TWI841499B - 燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法、燃燒器診斷方法及燃燒器診斷系統 - Google Patents

Abstract

一種燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法、燃燒器診斷方法及燃燒器診斷系統，該方法包含：讀取一熱交換器於複數爐次之複數項目的實際量測數據；基於所述實際量測數據進行統計迴歸，以從該複數項目中選擇多個項目並定義為多個模型變數；電腦輔助建立該熱交換器之一熱交換器電腦輔助工程模型；建立模擬操作數據至該熱交換器電腦輔助工程模型，並對應輸出模擬量測數據，以模擬該熱交換器的熱交換效率衰減狀態；基於所述模擬操作數據和所述模擬量測數據，進行統計迴歸以產生多個模型參數；根據該多個模型變數和該多個模型參數建立一熱交換器熱傳導係數模型。

Description

燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法、燃燒器診斷方法及燃燒器診斷系統

本發明涉及一種熱傳導模型的建立方法，特別是指燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法，及利用該熱交換器熱傳導係數模型的燃燒器診斷方法及燃燒器診斷系統。

燃燒器是工業加熱爐的關鍵零組件之一，且燃燒器種類多元，自預熱式燃燒器是其中一種，其特色在於內部具有一熱交換器。該自預熱式燃燒器運作時，通常以天然氣作為燃料，且可引入一助燃空氣，該助燃空氣沿著該熱交換器的其中一表面流動，再和天然氣混和以達成助燃的效果；燃燒後產生的一高溫煙氣排入加熱爐，循環後沿著該熱交換器的另一表面流動而向外排出。也就是說，該助燃空氣與該高溫煙氣被該熱交換器隔開。

藉由該熱交換器的熱交換特性，能將該高溫煙氣的熱能傳導至該助燃空氣，讓該助燃空氣在流動的過程中被預熱後再與天然氣混和，能提升助燃效率，實現工業加熱爐之廢熱回收以及達到節能減碳的目標。然而，在多爐次及長時間使用之後，該熱交換器可能因灰塵污垢之累積或是腐蝕破損等因素，導致其熱交換效率下降，故有檢查該熱交換器狀態的需求，才能根據檢查結果評估是否對該熱交換器進行清理保養。

因為該熱交換器位於該自預熱式燃燒器的內部，工作人員從該自預熱式燃燒器的外觀並無法檢查該熱交換器是否有累積灰塵污垢或是腐蝕破損的情形，故工作人員必須對該自預熱式燃燒器停機並拆機，才能取出該熱交換器以進行檢查，造成該熱交換器有檢查工序繁瑣耗時的缺點。

有鑑於此，本發明的主要目的是提供一種燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法，以期克服先前技術所述熱交換器之檢查有工序繁瑣耗時的缺點。

本發明燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法於電腦實施，該燃燒器安裝於一爐體，該燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法包含： 讀取該燃燒器之一熱交換器於複數爐次之複數項目的實際量測數據； 基於該複數爐次之該複數項目的實際量測數據進行統計迴歸，以從該複數項目中選擇多個項目，並將被選擇的該多個項目定義為多個模型變數； 電腦輔助建立該熱交換器之熱交換分析的一熱交換器電腦輔助工程模型，使該熱交換器電腦輔助工程模型的熱傳導特性對應於該熱交換器的熱傳導特性； 建立模擬操作數據至該熱交換器電腦輔助工程模型，該熱交換器電腦輔助工程模型對應輸出模擬量測數據；其中，所述模擬操作數據和所述模擬量測數據用以模擬該熱交換器的熱交換效率衰減狀態； 基於所述模擬操作數據和所述模擬量測數據進行統計迴歸，以產生多個模型參數；以及 根據該多個模型變數和該多個模型參數建立一熱交換器熱傳導係數模型，以利用該熱交換器熱傳導係數模型進行該燃燒器的診斷。

本發明燃燒器診斷方法於一主機實施，該燃燒器安裝於一爐體，該燃燒器診斷方法包含： 讀取該燃燒器之一熱交換器的複數項目的實際量測數據； 將所述實際量測數據帶入如前所述燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法所建立的熱交換器熱傳導係數模型，而得到一熱交換器熱傳導係數； 判斷該熱交換器熱傳導係數是否小於一第一門檻值； 當判斷該熱交換器熱傳導係數小於該第一門檻值，進一步判斷一單位能源消耗是否大於一第二門檻值，其中該主機將該燃燒器的一燃料累計用量除以該爐體的一生產裝載重量，再除以該燃燒器的一累計運作時間，以得到該單位能源消耗； 當判斷該單位能源消耗大於該第二門檻值，輸出一警示資訊。

本發明燃燒器診斷系統應用於一燃燒器，該燃燒器安裝於一爐體，該燃燒器診斷系統包含： 至少一流量計，設置於該燃燒器的一進氣管路； 複數溫度計，分別設置於該燃燒器之一助燃空氣流道之出口處、該燃燒器之一煙氣流道之入口處、該燃燒器之該煙氣流道之出口處、以及該爐體； 複數氣壓計，分別設置於該進氣管路、該爐體、以及該燃燒器的一排氣管路； 一信號模組，電性連接該至少一流量計、該複數溫度計與該複數氣壓計，以接收對應於複數爐次之複數項目的實際量測數據； 一主機，電性連接該信號模組以接收該信號模組傳送的所述實際量測數據，並據以實施如前所述燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法，以建立一熱交換器熱傳導係數模型，利用該熱交換器熱傳導係數模型進行該燃燒器的診斷。

