KORSZERÛ ENERGETIKAI BERENDEZÉSEK
4.1 4.5
Az égési folyamatok szabályozása lángionizációs jelekkel Tárgyszavak: tüzeléstechnika; szabályozás; gáztüzelés; lángionizációs jelek; szénhidrogéntartalom-mérés.
A szénhidrogének elégetésekor szabad elektromos töltéshordozók keletkeznek. Ez képezi az alapját a láng egyik lehetséges minőség-ellenőrzési módszerének. Az ionképződés mennyiségi meghatározása a gázelemzőknél a szénhidrogén-tartalom mérésére használható. Az ionizációt az égetés során végbemenő reakciók kinetikája alapján határozzák meg, és elméleti vizsgálatok alapján matematikailag modellezik. Régi gondolat, hogy lángionizációs mérési jeleket használjanak fel az égetési folyamatok szabályozására, de ehhez megfelelő berendezések ezidáig nem álltak rendelkezésre. Egy jelfeldolgozóból, az ionizációs sugárjelből és egy optimálisan elhelyezett ionizáló elektródból kialakított rendszerben létrejött ionizáló jel előnyösen felhasználható a légfelesleg-tényező szabályozására. A következők ismertetik a koncepciót.
Az ionizációs jel felhasználása a gázkészülékekben végbemenő égés szabályozására A mai korszerű gázkészülékeket a kis emisszió és a jó hatásfok jellemzi. Egy készüléknek működnie kell különböző használati feltételek (pl. az elégetésre kerülő gáz változó minősége, ingadozó égetési levegő paraméterek és kéménynyomás) esetén is. Európában a gázkészülékek kifejlesztésénél és összeszerelésénél egyik legfontosabb szempont a gázminőség változásának sávszélessége. A szabványos készülékosztályokba sorolásnak megfelelően a gázkészülékeknek egy meghatározott alapbeállítással képesnek kell lenniük arra, hogy a Wobbe szám egy megadott tartományát lefedjék, és különböző összetételű földgáz esetén is megbízhatóan működjenek. A különböző minőségű gázzal való működés a készülékeknél különböző légfelesleg-tényezők alkalmazását vonja maga után, mert a különböző összetételű földgázok levegőszükséglete egymástól eltérő.
A légfelesleg-tényező értéke a gázminőség függvényében 1,1 és 1,6 között változhat. Az égő elhagyhatja az optimális munkapontját és egyéb zavaró hatások egyidejű jelentkezése esetén fennáll egy nem stabil és az egészséget károsító égés kialakulásának a veszélye. Ez a probléma megoldható a légfelesleg-tényező olyan előírt értéken tartásával, amely biztosítja az optimális égést. A gáz/levegő arány zárt szabályozó áramkörben végzett illesztéséhez információ szükséges az égés légfelesleg-tényezőről. Ez a légfelesleg-tényező jel előállítható például a füstgázcsatornában elhelyezett jeladóval, azonban jelenleg még nem kaphatók kereskedelmi forgalomban megfelelő érzékelők. Ennek oka, hogy az érzékelők drágák, karbantartás-igényesek és problémát jelent az érzékelők elhelyezése a füstgázvezetékben, mert az áramlási viszonyok az érzékelő beépítési pontján nem adnak reprezentatív füstgázösszetételt. Ismerni kell továbbá a betáplálásra kerülő gáz összetételét és nyitott hurkú szabályozás keretében illeszteni kell a gáz/levegő keverékek értékét. Ez feltételezi kipróbált, olcsó és megfelelő pontosságú érzékelők alkalmazását, amelyek azonban jelenleg még szintén nem állnak rendelkezésre. A fentieken túlmenően a légfelesleg-tényező meghatározásának további eszköze a lángjelek érzékelése, azaz közvetlen mérés végrehajtása a lángban. A lángionizációs jel előnye, hogy az égés helyén közvetlenül visszajelzést ad, és a légfelesleg-tényező mérésének a költségét tekintve kedvező eszköz.
