УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ НАЛИЧИЯ ФАКЕЛА ГОРЕЛКИ
DEVICE FOR MONITORING OF BURNER TORCH AVAILABILITY

Изобретение относится к области автоматического контроля наличия факела горелки в процессе пуска парогенератора и может быть использовано на любом промышленном объекте, содержащем камеру сгорания, оснащенную минимум двумя горелками и устройством, контролирующим наличие факела своей горелки внутри камеры сгорания.
В процессе пуска парогенератора наиболее вероятны ситуации создания взрывоопасных концентраций топлива в случае невоспламенения горелки и несвоевременного отключения подачи топлива к данной горелке и к объекту в целом.
С этой целью в энергетике в обязательном порядке выполняется защита, действующая на отключение всех запальных устройств и на прекращение подачи всех видов топлива к котлу и к горелкам при невоспламенении первой или при погасании факела всех горелок при растопке котла (РД 153-34.1-35.108-2001 «Технические условия на выполнение технологических защит и блокировок при использовании мазута и природного газа в котельных установках в соответствии с требованиями взрывобезопасности»). Защита выводится из работы после ввода в работу защиты по погасанию общего факела в топке или при отключении подачи топлива.
Для выполнения упомянутой выше защиты и для автоматизации пуска объекта необходим селективный контроль факта появления и факта погасания факела данной горелки.
Сложность организации селективного контроля факела данной горелки заключается в том, что фотоэлектрический датчик контроля наличия пламени воспринимает информацию об общей ситуации в камере сгорания (топке):
- от пламени запальника своей горелки;
- от пламени факелов соседних горелок;
- от изменения температуры в камере сгорания
и формирует суммирующий сигнал о ситуации в топке, измеряемый в точке его установки. Датчики других горелок также формируют суммирующие сигналы такой величины, которая существует в месте установки этих датчиков, причем эта величина может оказаться выше порога срабатывания устройства контроля факела данной горелки, и это устройство покажет наличие факела, хотя эта горелка не разжигалась (запальник не разжигался и топливо на горелку не подавалось). Поэтому в соответствии с РД 153-34.1-35.108-2001 выполняется запрет подачи топлива в горелку, если при закрытых первых запорных устройствах на линиях подвода всех видов топлива к горелке есть информация о наличии факела этой горелки. Наличие такого запрета в действующей нормативно-технической документации показывает, что применяемые устройства контроля факела горелки далеко не всегда обеспечивают надежную отстройку от общей ситуации в топке и часто дают ложную информацию о состоянии контролируемой горелки.
Наиболее часто применяемые устройства контроля факела горелки состоят из последовательно соединенных фотоэлектрического датчика, системы обработки сигнала датчика различными способами с целью выделения «полезной» составляющей, усилителя «полезного» сигнала, аналого-дискретного преобразователя.
Способность такого устройства выделять из общего объема информации «полезную» зависит, прежде всего, от конструкции камеры сгорания, а именно от ее размеров, расположения горелок в один или несколько ярусов, на одной стороне камеры или встречное расположение, расстояния между соседними и встречно расположенными горелками.
В частности, при расположении горелок на одной стороне камеры в один ярус на приемлемом расстоянии друг от друга такие устройства контроля факела с достаточной надежностью определяют факт розжига контролируемой горелки.
При другом конструктивном исполнении камеры сгорания надежность селективного контроля наличия факела горелки снижается.
Таким образом, повышение надежности селективного контроля наличия факела горелки для значительного количества вариантов конструкций камер сгорания является актуальной задачей.
Известно устройство селективного контроля пламени горелки в камере сгорания огнетехнической установки (патент РФ №2121110, МПК6 F23N 5/08, авторы Барков Н.А. и другие), содержащее оптический фильтр и фотоэлектрический датчик, электрическую схему обработки суммарного оптического сигнала, поступающего к датчику через оптический фильтр от пламени горелки, в которую входят последовательно включенные: усилитель поступающего от датчика электрического сигнала; фильтр высокой частоты (ФВЧ); амплитудный детектор (АД), регулируемый усилитель, сглаживающий фильтр и пороговое устройство.
В известном устройстве селективность контроля предполагается обеспечить, во-первых, ограничением пропускания низкочастотных пульсаций от краев пламени соседних горелок в фильтрах высокой частоты частотой 300 Гц и, во-вторых, выбором спектрального диапазона оптического фильтра в области инфракрасного излучения 2.5-3.0 мкм, соответствующего наибольшему затуханию пламенного факела в продуктах сгорания, что исключает в случае погасания пламени реагирование фотоэлектрического датчика на световой поток, исходящий от непогасшего пламени встречно расположенной горелки, так как в выбранной спектральной области этот поток поглощается заполняющими топочное пространство продуктами сгорания топлива.
