（信号与信息处理专业论文）石油输送加热炉的火焰探测器设计.pdf

学位论文的主要创新点 论文针对以天然气为燃料、采用直接加热方式的加热炉，设计了 一种通过检测频率范围确定火焰燃烧状态的数字火探器。该火探器具 有检测频带宽、有效测量距离长的特点，确保石油输送加热炉安全可 靠的工作。 摘要 随着工业生产的日趋扩大，加热炉的使用也越来越广泛。在石油领域，将原 油从油田输送到各地的过程中，需要通过加热输送的方法提供给原油热能和动 能，防止在此过程中输油管内原油发生的凝结、结蜡等现象，最大限度的减少损 耗。因此，在石油输送系统中，加热炉的应用十分重要。在加热炉诸多因素的考 虑上，其安全性能尤为重要，能否正确检测出加热炉炉膛内火焰的燃烧情况，直 接影响着加热炉的安全使用。因此，系统需在石油输送加热炉的平台上，建立加 热炉火焰探测器，通过对加热炉内燃烧的火焰进行实时监测，进而控制加热炉的 燃料供应装置，使得在加热炉内灭火时停止燃料供应，防止可燃物堆积引发爆炸， 确保加热炉内的安全。 本课题针对石油输送加热炉中的火焰探测器进行了研究与设计。论文对以天 然气作为燃料，采用直接加热方式的加热炉进行了分析，得到加热炉打火火焰和 正常燃烧火焰紫外线辐射强度。提出了基于a t 8 9 s 5 2 单片机进行火焰探测的数 字火探器设计方案。该方案利用紫外线传感器对火焰辐射出的能量及电磁波进行 探测，将光信号转换为便于检测的电信号，并将信号进行调理后，输入a 1 、8 9 s 5 2 单片机，单片机对信号进行分析与处理，依据打火和正常燃烧的不同情况，对加 热炉打火状况与燃烧状况做出了判决，为加热炉正常、安全工作提供依据。火焰 探测器能够实现对打火器火嘴、加热炉炉膛内部实时监测与控制。 论文基于石油输送加热炉，设计了火焰探测器，制作了硬件、编写了软件。 在此基础上对火探器的检测范围、检测距离等性能指标进行了实验室测试。测试 结果表明，火探器探测火焰可靠频带在0 一l k h z ，精确度控制在0 0 1 ，信号有 效检测距离为0 2 3 c m ，符合系统的设计要求并具有稳定的性能，能够对火焰的 燃烧情况进行准确检测，在正常燃烧时控制输出，在灭火时及时报警。 关键词：加热炉；火焰探测器；紫外线传感器；紫外光辐射强度 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ge x p a n s i o no fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , t h eu s a g eo ff i ef u m a c e i sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e i nt h ep r o c e s so ft h et r a n s m i to ft h eo i lf r o mt h eo i lf i e l d t ot h eo t h e rp l a c e ，h e a tu pt h eo i li sn e e d e dt og a i nt h eh e a te n e r g ya n dt h ek i n e t i c e n e r g ya n dt op r e v e n tt h eo i lc o a g u l a t e s ot h ef i r ef u r n a c ei sw i d e l yu s e di nt h eo i l t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h es e c u r i t yi st h em o s ti m p o r t a n tf a c t e ra m o n gg r e a tm a n y c h a r a c t e r so ft h ef i r ef u r n a c e s o ，t ob u i l daf i ed e t e c t o rs y s t e mi ni ti sn e e d e d t h e s y s t e mi n s p e c tt h ef i r et oc o n t r o lt h es u p p l yo f t h ef u e l w h e nt h ef i r ec r u s ho u t , t h e s y s t e ms t o pt op r o v i d et h ef u e li no r d e rt op r e v e n tt h ea c c u m u l a t eo f i ta n dt oe n s u r e t h es e c u r i t yo f t h ef i ef u r n a c e t h