A szabályozási koncepció ismertetése A láng ellenőrzésének bevált és széles körben elterjedt módszere az ionizációs jel mérésén alapul. A jel küszöbértékének elérésekor a láng jelenléte felismerhető. Az ionizációs jel a láng felismerésén túlmenően további hasznosítható információkat tartalmaz az égésről. A jelet elsődlegesen a láng hőmérséklete befolyásolja. 1200 oC felett a lángban a molekulák disszociálnak, az égési hőmérséklet növelésével nő az ionképződés mértéke. Az ionizációs jel jellemző alakulása a légfelesleg-tényező függvényében az 1. ábrán látható. A hőmérséklettől való függés miatt az ionizációs jelnek maximális értéke van a sztöchiometriai munkaponton (λ=1), az égési hőmérséklet maximális. A szénhidrogének égésekor fellépő ionképződést befolyásolják: az ionizációs szonda kialakítása és égőhöz képesti elhelyezése, a villamos mérőrendszer tulajdonságai és az égéstechnikai jellemzők (légfelesleg-tényező, az égő teljesítménye és típusa stb.). A légfelesleg-tényező-szabályozás megvalósításához optimálni kell az ionizációs jel légfelesleg-tényezőtől való függését, amit jelentősen befolyásol a szonda megválasztása és elhelyezése, valamint az égő teljesítménye. Egyéb tényezők (gázösszetétel, tűztér-hőmérséklet) szerepe alárendelt.
a gázmennyiséget csökkenteni kell előírt érték
szabályozási tartomány a gázmennyiséget növelni kell
légfelesleg-tényező
1. ábra Az ionizációs jel és a légfelesleg-tényező összefüggése Az ionizációs szonda energiaellátását biztonságtechnikai okokból váltakozó feszültséggel kell megadni, mert egyenfeszültség alkalmazása esetén rövidzárlat hatására tűz keletkezhet. A jelfeldolgozást a 2. ábra mutatja be. levegőben gazdag keverék
tüzelőanyagban gazdag keverék
VIO a detektálás során alkalmazott jel Vac tápfeszültség (230 V)
2. ábra Az ionizációs mérések elve Az elektródon jelentkező feszültség egy átlagértékkel eltolt szinuszjel alakú. A mérésre használt jelenség a láng egyenirányító hatásán alapul. Az átlagértékkel eltolt váltakozó feszültséget egy felülvágó szűrőn vezetik át, így
viszonylag zajmentes, mennyiségileg jól értékelhető mérési jel keletkezik, amely a beállítási tartományon belül ionizációs jelként alkalmazható. A szonda elhelyezésénél jelentősége van a lángban végbemenő ionképződés térbeli eloszlásának. Ez az égő lángprofiljában előkevert lángok esetében állandó, azaz az égőbe vezetett keverék homogenitása megfelelő. A diffúziós lángoknál az ionizáció a diffúziós zónán át a láng szélén differenciálódik. Az ionizációs szonda geometriája és elhelyezése az égőhöz viszonyítva jelentősen befolyásolja az ionizációs mérések pontosságát. Egyrészt a szondát a lángnak egy jellemző részén kell elhelyezni, másrészt megkönnyíti a mérést egy vékony, de mechanikailag stabil szonda, amely termikusan gyorsan reagál és az ionképződést kevéssé befolyásolja. Fontos, hogy az ionizációs jel független legyen az égő teljesítményétől. A szonda elhelyezésének optimálása minimálisra csökkentette a teljesítmény ionizáció befolyásoló hatását. Korábbi tapasztalatok szerint az előkeveréses égők esetében a 100%–30% modulációs tartományban az égőterhelés zavaró hatása a jelre megfelelően elnyomható. Kerámia égők esetén problémát jelenthet a megfelelő ionforrás megtalálása. Míg a fém égőfelület az ionizációs méréseknél közvetlenül ionforrásként szolgál, a kerámiaégők esetén egy plusz fém elektródát kell kialakítani, mert a kerámia nem vagy csak nagyon magas hőmérsékleten válik villamosan vezetővé. A megfelelően erős jel biztosítása érdekében a pótelektród felülete nem lehet túl kicsi. Villamos lángjelként az ionizáció elvben a láng változására nagyon gyorsan reagáló jellemző. Miután az ionizációt a legjobban befolyásoló tényező a láng hőmérséklete, a jel lefutását a lassú termikus kiegyenlítődési folyamatok is befolyásolják. Ez különösen érvényes az égő hideg indításakor, amikor az ionizációs jel csak néhány másodperc után éri el a végső értékét. Hogy az indítási fázisban az ionizációs jel a szabályozáshoz felhasználható legyen, dinamikus jelkiegyenlítést kell alkalmazni vagy a gáz/levegő arány „nyitott hurok” szabályozását kell kialakítani. Gyors terhelésváltozások esetén termikus