Недостатком данного технического решения является поступление в схему обработки значительного фонового сигнала других частот спектра, несмотря на предпринятые меры, а именно сигнал излучения от соседних и встречно расположенных горелок, сигнал излучения от факела запальника контролируемой горелки, влияние теплового изучения от стенок топочной камеры.
Наличие фоновой части в общем сигнале о ситуации в топке позволяет утверждать, что есть высокая вероятность получения ложной информации в зависимости от того, какой по счету разжигается контролируемая горелка, от состояния самого устройства (самодиагностика еще не уловила изменения характеристик элементов, но общая характеристика устройства изменилась), от состояния горелки и соседних горелок (изменились характеристики факелов), от состава топлива (изменились характеристики факелов), от нагрузки (изменилось тепловое излучение от стенок топочной камеры и характеристики факелов).
Т.е. при наличии в сигнале от фотоэлектрического датчика фоновой составляющей велика вероятность получения ложной информации как о розжиге, так и о погасании факела горелки.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство контроля пламени горелки (патент РФ №2115865, МПК6 F23N 5/08, авторы Барков Н.А. и другие), содержащее два фотоэлектрических датчика с одинаковыми спектральными характеристиками, двухканальную электрическую схему обработки поступающих к датчикам оптических сигналов, сумматор с двумя входами, подключенными соответственно к выходам первого и второго каналов, и подключенное к выходу сумматора управляющее устройство.
В данном устройстве фотоэлектрические датчики ориентированы на одну и ту же зону пламени одной горелки не параллельно ее оси под разными углами. При нормальной работе горелки (наличие факела) разность амплитуды сигналов на выходе сумматора равна нулю. При этом предполагается, что при погасании факела датчики, ориентированные под разными углами, будут воспринимать излучение из разных зон топки, что приведет к появлению на выходе сумматора сигнала, отличного от нуля, вызывающего срабатывание управляющего устройства.
Недостатком данного технического решения является его зависимость от конструкции топки, т.е. не исключено, что в случае погасания пламени пространственные зоны топки, визируемые датчиками, могут иметь близкие температуры, что приведет к ложному срабатыванию управляющего устройства, а предусмотренные меры на этот случай существенно усложняют электрическую схему устройства.
Кроме того, данное техническое решение ориентировано на определение факта погасания факела горелки, а в вопросе о том, как будет определяться факт розжига факела горелки, существует неопределенность.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении надежности селективного контроля наличия факела горелки в процессе растопки установки путем улучшения отстройки от общей ситуации в камере сгорания (топке).
Для решения поставленной задачи известное устройство контроля наличия факела горелки огнетехнической установки, содержащее фотоэлектрический датчик, систему обработки сигнала датчика, усилитель «полезного» сигнала, согласно изобретению содержит каналы фиксации розжига и погасания факела горелки, имеющие каждый в своем составе сумматор с двумя входами, элемент «слежение-запоминание» и аналого-дискретный преобразователь, причем канал погасания факела содержит схему мониторинга ситуации в топке, включающую два аналого-дискретных преобразователя, элемент выдержки времени и логический элемент ИЛИ, кроме того, устройство снабжено блоком формирования дискретной информации о состоянии второго запорного устройства на подаче топлива в горелку, например «закрыто-открыто», при этом выход усилителя полезного сигнала подключен к первым входам сумматоров и к аналоговым входам элементов «слежение-запоминание» каждого канала со знаком «плюс», выходы элементов «слежение-запоминание» подключены ко вторым входам сумматоров соответствующих каналов со знаком «минус», выход каждого сумматора подключен к аналого-дискретному преобразователю соответствующего канала, выход блока формирования дискретной информации о состоянии второго запорного устройства на подаче топлива в горелку подключен к дискретному входу элемента «слежение-запоминание» канала розжига горелки непосредственно, а к дискретному входу элемента «слежение-запоминание» в канале погасания горелки - через элемент ИЛИ, на второй и третий входы которого подключены выходы аналого-дискретных преобразователей схемы мониторинга ситуации в топке, входы которых соединены с входом сумматора канала погасания, при этом выход одного из них подключен ко второму входу элемента ИЛИ непосредственно, выход другого - на третий вход элемента ИЛИ через элемент «выдержки времени».