ed e s i g na n dr e s e a r c hi sd e a da g a i n s tt h ef i r ed e t e c t o ro ft h ef i ef u r n a c e t h e t h e s i su s e sg a sa sf u e la n dt a k e sd i r e c th e a t i n gm e t h o d i tg e t st h eu vr a d i a t i o n i n t e n s i t ys i g n a lo fi g n i t i o nf l a m ea n dt h en o r m a lf l a m e ，w h i c hi sb a s e do nt h ea n a l y s i s o ft h ef u e la n dt h eh e a t i n gm e t h o d t h i st h e s i sd e s i g n st h es c h e m eo fd i g i t a lf i r e d e t e c t o rw h i c hi sb a s e do nt h ea t 8 9 s 5 2m i c r o c o n t r o l l e r t h es c h e m et a k e st h eu v s e n s o r st od e t e c tt h er a d i a t i o ne n e r g ya n de l e c t r o m a g n e t i co ft h ef l a m e ，c h a n g e st h e e n e r g ys i g n a lt ot h ef r e q u e n c ys i g n a l ，a n dt h e ns e n d si tt oa t 8 9 s 5 2 a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i sa n dd i s p o s e ，t h ef i r ed e t e c t o rm a k et h ej u d g e m e n to ft h ef l a m ec o m b u s t i o n a n dg i v et h ec o r r e c to u t p u t t h ef i r ed e t e c t o re n s u r et h es e c u r i t yo ft h ef i r ef u r n a c e t h ed e s i g no f t h ef i ed e t e c t o ri sd e a da g a i n s tt h eo i lt r a n s m i s s i o n a n dt h i st h e s i s d e s i g n e st h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r e ，a n dm a k e st h el a b o r a t o r yt e s t so f t h e f r e q u e n c yr a n g ea n dt h ed e t e c td i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h et e s t , t h ef r e q u e n c yr a n g eo f t h ef i r ed e t e c t o ri s0 l k h z ，a n dt h ed e f i n i t i o ni si nt h er a n g eo f0 01 ，t h e e f f e c t i v ed e t e c t i o nr a n g ei si nt h er a n g eo f0 2 3 c m t h et e s tr e s u l t ss h o w st h a tt h e d e s i g nm e e t sf u n c t i o nr e q u i r e m e n to fs y s t e ma n dh a ss t a b l ep e r f o r m a n c e t h ef i e d e t e c t o rc a l ld e t e c tt h ef l a m ea c c u r a t e l y , a n dg i v et h ec o r r e c to u t p u ta n dw a r ni nt i m e k e y w o r d s ：f i r ef u r n a c e ，f i