用于在现场过程分析仪中使用的火焰安全系统

摘要

提供了对具有测量单元(36)的过程燃烧分析仪(10)进行操作的方法(100)。该方法包括将测量单元暴露于燃烧过程的废气，在燃烧过程中，燃料(20)和氧气(18)在燃烧器(16)中结合而产生火焰。将测量单元加热(102)到高于燃料燃点的温度。当检测(108)到例如故障或者异常情形之类的情况时，将气体引导(110)到测试单元(36)，从而在检测到的情况存在时，形成测试单元(36)和未燃烧的燃料(20)之间的屏障。一旦情况消除，切断气流，并且提供过程燃烧气体测量。

说明书

背景技术

工业过程产业主要依赖于包括一个或多个燃烧过程的能量源。这 种燃烧过程包括熔炉(furnace)或锅炉(boiler)的操作，用于从燃烧 产生能量，能量然后被用于过程(process)。在燃烧提供了相对低成 本的能量的同时，其使用通常是受控的，并且寻求将燃烧效率最大化。 相应地，过程管理产业的一个目标是通过将现有的熔炉和锅炉的燃烧 效率最大化来降低温室气体的产生。

通常使用现场(in situ)分析仪或者过程(in-process)分析仪来 监控、优化和控制燃烧过程。典型地，这些分析仪使用被加热到相对 高的温度并在熔炉或锅炉的燃烧区域的紧上方或附近操作的传感器。 已知的分析仪，例如可以从俄亥俄州Solon市的Rosemount Analytical  Inc.公司(一家爱默生过程管理公司)买到的、以商品名X-Stream O₂Combustion Flue Gas Transmitter出售的分析仪，常常使用被加热到高 于大约700摄氏度(1300华氏度)的温度的氧化锆氧化物。如果燃烧 过程会经历火焰熄灭的情况，则原料燃料和空气可以接触到该传感器， 传感器由于其已经升高的温度，可能变成点火源，具有促成爆炸的可 能性。

已知的分析仪一般使用烧结金属或者位于测量单元和过程燃烧 气体之间的其他扩散器，以允许过程气体扩散到测量区域，同时最小 化气流影响并降低测量单元污染。扩散器容易使得过程气体接触到已 加热的测量单元自身，并且在过程燃烧气体被替换为可燃性气体时， 产生爆炸。如果燃烧火焰熄灭并且燃料继续流出，该情况便可能发生。

一些过程分析仪被认可用于危险区域操作。一些认可包括由加拿 大标准协会(CSA)、工厂相互保险组织(FM)、防爆指令(ATEX) 等提供的认可。典型地，危险区域认可的分析仪包括添加到扩散器的 灭火器，该灭火器旨在用于熄灭或者以其他方式抑制在加热的测试单 元的前端可能发生的爆炸，从而防止点燃锅炉或者燃烧区域中的较大 的燃料量。这些灭火器已在过去经过了测试并被认可。然而，相信可 以提高由这种灭火器所提供的安全。此外，灭火器的利用可能在一定 程度上抑制了对测量单元的访问，从而增加了测量滞后。

本领域最新的过程安全系统一般提供火焰扫描器，以向操作员告 警和/或发送电信号，该电信号指示火焰已经熄灭并且原料燃料可能正 在流动。全自动系统立即关闭燃料流动，而手动系统一般要求操作员 的干预。

在对过程燃烧器或者锅炉进行初始点火期间，其中燃料被引入到 该燃烧器或者锅炉中，并且使用点火源来引燃(initiate)火焰，这期 间也可能出现潜在的危险情况。在一些情况下，原料燃料可以到达氧 气传感器(由其自身的加热器加热到700摄氏度的温度)，氧气传感器 可能在计划的点火源之前提供点火源。这可以导致潜在的闪燃或者爆 炸。典型地，或者在氧气传感器上使用灭火器，或者在锅炉或熔炉启 动期间不给分析仪上电。不上电的分析仪是完全安全的，因为氧气传 感器未被加热，并从而不能形成非计划的点火源。然而，由于在启动 后的30-45分钟内分析仪是不起作用的，所以该分析仪在关键的燃烧 启动阶段是不可用的。这可能浪费燃料，并导致过量的放射和低效率。 因此，需要提供安全启动和故障情况操作二者、同时依然容易获得的 分析仪系统。