Существенным для получения достоверной информации о факте появления факела горелки в канале розжига и о факте исчезновения факела горелки в канале погасания является:
- использование элемента «слежение-запоминание, имеющего аналоговый и дискретный входы. При наличии на дискретном входе логической единицы аналоговый сигнал, поступающий на аналоговый вход, без изменений транслируется на выход. В момент переключения сигнала на дискретном входе с единицы на ноль сигнал на аналоговом выходе «запоминается», т.е. остается неизменным все время, пока на дискретном входе сигнал равен логическому нулю, при этом на аналоговый вход подается сигнал с выхода усилителя «полезный» сигнал;
- использование сумматора, на первый вход которого подается сигнал с выхода усилителя «полезного сигнала» со знаком «плюс», а на второй вход - сигнал с выхода элемента «слежение-запоминание» со знаком «минус»;
- использование блока формирования дискретной информации о состоянии последнего по ходу подачи топлива в горелку запорного устройства: «закрыто» - логическая единица, «не закрыто» - логический ноль.
Дискретный сигнал с выхода блока формирования дискретной информации о состоянии второго запорного устройства на подаче топлива в горелку, например «закрыто-открыто», поступает к дискретному входу блока «слежение-запоминание» в канале розжига непосредственно, а в канале погасания через элемент ИЛИ.
Когда горелка отключена (второе запорное устройство по ходу подачи топлива закрыто) на дискретных входах элементов «слежение-запоминание» присутствует логическая единица, сигнал с выхода усилителя полезного сигнала без изменений транслируется на выходы элементов «слежение-запоминание» и соответственно на вторые входы сумматоров со знаком «минус». На первые входы сумматоров поступает тот же сигнал с выхода усилителя полезного сигнала, но со знаком «плюс», т.е. на выходах сумматоров разность этих сигналов равна нулю, и соответственно на входах аналого-дискретных преобразователей каналов аналоговый сигнал равен нулю. Таким образом, вся информация о ситуации в зоне измерения датчика контролируемой горелки («шум») до момента ее розжига обнуляется и появление ложного сигнала о факте розжига горелки исключается.
При начале розжига горелки второе запорное устройство открывается, дискретный сигнал на выходе блока формирования информации о состоянии этого устройства изменяется с логической единицы на логический ноль, соответственно изменяются сигналы на дискретных входах элементов «слежение-запоминание» и аналоговый сигнал на выходах этих элементов «запоминается», т.е. остается равным на величину той, которая была на момент до начала открытия второго запорного устройства.
На выходах сумматоров разность сигналов в этот момент еще равна нулю, но теперь любое изменение ситуации в точке измерения транслируется на выходы сумматоров.
В канале розжига: на выходе усилителя «полезного» сигнала происходит изменение этого сигнала на величину, характеризующую изменение ситуации в топке по факту появления факела горелки. Сигнал, равный этой величине, появляется на выходе сумматора канала и соответственно на аналоговом входе аналого-дискретного преобразователя, который формирует дискретную информацию о факте появления факела.
В канале погасания задача та же, что и в канале розжига: на выходе сумматора канала должен быть нуль дл момента погасания факела горелки. В этом канале фиксируется факт уменьшения величины сигнала о ситуации в топке, «очищенный» от шумов, т.е. от нуля в минусовую область (соответственная и уставка у аналого-дискретного преобразователя канала).
Канал работает в режиме, когда на дискретном входе элемента «слежение-запоминание» присутствует логический ноль (второе запорное устройство открыто), т.е. исходное состояние на выходе сумматора и на входе аналого-дискретного преобразователя канала - «плавающий» сигнал, величина которого постоянно изменяется в обе стороны от нуля в зависимости от общей ситуации в топке.
Чтобы поддерживать величину сигнала на аналоговом входе «аналого-дискретного» преобразователя близкой к нулю, канал содержит систему мониторинга ситуации в топке. Данная схема формирует импульсный сигнал и логическую единицу, который через элемент ИЛИ канала поступает на дискретный вход элемента «слежение-запоминание», на время импульса переводит элемент в режим слежения, тем самым обнуляет сигнал на выходе сумматора и на входе в аналого-дискретный преобразователь.
Импульсный сигнал формируется с помощью двух аналого-дискретных преобразователей, на аналоговый вход которых поступает тот же сигнал с выхода сумматора, что и на аналого-дискретный преобразователь канала, а уставки поставлены у одного из них на «плюс», у другого - на «минус» - незначительной величины. Аналого-дискретный преобразователь с уставкой «плюс» формирует импульс без выдержки времени, а аналого-дискретный преобразователь с уставкой «минус» - с выдержкой времени на проверку, не изменялась ли ситуация в топке в результате погасания горелки, т.е. не сработал ли аналого-дискретный преобразователь канала, соответственно защита горелки должна закрыть второе запорное устройство и произойдет общее обнуление.