r ed e t e c t o r , u l t r a v i o l e ts e n s o r s ，u v r a d i a t i o ni n t e n s i t y 目录 第一章绪论1 1 1 石油输送加热炉火焰探测器的研究背景l 1 1 1 加热炉的应用状况1 1 1 2 加热炉火焰探测器的应用前景2 1 2 加热炉火焰探测技术研究现状3 1 2 1 我国加热炉火焰探测器研究进展3 1 2 2 国外加热炉火焰探测器研究现状4 l - 3 本文研究的意义和主要工作5 1 3 1 选题目的与意义5 1 3 2 火焰探测器设计要求5 1 3 3 火焰探测器研究主要内容6 1 3 4 火焰探测器设计的主要工作任务6 第二章石油输送加热炉火焰探测器总体设计方案7 2 1 输油管道加热设施概述7 2 1 1 输油管道加热炉7 2 1 2 输油管道加热炉燃烧器8 2 2 加热炉火焰探测器检测器总体设计方案9 2 2 1 火焰探测器的选型9 2 2 2 火焰检测原理及原器件选择l o 2 2 3 紫外线传感器检测方案1 2 2 3 加热炉火焰探测器控制器总体设计方案1 2 2 3 1 控制器设计方案1 2 2 3 2 系统通信设计方案1 3 2 4 石油输送加热炉火焰探测器方案的确定1 3 2 5 本章小结l5 第三章石油输送加热炉火焰探测器硬件设计1 7 3 1 火焰探测器系统整体结构设计：1 7 3 2 火焰光信号接收电路的设计1 7 3 2 1 紫外线传感器结构与性能1 7 3 2 2 紫外线传感器的前级电路结构2 0 3 2 3 紫外线传感器输出电路结构2 3 3 3 火焰探测器控制电路的设计2 4 3 3 1 微机最小系统设计2 5 3 3 2 火焰探测器硬件看门狗电路2 8 3 3 3 火焰探测器调试电路结构3l 3 3 4 火焰探测器参数设置电路。3 3 3 3 5 控制输出电路设计3 4 3 4 本章小结3 6 第四章石油输送加热炉火焰探测器软件设计3 7 4 1 火焰探测器的整体软件构架3 7 4 2 火焰探测器各组成部分软件设计4 0 4 2 1 火焰脉冲信号采集部分软件4 0 4 2 2 火焰探测器看门狗复位软件。4 l 4 2 3 火焰探测器调试部分软件4 4 4 2 4 火焰探测器参数设置软件4 7 4 3 本章小节4 8 第五章火焰探测器抗干扰设计4 9 5 1 火焰探测器干扰源分析4 9 5 2 火焰探测器的硬件抗干扰设计5 0 5 3 火焰探测器的软件抗干扰设计5 0 5 4 本章小结5l 第六章加热炉火焰探测器实验研究5 3 6 1 实验方案5 3 6 1 1 实验目的5 3 6 1 2 实验设备5 3 6 1 3 实验方案5 4 6 2 实验操作与结果分析5 5 6 2 1 火焰探测器各模块的测试与结果分析。5 5 6 2 2 火焰探测器工作频段测试与结果分析5 6 6 2 3 火焰探测器工作距离测试与结果分析。6 0 第七章总结与展望6 3 7 1 论文主要工作6 3 7 2 工作展望6 3 参考文献6 5 发表论文和参加科研情况。6 7 附录6 9 致 射7 l h i i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 石油输送加热炉火焰探测器的研究背景 1 1 1 加热炉的应用状况 加热炉应用范围广泛，其应用领域包括大型发电机、石化动力站点、冶金化 工、城市供热、工艺加工以及废气燃烧等。在油田领域中，加热炉的应用也是必 不可少的。在传输石油的过程中，由于温度原因，原油可能在输油管中结蜡、凝 结。解决这一问题的主要方法就是对原油加热，使原油的温度保持在凝结点以上， 给原油动能和热能。 目前市场上的加热炉主要分为燃气加热炉、燃煤加热炉、燃油加热炉以及混 合加热炉等。针对油田领域这一具体情况，由于很多油田不仅产油，同时也伴随 有天然气的开采，故采用燃气式加热炉加热原油是既节能又环保的选择，同时由 于燃气自给自足，可以给企业带来更好的经济效益。由于我国油气田较多，其具 体分布如图1 1 所示。选择燃气加热炉作为研究对象具有很广泛的应用价值。 烹槛酏油睦 吐略油田 鼍 鳖订油墨 髯潍油鬻 彭 撇田牟取0 制罗 琰靶油田卓啊渣越j 图1 1 中国油气田分布图 采拜麓田 毋赡本 ， 羹矧 。 带、磐 天津工业大学硕士学位论文 。 ， 。 1 1 2 加热炉火焰探测器的应用前景 无论对于哪一种类型的加热炉，确保其安全高效的运行都是首要关注的内 容。其中，以加热炉的安全性能为重要检测点。在加热炉中，燃料的燃烧情况呈 现复杂多变的情形，由于受多种因素影响，加热炉在运行过程中可能产生灭火等 现象，在最恶劣的条件下可能引发加热炉的爆炸。因此，正确检测加热炉内的有 效参数，对加热炉平稳安全运行十分重要。此外，要保证加热炉内火焰燃烧的高 效性，也必须通过对加热炉内火焰燃烧的有效参数进行检测分析。