مقاله تخصصی شرکت فروزان
سیستمهای کنترل الکترونیکی هوشمند در کنترل فرآیند احتراق مشعلهای صنعتی
این مقاله تخصصی نگاهی دارد به آخرین پیشرفتهای تکنولوژیکی در زمینه استفاده از تجهیزات یکپارچه برای کنترل الکترونیکی مشعلهای صنعتی. کنترلرهای مدرن احتراق به گونهای طراحی شدهاند که در حالت خطا، شرایط ایمن سیستم را حفظ کنند و پیش از ورود مشعل به وضعیت خطرناک، فرآیند را به شکل کنترلشده مدیریت نمایند. ترکیب کنترل الکترونیکی مشعل با سنسورهای پیشرفته گازهای احتراقی، امکان افزایش راندمان، کاهش مصرف انرژی، کنترل دقیق نسبت سوخت و هوا و بهینهسازی احتراق را فراهم میکند.
آخرین پیشرفتهای تکنولوژیکی در کنترلرهای الکترونیکی مشعل
امروزه در مشعلهای صنعتی، کورهها و بهویژه دیگهای بخار صنعتی، راندمان یکی از مهمترین شاخصهای بهرهبرداری است. طی سالهای گذشته، همین اهمیت باعث شده بسیاری از بهرهبرداران، سیستمهای مکانیکی کنترل احتراق را که برای دههها مورد استفاده قرار میگرفتند، با سیستمهای کنترل الکترونیکی جایگزین کنند.
سیستمهای کنترل الکترونیکی امکان تنظیم دقیق نسبت هوا و سوخت را با استفاده از منحنیهای الکترونیکی فراهم میکنند. این قابلیت باعث میشود روشهای عملیاتی جدیدی برای افزایش راندمان احتراق ایجاد شود؛ روشهایی که با راهکارهای مکانیکی سنتی عملاً قابل دستیابی نبودند.
نخستین سیستمهایی که در این زمینه بهکار گرفته شدند، صرفاً اتصال مکانیکی را با کنترل الکترونیکی جایگزین میکردند؛ اما همچنان به یک کنترلکننده ترتیبی مشعل بهصورت جداگانه نیاز داشتند. ترکیب این دو کارکرد در یک دستگاه واحد، زمینهساز شکلگیری سیستمهای مدیریت احتراق یکپارچهای شد که امروز در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرند.
شکل 1. نمونه ای از یک سیستم پیشرفته مدیریت احتراق یکپارچه
کارکردهای اصلی یک سیستم مدیریت مشعل یکپارچه
یک سیستم مدیریت مشعل یکپارچه مدرن، بسیاری از کارکردهایی را که پیشتر توسط دستگاههای جداگانه انجام میشد، در قالب یک سامانه واحد پیادهسازی میکند. بخشی از این کارکردها شامل موارد زیر است:
- کنترل ترتیبی مشعل
- کنترل نسبت سوخت به هوا به صورت الکترونیکی
- مانیتورینگ و نظارت بر شعله
- تست نشتی خط سوخت
- تنظیم یا رگوله کردن خروجی مشعل
- شمارنده ساعتهای کارکرد
- شمارنده دفعات شروع به کار
- مدیریت تشخیص خطا
- اینترفیس یا واسط سیستم کنترلی
- اینترفیس یا واسط کامپیوتر
- تنظیم O2 و CO
- کنترل دور برای دمنده هوای احتراق
سیستمهای یکپارچه کنترل احتراق میتوانند همه کنترلها، تنظیمات و نظارتهای لازم مربوط به یک مشعل را بر عهده بگیرند. این موضوع هم باعث سادهتر شدن معماری کنترل میشود و هم امکان مدیریت دقیقتر و ایمنتر فرآیند احتراق را فراهم میکند.
شکل 2. نمودار شماتیک سیستم احتراق کنترل ونظارت شده به صورت الکترونیکی
مشخصات، استانداردها و مدل خطا در سیستمهای کنترل احتراق
طراحی سیستمهای کنترل احتراق باید معتبر، قابل اتکا و مبتنی بر استانداردهای ایمنی انجام شود. در یک سیستم کنترل احتراق، خطا در دستگاه، سنسورهای متصلشده یا محرکها باید در نهایت به یک وضعیت بیخطر منجر شود. به بیان دیگر، پیش از آنکه خرابی به شرایط خطرناک تبدیل شود، مشعل باید به حالت کنترلشده بازگردد یا به شکل ایمن متوقف شود.
