專利名稱：用于在現(xiàn)場過程分析儀中使用的火焰安全系統(tǒng)的制作方法
用于在現(xiàn)場過程分析儀中使用的火焰安全系統(tǒng)
背景技術(shù)：
工業(yè)過程產(chǎn)業(yè)主要依賴于包括一個或多個燃燒過程的能量源。這種燃燒過程包括熔爐(furnace )或鍋爐(boiler)的操作，用于從燃燒產(chǎn)生能量，能量然后被用于過程(process)。在燃燒提供了相對低成本的能量的同時，其使用通常是受控的，并且尋求將燃燒效率最大化。相應(yīng)地，過程管理產(chǎn)業(yè)的一個目標是通過將現(xiàn)有的熔爐和鍋爐的燃燒效率最大化來降低溫室氣體的產(chǎn)生。通常使用現(xiàn)場(in situ)分析儀或者過程(in-process)分析儀來監(jiān)控、優(yōu)化和控制燃燒過程。典型地，這些分析儀使用被加熱到相對高的溫度并在熔爐或鍋爐的燃燒區(qū)域的緊上方或附近操作的傳感器。已知的分析儀，例如可以從俄亥俄州Solon市的Rosemount Analytical Inc.公司(一家愛默生過程管理公司)買到的、以商品名X-StreamO2Combustion Flue Gas Transmitter出售的分析儀,常常使用被加熱到高于大約700攝氏度(1300華氏度)的溫度的氧化鋯氧化物。如果燃燒過程會經(jīng)歷火焰熄滅的情況，則原料燃料和空氣可以接觸到該傳感器，傳感器由于其已經(jīng)升高的溫度，可能變成點火源，具有促成爆炸的可能性。已知的分析儀一般使用燒結(jié)金屬或者位于測量單元和過程燃燒氣體之間的其他擴散器，以允許過程氣體擴散到測量區(qū)域，同時最小化氣流影響并降低測量單元污染。擴散器容易使得過程氣體接觸到已加熱的測量單元自身，并且在過程燃燒氣體被替換為可燃性氣體時，產(chǎn)生爆炸。如果燃燒火焰熄滅并且燃料繼續(xù)流出，該情況便可能發(fā)生。一些過程分析儀被認可用于危險區(qū)域操作。一些認可包括由加拿大標準協(xié)會(CSA)、工廠相互保險組織(FM)、防爆指令(ATEX)等提供的認可。典型地，危險區(qū)域認可的分析儀包括添加到擴散器的滅火器，該滅火器旨在用于熄滅或者以其他方式抑制在加熱的測試單元的前端可能發(fā)生的爆炸，從而防止點燃鍋爐或者燃燒區(qū)域中的較大的燃料量。這些滅火器已在過去經(jīng)過了測試并被認可。然而，相信可以提高由這種滅火器所提供的安全。此外，滅火器的利用可能在一定程度上抑制了對測量單元的訪問，從而增加了測量滯后。本領(lǐng)域最新的過程安全系統(tǒng)一般提供火焰掃描器，以向操作員告警和/或發(fā)送電信號，該電信號指示火焰已經(jīng)熄滅并且原料燃料可能正在流動。全自動系統(tǒng)立即關(guān)閉燃料流動，而手動系統(tǒng)一般要求操作員的干預(yù)。在對過程燃燒器或者鍋爐進行初始點火期間，其中燃料被引入到該燃燒器或者鍋爐中，并且使用點火源來引燃(initiate)火焰，這期間也可能出現(xiàn)潛在的危險情況。在一些情況下，原料燃料可以到達氧氣傳感器(由其自身的加熱器加熱到700攝氏度的溫度)，氧氣傳感器可能在計劃的點火源之前提供點火源。這可以導(dǎo)致潛在的閃燃或者爆炸。典型地，或者在氧氣傳感器上使用滅火器，或者在鍋爐或熔爐啟動期間不給分析儀上電。不上電的分析儀是完全安全的，因為氧氣傳感器未被加熱，并從而不能形成非計劃的點火源。然而，由于在啟動后的30-45分鐘內(nèi)分析儀是不起作用的，所以該分析儀在關(guān)鍵的燃燒啟動階段是不可用的。這可能浪費燃料，并導(dǎo)致過量的放射和低效率。因此，需要提供安全啟動和故障情況操作二者、同時依然容易獲得的分析儀系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
提供了對具有測量單元的過程燃燒分析儀進行操作的方法。該方法包括將測量單元暴露于燃燒過程的廢氣，在燃燒過程中，燃料和氧氣在燃燒器中結(jié)合而產(chǎn)生火焰。測量單元被加熱到高于燃料燃點的溫度。當檢測到異常或者故障情況時，將氣體引導(dǎo)向測量單元，以在情況存在時，在測量單元和未燃燒的燃料之間形成氣體屏障。一旦情況消除，切斷氣流，并且提供過程燃燒氣體測量。