通过查阅相关 资料，传统的温度测量方法分为有参考点和无参考点两种测温法，有参考点测温 法需使用高温热电偶与被测点进行接触，不能满足加热炉内复杂多变的情形以及 无需接触进行测量的检测环境n 1 ，无参考点测温法多使用比色测温法，此方法无 需接触，但测量精度不高乜射。而通过对燃烧着的火焰进行观测是最直接的获取 火焰燃烧状况信息的方法，通过观测获取火焰的信息，如火焰的亮度信息，火焰 闪烁频率信息等，迅速判断加热炉内燃烧状况，维持炉内稳定的燃烧的方法更安 全可靠h 1 。故本设计采用全炉膛火焰检测的方法，对加热炉炉膛以及打火器火嘴 的火焰燃烧情况进行实时的检测分析。 本设计针对燃气加热炉，检测加热炉内的灭火情况，当火焰已经熄灭时，须 立即停止燃气的供应，否则由于大量可燃性气体在加热炉炉膛内的堆积而引起爆 炸。因此，为使燃气加热炉安全平稳的运行，避免在各种复杂多变的炉膛内部情 况下引发爆炸，必须对燃气加热炉内的火焰燃烧情况进行实时监测，控制系统燃 气供给装置，在异常情况发生时，停止供应燃气，确保加热炉的安全有效运行。 燃料加热炉燃烧过程中，声能、热能以及电磁波等形式的能量被大量的辐射 出来，可以通过对这些能量的检测，反映加热炉内火焰的燃烧情况隋1 。本设计依 据燃烧学理论知识，利用不同的物质燃烧时所辐射出的光谱分布不同的原理，如 燃煤火焰辐射出大量的红外线、可见光以及极少量的紫外线；而燃油火焰则辐射 出部分可见光、少量的红外线以及大量的紫外线；燃气火焰则辐射出大量丰富的 紫外线以及极少的红外线、可见光。本设计针对石油领域燃气加热炉的具体情况， 选择天然气燃烧时所辐射出的紫外线作为检测对象。 除此之外，加热炉炉膛内火焰在不同的燃烧情况下所辐射出的能量强度也是 不同的。在熄火状态下所辐射出的能量强度很小；在不稳定燃烧时呈现很大的波 动幅度，且辐射出的能量强度也相对较小；在稳定燃烧情况下辐射出大量的能量。 根据上述火焰燃烧的一系列特征，可以针对火焰辐射出的能量强度进行检测，以 确保加热炉的安全运行。 正是由于加热炉火探器在安全生产中起着十分关键的作用，故其具有极其广 泛的市场空间与很好的应用前景。 第一章绪论 1 2 加热炉火焰探测技术研究现状 由于火焰探测系统在加热炉系统中起着十分重要的作用，故它广泛应用于工 业领域。但由于不同生产过程中所使用的燃料不同，致使在不同的加热炉燃料燃 烧情况下所需要的火焰探测系统不尽相同。 目前，火焰监测系统的种类繁多，如采用红外光敏元件为检测工具，使用 r s 4 8 5 进行通讯，应用于2 5 8 0 0 兆瓦机组中的智能型火焰检测装置晦1 ；采用 d l e 6 0 3i g 红外线传感器与d u g 6 6 0 控制单元组成的应用于6 6 0 罗e 瓦机组的火检 系统盯1 ；使用火焰检测装置u r 6 0 02 0 0 0 i r e f a 和双放大器智能单元m f d 组成的 u v i s o r 智能火检系统陋1 ；9 0 年代后期开发的采用数字式的电脑火焰监测系统阳1 ： 基于火焰图像的数字处理的火焰监测系统等n 训。 1 2 1 我国加热炉火焰探测器研究进展 我国自主研发、制造的火焰检测器，从老式的金属探极型火探器过渡到光电 火探器以及火焰图像监测系统，历经几十年。各种火探器及其应用现状如表1 1 所示。 表1 1 火探器发展变化及应用现状表 火探器种类应用现状 金属探极型火探器燃气炉具的探测，应用受限 光电探测器选型随被检对象变化，应用广泛 图像监测火探器 适用于炉内燃烧条件复杂的环境 早期的火探器，即金属探极型火焰检测器。利用火焰燃烧时具有导电性，将 耐高温的金属探极放置于燃烧火焰的上方，当燃气从打火器火嘴喷出被点燃时， 会产生高温致使空气电离，在金属探极与火嘴之间分别加正、反两方向电压，产 生类似于二极管的单向导电性。即当加正电压时，产生电流，而当加负电压时， 没有电流产生。当燃气未被点燃，则在金属探极与火嘴之间无论加何种形式的电 压，都不会有电流产生。利用火焰燃烧时的这一特性，监测炉内火焰的燃烧情况。 这种火焰监测装置研制的较早，但由于其工作时要将其置于燃烧火焰的上方，直 接接触火焰，并且长期置于高温环境下，故对金属探极的要求极高，一般只应用 于燃气炉具的探测，故应用领域受到极大的限制哺1 。 光电火焰检测器，顾名思义是指通过检测装置将火焰燃烧时释放的光能经过 处理转换成易为处理的电能，通过分析接收到的电信号，与预先设定好的数值进 天津工业大学硕士学位论文 ， 行比较从而得知火焰燃烧情况。光电火焰检测器应用较为广泛，但由于不同加热 炉使用燃料不同，所释放出光谱分布具有很大的差异性，如燃煤火焰辐射出丰富 的可见光，燃油火焰辐射出的红外线较丰富，而燃气火焰辐射的紫外线较为丰富。 针对所检测的光信号的不同，使用的传感器也不尽相同。 利用数字化的方法采集并处理图像是较新的技术，基于数字图像处理技术的 火焰监测系统提取火焰图像中的监视信息，描述加热炉内火焰的辐射水平。