СПОСОБ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ГОРЕНИЕМ В ГОРЕЛКЕ РАБОТАЮЩЕГО НА ГАЗООБРАЗНОМ ТОПЛИВЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГОРЕНИЕМ, РАБОТАЮЩАЯ В СООТВЕТСТВИИ С УПОМЯНУТЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2018 года по МПК F23N1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу контроля и управления горением в работающих на основе газообразного топлива горелках для таких устройств, как бойлеры, цилиндрические баки-аккумуляторы горячей воды, камины и т.п. с упомянутыми во вводной части основного пункта формулы изобретения характеристиками. Оно также относится к системе управления горением, работающей в соответствии с упомянутым способом.

Уровень техники

В ссылочной технической части известно, что для поддержания эффективного горения необходимо, чтобы соотношение между количеством воздуха и количеством газообразного топлива, вводимого в горелку, поддерживалось около заданного оптимального значения, которое зависит, главным образом, от типа используемого газа и, в общем, также может зависеть от значения мощности, отдаваемой горелкой, т.е. от расхода газа. Таким образом, полноценный процесс горения может быть осуществлен и поддержан в течение времени без чрезмерных потерь энергии в виде дымов, при минимизации выделения загрязняющих газов и в соответствии с законодательством по выбросам загрязняющих веществ в различных странах.

Для достижения этой цели, поддержания оптимального соотношения воздух/газ, в ссылочной технической части были разработаны различные устройства и способы.

В конкретном объеме изобретения известны способы контроля и управления горением на основании анализа пламени и, в частности, анализа ионизации газа в зоне горения пламени. Обычные способы предусматривают использование электрода, который помещают в зоне пламени или рядом с ней и соединяют с электрической схемой, которая подает постоянное или переменное напряжение на электрод и измеряет ток, проходящий через упомянутый электрод. Один или более относящихся к горению параметров оценивают посредством систем обработки и анализа сигнала тока. Системы обработки включают в себя известные способы анализа спектра частот сигнала, и этот анализ способен выявлять спектры частот или вариаций таковых, которые обозначают нестабильность пламени или неоптимальное горение, на основании которого предусмотрены системы коррекции горения для того, чтобы возвратить последнее к желательным условиям.

Выявляемые ограничения известных способов относятся, в основном, к надежности результатов анализов частотного спектра и к их корреляции с процессом горения.

Ограничения также могут сталкиваться с возможным износом и старением электрода для приема сигнала в датчике ионизации, с последующими влияниями на надежность и точность анализируемых по алгоритмам обработки частотного спектра данных.

Упомянутые выше ограничения также усиливаются, если управление горением должно выполняться в горелках модулирующего типа, в которых оптимальные условия горения ищут путем изменения требуемой мощности в пределах диапазона между минимальной мощностью и максимальной допустимой для горелки мощностью.

Также известно, что объемное соотношение между расходом газа и расходом воздуха, соответствующим правильному горению, также зависит от типа газа. Следовательно, каждое семейство газообразного топлива коррелируется с соответствующими конкретными кривыми регулировки (которые, например, коррелируют расход газа с расходом воздуха). Одна из проблем известных систем для управляемого горения состоит в выявлении семейства газов и соотнесения оптимальных кривых регулировки.

Описание изобретения

Проблема, на которую направлено настоящее изобретение, состоит в выработке способа контроля и управления горением в горелке работающего на газообразном топливе устройства, а также системы управления горением, работающей в соответствии с упомянутым способом, которые конструктивно и функционально выполнены с возможностью преодоления ограничений, изложенных выше со ссылкой на противопоставленный предшествующий уровень техники.

В пределах контекста этой проблемы одна задача изобретения состоит в том, чтобы сделать доступным способ управления и систему, которые способны гарантировать оптимальное горение в пределах диапазона расходов (и для различных типов газа), т.е. мощности, для которых предназначен размер горелки, гарантируют надежные и повторяемые результаты, когда анализируемые сигналы скоррелированы с процессом горения.

Другая задача изобретения состоит в предложении способа управления и системы, которая является простой для управления и служит отличительным признаком, как во время установки, так и при использовании горелки устройства.

Эта проблема решается, и эти задачи выполняются с помощью настоящего изобретения посредством способа и системы управления горением в горелке работающего на газообразном топливе устройства, реализованных в соответствии с формулой изобретения, которая следует.

Краткое описание чертежей

Особенности и преимущества изобретения будут более очевидны из подробного описания его предпочтительного варианта воплощения, показанного не ограничительно и для информации со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

- Фиг. 1 представляет собой схематичный вид горелки устройства, снабженного системой управления горением, работающей в соответствии со способом контроля и управления горением согласно изобретению.

- Фиг. 2 представляет собой график, показывающий кривые корреляции между рабочими параметрами вентилятора и модулирующим газовым клапаном устройства горелки, реализующим способ управления горением по изобретению.

