Управление мощностью печей с помощью импульсного горения

Введение

Импульсный режим работы горелок является относительно новым методом контроля мощности тепловых установок. Он широко используется в Европе уже более двадцати лет, а количество импульсных горелок в Соединенных Штатах неуклонно растет. В этой статье обсуждаются основы импульсного горения, его сравнение с более традиционными методами управления, преимущества и недостатки, а также соображения при выборе системы импульсного горения. В статье также будет представлен список рекомендуемого управляющего оборудования (клапаны и контроллеры), необходимого для типичной системы импульсного горения.

Модуляция

Основная функция системы управления горением заключается в изменении подачи тепла в тепловой процесс в соответствии с его потребностями. В обычных системах горелки модулируются между большим и малым пламенем и могут работать в любом промежуточном режиме. Это амплитудно-модулирующий подход к регулированию, который требует горелок с хорошим динамическим диапазоном, чтобы соответствовать требованиям по изменению подводимого тепла для большинства применений. Как правило, группа горелок запускается и управляется вместе, поэтому такой подход обеспечивает хороший контроль и большую гибкость при разумной стоимости оборудования, при условии, что горелки имеют достаточный диапазон регулирования.

При частотно-модулированном управлении (импульсное зажигание) производится модуляция частоты работы горелок, которая регулирует подачу тепла в процесс. Горелки включаются в режиме сильного пламени в течение определенного времени, а затем циклически переключаются на слабый огонь (управление высоким-низким пламенем) или фактически выключаются (управление включением-выключением). Этот цикл повторяется довольно часто, обычно каждые 15–60 секунд. Продолжительность времени, в течение которого горелка находится в режиме сильного пламени, а затем в режиме малого пламени (или выключена), управляется контроллером процесса.

Этот метод управления был первоначально разработан, чтобы сделать возможным использование горелок с ограниченным динамическим диапазоном в системах, требующих большего динамического диапазона, чем это было возможно при амплитудно-модулированном регулировании. Установив на горелках отдельные регулирующие клапаны, можно управлять каждой горелкой независимо от всех других горелок, что обеспечивает большую гибкость управления. Это может привести к более точному контролю процесса, чем это возможно при более традиционном подходе, однако значительно увеличивает сложность и стоимость системы.

Методология управления

Системы сгорания с амплитудной модуляцией.

На рис. 1 показана схема типичной системы сгорания с амплитудной модуляцией. Дополнительные сведения об этом методе управления см. в руководствах по проектированию горелок Eclipse.

Рис. 1. Типичная система горения с амплитудной модуляцией.

В этом примере показаны одна регулирующая воздушная заслонка ❶ и один регулятор соотношения газ-воздух ❷ для всей зоны горелок. Когда процесс требует большего количества подводимого тепла, контроллер температуры подает сигнал на открытие воздушной заслонки управления подачей воздуха. Давление воздуха в горелке увеличивается из-за более высокого расхода воздуха через систему, в результате чего импульсная линия, расположенная за воздушным клапаном, направляет воздух в верхнюю камеру регулятора соотношения газ-воздух. Повышенное давление воздуха заставляет диафрагму опускаться, тем самым открывая седло клапана, чтобы обеспечить подачу большего количества газа в горелку. По мере того, как давление газа увеличивается после регулятора, это давление воздействует на диафрагму регулятора, создавая баланс давления между воздухом и газом. Давление газа на выходе примерно равно импульсному давлению воздуха. Регулятор оснащен заводской пружиной для компенсации веса узла диафрагмы. Эта пружина также используется для установки минимального пламени или минимального расхода газа для горелки.

В такой системе, когда контроллер запрашивает полную мощность, все горелки работают на полную мощность. Если контроллер запрашивает мощность 50%, все горелки работают на мощности 50%. Расход топлива является функцией импульсного давления воздуха, которое по сути является соотношением газ-воздух и зависит от характеристик регулятора. Большинство регуляторов не совсем линейны, и в результате соотношение между высокими и низкими настройками пламени будет несколько отличаться от желаемого значения. Другим недостатком является ограниченный диапазон регулирования, возможный в этой системе, обычно в диапазоне 6:1. Часто в зонах с несколькими горелками необходимо установить регулятор соотношения газ-воздух на каждой горелке, чтобы свести к минимуму проблемы с настройкой слабого пламени.

Система с частотной модуляцией в режимах высокое-низкое горение.

На рис. 2 показана схема типичной частотно-модулированной или импульсной системы горения.

Рис. 2. Типичная система с частотной модуляцией в режимах высокое-низкое горение.

