ДАТЧИК ПОГАСАНИЯ ПЛАМЕНИ

Датчик погасания пламени предназначен для непрерывного контроля факела горелок котельного оборудования и печей, при сжигании твердого, жидкого, газообразного топлива для разогрева сырья и теплоносителей. Может найти применение на нефтеперерабатывающих, химических, энергетических и других предприятиях, использующих в своих технологических процессах огнетехнические установки.

Непрерывный контроль необходим для работы системы безопасности горелок печи, котла, осуществляющих отключение подачи топлива на горелку при непоявлении ее факела в течение заданного времени, при розжиге или исчезновении факела горелки в режимах растопки печи, котла при работе на различных нагрузках.

Известным аналогом является датчик D-LE603 фирмы DURAG (www.durad.de). Несмотря на большое количество ручных регулировок, не имеет внутренней и внешней автоподстройки, что затрудняет его использование для контроля факела в широком диапазоне нагрузок. Может применяться только с блоками управления D-UG120, D-UG660, D-GF150. Требует: два выделенных дискретных канала в распределенной системе управления (РСУ) для реле наличия пламени и реле состояния, а также аналоговый канал 0/4-20 мА для сигнала интенсивности пламени. У моделей D-LE603 IS, IG, при сильном пламени высокая вероятность насыщения входного усилителя. У моделей D-LE603UH, US электромагнитный затвор имеет ограниченный ресурс работы в режимах самодиагностики. Заявленная функция контроля интенсивности пламени малоэффективна при паровой обдувке мазутных форсунок и при загрязнении оптических элементов датчика продуктами горения (сера, сажа, конденсат). Использование на больших печах, с количеством горелок более 3 экономически невыгодно (примерная стоимость одного комплекта датчик D-LE603 плюс блок управления D-UG660 составляет 240501 рубль).

Другим аналогом является сигнализатор погасания пламени «Фламинго» СПП 1.01-04 (Руководство по эксплуатации РУТЕ. 468264.004 РЭ, www.rute.ru). Сигнализатор среднего ценового ряда, с хорошими эксплуатационными характеристиками. Но может применяться только с блоком сигнализации БС1.04-1, требует источника сетевого питания 220/24 В из-за большого потребляемого тока (200 мА). Для реализации функции контроля яркости факела необходим дополнительный модуль МФ СПП1.01. Требует: три выделенных дискретных канала в распределенной системе управления (РСУ) для реле наличия пламени, реле слабого пламени и реле неисправности, а также аналоговый канал 4-20 мА для сигнала яркости факела. Не обеспечивает достоверного отображения состояния горелок при паровой обдувке мазутных форсунок и загрязнении оптических элементов датчика продуктами горения (сера, сажа, конденсат). Отсутствует внутренняя и внешняя автоподстройка. Жесткие ограничения по внешней засветке. Процедура проверки носит частичный характер. Примерная стоимость одного комплекта датчик плюс блок сигнализации БС1.04-1 составляет 33748 рублей.

Прототипом изобретения является «Датчик селективного контроля факела горелки энергетических и водогрейных котлов модели УДФ-01/МИ (патент RU 63908 U1, опубликован 2007.06.10). Датчик имеет внутреннюю самодиагностику, стабилизацию чувствительности и шумов фотоприемника. В конструкцию заложена внутренняя и внешняя автоподстройка по величине спектра полезного сигнала на рабочей частоте, позволяющая обеспечить его селективность во всем диапазоне нагрузок котла. Однако, несмотря на высокие показатели прототипа, он имеет и недостатки. В первую очередь большие габариты (выпускается серийно), что затрудняет его установку в районе горелок (основной и пилотной), при большом количестве регулирующих и отсекающих устройств, запорной арматуры. Электромеханическая шторка узла самодиагностики имеет ограниченный ресурс работы и является слабым звеном датчика. Заложен сложный микропроцессорный алгоритм стабилизации чувствительности, что значительно усложняет конструкцию и снижает надежность. Требует: три выделенных дискретных канала в распределенной системе управления (РСУ) для реле защиты и сигнализации, реле неисправности, а также аналоговый канал 4-20 мА для выходного сигнала датчика. Нет возможности фиксировать одновременно пламя в нескольких точках тела факела. По мере загрязнения оптических узлов, сигнал с фотоприемника будет также уменьшаться, что потребует автоматического увеличения чувствительности, в результате, снижается помехозащищенность, возникает высокая вероятность выдачи ложного сигнала о погасании пламени горелки. Примерная стоимость датчика УДФ-01/МИ составляет 41536 рублей.