Предпочтительные варианты воплощения изобретения

Обратимся вначале к фиг. 1, на которой символом 1 обозначена в целом горелка, в которой предусмотрена система управления горением, выполненная так, чтобы работать в соответствии со способом контроля и управления горением по настоящему изобретению.

Горелка 1 смонтирована в устройстве (не показано), предназначенном для производства горячей воды для бытовых целей и/или которое связано с системой обогрева помещения способом, известным самим по себе и не показанным на чертежах.

Горелка 1 содержит камеру 2 сгорания, в которую подведены первый 3 и второй 4 каналы, выполненные так, чтобы вводить в камеру 2 сгорания соответственно поток воздуха и поток газообразного топлива. Предпочтительно, второй канал 4 входит в первый канал 3 выше по потоку газов относительно камеры 2 сгорания (горелка с предварительным смешиванием). На участке смешивания воздуха-газа предусмотрен вентилятор 5 с переменной скоростью вращения. Символ 6 обозначает помещенный в газовом канале 4 модулирующий клапан для управления расходом газа, вводимого в горелку.

Камера 2 сгорания соединена ниже по потоку с дымоходом 7, через который происходит выброс отработавших газов, получаемых в результате горения.

Символ 8 обозначает датчик контроля горения, описанный более подробно ниже, который соединен с прибором 9 управления, снабженным электронной схемой, предназначенной для управления горелкой в соответствии со способом по настоящему изобретению, как показано ниже. Прибор управления дополнительно функционально соединен как с вентилятором 5, так и с модулирующим клапаном 6 с тем, чтобы управлять этими элементами.

Датчик 8 расположен рядом с пламенем горелки, при этом горелка выполнена с возможностью получения питания от генератора напряжения и также соединена с электронной схемой, выполненной с возможностью измерения результирующего потенциала на датчике.

В одном варианте воплощения предусмотрен датчик 8, содержащий два электрода, обозначенные как E1, E2, которые помещены внутри или рядом с пламенем. В качестве альтернативы, техническое обеспечение выполнено для использования единственного электрода, на который подают сигнал напряжения, а после отключения упомянутого сигнала, немедленно получают сигнал отклика посредством серии выборок последнего.

Из того, что известно из физики плазмы, которая образуется в процессах горения, если снаружи в плазму вводят заряд, производимое упомянутым зарядом электрическое поле приводит к движению составляющих плазму зарядов; это движение увеличивается линейно с увеличением вводимого внешнего заряда. Однако существует значение электрического поля, за пределами которого поток заряженных частиц дополнительно не увеличивается (насыщение). Движение значительно изменяется касательно электронов и ионов: электроны, являясь много легче и меньше, движутся намного быстрее и претерпевают гораздо меньше столкновений вдоль их пути. Это означает, что вышеупомянутое явление насыщения намного раньше возникает в случае положительных ионов, в то время как для электронов оно случается позже. Вследствие смещения заряженных частиц макроскопический эффект, генерируемый введенным внешним зарядом, представляет собой изменение электрического поля плазмы. Это электрическое поле распространяется вокруг частицы на расстоянии порядка «Дебаевской длины». В связи с вышеупомянутым, оно больше для электронов, т.е. когда введенный заряд является положительным. В отличие от этого, оно будет много меньше для положительных ионов, соответствуя случаю, когда введенный заряд является отрицательным.

Возвращаясь к способу по изобретению, на электрод E1 подают электрический сигнал, имеющий данную форму волны с течением времени; этот потенциал эквивалентен возмущающему заряду, упомянутому ранее в описании. Электрод E2 расположен на подходящем расстоянии и принимает значение потенциала, определенного движением зарядов плазмы, вызванных E1, и в соответствии с динамикой, описанной выше. Этот потенциал измеряют с помощью электронной цепи и обрабатывают, как описано ниже.

Основная концепция способа изобретения, следовательно, состоит в том, что результирующую форму волны на электроде E2 однозначно определяют за счет состава смеси окисляющего агента и топлива перед горением. Важно знать этот состав для того, чтобы иметь возможность прогнозировать любые основные эффекты горения, такие как количество вырабатываемого CO₂ и CO и получаемой тепловой энергии. Таким образом, помимо прочего, можно компенсировать влияния других газов, кроме номинальных газов, обозначенных в звене в виде G20 и G31. Поэтому, если мы знаем соотношение воздух/топливо (воздушное число иным образом обозначено как «λ»), можно получить систему управления горением для устройства газовой горелки.

Способ по изобретению, по существу, содержит две макрооперационные фазы, первую фазу, обозначенную как F, получения и обработки данных из экспериментальных условий, и вторую фазу, обозначенную как Н, направленную на оценку воздушного числа λ или количества вырабатываемых СО₂ и СО, или генерируемой тепловой энергии, при фактическом рабочем режиме (рабочих условиях) горелки.

В свою очередь, обе эти фазы содержат последовательность рабочих этапов, которые более подробно описаны ниже.

