Стабильно горящее пламя в топках печей является необходимым и важным условием их работы [1,2]. Контроль за наличием пламени осуществляется при помощи специальных датчиков, основное предназначение которых заключается в обеспечении безопасного функционирования различных установок по сжигания твёрдого, жидкого или газообразного топлива [3,4]. Датчики и приборы для контроля пламени также участвуют в автоматическом или полуавтоматическом процессе розжига пламени, осуществляют постоянный контроль за процессом сгорания топлива с учётом всех требуемых условий и мероприятий по защите. Таким образом, надёжность и безотказность работы котельных установок всецело зависит от правильного выбора датчиков контроля пламени [5].
Для контроля наличия пламени при сжигании в топках котлов газа и жидкого топлива применяются как методы прямого контроля (ультразвуковой, термометрический, ионизационный, фотоэлектрический), так и методы косвенного контроля (контроль за разрежением в топке, контроль за давлением топлива в подающем трубопроводе, за давлением или перепадом давления перед горелкой, а также контроль за наличием постоянного источника воспламенения) [6].
В малых газовых нагревателях и отопительных котлах отечественного производства, газовых калориферах применяют приборы, которые основаны на фотоэлектрическом, термометрическом и ионизационном методах контроля. Также широко применяется методы контроля, основанные на электрическом потенциале пламени, и на электрической пульсации пламени [7].
Наиболее часто применяемый фотоэлектрический метод контроля за горением топлива заключается в измерении степени видимого и невидимого излучения пламени соответствующими фотодатчиками, фиксирующими оптические свойства пламени. Фотодатчики, применяемые в таких системах, осуществляют регистрацию всех изменений интенсивности принимаемого ими светового потока, и отличаются они друг от друга по длине волны, принимаемой от источника излучения. Эти свойства фотодатчиков необходимо учитывать, так как спектральные характеристики пламени в значительной степени зависят от вида используемого топлива. При сгорании топлива излучение происходит в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом спектре. Основная часть энергии, излучаемой пламенем, соответствует инфракрасной части спектра, и характеризуется длиной волны 0,8–800 мкм. Видимому излучению соответствует длина волны в диапазоне 0,4–0,8 мкм, ультрафиолетовому излучению соответствует длина волны в диапазоне 0,28–0,4 мкм (области УФ-А и УФ-В). В соответствии с выбранным чувствительным элементом фотодатчики делятся на инфракрасные, ультрафиолетовые или просто датчики светимости. Каждому диапазону излучения соответствует чувствительный элемент фотоприемного устройства [7]. Серьезной проблемой при использовании оптических датчиков пламени является их низкая селективность, особенно характерная для горелочных котлов, имеющих три или более горелок. При ошибочном сигнале оптического датчика о наличии пламени возможна серьезная аварийная ситуация.
Вторым часто используемым методом контроля пламени является ионизационный метод, основанный на использовании электрических свойств пламени. Работа датчика ионизации основана на фиксировании электрических процессов, возникающих и протекающих в пламени. К таким процессам можно отнести способность пламени проводить ток, возбуждать в электродах, помешенных в пламя, собственную э. д.с., выпрямлять переменный ток, что во всех случаях обусловливается степенью ионизации пламени [8,9].
Преимуществом ионизационного метода является безынерционность, так как при погасании контролируемого пламени ионизационные процессы сразу прекращаются, что приводит к практически мгновенному отключению подачи газа в горелки котла. Этот метод позволил разработать приборы контроля, основанные на электропроводности пламени, возникновении э. д.с. пламени, его вентильном эффекте и электрической пульсации. Например, за рубежом широко применяется метод контроля пламени, основанный на вентильном эффекте, что обеспечивает высокую достоверность обнаружения пламени [10]. Недостатком ионизационного метода контроля является нестабильная работа в условиях с интенсивно запыленной рабочей атмосферой, а также в условиях сильного вихревого движения газов. Ионизационный контроль надежно работает в условиях прямоструйного факела, не имеющего застойных вихревых зон.
Надежность работы датчика пламени, и надежность всей системы защиты от погасания пламени зависят как от правильного выбора типа датчика, так и от места и способа его установки. Все типы датчиков пламени имеют определенные достоинства и недостатки, и неправильный выбор типа датчика или его неправильная установка может вызвать возникновение ложного сигнала. Для снижения вероятности ошибки обнаружения пламени при выборе датчиков для конкретного проекта необходимо принимать во внимание все их особенности [11].
Таким образом, для повышения надежности работы и уменьшения количества остановов котла из-за подачи ошибочного сигнала от датчика пламени необходимо применять несколько различных датчиков, работающих на принципиально независимых друг от друга принципах.
Работа в этом направлении привела к созданию интеллектуального комбинированного датчика пламени, работающего на двух независимых принципах: оптическом и ионизационном. Такое сочетание типов датчиков позволит нивелировать вышеупомянутые недостатки отдельных датчиков, что позволит обеспечить повышенную надежность определения наличия пламени в топке котла.