綜上所述，本發明透過該熱交換器熱傳導係數模型，不須對該燃燒器停機，就可以量化推估該熱交換器的即時性能變化，有效率地對該燃燒器的運作進行線上診斷。本發明建立該熱交換器熱傳導係數模型的過程中，已經驗證該熱交換器電腦輔助工程模型的熱傳導特性相當於實際的該熱交換器的熱傳導特性，故基於該熱交換器電腦輔助工程模型而使用的模擬操作數據和模擬量測數據是可信賴的，不需要累積相當長時間的操作時數來讀取、收集熱傳係數建模所需之感測器實際量測數據，因此本發明可以在較短的時間內讀取、收集到建模所需數據。

燃燒器是工業加熱爐的關鍵零組件之一，且燃燒器種類多元，本發明應用的燃燒器是以一自預熱式燃燒器為例，請參考圖1，該燃燒器10安裝於一爐體20，該燃燒器10包含一底座11與設置在該底座11上的一燃料管120、一內管12、一外管13與一熱交換器14，該外管13的末端連接該爐體20的一燃燒器安裝開口15，該熱交換器14的末端設有一噴嘴16。

請配合參考圖2與圖3，該燃料管120、該內管12、該熱交換器14與該外管13是由內而外依序設置的中空圓柱狀構造，其中，該熱交換器14設置在該外管13與該內管12之間，該熱交換器14可為一鰭片式熱交換器而於其外側表面和內側表面分別具有複數個凸起的鰭片140，所述鰭片140用以增加導熱面積，但該熱交換器14並不以鰭片式熱交換器為限。

請參考圖1與圖4，該燃燒器10可具有一燃料入口、一助燃空氣入口與一煙氣出口，該燃料入口連接一燃料源30，該助燃空氣入口通過一進氣管路170連接一進氣鼓風機171，該煙氣出口通過一排氣管路172連接一排氣鼓風機173。如圖1所示，該燃料管120的入口連通該燃燒器10的該燃料入口；該內管12與該熱交換器14之間的空間形成一助燃空氣流道141；該助燃空氣流道141的入口連通該燃燒器10的該助燃空氣入口；該熱交換器14與該外管13之間的空間形成一煙氣流道142，該煙氣流道142的出口連通該燃燒器10的該煙氣出口。是以，該助燃空氣流道141與該煙氣流道142是被該熱交換器14隔開。

該燃燒器10運作時，該燃料源30可輸出一天然氣至該燃料管120，該進氣鼓風機171運轉送風以將一助燃空氣輸送至該助燃空氣流道141，該天然氣流出該燃料管120的出口後與流出該助燃空氣流道141的出口之該助燃空氣混和，混和後的該天然氣與該助燃空氣流出該噴嘴16以進行燃燒、產生火焰與燃燒產物，故其燃燒後將產生一煙氣並排入該爐體20，該爐體20內部的該煙氣透過該排氣鼓風機173運轉抽風，該煙氣將沿著該煙氣流道142排出該燃燒器10。

因為燃燒後所產生煙氣的溫度比燃燒前該助燃空氣的溫度更高，故藉由該熱交換器14的熱交換特性，該煙氣沿著該熱交換器14的表面流動時，該熱交換器14能將該煙氣的熱能傳導至該助燃空氣，讓該助燃空氣在流動的過程中被升溫預熱後再與該天然氣混和，以提升助燃效率。

請參考圖4，本發明燃燒器診斷系統的實施例包含至少一流量計、複數溫度計、複數氣壓計、一信號模組40及一主機41，其中，該至少一流量計、該複數溫度計與該複數氣壓計可為電子式量測儀器，用以分別輸出量測信號。

本實施例是以一個流量計50為例，該流量計50設置於該進氣管路170，用以量測該助燃空氣的流量(即：單位時間進入該燃燒器10之空氣的體積)。

該複數溫度計例如可為熱電偶溫度計，其包含一第一溫度計61、一第二溫度計62、一第三溫度計63與至少一第四溫度計64，該第一溫度計61設置於該助燃空氣流道141之出口處，用以量測該助燃空氣預熱後的溫度；該第二溫度計62設置於該煙氣流道142之入口處，用以量測該煙氣排入該燃燒器10的溫度；該第三溫度計63設置於該煙氣流道142之出口處，用以量測該煙氣排出該燃燒器10的排氣溫度；該至少一第四溫度計64設置於該爐體20，用以測量該爐體20之爐內溫度。

該複數氣壓計包含一第一氣壓計71、一第二氣壓計72與一第三氣壓計73，該第一氣壓計71設置於該進氣管路170，用以量測該助燃空氣進入該燃燒器10的氣壓；該第二氣壓計72設置於該爐體20處，用以量測該爐體20之爐內壓力；該第三氣壓計73設置於該排氣管路172，用以量測該煙氣排出該燃燒器10的氣壓。