Следующее описание устанавливает этапы, относящиеся к оценке воздушного числа λ, но они могут применяться таким же путем для других параметров, коррелирующих с горением. Ниже этот значимый параметр характеристик горения также будет обозначен, в более широком смысле, как К, и он, в дополнение к мощности Р горелки, может быть выбран, например, в виде воздушного числа λ или в виде концентрации (в % или миллионных долях) СО₂ и СО, испускаемых в процессе горения, при этом следует понимать, что дополнительные значимые параметры горения также могут быть заранее выбраны в качестве альтернативы.

Первый рабочий этап фазы F, показанный как F1, предусматривает выявление множества (1, 2, …, n) экспериментальных условий горения в горелке, при каждом из которых соответствующая мощность Р (P1, Р2, …, Pn) установлена на числе n уровней, и для каждой мощности установлено значение воздушного числа (λ1, λ2, λm), выбранное на числе m уровней, при этом воздушное число ** выражает соотношение между количеством воздуха в процессе горения и количеством воздуха для стехиометрического горения, каждый уровень n мощности соотносится с соответствующими уровнями m воздушного числа, при этом каждое экспериментальное условие дополнительно повторяется заданное число r раз. Другими словами, получают решетку (m*n) пар значений P, λ, в которой для каждой пары значений условие повторяется r раз.

В качестве альтернативы, при каждом экспериментальном условии может быть установлена мощность P (P1, P2, …, Pn) и для каждой мощности устанавливается концентрация CO₂ и/или CO (%1, %2, …, %n).

В этом случае каждое экспериментальное условие также повторяется заданное число (r) раз.

Второй, последующий рабочий этап, показанный как F2, предусматривает подачу электрического сигнала на электрод E1 при каждом из упомянутых (n*m*r) экспериментальных условий (Pi, λj или Рi, %j).

Ниже будет сделана ссылка на выбор экспериментальных условий с установленной мощностью и воздушным числом, при этом следует понимать, что способ может применяться аналогично при альтернативном выборе экспериментальных условий с установленной мощностью и концентрацией CO₂ (и/или CO)_.

На третьем этапе F3 на электроде E2 получают выборку результирующего сигнала, рассчитывают соответствующие характеристические параметры формы волны сигнала для каждого из вышеупомянутых экспериментальных условий. Термин «выборка», более подробно, обозначает серию выборок сигнала отклика, измеренного на электроде, в котором аналоговое/цифровое преобразование напряжения, измеренного на электроде, получают на равных интервалах и в течение определенной длительности.

Дополнительный, последующий рабочий этап, показанный как F4, предусматривает расчет функции корреляции на основании полученных экспериментальных данных, способных однозначно скоррелировать мощность P, воздушное число λ и характеристические параметры формы волны сигнала на электроде E2 в процессе горения горелки.

Характеристические параметры формы волны преимущественно получают посредством методов гармонического анализа сигнала напряжения, выборку которого получают с помощью применения функционального преобразования. Примеры возможных выборов функционального преобразования представляют собой преобразование Хартли или преобразование Фурье.

Кроме того, функцию корреляции, которая позволяет скоррелировать характеристические параметры измеренной формы волны с воздушным числом λ и мощностью P, получают путем применения методов регрессионного анализа.

Другими словами, механизм, позволяющий скоррелировать форму волны на электроде E2 с воздушным числом λ, представляет собой тип «сопоставления с образцом» и реализуется применением методов регрессионного анализа.

В одном варианте воплощения, на фазе F2, сигнал напряжения с периодической формой волны, такой как синусоидальная форма волны, подают на электрод E1 при постоянной амплитуде М и заданной частоте f.

В предпочтительном варианте воплощения используют единственный электрод E1, а вышеупомянутые рабочие этапы F2 и F3 выполняют в непосредственной последовательности на одном и том же единственном электроде. Другими словами, сигнал электрического напряжения подают на электрод, а после отключения приложенного сигнала выполняют серию выборок результирующего сигнала отклика на электроде.

Применяют дискретное преобразование Фурье (DFT) для формы волны сигнала, выборка которого получена на электроде E2, на частоте формы волны электрода E1 и на ее последующих гармониках, получая амплитуду М и фазу Ф для упомянутых частот.

Эта операция выполняется для каждого из вышеупомянутых экспериментальных условий, соответствующих заранее выбранным мощностям (P1, P2, …, Pn), и для каждого из них при значениях воздушного числа (λ1, λ2, …, λm) выполняют заданное число (r) повторений для каждого из упомянутых условий, с общим числом наблюдений, равным n*m*r.