发明内容

提供了对具有测量单元的过程燃烧分析仪进行操作的方法。该方 法包括将测量单元暴露于燃烧过程的废气，在燃烧过程中，燃料和氧 气在燃烧器中结合而产生火焰。测量单元被加热到高于燃料燃点的温 度。当检测到异常或者故障情况时，将气体引导向测量单元，以在情 况存在时，在测量单元和未燃烧的燃料之间形成气体屏障。一旦情况 消除，切断气流，并且提供过程燃烧气体测量。

附图说明

图1是现场燃烧过程分析仪的概略视图，使用该现场燃烧过程分 析仪，本发明的实施例特别有用。

图2是依照本发明的实施例的有用的过程分析氧气传感器的概略 分解图。

图3是依照本发明的实施例的现场燃烧过程分析仪的概略视图。

图4a是在正常情况期间操作的探针组件的一部分的概略视图。

图4b是在校准期间，探针组件的一部分的概略视图。

图5是依照本发明的实施例的操作现场燃烧过程分析仪的方法的 流程图。

具体实施方式

本发明的实施例主要是在已加热的过程分析传感器和潜在可燃 的或者有害的环境之间提供气体屏障。将一般地关于现场过程分析氧 气分析仪来对本发明的实施例进行描述，然而本发明的实施例可应用 于操作在有可能产生非计划的、针对可燃的或者爆炸性的材料的燃点 的温度处的任何过程分析传感器。有利地，本发明的实施例可以允许 传统的过程分析硬件通过新的方式进行操作，该新的方式降低或者最 小化了未计划点火的可能性，同时还在一旦发起燃烧过程，就提供基 本上立即的过程分析测量的好处。

图1是依照现有技术的现场过程燃烧分析仪的概略视图。变送器 10可以是任何适合的分析仪，包括以上列出的X-Stream O₂  Combustion Flue Gas Transmitter。变送器10包括暴露在烟道(stack) 或者烟洞(flue)内的探针组件12，并测量与在燃烧器16处发生的燃 烧有关的至少一个参数。典型地，变送器10是氧气变送器，然而也可 以是测量与燃烧过程有关的任何适合参数的任何设备。燃烧器16可操 作地耦合到空气或氧气的源18以及可燃燃料的源20。为了控制燃烧 过程，源18和20中的每一个优选地通过某种种类的阀门耦合到燃烧 器，以向燃烧器16传送受控量的氧气和/或燃料。变送器10测量燃烧 废气流中的氧气的量，并向燃烧控制器22提供氧气等级的指示。控制 器控制阀门24、26之一，以提供闭环的燃烧控制。变送器10包括氧 气传感器，该氧气传感器通常使用氧化锆氧化物传感器基底来提供指 示废气中的氧气浓度、含量或者百分比的电信号。氧化锆氧化物传感 器在大约700摄氏度的温度处工作，并因此变送器10在探针组件12 内包含可操作地耦合到AC电源29的电加热器。AC电源29可以是 110或220V的AC电源，其向探针组件12中的一个或多个电加热元 件提供能量，以将氧化锆氧化物传感器基底加热到适合的温度。

应该理解，如果燃烧器经历火焰熄灭的情况，原料燃料和空气分 别继续从源20、18流出是可能的，这些材料会接触到热的氧化锆氧化 物传感器，这可以提供非计划的点火源。为了解决火焰熄灭的情况， 现有技术方法(包括图1中示出的)一般包括火焰扫描器28，火焰扫 描器28被部署用于提供指示燃烧器16处存在火焰30的信号。该火焰 扫描器信号已被提供以允许实现对火焰熄灭情况的适当反应。在过去， 火焰扫描器信号被用来关闭燃料阀门和/或关闭分析仪的电源以对探 针组件12内的加热器断电。在很多情况下，该电源关闭允许将氧化锆 氧化物传感器快速冷却到低于燃料点火温度之下的温度，从而创建了 安全环境。然而，当火焰30在燃烧器16处复燃时，分析仪加热器的 供电恢复了，但是变送器10不能够提供燃烧氧气信息，直到到达氧化 锆氧化物的工作温度为止。该到达工作温度的滞后典型地在10-45分 钟的量级，在该滞后期间，关键的燃烧启动阶段可能正在浪费燃料和/ 或导致过量的放射以及低效率。

