УСТРОЙСТВО ЗАЖИГАНИЯ И КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ

Полезная модель относится к энергетике и может быть использовано в системах автоматики печей, котельных установок различного назначения, подогревателей нефти, а также в системах автоматики факельных установок утилизации попутных нефтяных газов для розжига топливной смеси и контроля пламени запальных и основных горелок.
Известно устройство электроискрового розжига с индикацией пламени, содержащее трансформатор зажигания, первичную и вторичную обмотки, транзисторный ключ и датчик тока, блок индикации пламени с пусковым входом, электроды искрового промежутка, формирователь импульсов, узел ограничения тока. Пусковой вход блока индикации пламени введен в цепь подключения к электродам искрового промежутка вторичной обмотки трансформатора зажигания, а выход соединен с управляющим входом формирователя импульсов. Блок индикации пламени содержит RC-цепочку, включенную на его входе, при этом конденсатор RC-цепочки включен в цепь подключения к электродам искрового промежутка вторичной обмотки трансформатора зажигания. (1)
-3
Недостатком данного устройства является то, что в режиме розжига пламени энергия, выделяемая в искровом промежутке, может быть 1…2 мДж, а в режиме индикации пламени эта энергия может быть 0,05…0,1 мДж, а режим розжига пламени через каждый цикл чередуется с режимом индикации пламени, а время срабатывания устройства в режиме индикации пламени может быть менее 0,1·10 с.
При этом фактическая энергия, рассеиваемая в искровом промежутке, определяется уровнем проводимости между электродами в момент разряда, которая в свою очередь зависит от состояния окружающей электроды среды. Например, при розжиге факельных установок на нефтяных промыслах сбросной попутный газ зачастую содержит водонефтяные эмульсии, возможны обледенения, выпадение климатических осадков, что может привести к росту проводимости и ложной индикации пламени. Когда имеют место проблемы с остаточной ионизацией и подачей воздуха, чередование режимов розжига и индикации пламени может не предусматриваться и функциональная связь между выходом блока индикации пламени и управляющим входом формирователя импульсов может быть исключена.
Указанные недостатки снижают надежность данного устройства.
Известно устройство зажигания и контроля горения, содержащее трансформатор зажигания, первичную и вторичную обмотки, контрольно-запальный электрод, блок обнаружения горения, соединенный с блоком пуска и блокировки, связанный с запорным органом, генератор импульсов розжига, коммутационное реле с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами. (2)
Недостатком данного устройства является отсутствие функции контроля и выдачи информации в случае короткого замыкания контрольно-запального электрода на массу из-за отложений продуктов сгорания жидких углеводородов или других загрязнений на факельных установках, а также использование релейного узла с повышенным количеством контактных пар, что снижает надежность устройства.
Наиболее близким по технической сущности решением является устройство розжига и контроля пламени, содержащее систему розжига пламени и систему контроля пламени, трансформатор розжига пламени, электрод-запальник, блок контроля пламени, переменный резистор блока контроля пламени, блок контроля и управления, дифференциальную цепь, усилитель и несимметричный триггер блока контроля и управления, RC-цепь на входе несимметричного триггера, реле переключения режимов. Блок контроля пламени через дифференциальную цепочку подключен к усилителю, который своим выходом подключен к входу несимметричного триггера, выход которого через транзисторный ключ подключен к реле переключения режимов. Блок контроля пламени срабатывает при наличии слабого разряда, возникающего при наличии пламени в цепи «вторичная обмотка трансформатора зажигания - ионизированное пространство межэлектродного промежутка - переменный резистор». Периодичность переключения с режима «Розжиг» на режим «Контроль» задается параметрами RC-цепи на входе несимметричного триггера. (3)
К недостаткам описанного устройства можно отнести отсутствие диагностики аварийного режима короткого замыкания электрода-запальника на массу устройства из-за отложений продуктов сгорания жидких углеводородов или других загрязнений на факельных установках, что снижает эксплуатационную надежность устройства.
