根据权利要求17所述的***，其中所述闭环锅炉控制部分（200）与所述氧测量仪器（500）的所述传感器控制接口（512）进行通信。
19.根据权利要求18所述的***，其还包括：氧控制伺服机构（105），其与所述闭环锅炉控制部分（200）和所述燃烧腔（101）进行通信；和燃料控制伺服机构（108、109），其与所述闭环锅炉控制部分（200）和所述燃烧腔（101）进行通信，其中所述闭环锅炉控制部分（200）被安置来响应于所述氧测量仪器（500）的输出而打开或关闭所述氧控制伺服机构（105）和所述燃料控制伺服机构（108、109）。
20.根据权利要求所述的***17，其中所述闭环锅炉控制部分（200）被安置来响应于氧测量仪器（500）的输出而增大或减小所述燃烧腔（101）的燃烧速率。
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