تشخیص شعله در سیستم‌های احتراق صنعتی؛ تفاوت دتکتور شعله، اسکنر شعله، IR، UV و ایمنی عملکرد

دو گروه اصلی آشکارسازهای شعله در صنعت

تجهیزات آشکارساز شعله در کاربرد کلی به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند. شناخت دقیق تفاوت این دو گروه اهمیت زیادی دارد؛ زیرا هرکدام برای هدف، محیط، استاندارد ساخت و منطق عملکرد متفاوتی طراحی شده‌اند و نباید به جای یکدیگر استفاده شوند.

گروه اول: آشکارسازهای محیطی در سیستم‌های F&G

گروه اول، آشکارسازهای محیطی هستند که در سیستم‌های F&G یا Fire & Gas استفاده می‌شوند. این تجهیزات در کنار دتکتورهای گاز، بخشی از سیستم‌های اعلام و اطفای حریق در صنایع مختلف محسوب می‌شوند. کاربرد این گروه در فضاهایی است که تشخیص آتش یا شعله در محیط پیرامونی اهمیت دارد؛ مانند سکوهای نفتی و گازی دریایی، سکوهای نفتی و گازی خشکی، پالایشگاه‌ها، پتروشیمی‌ها، صنایع دریایی، ترمینال‌های توزیع سوخت، مراکز ذخیره سوخت، خطوط انتقال و مخازن صنعتی.

گروه دوم: آشکارسازهای پایش شعله در سیستم‌های کنترل احتراق

گروه دوم، آشکارسازهای مرتبط با پایش شعله در سیستم‌های کنترل احتراق هستند. این تجهیزات یکی از حساس‌ترین اجزای زنجیره ایمنی سیستم‌های احتراق به شمار می‌آیند و وظیفه آن‌ها تشخیص وجود یا عدم وجود شعله در مشعل است. این نوع آشکارسازها مستقیماً با منطق کنترل مشعل، ترتیب راه‌اندازی، قطع اضطراری و حفظ احتراق پایدار در ارتباط هستند.

تشخیص شعله در سیستم‌های کنترل احتراق

آشکارسازهای شعله در سیستم‌های کنترل احتراق، بخشی از زنجیره ایمنی مشعل هستند. این تجهیزات باید با دقت بالا وضعیت وجود یا عدم وجود شعله را تشخیص دهند و سیگنال صحیح را به کنترلر احتراق ارسال کنند. نتیجه این تشخیص، در فرآیندهای مهمی مانند ادامه احتراق، توقف اضطراری، راه‌اندازی مجدد، قطع سوخت یا اعلام خطا استفاده می‌شود.

این گروه از آشکارسازها از نظر ساختار، طیف وسیعی دارند؛ از دتکتورهای ساده مبتنی بر میله یونیزاسیون تا اسکنرهای شعله پیشرفته مجهز به ریزپردازنده، فیلترهای فرکانسی و قابلیت تفکیک بین شعله اصلی، شعله‌های مجاور و تابش‌های پس‌زمینه. همین تنوع باعث می‌شود انتخاب آشکارساز مناسب، یک تصمیم کاملاً فنی و وابسته به نوع مشعل، نوع سوخت و شرایط فرآیند باشد.

آشکارسازی شعله با روش یونیزاسیون

در بسیاری از سیستم‌های احتراق ساده گازسوز، از آشکارسازهای شعله مبتنی بر یونیزاسیون استفاده می‌شود. در این روش، یک میله رسانا در مخروط داخلی شعله قرار می‌گیرد. مولکول‌های گاز و هوا در اثر حرارت و فرآیند اشتعال یونیزه می‌شوند و این یون‌ها خاصیت هدایت الکتریکی دارند. زمانی که شعله تشکیل شود، به دلیل یونیزه بودن فضای شعله، جریانی در محدوده میکروآمپر بین میله و بدنه به وجود می‌آید. این جریان پس از تقویت شدن در سیستم کنترل، به عنوان سیگنال وجود یا عدم وجود شعله در توالی کنترل و پایش سیستم استفاده می‌شود.

آشکارسازهای نوری در کاربردهای صنعتی

بیشتر آشکارسازهای شعله مورد استفاده در کاربردهای صنعتی، بر پایه تکنولوژی سنسورهای نوری کار می‌کنند. این تجهیزات از روش‌های مختلفی برای تشخیص طول موج ساطع‌شده از شعله استفاده می‌کنند. نکته مهم این است که طیف مرئی، یعنی همان نوری که چشم انسان قادر به دیدن آن است، برای تشخیص قابل اعتماد شعله کافی نیست. به همین دلیل، بخش‌های مادون قرمز یا Infrared که به اختصار IR نامیده می‌شود و ماوراء بنفش یا Ultraviolet که به اختصار UV شناخته می‌شود، مبنای اصلی تشخیص وجود یا عدم وجود شعله قرار می‌گیرند.