图2是现场过程燃烧分析仪的概略视图，使用该现场过程燃烧分 析仪，本发明的实施例特别有用。一般将探针组件12配置为容纳传感 器核心组件30，包括临近金属保护圈34部署的扩散器32，金属保护 圈34被部署在测量单元36之后。如上所述，测量单元36在已升高的 温度处是可操作的，并且该已升高的温度由电子加热器38提供。测量 单元36和加热器38经由板40电耦合到变送器10。板40被配置为与 外壳44中的电板42啮合。板40还包括多个气体入口46和48，以分 别接收基准空气和校准气体。

氧化锆氧化物传感技术具有通过使用环境空气或者仪表气源作 为基准(20.95％氧气)的历史测量到的过程氧气。定期地，传感器可 能需要校准，在校准中，可以将精确控制量的氧气引入到传感器，并 暴露于测量单元36。相应地，端口46和48耦合到将基准气体和校准 气体引导到单元36的管道。将基准气体提供给氧化锆氧化物基底的远 离过程气体的一侧。然而，在校准期间，将校准气体提供给氧化锆基 底的与暴露于基准气体的一侧相对的那侧。通过这种方式，将每侧都 暴露于气体。

本发明的实施例一般使用任何不可燃气体(典型地，基准空气或 者校准气体)作为火焰熄灭情况期间的吹扫气体(purge gas)，以在测 量单元36和扩散器32之间提供连续流动的气体屏障。通过这种方式， 将可能在烟洞内堆积的可燃材料、爆炸性材料或者其他有害材料安全 地保持远离热的(在可燃材料或者爆炸性材料的燃点处或者之上的温 度)表面。

图3是依照本发明的实施例的现场燃烧过程分析仪的概略视图。 变送器50包括探针组件52，在其中包含了在足够高的温度处操作的 过程气体传感器，该足够高的温度是高到如果火焰30熄灭，在存在来 自源18的空气或者氧气的情况下，足以点燃来自源20的未燃烧的燃 料。如图3中所示出的，将来自火焰扫描器28的信号或者其他一些鲁 棒的数字输入耦合到安全系统54内的继电器或者开关。安全系统54 可以与变送器50集成在一起，或者与变送器50分开。此外，在变送 器50与安全系统54分开的实施例中，变送器50可以物理地远离系统 54。

安全系统54可操作地耦合到开关56，以选择性地将变送器50耦 合到加热器电源29。此外，安全系统54还可操作地耦合到气动阀58， 以选择性地将源60耦合到变送器50。相应地，一旦火焰扫描器报告 或者以其他方式指示火焰熄灭的情况，安全系统50可以操作阀门58 以将基准气体或吹扫气体引导到测量单元和扩散器之间。事实上，优 选地，阀门58具有正常情况下打开的未加电状态，以使得安全系统 54必须对阀门58加电以停止校准气流。虽然优选地使用空气或者校 准气体，然而可以使用任何适合的不可燃的吹扫气体。此外，可以使 用泵来将任何适合的吹扫气体(包括空气)引导到校准气体端口。本 领域技术人员将理解，安全系统54类似于现有的自动校准模块，并且 事实上，特定的模块可以是能够被编程的，或者以其他方式配置的， 以使得火焰熄灭信号将自动用于控制校准气体。此外，本领域技术人 员将理解，依照本发明的实施例，可以将安全系统54的各种阀门和信 号处理电路全部实施到现场过程气体分析仪中。从而，在变送器50 包括耦合到校准气体入口的适合的阀门的实施例中，变送器50自身可 以接收火焰熄灭情况的指示，并啮合校准气体阀门以将校准气体引导 到测量单元，将测量单元与潜在可燃或者爆炸性的材料隔离开。

