АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ ГОРЕЛКИ
ADAPTIVE DEVICE OF BURNER FLAME MONITORING

Изобретение относится к устройствам для управления и регулирования процессов горения с применением приборов, чувствительных к тепловым изменениям и включающих светочувствительные элементы. Областью применения изобретения является автоматический контроль пламени в различных огнетехнических установках, а преимущественно - контроль пламени единичной горелки в камере сгорания (топке) энергетического или промышленного парогенератора (котла) с двумя и более горелками (в частности, при наличии боковых, а также встречно направленных горелок), особенно в случае попеременного сжигания различных видов топлива.
Для защиты котла, а также автоматизации его пуска необходим селективный контроль как факта появления, так и факта погасания факела каждой единичной горелки. Такой контроль необходим для предотвращения взрывоопасных аварийных ситуаций вследствие поступления в камеру сгорания (через горелку без факела пламени) невоспламенившегося топлива.
Сложность выявления наличия (отсутствия) факела у контролируемой горелки обусловлена тем, что факел единичной горелки в топке не является точечным источником света, занимая значительный объем, факелы могут проникать друг в друга. Кроме того, в суммарном излучении топки присутствует вклад излучения ограничивающих ее поверхностей. Поэтому, в общем случае, при пропадании факела контролируемой горелки свечение, наблюдаемое в смотровой трубе, по которой излучение этой горелки направляют на светочувствительный элемент, не исчезает, а величина уменьшения этого свечения может быть незначительной.
Применение различных видов сжигаемого топлива может, в общем случае, повлечь необходимость изменения соответствующих настроек каждого устройства контроля пламени (перед началом эксплуатации или в ее процессе) и даже - его замены.
Известно устройство селективного контроля пламени горелки в камере сгорания огнетехнической установки (патент РФ 2121110, МПК6 F23N 5/08, опубл. 27.10.1998), содержащее последовательно соединенные фотоэлектрический датчик, схему преобразования выходного сигнала этого датчика, включающую усилитель, и канал обработки выходного сигнала схемы преобразования. Недостатками данного устройства являются значительная вероятность формирования ложного сигнала о наличии факела горелки из-за влияния излучения других горелок и стенок топки, а также - невозможность исключения влияния старения фотоприемника и изменения прозрачности его светового тракта, для работы которого дополнительно необходим спектральный фильтр.
Известно устройство контроля наличия факела горелки (патент РФ 2388969, МПК6 F23N 5/08, опубл. 10.05.2010, бюл. №13), содержащее последовательно соединенные фотоэлектрический датчик, систему преобразования сигнала датчика, включающую усилитель, и каналы обработки выходного сигнала системы преобразования. Недостатком данного устройства является необходимость использования (для его работы) информации о состоянии запорной арматуры на линии подачи топлива к горелке. Это обуславливает существенное усложнение функциональной и электрической схем устройства.
Известно устройство контроля пламени (патент РФ 2319900, МПК6 F23N 5/08, опубл. 20.03.2008, бюл. №8), содержащее последовательно соединенные фотоприемник (фотодиод), преобразователь сигнала фотоприемника и канал обработки выходного сигнала преобразователя (анализатор). Недостатком данного устройства является то, что среди известных дестабилизирующих факторов производят учет только старения фотоприемника и снижения прозрачности его светового тракта, причем не по фактическому изменению, а по принятой (нормативной) зависимости от продолжительности (времени) работы.
Общим недостатком известных устройств контроля пламени является трудность оперативного контроля процесса розжига многогорелочного котла из-за необходимости ручной регулировки для получения оптимального уровня порога срабатывания у каждого устройства всех горелок котла (в частности, вследствие зависимости уровня сигнала от вида сжигаемого топлива), что требует значительного времени.
Следует отметить, что возможность настройки устройства контроля пламени для работы в широком диапазоне светового потока, поступающего на фотодиод (т.е., для различных видов топлива), ограничена также немонотонностью нагрузочной характеристики фотодиодов (в частности, фотодиода ФД-256). С увеличением величины светового потока (от нулевого значения) выходной сигнал фотодиода при постоянной нагрузке сначала растет, а потом падает, при этом положение максимума выходного сигнала с увеличением нагрузки смещается в сторону меньших значений светового потока. Однако для правильного функционирования устройства контроля необходима положительная корреляция величин светового потока на фотодиод и выходного сигнала последнего (работа в пределах восходящего участка нагрузочной характеристики фотодиода).
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности контроля пламени единичной горелки за счет увеличения селективности контроля при расширении диапазона видов сжигаемого топлива, а также - упрощении устройства за счет использования только светового сигнала без привлечения иной информации.