Технической задачей изобретения является снижение стоимости, уменьшение количества электронных компонентов в одном датчике, увеличение надежности устройства в целом, исключение выдачи ложных сигналов о погасании пламени горелок, работа с различными видами топлив и спектрами излучения, компенсация влияния внешней фоновой засветки (естественного и искусственного освещения, раскаленных стенок печи, камер сгорания котла), самобалансировка по мере загрязнения оптических узлов продуктами горения (сера, сажа, конденсат), использование одного выделенного канала измерения распределенной системы управления (РСУ) для контроля наличия факела, регистрации отказа датчиков, определения стабильности горения, самодиагностика, без использования различных имитаторов, электромеханических шторок, обтюраторов, сложных микропроцессорных алгоритмов коррекции.

Для решения этой задачи разработан датчик погасания пламени, состоящий из приемника излучения, цепи интегрирования, цепи задержки и подсчета импульсов, электронного ключа, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя цепь установки темнового тока, узел сравнения и балансировки, генератор стабильного тока, входной каскад датчика, осуществляющий самобалансировку по мере уменьшения коэффициента пропускания оптических узлов.

Датчик полностью залит компаундом, выполнен в виде цилиндрического модуля и помещен в тубус.

В качестве приемника излучения выбран фоторезистор. Принцип действия основан на преобразовании пульсаций светимости пламени в унифицированный токовый сигнал 0-5 мА.

Датчик запитан по двухпроводной схеме от измерительного модуля распределенной системы управления 24 В, что значительно снижает стоимость одного канала измерения и упрощает его подключение.

Сам регистратор (сканер) отображения пламени основной или пилотной горелки может содержать в цилиндрическом модуле от одного до четырех датчиков, в зависимости от важности позиции.

Датчики модульного типа в исполнении - 1×2, 1×3, 1×4, соединены параллельно и устанавливаются в одном тубусе. Выходной сигнал модуля токовый - пассивный.

Исполнение 1×4 предусматривает наблюдение за одной горелкой сразу четырьмя датчиками в одном канале измерения, что исключает возможность выдачи ложного сигнала в систему регулирования или схему блокировки и противоаварийной защиты (СБ и ПАЗ), при выходе из строя одного из них, сильных колебаниях и отрыве факела, кратковременной потери пламени. Так как каждый фотоприемник смещен относительно друг друга, пламя регистрируется в разных точках тела факела, что увеличивает достоверность полученных данных.

Нестандартный способ отображения информации на автоматизированном рабочем месте (АРМ) позволяет производить простую самодиагностику канала измерения: контроль наличия факела, регистрацию отказа датчиков, определять стабильность горения.

Как показывает практика, при исчезновении сигнала с датчика сразу очень сложно определить, что произошло: или погасла горелка, или вышел из строя сам датчик. Эта ситуация может привести к плачевным последствиям. Для этого устанавливаются дублирующие датчики или в конструкцию закладывается функция проверки работоспособности датчика, когда перекрывается полностью оптический узел и с помощью светодиода или лампы имитируют пульсации пламени. Но все это усложняет конструкцию, увеличивает стоимость и снижает надежность. Приведенные в описании на изобретение аналоги и прототип требуют дополнительных линий связи для передачи аналоговых, дискретных сигналов, подводки питающего напряжения, дополнительных модулей РСУ.

Рассмотрим регистратор (сканер) и простую самодиагностику без использования различных имитаторов, электромеханических шторок, обтюраторов, сложных микропроцессорных алгоритмов коррекции в исполнении 1×4. Регистратор (сканер) содержит четыре датчика погасания пламени и запитан по двухпроводной схеме от измерительного модуля распределенной системы управления 24 В. Датчики соединены параллельно и в сумме (при наличии пламени) генерируют ток, равный 20 мА. В измерительный модуль РСУ заложен рабочий диапазон 4-20 мА. Один датчик (при наличии пламени) генерирует ток 5 мА, что больше 4 мА, и он находится в рабочем диапазоне измерительного модуля РСУ (сообщение: ″обрыв″, ″ошибка″ на мониторе автоматизированного рабочего места не высвечивается). Три датчика (при наличии пламени) генерируют ток 15 мА. Один датчик - 5 мА, плюс три датчика - 15 мА в сумме дадут 20 мА, этот ток находится в рабочем диапазоне измерительного модуля РСУ (сообщение: ″перегрузка″, ″короткое замыкание″ на мониторе автоматизированного рабочего места не высвечивается).

Каждый датчик имеет свою токовую долю в диапазоне 4-20 мА, поэтому несложно определить, сколько датчиков на данный момент в исправном состоянии.

Имея рабочий диапазон 4-20 мА и стандартное количество возможных уставок (4 ед. для большинства РСУ), легко осуществить простую самодиагностику канала измерения. Устанавливается 4 уставки: 4,5; 7,5; 12,5; 17,5 мА, которые привязаны к % соответствия достоверности: 25%, 50%, 75%, 100%. Фиг. 4. На мониторе АРМ внутри контролируемых горелок Фиг. 6 цифры показывают, сколько датчиков работает на данный момент: 4 датчика - 100%, 3 датчика - 75%, 2 датчика - 50%, 1 датчик - 25%. Нельзя допускать ситуацию, когда показания будут составлять 25%, так как непонятно при исчезновении сигнала, что произошло: или погасло пламя, или вышел из строя датчик.

