مقاله تخصصی شرکت فروزان
بهینهسازی احتراق در مشعل با O2 Trim و COe Control
کاهش هوای اضافه یا اصلاح اکسیژن، که با عنوان O2 Trim شناخته میشود، یکی از روشهای مهم بهینهسازی احتراق در کنترل مشعل است. استفاده از این روش میتواند افزایش راندمان، کاهش هزینه سوخت و کاهش آلایندگی را به همراه داشته باشد. در کنار آن، کنترل احتراق بر اساس COe، یعنی پایش مونواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته و هیدروژن در گازهای احتراقی، مسیر دقیقتری برای نزدیک شدن به شرایط احتراق بهینه و ایمن فراهم میکند.
کاهش هوای اضافه و نقش آن در بهینهسازی احتراق
کاهش هوای اضافه یا O2 Trim، روشی شناختهشده در بهینهسازی احتراق مشعلهاست که امکان افزایش بهرهوری سیستم، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی را در بهرهبرداری از مشعل فراهم میسازد. در طول دو دهه گذشته، سیستمهای کاهش هوای اضافه از ساختارهای مبتنی بر لینکهای مکانیکی بین سوخت و هوا، به سیستمهای امروزی مبتنی بر میکروپروسسورهای پیچیده و سروموتورهای دقیق برای تنظیم میزان هوا و سوخت تبدیل شدهاند.
مفهوم کاهش هوای اضافه در مشعلها و سیستمهای احتراقی، نتیجه توسعه فناوری اندازهگیری میزان اکسیژن در محصولات حاصل از احتراق با سنسورهای اکسیدزیرکونیوم است. این سنسورها امکان پایش دقیق اکسیژن در گازهای دودکش را فراهم میکنند و به سیستم کنترل اجازه میدهند شرایط احتراق را از حالت حلقه باز به حلقه بسته تبدیل کند.
احتراق ایمن و بهینه نیازمند ترکیب مناسب سوخت و هواست. هوای اضافه در احتراق با جذب حرارت شعله، به صورت هوای داغ همراه با سایر محصولات احتراقی از دودکش خارج میشود و باعث تلفات انرژی و کاهش راندمان میگردد. در مقابل، کمبود هوا باعث احتراق ناقص، تولید مونواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته و هیدروژن، ناپایداری شعله، افزایش آلایندگی و خطرات ایمنی میشود.
برای جلوگیری از احتراق ناقص و حفظ شرایط ایمن، مشعلها معمولاً با مقداری هوای اضافه راهاندازی میشوند. احتراق فرآیندی پیچیده است و عواملی مانند دمای هوا، رطوبت، فشار هوا ناشی از ارتفاع از سطح دریا، کیفیت سوخت و شرایط فرآیند بر آن اثر میگذارند. هوای اضافه تضمین میکند که حتی اگر این متغیرها پس از تنظیمات اولیه تغییر کنند، فرآیند احتراق همچنان در محدوده ایمن باقی بماند.
با استفاده از سنسورهای اکسیژن و اندازهگیری O2 در گازهای حاصل از احتراق، سیستم کنترل از حالت Open Loop به Close Loop تبدیل میشود. این یعنی متغیرهای احتراق شناسایی شده و سیستم میتواند برای کاهش اثر منفی آنها، شرایط احتراق را اصلاح کند.
سیستم O2 Trim برای کاهش هوای اضافه و تبدیل کنترل احتراق از حلقه باز به حلقه بسته
سیستم اصلاح اکسیژن یا O2 Trim چگونه کار میکند؟
عملکرد سیستم O2 Trim در اصل ساده است: سیستم برای اصلاح تغییرات، میزان سوخت یا هوا را افزایش یا کاهش میدهد. برای هر نقطه از نقاط کارکرد مشعل، یک نقطه تنظیم اکسیژن یا O2 Setpoint وجود دارد. اگر میزان اکسیژن در گازهای حاصل از احتراق در آن نقطه افزایش یابد، سیستم در همان نقطه از نقاط کارکرد مشعل، هوا را کاهش میدهد یا سوخت را افزایش میدهد. اگر اکسیژن کاهش یابد، عکس این فرآیند انجام میشود.