这种 方法多采用计算机与图像采集卡的联合使用，充分发挥计算机的强大处理功能并 且具有直观、形象的优点。 虽然我国自主研发火焰检测器已有几十年的历史，但其研制水平较国外还略 显不足，目前，我国各个大型机组中所使用的火焰监测装置多为国外产品，国内 火焰监测装置所申请的专利也很少，国内生产的火焰监测装置多具有稳定性差， 功能不全，元器件使用时间较短等缺点。 1 2 2 国外加热炉火焰探测器研究现状 国外研制的加热炉火探器及其特点如表1 2 所示。 表1 - 2 国外火探器及其优缺点 火探器种类优缺点 德国d u - r a g 公司生产的火探器 稳定性差 美国b a i l e y 公司生产的u w 4 9 9 3 火探器 对燃料要求高 美国a b b 公司生产的u v i s o r 火探器应用范围广 英国b a b c o c k 公司生产的火探器适用于煤、油火焰监测 利用图像处理技术的火探器 价格昂贵 其中，德国d u r a g 公司生产的火焰监测装置，在检测过程中存在稳定性 差以及“漏看”、“偷看”等问题，并且当煤种产地变化或是机组负荷有所改变时， 火检信号具有较大的波动，工作人员必须进行反复的调整，其使用复杂且效果不 理想h 1 。美国b a i l e y 公司生产制造的u w 4 9 9 3 系列火检装置，该套设备也会因煤 质的好坏影响检测精度，故对燃料的要求很高，在实际应用中具有很大的缺陷。 美国a b b 公司生产的u v i s o r 智能化火探器，可针对不同的火焰提供相应的火 焰监测系统探头u 。英国b a b c o c k 公司生产的炉膛煤火焰和油火焰检测系统， 在实际应用中较为理想，但其只能针对煤和油两种燃料进行检测。利用数字图像 处理技术的火焰监测系统中，结合多媒体计算机与火焰电视，依赖模式识别、人 工智能等新兴理论的发展，使得基于数字图像处理技术的火焰监测装置价格昂 第一章绪论 _。 ， 贵，使应用领域公司难以承受。同时由于国外对火焰监测装置进行技术封锁，购 买国外的火焰监测装置务必将影响生产成本的浮动，减小利润空间。 从燃料选择角度上看，国外使用燃油较多，且在发达国家多使用核电，国内 则大部分使用燃煤系统，在对使用其他燃料的检测上相对落后n 别，本设计针对燃 气火焰进行检测，对燃气加热炉的安全监测具有一定的针对性。 综上所述，研制设计稳定性好、适用于燃气加热炉且价格相对低廉的火焰监 测装置具有很好的实际意义。 1 3 本文研究的意义和主要工作 1 3 1 选题目的与意义 加热炉火焰监测系统在众多大型的工业生产中起着至关重要的作用，由于加 热炉内燃料情况复杂多变，及时发现加热炉炉膛内的火焰燃烧和熄灭情况，控制 燃料供给装置的开启与关闭，保障加热炉内安全燃烧，避免爆炸事故产生，符合 现代安全生产的要求。 石油输送加热炉火探器应用于原油从油田输送至各个油井的过程中，探测用 于给原油提供动能和热能的加热炉内火焰燃烧情况，确保及时判断加热炉内火焰 状况，控制燃料供给装置，避免爆炸等安全隐患。 利用加热炉内燃料燃烧过程中辐射出的光能对加热炉内火焰状况进行监测 的方法具有广泛的应用前景，紫外线作为燃气装置中辐射较为丰富的波段，对其 进行检测具有很好的针对性，采用针对紫外线辐射强度进行测量的方法可靠性 高，适用范围较宽n 引。故选题具有很好的应用价值与意义。 1 3 2 火焰探测器设计要求 火焰探测器工作于石油加热的系统环境下，故其设计需满足一定的工业设计 要求。具体要求如下所述。 1 火焰探测器针对火焰燃烧时所释放出的紫外线光波强度信号进行检测， 反映到检测电路中来是对所采集到的电压脉冲信号进行分析、计算，故所设计的 火焰探测器在工作时需要满足一定的频率范围，即1 h z l o k h z 。标准误差控制 在0 0 1 之内。最大检测距离需满足2 0 c m 。 2 火焰探测器运行过程中，当火焰熄灭时，需进行及时报警。 3 由于火焰探测器工作于石油输送加热炉中，故对火焰探测器的抗干扰性 能有一定的要求。要求火焰探测器在非正常工作环境下，能够给后续电路准确的 天津工业大学硕士学位论文 。， -，-， t_，+， ， 控制，确保加热炉安全运行。 1 3 3 火焰探测器研究主要内容 本课题研究的石油输送加热炉火焰探测器时刻监测加热炉内火焰燃烧状况。 针对火焰探测器分别从打火器火嘴部分，以及加热炉炉膛内部采集到的火焰燃烧 情况信号进行运算处理，反馈于点火装置以及燃气供给装置，控制点火与送气的 合理搭配，进行安全生产。系统的火焰探测共分为两路：一路针对打火器火嘴进 行探测，在加热炉内，当探测到打火器火嘴部分产生的强度信号为熄灭状况时， 控制打火器进行点火操作，当探测到打火成功后才开始控制燃气控制装置慢慢送 入天然气，确保加热炉的安全运行，并控制打火器停止点火。另路针对加热炉 炉膛内部的火焰燃烧情况进行实时探测，加热炉炉膛内部火焰燃烧分为以下三种 情况：灭火，火焰燃烧不稳定与火焰燃烧稳定持续。