Керування потужністю печей за допомогою імпульсного горіння

Вступ

Імпульсний режим роботи пальників є відносно новим методом контролю потужності теплових установок. Він широко використовується в Європі вже понад двадцять років, а кількість імпульсних пальників у Сполучених Штатах неухильно зростає. У цій статті обговорюються основи імпульсного горіння, його порівняння з традиційнішими методами управління, переваги та недоліки, а також міркування при виборі системи імпульсного горіння. У статті також буде представлений список рекомендованого керуючого обладнання (клапани та контролери), необхідного для типової імпульсної системи горіння.

Модуляція

Основна функція системи керування горінням полягає у зміні подачі тепла в тепловий процес відповідно до його потреб. У звичайних системах пальники модулюються між великим та малим полум’ям і можуть працювати у будь-якому проміжному режимі. Це амплітудно-модулюючий підхід до регулювання, який вимагає пальників з хорошим динамічним діапазоном, щоб відповідати вимогам щодо зміни тепла, що підводиться для більшості застосувань. Як правило, група пальників запускається та керується разом, тому такий підхід забезпечує хороший контроль і більшу гнучкість за розумної вартості обладнання, за умови, що пальники мають достатній діапазон регулювання.

При частотно-модульованому управлінні (імпульсне горіння) проводиться модуляція частоти роботи пальників, яка регулює подачу тепла в процес. Пальники включаються в режимі сильного полум’я протягом певного часу, а потім циклічно перемикаються на слабкий вогонь (управління високим-низьким полум’ям) або фактично вимикаються (управління вмиканням-вимиканням). Цей цикл повторюється часто, зазвичай кожні 15–60 секунд. Тривалість часу, протягом якого пальник знаходиться в режимі сильного полум’я, а потім у режимі малого полум’я (або вимкнено), керується контролером процесу.

Цей метод управління був спочатку розроблений, щоб уможливити використання пальників з обмеженим динамічним діапазоном у системах, що вимагають більшого динамічного діапазону, ніж це було можливо при амплітудно-модульованому регулюванні. Встановивши на пальниках окремі регулюючі клапани, можна керувати кожним пальником незалежно від усіх інших пальників, що забезпечує більшу гнучкість керування. Це може призвести до точнішого контролю процесу, ніж це можливо при більш традиційному підході, однак значно збільшує складність та вартість системи.

Методологія управління

Система горіння з амплітудною модуляцією.

На рис. 1 показано схему типової системи згоряння з амплітудною модуляцією. Для отримання додаткових відомостей про цей метод керування див. посібники з проектування пальників Eclipse.

Мал. 1. Типова система горіння з амплітудною модуляцією.

У цьому прикладі показані одна регулююча повітряна заслінка ❶ і один регулятор співвідношення газ-повітря ❷ для всієї зони пальників. Коли процес вимагає більшої кількості тепла, що підводиться, контролер температури подає сигнал на відкриття повітряної заслінки управління подачею повітря. Тиск повітря в пальнику збільшується через вищу витрату повітря через систему, в результаті чого імпульсна лінія, розташована за повітряним клапаном, направляє повітря у верхню камеру регулятора співвідношення газ-повітря. Підвищений тиск повітря змушує діафрагму опускатись, тим самим відкриваючи сідло клапана, щоб забезпечити подачу більшої кількості газу в пальник. У міру того, як тиск газу збільшується після регулятора, тиск впливає на діафрагму регулятора, створюючи баланс тиску між повітрям і газом. Тиск газу на виході приблизно дорівнює імпульсному тиску повітря. Регулятор оснащений заводською пружиною для компенсації ваги вузла діафрагми. Ця пружина також використовується для встановлення мінімального полум’я або мінімальної витрати газу для пальника.

У такій системі, коли контролер запитує повну потужність, усі пальники працюють на повну потужність. Якщо контролер вимагає потужність 50%, всі пальники працюють на потужності 50%. Витрата палива є функцією імпульсного тиску повітря, яке, по суті, є співвідношенням газ-повітря і залежить від характеристик регулятора. Більшість регуляторів не зовсім лінійні, і в результаті співвідношення між високими та низькими налаштуваннями полум’я дещо відрізнятиметься від бажаного значення. Іншим недоліком є обмежений діапазон регулювання, можливий у цій системі, зазвичай, у діапазоні 6:1. Часто в зонах з кількома пальниками необхідно встановити регулятор співвідношення газ-повітря на кожному пальнику, щоб звести до мінімуму проблеми з налаштуванням слабкого полум’я.

Система з частотною модуляцією в режимах високе-низьке горіння.

На рис. 2 показано схему типової частотно-модульованої або імпульсної системи горіння.

Мал. 2. Типова система з частотною модуляцією в режимах високе-низьке горіння.

