В регенеративных установках и установках дожигания дымовых газов для запуска системы требуется большое количества тепла. Это является определяющим фактором при выборе мощности горелки. В процессе работы из-за того, что в систему поступает часть тепла от разогретых дымовых газов, возможны режимы при которых системе для работы требуется очень небольшое количество энергии.

Для подобных систем можно сформулировать следующие требования к газогорелочному устройству и системе безопасности и управления:

  • Диапазон регулирования мощности > 1:45
  • Контроль пламени во всем диапазоне работы горелки
  • Прямой розжиг
  • Прямой контроль пламени
  • Защита системы от термического разрушения
  • Использование стандартного оборудования
  • Обеспечение как можно более низкого давления воздуха для горелки
  • Полностью автоматическая работа системы

Несмотря на заявленный широкий диапазон регулирования, перечисленные требования могут быть выполнены при использовании стандартных горелок и систем автоматики. Почему стандартные системы регулирования имеют ограничения и как эти ограничения преодолеть с помощью каскадных систем, будет рассмотрено далее.


Схема управления

Во всех процессах сжигания природного газа количество топлива, подаваемое в систему, должно соответствовать требуемому количеству в любой момент времени. В большинстве случаев, коэффициента регулирования мощности 1:10 достаточно при работе горелок с плавным регулированием мощности. Для того, чтобы показать почему диапазон регулирования мощности не может быть расширен без применения дополнительных средств, рассмотрим некоторые аспекты стандартной системы с пневматическим регулированием соотношения газ/воздух (Рис. 1).

Стандартная система с пневматическим регулирование соотношения газ/воздух
Рис. 1

Регулятор соотношения газ/воздух (3) установлен на газовой линии, в данном случае это регулятор соотношения VAG, состоящий из регулятора соотношения и электромагнитного клапана. Регулятор соотношения соединяется импульсной линией (4) с воздушной линией горелки. Сигнал с регулятора температуры поступает на сервопривод IC (6) воздушной заслонки BVA (5). В зависимости от температуры и требуемой мощности воздушная заслонка открывается или закрывается. Регулятор соотношения (3) поддерживает давление газа равное давлению воздуха, отслеживая давление воздуха через импульсную линию (4). Таким образом, поддерживается постоянное соотношение давлений газа и воздуха, а значит и постоянное соотношение расходов. Регулятор соотношения нивелирует все изменения давления газа на входе и поддерживает давления газа равным давлению воздуха при колебаниях входного давления газа.


Ограничения системы с пневматическим регулированием соотношения газ/воздух

В системах с пневматическим регулированием соотношения газ/воздух для достижения стабильности регулирования на минимальных нагрузках управляющее давления воздуха не может быть меньше 0.5 мбар. При полностью открытой воздушной заслонке управляющее давление воздуха может достигать 50 мбар. Таким образом, получается диапазон изменения управляющего давления 1:100. Принимая во внимание квадратичную зависимость между давлением и расходом, получается диапазон регулирования расхода 1:10. Для максимального управляющего давления воздуха 50 мбар, чтобы получить диапазон регулирования 1:45, минимальное управляющее давление воздуха должно быть 0.02 мбар. С другой стороны, для минимального давления воздуха 0.5 мбар с точки зрения надежного регулирования, максимальное управляющее давление должно быть увеличено до 1012.5 мбар для получения диапазона регулирования 1:45. Оба варианта не могут быть реализованы из-за выхода управляющего давления за диапазон устойчивого регулирования в первом случае и невозможности достижения таких высоких давлений воздуха стандартными вентиляторами.


Расширение диапазона регулирования

Современные нагревательные установки с широким диапазоном регулирования
Рис. 2

Чтобы использовать все преимущества систем с пневматическим регулированием соотношения газ/воздух весь диапазон изменения мощности делится на два диапазона с помощью системы каскадного регулирования. Это позволяет использовать стандартные вентиляторы с напорностью < 80 мбар. Для коэффициента регулирования 1:45 минимальная мощность составляет 2.2% от максимальной. На рис. 2 показан пример каскадной системы регулирования мощности с линейным регулятором расхода LFC (8) и электромагнитным клапаном VAS (7), которые устанавливаются параллельно с регулятором соотношения VAG (3). На рис. 3 показана газовая линия каскадной системы регулирования.