对于三种不同的情况分别给 予不同的输出控制。当检测到加热炉炉膛内部火焰熄灭时，输出控制信号，控制 打火器重新点火，同时发出报警信号，用以通知操作人员，自动控制与人工操作 相结合，使生产过程更加安全。当检测到加热炉炉膛内部有火焰，但燃烧不稳定 时，控制燃气输入，以便使燃烧更充分稳定。当检测到加热炉炉膛内部火焰燃烧 稳定旺盛时，通过输出控制燃气稳定供应。 1 3 4 火焰探测器设计的主要工作任务 课题在通过广泛查阅文献，对火焰探测器需求、研究现状进行掌握的基础上， 对元器件进行选型，并通过对传感器工作原理的分析，制定火焰探测器的检测对 象。在进行设计、制作的过程中主要分为以下几部分进行： 1 对石油输送加热炉及加热炉燃烧器进行选型设计。 2 对加热炉火焰探测器检测电路进行硬件设计与制作。 3 设计制作加热炉火焰探测器的控制电路，通过控制电路与p c 机进行通 信，完成实验室调试与测试。 4 基于加热炉火焰探测器的硬件设计，编写信号采集、参数设置与控制代 码，建立完整加热炉火焰探测器设计。 5 对火焰探测器整体进行测试与调试，完成实验室测试阶段工作。 第二章石油输送加热炉火焰探测器总体设计方案 第二章石油输送加热炉火焰探测器总体设计方案 在上一章节中，对石油输送加热炉火焰探测器的应用现状及前景进行了说 明，通过对国内外火焰探测器的研究，说明了研制燃气火焰探测器的意义，并在 此基础上，对火焰探测器需满足的设计要求以及技术指标等进行了说明。在本章 节中，将对火焰探测器进行整体的设计，并制定相应的设计方案，选取系统加热 设施以及所使用原器件。 2 1 输油管道加热设施概述 2 1 1 输油管道加热炉 加热炉作为远距离石油输送过程中重要的组成单元，使用其对从一个泵站点 打来的低温原油进行加热，升至一定温度后再将其输送至下一个泵站，以维持输 油过程的正常运行。目前市场上，应用于远距离传输的原油加热方式分为直接加 热方式和间接加热方式。直接加热方式指的是使原油直接经过加热炉，使之吸收 燃料在燃烧过程中所释放出的热能，一般使用直接加热炉作为直接加热设施。间 接加热方式是指使原油通过饱和水、饱和水蒸气或导热油等中间介质，吸收换热 器中的热能。一般使用锅炉或者热煤炉作为输油管道间接加热的设备n 引。 图2 1 卧式圆筒管式加热炉基本结构形式 嘴 本设计所采用的加热方式为直接加热方式，使用设备为直接加热炉。所使用 的燃料为油田本身所能产生的天然气，既节能又环保。 天津工业大学硕士学位论文 。 ， 远距离传输管道加热炉的类型一般分为三种，即：立式圆筒管式加热炉，卧 式异型管式加热炉和卧式圆筒管式加热炉n 副。本设计采用卧式圆筒管式加热炉， 其基本结构形式如图2 1 所示。 卧式圆筒管式加热炉的组成部分分为：烟囱、对流室、辐射室和燃烧系统等。 对流室采用立式布局，方形结构，其上为烟囱，在对流室的正前方放置辐射室， 辐射室采用卧式分布的圆筒结构，具有燃烧室的功能，其内炉壁采用钢板结构和 耐火隔衬里。辐射室的前面中间部分是燃烧器。 辐射室即为加热炉的炉膛，燃料在辐射室内进行燃烧。位于炉膛壁面的炉管 在辐射室内吸收火焰燃烧辐射的能量，炉膛壁面的炉管被称为辐射管，它们直接 接受火焰辐射出的热量。辐射管接收燃料燃烧过程中产生的火焰所辐射出的热 量，由于原油在辐射管中进行传输，故通过对辐射管加热可以达到加热石油的目 的。由于辐射室内通过火焰辐射进行加热升温，辐射管长期处于高温环境中，且 直接接受火焰的冲刷，所以在选材的过程中，必须选取强度高且耐热性好的材料 作为辐射管。系统的主要热交换在辐射室内进行，它担负了7 0 一8 0 的全炉热 负荷，其作用尤为重要。 辐射室产生的烟气进入对流室，在对流室内进行对流换热，同时在对流室内 也伴随有一定的辐射热交换产生，对流室在对流传热中起着支配的作用，担负 2 0 - 3 0 的全炉热负荷。对流室置于辐射室的前面，对流室内部也有炉管整齐的 排列着，此部分的炉管被称为对流管。燃料在燃烧过程中辐射出的热气通过对流 的方式，将热气携带的热量传送给对流管，对流管再次将热量辐射给对流管中的 石油，再次达到升温的目的。 炉管排列在对流室和辐射室中，作为换热的媒介和原油的载体。原油通过吸 收辐射室内燃烧火焰所辐射出的热能以及在对流室内通过烟气的对流换热，进行 升温。由于炉管直接接触高温烟气或者燃烧火焰辐射，长期工作于高压高温环境 下，如果稍有损坏，将可能引起重大或在爆炸事故n 。 2 1 2 输油管道加热炉燃烧器 根据加热炉所选用的燃料不同，所选取的燃烧器不尽相同，目前市场上主要 有三种燃烧器：即燃气燃烧器，燃油燃烧器、油气两用燃烧器。燃油燃烧器的工 作原理是将燃料油雾化为超细油滴，然后使用高能点火器对其进行点燃操作，由 于燃油燃烧在气化状态下进行，故可以提高燃烧效率n 制。目前市场上微油燃烧器 与等离子燃烧器是应用较多的燃油燃烧器，两种技术在使用上，微油点火技术使 用更简单、运行更可靠u7 1 。