相信可以利用已经部署的现场燃烧变送器中遗留下的东西来实 践本发明的实施例。此外，自动产生在热度升高的传感器测量单元之 间的流动的气体屏障对于保护该单元不与其他材料(例如，潜在的腐 蚀性或者破坏性的材料)接触可以是有用的。尽管确信本发明的实施 例提供了显著的安全和可用性优势，但是也可以将本发明的实施例与 典型的灭火器一起使用。

本发明的实施例一般利用电动-气动系统(部署在变送器中或者在 变送器外部)，以响应于对燃烧器火焰状态进行响应的电信号或者适合 的手动选择信号，将吹扫气体引入到校准端口中。气流吹扫测量单元 前面的容积，并阻止材料(例如，可燃气体)进入高温的潜在点火源 (测量单元36)。在正常操作下，对吹扫气体的阀门上电，并阻止校 准气流。在切换安全系统(例如，54)输入的情况下，关闭阀门电源， 并且随后而来的气流在几秒钟内阻止过程气体(燃料)到达加热区域。 该行为有利于当维持工作温度时的安全操作，从而在不关闭加热器电 源的情况下，使用紧急安全模式提供了备用的热启动能力。可以想到 还可以使用该系统来可选地与安全吹扫并行地对加热器断电。此外， 可以想到还可以特别选择加热器控制来允许测量单元冷却到适当地低 于过程气体的燃点的温度。一旦这种温度得到确认，可以减少基准气 流和/或校准气流。因此，在这种混合实施例中，不仅测量单元在低于 燃点的温度下，而且还可以使用某种流动的气体屏障。

图4a是探针组件452的末梢部分的概略视图。部分454包括容 纳扩散器432的末梢端456。在正常操作期间，如图4a所示，过程燃 烧气体通过扩散器432扩散，并接触到传感器458。校准气体管道460 耦合到部署在传感器458和扩散器432之间的校准气体出口462。在 正常操作期间，如X 464示出的，没有校准气体流过管道460。

图4b是在校准期间的探针组件452的概略视图。在校准期间， 通过管道460提供校准气体，校准气体在端口462处进入探针组件 432。校准气体流填充传感器458和扩散器432之间的区域。依靠其已 知的构成，在校准气体靠近传感器458时，传感器458所获得的测量 允许检测到错误并补偿错误。本发明的实施例一般利用了出口462的 定位以在检测到不安全的情况时(例如火焰熄灭或者手动备用的情况) 提供不可燃的气体(例如，基准空气、校准气体或者其他任何适合的 气体)。

图5是依照本发明的实施例，在现场过程燃烧分析仪中操作的方 法的流程图。方法100开始于步骤102，在步骤102处，分析仪的加 热器要将过程分析气体传感器(例如，过程分析氧气传感器)加温到 工作温度。如上所阐述的，典型的氧化锆氧化物氧气传感器的工作温 度是大约700摄氏度。方法100继续到步骤104，在步骤104处，分 析仪等待，直到到达工作温度。一旦已经到达工作温度，控制转到步 骤106，在步骤106中，过程分析仪开始提供过程气体测量，例如， 过程氧气等级。在步骤108处，接收到火焰熄灭指示。可以通过现场 过程氧气分析仪、该过程氧气分析仪外部的设备、或者其两者来接收 该火焰熄灭指示。不管怎样，一旦接收到火焰熄灭指示，控制转到步 骤110，在步骤110处，校准气体的源将在热度升高的测量单元和接 近扩散器的任何材料之间产生气体屏障。这种材料可以包括可燃的或 者可能爆炸的过程气体，然而也可以包括对测量单元可具有有害影响 的任何材料。在接收到火焰熄灭指示时，可以由变送器自身和/或外部 设备负责该气体流。在步骤110中时，过程气体分析仪的测量单元优 选地至少维持在升高的温度处，并且优选地在完全工作的温度处。方 法100保持在步骤110的状态，直到火焰熄灭的情况消除，在此时， 控制沿着线路112返回到步骤106，并且分析仪开始提供测量。然而， 在探针的热控制系统已经允许测量单元冷却到低于工作温度的温度的 实施例中，控制返回到步骤102，在步骤102处，对加热器上电，以 将测量单元加热到工作温度。

尽管已经参照优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技 术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行形 式和细节上的改变。