В диапазоне мощности 100%...15% используется хорошо себя зарекомендовавшая система с пневматическим регулированием соотношения газ/воздух. В диапазоне мощности 15%...2.2% система переключается на байпасную линию. При этом мощность системы регулируется с помощью линейного регулятора расхода (8), а не воздушной заслонкой (5) с сервоприводом (6). При работе в диапазоне мощности < 15% воздушная заслонка остается в положении "минимум". В этом диапазоне горелка работает с избытком воздуха. Таким образом, не смотря на низкий расход газа, газовоздушная смесь обладает достаточной энергией для хорошего смесеобразования и полного сжигания газа.

  • Газовая линия каскадной системы регулирования
    Рис. 3
  • Диаграмма расходов газ/воздух системы с пневматическим регулированием соотношения и каскадной системы
    Рис. 4

На рис. 4 показаны диаграммы для системы с пневматическим регулированием соотношения газ/воздух и каскадной системы. Европейский стандарт EN 746-2 устанавливает четкие требования безопасности к системам сжигания газа. Главное условие можно сформулировать следующим образом: в систему в любой момент времени не должно поступать неконтролируемое количество газовоздушной смеси. Рассмотрим пример каскадной системы регулирования (рис. 5).

Пример каскадной системы регулирования
Рис. 5

В диапазоне мощности 100-15%, система работает как система с пневматическим регулированием соотношения газ/воздух. Мощность регулируется с помощью сервопривода (6), установленного на воздушной заслонке (5). Точная настройка требуемого давления газа и воздуха производится установкой шайбы соответствующего сечения или регулировочными кранами (9), (10) во время пуско-наладочных работ. Должным образом настроенная система исключает образование неконтролируемой газовоздушной смеси в камере сгорания. Максимальная мощность определяется полным углом открытия воздушной заслонки (5), минимальная мощность положением "минимум" заслонки. Оба положения определяются настройкой контактных кулачков сервопривода (6).

Диапазон мощности 15%...2.2% может быть реализован только при достижении воздушной заслонкой (5) положения "минимум". При этом система переключается на линейный регулятор расхода LFC (8). Воздушная заслонка остается в положении "минимум" и мощность регулируется изменением расхода газа. Максимальный расход газа определяется мощностью 15%. Положение "максимум" линейного регулятора расхода LFC (8) определяется подбором нужного положения регулировочного цилиндра (рис. 6) в регуляторе при пуско-наладочных работах. Положение "минимум" линейного регулятора расхода определяется мощностью 2,2% и настраивается с помощью контактного кулачка сервопривода. В результате получается система, в которой исключается неконтролируемое попадание газовоздушной смеси в камеру сгорания. Для стабильной работы такой системы необходимо чтобы воздух был очищенным. Должна быть предусмотрена система контроля давления воздуха, чтобы гарантировать наличие необходимого давления воздуха.

Регулировочный цилиндр регулятора расхода LFC
Рис. 6

Горелка ZIC 200
Рис. 7

Система представленная на рис. 5 реализована на базе горелки ZIC 200RB с керамической камерой сгорания TSC 200. Данные горелки не требуют установки горелочного камня и могут быть использованы для установки в печи с "мягкой" футеровкой. Горелки ZIC (рис. 7) разработаны для работы на газовоздушных смесях с близким к стехиометрическому соотношению газ/воздух и коэффициентом регулирования 1:10. Данные горелки имеют специальный смеситель, обеспечивающий низкое образование СО и СО2. Горелки имеют встроенный электрод розжига. Контроль пламени может осуществляться с помощью встроенного ионизационного электрода или с помощью УФ-датчика. Оснащенная системой каскадного регулирования горелка может работать при очень небольших мощностях. В лабораторных условиях удалось достигнуть коэффициента регулирования > 1:50, а в реальных условиях можно получить 1:45 (таблица 1).