Контроль наличия факела, конечно, лучше осуществлять четырьмя датчиками. Одновременно они не могут выйти из строя, что позволяет увеличить достоверность, надежность канала измерения, исключить выдачу ложных сигналов о погасании пламени. Если горелка действительно погасла - сигнал с регистратора (сканера) равен нулю, и он аппаратно или программно зарегистрирован и обработан в РСУ, технологический персонал предпринимает конкретные действия.

Определение стабильности горения

Так как каждый датчик в исполнении 1×4 смещен относительно друг друга, пламя регистрируется в разных точках тела факела, что увеличивает достоверность полученных данных. При нестабильном горении пульсирующее излучение неравномерно попадает на датчики погасания пламени, на каком-то из них кратковременно оно вообще может отсутствовать. Если горение плохое (сильные колебания, отрыв факела) - % соответствия достоверности внутри контролируемых горелок, постоянно будет изменяться Фиг. 6 (Вид 3).

Входной каскад датчика обеспечивает самобалансировку, по мере уменьшения коэффициента пропускания (загрязнения продуктами горения) оптических узлов.

Так как в печах и камерах сгорания котла может употребляться топочный мазут, топливный газ, различные сдувки и смеси топлив, в процессе технологического режима, то спектр излучения такого пламени сдвинут в ближнюю инфракрасную область. Поэтому предпочтение отдано фоторезисторам, работающим в диапазоне излучения более 0,7 мкм. Для перекрытия всего спектра излучения пламени горелок и обеспечения всережимности регистратора (сканера) в один модуль совместно устанавливаются фоторезисторы ультрафиолетового (менее 0,4 мкм), видимого и инфракрасного рабочего диапазона.

Блок-схема одного датчика изображена на Фиг. 1.

Принципиальная схема показана на Фиг. 2. Условно она разбита на несколько частей. Так как технической задачей изобретения является снижение стоимости, уменьшение количества электронных компонентов в одном датчике, увеличение надежности устройства в целом - электронная компоновка (начинка) максимально уменьшена.

Рассмотрим работу схемы и назначение отдельных элементов более подробно.

Входной каскад состоит: из приемника излучения, цепи установки темнового тока, цепи интегрирования, узла сравнения и балансировки.

Приемник излучения - фоторезистор ближнего ИК-диапазона (0,79 мкм), показанный на схеме типа СФ3-1, предназначен для преобразования пульсаций светимости пламени в электрический сигнал.

Цепь установки темнового тока - несмотря на свою простоту, является очень важной частью схемы. Без нее датчик работать не будет. Цепь проходит параллельно приемнику излучения, соединена с ним и образована резистором R5. Дело в том, что темновое сопротивление фоторезистора СФ3-1 составляет 30 МОм, а фоторезистора СФ3-9Б, который также можно использовать в датчике, вообще, 5000 МОм. По мере уменьшения коэффициента пропускания оптических узлов (загрязнение продуктами горения) сопротивление приемника излучения тоже будет увеличиваться.

В какой-то момент оно может достигнуть такой величины, при которой микромощный операционный усилитель ОРА244 перестанет балансироваться и гарантированно переключаться. Поэтому, для создания необходимого потенциала на входах микромощного операционного усилителя ОРА244, часть тока направляется через резистор R5, его значение для фоторезистора СФ3-1 определено опытным путем.

Цепь интегрирования - состоит из двух частей: C1+R1+R2+R4 и C2+R3+R6 с разными постоянными времени, которые подключены к инвертируемому входу 4 и не инвертируемому входу 3 микромощного операционного усилителя ОРА244.

Резистор R7 ограничивает ток через фотоприемник при сильной внешней засветке.

Узел сравнения и балансировки собственно выполнен на микромощном операционном усилителе ОРА244, работающем в режиме компаратора, хотя в самой балансировке задействованы все элементы входного каскада. При достижении разности потенциалов (пороговой) на инвертирующем и не инвертирующем входе, на выходе микромощного операционного усилителя ОРА244 появляются положительные импульсы с частотой пульсаций пламени (порядка 5-15 Гц), по амплитуде примерно равные напряжению питания (Фиг. 5).