該信號模組40電性連接該至少一流量計50、該複數溫度計與該複數氣壓計，當該燃燒器10處於穩定運作狀態時，該信號模組40可根據一排程時間定時接收其輸出的量測信號，其中，當所述量測信號為類比信號，該信號模組40可將類比信號轉換為數位信號。須說明的是，該信號模組40的工作原理是所屬技術領域的通常知識，亦非本發明所訴求的技術特徵，故容不詳述。簡言之，該信號模組40可包含一處理晶片與複數類比數位轉換器(ADC)，該處理晶片執行在排程時間定時接收量測信號的程式功能，該複數類比數位轉換器電性連接該至少一流量計50、該複數溫度計與該複數氣壓計，以對其類比的量測信號轉換為數位信號，再由該處理晶片控制所述數位信號的傳送。

該主機41可為個人電腦、筆記型電腦、工業電腦或伺服器的主機，但不以此為限。該主機41的組成為所屬技術領域的通常知識，亦非本發明所訴求的技術特徵，故容不詳述。簡言之，該主機41可包含電腦可讀取記錄媒體，例如傳統硬碟(HDD)或固態硬碟(SSD)，以儲存量測數據；該主機41可包含中央處理單元(CPU)，以供執行程式及資料運算。

在本實施例中，該主機41能獲得該至少一流量計50、該複數溫度計與該複數氣壓計的感測器量測數據，故所述感測器量測數據可包含：進入該燃燒器10之該助燃空氣的流量(簡稱為一助燃空氣流量，參考單位：m ³/hour)、該助燃空氣預熱後的溫度(簡稱為一預熱空氣溫度，參考單位：℃)、該煙氣排入該燃燒器10的溫度(簡稱為一熱交換器入口溫度，參考單位：℃)、該煙氣排出該燃燒器10的溫度(以下簡稱為一排氣溫度，參考單位：℃)、該爐體20之爐內溫度或稱爐溫(簡稱為一爐溫，參考單位：℃)、該助燃空氣進入該燃燒器10的氣壓(簡稱為一助燃空氣壓力，參考單位：Pa)、該爐體20之爐內壓力(簡稱為一爐壓，參考單位：Pa)、該煙氣排出該燃燒器10的氣壓(簡稱為一煙氣壓力，參考單位：kPa)。該主機41能對該些感測器量測數據進行處理、計算與分析。

該主機41具有一熱交換器熱傳導係數模型410，當該燃燒器10處於穩定運作狀態時，該主機41可透過該信號模組40接收該至少一流量計50、該複數溫度計與該複數氣壓計的感測器量測數據，並將所述感測器量測數據帶入該熱交換器熱傳導係數模型410，該熱交換器熱傳導係數模型410可對應輸出一熱傳導係數。是以，該主機41可根據該熱傳導係數進行該燃燒器10的健康狀態診斷，評估該熱交換器14是否有積垢及腐蝕破損的情形。

其中，本發明以該至少一流量計50、該複數溫度計與該複數氣壓計的感測器量測數據為基礎，透過電腦(例如：個人電腦、筆記型電腦、工業電腦或伺服器)實施該熱交換器熱傳導係數模型410的建立。請配合參考圖5，本發明該熱交換器熱傳導係數模型410的建立方法包含：

步驟S01：熱交換器熱傳導係數建模之參數分析，且步驟S01可包含「讀取複數爐次之感測器量測數據」(步驟S011)、「模型之解釋變數顯著性與模型解釋能力分析」(步驟S012)以及「模型之交互驗證」(步驟S013)。透過步驟S01，主要是讀取該熱交換器14於複數爐次之複數項目的實際量測數據，並據以透過統計學迴歸方式，從該複數項目中選擇多個項目，將被選擇的該多個項目定義為多個模型變數，容後說明。

步驟S02：建立熱交換器電腦輔助工程模型，且步驟S02可包含「建立熱交換分析之幾何模型」(步驟S021)、「熱交換電腦輔助工程模型之模型設定」(步驟S022)以及「熱交換電腦輔助工程模型之模擬數據確認」(步驟S023)。透過步驟S02，主要是電腦輔助建立該熱交換器14之熱交換分析的一熱交換器電腦輔助工程模型，使該熱交換器電腦輔助工程模型的熱傳導特性對應於實際的該熱交換器14的熱傳導特性，容後說明。

步驟S03：模擬熱交換器在其熱交換效率衰減時之感測器量測數據，主要是建立模擬操作數據至該熱交換器電腦輔助工程模型，該熱交換器電腦輔助工程模型對應輸出模擬量測數據；其中，所述模擬操作數據和所述模擬量測數據用以模擬該熱交換器的熱交換效率衰減狀態，容後說明。

步驟S04：計算熱傳導係數模型之模型參數，主要是基於所述模擬操作數據和所述模擬量測數據透過統計學迴歸方式定義多個模型參數，該多個模型參數對應於被選擇的該多個模型變數，再根據該多個模型變數和該多個模型參數建立該熱交換器熱傳導係數模型，以利用該熱交換器熱傳導係數模型進行該燃燒器的診斷，容後說明。

