一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断系统及方法

摘要

本发明提供一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断系统及方法，以生物质燃油作为燃烧剂，以热空气作为雾化介质，将两者混合后雾化喷吹至燃烧室内进行燃烧，同时送入氧浓度为24~99.5vt%的热空气保证生物质燃油在富氧/全氧条件下燃烧；监测实时燃烧室压，基于时间序列混沌特性识别理论，对燃烧效果进行实时诊断，根据诊断结果调整燃烧剂的喷吹状态，使燃烧状态保持在混沌状态，解决了生物质燃油燃烧完全、燃烧效率高的混沌燃烧状态的实时诊断问题，具有检测精度高、测试效率高、鲁棒性强等优点。

权利要求

1.一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断方法，该方法在生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断系统中进行，该系统包括过生物质燃油燃烧器、室压传感器和混沌识别系统；室压传感器置于生物质燃油燃烧器的燃烧室内，并与混沌识别系统通过导线连接，可进行数据信号传输；混沌识别系统根据室压传感器传输的室压数据对燃烧状态进行识别；

将生物质燃油过滤、脱水并加压加热，同时将空气空气加压、加热，得到热空气，然后将两者混合，通过高压雾化间歇式喷吹的方式送入生物质燃油燃烧器燃烧室，并送入助燃剂点火燃烧，同时送入氧浓度为24 99.5vt%的热空气；通过室压传感器测取燃烧室内室压数~据，传输至混沌识别系统进行识别：当最终度量值为0时，说明燃烧状态处于周期状态，当最终度量值大于0时，说明该燃烧状态处于混沌状态，当最终度量值小于0时，说明燃烧状态处于伪周期状态。

2.根据权利要求1所述的生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断方法，其特征在于，所述生物质燃油燃烧器为工业炉窑高压内混式雾化喷吹生物质燃油燃烧器。

3.根据权利要求1所述的生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断方法，其特征在于，生物质燃油加压加热至1.0MPa、50 80℃。

~

4.根据权利要求1所述的生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断方法，其特征在于，空气加压加热至1.2 1.7MPa、160 80℃。

~ ~

5.根据权利要求1所述的生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断方法，其特征在于，助燃剂为0#柴油。

6.根据权利要求1所述的生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断方法，其特征在于，每个工况点测取500 10000循环的室压数据。

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说明书

一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断系统及方法，属于能源与环境技术领域。

背景技术

[0002] 随着冶金工业的快速发展，其对能源燃料的需求量亦越来越大。我国冶金炉窑约为14万台，年耗能8.2亿吨标煤，占全国总能耗的19.86%，占工业总能耗的30%，有色冶金炉
窑占冶金炉窑总数的60%以上。各种冶金工业炉窑在生产过程中，节能降耗、降低运行成本、
减少环境污染等已经成为冶金企业在市场竞争中求生存、谋发展的关键。在当前的冶金工
业炉窑燃烧系统中，能源燃料大多采用煤炭、石油等化石类燃料或者工业煤气等，但这些燃
料不仅均属于不可再生能源，而且由于这些燃料中含有较高的硫元素，其排放的颗粒物及
硫化物亦会造成严重的大气及环境污染，能耗较高。为了缓解日益严重的能源危机、减少大
气环境污染以及促进经济社会的可持续发展，势必需要环保、可再生的生物燃料替代常规
能源。

[0003] 强化供热技术是冶金炉窑节能增效的核心技术，现有的冶金炉窑强化供热一般采用加大富氧/燃料供应量的方式，熔池熔炼炉加大富氧供应量存在搅拌过度喷溅冲刷导致
炉体寿命短、搅拌不均匀导致炉渣中有价金属含量高和金属直收率低，而加热炉加大燃料
供应量存在炉内燃料燃烧不完全、炉温不均匀导致被加热的金属工件过热过烧及产品成材
率低等难题。为了对燃烧系统非线性特征进行描述，Daw等建立了一种简单的模型对燃烧过
程进行了研究，并认为非线性燃烧过程中可能存在混沌特性；但是目前对燃烧系统内在混
沌特性的认识还不充分。目前，在生物质能源转化利用技术中，生物质燃油的主要应用是提
纯高品位液体燃料和直接燃烧，但是由于生物质燃油粘度大，燃烧效率较低，一般燃烧器雾
化质量很差，不完全燃烧热损失较大。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断系统及方法，以生物质燃油作为燃烧剂，以热空气作为雾化介质，将两者混合后雾化喷吹至燃烧室内进
行燃烧，同时送入氧浓度为24 99.5vt%的热空气保证生物质燃油在富氧/全氧条件下燃烧；
~
监测实时燃烧室压，基于时间序列混沌特性识别理论，对燃烧效果进行实时诊断，根据诊断
结果调整燃烧剂的喷吹状态，使燃烧状态保持在混沌状态。本发明实现了生物质燃油富氧/
全氧燃烧状态的实时监测与甄别，解决了生物质燃油燃烧不完全、燃烧效率低的关键问题。