Задачей полезной модели является повышение надежности устройства за счет диагностики режима короткого замыкания электрода-запальника.
Результат достигается тем, что в заявляемом устройстве зажигания и контроля пламени, содержащем источник питания, трансформатор зажигания, первичная обмотка которого присоединена к первому выходу контроллера управления, а один вывод вторичной обмотки соединен с электродом розжига - контроля пламени, реле коммутатор с нормально замкнутым контактом, трансформатор контроля пламени, фильтр выходного сигнала пламени и компаратор, другой вывод вторичной обмотки трансформатора зажигания присоединен к одному из выводов нормально-замкнутого контакта реле коммутатора и к потенциальному выводу вторичной обмотки трансформатора контроля пламени, низковольтный вывод которой присоединен к входу фильтра сигнала пламени, а другой вывод нормально-замкнутого контакта реле коммутатора и один вывод обмотки реле-коммутатора присоединены к массе устройства, второй выход контроллера управления присоединен к одному из выводов обмотки реле-коммутатора, а третий выход контроллера управления присоединен к первичной обмотке трансформатора контроля пламени, выход фильтра сигнала пламени соединен с входом компаратора, выход которого присоединен к входам реле времени и дифференциального звена контроля пламени, выход реле времени соединен с первым входом контроллера управления, выход дифференциального звена соединен с входом одновибратора, выход которого соединен со вторым входом контроллера управления.
Кроме того, в устройстве зажигания и контроля пламени трансформатор зажигания и реле-коммутатор с нормально замкнутым контактом размещены в блоке, в непосредственной близости от электрода розжига - контроля пламени, а коммутатор выполнен виде искрового разрядника, причем низковольтный вывод вторичной обмотки трансформатора зажигания присоединен к одному из выводов искрового разрядника и к потенциальному выводу выходной обмотки трансформатора контроля пламени, а второй вывод искрового разрядника присоединен к массе устройства.
На Фиг.1 изображена схема устройства.
На Фиг.2 изображена схема устройства с искровым разрядником.
На Фиг.3 изображена схема соединения устройства с факельной установкой.
На Фиг.4 и 5 показаны эпюры напряжений при работе устройства.
На Фиг.3, 1 и 2 пунктиром показана граница разделения устройства с размещением блока зажигания 3 и электрода 9 непосредственно на факельном стволе в зоне высоких температур, а блоков питания 1, контроллера управления 2 и блока контроля пламени 12 в наземном блок боксе или в операторной.
Устройство содержит источник питания 1, контроллер управления 2 с двумя входами 29 и 30 и выходами 24, 25 и 26, блок зажигания 3 с выходом 27, трансформатор зажигания 4, первичную обмотку 5 трансформатора зажигания, вторичную обмотку 6 трансформатора зажигания, высоковольтный вывод 7 вторичной обмотки трансформатора зажигания, низковольтный вывод 8 вторичной обмотки трансформатора зажигания, электрод 9 розжига - контроля пламени, реле - коммутатор 10 с нормально замкнутым контактом 11, блок контроля пламени 12, трансформатор контроля пламени 13, первичную обмотку 14 трансформатора контроля пламени, выходную обмотку 15 трансформатора контроля пламени, потенциальный вывод 16 выходной обмотки трансформатора контроля пламени, низковольтный вывод 17 выходной обмотки трансформатора контроля пламени, фильтр сигнала пламени 18, компаратор 19, реле времени 20, дифференцирующее звено 21, одновибратор 22.
Устройство работает следующим образом.
На контроллер управления 2 подается напряжение питания от источника питания 1.
Как показано на Фиг.4, в исходном состоянии контроллер управления 2 запрограммирован на циклический режим работы.
24
25
26
В таком режиме контроллер управления 2 будет находиться до тех пор, пока на его первый вход 30 не поступит сигнал наличия пламени с реле времени 20. При этом с выхода контроллера управления 2 циклически подаются напряжение U на первичную обмотку 5 трансформатора зажигания 4 или напряжение U на обмотку реле коммутатора 10 и напряжение U на первичную обмотку 14 трансформатора контроля пламени 13.