在燃烧器的选型上，需根据具体的使用情况，根据选 取的燃料进行选择。在输油管道远距离传输的情况下，由于传输距离较远，燃料 第二章石油输送加热炉火焰探测器总体设计方案 ， 的供给状况需作为首要考虑因素，在此种情况下，大多采取使用传输的物质作为 燃料。当天然气或油田伴生气等气体燃料便于采集与使用的情况下，采用气体燃 料既节能又环保。当气体燃料不能保证远距离供应时，多采用将油气两种燃料共 同作为燃料供燃烧使用。本设计所使用的燃烧器为燃气燃烧器。 为保证系统安全、平稳、高效的运行，燃烧器应符合一定的工艺标准。燃烧 器所产生的能量应该足以满足输油过程中所要求的热负荷。在确定燃烧器数量 时，应该使所有燃烧器产生的总能量比加热炉所需要的总能量多2 0 2 5 ，这 样可以防止在个别燃烧器停止运行的情况下，由于燃烧器的减少而造成的炉内总 能量的供应不足。在燃烧器的布局上，应使得燃烧器产生的火焰稳定燃烧，且不 发生舔管现象。炉管与火焰的距离不应过于靠近，尽量使炉管受到均匀的加热。 这样不仅更有效地利用了燃烧所产生的热能，同时也可以延长炉管的使用寿命。 由于卧式圆筒管式加热炉的炉膛较大，因此圆柱形火焰燃烧器被选用较多，将燃 烧器在炉底或侧墙上集中布局。又因其炉膛较高，故多产生细长火焰的燃烧器作 为首选，般限制其火焰燃烧高度在炉膛高度的6 0 7 0 内n 引。 2 2 加热炉火焰探测器检测器总体设计方案 2 2 1 火焰探测器的选型 随着工业生产的日趋发展，大型加热炉的使用也越来越多，因此对于大型加 热炉的火灾报警与实时监测的需求也随之扩大。人们通过对燃烧的火焰所具有的 一些性质，如温度、光辐射等信号进行检测，判断火焰的燃烧与熄灭的状况，以 确保安全生产。使用火焰探测器对火焰的燃烧状况进行监测是长期以来的监测手 段，因此火焰探测器的发展状况对火焰监测技术的整体发展起着至关重要的作 用。我国的火焰探测器的研发经历了原始的金属探极型火探器、基于光电技术的 光电探测器以及基于图像处理技术的火焰图像检测系统等过程。 早期的火探器，即金属探极型火焰检测器。利用火焰燃烧时具有导电性，将 耐高温的金属探极放置于燃烧火焰的上方，当燃气从打火器火嘴喷出被点燃时， 会产生高温致使空气电离，在金属探极与火嘴之间分别加正、反两方向电压，产 生类似于二极管的单向导电性。即当加正电压时，产生电流，而当加负电压时， 没有电流产生。当燃气未被点燃，则在金属探极与火嘴之间无论加何种形式的电 压，都不会有电流产生。利用火焰燃烧时的这一特性，监测炉内火焰的燃烧情况。 这种火焰监测装置研制的较早，但由于其工作时要将其置于燃烧火焰的上方，直 接接触火焰，并且长期置于高温环境下，故对金属探极的要求极高，一般只应用 于燃气炉具的探测，故应用领域受到极大的限制n 引。 天津工业大学硕士学位论文 ，。， 。 随着火焰监测装置的应用日益广泛，金属探极型火焰检测器的局限性也随之 显现出来，故金属探极型火焰检测器逐渐被光电探测器所取代，光电探测器以光 电子学、精密仪器、计算机技术等为理论依托，将不易处理的非电信号量为容易 处理的电信号量，通过分析接收到的电信号，与预先设定好的数值进行比较从而 得知火焰燃烧情况。光电火焰检测器应用较为广泛，但由于不同加热炉使用燃料 不同，所释放出光谱分布具有很大的差异性，如燃煤火焰辐射出丰富的可见光， 燃油火焰辐射出的红外线较丰富，而燃气火焰辐射的紫外线较为丰富。针对所检 测的光信号的不同，使用的传感器也不尽相同。目前，使用最为广泛的光电传感 器分为紫外线传感器和红外线传感器。 随着计算机软件硬件技术的迅猛发展，利用数字化的方法采集并处理火焰图 像，从而对加热炉内情况进行监测成为新的研究方向。模式识别、人工智能等新 兴理论成为其理论依据。基于数字图像处理技术的火焰监测系统提取火焰图像中 的监视信息，描述加热炉内的辐射水平。这种方法多采用计算机与图像采集卡的 联合使用，充分发挥了计算机的强的计算能力，并且具有形象直观等优点，成为 目前的主流研究方向，适用于燃烧条件复杂的加热环境内。 综合考虑各方面的因素，针对石油输送加热炉的具体情况，选择研究较为成 熟，且价格相对便宜的光电探测器对加热炉炉膛内的火焰状况进行跟踪分析。 2 2 2 火焰检测原理及原器件选择 燃料在燃烧的过程中，往往伴随有“火 的出现，燃烧即燃料与氧化剂发生 化学反映中发光发热的过程。发光发热的过程在火焰燃烧中表现为辐射和热现 象。火焰燃烧过程中也伴随有一系列的特征参数的变化，如火焰波长、平均强度、 闪烁频率等的变化n 引。火焰检测即根据火焰燃烧过程中对特征参数进行提取、分 析，从而获知火焰的燃烧情况。火焰辐射多分为热辐射、化学光辐射与炙热碳粒 和固体颗粒的辐射三部分。其中，热辐射指化学性能稳定的燃烧产物所处的光谱 带，如碳氢化合物等，其中，光谱带最强的为红外光谱带，其波长处于0 7 , w n 到 0 1 m m 之间。