У типовій імпульсній системі на кожному пальнику використовується повітряний електромагнітний клапан ❶, який замінює зональний регулюючий клапан. Коли система керування потребує великої потужності, повітряний клапан відкривається і тиск повітря після повітряного клапана збільшується. Це збільшення тиску передається імпульсної лінії для відкриття регулятора співвідношення газ-повітря ❷. Цей регулятор виконує ту саму функцію, що й у системі з амплітудною модуляцією. Коли повітряний електромагнітний клапан закривається, імпульсний тиск на регулятор зменшується і регулятор закривається. Повітря та газ для слабкого горіння тепер прямують у пальник через байпасні лінії навколо соленоїда повітря ❸ та регулятора співвідношення газ-повітря ❹. Замість байпаса навколо регулятора співвідношення також можна використовувати регулятор співвідношення з вбудованим отвором перепуску. Наведений вище опис відноситься до системи управління високого-низкого горіння.

Система із частотною модуляцією в режимах горіння ВКЛ-ВИКЛ.

Імпульсна система також може бути налаштована на роботу в режимі вкл-викл шляхом закриття газового електромагнітного клапана ❷ одночасно з закриттям повітряного клапана ❶. При використанні системи “вкл-выкл” обхідні байпасні лінії не потрібні (рис. 3).

Мал. 3. Типова система із частотною модуляцією в режимах горіння ВКЛ-ВИКЛ.

Імпульсна система управління працює зовсім інакше, ніж системи з амплітудною модуляцією. В основі всіх імпульсних систем керування лежить принцип програмування часу включення та вимкнення залежно від вхідного керуючого сигналу від контролера. Фактичний характер апаратного забезпечення імпульсної системи управління може змінюватись у широких межах, і його можна варіювати відповідно до конкретних потреб замовника. Нижче описано традиційний метод імпульсного управління.

Сутність методу імпульсного керування.

У системі імпульсного горіння система перетворювача сигналів керує роботою електромагнітних клапанів через систему керування пальником, спеціально призначену для імпульсного горіння. Імпульсний контролер отримує сигнал 4-20 мА від регулятора температури і через перетворювач перетворює цей аналоговий сигнал сигнал пилкоподібної напруги (рис. 4). Частота цього сигналу напруги змінюється пропорційно до вхідного сигналу регулятора температури.

Мал. 4. Перетворення сигналу регулятора температури.

Оскільки вихідна напруга імпульсного перетворювача з часом збільшується, кожен пальник у зоні послідовно активується на різному рівні напруги. Максимальний рівень напруги та кількість пальників визначають конкретний рівень напруги активації кожного пальника. На рис. 5 показаний приклад системи з чотирма пальниками.

Мал. 5. Приклад напруги спрацьовування, визначеної для кожного з пальників.

Час розпалювання є фіксованим, а наступний цикл розпалювання для даного пальника запускається тільки тоді, коли вихідна напруга знову збільшується до того ж рівня в наступному циклі. Коли контролер вимагає потужність більше 95%, всі пальники залишаються включеними на 100% часу. У межах контуру регулювання управління пальником перебирає функцію безперервного пропорційного регулювання. Виходить пропорційна залежність між виходом регулятора та потужністю пальника. У цьому прикладі сигнал 4 мА відповідає вихідному нульовому сигналу, вихідний сигнал 12 мА відповідає вихідному сигналу 50 %, а вихідний сигнал 20 мА відповідає вихідному сигналу 100 % (рис. 6)

Малюнок 6: Період роботи пальника в залежності від необхідної потужності.

На рис. 7 показана типова система управління з чотирма пальниками з послідовністю включення пальників для потужності 25% та 50%. Час увімкнення пальника в цьому випадку становить 7,5 секунди.

Мал. 7. Система з чотирма пальниками з послідовностями включення пальників для потужності 50% та 25%.

Втрата одного сигналу контролю полум’я, незалежно від причини, не впливає на роботу інших пальників у системі. Коли потрібно тепло, імпульсна система керування просто ігнорує будь-який пальник у послідовності без безпечного сигналу контролю полум’я. Інші пальники компенсують доти, доки не буде усунуто причину неправильного сигналу.

Переваги імпульсного горіння

Системи з імпульсною або частотною модуляцією мають ряд переваг у порівнянні з системами з амплітудною модуляцією.

Діапазон регулювання.

Імпульсна система керує не амплітудою подачі палива, а частотою та часом запалення кожного пальника при заданій подачі палива. Кожен пальник має свій повітряний клапан та свій газовий регулятор. Коли окремий пальник не горить при сильному полум’ї, він або продовжує горіти в встановленому положенні малого вогню, або повністю вимикається. Якщо використовується метод слабкого полум’я, загальний динамічний діапазон може дорівнювати двадцяти одному. Якщо пальник вимикається, а потім перезапускається під контролем, може бути досягнутий нескінченний динамічний діапазон.

Рівномірність температури.

Можлива краща однорідність температури печі або печі, оскільки система спалювання може бути спроектована так, щоб максимізувати циркуляцію газу в печі, тим самим підвищуючи однорідність температури. Оскільки пальники працюють на сильному вогні під час циклу «включено», пальник завжди працює на максимальній швидкості, що забезпечує захоплення максимальної кількості топкових газів разом з газами пальника. Це наблизить температуру суміші цих газів до температури печі, що призведе до зменшення кількості гарячих точок.