[0005] 本发明采用以下技术方案实现：

[0006] 一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断系统，包括生物质燃油燃烧器、室压传感器及混沌识别系统；室压传感器置于生物质燃油燃烧器的燃烧室内，并与混沌识别系
统通过导线连接，可进行数据信号传输；混沌识别系统根据室压传感器传输的室压数据对
燃烧状态进行识别。

[0007] 优选地，所述生物质燃油燃烧器为工业炉窑高压内混式雾化喷吹生物质燃油燃烧器。

[0008] 一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断方法，将生物质燃油过滤、脱水并加压加热，同时将空气加压加热，然后将两者混合，通过高压雾化间歇式喷吹送入生物质燃油
燃烧器的燃烧室，并送入助燃剂点火燃烧，同时送入氧浓度为24 99.5vt%的热空气；通过室
~
压传感器测取燃烧室内室压数据，每个工况点测取500 10000循环的室压数据，传输至混沌
~
识别系统进行识别：当最终度量值为0时，说明燃烧状态处于周期状态，当最终度量值大于0
时，说明该燃烧状态处于混沌状态，当最终度量值小于0时，说明燃烧状态处于伪周期状态。

[0009] 优选地，生物质燃油加压加热至1.0MPa、50 80℃。~

[0010] 优选地，空气加压加热至1.2 1.7MPa、160 80℃。~ ~

[0011] 优选地，助燃剂为0#柴油。

[0012] 本发明原理：通过室压传感器获取生物质燃油燃烧器燃烧室的室压信号x1传输至混沌识别系统，混沌识别系统将室压时间序列x（1 长度为N）划分为Q个单增的子集x1,（j 长度
为nj），使得 ，其中j=0,1,2,…,Q-1，且n0=n；对单增子集x1,j进行升序排列；计
算各单增子集的最大斜率Sj，并对x1,j中的相同值依据时间指数进行升序排列；将斜率子集
S划分为P个单增子集V（k 长度为mk），使得 ，其中k=0,1,2,…,P-1，且m0>2；针对
每一个Vk，计算标准偏差σS,k，并推导相应的生长速率μk=μ(Nk，n)=log(1+σS,k)/logN；基于μk的集合，利用如下公式：

[0013]

[0014]

[0015] 推导所得，其中uk=mk/P。当最终度量值λ(n)为0时，说明燃烧状态处于周期状态，当最终度量值大于0时，说明该燃烧状态处于混沌状态，当最终度量值小于0时，说明燃烧状态
处于伪周期状态。

[0016] 本发明的有益效果是：

[0017] 1、间歇式喷吹方式有助于增大生物质燃油在燃烧室中燃烧效率，易于点火，起到了省油作用；

[0018] 2、通过室压传感器获取生物质燃油燃烧的室压信号，有助于实时监控燃烧效果；

[0019] 3、提出基于生物质燃油富氧/全氧雾化燃烧室压的混沌诊断方法，高效精准，并根据诊断结果，调整燃烧剂喷吹状态，使燃烧状态保持在混沌状态，对提高生物质富氧/全氧
的燃烧效率具有重要作用。

附图说明

[0020] 图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。实施例

[0022] 一种生物质燃油富氧/全氧混沌燃烧实时诊断系统，包括生物质燃油燃烧器、室压传感器及混沌识别系统；室压传感器置于生物质燃油燃烧器的燃烧室内，并与混沌识别系
统通过导线连接，可进行数据信号传输；混沌识别系统根据室压传感器传输的室压数据对
燃烧状态进行识别。所述生物质燃油燃烧器为工业炉窑高压内混式雾化喷吹生物质燃油燃
烧器。

[0023] 将生物质燃油（如小桐子油、橡胶籽油、木质素液化生物油等）过滤、脱水并加压加热至1.0MPa、80℃，同时将空气加压加热至1.2MPa、160℃，将两者通过自动调节阀门控制装
置送入生物质燃油燃烧器的高压油气混合室内进行混合；高压喷吹油枪从生物质燃油燃烧
器的四周插入燃烧室内，将生物质燃油和加压加热后的空气的混合物经过喷嘴通过高压雾
化间歇式喷吹的方式送入燃烧室，利用0#柴油作为助燃剂辅助点火燃烧，同时送入氧浓度
为24 99.5vt%的热空气；通过室压传感器测取燃烧室内室压数据时间序列，每个工况点测
~
取500 10000循环的室压数据，即x1，传输至混沌识别系统，混沌识别系统将室压时间序列x1
~
（长度为N=500~10000）划分为Q=1000个单增的子集x1,（j 长度为nj），使得 ，其
中j=0,1,2,…,Q-1，且n0=n=50；对单增子集x1,j进行升序排列；计算各单增子集的最大斜率
Sj，并对x1,j中的相同值依据时间指数进行升序排列；将斜率子集S划分为P=998个单增子集
V（k 长度为mk），使得 ，其中k=0,1,2,…,P-1，且m0>2；针对每一个Vk，计算标准
偏差σS,k，并推导相应的生长速率μk=μ(Nk，n)=log(1+σS,k)/logN；基于μk的集合，利用如下公式：