В этот момент предусмотрено следующее:

- рассчитывают для каждого экспериментального условия (i, j) амплитуды (M1i,j, M2i,j, …, Mpi,j) и фазы (Ф1i,j, <Ф2i,j, …, Фpi,j), применяя дискретное преобразование Фурье (DFT), где p представляет собой гармонический максимум, для которого применяют дискретное преобразование Фурье (DFT),

- вставляют значения амплитуды (M) и фазы (Ф) в линейную систему, в которой каждый ряд состоит из экспериментального наблюдения, выполненного при мощности Рi и воздушном числе λj, и в которой известный член представляет собой λj,

- устанавливают число экспериментальных наблюдений (n*m*r), которое больше, чем максимальное число гармоник (p), по меньшей мере равным 3p-2,

- решают линейную систему уравнений AB=λ,

где A - матрица экспериментальных данных, В - вектор неизвестных коэффициентов и λ - вектор, с помощью регрессионного метода наименьших квадратов, в соответствии с уравнением Мура-Пенроуза, где

B=(A^TA)^-1А^Т,

- сохраняют в электронной схеме вектор B коэффициентов с размерностью, равной неизвестным системы или равной числу столбцов матрицы A, для использования следующего регрессионного уравнения:

где s и r могут принимать значение в диапазоне [1; 4] и p≥5.

Предпочтительные значения p находятся между 5 и 15.

На фазе H способа, относящейся к рабочему состоянию фактического функционирования горелки, для оценки воздушного числа λ предусмотрены следующие рабочие этапы.

Первым рабочий этап, обозначенный как H1, предусматривает подачу сигнала напряжения на электрод E1.

Одновременно (на этапе H2) предусматривается получение электрического сигнала на втором электроде (E2) в течение заданного интервала времени, как описано на фазе F2.

В предпочтительном варианте воплощения используется единственный электрод E1, а вышеупомянутые рабочие этапы H1 и H2 выполняют в непосредственной последовательности на одном и том же единственном электроде.

В-третьих, на последующем этапе H3 посредством дискретного преобразования Фурье рассчитывают амплитуду (М1, М2, …, Mp) и фазу (Ф1, Ф2, …, Фр) формы волны результирующего сигнала напряжения на электроде E2, в то время как на четвертом этапе H4 рассчитывают оценочное воздушное число (λstim) посредством следующего скалярного произведения:

при этом используя функцию корреляции, которая коррелирует мощность и воздушное число λ, наблюдают характеристические параметры формы волны.

λ может быть рассчитано на заданных равных интервалах, как подробно поясняется ниже.

Предпочтительно, на фазе гармонического анализа формы волны сигнала, соответствующего электроду E2, предусматривается расчет амплитуды и фазы заранее заданного числа гармоник.

Предпочтительно, на упомянутой первой фазе F способа может быть предусмотрен расчет множества векторов В коэффициентов калибровки, каждый из которых скоррелирован с соответствующими диапазонами мощности между минимальной и максимальной допустимой мощностью, и эти диапазоны накладываются по меньшей мере частично, для достижения большей точности при оценке воздушного числа. Например, могут использоваться три различных вектора, Blow, Bmed и Bhi соответственно в трех частично наложенных диапазонах мощности: нижней, средней и высокой мощности. Таким образом, получают большую точность, чем при использовании одиночного вектора B. Каждый вектор был определен путем использования мощностей, относящихся к нему. Также может быть предусмотрен расчет вектора Bfam коэффициента, скоррелированного с соответствующим семейством газов, для которого предназначена горелка, с тем, чтобы обеспечить возможность выявления упомянутого семейства газов во время фазы установки горелки. Используя Bfam, можно оценивать воздушное число независимо от семейства, к которому принадлежит газ. Он является менее точным, чем другие векторы В, и может использоваться только для выявления семейства на фазе установки устройства. Это упрощает процедуру установки горелки.

В качестве альтернативы, используя способ вышеупомянутого типа, также может быть оценена мощность, и она может отличаться от нормально оцениваемой в открытом контуре, например, при использовании газов помимо исходного газа для семейства или с целями регулирования прибора для модуляции расхода газа, или для характеристик установки (например, типа применения, относящегося к длине канала выпуска дыма, или если он становится заблокированным). Это оцененное значение мощности может использоваться в вышеупомянутой системе управления горением для регулирования мощности также в закрытом контуре. Таким образом, также возможно упрощение процедуры установки устройства с последующей экономией времени.

Используя вышеупомянутый способ, также возможно диагностировать состояния устройства, которые отличаются от номинальных, например, определенные позиционированием электрода за пределами заданной точки или вызванные износом электрода в ходе старения. Все, что для этого требуется, это использование вместо λj подходящего параметра, представляющего состояние устройства (номинальное или аномальное), преобладающее в эксперименте j.

Сигналы периодического напряжения также могут подаваться на электрод E1 не на единственной частоте, а на нескольких частотах последовательно так, что каждая частота возбуждает конкретные характеристики плазмы. В качестве альтернативы, возможна подача определенных частот для определенных уровней мощности и других частот для других уровней мощности.

