کنترل هوشمند فرایند احتراق در بویلر

کنترل هوشمند فرایند احتراق – بخش اول

مجله تاسیسات شماره ۱۴۱

*چکیده: این مقاله تخصصی نگاهی دارد به آخرین پیشرفت های تکنولوژیکی در زمینه استفاده از تجهیزات یکپارچه جهت کنترل هوشمند فرایند احتراق و کنترل الکترونیکی مشعل های صنعتی. کنترل هایی از این نوع به گونه ای طراحی شده اند که در حالت خطا شرایط ایمن سیستم را حفظ نمایند و در آزمایشگاه های مجهز تحت شرایط مختلف آزموده شده اند.

در فرایند طراحی یک سیستم کنترل احتراق تیم طراحی باید استانداردهای مربوطه از جمله استانداردهای احتراق و ایمنی را مورد توجه قرار دهند.

کنترل الکترونیکی مشعل ها علاوه بر بهبود قابلیت های قبلی، قابلیت های جدیدی را در سیستم ایجاد می نماید. برای مثال با استفاده از راهکارهای الکترونیکی پیشرفته، قابلیت های ویژه ای نظیر سوئیچینگ انعطاف پذیر بین سوخت ها در حین بهره برداری بدون اختلال در شرایط بهره برداری تحقق می یابد.

کنترل الکترونیکی در ترکیب با تکنولوژی سنسورهای گازهای احتراقی پیبشرفته برای استفاده کنندگان مشعل های صنعتی صرفه جویی قابل ملاحظه ای را ایجاد می نماید. در این مقاله همچنین به نوع جدیدی از کنترل احتراق با در نظر گرفتن میزان مونواکسیدکربن در گازهای حاصل از احتراق برای دیگ های بخار یا کوره ها اشاره می شود.

آخرین پیشرفت های تکنولوژیکی در کنترل های الکترونیکی فعلی با کنترل ترکیبی نسبت سوخت و هوا

امروزه در مشعل های صنعتی و کوره ها راندمان از اهمیت زیادی برخوردار است. این موضوع، در دیگ های بخار صنعتی اهمیت بیشتری دارد.

همچنین علاوه بر توجه به افزایش راندمان، موارد بسیاری وجود دارد که طی چندین سال گذشته استفاده کنندگان از سیستم های مکانیکی کنترل احتراق را مجبور به تغییر این سیستم که برای دهه ها مورد استفاده قرار می گرفت به سیستم های کنترل الکترونیکی نموده است.

چنین سیستم هایی امکان تنظیم دقیق نسبت هوا و سوخت با استفاده از منحنی های الکترونیکی و امکان ایجاد روش های عملیاتی برای افزایش راندمان احتراق را که با استفاده از راهکارهای مکانیکی غیر ممکن بود فراهم می سازد.

اولین سیستم هایی که در این زمینه به کار گرفته شد به سادگی اتصال مکانیکی را با سیستم های الکترونیکی جایگزین می کرد اما همانند قبل از یک کنترل کننده ترتیبی مشعل به صورت جداگانه مورد نیاز بود.

یک تصمیم ساده برای ترکیب این دو کارکرد در قالب یک دستگاه واحد به ساخت سیستم هایی که امروزه موجود هستند منجر شد.

علاوه بر کارکردهای ابتدایی مانند “کنترل ترتیبی مشعل و دیگ بخار ” و “تنظیم الکترونیکی نسبت سوخت به هوا “، کاربردهای بیشتری مثل مدیریت تشخیص خرابی های عمومی یا کنترل دقیق دیگ های بخار توسط سنسورهای مختلف نیز ارائه می شود.

شکل ۱ در قالب یک مثال دیدی کلی به این قابلیت ها می دهد.

نمونه ای از یک سیستم یکپارچه پیشرفته کنترل هوشمند فرایند احتراق

نمونه ای از یک سیستم پیشرفته کنترل هوشمند فرایند احتراق

کارکردهای سیستم کنترل هوشمند فرایند احتراق

یک سیستم مدیریت مشعل یکپارچه مدرن، کارکردهای بسیاری را که قبلا توسط دستگاه های جداگانه انجام می شد تحقق می بخشد. این کارکردها بشرح زیر است:

  1. -کنترل ترتیبی مشعل
  2. – کنترل نسبت به سوخت هوا بصورت الکترونیکی
  3. – مانیتورینگ یا نظارت بر شعله
  4. – تست نشتی خط سوخت
  5. – تنظیم با رگوله کننده خروجی مشعل
  6. – شمارنده ساعت های کارکرد
  7. – شمارنده دفعات شروع به کار
  8. – مدیریت تشخیص خطا
  9. -اینترفیس یا واسط سیستم کنترلی
  10. – اینترفیس یا واسط کامپیوتر
  11. – تنظیم O2 و CO
  12. -کنترل دور برای دمنده هوای احتراق

چنین سیستم های یکپارچه ای قادرند وظیفه همه کنترل ها، تنظیمات و نظارت های لازم مربوط به یک مشعل را بر عهده بگیرند. نمودار بلوکی این نوع سیستم ها در شکل ۲ نشان داده شده است.