kiegyenlítődési folyamatok figyelhetők meg. Az ionizációs szonda hosszú élettartamú, kipróbált eszköz. A lángionizációnak a szabályozás során szükséges mennyiségi mérése ugyanakkor nagyobb követelményeket támaszt az ionizációs méréssel szemben, mint a tiszta lángellenőrzés során. Ezért célszerű az ionizációs mérésekre gyakorolt hosszú távú hatásokat kiegyenlíteni vagy a mérést az ionizációs szonda cseréje után felül kell vizsgálni. Ez a feladat kalibráló ciklussal valósítható meg, amely során a normál szabályozási üzem megszakításra kerül, és egy vizsgálati lépésben megvalósul az ionizációs jel maximális értéke. Ehhez a maximum értékhez az 1. légfelesleg-tényező értéket rendelik, amely minden további információ nélkül azonosítható. A mért szélsőérték öszszehasonlításra kerül korábban eltárolt értékekkel és lehetővé teszi az ionizációs jel változásának ellenőrzését. A maximum érték eltolódásakor várható, hogy
az ionizációs jel légfelesleg-tényezőhöz rendelése során is eltolódás lép fel, amely az ionizációs jel előírt értékéhez való illesztése által veendő számításba. A kalibrálás során rövid ideig eltérnek az égő rendeltetésszerű munkapontjától. Ez nem ártalmas, ha az eljárás csak rövid ideig tart és ritkán hajtják végre. A kalibrálás jellemző időtartama 3 másodperc, gyakorisága az adott készülékkel szemben támasztott követelményektől, az üzemóráktól és az indítások számától függ (általában havonta egyszer vagy még ritkábban történik). A tapasztalatok szerint – eltekintve a stochasztikus ingadozásoktól – a kalibráló érték 52 hónapon át is rendkívül stabil. Célszerű több közbenső értéket közölni és csak az átlagérték nagyobb változásánál az érvényes végértéket újonnan megállapítani. Az ionizációs jel függését a légfelesleg-tényezőtől az 1. ábra mutatja. A sztöchiometrikus viszonyok feletti tartományban a szabályozás során csak a diagram jobb oldali ágát veszik figyelembe. Az optimális munkapont kialakítása az ionizációs jel előírt értékéhez kapcsolódik. A standard PI-algoritmus (arányos integráló) segítségével végrehajtott szabályozáskor pozitív eltérés esetén a gázmennyiséget csökkenteni kell, negatív eltérés esetén pedig növelni, hogy az eltérés lehetőség szerint nullára csökkenjen. A szabályozásdinamika optimálásakor a szabályzóban célszerű pozitív eltéréskor nagyobb megerősítést választani, mint negatív eltérés esetén, a karakterisztika változásának kiegyenlítése érdekében. Ezt az általános szabályozó funkciót ki kell továbbá egészíteni a szabályozási tartomány határértékeinek a rögzítésével, mert az egészséget nem károsító égetés csak meghatározott légfelesleg-tényező-intervallum (és ezzel meghatározott ionizációs jel intervallum) esetén valósulhat meg. Ha az ionizációs jel hosszabb időn át kívül esik ezen a szabályozási tartományon, a rendszert le kell kapcsolni. Az ionizációs jel görbe kétértelműsége miatt a légfelesleg-tényezőt csökkenteni kell, mert ha a baloldali ágnak megfelelő légfelesleg-tényező alakul ki, az levegőhiányos égést jelenthet. A szabályozási tartomány fentiek szerinti meghatározása és az égő lekapcsolása, ha az értékek kilépnek a szabályozási tartományból, megakadályozza, hogy az égő nem megengedett, a sztöchiometriai viszonyok alatti tartományban üzemeljen. Ez abból következik, hogy a karakterisztika emelkedése λ<1 esetén fordított előjelű, mint λ>1 esetén és ezáltal a negatív visszacsatolás szabályozóköre pozitív visszacsatolásra módosul. Ennek következtében – a sztöchiometrikai viszonyoknál kisebb légfelesleg-tényezővel jellemezhető égési körülményekből kiindulva – a szabályozókör megbízhatóan a felső vagy az alsó szabályozási határérték betartására törekszik és lekapcsolja a berendezést. Szabályozási algoritmusként egy szokásos PI-algoritmus (arányos integráló szabályozás) megfelelő, amelynek paraméterei a szabályozási szakasz dinamikus viselkedése szerint kerülnek megválasztásra. A légfelesleg-tényező-szabályozó körfolyamat az égőszabályozás része. A körfolyamatot gáz/levegő arány előszabályozással egészítik ki, ami megha-
tározott indítási feltételt biztosít, javítva a rendszer dinamikus viselkedését. A szabályozórendszer felépítését a 3. ábra bemutatja.