Также возможна подача на E1 формы волны, составленной с помощью наложенной синусоиды на постоянном уровне с большим значением. В этом случае параметры, наблюдаемые на E2, представляют собой модуль и фазу синусоиды той же самой частоты и ее гармоник, и среднее значение.

Основной вариант способа изобретения предусмотрен для датчика 8, который представляет собой датчик одноэлектродного типа, в котором на единственный электрод E1 подают заранее выбранный электрический сигнал. Предпочтительно, на электрод E1 подают периодический сигнал импульсного напряжения.

В первой конфигурации сигнал напряжения содержит за период сигнала первый импульс с положительной амплитудой, после чего следует второй импульс с отрицательной амплитудой. В качестве альтернативы сигнал напряжения содержит за один период импульсы с положительной или отрицательной амплитудой.

Преимущественно частота импульсного сигнала на электроде E1 представляет собой функцию мощности, подводимой к горелке, и, кроме того, частота выборки представляет собой функцию мощности, подводимой к горелке.

Можно предусмотреть, чтобы первая частота выборки сигнала соответствовала первому импульсу, а вторая отличающаяся частота выборки соответствовала второму импульсу.

По аналогии со способами, использующими двухэлектродный датчик, в варианте способа с одноэлектродным датчиком также предусмотрено:

- применяют для формы волны, наблюдаемой на электроде E1, функциональное преобразование, например, дискретное преобразование Фурье (DFT) на заранее выбранной частоте и на ее последующих гармониках, получая амплитуду (M) и фазу (Ф) для упомянутых частот,

- выполняют упомянутую операцию для каждого из упомянутых экспериментальных условий, соответствующих мощностям (P1, P2, …, Pn), и для каждого из них при воздушных числах (λ1, λ2, λm), выполняя заданное число (r) повторений для каждого из упомянутых условий, c общим числом наблюдений, равным n*m*r,

- рассчитывают, для каждого экспериментального условия (i,j) амплитуды (M1i,j, M2i,j, …, Mpi,j) и фазы (Ф1i,j, Ф2i,j, …, Фрi,j), применяя дискретное преобразование Фурье (DFT),

где p представляет собой гармонический максимум, для которого применяют дискретное преобразование Фурье (DFT),

- вставляют значения амплитуды (M) и фазы (Ф) в линейную систему, в которой каждый ряд получают из экспериментального наблюдения, выполненного при мощности Рi и воздушном числе λj, и в которой известный член представляет собой λj,

- устанавливают число экспериментальных наблюдений (n*m*r), которое больше, чем максимальное число гармоник (p),

- решают линейную систему уравнений AB=λ,

где A - матрица экспериментальных данных, В - вектор неизвестных коэффициентов и λ - вектор, с помощью регрессионного метода наименьших квадратов, в соответствии с уравнением Мура-Пенроуза, где

B=(A^TA)^-1A^Т,

- сохраняют в электронной схеме вектор B коэффициентов с размерностью, равной неизвестным системы или равным числу столбцов матрицы A, для использования следующего регрессионного уравнения:

Также в этом варианте на фазе H способа, относящейся к рабочему состоянию фактического функционирования горелки, для оценки воздушного числа λ предусмотрены следующие рабочие этапы.

Первый этап H1 предусматривает получение сигнала напряжения на электроде E1 для заданного интервала времени; на втором, последующем этапе H2, рассчитывают амплитуду (М1, М2, …, Mp) и фазу (Ф1, Ф2, …, Фр) формы волны сигнала, полученного на электроде E2, посредством дискретного преобразования Фурье, в то время как на третьем этапе H3 оценивают значение воздушного числа (λstim) посредством следующего скалярного произведения:

при этом используя функцию корреляции, которая коррелирует мощность и воздушное число λ с характеристическими параметрами наблюдаемой формы волны.

λ может быть рассчитано на заданных равных интервалах, как подробно будет пояснено ниже.

Суммируя вышесказанное, можно утверждать, что параметры математической модели, относящейся к функции корреляции, в комбинации с функциональным преобразованием форм волны, полученных после подачи возбуждающего воздействия на плазму, эффективны для расчета требуемых характеристик горения.

Следует отметить, что, в отличие от известных способов контроля и управления горением, способ по изобретению основан на измерении напряжения, а не на измерении тока ионизации, и, следовательно, менее подвержен проблемам, возникающим в результате износа и старения электродов.

Кроме того, для определения параметров калибровки (вектор B), требуется заданное, относительно ограниченное число экспериментальных тестов, что, таким образом, позволяет сократить времена на тонкую настройку по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Система управления и регулировки горения для горелки 1, работающей с помощью способа по изобретению, предусматривает, для примера, следующие рабочие фазы, со ссылкой на график на фиг. 2, где ось X показывает число оборотов (n) вентилятора, ось Y в его верхнем координатном угле изображает ток (I) для активации модулирующего газового клапана, ось Y в его нижнем координатном угле изображает расход (Q) доставляемого газа (скоррелированного с требованиями мощности).