Для решения этой задачи был разработан комбинированный датчик контроля пламени горелки, сочетающий в себе два принципа работы: оптический и ионизационный. В оптической части разработанного датчика происходит выделение и усиление переменного сигнала, характеризующего процесс горения. При горении топлива образуются пульсации яркости пламени горелки, которые преобразуются в электрический сигнал при помощи фотодатчика, сигнал с которого усиливается и поступает в микроконтроллерное устройство обработки сигнала. Второй датчик — ионизационный, сигнал на выходе которого имеется только при наличии электропроводности среды между электродами, что бывает только при наличии пламени.
Конструкция комбинированного оптоионизационного датчика контроля пламени горелки приведена на рис. 1. Датчик состоит из кварцевого стержня 1, помещенного в корпус 2, керамического стержня 3, внутри которого находятся два электрода из жаропрочной стали, представляющих собой датчик ионизации ДИ, устройство обработки сигналов, в состав которого входят фотодатчик ФД, усилитель-формирователь сигналов фотодатчика УФ1, усилитель-формирователь сигналов датчика ионизации УФ2, и микроконтроллер МК. Микроконтроллер связан с блоком автоматики через разъем Р.
Рис. 1. Комбинированный оптоионизационный датчик контроля пламени
Сигналы переменной амплитуды, возникающие при наличии пульсаций пламени, с фотодатчика ФД и ионизационного датчика ДИ усиливаются и приводятся к логическим уровням при помощи усилителей-формирователей УФ1 и УФ2 соответственно. Микроконтроллер МК предназначен для обработки сигналов с фотодатчика ФД и датчика ионизации ДИ, и формирования управляющего сигнала для блока автоматики котла.
Устройство обработки сигналов обеспечивает выделение высокочастотных пульсаций факела, полученных с фотоприемника при работающей горелке, и обеспечивает формирование признака наличия и отсутствия факела, а также самодиагностику с выводом состояния датчика на световой индикатор.
Предложенный комбинированный датчик позволяет контролировать наличие пламени при сжигании газа или жидкого топлива. Для повышения надежности работы применены режимы автоматической и ручной настройки чувствительности датчиков и влияния фонового излучения, самоконтроля прибора по превышению температуры, контроля обрыва линий связи, засорения стекла, потери чувствительности. К устройству подключается внешний светодиодный индикатор интенсивности факела и сигнализатор превышения температуры внутри прибора.
Параметры комбинированного датчика:
Коммуникационный протокол RS-485
Время срабатывания, при появлении/погасании пламени с, не более0,5/1
Напряжение питания, В 12–24
Потребляемый ток, А, не более 0,2
Температура окружающего воздуха, ºС -25 …+85
Масса, кг, не более 0,3
Основными функциями комбинированного опто-ионизационного датчика контроля являются сигнализация погасания пламени, что вызывает немедленное срабатывание защиты и прекращение подачи топлива, самоконтроль исправности датчика, автоподстройку параметров датчика, сохранение параметров датчика в энергонезависимой памяти микроконтроллера при исчезновении питания и сбоях в работе, а также формирование дискретного выходного сигнала для устройства автоматики.
Таким образом, сочетание в одном устройстве двух различных датчиков, работающих на двух принципиально независимых друг от друга принципах, и имеющих общее устройство обработки сигналов, позволит обеспечить повышенную надежность определения наличия пламени в топке котла.
Литература:
- Береснев А. Л., Будко А. Ю. Повышение эффективности теплоэнергетических установок методом контроля горения топлива по сигналу ионного тока. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 4. — Режим доступа: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1973 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз.рус.
- Хватов О.С, Дарьенков А.Б., Самоявчев И. С. Оценка топливной экономичности в единых электростанциях автономных объектов на базе [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 3. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1870/(доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз.рус.
- Fristrom R. M. Flame structure and processes // Oxford University Press, N. Y. Oxford. 1995.
- Huth, A. Heilos. Fuel flexibility in gas turbine systems: impact on burner design and performance // A volume in Woodhead Publishing Series in Energy, Siemens AG Energy, Germany, 2013, P. 635–684.
- Полтавцев, О. В. Датчики контроля пламени — один из важнейших факторов безопасной работы котельной [Электронный ресурс] / О. В. Полтавцев // Новости теплоснабжения, — 2016. — № 12 (196). — Режим доступа: www.rosteplo.ru/nt/196(доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз.рус.
6. Берсенев, И. С. Автоматика отопительных котлов и агрегатов / И. С. Берсенев, М. А. Волков, Ю. С. Давыдов. — М.: Стройиздат, 1979. — 376 с.
- Приборы контроля наличия пламени [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://prommatika.ru/staty/113-priborplameni (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз.рус.
- Приборы контроля пламени, сигнализаторы горения [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.termonika.ru/inf/pribory-kontrolya-plameni-signalizatory-goreniya.shtml(доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз.рус.
- ГОСТ Р 51983–2002. Устройства многофункциональные регулирующие для газовых аппаратов. Общие технические требования и методы испытаний. введ. 01.01.2004. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. — 35 с.
- ГОСТ Р 51843–2001. Термоэлектрические устройства контроля пламени. Общие технические требования и методы испытаний. введ. 24.12.2001. — М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. — 20 с.
- Луговской, А. И. Контроль за работой печей и факельного хозяйства / А. И. Луговской, С. А. Логинов, Г. Д. Паршин, Е. А. Черняк // Химия и технология топлив и масел. — 2000. — № 5. — С. 50–52.