Устройство контроля наличия факела горелки содержит последовательно соединенные фотоэлектрический датчик 1, систему обработки 2 сигнала датчика, усилитель 3 «полезного сигнала, каналы розжига и погасания факела горелки, содержащие элементы «слежение-запоминание» 4 с выходами на сумматоры 5 и аналого-дискретные преобразователи 6 (АДБ - формирующий на выходе дискретный сигнал, когда величина аналогового сигнала на входе больше величины уставки; АДМ - когда величина аналогового сигнала на входе меньше величины уставки), кроме того, канал погасания факела горелки снабжен системой мониторинга ситуации в топке, включающей аналого-дискретные преобразователи 6, один из которых (АДБ) связан непосредственно с логическим элементом ИЛИ 8, второй (АДМ) - через элемент выдержки времени 7, причем логический элемент ИЛИ 8 связан с блоком 9 формирования информации о состоянии второго запорного устройства на подаче топлива в горелку, выход которого подключен к дискретному входу элемента «слежение-запоминание» 4 канала розжига горелки непосредственно, а к дискретному входу элемента «слежение-запоминание» 4 в канале погасания горелки - через элемент выдержки времени 7.
Работает предлагаемое устройство наличия факела следующим образом.
Фотодатчик 1 измеряет сигнал, характеризующий ситуацию в топке в месте измерения, который различными способами обрабатывается (фазочастотная, амплитудно-фазовая характеристика в различных частотах спектра), выделяется его полезная составляющая в системе 2, которая усиливается в усилителе 3.
Аналоговый сигнал с выхода усилителя 3 поступает в каналы розжига и погасания горелки. В канале розжига горелки: сигнал с выхода усилителя 3 подается на первый вход сумматора 5 со знаком «плюс» и на аналоговый вход элемента «слежение-запоминание» 4. Сигнал с выхода элемента «слежение-запоминание» подается на второй вход сумматора 5 со знаком минус. Разность сигналов с выхода сумматора подается на вход «аналого-дискретного» преобразователя 6.
До тех пор, пока второе запорное устройство на линии подвода топлива к горелке закрыто (не показано), сигнал с блока 9, формирующего информацию о положении второго запорного устройства на линии подачи топлива в горелку (или другой сигнал, фиксирующий факт отключения топлива от горелки), на дискретном входе элемента «слежение-запоминание» 4 присутствует логическая «1», при этом сигнал с аналогового входа транслируется на выход элемента «слежение-запоминание» 4 без изменения. Таким образом, на входах сумматора 5 присутствуют сигналы, равные по величине, но с противоположными знаками, т.е. выходной сигнал с сумматора 5 (и сигнал на входе аналого-дискретного преобразователя 6) равны нулю. Следовательно, независимо от того, что происходит в топке (розжиг и погасание факелов других горелок; розжиг факела запальника контролируемой горелки и т.д.), устройство не выдаст ложную информацию о факте наличия факела контролируемой горелки.
По факту начала подачи топлива на горелку (второе запорное устройство открыто) сигнал с блока 9 изменит значение с «1» на «0», на дискретном входе элемента «слежение-запоминание» 4 логическая «1» сменится на логический «0», и на его выходе аналоговый сигнал «запомнится». Т.е. независимо от изменений сигнала на аналоговом входе элемента 4, сигнал на выходе будет постоянным, равным тому, который был на момент переключения логических сигналов на дискретном входе элемента 4.
Величина аналогового сигнала на выходе сумматора 5 будет равна разности сигнала переменной (текущей) величины на его «плюсовом» входе и постоянной величины на его «минусовом» входе.
По факту появления факела горелки:
- сигнал на «плюсовом» входе сумматора 5 увеличится;
- разность сигналов на выходе сумматора 5 будет равна величине сигнала на его «плюсовом» входе и будет характеризовать изменение общей ситуации в топке, вызванное именно появлением факела контролируемой горелки;
- сигнал на входе аналого-дискретного преобразователя АДБ 6 изменяется от нуля до величины сигнала на выходе сумматора 5 заведомо большей величины уставки срабатывания, и АДБ 6 надежно формирует дискретный сигнал «Факел горелки есть».