以下配合圖式說明本發明的步驟S01至步驟S04。

步驟S01中的步驟S011：讀取複數爐次之感測器量測數據。本發明實施例的熱交換器14以如前所述的鰭片式熱交換器為例，前置作業是於該燃燒器10配置該熱交換器14的全新品，且因為該熱交換器14是全新品，尚無積垢及腐蝕破損的情形，故其熱交換效率應是最佳狀態。然後將該燃燒器10開機運轉以實施多個爐次之操作，並透過該信號模組40讀取實際的感測器量測數據，其中，每一個感測器的量測數據代表一個項目，舉例來說，該流量計50所量測的該助燃空氣流量是一個項目，該第一溫度計61所量測的該預熱空氣溫度是另一項目，依此類推。如圖6A與圖6B所示，其中，每一爐次是對應於該爐體20所經歷一升溫階段T1、一持溫階段T2與一降溫階段T3的過程。

步驟S01中的步驟S012：模型之解釋變數顯著性與模型解釋能力分析。如圖6A與圖6B所示，因為各該持溫階段T2的波形比各該升溫階段T1和各該降溫階段T3的波形更為穩定，故以每一爐次的持溫階段T2之實際的感測器量測數據，透過以下第(1)式計算該熱交換器14在對應每一筆感測器量測數據的熱傳導係數。

(1)

上式中， 是熱傳導係數； 是該助燃空氣的密度(參考單位：kg/m ³)； 是該助燃空氣的比熱(參考單位：joule/kg °C)； 是該助燃空氣流量(參考單位：m ³/hour)，即為該流量計50的量測數據； 是該熱交換器14的表面積(參考單位：m ²)； 是該助燃空氣進入該燃燒器10之前的溫度(參考單位：℃)，例如可為室溫； 是該預熱空氣溫度(參考單位：℃)，即為該第一溫度計61的量測數據； 是該熱交換器入口溫度(參考單位：℃)，即為該第二溫度計62的量測數據； 是該排氣溫度(參考單位：℃)，即為該第三溫度計63的量測數據。其中， 、 、 與 可為預設值； 可表示單位時間內進入該熱交換器14的該助燃空氣的質量； 是熱傳量，熱傳量可表示為 (參考單位：watts或joule/sec)，意指單位時間內進入該熱交換器14的該助燃空氣由溫度 升溫至 所吸收的能量，也就是單位時間內從該爐體20內進入該熱交換器14的該煙氣向該助燃空氣所傳遞的能量。

當完成步驟S011所述該複數爐次之操作，即可獲得該複數爐次之感測器量測數據。然後，以該複數爐次從該信號模組40所得到該至少一流量計50、該複數溫度計與該複數氣壓計的感測器量測數據以及前述計算得到的熱傳導係數為基礎，以統計學迴歸方式，例如利用電腦實施R語言以執行多元線性迴歸建模分析(Multiple Linear Regression)，其迴歸模型如以下第(2)式模型所示，將各該感測器的物理量(即：如前所定義的"項目")作為多元線性迴歸模型之解釋變數 ，將各該熱傳導係數作為多元線性迴歸模型之反應變數 。

(2)

上式中，本實施例的 為7； 指某一爐次在持溫階段的數據編號； 是第 筆數據的熱傳導係數； 是第 筆數據的該爐溫； 是第 筆數據的該助燃空氣流量； 是第 筆數據的該煙氣壓力； 是第 筆數據的該助燃空氣壓力； 是第 筆數據的該熱交換器入口溫度； 是第 筆數據的該排氣溫度； 是第 筆數據的該預熱空氣溫度； 是模型之截距項； 是誤差項； 、 、…、 是對應於各物理量項目的參數。

是以，電腦以第(2)式模型執行該多元線性迴歸建模分析後的輸出結果包含對應於每一解釋變數 的參數 、顯著性 、統計值t與判定係數R ²。如前所述，本發明實施例以該七個物理量項目作為解釋變數進行該多元線性迴歸建模分析後，所獲得的參數 、顯著性 、統計值t整理如下表，一般而言，判定係數R ²大於0.75則表示該模型的解釋能力佳，而該實施例的判定係數R ²為0.9998，代表該模型對於數據的解釋能力是可靠的。

	解釋變數、項目	參數𝛽	顯著性	統計值t
1	爐溫	−2.567×10 − 04	0.6229	−0.492
2	助燃空氣流量	5.100×10 − 01	＜ 2×10 − 16	77.864
3	煙氣壓力	2.629×10 − 04	0.0411	2.043
4	助燃空氣壓力	1.182×10 − 02	＜ 2×10 − 16	22.869
5	熱交換器入口溫度	−6.151×10 − 02	＜ 2×10 − 16	−100.877
6	排氣溫度	−6.375×10 − 02	＜ 2×10 − 16	−47.777
7	預熱空氣溫度	1.737×10 − 01	＜ 2×10 − 16	204.022
	截距項	−2.358×10 +01	＜ 2×10 − 16	−47.902
R 2：0.9998

一般而言，顯著性 小於0.001可代表該解釋變數具有顯著性，且統計值t的絕對值越大越好。根據上表，可選擇其中具有較小顯著性 以及較大統計值t的項目，包含「助燃空氣流量」、「熱交換器入口溫度」、「排氣溫度」、「預熱空氣溫度」等四個項目，故於另一實施例中，將第(2)式模型簡化如下：

(3)