نمودار کنترل هوشمند فرایند احتراق و نظارت شده به صورت الکترونیکی

نمودار کنترل هوشمند فرایند احتراق و نظارت شده به صورت الکترونیکی

مشخصات و استانداردهای معتبر

طراحی سیستم های کنترل احتراق باید به صورت معتبر و قابل اتکا انجام شود. بعنوان مثال، در سیستم کنترل احتراق یک خطا در دستگاه یا سنسورهای متصل شده یا محرک ها باید سرانجام به حالت بی خطر تبدیل شود و قبل از اینکه یک خرابی منجر به یک وضعیت خطرناک شود، مشعل به حالت کنترل شده باز گردد.

 

هنگام طراحی این نوع دستگاه ها یک سری مشخصات باید مد نظر قرار گیرد. الزامات مربوط به چنین دستگاه هایی در استانداردهای اروپایی مندرج شده است؛ در ابتدا استاندارد مربوط به سیستم های کنترلی مشعل های گازی (EN298). در گذشته کنترل های الکترونیکی تعیین نسبت به سوخت و هوا نیز طراحی شده و بر مبنای این استانداردها مورد آزمایش قرار گرفته بودند.

 

به تازگی استاندارد اروپائی ENI2067-2 برای این منظور تدوین گردیده است. تست نمونه اولیه سیستم های کنترل احتراق اغلب بر مبنای این استانداردها انجام می شود با این حال تنها استفاده از این استانداردها بعنوان اساس کار کافی نیست. از آنجا که این دستگاه ها برای کنترل مشعل ها بکار می روند، استانداردهای مربوط به مشعل ها نیز باید رعایت شوند.

 

استاندارد سیستم کنترل هوشمند فرایند احتراق

استانداردهای EN676 برای مشعل های فن دار اتوماتیک برای سوخت های گازی و EN267 برای مشعل های با سوخت مایع و فن دار اتوماتیک مثال هایی از این دست هستند. بر مبنای زمینه کاربردی که در آن عملیات احتراق قرار است صورت پذیرد، استانداردها شامل موارد زیر است :

ENI50156 :تجهیزات الکترونیکی برای کوره ها و تجهیزات کمکی

ENI2952 : دیگ های بخار لوله آبی

ENI2953 :دیگ های بخار پوسته ای

EN746-2 :دستگاه های پردازش حرارت صنعتی

یک سیستم احتراق جامع ناچار خواهد بود ضمن حفظ کاربردها، خود را با استانداردهای مربوطه سازگار کند.

مدل خطا در سیستمی که بر اساس استانداردهای فوق بنا شده است ضروری است. یعنی پاسخ دستگاه به هر خطایی که ممکن است اتفاق بیافتد باید کاملا مشخص باشد و باید اثبات شود که مشعل در وضعیت خطرناک قرار نخواهد گرفت. سیستم کنترل احتراق شرکت لتمک آلمان طی سال های متمادی و در شرایط گوناگون تست شده است و سطح بالایی از ایمنی را دارا می باشد.

از سوی دیگر، اخیرا مدل خطای احتمالی یکی از موضوعات مورد توجه بوده است. بعنوان مثال، خطاهای خطرناک بر مبنای احتمال وقوعشان ارزیابی شده و سپس دستگاه بر مبنای سطح SIL (Safety Integrity Level) یا سطح ایمنی اش رده بندی می شود.

این روش اغلب برای PLC(Programmable Logic Controller) ها بکار می رود. اگر کنترل های قابل برنامه ریزی برای کنترل یک مشعل بکار رود سطح SIL مربوطه به خودی خود کافی نیست. مدل خطای قطعی مطابق با EN298 و EN230 به انظمام استانداردهای دیگری که به تکنولوژی احتراق مربوط است نیز باید براورده و اثبات شوند.