化学光辐射指在发生化学反应过程中所产生的辐射。燃烧过程中产 生的固体颗粒也发出相应连续光谱。 加热炉炉膛中燃料燃烧产生的火焰具有一定的特点：首先，火焰占据波长从 几十纳米到几千毫米范围的连续光谱，包含了紫外线光谱区，可见光光谱区和红 外线光谱区。其中，紫外线光谱区占据l o n m 3 8 0 n m 的光谱范围，可见光光谱 区占据3 8 0 n m 一7 0 0 n m 的光谱范围，红外线光谱区占据7 0 0 n m 以上的光谱范围。 火焰辐射出的光谱与强度的对应关系如图2 2 所示。 第二章石油输送加热炉火焰探测器总体设计方案 0 74 4 火焰占据诙长纠历 图2 2 火焰辐射光谱范围与强度示意图 由于使用不同燃料燃烧过程中向外辐射出的光谱含量分布具有很大的差异， 因此，在不同的燃料燃烧情况下，紫外线、可见光、红外线的可检测性不同堙。 例如：燃烧煤粉等颗粒状固体燃烧物时，会大量的辐射出红外线以及可见光和极 少的紫外线。以燃油作为燃烧物时，则会产生大量的紫外线，丰富的可见光和极 少量的紫外线。当燃气作为火焰燃烧的燃料时，产生大量的紫外线、少量的红外 线和可见光。不同燃料的火焰辐射出的光谱含量分布如表2 1 所示昭引。 表2 1 不同燃料产生的光谱含量分布 燃料紫外线可见光红外线 煤 少量大量大量 油 大量大量少量 气大量少量 少量 其次，燃烧处于不同的阶段时所辐射出的光强度与闪烁频度以及不同的燃料 在燃烧过程中所辐射出的光强度与闪烁频度不同，火焰辐射的光强度与闪烁频度 在燃烧的不同阶段呈现出不同状态，并成线性关系。并且其测量值与火焰根部距 离相关，距离越近，闪烁频率增大，相应的能量强度也增大。故可根据实际情况 选择测量位置。 物质燃烧时产生火焰的光辐射强度存在波动，特别是在点燃和熄灭的状态下 时。引起火焰辐射波动的原因很多，燃料燃烧过程中的微小爆炸，空气与燃料的 混合比例，炉膛内压力的变化等都可能造成光辐射强度波动。通过光电转换，将 天津工业大学硕士学位论文 此强度变化值转换为可以检测处理的电压的频率变化。 再次，工业中生产中，煤粉燃烧器、油燃烧器等具有较强发光率的火焰辐射 出的光谱一般都是连续性的。燃料在加热炉炉膛内进行燃烧，燃烧过程中产生的 火焰向四周辐射各种形式的能量，其中，紫外线、红外线等火焰的光辐射成为其 最方便检测的信号。故目前市场上广泛使用的火焰检测方法是利用光学原理对燃 烧的火焰进行检测。 在本课题的研究中，由于系统所涉及的应用环境为石油输送系统，其使用的 燃料为油田伴生气。根据表2 1 所示的燃气燃料产生的光波含量分布，采用针对 紫外线监测的方法，对加热炉炉膛内火焰的燃烧情况进行实时监测。设计采用紫 外光敏管作为紫外线监测器件，其对燃气燃烧器产生的紫外线信号具有很好的鉴 别能力，适合于燃烧条件干净的使用环境下。 2 2 3 紫外线传感器检测方案 燃气火焰燃烧过程中释放出大量的紫外线，通过使用紫外线传感器将不可直 接检测的光信号，转换为容易检测的电信号，然后再对电信号进行处理和分析， 判断火焰的燃烧情况。火焰在燃烧过程中产生的光信号具有大量的特征参数，如 火焰的波长，燃烧火焰的强度、闪烁频度等。通过选取适当的紫外线传感器，对 光信号的不同特征参数进行提取、分析。由于处于不同燃烧阶段时，火焰的燃烧 强度不相同，且具有较大的差异性，故针对火焰燃烧过程中火焰的燃烧强度进行 检测具有一定的可靠性。 紫外线传感器检测火焰辐射出的强度信号的原理与紫外线传感器的结构特 征相关。紫外频谱带指那些波长介于0 1 o n 与0 3 8 w n 之间的电磁辐射，紫外光 敏管中充满惰性气体，惰性气体吸收紫外辐射，并与辐射出的光子相撞击，使受 激的分子转换为较高的能态，再通过发射电子来使能量减少。发射的电子使紫外 光敏管的两个电极之间导通，紫外传感器产生瞬间电压脉冲的频率正比于紫外线 辐射强度，将产生的频率信号与预先设定好的阈值进行比较，确定频率信号的工 作区间妇4 儿矧啪1 。通过这一原理，使用紫外线传感器对火焰的燃烧状况进行监测。 2 3 加热炉火焰探测器控制器总体设计方案 2 3 1 控制器设计方案 本设计控制单元采用a t m e l 公司生产的m c s 5 1 系列兼容单片机一a t 8 9 系 列单片机a t 8 9 s 5 2 。它采用哈佛总线结构以及精简指令集，取址采用流水线取址 第二章石油输送加热炉火焰探测器总体设计方案 方式，大大提高了指令的读取与执行速度，具有一定的抗干扰能力，适合应用于 工业控制领域中。a t 8 9 s 5 2 单片机作为c m o s8 位微控制器，具有低功耗、高性 能的特点。在原先的m c s 5 1 内核基础上，增加了8 k 的在系统可编程f l a s h 存储器它允许程序存储器在系统可编程。除此之外，a t 8 9 s 5 2 单片机还具有2 5 6 k 字节大小的黜蝴，看门狗定时器，3 2 位的i o 口，3 个