Кривые с регулировки вышеупомянутых параметров обычно предварительно заданы в схеме управления, как показано на диаграмме. Следовательно, например, требование Q1 имеет соответствующее число оборотов n1 и ток I1.

Если требование к мощности изменяется от Q1 до Q2, число оборотов повышается до n2, при этом в таком состоянии схема управления соответствует текущему значению I2 с модулятором. Упомянутые значения коррелируют с целевым воздушным числом (λob), которое считается оптимальным для горения. В этом новом рабочем состоянии, следовательно, эффективное воздушное число (λstim) оценивают, используя способ, описанный выше, и сравнение выполняют между λob и λstim, производя соответствующие корректировки параметров - тока I или числа оборотов n для достижения воздушного числа, которое, в основном, совпадает с целевым воздушным числом. Предпочтительно, ток в модуляторе изменяется, например, повышается до значения I2'. В этот момент рабочая кривая с снова обновляется для воздушного числа, равного целевому воздушному числу, которая затем становится кривой c'.

Кривая регулировки может, например, обновляться за счет накопления определенного числа точек коррекции и расчета регрессионной кривой, коррелирующей упомянутые точки, при этом эта кривая становится новой кривой регулировки. В качестве альтернативы, можно выполнять только коррекцию, когда это соответствует, в каждой рабочей точке на основании сравнения λob/λstim без выявления новой рабочей кривой (посредством линейной регрессии).

Вышеописанная система регулирования просто представляет не исчерпывающий пример с целями применения способа контроля и управления горением по изобретению. Следует понимать, что этот способ позволяет обеспечить конкретные принципы управления и регулирования работы горелки согласно соответствующим рабочим и системным требованиями, которые, в любом случае, предусматривают сравнение между целевым воздушным числом, которое является оптимальным для горения, и воздушным числом, оцененным способом по изобретению.

Изобретение, следовательно, достигает предложенных целей, преодолевая ограничения, выявленные в предшествующем уровне техники, и демонстрируя преимущества над известными решениями, как указано.

Следует отметить, что способ по изобретению предусматривает получение форм волны, которые изменяются с течением времени, причем этот аспект составляет особенность, которая, вместе с логикой для обработки и вычисления данных, имеет решающее влияние на точность и стабильность способа и системы управления в соответствии с изобретением. Такая особенность существенно отличается от известных решений, в которых ссылка делается на токи, измеряемые в стационарном режиме, или на стационарные измерения значимых параметров горения.

Можно также заметить, что способ по изобретению предусматривает подачу возмущения к плазме пламени (подаваемый на электрод сигнал напряжения) и, впоследствии, как только сигнал отключается, из измерителя напряжения получают сигнал отклика. Благодаря этому, возбуждающее воздействие и измерение происходит в двух отличающихся, разделенных фазах. Этот аспект существенно отличается от известных решений, в которых подают сигнал напряжения, и упомянутые эффекты наблюдают в одно и то же время, в результате чего происходит смешение возбуждающего воздействия и отклика, что затрудняет различение одного от другого и делает измерение интрузивным и подверженным влиянию характеристик возбуждающего воздействия, т.е. электрода и его состояния износа и окисления.

Кроме того, на основании получения пространственно-временных форм волны, способ по изобретению позволяет обрабатывать более ценную и более полную информацию о состоянии горения; фактически наблюдают динамический отклик плазмы на заданное возбуждающее воздействие вместо среднего отклика в стационарных условиях.

Следует также отметить, что модель, полученная в способе по изобретению, является действующей по всему рабочему диапазону системы, как в желательных, так и в нежелательных рабочих условиях. Из этого следует, что не требуется никаких дополнительных моделей для распознавания экстремальных условий, например, касающихся чрезмерной эмиссии вредных газов или шумной работы.