روشهای کارکرد انعطاف پذیر

در حال حاضر کنترلرهای الکترونیکی عملکردهای ویژه ای را هم ارائه می دهند که مورد توجه مصرف کنندگان خاص می باشد :

روشن شدن بدون پاکسازی اولیه

gtEN676: پیشنهاد روشن شدن مجدد مشعل بدون پاکسازی اولیه را می دهد. این امر تنها به کمک تجهیزات الکترونیکی هوشمند و قابل اطمینان به دست می آید و هنگام کار مشعل های گاز سوز سبب صرفه جویی در مصرف انرژی می شود. همچنین زمان استارت تا شروع بکار مشعل نیز کاهش می یابد.

 

 

تغییر سوخت

احتمالات متعددی برای تغییر نوع سوخت (بعنوان مثال از سوخت مایع به گاز ) پیشنهاد می شود. از یک سو به کمک مشعل‌های خاص امکان سوئیچ کردن مستقیم بدون اینکه نیازی به تصفیه یا پاکسازی اولیه باشد فراهم است.

در این روش عملکرد مشعل دچار وقفه نمی‌شود و تنها برای لحظه ای کوتاه خروجی مشعل افت پیدا می کند.

روشی که اصطلاحا ” تغییر نوع سوخت به صورت تدریجی ” نامیده می شود ابدا تاثیری روی خروجی دیگ بخار یا کوره ندارد. در اجرا، در مرحله گذار گاز و سوخت مایع به طور همزمان برای ایجاد شعله مورد استفاده قرار می گیرد.

همیشه مجموع انرژی این دو سوخت برابر با خروجی مورد نیاز مشعل است. طی مرحله گذار، ممکن است فرایند احتراق به هرگونه تغییر بار واکنش نشان دهد. شکل ۳ مثالی از این نوع گذار را نشان می دهد.

کنترل فرایند احتراق بطور هوشمند

کنترل فرایند احتراق بطور هوشمند

کارخانجات می‌توانند از این انتخاب برای مطالبه شرایط خرید مطلوب تر سوخت استفاده کنند، بدون اینکه تاثیری روی خروجی دیگ بخار یا کوره داشته باشد.

استفاده همزمان از چند سوخت

اگر طی مرحله تولید پس ماندها و ضایعات قابل احتراق تولید شود، چه چیز بهتری از آن است که این مواد را در کوره یا دیگ بخار سوزاند؟ این روش ضمن صرفه جویی انرژی مناسب برای محیط زیست است.

با این حال از آنجا که معمولا این ضایعات در مقادیر متغیر و کیفیت های ناپیوسته تولید می شوند، الزامات مربوط به سیستم مدیریت مشعل های الکترونیکی عملکرد ایمن و قابل اعتماد را در چنین شرایطی تضمین می‌کنند.

سیستم مدیریت احتراق FMS از LAMTEC سیستمی است که احتراق با سوخت چندگانه را بدون سنجش های کمیتی دشوار و پرهیز و با حداکثر شرایط ایمنی و منطبق با استانداردهای جهانی تحقق می بخشد.

سوئیچینگ قابل انعطاف بین منحنی ها

با داشتن یک مشعل مختلط، اغلب ضروری است تا حین کار به منحنی دیگر سوئیچ کرد. برای مشعل های بزرگتر، سیستم تنظیم مرکب سوخت به هوا احتمال ذخیره سازی دسته منحنی های متفاوتی را برای انواع مختلفی از کارکرد مهیا می‌کند.

سوئیچ کردن بین دسته منحنی ها حین کار باید تحت شرایط کارکرد ایمن باشد و نباید تاثیر منفی روی نسبت سوخت به هوا داشته باشد.

عملکرد آماده به کار

گاهی اقتضا می کند که مشعل کاملا خاموش نشود اما باید سیستم پیلوت مشعل حین وقفه فعال باشد، به خصوص برای مشعل هایی که در فواصل مکرر شروع بکار نموده و متوقف می شوند. این حالت که اصطلاحا کارکرد آماده به کار یا Standby نامیده می شود، شروع بکار مجدد بدون وقفه را فراهم می کند.

متوقف کردن پاکسازی اولیه

اگر مشعل های متعددی در یک دیگ بخار یا کوره وجود داشته باشند، باید امکان انتخاب اینکه مشعل با یا بدون پاکسازی اولیه شروع به کار کند بر مبنای ایکه آیا مشعل قبلا در حال کار بوده یا نه، وجود داشته باشد.

آشکارسازی خطا

مدیریت آشکار سازی خطا در سیستم های احتراق پیشرفته هر روز بیش از پیش مهم تر می شود. در اکثر مواقع الزامات بهره برداری ایجاب می‌کند که علت خرابی در سیستم به سرعت آشکار شده و اصلاح شود.