الزامات چنین تجهیزاتی در استانداردهای اروپایی تعریف شده است. در ابتدا استانداردهای مربوط به سیستمهای کنترلی مشعلهای گازی و مشعلهای با سوخت مایع مطرح بودند. در ادامه، استاندارد EN12067-2 برای کنترلرهای الکترونیکی تعیین نسبت سوخت و هوا تدوین شد و تست نمونه اولیه سیستمهای کنترل احتراق معمولاً بر مبنای این استانداردها انجام میشود.
با این حال، استفاده از این استانداردها به تنهایی کافی نیست. چون این دستگاهها برای کنترل مشعلها بهکار میروند، استانداردهای مربوط به خود مشعل نیز باید رعایت شوند. EN676 برای مشعلهای فندار اتوماتیک با سوخت گازی و EN267 برای مشعلهای فندار اتوماتیک با سوخت مایع از نمونههای مهم در این زمینه هستند.
استانداردهای مرتبط با کاربردهای مختلف احتراق
- EN50156 برای تجهیزات الکترونیکی کورهها و تجهیزات کمکی
- EN12952 برای دیگهای بخار لولهآبی
- EN12953 برای دیگهای بخار پوستهای
- EN746-2 برای دستگاههای پردازش حرارت صنعتی
یک سیستم احتراق جامع باید ضمن حفظ عملکردهای کنترلی و حفاظتی خود، با استانداردهای مرتبط با نوع مشعل، نوع سوخت، نوع کاربرد صنعتی و الزامات ایمنی پروژه سازگار باشد.
مدل خطا، SIL و ایمنی عملکردی
مدل خطا در سیستمی که بر اساس استانداردهای فوق طراحی شده، ضروری است. پاسخ دستگاه به هر خطایی که ممکن است رخ دهد باید کاملاً مشخص باشد و باید اثبات شود که مشعل وارد وضعیت خطرناک نخواهد شد. سیستمهای کنترل احتراق شرکت LAMTEC آلمان طی سالهای متمادی و در شرایط گوناگون آزموده شدهاند و سطح بالایی از ایمنی را ارائه میکنند.
در سالهای اخیر، مدل خطای احتمالی نیز به یکی از موضوعات مهم تبدیل شده است. در این روش، خطاهای خطرناک بر مبنای احتمال وقوع ارزیابی میشوند و سپس دستگاه بر اساس سطح ایمنی یا SIL، یعنی Safety Integrity Level، طبقهبندی میشود.
این روش در بسیاری از PLCها بهکار میرود؛ اما اگر کنترلرهای قابل برنامهریزی برای کنترل یک مشعل استفاده شوند، سطح SIL به تنهایی کافی نیست. مدل خطای قطعی مطابق با EN298 و EN230 به همراه سایر استانداردهای مرتبط با تکنولوژی احتراق نیز باید رعایت و اثبات شود.
روشهای کارکرد انعطافپذیر در کنترلرهای الکترونیکی
کنترلرهای الکترونیکی مدرن، امکان پیادهسازی عملکردهای ویژهای را فراهم میکنند که برای بسیاری از مصرفکنندگان صنعتی اهمیت زیادی دارد. این قابلیتها باعث میشوند بهرهبرداری از مشعل، دیگ بخار یا کوره با انعطاف بیشتر، توقف کمتر و راندمان بالاتر انجام شود.
روشن شدن بدون پاکسازی اولیه
استاندارد EN676 امکان روشن شدن مجدد مشعل بدون پاکسازی اولیه را مطرح میکند. این قابلیت تنها با استفاده از تجهیزات الکترونیکی هوشمند و قابل اطمینان قابل دستیابی است و در مشعلهای گازسوز باعث صرفهجویی در مصرف انرژی میشود. همچنین زمان استارت تا شروع کار مشعل نیز کاهش پیدا میکند.