24
6
25
В цикле розжига пламени, при подаче напряжения U на первичную обмотку 5 трансформатора зажигания 4, с вторичной обмотки 6 на контрольно-запальный электрод 9 поступает высокое напряжение U для розжига пламени газо-воздушной смеси факельной установки 23. При этом на выходе 25 контроллера управления 2 напряжение U отсутствует, обмотка реле 10 обесточена и низковольтный вывод 8 вторичной обмотки 6 трансформатора зажигания 4 подключен к массе устройства через нормально замкнутый контакт 11.
24
25
26
В цикле контроля пламени, при отключении напряжения U и подаче напряжений U и U на обмотку реле 10 и на первичную обмотку 14 трансформатора контроля пламени 13, контакт 11 размыкается, а на электрод 9 поступает переменное напряжение с вторичной обмотки 15 трансформатора контроля пламени 13 через вторичную обмотку 6 трансформатора зажигания 4.
15
19
В случае не розжига газо-воздушной смеси и отсутствия пламени горелки 23 и, соответственно, отсутствии ионизации в зоне электрода 9 контроля пламени, с вторичной обмотки 15 трансформатора контроля пламени 13 на вход фильтра сигнала пламени 18 поступает напряжение холостого хода U, а на выходе компаратора 19 фиксируется исходное постоянное отрицательное напряжение U, срабатывания реле времени 20 не происходит, а отсутствие сигнала на первом входе 30 контроллера управления 2, соответствует отсутствию пламени из-за не розжига.
Контроллер управления 2 включает следующий цикл розжига и следующий цикл контроля пламени.
15
В случае розжига и наличия пламени горелки 23 газо-воздушной смеси, пространство в зоне электрода 9 ионизируется и за счет детектирующего эффекта пламени на выходной обмотке 15 трансформатора контроля пламени 13 появляется переменный сигнал U с постоянным смещением «+А». С выхода фильтра сигнала пламени 18 на вход компаратора 19 поступает положительное напряжение (на Фиг.4 не показано). На выходе компаратора 19 появляется постоянный сигнал наличия пламени «+1», который вызывает срабатывание реле времени 20 и которое, в свою очередь, подает сигнал о наличии пламени на первый вход 30 контроллера управления 2 на всю продолжительность времени горения пламени топливовоздушной смеси. На системы обеспечения безопасности факельной установки выдается сигнал о наличии пламени. При этом, постоянная времени срабатывания реле времени 20 на постоянный сигнал «+1» компаратора 19 выбрана не менее длительности двух периодов переменного напряжения питания (напряжения с выходной обмотки 15 трансформатора контроля пламени 13), что позволяет отдифференцировать сигнал наличия пламени от сигнала наличия короткое замыкания электрода, как будет показано ниже.
На Фиг.5 показан режим короткого замыкания электрической цепи электрода 9, включая электрические линии до блока зажигания 3, с переходом в штатные режимы розжига пламени и контроля пламени. Режим короткого замыкания возникает в случаях загрязнения продуктами сгорания жидких фракций нефти, обледенения, заливания эмульсиями конденсата из трубопроводов или за счет мощного выпадения климатических осадков. Особенно вероятен данный режим после останова факельной установки и длительного простоя в нерабочем состоянии с последующим пуском.
15
19
21
22
В режиме короткого замыкания происходит подключение накоротко выходной обмотки 15 трансформатора контроля пламени 13 к входу фильтра наличия пламени 18. При этом, детектирующий эффект пламени и постоянная составляющая переменного сигнала наличия пламени U отсутствуют. С выхода фильтра наличия пламени 18 на вход компаратора 19 поступает переменное напряжение. На выходе компаратора 19 появляется пульсирующий сигнал U, который через дифференцирующее звено 21 поступает в виде импульсов напряжения U на вход одновибратора 22, а с выхода одновибратора напряжение U поступает на второй вход 29 контроллера управления 2.