Самобалансирующийся входной каскад, как видно из принципиальной схемы датчика, не содержит регулировочных элементов, хотя основное условие для нормальной работы датчика - это низкий уровень на выходе микромощного операционного усилителя ОРА244 при любой внешней засветке. Если поднести к фоторезистору постоянный (не пульсирующий) источник излучения и искусственно изменять коэффициент пропускания, устанавливая 90%, 70%, 30%, то конденсаторы C1, С2 зарядятся и будут иметь потенциал, соответственно: высокий, средний, низкий. Причем, величина потенциала, для обеспечения низкого уровня на выходе микромощного операционного усилителя ОРА244, не имеет никакого значения, главное, чтобы он был всегда чуть выше на инвертируемом входе 4 микромощного операционного усилителя ОРА244. Резистор R2 с запасом компенсирует смещение нуля микромощного операционного усилителя ОРА244 и определяет пороговую разность потенциалов на инвертируемом входе 4 и не инвертируемом входе 3. Чем меньше сопротивление резистора R2, тем выше чувствительность датчика.

При воздействии на фотоприемник пульсирующего пламени горелки его сопротивление начинает изменяться, изменяется и потенциал на конденсаторах C1, С2, так как участок цепи интегрирования C2+R3+R6 имеет меньшую постоянную времени, чем C1+R1+R2+R4, потенциал на конденсаторе С2 успевает опускаться ниже потенциала на конденсаторе С1, что приводит к переключению микромощного операционного усилителя ОРА244 и появлению на его выходе импульсов положительной полярности.

При постоянной внешней засветке (пульсаций светимости нет). На фотоприемник (СФ3-1) попадает излучение раскаленных стенок печи, камеры сгорания котла, естественное или искусственное освещение. Сопротивление фотоприемника устанавливается на каком-то определенном уровне. Причем этот уровень постоянно изменяется в зависимости от внешних условий, изменяется также и потенциал на конденсаторах C1, С2.

Медленно изменяющаяся внешняя засветка не вызывает появления пороговой разности потенциалов на входах микромощного операционного усилителя ОРА244 и не приводит к его переключению.

Так как это излучение не является полезным сигналом, оно фиксируется как ФОН. Фоновый сигнал снижается по мере уменьшения коэффициента пропускания (загрязнения продуктами горения) оптических узлов.

Большинство используемых в настоящее время приборов для отслеживания погасания пламени (ФДЧ, «Фламинго», «Fireye», «DURAG» и др.) не в состоянии компенсировать большой уровень фонового сигнала и теряют чувствительность и способность достоверно отображать информацию при загрязнении 25-30%.

Входные сигналы при различном фоне показаны на Фиг. 3 (частота пульсаций=7 Гц, степень загрязнения 30-70-90%). Из графиков видно, что амплитуда выходного сигнала не зависит от степени загрязнения и величины фона, не оказывает никакого влияния и изменяющийся порог.

Цепь задержки и подсчета импульсов состоит из диода VD1, R8, R9, С4. Необходимое количество импульсов (5-8) для заряда емкости С4 и отпирания ключа VT1 задается резистором R8. Диод VD1 не позволяет разряжаться конденсатору С4 через выходные цепи DA1. Резистор R9 определяет время разряда емкости С4 (задержка на выдачу сигнала о погасании пламени 1-2 секунды). Резисторы R8, R9 образуют делитель напряжения для оптимального отпирания электронного ключа на полевом транзисторе VT1, конденсатор С3 фильтрующий.

Электронный ключ - собран на полевом транзисторе VT1. На токовую цепь он никакого воздействия не оказывает, так как сопротивление канала сток-исток в открытом состоянии ничтожно мало и не превышает 92 мОм (милиОм).

Генератор стабильного тока - резистор R10 прецизионный с низким температурным дрейфом и собственными шумами (тип С2-29В), является генератором стабильного тока (5 мА). Использование более сложного генератора на интегральных микросхемах не имеет смысла, так как напряжение измерительного модуля распределенной системы управления (РСУ) 24 В стабилизировано.

Номиналы электронных компонентов датчика подобраны таким образом, что потребляемый им ток в режиме регистрации пламени не изменяется и не превышает 100 мкА, что в свою очередь не оказывает существенного влияния на формирование сигнала 5 мА в канале измерения.

Размещение датчиков в зависимости от формы факела (Фиг. 7).

Для видимого спектра излучения пламени применяется фоторезистор СФ2-1, для УФ спектра (менее 0,4 мкм) СФ2-18.

Количество электронных компонентов в одном датчике минимально и составляет 18 ед.

Примерная стоимость одного датчика (электронные компоненты фирмы «ЭЛИТАН»), печатная плата и заливка компаундом 300 рублей, а модуля в исполнении 1×4 - 1200 рублей, что по сравнению с самым дешевым аналогом «Фламинго» СПП 1.01-04 меньше в 28 раз. Так как отпадает необходимость в использовании трех дискретных каналов (один дискретный канал у фирм Yokogawa, Honeywell стоит около 120 евро, или по курсу 4796 руб.), то дополнительная экономия составит еще 14389 рублей.