نقش طول موج، نوع سوخت و فناوری IR/UV در تشخیص شعله

طول موج ساطع‌شده از شعله، تا حد زیادی به نوع سوخت مصرفی وابسته است. به عنوان یک قاعده کلی، طول موج ساطع‌شده از سوخت‌های گازی بیشتر به سمت محدوده ماوراء بنفش یا UV تمایل دارد، در حالی که طول موج ساطع‌شده از سوخت‌های مایع و جامد بیشتر در محدوده مادون قرمز یا IR قرار می‌گیرد. البته در عمل، بسیاری از سوخت‌ها دامنه‌ای از طول موج را در هر دو بخش تولید می‌کنند و همین موضوع انتخاب آشکارساز مناسب را حساس‌تر می‌کند.

نکته مهم این است که معمولاً یک المان یا سنسور واحد که بتواند هم‌زمان طیف مادون قرمز و ماوراء بنفش را با دقت و اطمینان کامل تشخیص دهد، وجود ندارد. بنابراین در مواردی که یک سیستم احتراقی به هر دو نوع آشکارسازی IR و UV نیاز داشته باشد، یا از دو آشکارساز مجزا استفاده می‌شود یا از تجهیزاتی بهره گرفته می‌شود که در یک بدنه، دو سنسور مستقل برای هر دو محدوده طول موج دارند.

علاوه بر انتخاب دامنه طول موج، عوامل دیگری نیز در انتخاب آشکارساز شعله اهمیت دارند. به عنوان نمونه، طول موج ماوراء بنفش توسط بخار آب جذب می‌شود. بنابراین در مشعل‌هایی که از بخار برای اتمایز کردن سوخت مایع استفاده می‌کنند، انتخاب آشکارساز شعله باید با دقت بیشتری انجام شود.

همچنین آلودگی لنز آشکارساز شعله به گردوغبار، روغن یا ذرات فرآیندی می‌تواند عملکرد صحیح آن را تحت تأثیر قرار دهد. برای جلوگیری از این مشکل، اقداماتی مانند پاکسازی لنز با جریان مداوم هوا و انجام بازرسی‌های دوره‌ای منظم باید در برنامه نگهداری سیستم قرار گیرد.

کارکرد مداوم، خطای ایمن و اسکنرهای شعله مدرن

از منظر تداوم عملکرد، آشکارسازهای شعله را می‌توان به دو گروه کلی تقسیم کرد: آشکارسازهای دارای قابلیت کارکرد مداوم یا Continuous Operation و آشکارسازهای فاقد قابلیت کارکرد مداوم که به صورت Non-continuous Operation یا Intermittent Operation شناخته می‌شوند.

در آشکارسازهای شعله با کارکرد متناوب، به دلیل ساختار و مدارهای داخلی، مطابق دستورالعمل سازنده باید در بازه‌های زمانی مشخص، معمولاً هر 8 تا 24 ساعت، فرآیند احتراق متوقف شود تا آشکارساز بتواند عدم وجود شعله را به شکل صحیح گزارش کند. بنابراین در سیستم‌های احتراق با کارکرد مداوم، به هیچ وجه نباید از آشکارسازهای متناوب استفاده کرد.

UV Tube، شاتر مکانیکی و مفهوم Fail-safe

برخی از آشکارسازهای شعله، مانند تجهیزاتی که از لوله‌های ماوراء بنفش یا UV Tube استفاده می‌کنند، به ذات خود در برابر همه حالت‌های خطا ایمن نیستند و ممکن است دچار Non-failsafe Failure شوند. به همین دلیل عملکرد آن‌ها باید به صورت دوره‌ای بررسی شود. در برخی سیستم‌ها، با استفاده از تجهیزی دارای شاتر مکانیکی، شرایط خاموش بودن سیستم احتراق برای لحظه‌ای شبیه‌سازی می‌شود تا آشکارساز بتواند صحت عملکرد خود را در حالت نبود شعله بررسی کند.

در مقابل، ردیاب‌ها و اسکنرهای شعله مدرن از روش‌های پیچیده‌تری برای بررسی مدارها و عملکرد داخلی خود استفاده می‌کنند. این دسته از تجهیزات، در صورت طراحی و انتخاب صحیح، در گروه تجهیزات مقاوم در برابر خطا یا Fail-safe Failure قرار می‌گیرند و می‌توانند ایمنی سیستم احتراق را به شکل قابل توجهی افزایش دهند.

فرکانس سوسو زدن شعله و تشخیص پیشرفته

یکی از مشخصه‌های تقریبی همه شعله‌ها، سوسو زدن یا Flicker است. این پدیده نتیجه عواملی مانند نوع سوخت، فرآیند احتراق و طراحی مکانیکی مشعل است. در فناوری‌های جدید، علاوه بر طول موج، فرکانس سوسو زدن شعله نیز به عنوان یکی از پارامترهای مهم تشخیص شعله مورد اندازه‌گیری قرار می‌گیرد. به تجهیزاتی که علاوه بر طول موج شعله، فرکانس Flicker را نیز بررسی می‌کنند، اسکنر شعله گفته می‌شود.

این ویژگی به‌ویژه در سیستم‌های چندمشعله یا Multi Burner اهمیت دارد؛ زیرا می‌تواند به تفکیک شعله یک مشعل از شعله‌های دیگر کمک کند. همچنین در محیط‌هایی که تابش‌های پس‌زمینه یا نورهای مزاحم وجود دارد، تحلیل فرکانس سوسو زدن باعث تشخیص دقیق‌تر شعله اصلی از سایر منابع تابشی می‌شود.