در بیشتر کاربردها، عمل اصلاح اکسیژن با افزودن یا کاهش هوای مشعل انجام میشود؛ زیرا این روش تأثیر کمتری بر تغییر بار مشعل دارد. کاهش هوا در مشعلها باعث کاهش هزینهها میشود، در حالی که افزودن هوا میتواند هزینه را افزایش دهد. با این حال، در حالت دوم سیستم اطمینان حاصل میکند که فرآیند احتراق ایمن باقی بماند و آلایندههایی مانند مونواکسیدکربن و هیدروکربنهای نسوخته تولید نشود.
احتراق استوکیومتری و محدودیتهای آن در عمل
در حالت تئوری، محاسبات احتراق بدون در نظر گرفتن هوای اضافه انجام میشود. این حالت، بیشترین بازدهی را دارد و با عنوان احتراق استوکیومتری شناخته میشود. در این وضعیت، دقیقاً مقدار مناسب مولکولهای اکسیژن با مولکولهای سوخت واکنش میدهد تا واکنش احتراق کامل شود. به عنوان یک مثال ساده، واکنش احتراق متان به صورت زیر است:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Heat
کنترل و بهینهسازی احتراق بر اساس مقادیر مونواکسیدکربن و هیدروکربنهای نسوخته در گازهای حاصل از احتراق، که با عنوان COe Control شناخته میشود، رویکردی تجربیتر و نزدیکتر به شرایط واقعی فرآیند دارد. این روش به سیستمهای احتراق اجازه میدهد در حالی که ایمنی ناشی از کاهش هوا حفظ میشود، به شرایط تئوری احتراق استوکیومتری نزدیکتر شوند.
مقایسه احتراق استوکیومتری با O2 Trim و COe Control در بهینهسازی احتراق مشعل
کنترل COe و حرکت به سمت احتراق بهینه
سنسورهای COe برای اندازهگیری میزان مونواکسیدکربن و هیدروکربنهای نسوخته در گازهای حاصل از احتراق، در واقع نسخهای اصلاحشده از سنسورهای اکسیدزیرکونیوم هستند که پیشتر برای اندازهگیری اکسیژن استفاده میشدند. این سنسورها مجموع عناصر حاصل از احتراق ناقص شامل هیدروژن، مونواکسیدکربن و هیدروکربنهای نسوخته را اندازهگیری کرده و آن را به صورت پارامتری با نام COe نمایش میدهند.
با استفاده از COe Control در بهینهسازی احتراق، میتوان شرایط احتراق را در لبه شرایط احتراق استوکیومتری تنظیم کرد. یکی از عواملی که به سیستمهای کنترل اجازه میدهد تنظیمات دقیقتری برای رسیدن به این هدف انجام دهند، زمان پاسخ سریع سنسورهای COe به وجود محصولات حاصل از احتراق ناقص در گازهای احتراقی است.
COe Control یک الگوریتم خودسازگار است. این سیستم در هر نقطه از منحنی احتراق برنامهریزیشده، ابتدا با کاهش هوای احتراق در همان نقطه حرکت میکند تا مقادیری از COe را در محصولات احتراق مشاهده کند. سپس با افزایش اندک میزان هوای احتراق، نقطه کاری را در محدوده ایمن قرار میدهد. پس از ذخیرهسازی اطلاعات، اگر در هر زمان مقادیری از COe تشخیص داده شود، سیستم با افزایش هوا، خود را دوباره با موقعیت ایمن بعدی سازگار میکند.
هر نقطه تنظیم نسبت سوخت و هوا در این سیستم، دارای عمر هشت ساعته است و پس از آن دوباره تنظیم میشود. با این توضیحات، دور از انتظار نیست که سیستمهایی که با فناوری COe Control بهینه شدهاند، بتوانند با میزان اکسیژن حدود 1 درصد در گازهای حاصل از احتراق کار کنند.