Ефективність.

Для імпульсних систем заявлено економію палива в розмірі 20-25%, коли вони замінюють пропорційні системи або порівнюють їх з ними. Однією з основних причин цього є найкращий контроль співвідношення повітря/палива в процесі горіння.

Викиди.

Зниження забруднення повітря є результатом точнішого контролю, запропонованого імпульсними системами. Оскільки більшість пальників виділяють найнижчі рівні NOx під час роботи в режимі сильного полум’я, гарантується, що пальник завжди буде працювати в найчистіших умовах.

Контроль за процесом.

Можна досягнути великої гнучкості керування технологічним процесом, оскільки процес піддається повному комп’ютерному управлінню. Існує більше можливостей використовувати різні графіки випалу від одного випалу до іншого. Великі динамічні діапазони можуть забезпечити вищі швидкості нагріву без шкоди для контролю за піковими температурами витримки.

Імпульсна система може працювати не тільки в режимі тільки нагрівання, але також може працювати в режимі нагрівання та охолодження. Температуру печі можна швидко знизити, якщо це бажано або необхідно, використовуючи режим охолодження, при якому газовий електромагнітний клапан закривається та керуються лише повітряні клапани. Якщо регулятор температури знову потребує тепла, пальники знову запалюються та відновлюється режим нагрівання.

У печах безперервної дії або тунельних печах більша кількість зон пальників може забезпечити більшу гнучкість у зміні температурно-часового профілю по довжині печі. Оскільки зонування не є «жорстко закріпленим» у печі, можна передбачити більше зон і змінити зонування набагато простіше, ніж це було б можливо інакше. Зміни вимагають в основному заміни проводки та контролера, а не змін у трубопроводах та устаткуванні.

Недоліки імпульсного горіння.

Оскільки системи імпульсного горіння включають більше компонентів, ніж типові системи з амплітудною модуляцією, початкові капіталовкладення вище. Крім того, залежність від комп’ютерного керування збільшує складність системи до вищих рівнів, ніж при використанні традиційних методів керування. Ця підвищена складність вимагає більш підготовлених проектувальників систем, монтажників та обслуговуючого персоналу. Крім того, використання комп’ютерного управління може створити у кінцевого користувача помилкове почуття впевненості в управлінні процесом та безпекою.

Вибір обладнання

В основі системи імпульсного горіння лежать регулюючі електромагнітні клапани на лініях подачі повітря та газу до кожного пальника. Ці клапани призначені для роботи на досить високій частоті, щоб реагувати на точні вхідні сигнали керування.

При частоті десять циклів на хвилину, дванадцять годин на день, п’ять днів на тиждень клапани будуть піддаватися 36 000 циклів на тиждень. Типові електромагнітні клапани розраховані на один мільйон циклів до відмови, і при частоті, необхідної для щойно згаданої імпульсної системи, клапани прослужать близько шести місяців. Це явно неприйнятно. Отже, вибрані клапани мають бути розроблені спеціально для застосування в імпульсному режимі. У таблиці 1 наведено огляд повітряних та газових клапанів, що підходять для більшості додатків імпульсного запалювання.

Таблиця 1. Повітряні та газові клапани для імпульсних систем

Щоб гарантувати, що повітря проходить через пальник під час розпалювання, повітряний електромагнітний клапан повинен бути встановлений близько до отвору пальника. Крім того, для постійного контролю співвідношення газ-повітря дуже важливо, щоб на кожному пальнику було встановлено регулятор співвідношення газ-повітря. У таблиці 2 наведено найбільш поширені моделі.

Таблиця 2. Регулятори співвідношення газ-повітря для імпульсних систем

Важливо, щоб головний регулятор газу мав правильний розмір. Надмірний перепад тиску або тиск на вході в регулятор співвідношення неприпустимий, оскільки це потенційно може вплинути на надійність запалювання.

Як було описано раніше, імпульсні контролери використовуються для перетворення сигналу контролера температури та управління роботою повітряних та газових клапанів. Доступні ряд спеціалізованих контролерів: North American StepFire, Kromschröder PF, BCU, Hans Hennig mini ERUST 8 та інші. Ці контролери мають перевагу компактної конструкції і вимагають мінімального програмування користувачем.

Через високу вартість цих спеціалізованих контролерів існує тенденція створювати системи управління імпульсними пальниками за допомогою ПЛК. Ці системи пропонують ту ж функціональність, що й спеціалізовані системи, але їхня вартість зазвичай на 20-40% нижча. Перевага системи ПЛК перед спеціалізованою системою контролерів полягає у початковій вартості. Більшість компонентів системи ПЛК є готовими виробами. Крім того, більшість обслуговуючого персоналу знайомі з ПЛК, що значно спрощує налаштування та обслуговування цього обладнання.

P.S. Ця стаття є перекладом статті Ad de Pijper, Eclipse Product Manager. “Combustion Control by Pulse Firing”. Джерело: docuthek.kromschroeder.com