圖I是現(xiàn)場燃燒過程分析儀的概略視圖，使用該現(xiàn)場燃燒過程分析儀，本發(fā)明的實施例特別有用。 圖2是依照本發(fā)明的實施例的有用的過程分析氧氣傳感器的概略分解圖。圖3是依照本發(fā)明的實施例的現(xiàn)場燃燒過程分析儀的概略視圖。圖4a是在正常情況期間操作的探針組件的一部分的概略視圖。圖4b是在校準期間，探針組件的一部分的概略視圖。圖5是依照本發(fā)明的實施例的操作現(xiàn)場燃燒過程分析儀的方法的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例主要是在已加熱的過程分析傳感器和潛在可燃的或者有害的環(huán)境之間提供氣體屏障。將一般地關(guān)于現(xiàn)場過程分析氧氣分析儀來對本發(fā)明的實施例進行描述，然而本發(fā)明的實施例可應(yīng)用于操作在有可能產(chǎn)生非計劃的、針對可燃的或者爆炸性的材料的燃點的溫度處的任何過程分析傳感器。有利地，本發(fā)明的實施例可以允許傳統(tǒng)的過程分析硬件通過新的方式進行操作，該新的方式降低或者最小化了未計劃點火的可能性，同時還在一旦發(fā)起燃燒過程，就提供基本上立即的過程分析測量的好處。圖I是依照現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)場過程燃燒分析儀的概略視圖。變送器10可以是任何適合的分析儀，包括以上列出的X-Stream O2 Combustion Flue Gas Transmitter。變送器10包括暴露在煙道(stack)或者煙洞(flue)內(nèi)的探針組件12，并測量與在燃燒器16處發(fā)生的燃燒有關(guān)的至少一個參數(shù)。典型地，變送器10是氧氣變送器，然而也可以是測量與燃燒過程有關(guān)的任何適合參數(shù)的任何設(shè)備。燃燒器16可操作地耦合到空氣或氧氣的源18以及可燃燃料的源20。為了控制燃燒過程，源18和20中的每一個優(yōu)選地通過某種種類的閥門耦合到燃燒器，以向燃燒器16傳送受控量的氧氣和/或燃料。變送器10測量燃燒廢氣流中的氧氣的量，并向燃燒控制器22提供氧氣等級的指示?？刂破骺刂崎y門24、26之一，以提供閉環(huán)的燃燒控制。變送器10包括氧氣傳感器，該氧氣傳感器通常使用氧化鋯氧化物傳感器基底來提供指示廢氣中的氧氣濃度、含量或者百分比的電信號。氧化鋯氧化物傳感器在大約700攝氏度的溫度處工作，并因此變送器10在探針組件12內(nèi)包含可操作地耦合到AC電源29的電加熱器。AC電源29可以是110或220V的AC電源，其向探針組件12中的一個或多個電加熱元件提供能量，以將氧化鋯氧化物傳感器基底加熱到適合的溫度。應(yīng)該理解，如果燃燒器經(jīng)歷火焰熄滅的情況，原料燃料和空氣分別繼續(xù)從源20、18流出是可能的，這些材料會接觸到熱的氧化鋯氧化物傳感器，這可以提供非計劃的點火源。為了解決火焰熄滅的情況，現(xiàn)有技術(shù)方法(包括圖I中不出的)一般包括火焰掃描器28,火焰掃描器28被部署用于提供指示燃燒器16處存在火焰30的信號。該火焰掃描器信號已被提供以允許實現(xiàn)對火焰熄滅情況的適當反應(yīng)。在過去，火焰掃描器信號被用來關(guān)閉燃料閥門和/或關(guān)閉分析儀的電源以對探針組件12內(nèi)的加熱器斷電。在很多情況下，該電源關(guān)閉允許將氧化鋯氧化物傳感器快速冷卻到低于燃料點火溫度之下的溫度，從而創(chuàng)建了安全環(huán)境。然而，當火焰30在燃燒器16處復(fù)燃時，分析儀加熱器的供電恢復(fù)了，但是變送器10不能夠提供燃燒氧氣信息，直到到達氧化鋯氧化物的工作溫度為止。該到達工作溫度的滯后典型地在10-45分鐘的量級，在該滯后期間，關(guān)鍵的燃燒啟動階段可能正在浪費燃料和/或?qū)е逻^量的放射以及低效率。圖2是現(xiàn)場過程燃燒分析儀的概略視圖，使用該現(xiàn)場過程燃燒分析儀，本發(fā)明的