也就是說，和第(2)式模型相比，第(3)式模型只將「助燃空氣流量」、「熱交換器入口溫度」、「排氣溫度」、「預熱空氣溫度」作為多元線性迴歸模型之解釋變數，以進行多元線性迴歸建模分析，獲得的參數 、顯著性 、統計值t整理如下表。

	解釋變數、項目	參數𝛽	顯著性	統計值t
2	助燃空氣流量	5.702×10 − 01	＜ 2×10 − 16	93.66
5	熱交換器入口溫度	−6.304×10 − 02	＜ 2×10 − 16	−104.07
6	排氣溫度	−6.978×10 − 02	＜ 2×10 − 16	−52.66
7	預熱空氣溫度	1.892×10 − 01	＜ 2×10 − 16	393.03
	截距項	−2.337×10 +01	＜ 2×10 − 16	−51.17
R 2：0.9998

是以，根據簡化的第(3)式模型，判定係數R ²為0.9998，代表第(3)式模型對於數據的解釋能力仍是可靠的。也就是說，在使用較少的解釋變數下，第(3)式模型仍然能對資料有好的解釋能力。

步驟S01中的步驟S013：模型之交互驗證。一般而言，迴歸演算法的預測能力評估指標包含平均絕對誤差(Mean Absolute Error, MAE)和均方誤差(Mean Square Error, MSE)，且MAE和MSE的原理為所屬技術領域的通常知識。本實施例中，將持溫階段之各該感測器量測數據以等長時間分為十組，其中九組用於第(2)式模型和第(3)式模型之多元線性迴歸建模，剩下一組用於計算第(2)式模型和第(3)式模型之MAE與MSE，藉此評估第(2)式模型和第(3)式模型的預測能力，請參考下表，可見簡化後的第(3)式模型與第(2)式模型幾乎有一樣好的預測能力。

	R 2	MAE	MSE
第(2)式模型	0.99	0.13	0.03
簡化的第(3)式模型	0.99	0.14	0.04

步驟S02中的步驟S021：建立熱交換分析之幾何模型。舉例來說，本發明實施例可透過Ansys工程模擬軟體，根據該熱交換器14、該內管12與該外管13的實際構造(例如形狀、尺寸…等)繪製該熱交換器14，建立三維的一熱交換器幾何模型(3D model)，該熱交換器幾何模型作為熱交換之電腦輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)分析的幾何模型。

步驟S02中的步驟S022：熱交換電腦輔助工程模型之模型設定。本實施例中，基於Ansys工程模擬軟體的功能，設定該熱交換器幾何模型之網格參數、流體與熱傳導邊界條件以建立一熱交換器電腦輔助工程模型，以及將該助燃空氣流量、該熱交換器入口溫度、該煙氣壓力、該熱傳導係數設定為該熱交換器電腦輔助工程模型的複數輸入項目，且將該預熱空氣溫度和該排氣溫度設定為該熱交換器電腦輔助工程模型的複數輸出項目，其中，各該輸入項目具有一模擬調整值，該模擬調整值為預設的比例值，該熱交換器電腦輔助工程模型係根據各該輸入項目與其模擬調整值的乘積進行運算而產生該複數輸出項目，該些模擬調整值的目標是要讓該熱交換器電腦輔助工程模型的熱傳導特性對應於實際的該熱交換器14的熱傳導特性。是以，基於前述設定，該熱交換器電腦輔助工程模型可供模擬計算該燃燒器10達穩態時的該預熱空氣溫度和該排氣溫度。其中，前述輸入項目和輸出項目的選擇以及該些模擬調整值可藉由試誤法(try and error)決定，本實施例的該煙氣壓力的模擬調整值是0.4，其他輸入項目的模擬調整值是1。

步驟S02中的步驟S023：熱交換電腦輔助工程模型之模擬數據確認，此步驟用以驗證該熱交換器電腦輔助工程模型的熱傳導特性對應於實際的該熱交換器14的熱傳導特性。本實施例中，先針對單一爐次之該些項目，取該持溫階段的一時間區間內的實際量測數據計算一平均值，舉例來說，某一爐次第三小時的該助燃空氣流量的平均值為113、該熱交換器入口溫度的平均值為553、該煙氣壓力的平均值為-986、該預熱空氣溫度的平均值為419、該排氣溫度的平均值為363、…依此類推。

驗證時，請配合參考下表，將該些輸入項目的實際量測數據的平均值(即：包含該助燃空氣流量的平均值、該熱交換器入口溫度的平均值、該煙氣壓力的平均值…等，下表僅顯示部分項目)帶入該熱交換器電腦輔助工程模型，該熱交換器電腦輔助工程模型根據前述輸入項目的平均值及其對應的模擬調整值(煙氣壓力的模擬調整值是0.4，其他輸入項目的模擬調整值是1)的乘積進行運算而輸出該預熱空氣溫度的模擬值和該排氣溫度的模擬值。本實施例中，該預熱空氣溫度的模擬值是415，是前述根據實際量測數據計算的該預熱空氣溫度的平均值419的0.99倍；該排氣溫度的模擬值是354.1，是前述根據實際量測數據計算的該排氣溫度的平均值363的0.975倍。

某一爐次第三小時
	帶入的實際量測數據平均值	模擬 調整值	乘積	輸出的 模擬值	誤差倍數
助燃空氣流量	113	1	113
熱交換器入口溫度	553	1	553
煙氣壓力	-986	0.4	-394.4
預熱空氣溫度	419		415	0.990
排氣溫度	363	354.1	0.975