[0024]

[0025]

[0026] 推导所得，其中uk=mk/P。当最终度量值λ(n)为0时，说明燃烧状态处于周期状态，当最终度量值大于0时，说明该燃烧状态处于混沌状态，当最终度量值小于0时，说明燃烧状态
处于伪周期状态。

[0027] 为了说明斜率的计算问题，以下例作为说明。

[0028] 考虑时间序列 QUOTE    ，即x1=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12, 7,13,9,19,10,6,30) ，其中有30个数值。考虑x1的14个子集：

[0029] x1,0=(4, 8,22,11,3,2)，

[0030] x1,1=(4, 8,22,11,3,2,13)，

[0031] x1,2=(4, 8,22,11,3,2,13,5)，

[0032] x1,3=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14)，

[0033] x1,4=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24)，

[0034] x1,5=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27)，

[0035] x1,6=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17)，

[0036] x1,7=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12)，

[0037] x1,8=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12, 7)，

[0038] x1,9=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12, 7,13)，

[0039] x1,10=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12, 7,13,9)，

[0040] x1,11=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12, 7,13,9,19)，

[0041] x1,12=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12, 7,13,9,19,10)，

[0042] x1,13=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12, 7,13,9,19,10,6)，

[0043] x1,14=(4, 8,22,11,3,2,13,5,14,24,27,17,12, 7,13,9,19,10,6,30)，

[0044] 对每个子集进行升序排列，分别得到其序号的序列：

[0045] A1,0=(6,5,1,2,4,3)，

[0046] A1,1=(6,5,1,2,4,7,3)，

[0047] A1,2=(6,5,1,8,2,4,7,3)，

[0048] A1,3=(6,5,1,8,2,4,7,9,3).

[0049] A1,4=(6,5,1,8,2,4,7,9,3,10)，

[0050] A1,5=(6,5,1,8,2,4,7,9,3,10,11)，

[0051] A1,6=(6,5,1,8,2,4,7,9,12,3,10,11)，

[0052] A1,7=(6,5,1,8,2,4,13,7,9,12,3,10,11)，

[0053] A1,8=(6,5,1,8,14,2,4,13,7,9,12,3,10,11)，

[0054] A1,9=(6,5,1,8,14,2,4,13,7,15,9,12,3,10,11)，

[0055] A1,10=(6,5,1,8,14,2,16,4,13,7,15,9,12,3,10,11)，

[0056] A1,11=(6,5,1,8,14,2,16,4,13,7,15,9,12,17,3,10,11)，

[0057] A1,12=(6,5,1,8,14,2,16,18,4,13,7,15,9,12,17,3,10,11)，

[0058] A1,13=(6,5,1,8,19,14,2,16,18,4,13,7,15,9,12,17,3,10,11)，

[0059] A1,14=(6,5,1,8,19,14,2,16,18,4,13,7,15,9,12,17,3,10,11,20)，

[0060] 考虑把指标序列（A1,j，0≤j≤14）成对邻近值的差值作为斜率，在A1,0中有6个斜率，在A1,14中有9个斜率。因此，最大斜率是这四个序列中的斜率最大值。在此例中，对于
A0,1，A1,1，A1,2，A1,3，A1,4，A1,5，A1,6，A1,7，A1,8，A1,9，A1,10，A1,11，A1,12，A1,13和A1,4，分别有S0=2，S1=
3，S2=7，S3=7，S4=7，S5=7，S6=7，S7=9，S8=9，S9=9，S10=14，S11=14，S12=14，S13=14以及S14=14。

[0061] 在本例中，σS,k为所有S0, S1, S2, …的标准偏差 ，即14362；

[0062] μk =log(1+σS,k)/logN为0.5425，0.5728，0.6179，0.6418，0.6655，0.6816，0.7001，0.7167，0.7297，0.7405，…；

[0063] uk=mk/P为0.0025，0.0034，0.0042，0.0051，0.0059，0.0067，0.0076，0.0084，0.0093，0.0101，… ；

[0064] 为0.0025，0.0034，0.0042，0.0051，0.0059，0.0068，0.0076，0.0084，0.0093，0.010，… ；

[0065] 为 0.8432。

[0066] >0，说明该情形下的生物质燃烧状态为混沌燃烧状态。

[0067] 上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前
提下作出各种变化。