При осуществлении изобретения могут быть получены, в частности, следующие технические результаты: во-первых, уменьшение оптимального уровня порога срабатывания устройства контроля; во-вторых, снижение влияния на достоверность выходного сигнала устройства контроля ресурсных изменений и режимных отклонений устройства и топки; в-третьих, исключение необходимости ручных регулировок и переключений в процессе эксплуатации устройства контроля; в-четвертых, повышение помехоустойчивости.
Как решение задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается адаптивное устройство контроля пламени горелки, содержащее последовательно соединенные фотодиод, усилитель-преобразователь и анализатор. В отличие от прототипа, предлагаемое устройство дополнительно снабжено схемой нормализации входного сигнала анализатора.
Схема нормализации содержит интегратор, интегрирующий вход которого соединен с выходом усилителя-преобразователя, а опорный вход - с выходом источника нормального сигнала, и присоединенный к выходу этого интегратора регулируемый элемент, выполненный с возможностью изменения его активного сопротивления под действием выходного сигнала указанного интегратора и присоединенный на входе усилителя-преобразователя с возможностью изменения его входного сопротивления.
При этом усилитель-преобразователь выполнен с возможностью выделения переменной составляющей выходного сигнала фотодиода, ее полосового усиления и одностороннего ограничения и фиксированного сдвига потенциального уровня входного сигнала анализатора, а схема нормализации выполнена с возможностью устранения отклонений средней по времени величины входного сигнала анализатора от нормального сигнала.
Анализатор выполнен в виде последовательно соединенных первого и второго интеграторов и компаратора. Опорный вход компаратора соединен с его выходом, опорный вход второго интегратора анализатора - с выходом источника нормального сигнала, а опорный вход первого интегратора анализатора - с выходом компаратора с возможностью формирования опорного сигнала, равным части выходного сигнала компаратора. Время интегрирования первого интегратора анализатора выполнено меньше, чем таковое второго интегратора анализатора, а время интегрирования последнего меньше, чем постоянная времени процесса приближения среднего по времени входного сигнала анализатора к нормальному сигналу.
В частном исполнении регулируемый элемент с возможностью изменения его активного сопротивления может быть выполнен в виде n-p-n биполярного транзистора, эмиттер и коллектор которого соединены с входными выводами усилителя-преобразователя, а база соединена с выходом интегратора схемы нормализации.
Предлагаемое адаптивное устройство контроля пламени горелки (в частном исполнении) поясняется чертежами:
Фиг.1 - функциональная схема устройства контроля;
Фиг.2 - схематические эпюры сигнала фотодиода и выходного сигнала усилителя-преобразователя при адаптации после пропадания факела пламени;
Фиг.3 - эпюры выходного сигнала интегратора схемы нормализации и среднего по времени выходного сигнала усилителя-преобразователя при адаптации после пропадания факела пламени (первая часть соответствует начальному интервалу времени, а вторая - промежуточному);
Фиг.4 - эпюры сигналов на элементах анализатора при адаптации после пропадания факела пламени горелки (сплошная линия - обрабатываемый, сигнал, пунктирная линия - опорный сигнал, Е - напряжение питания).
Адаптивное устройство контроля пламени горелки содержит последовательно соединенные фотодиод 1, усилитель-преобразователь 2 выходного сигнала фотодиода 1 и анализатор выходного сигнала усилителя-преобразователя 2. Выход фотодиода 1 соединен с входом усилителя-преобразователя 2, а выход последнего - с входом анализатора (таким образом, входной сигнал анализатора совпадает с выходным сигналом усилителя-преобразователя 2).
Усилитель-преобразователь 2 выполнен с возможностью выделения переменной составляющей сигнала фотодиода 1, ее полосового усиления (например, для случая попеременного сжигания газа и мазута в интервале 40…160 Гц) и одностороннего ограничения (в данном случае, целиком ее положительной области), а также сдвига потенциального уровня (в положительную область) выходного сигнала. В результате, средняя по времени величина входного сигнала анализатора прямо пропорциональна средней амплитуде пульсаций светового потока, поступающего на фотодиод 1, а зависимость входного сигнала анализатора от абсолютной величины светового потока на фотодиод 1, определяемой, в частности, видом сжигаемого топлива, исключена (в этом проявляется адаптивность характера устройства контроля).