實施例特別有用。一般將探針組件12配置為容納傳感器核心組件30，包括臨近金屬保護圈34部署的擴散器32，金屬保護圈34被部署在測量單元36之后。如上所述，測量單元36在已升高的溫度處是可操作的，并且該已升高的溫度由電子加熱器38提供。測量單元36和加熱器38經(jīng)由板40電耦合到變送器10。板40被配置為與外殼44中的電板42嚙合。板40還包括多個氣體入口 46和48，以分別接收基準空氣和校準氣體。氧化鋯氧化物傳感技術(shù)具有通過使用環(huán)境空氣或者儀表氣源作為基準(20. 95%氧氣)的歷史測量到的過程氧氣。定期地，傳感器可能需要校準，在校準中，可以將精確控制量的氧氣引入到傳感器，并暴露于測量單元36。相應(yīng)地，端口 46和48耦合到將基準氣體和校準氣體引導(dǎo)到單元36的管道。將基準氣體提供給氧化鋯氧化物基底的遠離過程氣體的一側(cè)。然而，在校準期間，將校準氣體提供給氧化鋯基底的與暴露于基準氣體的一側(cè)相對的那側(cè)。通過這種方式，將每側(cè)都暴露于氣體。本發(fā)明的實施例一般使用任何不可燃氣體(典型地，基準空氣或者校準氣體)作為火焰熄滅情況期間的吹掃氣體(purge gas)，以在測量單元36和擴散器32之間提供連續(xù)流動的氣體屏障。通過這種方式，將可能在煙洞內(nèi)堆積的可燃材料、爆炸性材料或者其他有害材料安全地保持遠離熱的(在可燃材料或者爆炸性材料的燃點處或者之上的溫度)表面。圖3是依照本發(fā)明的實施例的現(xiàn)場燃燒過程分析儀的概略視圖。變送器50包括探針組件52，在其中包含了在足夠高的溫度處操作的過程氣體傳感器，該足夠高的溫度是高到如果火焰30熄滅，在存在來自源18的空氣或者氧氣的情況下，足以點燃來自源20的未燃燒的燃料。如圖3中所示出的，將來自火焰掃描器28的信號或者其他一些魯棒的數(shù)字輸入I禹合到安全系統(tǒng)54內(nèi)的繼電器或者開關(guān)。安全系統(tǒng)54可以與變送器50集成在一起，或者與變送器50分開。此外,在變送器50與安全系統(tǒng)54分開的實施例中，變送器50可以物理地遠離系統(tǒng)54。安全系統(tǒng)54可操作地耦合到開關(guān)56，以選擇性地將變送器50耦合到加熱器電源29。此外，安全系統(tǒng)54還可操作地耦合到氣動閥58，以選擇性地將源60耦合到變送器50。相應(yīng)地，一旦火焰掃描器報告或者以其他方式指不火焰熄滅的情況，安全系統(tǒng)50可以操作閥門58以將基準氣體或吹掃氣體引導(dǎo)到測量單元和擴散器之間。事實上，優(yōu)選地，閥門58具有正常情況下打開的未加電狀態(tài)，以使得安全系統(tǒng)54必須對閥門58加電以停止校準氣流。雖然優(yōu)選地使用空氣或者校準氣體，然而可以使用任何適合的不可燃的吹掃氣體。此夕卜，可以使用泵來將任何適合的吹掃氣體(包括空氣)引導(dǎo)到校準氣體端口。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，安全系統(tǒng)54類似于現(xiàn)有的自動校準模塊，并且事實上，特定的模塊可以是能夠被編程的，或者以其他方式配置的，以使得火焰熄滅信號將自動用于控制校準氣體。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，依照本發(fā)明的實施例，可以將安全系統(tǒng)54的各種閥門和信號處理電路全部實施到現(xiàn)場過程氣體分析儀中。從而，在變送器50包括耦合到校準氣體入口的適合的閥門的實施例中，變送器50自身可以接收火焰熄滅情況的指示，并嚙合校準氣體閥門以將校準氣體引導(dǎo)到測量單元，將測量單元與潛在可燃或者爆炸性的材料隔離開。相信可以利用已經(jīng)部署的現(xiàn)場燃燒變送器中遺留下的東西來實踐本發(fā)明的實施例。此外，自動產(chǎn)生在熱度升高的傳感器測量單元之間的流動的氣體屏障對于保護該單元不與其他材料(例如，潛在的腐蝕性或者破壞性的材料)接觸可以是有用的。盡管確信本發(fā)明的實施例提供了顯著的安全和可用性優(yōu)勢，但是也可以將本發(fā)明的實施例與典型的滅火器一起使用。本發(fā)明的實施例一般利用電動-氣動系統(tǒng)(部署在變送器中或者在變送器外部)， 以響應(yīng)于對燃燒器火焰狀態(tài)進行響應(yīng)的電信號或者適合的手動選擇信號，將吹掃氣體引入到校準端口中。氣流吹掃測量單元前面的容積，并阻止材料(例如，可燃氣體)進入高溫的潛在點火源(測量單元36)。在正常操作下，對吹掃氣體的閥門上電，并阻止校準氣流。在切換安全系統(tǒng)(例如，54)輸入的情況下，關(guān)閉閥門電源，并且隨后而來的氣流在幾秒鐘內(nèi)阻止過程氣體(燃料)到達加熱區(qū)域。該行為有利于當維持工作溫度時的安全操作，從而在不關(guān)閉加熱器電源的情況下，使用緊急安全模式提供了備用的熱啟動能力。可以想到還可以使用該系統(tǒng)來可選地與安全吹掃并行地對加熱器斷電。此外，可以想到還可以特別選擇加熱器控制來允許測量單元冷卻到適當?shù)氐陀谶^程氣體的燃點的溫度。