تغییر نوع سوخت بدون اختلال در بهرهبرداری
یکی از قابلیتهای مهم کنترل الکترونیکی، امکان تغییر نوع سوخت، برای مثال از سوخت مایع به گاز یا برعکس، در شرایط کنترلشده است. در برخی مشعلهای خاص، امکان سوئیچ مستقیم بدون نیاز به پاکسازی اولیه فراهم است؛ در این حالت عملکرد مشعل دچار وقفه نمیشود و تنها برای لحظهای کوتاه خروجی مشعل کاهش مییابد.
روش دیگری که به عنوان تغییر تدریجی نوع سوخت شناخته میشود، حتی روی خروجی دیگ بخار یا کوره نیز اثر محسوسی ندارد. در این روش، طی مرحله گذار، گاز و سوخت مایع همزمان برای ایجاد شعله استفاده میشوند و مجموع انرژی دو سوخت همواره برابر با خروجی موردنیاز مشعل باقی میماند. طی این مرحله، فرآیند احتراق میتواند به تغییرات بار واکنش نشان دهد.
شکل 3. مراحل فرایند تغییر اتوماتیک سوخت(از سوخت گاز به سوخت مایع) در یک سیستم پیشرفته کنترل الکترونیک
استفاده همزمان از چند سوخت
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، پسماندها و ضایعات قابل احتراق در جریان تولید ایجاد میشوند. استفاده از این مواد در کوره یا دیگ بخار، میتواند هم موجب صرفهجویی انرژی شود و هم از نظر محیطزیستی مفید باشد. با این حال، چون این ضایعات معمولاً با مقدار و کیفیت متغیر تولید میشوند، سیستم مدیریت مشعل باید بتواند احتراق ایمن و پایدار را در چنین شرایطی تضمین کند.
سیستم مدیریت احتراق FMS از LAMTEC، راهکاری است که امکان احتراق چندسوختی را بدون نیاز به سنجشهای کمی دشوار و پرهزینه و با حفظ حداکثر شرایط ایمنی و انطباق با استانداردهای جهانی فراهم میکند.
سوئیچینگ انعطافپذیر بین منحنیها
در مشعلهای مختلط، گاهی لازم است هنگام بهرهبرداری از یک منحنی عملکردی به منحنی دیگر سوئیچ شود. برای مشعلهای بزرگتر، سیستم تنظیم مرکب سوخت و هوا امکان ذخیرهسازی مجموعه منحنیهای متفاوت را برای انواع مختلف کارکرد فراهم میکند. این سوئیچینگ باید در شرایط ایمن انجام شود و نباید اثر منفی بر نسبت سوخت به هوا داشته باشد.
عملکرد آماده به کار و توقف پاکسازی اولیه
در برخی کاربردها لازم است مشعل بهطور کامل خاموش نشود، بلکه سیستم پیلوت آن در زمان وقفه فعال باقی بماند. این حالت که Standby نامیده میشود، امکان شروع مجدد سریع و بدون وقفه را فراهم میکند. همچنین در سیستمهایی که چند مشعل در یک دیگ بخار یا کوره وجود دارد، باید امکان انتخاب راهاندازی با پاکسازی اولیه یا بدون پاکسازی اولیه، بر اساس وضعیت قبلی مشعل، وجود داشته باشد.
آشکارسازی خطا و مدیریت زنجیره ایمنی
مدیریت آشکارسازی خطا در سیستمهای احتراق پیشرفته، روزبهروز اهمیت بیشتری پیدا میکند. در اغلب کاربردهای صنعتی، الزامات بهرهبرداری ایجاب میکند که علت خرابی سیستم به سرعت شناسایی و اصلاح شود. از آنجایی که سیستم مدیریت احتراق، همه فرآیندهای مرتبط با مشعل را کنترل میکند، میتواند اطلاعات دقیقتری درباره علت خطا ارائه دهد.
اتصال ماژولهای آشکارسازی خطا، امکان ثبت دادههایی را فراهم میکند که مستقیماً از طریق سیستم مدیریتی قابل دسترسی هستند. برای نمونه، سیستم میتواند وضعیت زنجیره ایمنی را تفکیک کرده و مشخص کند خطا در کدام بخش از فرآیند یا تجهیز رخ داده است.