Схема нормализации содержит интегратор 3 и присоединенный к его выходу регулируемый элемент, выполненный с возможностью изменения его активного сопротивления под действием выходного сигнала интегратора 3 и присоединенный на входе усилителя-преобразователя 2 с возможностью изменения входного сопротивления последнего. Интегрирующий вход интегратора 3 соединен с выходом усилителя-преобразователя 2, а опорный вход - с выходом источника нормального сигнала (на фиг.1 не изображен). Целесообразно в качестве такого источника использовать элемент электрической схемы устройства контроля, постоянный потенциал которого принят за нулевой (например, потенциал общей шины блока питания, последний на фиг.1 не изображен). Указанный регулируемый элемент (на фиг.1 включен в состав усилителя-преобразователя 2) в данном случае выполнен в виде n-p-n биполярного транзистора, эмиттер и коллектор которого соединены с входными выводами усилителя-преобразователя 2 (соответственно, и выводами фотодиода 1), а база соединена с выходом интегратора 3 схемы нормализации. Указанный регулируемый элемент может быть также выполнен в виде полевого транзистора, соединенного истоком и стоком с указанными выходом и входом, а затвором - с выходом интегратора 3.
Схема нормализации выполнена с возможностью устранения отклонений средней по времени величины входного сигнала анализатора от нормального сигнала, а в данном случае - с возможностью изменения входного сопротивления усилителя-преобразователя 2 и, соответственно, нагрузки фотодиода 1 таким образом, что знак указанного изменения противоположен знаку отклонения входного сигнала анализатора от нормального сигнала при сохранении положительной корреляции изменений светового потока на фотодиод 1 и сигнала последнего. Соединяя базу указанного биполярного транзистора с выходом интегратора 3 соответствующим образом (например, через последовательно соединенные резисторы, каждый из которых шунтирован диодом, для получения кусочно-линейного изменения напряжения на базе), можно выполнить постоянную времени апериодического процесса устранения отклонений и приближения к нормальному сигналу, мало зависящей от величины светового потока на фотодиод 1.
В анализатор входят последовательно соединенные первый интегратор 4, второй интегратор 5 и компаратор 6. Каждый из этих элементов (в данном случае) выполнен на основе операционного усилителя (ОУ), неинвертирующий вход которого связан с опорным входом элемента. Выход усилителя-преобразователя 2 соединен с интегрирующим входом первого интегратора 4, соответствующим инвертирующему входу ОУ последнего. Выход первого интегратора 4 соединен с интегрирующим входом второго интегратора 5, соответствующим инвертирующему входу его ОУ. Выход второго интегратора 5 соединен с инвертирующим входом ОУ компаратора 6. Опорный вход первого интегратора 4 соединен с выходом компаратора 6 с возможностью формирования опорного сигнала, равным части выходного сигнала компаратора 6. Опорный вход второго интегратора 5 соединен с выходом источника нормального сигнала. Опорный вход компаратора 6 соединен с его выходом.
Сигнал на опорном входе первого интегратора 4 определяет размер изменения пульсаций светового потока, падающего на фотодиод 1, после которого устройство начинает фиксацию этого события, формируя сигнал для системы безопасности. Первый интегратор 4 предназначен для быстрого выделения и фиксации факта значимого изменения величины светового потока на фотодиод 1. Второй интегратор 5 предназначен для фиксации того, что длительность указанного изменения превышает нормативный срок, который соответствует (согласно правилам безопасности) факту пропадания факела пламени горелки (в частности, для энергетических парогенераторов этот срок равен 2 сек). Указанная фиксация должна произойти до завершения адаптации входного сигнала анализатора к новому уровню светового потока. Для этого время интегрирования первого интегратора 4 анализатора выполнено меньшим, чем у второго интегратора 5 анализатора, а постоянная времени процесса приближения среднего по времени входного сигнала анализатора к нормальному сигналу - больше, чем время интегрирования второго интегратора 5 (иными словами, время интегрирования меньше, чем постоянная времени). Выходной сигнал компаратора 6 предназначен для управления информационными и исполнительными устройствами системы безопасности (на чертежах не показаны).
Требуемые для реализации признаков изобретения технические средства (как электрорадиоэлементы классической электроники, так и микросхемы микроэлектроники) известны из уровня техники (см., например, Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 464 с.: разд. 3.5.1, 5.2, 9.2; Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С.В.Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.: разд. 5.2, 5.3).
В процессе эксплуатации парогенератора устройство контроля пламени горелки функционирует следующим образом. При нормальной работе единичной горелки, на которую направлен фотодиод 1, средний по времени входной сигнал анализатора равен (вследствие адаптации устройства к состоянию топки в случае достаточно продолжительного непрерывного свечения факела пламени) нормальному сигналу (в данном случае, нулевому потенциалу). Площадь положительной области на эпюре этого сигнала равна площади отрицательной области (см. фиг.2). Выходной сигнал интегратора 3 схемы нормализации соответствует требуемым для этого состояния входному сопротивлению усилителя-преобразователя 2 и сопротивлению нагрузки фотодиода 1, а входной ток интегратора 3 равен нулю. За счет инвертирования входных сигналов в анализаторе выходной сигнал интегратора 4 совпадает с верхним уровнем, выходной сигнал интегратора 5 - с нижним уровнем, а выходной сигнал компаратора 6 - с верхним уровнем (см. фиг.4). Для системы безопасности такое состояние выхода анализатора соответствует факту наличия факела пламени контролируемой горелки.