az légfeleslegtényező előírt értéke
kalibrálás
λ előírt értéke
gáz
Iion
Iszelep +
jelfeldolgozás
légfeleslegtényező szabályozó
+
λ aktuális értéke
fordulatszámelőszabályozás a fordulatszám értéke
n fordulatszámszabályozás
levegő
3. ábra A légfelesleg-tényező szabályozás kialakítása A kompresszor fordulatszáma – amely mérési eredményként rendelkezésre áll – felhasználható az égő teljesítményének mérésére és szabályozási értékként szolgál a gázmennyiség „nyitott hurok”-ban végzett beállításához a teljesítmény függvényében. Ez a funkció azonban csak a referenciaállapotban (gázminőség, levegőnyomás és hőmérséklet) biztosítja a korrekt légfeleslegtényező értéket. Az ionizációs jel alapján végzett szabályozás csak additív helyesbítő érték a gáz mágnesszelep-szabályozásához és kiegyenlíti a légfeleslegtényezőt érő, a referencia állapottól való eltérésből származó összes hatást. A kompresszor-fordulatszám előszabályozásából előállított beállítójel és a légfelesleg-tényező szabályozásából eredő helyesbítő érték lehetőséget ad a szabályozórendszer hibafunkcióinak a lekérdezésére. A helyesbítő érték tükrözi a referencia állapottól való eltérés mértékét, ezért meghatározott határokon belül kell lennie. Ezeket a korlátozásokat elsődlegesen a gázminőség, másodlagosan az égetési levegő állapotának a változása okozza. Ha a helyesbítő érték átlépi a megengedett határértéket, ez a készülék nem engedé-
lyezett működésére utal és a rendszer vagy jelez, vagy lekapcsolja a készüléket.
A kapott eredmények ismertetése
CO2 (% v/v), CO, NOx (ppm), U/10 (V)
Korábbi tapasztalatok szerint az ionizáció mérésének optimális kialakítása esetén megvalósítható az ionizációs jel és az égőteljesítmény közötti függetlenség az 1:3 modulációs tartományban. Jellemző példa egy fűtőértékmeghatározó kazánban végrehajtott mérés. A kazán modulálható teljesítmény-tartománya 8-25 kW, légfelesleg-tényező-szabályozás nélkül az égő Lgáz esetén 1,4-es, H-gáz esetén 1,2-es állandó légfelesleg-tényezővel dolgozik. Ezen állandó légfelesleg-tényezőknél az ionizációs jelek is viszonylag állandó nagyságúak és egyértelmű összefüggést mutatnak a légfeleslegtényezővel. Ionizációs jelen alapuló légfelesleg-tényező-szabályozóval ellátott kazán esetén a gázminőség változásának hatása a 4. ábrán látható. Légfelesleg-tényező-szabályozás nélkül felvett ugyanezen diagramot az 5. ábra mutatja be.
váltás G20 gázkeverékről L-földgázra
váltás L-földgázról G20 gázra NOx CO2-tartalom
CO-tartalom (ppm) CO
ionizációs feszültség (10 V)
idő, min
4. ábra A gázösszetétel változásának hatása légfelesleg-tényező szabályozásával
L gáz: a DVGW G260 szerint 10,5–13 kWh/m3 Wobbe indexű gáz (Low caloric) H gáz: a DVGW G260 szerint 12,8–15,7 kWh/m3 Wobbe indexű gáz (High caloric) G20 gáz: metán
Az égés szabályozásánál a következő tényezőket kell figyelembe venni: – az égetőkamra zárt vagy nyitott rendszerű-e, – az előkeverés mértéke, – fajlagos égőterhelés, – az égő üzemvitele, modulálás, – kompresszor impulzuségő/felületi égő.