شکل 4. تفکیک اطلاعات زنجیره ایمنی با استفاده از ماژول خطا یاب NEMS
بهینهسازی احتراق با کنترل O2 و CO
تنظیم میزان هوای اضافی در احتراق، برای سالها یکی از مهمترین پیشرفتها در مشعلهای صنعتی به شمار میرفت. برای اجرای این کار، ابتدا باید نسبت سوخت به هوا بهدرستی تنظیم شود. تنظیم الکترونیکی ترکیبی سوخت و هوا نخستین راهکاری بود که امکان اجرای مقرونبهصرفه و دقیق این سیستم را فراهم کرد.
امروزه با امکان سنجش میزان O2 در گازهای حاصل از احتراق، میتوان منحنی هوا یا سوخت را بهصورت الکترونیکی تنظیم کرد. این سیستم میتواند با در نظر گرفتن متغیرهای مختلف، شرایط احتراق را به صورت Online تنظیم کند و احتراقی با راندمان بالا فراهم سازد.
متغیرهای کلیدی در بهینهسازی احتراق
- متغیرهای مربوط به هوا شامل دما، فشار و رطوبت
- متغیرهای مربوط به سوخت شامل ارزش حرارتی، دما، چسبندگی در سوخت مایع، چگالی در سوخت مایع و نوسانات فشار در سوخت گاز
- متغیرهای طراحی شامل نوع مشعل و دیگ بخار
- متغیرهای مکانیکی شامل دامنه خطای مکانیکی دمپرها و شیرها
به دلایل ایمنی و به دلیل وجود این متغیرها، مشعلها و سیستمهای احتراق معمولاً به هوای بیشتری نسبت به حالت ایدهآل نیاز دارند. این هوای اضافی، به شکل غیرضروری حرارت را جذب کرده و آن را به صورت تلفات حرارتی از دودکش خارج میکند. بنابراین میزان هوای اضافی، شاخص مهمی برای تشخیص راندمان عملیات احتراق است.
استفاده از تجهیزات الکترونیکی برای به حداقل رساندن هوای اضافی، در سیستمهایی با ظرفیت متوسط نیز میتواند صرفهجویی قابل توجهی ایجاد کند. همچنین استفاده از سیستمهای کنترل دور در دمنده هوای مشعل، علاوه بر صرفهجویی در انرژی الکتریکی، کاهش صدای خروجی را نیز به دنبال دارد.
مفهوم کنترل احتراق با در نظر گرفتن CO
اندازهگیری مقدار اکسیژن در گازهای حاصل از احتراق به تنهایی نمیتواند نشاندهنده احتراق کامل باشد. برای تشخیص دقیقتر، اطلاعات مربوط به هیدروژن نسوخته و مونواکسید کربن در گاز دودکش نیز موردنیاز است. در صورت وقوع احتراق ناقص، انتشار هیدروژن و مونواکسید کربن در گاز دودکش اتفاق میافتد.
راهکاری که توسط LAMTEC طراحی شده، این موضوع را در نظر میگیرد. مزایای این سیستم شامل تنظیم بهتر، زمان پاسخ کوتاهتر، جبران هوای نفوذی از جدارهها، قابلیت اطمینان بالا، قدرت عملکرد، نیاز کم به نگهداری، صرفهجویی انرژی بیشتر، برتری نسبت به سیستمهای تنظیم O2 و افزایش راندمان است. در این روش، نیازی به کالیبره کردن یا تنظیم دستی مشعل نیست؛ زیرا سیستم خود، نقطه کارکرد بهینه احتراق را تشخیص میدهد.
شکل 5. نمودار منحنی مقدار عددی دلخواه O2 و مقدار واقعی O2 در محدوده CO هنگام استفاده از تنظیم CO
در سال 2004 شرکت LAMTEC به دلیل استفاده از این مفاهیم در سیستمهای تولیدی خود، برنده جایزه نوآوری از صنعت گاز آلمان شد. کنترل دیگ بخار یا کوره با سنسورهای گازهای حاصل از احتراق، سطح ایمنی را بهبود میدهد؛ زیرا تغییر در نسبت سوخت به هوا حتی در مواردی که برخی سیستمهای کنترلی قادر به تشخیص آن نیستند، شناسایی میشود و فرآیند احتراق بهصورت دائمی تحت نظارت قرار میگیرد.