В типичной импульсной системе на каждой горелке используется воздушный электромагнитный клапан ❶, заменяющий зональный регулирующий клапан. Когда системе управления необходима большая мощность, воздушный клапан открывается и давление воздуха после воздушного клапана увеличивается. Это увеличение давления передается по импульсной линии для открытия регулятора соотношения газ-воздух ❷. Этот регулятор выполняет ту же функцию, что и в системе с амплитудной модуляцией. Когда воздушный электромагнитный клапан закрывается, импульсное давление на регулятор уменьшается, и регулятор закрывается. Воздух и газ для слабого горения теперь направляются в горелку через байпасные линии вокруг соленоида воздуха ❸ и регулятора соотношения газ-воздух ❹. Вместо байпаса вокруг регулятора соотношения также можно использовать регулятор соотношения со встроенным перепускным отверстием. Вышеприведенное описание относится к системе управления высокого-низкого горения.

Система с частотной модуляцией в режимах горения ВКЛ-ВЫКЛ.

Импульсная система также может быть настроена на работу в режиме «вкл-выкл» путем закрытия газового электромагнитного клапана ❷ одновременно с закрытием воздушного клапана ❶. При использовании системы «вкл-выкл» обходные байпасные линии не требуются (рис. 3).

Рис. 3. Типичная система с частотной модуляцией в режимах горения ВКЛ-ВЫКЛ.

Импульсная система управления работает совершенно иначе, чем системы с амплитудной модуляцией. В основе всех импульсных систем управления лежит принцип программирования времени включения и выключения в зависимости от входного управляющего сигнала от контроллера. Фактический характер аппаратного обеспечения импульсной системы управления может варьироваться в широких пределах, и его можно варьировать в соответствии с конкретными потребностями заказчика. Ниже описывается традиционный метод импульсного управления.

Сущность метода импульсного управления.

В системе импульсного горения система преобразователя сигналов управляет работой электромагнитных клапанов через систему управления горелкой, специально предназначенную для импульсного горения. Импульсный контроллер получает сигнал 4-20 мА от регулятора температуры и через преобразователь преобразует этот аналоговый сигнал в сигнал пилообразного напряжения (рис. 4). Частота этого сигнала напряжения изменяется пропорционально входному сигналу регулятора температуры.

Рис. 4. Преобразование сигнала регулятора температуры.

Поскольку выходное напряжение импульсного преобразователя со временем увеличивается, каждая горелка в зоне последовательно активируется на разном уровне напряжения. Максимальный уровень напряжения и количество горелок определяют конкретный уровень напряжения активации для каждой горелки. На рис. 5 показан пример системы с четырьмя горелками.

Рис. 5. Пример напряжения срабатывания, определенного для каждой из горелок.

Время розжига является фиксированным, а следующий цикл розжига для данной горелки запускается только тогда, когда выходное напряжение снова увеличивается до того же уровня в следующем цикле. Когда контроллер запрашивает мощность более 95 %, все горелки остаются включенными на 100 % времени. В рамках контура регулирования управление горелкой берет на себя функцию непрерывного пропорционального регулирования. Получается пропорциональная зависимость между выходом регулятора и мощностью горелки. В этом примере сигнал 4 мА соответствует нулевому выходному сигналу, выходной сигнал 12 мА соответствует выходному сигналу 50 %, а выходной сигнал 20 мА соответствует выходному сигналу 100 % (рис. 6).

Рисунок 6: Период работы горелки в зависимости от требуемой мощности.

На рис. 7 показана типичная система управления с четырьмя горелками с последовательностью включения горелок для мощности 25 % и 50 %. Время включения горелки в этом случае составляет 7,5 секунды.

Рис. 7. Система с четырьмя горелками с последовательностями включения горелок для мощности 50% и 25%.

Потеря одного сигнала контроля пламени, независимо от причины, не влияет на работу других горелок в системе. Когда требуется тепло, импульсная система управления просто игнорирует любую горелку в последовательности без безопасного сигнала контроля пламени. Остальные горелки компенсируют до тех пор, пока не будет устранена причина неправильного сигнала.

Преимущества импульсного горения

Системы с импульсной или частотной модуляцией имеют ряд преимуществ по сравнению с системами с амплитудной модуляцией.

Диапазон регулирования.

Импульсная система управляет не амплитудой подачи топлива, а частотой и временем зажигания каждой горелки при заданной подаче топлива. Каждая горелка имеет свой воздушный клапан и свой газовый регулятор. Когда отдельная горелка не горит при сильном пламени, она либо продолжает гореть в предустановленном положении малого огня, либо полностью выключается. Если используется метод слабого пламени, общий динамический диапазон может быть равен двадцати к одному. Если горелка выключается, а затем перезапускается под контролем, может быть достигнут бесконечный динамический диапазон.

Равномерность температуры.

Возможна лучшая однородность температуры в печи или печи, поскольку система сжигания может быть спроектирована так, чтобы максимизировать циркуляцию газа в печи, тем самым повышая однородность температуры. Поскольку горелки работают на сильном огне во время цикла «включено», горелка всегда работает на максимальной скорости, что обеспечивает захват максимального количества топочных газов вместе с отходящими газами горелки. Это приблизит температуру смеси этих газов к температуре печи, что приведет к уменьшению количества горячих точек.