Изобретение относится к способу контроля и управления горением в работающих на основе газообразного топлива горелках для таких устройств, как бойлеры, цилиндрические баки-аккумуляторы горячей воды, камины и т.п. Технический результат направлен на точность и стабильность способа и системы управления. Описаны способ контроля и управления горением в горелке и система управления горением в горелке работающего на газообразном топливе устройства, работающая в соответствии со способом. Способ контроля и управления горением в горелке (1) работающего на газообразном топливе устройства типа, содержащего датчик (8) с электродом (E1), расположенным в пламени или рядом с ним и выполненным с возможностью запитывания от генератора напряжения, а также соединенным с электронной схемой, выполненной с возможностью измерения результирующего потенциала на этом электроде. Способ содержит первую фазу получения и обработки данных из экспериментальных условий и вторую фазу оценки требуемой характеристики горения при фактических рабочих условиях горелки. На первой фазе заранее выбирают множество экспериментальных условий горения для горелки (1), подают на горелку при каждом из упомянутых условий мощность (P1, P2, Pn) и дополнительный значимый параметр характеристик (K1, K2, Км) горения, при этом при каждом из экспериментальных условий подают на упомянутый электрод (E1) сигнал электрического напряжения и выполняют выборку сигнала отклика, рассчитывая на основании последовательности выборочных значений характеристические параметры формы волны сигнала для каждого из экспериментальных условий, с целями расчета функции корреляции на основании полученных экспериментальных данных, способных однозначно скоррелировать мощность и дополнительный значимый параметр горения. На второй фазе подают при фактическом рабочем режиме сигнал электрического напряжения на электрод (E1), а после отключения подаваемого сигнала выполняют серию выборок результирующего сигнала отклика на этом электроде. Так же на второй фазе рассчитывают на основании последовательности выборочных значений соответствующие характеристические параметры формы волны сигнала отклика для рабочего режима и рассчитывают оцененное значение характеристики горения, используя функцию корреляции. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля и управления горением в горелке (1) работающего на газообразном топливе устройства типа, содержащего датчик (8) с электродом (Е1), расположенным в пламени или рядом с ним и выполненным с возможностью запитывания от генератора напряжения, а также соединенным с электронной схемой, выполненной с возможностью измерения результирующего потенциала на этом электроде (Е1),

при этом способ содержит:

- первую фазу получения и обработки данных из экспериментальных условий, содержащую следующие этапы:

- выявляют множество экспериментальных условий горения для горелки (1), причем для каждого из упомянутых условий

- подают на горелку соответствующую мощность (P1, Р2, …, Pn) из числа n заранее выбранных уровней мощности, и дополнительный значимый параметр характеристик (K1, K2, …, Km) горения, с числом m уровней, соотнося с каждым уровнем n мощности соответствующие уровни m упомянутого дополнительного параметра, при этом упомянутый дополнительный значимый параметр характеристик горения выбирают по меньшей мере из воздушного числа (λ), понимаемого как соотношение между количеством воздуха в процессе горения и количеством воздуха для стехиометрического горения, и концентрации СО₂ или СО в процессе горения,

при этом каждое экспериментальное условие повторяют заданное число r раз,

- подают при каждом из упомянутых (n*m*r) экспериментальных условий сигнал электрического напряжения на упомянутый электрод (Е1), а после отключения сигнала, подаваемого на электрод, выполняют серию выборок результирующего сигнала отклика на электроде,

- рассчитывают на основании последовательности выборочных значений соответствующие характеристические параметры формы волны упомянутого сигнала отклика для каждого из упомянутых экспериментальных условий, при этом характеристические параметры формы волны сигналов отклика получают путем применения функционального преобразования,

- рассчитывают на основании полученных экспериментальных данных функцию корреляции, способную устанавливать однозначное соотношение упомянутой мощности (Р) и упомянутого дополнительного значимого параметра (K) из характеристик горения с характеристическими параметрами формы волны сигнала на электроде (Е1) в процессе горения горелки (1),

- и вторую фазу оценки значимых параметров характеристик горения при фактическом рабочем режиме горелки (1), содержащую следующие этапы:

- подают при упомянутом фактическом рабочем режиме сигнал электрического напряжения на упомянутый электрод (Е1), а после отключения подаваемого на электрод сигнала выполняют серию выборок результирующего сигнала отклика на этом электроде,

- рассчитывают на основании последовательности выборочных значений соответствующие характеристические параметры формы волны упомянутого сигнала отклика для упомянутого рабочего режима,

- рассчитывают оцененное значение требуемой характеристики горения, используя упомянутую функцию корреляции.

2. Способ по п. 1, в котором функцию корреляции, которая позволяет устанавливать соотношение измеренной формы волны со значимым параметром характеристик горения, получают путем применения методов регрессионного анализа.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором на электрод (Е1) подают периодический, импульсный сигнал напряжения.

4. Способ по п. 3, в котором упомянутый импульсный сигнал напряжения содержит в течение периода сигнала первый импульс с положительной амплитудой, после которого следует второй импульс с отрицательной амплитудой.

5. Способ по п. 3, в котором упомянутый импульсный сигнал напряжения содержит в течение периода сигнала импульс с положительной или отрицательной амплитудой.

6. Способ по пп. 1, 2 или 4, который предусматривает, что подают на электрод (Е1) напряжение с импульсной переменной формой волны при постоянной амплитуде (М) и с заданной частотой (f),

- получают сигнал отклика после каждого отдельного импульса на электроде,

- применяют для формы волны сигнала, полученного на электроде, дискретное преобразование Фурье (DFT) на частоте формы волны электрода и на ее последующих гармониках, получая амплитуду (М) и фазу (Ф) для упомянутых частот,

- выполняют упомянутую операцию для каждого из упомянутых экспериментальных условий, соответствующих мощностям (P1, Р2, …, Pn), и для каждого из них при значениях воздушного числа (λ1, λ2, λm) выполняют заданное число (r) повторений для каждого из упомянутых условий, с общим числом наблюдений, равным n*m*r,