一旦這種溫度得到確認，可以減少基準氣流和/或校準氣流。因此，在這種混合實施例中，不僅測量單元在低于燃點的溫度下，而且還可以使用某種流動的氣體屏障。圖4a是探針組件452的末梢部分的概略視圖。部分454包括容納擴散器432的末梢端456。在正常操作期間，如圖4a所示，過程燃燒氣體通過擴散器432擴散，并接觸到傳感器458。校準氣體管道460耦合到部署在傳感器458和擴散器432之間的校準氣體出口 462。在正常操作期間，如X 464示出的，沒有校準氣體流過管道460。圖4b是在校準期間的探針組件452的概略視圖。在校準期間，通過管道460提供校準氣體，校準氣體在端口 462處進入探針組件432。校準氣體流填充傳感器458和擴散器432之間的區(qū)域。依靠其已知的構(gòu)成，在校準氣體靠近傳感器458時，傳感器458所獲得的測量允許檢測到錯誤并補償錯誤。本發(fā)明的實施例一般利用了出口 462的定位以在檢測到不安全的情況時(例如火焰熄滅或者手動備用的情況)提供不可燃的氣體(例如，基準空氣、校準氣體或者其他任何適合的氣體)。圖5是依照本發(fā)明的實施例，在現(xiàn)場過程燃燒分析儀中操作的方法的流程圖。方法100開始于步驟102，在步驟102處，分析儀的加熱器要將過程分析氣體傳感器(例如，過程分析氧氣傳感器)加溫到工作溫度。如上所闡述的，典型的氧化鋯氧化物氧氣傳感器的工作溫度是大約700攝氏度。方法100繼續(xù)到步驟104，在步驟104處，分析儀等待，直到到達工作溫度。一旦已經(jīng)到達工作溫度，控制轉(zhuǎn)到步驟106，在步驟106中，過程分析儀開始提供過程氣體測量，例如，過程氧氣等級。在步驟108處，接收到火焰熄滅指示?？梢酝ㄟ^現(xiàn)場過程氧氣分析儀、該過程氧氣分析儀外部的設(shè)備、或者其兩者來接收該火焰熄滅指示。不管怎樣，一旦接收到火焰熄滅指示，控制轉(zhuǎn)到步驟110，在步驟110處，校準氣體的源將在熱度升高的測量單元和接近擴散器的任何材料之間產(chǎn)生氣體屏障。這種材料可以包括可燃的或者可能爆炸的過程氣體，然而也可以包括對測量單元可具有有害影響的任何材料。在接收到火焰熄滅指示時，可以由變送器自身和/或外部設(shè)備負責(zé)該氣體流。在步驟110中時，過程氣體分析儀的測量單元優(yōu)選地至少維持在升高的溫度處，并且優(yōu)選地在完全工作的溫度處。方法100保持在步驟110的狀態(tài)，直到火焰熄滅的情況消除，在此時，控制沿著線路112返回到步驟106，并且分析儀開始提供測量。然而，在探針的熱控制系統(tǒng)已經(jīng)允許測量單元冷卻到低于工作溫度的溫度的實施例中，控制返回到步驟102，在步驟102處，對加熱 器上電，以將測量單元加熱到工作溫度。盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識至IJ，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進行形式和細節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.一種對具有測量單元的過程燃燒分析儀進行操作的方法，所述方法包括 將所述測量單元暴露于燃燒過程的廢氣，在所述燃燒過程中，燃料和氧氣在燃燒器中結(jié)合而產(chǎn)生火焰； 將所述測量單元加熱到高于所述燃料的燃點之上的溫度； 檢測一種情況，并且當所述情況存在時，將吹掃氣體引導(dǎo)到所述測量單元，以在所述測量單元與未燃燒的燃料之間形成氣體屏障；以及 在所述情況消除時，切斷所述吹掃氣體的流，并提供過程燃燒氣體測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，使用探針組件中靠近所述測量單元部署的加熱元件對所述測量單元進行加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，將所述探針組件部署在煙道中。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述過程氣體測量是過程氧氣測量，以及，所述溫度大約700攝氏度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，檢測一種情況還包括在所述情況期間降低加熱器功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，在所述情況消除時，基本上立即提供過程氣體測量。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述情況是火焰熄滅的情況。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述情況是手動備用選擇情況。