الگوریتم خودسازگار COe Control برای تنظیم هوای احتراق در لبه احتراق استوکیومتری
سنسور KS1D، ترانسمیتر LT3F و مزیت کنترل مبتنی بر COe
در کنار استفاده از COe Control، برای اطمینان از ایمن ماندن شرایط احتراق، سیستم به یک سنسور اکسیژن ایمن نیز نیاز دارد. سطح اکسیژن 0.4 درصد در گازهای احتراقی معمولاً به عنوان آستانه ایمنی تنظیم میشود و اگر میزان اکسیژن در گازهای حاصل از احتراق به این سطح برسد، عملکرد کنترل COe متوقف شده و یک پیام اخطار توسط سیستم ایجاد میگردد.
سنسور KS1D، سنسوری ترکیبی مبتنی بر فناوری اکسیدزیرکونیوم ساخت شرکت LAMTEC آلمان است که مقادیر اکسیژن و COe را به صورت همزمان اندازهگیری میکند. با ترکیب سنسور KS1D و ترانسمیتر LT3F، میتوان فرآیند COe Control را تنها با نصب یک سنسور در دودکش سیستمهای احتراقی انجام داد.
ترانسمیتر LT3F ساخت شرکت LAMTEC، المانی مقاوم در برابر خطا یا Fail-safe است. این تجهیز از دو سیستم پردازنده جداگانه برای بررسی سیگنالهای سنسور KS1D استفاده میکند و برای جلوگیری از هرگونه خطا، به صورت مداوم مقادیر را با یکدیگر مقایسه مینماید.
چرا COe Control نسبت به O2 Trim در برخی شرایط ایمنتر است؟
یکی از مشکلات عمده استفاده از سیستمهای O2 Trim، وجود روزنه یا درز در کانال دودکش است. نشت هوای محیط و ترکیب آن با گازهای حاصل از احتراق میتواند باعث خطا در میزان اندازهگیری اکسیژن شود و در نتیجه عملکرد سیستم را دچار خطا کند. این مشکل در بویلرهایی با فشار منفی محفظه احتراق و دارای فن مکش دود یا ID Fan، بیشتر دیده میشود.
کنترل مبتنی بر COe گزینه ایمنتری است؛ زیرا تحت تأثیر نشت هوا و ترکیب آن با گازهای حاصل از احتراق قرار نمیگیرد. در سیستم COe Control، احتراق ناقص تنها منبع COe است. بنابراین اگر مقادیری از آن در گازهای حاصل از احتراق تشخیص داده شود، بهرهبردار میتواند از وجود مشکل در سیستم مطمئن باشد.
کنترل COe به طور گسترده در اروپا مورد استفاده قرار گرفته است، اما مزایای آن هنوز در ایران به اندازه کافی شناخته نشده است. شرکت LAMTEC آلمان تجربه گستردهای در زمینه کنترل احتراق و بهینهسازی آن با استفاده از COe Control دارد. این شرکت سیستم COe Control را برای نخستین بار در سال 2004 معرفی کرد و این قابلیت برای بهینهسازی احتراق در تمام سیستمهای کنترل احتراق ساخت LAMTEC آلمان در دسترس است.
سیستم COe Control شرکت LAMTEC با سنسور KS1D و ترانسمیتر LT3F برای بهینهسازی احتراق مشعل
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 O2 Trim یا COe Control دارید؟
انتخاب سیستم بهینهسازی احتراق، سنسور اکسیژن، سنسور COe، ترانسمیتر LT3F و تجهیزات کنترل مشعل باید بر اساس نوع سوخت، نوع مشعل، شرایط دودکش، ظرفیت، استاندارد ایمنی و هدف بهرهبرداری انجام شود. برای دریافت مشاوره تخصصی، بررسی فنی پروژه یا انتخاب تجهیزات مناسب، با تیم فروزان در ارتباط باشید.
تماس با ما