依此類推，經過多爐次的試驗，本實施例中，該預熱空氣溫度的模擬值是實際量測數據平均值的0.99至1.11倍；該排氣溫度的模擬值是實際量測數據平均值的0.97至1.02倍。由此可見，該熱交換器電腦輔助工程模型所輸出的模擬值與實際量測數據平均值幾乎相等，驗證該熱交換器電腦輔助工程模型的熱傳導特性確實能符合實際的該熱交換器14的熱傳導特性。

步驟S03：模擬熱交換器在其熱交換效率衰減時之感測器量測數據。本步驟中，先建立模擬操作數據至該熱交換器電腦輔助工程模型。請配合參考下表，下表僅為一範例僅供說明。在某一爐次之持溫階段的一時間區間中，先定義熱傳導係數的一調降比例以得到一熱傳導係數模擬值，及調整該時間區間中之該助燃空氣流量的平均值、該熱交換器入口溫度平均值與該煙氣壓力的平均值的增減幅度，以分別得到一助燃空氣流量模擬值、一熱交換器入口溫度模擬值與一煙氣壓力模擬值。則該熱傳導係數模擬值、該助燃空氣流量模擬值、該熱交換器入口溫度模擬值與該煙氣壓力模擬值即為帶入至該熱交換器電腦輔助工程模型的所述模擬操作數據。其中，該調降比例與各該平均值的增減幅度可為預設值，例如可根據燃燒器各項目之實際量測數據的歷史記錄來設定。然後，該熱交換器電腦輔助工程模型對應輸出該預熱空氣溫度模擬值和該排氣溫度模擬值為模擬量測數據。

帶入至該熱交換器電腦輔助工程模型的模擬操作數據
熱傳導係數模擬值	助燃空氣流量 模擬值	熱交換器入口溫度模擬值	煙氣壓力 模擬值
調降5%	平均值增加一預設百分比%	平均值增加一預設百分比%	平均值增加一預設百分比%
調降5%	平均值增加一預設百分比%	平均值增加一預設百分比%	平均值減少一預設百分比%
調降7%	平均值增加一預設百分比%	平均值減少一預設百分比%	平均值增加一預設百分比%
調降7%	平均值增加一預設百分比%	平均值減少一預設百分比%	平均值減少一預設百分比%
調降10%	平均值減少一預設百分比%	平均值減少一預設百分比%	平均值減少一預設百分比%

綜上，基於該熱交換器電腦輔助工程模型的運算，該助燃空氣流量模擬值、該熱交換器入口溫度模擬值、該煙氣壓力模擬值、該預熱空氣溫度模擬值和該排氣溫度模擬值，係與該熱傳導係數模擬值相互牽涉，故所述模擬操作數據和所述模擬量測數據能模擬該熱交換器14實際的熱交換效率衰減狀態。

步驟S04：計算熱傳導係數模型之模型參數，本實施例中，以步驟S03中該助燃空氣流量模擬值、該熱交換器入口溫度模擬值、該煙氣壓力模擬值、該預熱空氣溫度模擬值和該排氣溫度模擬值的多組模擬數據為基礎，以統計學迴歸方式定義多個模型參數 ，例如利用電腦實施R語言以執行多元線性迴歸建模分析(Multiple Linear Regression)，如下式所示：

(4)

上式中， 是待求的熱傳導係數的預測值； 是模型之截距項； 是助燃空氣流量之模型變數； 是對應於助燃空氣流量之模型參數； 是熱交換器入口溫度之模型變數； 是對應於熱交換器入口溫度之模型參數； 是排氣溫度之模型變數； 是對應於排氣溫度之模型參數； 是預熱空氣溫度之模型變數； 是對應於預熱空氣溫度之模型參數。

是以，多個模型參數 分別對應於在步驟S012所選擇的「助燃空氣流量」、「熱交換器入口溫度」、「排氣溫度」、「預熱空氣溫度」等四個項目。故根據該多個模型變數和該多個模型參數建立一熱交換器熱傳導係數模型，該熱交換器熱傳導係數模型係表示為第(4)式模型，以利用該熱交換器熱傳導係數模型進行該燃燒器的診斷。

本發明診斷系統的主機41儲存有該熱交換器熱傳導係數模型的程式資料以供執行。請配合參考圖4與圖7，工業加熱爐開始運轉時，該主機41透過該信號模組40讀取多個項目的量測數據並實施本發明診斷方法，在每一爐次的持溫階段，該診斷方法包含以下步驟：

步驟S11：讀取該燃燒器10之熱交換器14的複數項目的實際量測數據，其中，該主機41可透過該信號模組40讀取多個項目的量測數據。本實施例中，該主機41讀取的項目至少包含該助燃空氣流量、該熱交換器入口溫度、該預熱空氣溫度與該排氣溫度。

步驟S12：將所述實際量測數據帶入該熱交換器熱傳導係數模型，得到一熱交換器熱傳導係數。本實施例中，是將該助燃空氣流量、該熱交換器入口溫度、該預熱空氣溫度與該排氣溫度的實際量測數據帶入該熱交換器熱傳導係數模型，也就是說，將該助燃空氣流量、該熱交換器入口溫度、該預熱空氣溫度與該排氣溫度的實際量測數據分別代入第(4)式模型的模型變數 ，並得到該熱交換器熱傳導係數 。