از آنجا که این نوع سیستم مدیریت احتراق همه فرایندهای مرتبط با مشعل را کنترل می‌کند، قادر به ارائه اطلاعات دقیق در مورد علت خطا نیز می باشد.

اتصال ماژول های آشکار سازی خطا، ثبت داده هایی که مستقیما از طریق سیستم مدیریتی قابل دسترسی هستند را امکان پذیر می‌سازد.

بعنوان مثال، این سیستم زنجیره ایمنی فراهم می کند. یک مثال از سیستم مذکور در شکل ۴ نشان داده شده است.

کنترل فرایند احتراق بطور هوشمند

کنترل فرایند احتراق بطور هوشمند

بهینه سازی احتراق

تنظیم میزان هوای اضافی در احتراق

برای چندین سال یکی از جدیدترین پیشرفت ها در رابطه با مشعل های صنعتی به شمار می رفت. تنظیم اولیه نسبت سوخت به هوا برای انجام این کار ضروری است. تنظیم الکترونیکی ترکیبی سوخت و هوا اولین راهکار برای ارائه امکانات مناسب و مقرون به صرفه جهت اجرای این سیستم بود.

امروزه با امکان سنجش میزان O2 در گازهای حاصل از احتراق می توان به صورت الکترونیکی منحنی هوا یا سوخت را تنظیم کرد. همچنین این سیستم می تواند با تاثیر متغیرهای مختلف، شرایط احتراق را به صورت Online تنظیم کرده و شرایط احتراق با راندمان بالا را فراهم سازد. این متغیرها عبارتند از :

متغیر هوا:

-دما

-فشار

-رطوبت

متغیر سوخت:

-ارزش حرارتیی

-دما

-چسبندگیی در سوخت مایع

-چگالیی در سوخت مایع

-نوسانات فشار در سوخت گاز

– متغیر آلایندگی:

-مشعل

دیگ بخار

-سیستم مکانیکی:

-دامنه خطای مکانیکی دمپرها و شیرها

بنا به دلایل ایمنی و وجود تمامی متغیرهای ذکر شده، مشعل ها و سیستم های احتراق نیاز به هوای احتراق بیشتر از آنچه در شرایط احتراق ایده آل مورد نیاز است دارند.

این مقدار هوای اضافیی به صورت غیر ضروری حرارت را جذب کرده و به صورت تلفات حرارتی از دودکش خارج می گردد. مقدار هوای اضافی مستقیما جهت تشخیص میزان راندمان عملیات احتراق بکار می رود.

بنابراین استفاده از تجهیزات الکترونیکی به منظور به حداقل رساندن هوای اضافی در سیستم هایی که ظرفیت مشعل ها در حد متوسط است، تا حد قابل ملاحظه ای باعث صرفه جویی انرژی می شود.

همچنین استفاده از سیستم های کنترل دور در دمنده هوای مشعل ها، علاوه بر امکان صرفه جویی انرژی الکتریکی، کاهش سر و صدای خروجی را نیز به دنبال خواهد داشت.

اما حتی یک مشعل با تنظیم هوای اضافی به بالاترین سطح ذخیره انرژی نخواهد رسید چرا که هنوز تعیین سطح ایمنی برای احتراق بهینه مورد نیاز است.

در سال های گذشته یک مفهوم کلی برای تنظیم احتراق وجود داشت که به مشعل های گاز سوز اجازه میداد مستقیما در حالت کارکرد بهینه کار کنند (کاهش میزان هوای اضافی تا حدی که مونواکسید کربن در گازهای حاصل از احتراق از حد مجاز بیشتر نشود).

مفهوم کلی تنظیم و کنترل احتراق

اندازه گیری مقدار اکسیژن در گازهای حاصل از احتراق به تنهایی نمی تواند نشان دهنده احتراق کامل باشد. اطلاعاتی از نسبت هیدروژن نسوخته و مونواکسیدکربن در گاز دودکش نیز برای این منظور مورد نیاز است. در صورتی که احتراق کامل رخ دهد، انتشار هیدروژن و مونواکسید کربن با هم در گاز دو دوکش اتفاق می افتد.

راهکاری که توسط LAMTEC طراحی شده این موضوع را مد نظر قرار داده است.

از مزایای این سیستم میتوان به تنظیم بهتر، بطور قابل توجهی زمان پاسخ کوتاه تر، جبران هوای نفوذی از جداره ها، قابلیت اطمینان، قدرت، بی نیازی از نگهداری، صرفه جویی انرژی بیشتر ، برتری نسبت به سیستمهای تنظیم O2 و افزایش راندمان بیشتر اشاره کرد.