Таблица 1
Тип горелки Мощность [кВт] Точка переключения [кВт] Мин. мощность [кВт] Диапазон регулирования
BIC 65 50 5 1.7 1:30
BIO 80 150 15 3.8 1:40
BIO 140 450 65 11 1:40
ZIO 165 630 63 18 1:35
ZIC 200 1000 150 22 1:45
Данные приведены для природного газа, смеситель горелки R (нормальное пламя), ионизационный контроль пламени, холодный воздух

При разработке систем управления подобных систем должны приниматься во внимание требования EN 746-2, EN 60204 и EN 50156. Аналогичные требования к автоматизации предъявляются и в России. Эти стандарты описывают функционирование и требования к системам управления.

Система управления должна выполнять и контролировать:

  • мин./макс. давление газа
  • мин. давление воздуха
  • продувку
  • контроль герметичности клапанов
  • розжиг горелки
  • контроль пламени горелки
  • регулирование мощности

Шкаф управления
Рис. 8

На рис. 8 показан пример шкафа управления с автоматом управления горелкой BCU 370. Функциональность автомата управления BCU 370 позволяет выполнить ряд приведенных выше требований. Однако контроль горелки при использовании каскадной системы регулирования может быть реализован с помощью любого другого автомата управления. Главным фактором в этой системе является необходимость переключения на другой способ регулирования мощности при достижении мощности 15%. В таблице 2 приведено, в какие моменты времени должны быть активированы клапаны и регулирующие элементы и в каком положении они должны находится при работе каскадной системы регулирования.


Таблица 2
Основная газ. линия Байпасная газ. линия Воздушная линия
Поз. 2 Поз. 3 Поз. 7 Поз. 8 Поз. 5 и 6
Состояние системы Газ. клапан Регулятор соотношения Газ. клапан Лин. регулятор расхода LFC Сервопривод IC возд. заслонки
VAS VAG VAS Положение Перекл. макс. полож. Положение Перекл. мин. полож.
Горелка выкл. Закрыт Закрыт Закрыт - - МИН. Вкл.
Продувка Закрыт Закрыт Закрыт - - 100% Выкл.
Розжиг Открыт Открыт Открыт Открыт Вкл. МИН. Вкл.
Газ < 15% Открыт Закрыт Открыт РЕГУЛ. Выкл. МИН. Вкл.
Газ > 15% Открыт Открыт Открыт Открыт Вкл. РЕГУЛ. Выкл.
РЕГУЛ. - осуществляется регулирование мощности

Для реализации подобной системы управления требуется мини-PLC (программируемый контроллер) для использования совместно с данным автоматом управления горелкой. Воздушный и газовый регулирующие клапана контролируются трех шаговым сигналом. Для предотвращения постоянного переключения системы в точке 15% мощности, в программу мини-PLC шкафа введен гистерезис переключения. Параметры гистерезиса определяются для каждой установки индивидуально в зависимости от условий работы. Два индикатора на дверке шкафа управления обеспечивают информацию о текущем положении регулирующих сервоприводов (6) и (8): воздушной заслонки и линейного регулятора расхода на газовой линии. Ручной переключатель в дверке шкафа позволяет в ручную установить требуемую мощность горелки в диапазоне 2,2%-100%. Может быть использован регулятор температуры для автоматического управления мощностью горелки (не представлен в изображенном шкафу).

С помощью каскадной системы регулирования можно расширить коэффициент регулирования мощности до 1:45 используя стандартные горелки, оборудование, средства управления и безопасности. В тоже время данные системы позволяют использовать преимущества систем с пневматическим регулированием соотношения газ/воздух. Другим преимуществом системы каскадного регулирования является то, что она позволяет использовать стандартные вентиляторы (с напорностью < 80 мбар). Система работает со стандартными давлениями газа и воздуха.


Назад

Свяжитесь с нами

Позвоните нам по номеру телефона 8 (831) 212-44-77 или Оставьте заявку