این عملکردهای کنترلی و نظارتی تا حد زیادی به سنسورهایی بستگی دارند که در سیستم استفاده میشوند. در این زمینه، سنسورهای گازهای احتراقی مبتنی بر دیاکسید زیرکونیوم ارزش و کارایی خود را اثبات کردهاند. این سنسورها توان بالا، پایداری مناسب و زمان پاسخ کوتاه دارند.
سنسورهای گازهای احتراقی بر پایه دیاکسید زیرکونیوم با قدرت بالا و زمان پاسخ کوتاه
پیوند با تکنولوژی کنترل، ابزار دقیق و چشمانداز آینده
اغلب اوقات یک دیگ بخار یا کوره صنعتی در یک کارخانه، بخشی از یک مفهوم کنترلی جامعتر است. از آنجایی که این کارخانهها معمولاً با تکنولوژیهای مبتنی بر ابزار دقیق و سیستمهای کنترلی اداره میشوند، ایجاد ارتباط بین سیستم کنترل مشعل و سیستم کنترل کارخانه ضروری است.
سادهترین راه برای تحقق این نیاز، استفاده از ارتباطات مبتنی بر Bus است. البته به دلیل وجود تعداد زیادی استاندارد مختلف، ابتدا باید مشخص شود که آیا کنترلر مشعل دارای اینترفیس Bus مناسب برای اتصال به سیستم ابزار دقیق و کنترل هست یا خیر.
- Profibus
- CANopen
- Modbus
- Interbus
- Ethernet
سیستمهای کنترل LAMTEC از معدود سیستمهایی هستند که امکان پشتیبانی از انواع رایج Fieldbus را فراهم میکنند و به همین دلیل برای یکپارچهسازی با سیستمهای ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی، انتخابی حرفهای محسوب میشوند.
چشمانداز استفاده از کنترل الکترونیکی در مشعلها
نسبت استفاده از تجهیزات الکترونیکی در مشعلها بهصورت پیوسته در حال افزایش است. همانگونه که صنعت خودرو در سالهای گذشته به سمت حل مسائل فنی با تجهیزات الکترونیکی حرکت کرد، تکنولوژی احتراق نیز به سمت استفاده گستردهتر از کنترلرهای الکترونیکی پیش میرود.
در گذشته، سیستمهای تنظیم الکترونیکی نسبت سوخت به هوا بیشتر در دیگهای بخار بزرگ در بخشهایی از اروپا دیده میشد؛ اما امروز استفاده از سیستمهای کنترل احتراق به یکی از اولویتهای صنعتی در سراسر جهان تبدیل شده است. این موضوع نشاندهنده قابلیت اطمینان بالای این سیستمهاست.
همچنین تعداد بیشتری از مشعلهای با ظرفیت متوسط، در بازه حدود 1 تا 7 مگاوات، به سیستمهای کنترل الکترونیکی مجتمع مجهز شدهاند. انتظار میرود فروش و کاربرد این تجهیزات در سالهای آینده رشد بیشتری داشته باشد؛ بهشرط آنکه راهکارهای الکترونیکی از نظر هزینه بتوانند با راهکارهای مکانیکی گسترده در بازار رقابت کنند.
حقوق کپیرایت و مالکیت محتوا
کلیه محتوای این مقاله، شامل متن فنی، ساختار آموزشی، بازنویسی تخصصی و نحوه ارائه مطالب، متعلق به شرکت فروزان شعله هوشمند است. هرگونه استفاده، بازنشر، کپیبرداری یا بازتولید این محتوا بدون دریافت مجوز کتبی از شرکت فروزان مجاز نیست.
نیاز به راهنمایی بیشتر درباره کنترل الکترونیکی مشعل دارید؟
انتخاب سیستم کنترل احتراق، کنترلر مشعل، سنسورهای O2 و CO، تجهیزات Fieldbus و راهکارهای بهینهسازی باید براساس نوع مشعل، نوع سوخت، ظرفیت، استاندارد ایمنی و شرایط فرآیند انجام شود. برای دریافت مشاوره تخصصی، بررسی فنی پروژه یا انتخاب تجهیزات مناسب، با تیم فروزان در ارتباط باشید.
تماس با ما