CO2 (%V/V), CO, NOx (ppm), U/10 (V)
CO
váltás G20 gázkeverékről L-földgázra
váltás L-földgázről G20 gázra
NOx
alapjel
CO2-tartalom
idő, min
5. ábra A gázösszetétel változásának a hatása légfelesleg-tényező szabályozása nélkül Az adottságok szerint különböző illesztési intézkedések lehetségesek. Az égés szabályozásának 5 illesztési eljárása speciális égető6 berendezésekben meggyorsítható. 4 Megfelelő szoftver segítségével 3 csökkenthető a fejlesztés költsége és számítógép által támogatott, tel1 jesen automatizált vizsgálat végezhető. A gázkészülék beállítási költ2 sége minimális. A légfeleslegtényező-szabályozó elektronikának kompresszor által támogatott gázfűtő készülékhez illesztése során ismerni kell az indító levegő mennyi6. ábra Az égetőberendezés felépítése ségét, az elérni kívánt légfelesleg1 – elektronika, 2 – ventilátor, 3 – gázszelep, tényezőt, a tüzelőanyag és a levegő 4 – processzor vezérelt szabályozó, amely szabályozási értékeit és a gyújtókeminden, az illesztési eljáráshoz szükséges verék összetételét. Az égeprogramot tárol, 5 – gyújtógyertya, 6 – ionizációs érzékelő tőberendezés felépítését a 6. ábra mutatja. A 7. ábrán az illesztési eljárás idődiagramja látható. Az illesztés a gázkészülék hálózati kapcsolójának a bekapcsolásával kezdődik. 0 időpontban minden szokásos biztonságtechnikai folyamat (pl. átöblítés levegővel) elindul. Az 1. időpontban a ventillátor szállítja az indító levegőmennyiséget (VLst). A 2. pontban kezdődik a biztonsági idő: a gyújtóberendezés beindul és a biztonsá-
gi szelepek kinyitnak. Az indító gázmennyiség a biztonsági időn belül addig nő, amíg a lángképződés az ionizációs jel növekedésével felismerhető (3. időpont). Az elektronika figyeli a rendszer időbeni viselkedését és a 3. időponttól az ionizációs jel növekedését. A jel a végértékének a 80%-áig ugrásszerűen nő, kiszámítja és tárolja az elektronika a növekedés meredekségét. ionizációs jel
A
a tüzelőanyag térfogatárama, l/min
B
a levegő térfogatárama, l/min
A = ionizáció indítása
B = gázszelep bekapcsolása
C
C = levegő-térfogatáram
7. ábra Az illesztési eljárás A rendszer számított időállandója rendelkezésre áll a további szabályozási folyamatokhoz. A következő ciklusokban végrehajtják a kalibrálást, aminek feladata az ionizációs jel teljesítményfüggőségének meghatározása. Az induló gáz/levegő arányhoz viszonyítva a levegő térfogatárama állandó tüzelőanyag térfogatáram mellett csökken. Mérik az ionizációs jel növekedését és tárolják a maximális K1 értékét, amelyből a program kiszámítja az adott készülék teljesítményéhez illeszkedő előírt értéket (SW1). A 7. időpontban a levegő térfogatárama ismét a kiindulási értékre (VLst) nő, ekkor az égés szabályozása az SW1 előírt értéken működik. A 8. és 12. időpontokban a levegő mennyisége a rendszerben megnő, a különböző készülékteljesítményeknél végzett kalibrálás érdekében. A mindenkor meghatározott előírt érték átmeneti értékként alkalmazandó. Az így kapott K1......Kn kalibrálási értékek különböző készülékteljesítmények esetén az ionizáció nagyságát mérik, és kiegyenlítik a jel függését a készülék teljesítményétől. A 16. időpontban a ventillátor fordulatszáma lépcsőzetesen V1max értékre nő. Mérik az ionizációs jelet és a gázmennyiség szabályozó folyamatosan növekedő
szabályozó áramát. V1max értéknél a gázmennyiség eléri a maximális értéket, ezt az értéket tárolják. Végül a 18. időpontban a ventillátor fordulatszáma a minimális értékre (V1min) csökken, ekkor a gázmennyiség szabályozó beállítóként szolgál. V1min minimális levegőmennyiségnél mérik és tárolják a Vg min értéket. A Vg min – V1min és a Vg max – V1max értékekből a program kiszámítja a tűrési sávot, amely az égő üzemvitelének szabályozására szolgál és részét képezi az elektronikus gáz/levegő szabályozás biztonsági rendszerének. (Regősné Knoska Judit) Nolte, H.; Herrs, M.: Regelung von Verbrennungsprozessen mit Flammensignalen. = Gas, Wasser, Abwasser, 81. k. 2. sz. 2002. p. 95–102. Ing. Bernt, R.: Kompaktflammenfühle mit integriertem Flammenrelais zum Überwachtung von Flammen. = GASWÄRME International, 51. k. 6–7. sz. 2002. p. 278–279.