При этом, постоянная времени опрокинутого состояния одновибратора выбрана больше, чем длительность одного периода, но меньше продолжительности двух периодов напряжения питания (напряжения с выходной обмотки 15 трансформатора контроля пламени 13), что позволяет отдифференцировать в блоке контроллера управления 2 сигнал наличия короткого замыкания от сигнала наличия пламени.
Контроллер управления 2 фиксирует сигнал наличия короткого замыкания с выдачей информации на системы обеспечения безопасности факельной установки. Одновременно, контроллер управления 2 продолжает циклическое включение работы устройства «розжиг пламени-контроль пламени-розжиг пламени» для прожига и самоочищения электрода 9 мощным электрическим разрядом и устранения аварийной ситуации.
В момент, когда произошло самоочищение электрода 9 и устранение короткого замыкания выходной обмотки 15, происходит розжиг пламени горелки 23 и срабатывание канала контроля пламени (см. Фиг.5). Одновибратор 22 переходит в исходное устойчивое состояние. На выходной обмотке 15 трансформатора контроля пламени 13 за счет детектирующего эффекта пламени появляется постоянная составляющая «А» и с выхода реле времени 20 на первый вход 30 контролера управления 2 подается сигнал контроля пламени.
На Фиг.2 показан вариант устройства с введением в конструкцию искрового разрядника 28 взамен реле-коммутатора 10 с нормально замкнутым контактом. При этом величина пробивного напряжения искрового разрядника 28 (около 250-300В) выбрана больше напряжения холостого хода выходной обмотки трансформатора контроля пламени 15 (около 115В), но значительно меньше напряжения пробоя искрового промежутка электрода розжига 9 (около 20000В). В режиме розжига пламени напряжение каждого импульса зажигания с высоковольтного вывода 7 вторичной обмотки 6 прикладывается к искровому разряднику 28, который пробивается и закорачивает низковольтный вывод 8 трансформатора зажигания 4 и потенциальный вывод 16 выходной обмотки 15 трансформатора контроля пламени 13 на массу. Надежность устройства в целом повышается за счет уменьшения числа коммутирующих контактных пар.
Достоинства конструкции предлагаемого устройства зажигания и контроля пламени, заключаются в следующем:
- полная автоматизация процесса «розжиг пламени - контроль пламени» на пожаровзрывоопасных объектах типа факельная установка;
- контроль режима короткого замыкания электрода розжига и контроля пламени;
- наличие автоматического режима диагностики состояния электрода розжига и контроля пламени в случае загрязнения продуктами сгорания жидких фракций нефти, обледенения или заливания водой;
- повышенная жаропрочность и климатоустойчивость устройства в целом за счет размещения блока зажигания непосредственно в зоне розжига на факельном стволе и вынесения контроллера управления и блока контроля пламени из зоны высоких температур (250-500°С), зоны термоударов и перепадов климатики;
- повышенная надежность устройства за счет уменьшения числа коммутаций контактных пар из-за введения в конструкцию искрового разрядника;
- в целом повышенная надежность при эксплуатации на пожаровзрывоопасных объектах типа факельная установка.
Достоинства заявляемого устройства зажигания и контроля пламени подтверждены положительными результатами испытаний в натурных условиях при опытно-промышленной эксплуатации факелов на попутном нефтяном газе на ДНС-1/1С ЦДНГ-1 ЗАО «Геология» и ОАО «ШЕШМАОЙЛ» в Республике Татарстан, на ЦДНГ-1 предприятия ОАО «БАШНЕФТЬ».
Источники информации:
1. Патент РФ №2274806, F23Q 5/00 от 20.04.2006 г.
2. Авторское свидетельство №1199013, F23Q 5/00, F23N 5/12, от 23.10.1990 г.
3. Авторское свидетельство №1686267, F23Q 5/00, F23N 5/12, от 23.10.1991 г.