Канал фиксации погасания факела горелки работает аналогично каналу розжига, т.е. до тех пор, пока второе по ходу топлива запорное устройство закрыто, сигнал с блока 9 передачи дискретной информации с запорного устройства равен «1», на выходе сумматора 5 и соответственно на входе АДМ 6 аналоговый сигнал равен «0». После открытия запорного устройства сигнал на выходе элемента «слежение-запоминание» 4 «запоминается» и на выходе сумматора 5 появляется уже не нулевой сигнал, а разность между переменным сигналом о ситуации в топке на «плюсовом» входе и сигналом постоянной величины о ситуации в топке перед розжигом горелки на «минусовом» входе.
Разница между каналом розжига и каналом погасания - в исходном состоянии перед фиксацией события:
- в канале розжига исходное состояние на входе АДБ 6 перед фиксацией факта появления факела горелки аналоговый сигнал равен нулю. Розжиг горелки - регламентная операция, которую производит либо оператор, либо система автоматизации и, естественно, в этот период никаких других изменений в общей ситуации в топке не происходит. Если появился факел горелки, то на входе АДБ 6 появился сигнал, и факт его появления - свидетельство того, что факел есть. Таким образом, требования к величине уставки срабатывания АДБ 6 минимальные - отстройка от помех.
- канал погасания работает в «стерегущем» режиме и исходное состояние на входе АДМ 6 канала - «плавающий» сигнал, величина которого постоянно изменяется в обе стороны от нуля в зависимости от общей ситуации в топке.
Чтобы поддерживать величину сигнала на входе АДМ 6 близкой к нулю, канал содержит схему мониторинга ситуации в топке.
Схема содержит два аналого-дискретных преобразователя АДБ 6 и АДМ 6 с возможно минимальными уставками срабатывания, на входы которых подается тот же сигнал, что и на вход АДМ 6 канала погасания факела горелки. Выходы АДБ 6 и АДМ 6 подключаются к входам элемента ИЛИ 8, причем выход АДБ 6 - напрямую, а выход АДМ 6 - через элемент «выдержка времени» 8.
При срабатывании АДБ 6 или АДМ 6 схемы на вход «д» элемента «слежение - запоминание» 4 через элемент ИЛИ 8 приходит сигнал (логическая «1»), который запускает функцию «слежение», что, в свою очередь, приводит к обнулению аналогового сигнала на выходе сумматора 5 и на входе АДМ 6 канала «погасание горелки» и на входе АДМ 6 схемы, т.е. схема постоянно поддерживает исходное состояние сигнала на входе АДМ 6 канала близким к нулю. Элемент «выдержка времени» 7 на выходе АДМ 6 схемы обеспечивает возможность срабатывания АДМ 6 канала при погасании горелки.
Уставка срабатывания АДМ 6 канала выбирается такой величины, которая «отсекает» изменение сигнала на выходе сумматора 5, вызванное отключением соседних горелок и уменьшением расхода топлива на установку, т.е. значительно больше, чем уставка срабатывания АДМ 6 схемы, и в то же время позволяет надежно зафиксировать факт значительного изменения сигнала, вызванного погасанием факела контролируемой горелки, и формировать дискретный сигнал «Факел горелки погас».
При отключении горелки (оператором или системой автоматизации, в том числе защитой) второе запорное устройство на подводе топлива к горелке закрывается, дискретный сигнал на выходе блока 10 становится равным «1», элементы «слежение-запоминание» 4 обоих каналов переходят в режим «слежение», на выходах сумматоров 5 и, соответственно, на входах АДБ 6 и АДМ 6 каналов розжига и погасания аналоговые сигналы становятся равными нулю. Дискретные сигналы на выходах АДБ 6 и АДМ 6 тоже становятся равными нулю, и устройство приходит в исходное состояние, соответствующее отключенному состоянию горелки.
Таким образом, заявляемое техническое решение в качестве изобретения позволяет повысить надежность селективности контроля факела горелки за счет отстройки от шумов в отличие от известных решений, где наличие «шумов» в усиленном сигнале, поступающем на вход аналого-дискретного преобразователя, определяет высокую вероятность формирования ложной информации.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна», т.к. из «Уровня техники» неизвестно техническое решение с предложенной совокупностью признаков.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень», т.к. из уровня техники неизвестны каждый из отдельно взятых существенных признаков предложенного технического решения, позволяющих обработать сигнал датчика, измеряющего ситуацию в горелке, с обеспечением обнуления этого сигнала до момента подачи топлива в горелку (розжиг факела горелки) и до момента прекращения подачи топлива в горелку (погасание факела горелки), что исключает влияние шумового сигнала от соседних и встречных горелок, факела запальника, изменения нагрузки и т.п. и в конечном итоге повысить надежность селективности контроля факела горелки.