При пропадании (погасании) факела пламени указанной горелки величина светового потока, поступающего на фотодиод 1, а также величина пульсаций светового потока скачком падает, соответственно падает величина пульсаций сигнала фотодиода 1. За счет фиксированного сдвига выходного сигнала усилителя-преобразователя 2, площадь положительной области на эпюре входного сигнала анализатора становится больше площади отрицательной области (см. первую часть фиг.2), а средняя по времени величина этого сигнала вырастает. Выходной сигнал интегратора 3 схемы нормализации снижается (вследствие инвертирования входного сигнала и заряда емкости этого интегратора), с приближением к уровню, соответствующему новой величине светового потока (т.е., без свечения факела пламени контролируемой горелки). Снижение напряжения на биполярном транзисторе уменьшает его базовый ток и увеличивает его активное сопротивление. Это, в свою очередь, увеличивает входное сопротивление усилителя-преобразователя 2 и, соответственно, нагрузку фотодиода 1 (за счет ослабления их шунтирования), что ведет к увеличению пульсаций сигнала фотодиода 1. За счет указанного фиксированного сдвига соответствующее увеличение пульсаций выходного сигнала усилителя-преобразователя 2 влечет уменьшение средней по времени величины входного сигнала анализатора (см. вторую часть фиг.2) и постепенное устранение его отклонения от нормального сигнала, возникшего при пропадании факела. Постоянная времени этого апериодического (см. фиг.3) переходного процесса (например, из диапазона 10…20 с) не зависит от величины светового потока на фотодиод 1 (который зависит, в основном, от типа котла и вида сжигаемого топлива), а определяется только параметрами схемы нормализации (в этом также проявляются адаптивность характера устройства контроля).
После превышения входным сигналом первого интегратора 4 опорного сигнала (порога срабатывания) выходной сигнал интегратора 4 быстро падает до нижнего уровня (см. фиг.4). После падения входного сигнала второго интегратора 5 ниже уровня нормального сигнала выходной сигнал интегратора 5 переходит на верхний уровень (в данном случае, за время 2 с). После превышения входным сигналом компаратора 6 его опорного сигнала выходной сигнал компаратора 6 переходит на нижний уровень. Для системы безопасности такое состояние выхода анализатора соответствует факту отсутствия факела пламени контролируемой горелки.
В ситуации появления факела пламени устройство работает аналогично, но с изменением знаков отклонений сигналов на противоположные.
При этом пропадание или появление факела горелки выявляют путем анализа изменений величины выходного сигнала усилителя-преобразователя 2 в процессе адаптации устройства к текущим условиям (в частности, параметрам излучения топки).
В тех случаях, когда отклонение входного сигнала анализатора связано не с пропаданием факела пламени, а с ресурсными изменениями и режимными отклонениями, и, в общем случае, не превышает порога срабатывания его первого интегратора 4, происходит (за счет работы схемы нормализации) только адаптация устройства к изменившимся условиям эксплуатации. За счет адаптации (без ручных регулировок и переключений) происходит компенсация не только старения элементов устройства и уменьшения прозрачности оптического тракта, но и других дестабилизирующих факторов, влияющих на среднее значение входного сигнала анализатора: температуры окружающей среды, нестабильности электропитания и т.п.
Вследствие указанных адаптации и компенсации возможно уменьшение оптимального уровня порога срабатывания устройства контроля без увеличения вероятности формирования ложных сигналов для системы безопасности.
По условиям эксплуатации энергетических и промышленных котлов устройство контроля пламени выполняют, как правило, в составе двух блоков, соединенных линией связи. Первый блок (датчик) включает фотодиод 1 и усилитель-преобразователь 2, а второй блок (вторичный прибор) включает элементы анализатора. Помехоустойчивость устройства контроля пламени к помехам, изменяющимся по закону переменного тока, которые могут возникнуть в достаточно протяженной (в общем случае) соединительной линии, обусловлена тем, что на выходы интеграторов 3, 4 и 5 знакопеременный сигнал не проходит из-за взаимного (в среднем) погашения положительной и отрицательной областей на эпюре такого сигнала (в отличие от того, что изменения сигнала, несущие полезную информацию, накапливаются интеграторами).
Для работы устройства контроля не требуется никакой информации, дополнительной к той, которую несет сигнал фотодиода 1, что позволяет упростить конструкцию устройства.