- рассчитывают для каждого экспериментального условия (i, j) амплитуды (M1i,j, M2i,j, …, Mpi,j) и фазы (Ф1i,j, Ф2i,j, …, Фpi,j), применяя дискретное преобразование Фурье (DFT),

где р представляет собой гармонический максимум, для которого применяют дискретное преобразование Фурье (DFT),

- вставляют значения амплитуды (М) и фазы (Ф) в линейную систему, в которой каждый ряд состоит из экспериментального наблюдения, выполненного при мощности Pi и воздушном числе λj, и в которой известный член представляет собой λj,

- устанавливают число экспериментальных наблюдений (n*m*r), которое больше, чем максимальное число гармоник (р), по меньшей мере равным 3р-2,

- решают линейную систему уравнений АВ=λ,

где А - матрица экспериментальных данных, В - вектор неизвестных коэффициентов и λ - вектор, с помощью регрессионного метода наименьших квадратов, в соответствии с уравнением Мура-Пенроуза, где

В=(А^ТА)^-1А^Т

- сохраняют в электронной схеме вектор В коэффициентов с размерностью, равной неизвестным системы или равной числу столбцов матрицы А, для использования следующего регрессионного уравнения:

где s и r могут принимать значение в диапазоне [1; 4] и р≥5,

- оценивают значение воздушного числа при фактическом рабочем режиме посредством следующих этапов:

- получают сигнал напряжения на электроде для заданного интервала времени,

- рассчитывают амплитуду (M1, М2, …, Мр) и фазу (Ф1, Ф2, …, Фр) посредством дискретного преобразования Фурье,

- рассчитывают оценочное значение воздушного числа (λstim) с помощью следующего скалярного произведения:

7. Способ по п. 6, в котором частота выборки представляет собой функцию мощности, подаваемой на горелку (1).

8. Способ по п. 6, в котором существует первая частота выборки сигнала, соответствующая положительным импульсам, и вторая, отличающаяся частота выборки, соответствующая отрицательным импульсам.

9. Способ по п. 7, в котором существует первая частота выборки сигнала, соответствующая положительным импульсам, и вторая, отличающаяся частота выборки, соответствующая отрицательным импульсам.

10. Способ по п. 8 или 9, который предусматривает расчет на упомянутой первой фазе множества векторов (В) коэффициентов калибровки, каждый из которых скоррелирован с соответствующими диапазонами (Р) мощности между минимальной и максимальной допустимой мощностью, и по меньшей мере частичное наложение для достижения большей точности при оценке воздушного числа (λ).

11. Способ по п. 8 или 9, который предусматривает расчет вектора (В) коэффициентов, скоррелированного с соответствующим семейством газов, для которых предназначена горелка (1), для обеспечения возможности выявления упомянутого семейства газов во время фазы установки горелки.

12. Способ по любому из пп. 1, 2, 4, 5, 7, 8 или 9, при этом упомянутая горелка (1) содержит:

- камеру (2) сгорания,

- первый канал (3), выполненный с возможностью введения воздуха в упомянутую камеру (2) сгорания,

- первые средства (5) управления, связанные с упомянутым первым каналом (3), выполненные с возможностью изменения количества воздуха, вводимого в упомянутый первый канал,

- второй канал (4), выполненный с возможностью введения газообразного топлива в упомянутую камеру (2) сгорания,

- вторые средства (6) управления, связанные с упомянутым вторым каналом (4), выполненные с возможностью изменения количества газа, вводимого в упомянутый второй канал;

при этом упомянутый способ содержит следующие фазы:

- устанавливают одно из упомянутых первого и второго средств (5, 6) управления в первое установочное значение,

- на основании кривых регулировки, заранее выбранных в схеме управления, соотносят соответствующее установочное значение для другого средства управления, при этом упомянутые значения скоррелированы с целевым воздушным числом (λob), которое считается оптимальным для горения,

- рассчитывают при достигнутом рабочем режиме фактическое значение воздушного числа (λstim) с помощью способа по одному или более из предыдущих пунктов,

- сравнивают целевое воздушное число (λob) с фактическим воздушным числом (λstim) и корректируют одно и/или другое из упомянутого первого и упомянутого второго средств (5, 6) управления с тем, чтобы получить фактическое воздушное число (λstim), которое практически совпадает с целевым воздушным числом (λob).

13. Способ по п. 12, в котором упомянутые первые средства управления содержат вентилятор (5) с заранее выбранной кривой регулировки (число оборотов/расход воздуха), и при этом упомянутые вторые средства управления содержат газовый клапан (6) модулирующего типа с заранее выбранной кривой регулировки (ток/расход газа), при этом упомянутые установочные значения представляют собой скорость вращения вентилятора (5) и/или ток возбуждения модулятора клапана (6).

14. Система управления горением в горелке (1) работающего на газообразном топливе устройства, работающая в соответствии со способом по любому из предыдущих пунктов.