步驟S13：判斷該熱交換器熱傳導係數 是否小於一第一門檻值 ，該第一門檻值 為一可調整預設值，舉例來說，該第一門檻值 的意義可對應於一全新熱交換器出廠時之一最佳熱交換效率的95%，一般而言，從該全新熱交換器所測得的該預熱空氣溫度與該熱交換器入口溫度的比值可作為該最佳熱交換效率。當該主機41判斷為 ，代表該熱交換器14的熱交換效率是可接受的、仍有一定水準，則該主機41可輸出一正常提示資訊，例如該主機41可控制一顯示器80顯示一綠燈燈號作為該正常提示資訊，該顯示器80例如可為液晶顯示器或警示燈柱。當該主機41判斷為 ，代表該熱交換器14的熱交換效率已降低到需要注意的狀態，並進入如下步驟S14。

步驟S14：判斷一單位能源消耗 (參考單位： )是否大於一第二門檻值 ，第二門檻值 為一可調整預設值，其中該主機41本身已可記錄該燃燒器10的一燃料累計用量(參考單位：立方公尺，m ³)、該爐體20的一生產裝載重量(參考單位：公斤，kg)以及該燃燒器10的一累計運作時間(參考單位：分鐘，min)，故該主機41可基於該燃料累計用量、該生產裝載重量與該累計運作時間等資訊，將該燃料累計用量除以該生產裝載重量，再除以該累計運作時間，以得到該單位能源消耗，故該單位能源消耗 的定義可表示如下第(5)式。

(5)

本發明的實施例中，該主機41可根據對應於該持溫階段T2的該燃料累計用量、該生產裝載重量與該累計運作時間進行計算，以得到對應於該持溫階段T2的該單位能源消耗 。

當該主機41判斷為 ，代表該熱交換器14的熱交換效率已降低到需要注意的狀態，則該主機41可輸出一注意資訊，例如該主機41可控制該顯示器80顯示一黃燈燈號作為該注意資訊，以提醒工作人員注意該燃燒器10的運作狀態。當該主機41判斷為 ，代表該熱交換器14的熱交換效率過低，該熱交換器14可能已經累積較多的灰塵污垢或有較多的腐蝕破損，則該主機41可輸出一警示資訊，例如該主機41可控制該顯示器80顯示一紅燈燈號作為該警示資訊，以警示工作人員需要安排將該燃燒器10停機檢修，對該熱交換器14進行除垢除鏽之保養，或更換新的熱交換器14，以確保該燃燒器10之熱交換效率維持在一定水準。

綜上所述，本發明具有以下功效：

1、因為該熱交換器14位於該燃燒器10內部，故該熱交換器14的積垢或腐蝕破損狀態不易檢查，本發明透過該熱交換器熱傳導係數模型，不須對該燃燒器10停機，就可以量化推估該熱交換器14的即時性能變化，有效率地對該燃燒器10的運作進行線上診斷。

2、本發明建立該熱交換器熱傳導係數模型的過程中，已經驗證該熱交換器電腦輔助工程模型的熱傳導特性相當於實際的該熱交換器14的熱傳導特性，故基於該熱交換器電腦輔助工程模型而使用的模擬操作數據和模擬量測數據是可信賴的，不需要累積相當長時間的操作時數來讀取、收集熱傳係數建模所需之感測器實際量測數據，因此本發明可以在較短的時間內讀取、收集到建模所需數據。

10:燃燒器 11:底座 12:內管 120:燃料管 13:外管 14:熱交換器 140:鰭片 141:助燃空氣流道 142:煙氣流道 15:燃燒器安裝開口 16:噴嘴 170:進氣管路 171:進氣鼓風機 172:排氣管路 173:排氣鼓風機 20:爐體 30:燃料源 40:信號模組 41:主機 410:熱交換器熱傳導係數模型 50:流量計 61:第一溫度計 62:第二溫度計 63:第三溫度計 64:第四溫度計 71:第一氣壓計 72:第二氣壓計 73:第三氣壓計 80:顯示器 T1:升溫階段 T2:持溫階段 T3:降溫階段

圖1：本發明中，燃燒器與爐體的連接示意圖。 圖2：本發明中，內管、熱交換器與外管的剖面示意圖(一)。 圖3：本發明中，內管、熱交換器與外管的剖面示意圖(二)。 圖4：本發明診斷系統的方塊示意圖。 圖5：本發明燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法的流程圖。 圖6A與圖6B：本發明中，各感測器的實際量測數據波形圖。 圖7：本發明診斷方法的流程圖。

Claims (10)