Эффективность.

Для импульсных систем заявлена экономия топлива в размере 20-25%, когда они заменяют пропорциональные системы или сравнивают их с ними. Одной из основных причин этого является лучший контроль соотношения воздух/топливо в процессе горения.

Выбросы.

Снижение загрязнения воздуха является результатом более точного контроля, предлагаемого импульсными системами. Поскольку большинство горелок выделяют самые низкие уровни NOx при работе в режиме сильного пламени, гарантируется, что горелка всегда будет работать в «самых чистых» условиях.

Контроль над процессом.

Может быть достигнута большая гибкость управления технологическим процессом, поскольку процесс поддается полному компьютерному управлению. Существует больше возможностей использовать различные графики обжига от одного обжига к другому. Большие динамические диапазоны могут обеспечить более высокие скорости нагрева без ущерба для контроля при пиковых температурах выдержки.

Импульсная система может работать не только в режиме только нагрева, но также может работать в режиме нагрева и охлаждения. Температуру печи можно быстро понизить, если это желательно или необходимо, используя режим охлаждения, при котором газовый электромагнитный клапан закрывается и управляются только воздушные клапаны. Если регулятор температуры снова требует тепла, горелки снова зажигаются и возобновляется режим нагрева.

В печах непрерывного действия или туннельных печах большее количество зон горелок может обеспечить большую гибкость в изменении температурно-временного профиля по длине печи. Поскольку зонирование не является «жестко закрепленным» в печи, можно предусмотреть больше зон и изменить зонирование намного проще, чем это было бы возможно в противном случае. Изменения требуют в основном замены проводки и контроллера, а не изменений в трубопроводах и оборудовании.

Недостатки импульсного горения.

Поскольку системы импульсного горения включают в себя больше компонентов, чем типичные системы с амплитудной модуляцией, первоначальные капиталовложения выше. Кроме того, зависимость от компьютерного управления увеличивает сложность системы до более высоких уровней, чем при использовании традиционных методов управления. Эта повышенная сложность требует более подготовленных проектировщиков систем, монтажников и обслуживающего персонала. Кроме того, использование компьютерного управления может создать у конечного пользователя ложное чувство уверенности в управлении процессом и безопасности.

Выбор оборудования

В основе системы импульсного горения лежат регулирующие электромагнитные клапаны на линиях подачи воздуха и газа к каждой горелке. Эти клапаны предназначены для работы на достаточно высокой частоте, чтобы реагировать на точные входные сигналы управления.

При частоте десять циклов в минуту, двенадцать часов в день, пять дней в неделю клапаны будут подвергаться 36 000 циклов в неделю. Типичные электромагнитные клапаны рассчитаны на один миллион циклов до отказа, и при частоте, необходимой для только что упомянутой импульсной системы, клапаны прослужат около шести месяцев. Это явно неприемлемо. Следовательно, выбранные клапаны должны быть разработаны специально для применения в импульсном режиме. В таблице 1 представлен обзор воздушных и газовых клапанов, подходящих для большинства приложений импульсного зажигания.

Таблица 1. Воздушные и газовые клапаны для импульсных систем

Чтобы гарантировать, что воздух проходит через горелку во время розжига, воздушный электромагнитный клапан должен быть установлен близко к воздухозаборному отверстию горелки. Кроме того, для постоянного контроля соотношения газ-воздух очень важно, чтобы на каждой горелке был установлен регулятор соотношения газ-воздух. В таблице 2 перечислены наиболее распространенные модели.

Таблица 2. Регуляторы соотношения газ-воздух для импульсных систем

Важно, чтобы главный регулятор подачи газа имел правильный размер. Чрезмерный перепад давления или давление на входе в регулятор соотношения недопустимы, поскольку это потенциально может повлиять на надежность зажигания.

Как было описано ранее, импульсные контроллеры используются для преобразования сигнала контроллера температуры и управления работой воздушных и газовых клапанов. Доступен ряд специализированных контроллеров: North American StepFire, Kromschröder PF, BCU, Hans Hennig mini ERUST 8 и другие. Эти  контроллеры обладают преимуществом компактной конструкции и требуют минимального программирования пользователем.

Из-за высокой стоимости этих специализированных контроллеров существует тенденция создавать системы управления импульсными горелками с помощью ПЛК. Эти системы предлагают ту же функциональность, что и специализированные системы, но их стоимость обычно на 20-40% ниже. Преимущество системы ПЛК перед специализированной системой контроллеров заключается не только в начальной стоимости. Большинство компонентов для системы ПЛК являются готовыми изделиями. Кроме того, большинство обслуживающего персонала знакомы с ПЛК, что значительно упрощает настройку и обслуживание этого оборудования.

P.S. Данная статья является переводом статьи Ad de Pijper, Eclipse Product Manager. «Combustion Control by Pulse Firing». Источник: docuthek.kromschroeder.com