9.一種與過程氣體變送器一起使用的安全系統(tǒng)，所述安全系統(tǒng)包括 電動-氣動閥門，流控式插入在吹掃氣體的源與過程氣體變送器的校準氣體入口之間；以及 輸入，可操作地耦合到所述電動-氣動閥門，以使得吹掃氣體在檢測到的情況期間流入到所述變送器中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的安全系統(tǒng)，其中，所述電動-氣動閥門具有正常打開狀態(tài)和閉合狀態(tài)，在所述正常打開狀態(tài)下，吹掃氣體源與所述過程氣體變送器上的校準氣體入口流控式耦合，在所述閉合狀態(tài)下，斷開所述吹掃氣體源和所述校準氣體入口之間的耦合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的安全系統(tǒng)，還包括開關(guān)，其可操作地耦合到所述輸入，并且電氣插入在電源和部署于所述過程氣體變送器內(nèi)的至少一個電加熱元件之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的安全系統(tǒng)，其中，所述吹掃氣體源包括將所述吹掃氣體提供到所述變送器的校準氣體入口中的泵。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的安全系統(tǒng)，其中，所述輸入是火焰掃描器輸入。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的安全系統(tǒng)，其中，所述輸入是備用選擇輸入。
15.一種過程氣體變送器，包括 探針組件，配置為暴露于煙道內(nèi)的燃燒廢氣，所述探針組件包括擴散器、測量單元和靠近所述測量單元部署以將所述測量單元加熱到工作溫度的加熱器，其中，所述工作溫度至少與燃燒的燃料的燃點一樣高； 電板，可操作地耦合到所述探針組件，所述電板被配置為在所述測量單元處于工作溫度時，從所述測量單元獲得過程氣體測量； 氣閥，流控式地插入在吹掃氣體的源和所述探針組件的校準氣體入口之間，所述氣閥可操作地耦合到輸入，其中，所述氣閥允許當所述輸入處的信號指示一種情況時，吹掃氣體從源流到在所述測量單元與所述擴散器之間的探針組件中的位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的過程氣體變送器，其中，所述加熱器電耦合到電源，并且在所述情況期間將所述測量單元維持在工作溫度處。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的過程氣體變送器，其中，所述吹掃氣體的源包括泵，所述泵可操作地將吹掃氣體引導(dǎo)到在所述測量單元與所述擴散器之間的探針組件中的位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的過程氣體變送器，其中，所述輸入是火焰掃描器輸入，所述情況是火焰熄滅的情況。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的過程氣體變送器，其中，所述輸入是備用選擇輸入，所述情況是所選擇的備用情況。
全文摘要
提供了對具有測量單元(36)的過程燃燒分析儀(10)進行操作的方法(100)。該方法包括將測量單元暴露于燃燒過程的廢氣，在燃燒過程中，燃料(20)和氧氣(18)在燃燒器(16)中結(jié)合而產(chǎn)生火焰。將測量單元加熱(102)到高于燃料燃點的溫度。當檢測(108)到例如故障或者異常情形之類的情況時，將氣體引導(dǎo)(110)到測試單元(36)，從而在檢測到的情況存在時，形成測試單元(36)和未燃燒的燃料(20)之間的屏障。一旦情況消除，切斷氣流，并且提供過程燃燒氣體測量。
文檔編號F16K31/02GK102725571SQ201080012862
公開日2012年10月10日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者愛德華·J·貝利 申請人:羅斯蒙德分析公司