 

با این راهکارها، نیازی به کالیبره کردن یا تنظیم مشعل نیست چرا که سیستم خودش نقطه کارکرد بهینه برای احتراق را تشخیص می دهد. شکل ۵ نشان می دهد که چگونه مقدار عددی اکسیژن در گاز دودکش به کمک تنظیم مونواکسید کربن می تواند کاهش یابد.

کنترل فرایند احتراق بطور هوشمند

کنترل فرایند احتراق بطور هوشمند

در سال ۲۰۰۴ شرکت LAMTEC به واسطه استفاده از این مفاهیم در سیستم های تولیدی خود برنده جایزه نواوری از صنعت گاز آلمان شد. کنترل یک دیگ بخار یا کوره با سنسورهای گازهای حاصل از احتراق، سطح ایمنی را بهبود می بخشد

به طوری که تغییر در نسبت سوخت به هوا حتی در مواردی که سیستم های کنترلی قابل اطمینان هم نمی‌توانند آن را تشخیص دهند، شناسایی می شود و بر فرایند احتراق به صورت دائمی نظارت می گردد.

بصورت طبیعی این عملکردهای کنترلی و نظارتی تا حد زیادی به سنسورهایی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، بستگی در این مورد سنسورهای گازهای احتراقی بر پایه دی اکسید زیرکونیوم ارزش خود را به اثبات رسانده اند. این سنسورها قدرت زیاد و زمان پاسخ پایین دارند.

پیوند با تکنولوژی کنترل و ابزار دقیق

اغلب اوقات یک دیگ بخار یا کوره صنعتی در یک کارخانه با بیش از یک مفهوم کنترلی جامع سر و کار دارد. از آنجا که این کارخانه ها اغلب بوسیله تکنولوژی های مبتنی بر ابزار دقیق و سیستم های کنترلی اداره می شوند، ایجاد ارتباط بین این سیستم ها و فراهم ساختن داده های سیستم کنترل مشعل برای تکنولوژی ابزار دقیق و کنترلی ضروری است.

ساده ترین راه برای تحقق بخشیدن به این ملزومات، استفاده از ارتباطات بوسیله bus (مسیرهای عمومی اطلاعاتی ) است. متاسفانه تعداد زیادی bus استاندارد وجود دارد. بنابراین اول از همه ضروری است روشن شود که آیا کنترلر مشعل دارای اینترفیس bus برای اتصال به تکنولوژی ابزار دقیق و کنترل است یا خیر.

تعداد کمی از سیستم ها در بازار همه انواع متداول field bus ها به شرح زیر ارائه می‌کنند:

  • Profibus-
  • CANopen-
  • Modbus-
  • Interbus-
  • Ethernet-

سیستم کنترل LAMTEC از معدود سیستم هایی است که تمامی موارد فوق را پشتیبانی می‌کند.

چشم اندازها

نسبت استفاده از اداوات الکترونیکی در مشعل ها بصورت پیوسته در حال افزایش است. درست مانند گرایشی که در صنعت خودرو در سالهای پیش وجود داشت، گرایشات در تکنولوژی احتراق به سمت حل کردن مشکلات با استفاده از ادوات الکترونیکی پیش می رود .

در حالی که در گذشته بیشتر سیستم های تنظیم سوخت به هوای الکترونیکیی در دیگ های بخار بزرگ در بخش های مرکزیی اروپا یافت می شد، در حال حاضر استفاده از سیستم های کنترل احتراق از اولویت های بخش های صنعتی در تمام نقاط دنیا می‌باشد.

این موضوع نشان دهنده قابلیت اطمینان بالای روز افزون مشعل های بیشتری با ظرفیت متوسط (۱تا ۳ مگاوات) به سیستم های کنترل الکترونیکی مجتمع مجهز می شوند انتظار می رود آمارهای فروش این دستگاه ها برای سال های آتی رشد داشته باشد.

پیش نیازها برای تحقق این امر آن است که هزینه راهکارهای الکترونیکی از هزینه راهکارهای مکانیکی گسترده در این عرصه تجاوز نکند.

انواع دیگ های(بویلرهای) بخار مشهد بویلرانواع دیگهای(بویلرهای)روغن داغ مشهد بویلرانواع دیگ های(بویلرهای) آبگرم(آبداغ)-دیگ فولادی مشهد بویلربخارشوی-کارواش-تجهیزات موتورخانه-روغن حرارتی-هیتر هوای گرمفیلترشنی-مبدل حرارتی-سختی گیر-موگیر و صافی-منبع کوئل دارمقاللات تخصصی بویلر(دیگ بخار)-نرم افزارهای تخصصی-استانداردهای فنی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *