УСТРОЙСТВО СЕЛЕКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ

Полезная модель относится к области контроля и управления работой теплоэнергетических устройств и предназначена для автоматического контроля наличия пламени в любых устройствах, сжигающих топливо, а именно для селективного контроля факела основной горелки в многогорелочных котлах со встречным расположением горелок или с плотным расположением горелок, где затруднен индивидуальный контроль факела горелки, а также для контроля общего факела в топке котлов, и для формирования сигнала в систему защиты котла на отключение подачи топлива при погасании пламени.
Известно устройство для селективного контроля пламени горелки, патент на пол. модель РФ №23953 от 26.10.2001 опубл. 20.07.2002 г содержащее в каждом канале оптический датчик со светофильтром, обеспечивающим выделение излучения одного из продуктов сгорания, электронный блок включающий анализатор спектра, настроенный на частоту максимальной флуктуации излучения этого продукта.
К недостаткам известного устройства можно отнести сложность контроля отдельной горелки, при установке его в котлоагрегат с большим количеством горелок с односторонним и встречным расположением. Оптические характеристики горящего факела могут изменяться при изменении режимов работы горелки.
Известен способ селективного контроля пламени горелки, заключающийся в том, что регистрируют излучение факела горелки. Указанный способ реализуется в устройстве для селективного контроля пламени горелки, содержащем оптический датчик и электронный блок (RU 2121110, опубл. 27.10.1998).
К недостаткам известных способов и устройств, установленных в котлоагрегате с большим количеством горелок с односторонним и встречным расположением, следует отнести необходимость контроля работы каждой горелки, которая связана с возможностью возникновения аварийных ситуаций в случае погасания пламени одной или нескольких горелок и накоплением в котлоагрегате излишнего топлива.
Сложность контроля работы отдельной горелки оптическими методами связана с наличием посторонних источников излучения: факелов соседних горелок, стенок котлоагрегата и элементов теплообменных устройств. Кроме того, оптические характеристики горящего факела могут изменяться при изменении режимов работы горелки.
Известно устройство «Прибор для измерения излучений в различных спектральных диапазонах», патент на изобретение DE 8016065 от 18.07.1980 г., опубл. 16.10.1980 г.
Излучение может быть измерено радиационными излучениями УФ или ИК, расположенными один за другим. Весь измерительный прибор расположен в оптической системе.
Наиболее близким к заявляемому является устройство по патенту на изобретение EP 2223016 «Пламя сканирующее устройство и способ для его эксплуатации» от 19.12.2007 г., опубл. 01.10.2010 г.
Устройство, содержит датчики для сбора излучения пламени и передачи его на ИК и УФ детекторы излучения и преобразование излучения в электрический сигнал, блок оценки для преобразования электрических сигналов в параметры факела
Недостатком известных устройств является то, что при контроле пламени горелки они не учитывают фоновое излучение от встречной горелки, из-за чего могут быть получены недостоверные данные о состоянии пламени горелки
Задачей полезной модели является создание устройства для селективного контроля пламени, обеспечивающего повышенную селективность устройства.
Технический результат достигается тем, устройство селективного контроля пламени горелки, содержит два фотодатчика: УФ ультрафиолетового и ИК инфракрасного (или видимого) спектра, электронный блок для обработки и анализа сигналов фотодатчиков, при этом электронный блок содержит усилители сигналов, частотный фильтр, схемы токовых входов, имеющие вход в микроконтроллер, интерфейс, энергонезависимую память, имеющие вход-выход в микроконтроллер; выход микроконтроллера соединен с входами схем токовых выходов и релейных выходов.
Существенным для получения достоверной информации о факте появления факела горелки в канале розжига и о факте исчезновения факела горелки в канале погасания и его состояния является: учет фонового пламени встречной (возбуждающей) горелки.
Заявляемое устройство селективного контроля пламени выполнено на основе микроконтроллера и имеет 2 канала измерения интенсивности горения и 2 полупроводниковых датчика: ультрафиолетового и инфракрасного спектра.
Устройство позволяет контролировать наличие факела при использовании в качестве топлива газа, угля, жидкого топлива, а также контролировать одновременно или по отдельности факел на двух видах топлива и формировать сигнал в систему защиты котла на отключение подачи топлива при погасании пламени.
На фиг.1 изображена блочно-функциональная схема заявляемого устройства.
На фиг.2 показана структурная схема контроля пламени в двухгорелочном котле.
Устройство для селективного контроля пламени состоит из двух датчиков: ультрафиолетового 1 и инфракрасного (или видимого) 2 спектра и электронного блока для обработки и анализа сигналов, включающий усилители сигналов с регулировкой усиления - 3,5, предварительный усилитель 4; частотный фильтр 6, соединенные с микроконтроллером 7, интерфейс RS-485-13 и энергонезависимую память 8, имеющие вход и выход в микроконтроллер 7, а также содержит токовый вход 9 от ультрафиолетового канала и токовый вход 10 от инфракрасного канала аналогичного устройства для селективного контроля пламени, установленного на встречной горелке, имеющие выход на микроконтроллер, где поступающие с них сигналы проходят обработку, и с микроконтроллера сигнал передается на схемы формирования токового выхода11 и12 и на схему релейных выходов 14.
Осуществление работы устройства
Правильное расположение устройства должно удовлетворять следующему условию:
- надежный контроль пламени при любом потоке воздуха и любой нагрузке печи (зоны горения топлива)
Монтаж: разжечь одну горелку или поместить в топку источник света. Для того чтобы топка стала освещенной и можно было настроить линию визирования фотодатчика на конец визирной трубы. Угол визирования устройства составляет 5-15°. Для точной работы устройства необходимо придерживаться соотношения диаметра и длины визирной трубы, которое должно составлять не менее 1:20.
Проделывают эту операцию для всех монтажных узлов для каждой горелки
Устройство должно быть установлено на полностью погашенной контролируемой и фоновой горелках
Производится запоминание минимальных сигналов по инфракрасному (или видимому), ультрафиолетовому и фоновым каналам в энергонезависимом ПЗУ.
При этом на индикаторе отображаются значения кодов АЦП (уровня входного сигнала) по инфракрасному и ультрафиолетовому каналу контролируемой горелки.
Анализ условия наличия пламени. На разожженной горелке производится сканирование по частотам от 5 до 200 Гц с шагом 5 Гц (всего 39 частот) и запись уровней сигналов с фотодатчиков в память устройства.
Анализ условия отсутствия пламени. На полностью погашенной горелке производится сканирование по частотам модуляции от 5 до 200 Гц с шагом 5 Гц (всего 39 частот) и запись уровней сигналов с фотодатчиков в память устройства. После чего выбирается частота, на которой обеспечивается наибольшая разность между уровнями сигналов при условии наличия и отсутствия пламени.
Устройство устанавливается в топке на каждую горелку: встречную и контролируемую.
Работа в сети RS-485 по протоколу MODBUS-RTU.
Устройство работает следующим образом
Фотоприемник 1 принимает излучение ультрафиолетового спектра контролируемого пламени и преобразует в напряжение, которое усиливается усилителем 3 и поступает на АЦП микроконтроллера 7.
Фотоприемник 2 принимает излучение инфракрасного спектра контролируемого пламени, фототок усиливается на предварительном усилителе 4 и усилителе 5. Затем поступает на регулируемый частотный фильтр 6, который выделяет определенную полосу частот пульсаций пламени и поступает на АЦП микроконтроллера 7.
Микроконтроллер 7, основываясь на интенсивности излучения и пульсаций пламени, выдает сигнал на схемы формирования токового выхода 11 и 12 и на схему релейных выходов 14.
На схемы токовых входов 9 и 10 поступает ток 4-20 мА от аналогичного устройства селективного контроля пламени, установленного на встречной горелке (см. фиг.2) и при помощи специального алгоритма происходит учет возмущающего воздействия встречной горелки на устройство селективного контроля пламени, установленное на контролируемой горелке.
Сигналы перекрестно передаются между датчиками. Выходной сигнал встречного датчика подается на вход основного как дополнительный и учитывается в алгоритме.
На фиг.2 показана структурная схема контроля пламени в двухгорелочном котле.
На горелки 1 и 2 устанавливаются устройства селективного контроля пламени (пронумеруем условно 1 и 2).
J1, J2 - токовый сигнал соответствующий интенсивности горения горелок 1 и 2;
J1m, J2m - выходной токовый сигнал прибора, соответствующий истинной интенсивности горения горелок 1 и 2 (с учетом поправки на фоновый сигнал); получают по выходу из сигнализатора
Сигнализатор (фиг.2) выполняет следующие функции:
сигнализация погасания контролируемого факела; сигнализация потускнения факела на пылеугольных котлах; отображение текущего значения интенсивности факела горелки (в процентах) на цифровом светодиодном 4-х значном индикаторе; сигнализация обрыва линии связи фотодатчика с сигнализатором горения; самонастройка прибора для учета фонового излучения;
Со встречного устройства селективного контроля пламени передается токовый сигнал.
Токовый сигнал передается с устройства селективного контроля пламени, установленного на контролируемой горелке 1, на устройство селективного контроля пламени, установленное на встречной горелке 2, и соответственно со встречной горелки 2 на контролируемую 1.
На схемы токовых входов 9 и 10 поступает ток 4-20 мА от устройства селективного контроля пламени, установленного на встречной горелке, и при помощи специального алгоритма происходит учет возмущающего воздействия встречной горелки на устройство селективного контроля пламени, установленное на контролируемой горелке. Сигналы перекрестно передаются между датчиками.
Выходной сигнал встречного датчика подается на вход основного как дополнительный и учитывается в алгоритме.
Таким образом, вычитается фоновый сигнал, создаваемый встречной горелкой, и на выходе контроля пламени показывается истинный сигнал состояния пламени на контролируемой горелке.
При этом в памяти устройства, установленного на контролируемой горелке, сохраняются соответствия сигнала токового выхода от устройства, установленного на встречной горелке и показания сигнализатора установленного на контролируемой горелке.
Текущая интенсивность пламени в контролируемом котле, вычисляется как сумма интенсивностей по 2 каналам
Интенсивность пламени по каждому каналу определяется как процент текущего сигнала с датчика, вычисленный от значений минимального и максимального сигнала, которые устанавливаются в настройках.
Настройки устройства хранятся в памяти 8. Интерфейс RS-485 (поз.13) для связи с верхним уровнем по протоколу Modbus RTU.
Кроме того в настройках вводятся установки на погасание факела и на достижение предупреждающих порогов.
В рабочем режиме на жидкокристаллическом индикаторе устройства непрерывно отображается текущая интенсивность пламени в контролируемом котле, температура внутри устройства и сообщения о внештатных ситуациях.
Заявляемая полезная модель обеспечивает наилучшую селективность контроля пламени горелки, благодаря своему схемотехническому решению.
- Используется одновременно два фотоприемника ультрафиолетового и инфракрасного (или видимого) спектра;
- применена фильтрация узкого спектра инфракрасного ИК и видимого УФ диапазона, а также использованы узконаправленные фотодатчики ультрафиолетового диапазона
- проводится анализ интенсивности сигналов по каждому фотоканалу;
- используется режим суммирования и умножения интенсивностей двух фотоканалов;
- содержит схему учета влияния встречной горелки, заключающуюся в том, что электронный блок дополнительно содержит схемы токовых входов от ультрафиолетового и инфракрасного каналов аналогичного устройства селективного контроля пламени, установленного на встречной горелке. Это позволяет производить вычитание фонового сигнала из общего потока.
- одновременно анализирует шесть параметров контролируемого сигнала
- проводит измерение частоты колебания пульсаций пламени;
- осуществляет автоматическое сканирование по частотам и автоматическое определение оптимальной частоты работы фильтра с целью достижения наилучшей селективности.
Существенным для получения достоверной информации об учете фонового пламени является наличие в схеме двух токовых входов 9 и 10 от каналов УФ и ИК датчиков, установленных на аналогичном устройстве встречной горелки, выходы которых соединены с входом в микроконтроллер и из микроконтроллера имеют вход на схемы токовых выходов 11 и 12 и релейные выходы.
В настройках устройства вводятся уставки на погасание факела и на достижение предупреждающих порогов (в зависимости от выбранного режима работы).
Релейные выходы срабатывают на размыкание контактов, т.е. если интенсивность горения опускается ниже уставки, то соответствующее реле размыкается.
При этом учитываются гистерезис и задержки срабатывания реле, которые определяются в настройках устройства отдельно на размыкание и замыкание по каждой уставке.
Таким образом, заявляемое техническое решение в качестве полезной модели позволяет повысить надежность селективности контроля факела горелки.
Заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна», т.к. из уровня техники не известно техническое решение с предложенной совокупностью признаков.
Заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость», так как может быть изготовлено из известных средств и известными способами.