1. 一種燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法，於電腦實施，該燃燒器安裝於一爐體，該燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法包含： 讀取該燃燒器之一熱交換器於複數爐次之複數項目的實際量測數據； 基於該複數爐次之該複數項目的實際量測數據進行統計迴歸，以從該複數項目中選擇多個項目，並將被選擇的該多個項目定義為多個模型變數； 電腦輔助建立該熱交換器之熱交換分析的一熱交換器電腦輔助工程模型，使該熱交換器電腦輔助工程模型的熱傳導特性對應於該熱交換器的熱傳導特性； 建立模擬操作數據至該熱交換器電腦輔助工程模型，該熱交換器電腦輔助工程模型對應輸出模擬量測數據；其中，所述模擬操作數據和所述模擬量測數據用以模擬該熱交換器的熱交換效率衰減狀態； 基於所述模擬操作數據和所述模擬量測數據進行統計迴歸，以定義多個模型參數；以及 根據該多個模型變數和該多個模型參數建立一熱交換器熱傳導係數模型，以利用該熱交換器熱傳導係數模型進行該燃燒器的診斷。
2. 如請求項1所述之燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法，其中，該熱交換器熱傳導係數模型表示如下： 其中， 是熱傳導係數的預測值； 是截距項； 是一助燃空氣流量之模型變數，該助燃空氣流量意指進入該燃燒器的一助燃空氣的流量； 是對應於該助燃空氣流量之模型參數； 是一熱交換器入口溫度之模型變數，該熱交換器入口溫度意指排入該燃燒器的一煙氣的溫度； 是對應於該熱交換器入口溫度之模型參數； 是一排氣溫度之模型變數，該排氣溫度意指排出該燃燒器的該煙氣的溫度； 是對應於該排氣溫度之模型參數； 是一預熱空氣溫度之模型變數，該預熱空氣溫度意指該助燃空氣預熱後的溫度； 是對應於該預熱空氣溫度之模型參數。
3. 如請求項1所述之燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法，其中，於基於該複數爐次之該複數項目的實際量測數據進行統計迴歸的步驟中，所述統計迴歸是多元線性迴歸，以各該項目作為解釋變數，以熱傳導係數作為反應變數。
4. 如請求項1所述之燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法，其中，於基於所述模擬操作數據和所述模擬量測數據進行統計迴歸的步驟中，所述統計迴歸是多元線性迴歸。
5. 一種燃燒器診斷方法，於一主機實施，該燃燒器安裝於一爐體，該燃燒器診斷方法包含： 讀取該燃燒器之一熱交換器的複數項目的實際量測數據； 將所述實際量測數據帶入如請求項1至4中任一項所述燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法所建立的熱交換器熱傳導係數模型，而得到一熱交換器熱傳導係數； 判斷該熱交換器熱傳導係數是否小於一第一門檻值； 當判斷該熱交換器熱傳導係數小於該第一門檻值，進一步判斷一單位能源消耗是否大於一第二門檻值，其中該主機將該燃燒器的一燃料累計用量除以該爐體的一生產裝載重量，再除以該燃燒器的一累計運作時間，以得到該單位能源消耗； 當判斷該單位能源消耗大於該第二門檻值，輸出一警示資訊。
6. 如請求項5所述之燃燒器診斷方法，當該主機判斷該單位能源消耗小於該第二門檻值，輸出一注意資訊。
7. 如請求項5所述之燃燒器診斷方法，其中，該主機讀取該燃燒器之該熱交換器在一持溫階段的所述實際量測數據，且該主機根據對應於該持溫階段的該燃料累計用量、該生產裝載重量與該累計運作時間進行計算以得到該單位能源消耗。
8. 一種燃燒器診斷系統，應用於一燃燒器，該燃燒器安裝於一爐體，該燃燒器診斷系統包含： 至少一流量計，設置於該燃燒器的一進氣管路； 複數溫度計，分別設置於該燃燒器之一助燃空氣流道之出口處、該燃燒器之一煙氣流道之入口處、該燃燒器之該煙氣流道之出口處、以及該爐體； 複數氣壓計，分別設置於該進氣管路、該爐體、以及該燃燒器的一排氣管路； 一信號模組，電性連接該至少一流量計、該複數溫度計與該複數氣壓計，以接收對應於複數爐次之複數項目的實際量測數據； 一主機，電性連接該信號模組以接收該信號模組傳送的所述實際量測數據，並據以實施如請求項1至4中任一項所述燃燒器之熱交換器熱傳導係數模型的建立方法，以建立一熱交換器熱傳導係數模型，利用該熱交換器熱傳導係數模型進行該燃燒器的診斷。
9. 如請求項8所述之燃燒器診斷系統，其中，該主機透過該信號模組讀取複數項目的實際量測數據，並將所述實際量測數據帶入該熱交換器熱傳導係數模型，而得到一熱交換器熱傳導係數； 該主機判斷該熱交換器熱傳導係數是否小於一第一門檻值；當判斷該熱交換器熱傳導係數小於該第一門檻值，該主機進一步判斷一單位能源消耗是否大於一第二門檻值，其中該主機將該燃燒器的一燃料累計用量除以該爐體的一生產裝載重量，再除以該燃燒器的一累計運作時間，以得到該單位能源消耗； 當該主機判斷該單位能源消耗小於該第二門檻值，輸出一注意資訊；當判斷該單位能源消耗大於該第二門檻值，該主機輸出一警示資訊。
10. 如請求項9所述之燃燒器診斷系統，其中，該主機透過該信號模組讀取該燃燒器之一熱交換器在一持溫階段的所述實際量測數據，且該主機根據對應於該持溫階段的該燃料累計用量、該生產裝載重量與該累計運作時間進行計算以得到對應於該持溫階段的該單位能源消耗。