چکیده
در این مقاله انواع شعله بین‌های مشعل‌های اصلی بویلر و تأثیر آن در بهبود عملکرد و ارتقاء سطح ایمنی کلی سیستم مدیریت مشعل واحدهای بخار مورد بررسی قرار می‌گیرد و نحوه عملکرد آنها تشریح می‌گردد.
مقدمه
سیستم مدیریت مشعل BMS(Burner Management System) به منظور کارکرد ایمن بویلر در زمان راه اندازی، خاموش کردن و کاهش یا افزایش بار طراحی و نصب می‌گردد این سیستم از اجزاء اصلی مثل شعله بین‌های مشعل اصلی، شعله بین مشعل جرقه زن، تحلیلگر منطقی (Programmable Logic Controller)PLC و محرک والوهای سوخت و بخار و دمپرهای هوا تشکیل می‌گردد. لازم به ذکر است بهبود عملکرد و افزایش سطح ایمنی کارکرد در هر کدام از اجزاء فوق منجر به بهبود کلی عملکرد و ارتقاء سطح کلی ایمنی سیستم مدیریت مشعل خواهد شد.
علل اساسی انفجارات کوره بروز جرقه در زمانی که مخلوط قابل انفجار سوخت و هوا در فضای داخل کوره و یا داکت‌های عبور گاز خروجی کوره جمع شده باشد است. دامنه و شدت انفجار بستگی به میزان نسبت بین سوخت و هوای وجود در مخلوط قابل احتراق (در زمان بروز جرقه) دارد. انفجار کوره در اثر عملکرد نامناسب پرسنل بهره برداری و یا طراحی نامناسب تجهیزات یا سیستم مدیریت مشعل و یا اختلال در عملکرد آنها ممکن است رخ دهد. عملکرد غلط هر کدام از اجزاء سیستم مدیریت مشعل مثل شعله بین‌ها، تحلیلگر منطقی یا محرک والوها و دمپرها می‌تواند منجر به بروز شرایط خطرناک گردد.
در استاندارد ۸۵۰۲ NFPA راجع به الزامات طراحی و نصب و لاجیک سیستم مدیریت مشعل برای جلوگیری از حوادث بحث شده است. در استاندارد ۶۱۵۰۸ IEC الزامات طراحی سخت افزاری و نرم افزاری برای آنکه سیستم مدیریت مشعل یک سیستم ابزاردقیق ایمنی باشد بیان شده است ودراستاندارد ۷۶۱۰ FM الزامات ایمنی مربوط به شعله بین‌ها آورده شده است. لازم به ذکر است سیستم ابزاردقیق ایمنی (Safety Instrumented System)SIS یک نوع سیستم کنترل فرایند است که در فرایندهای صنعتی توابع خاص را به منظور حفظ وضعیت ایمنی اجرا می‌کنند و برای آنکه یک سیستم مدیریت مشعل یک سیستم ابزار دقیق ایمنی باشد لازم است در هنگام ساخت اجزاء مختلف آن مثل شعله بین‌ها، تحلیلگر منطقی یا محرک والوها و دمپرها الزامات استانداردهای معتبر مربوط به ایمنی رعایت گردد و در این مقاله بطورخلاصه راجع به سیستم شعله بین بحث می‌گردد واستاندرادهای مربوطه معرفی می‌شود.
سیستم مدیریت مشعل
بطور کلی وظایف اصلی سیستم مدیریت مشعل بشرح زیر می‌باشد.
۱- ایجاد اینترلاک سیستم و ممنوعیت راه اندازی در زمان عدم برقراری شرایط تعریف شده
۲- قطع سریع سوخت در زمانهای مورد نیاز به صورت اتوماتیک
۳- کنترل سیستم جرقه‌زن و آگاهی از تشکیل شعله جرقه‌زن
۴- کنترل شعله مشعل اصلی و حصول اطمینان از روشن شدن شعله و در غیر این صورت بستن شیرهای تغذیه شعله و بازکردن مسیر تخلیه گاز به جو
۵- نظارت بر عملیات (پاکسازی کوره)
۶- نظارت بر عملیات نشت یا بی سوخت
شعله بین
در سیستم مدیریت مشعل یکی از اجزاء مهم و کلیدی شعله‌بین می‌باشد که نقش مهمی در حفاظت کوره و جلوگیری از انفجار دارد. سیستم شعله‌بین دو وظیفه مهم دارد:
الف) وضعیت ناپایداری احتراق باید به اطلاع اپراتور برسد تا اقدام مناسب بعمل آید.
ب) شاتدان اضطراری مشعل باید در شرایط خطرناکی که منجر به جمع‌شدن سوخت بدون احتراق می‌گردد، بصورت اتوماتیک انجام گردد.
انواع شعله‌بین
سه نوع کلی شعله‌بین وجود دارد:
۱- شعله‌بین میله‌ای یونیزاسیون که در مشعل ایگناتیور استفاده می‌گردد.
۲- شعله‌بین‌های تشعشعی که موضوع مورد بحث در این مقاله می‌باشد.
۳- شعله‌بین‌های بصری که از دوربین مداربسته استفاده می‌کنند و سیگنال ویدیویی دوربین به یک واحد پردازشگر جهت آشکارسازی شعله منتقل می‌گردد. آشکارساز سیگنال موجود را تحلیل کرده و در صورت وجود شعله، خروجی مربوطه را فعال می‌کند.
خواص تشعشعی شعله
تابش تشعشع از یک شعله برای سیستم‌های تشخیص شعله در بویلرهای چند مشعله بسیار مهم است. خواص تشعشعی شعله باعث عملکرد مدارات الکترونیکی شعله‌بین می‌شود. مدارات الکترونیکی نیاز به سیگنال ورودی مناسب برای کاهش زمان پاسخ به قطع شعله (Flame Failure Response Time)FFRT دارند. بسته به نوع سوخت و سیگنال ورودی، زمان فوق بین یک تا چهار ثانیه طول می‌کشد. شعله‌ها طیف وسیعی از امواج الکترومغناطیسی را ساطع می‌کنند که طیف شعله نامیده می‌شود. این طیف شامل امواج ماوراء بنفش UV ، نور مرئی و امواج مادون قرمز IR می‌باشد. امواج UV و IR در دوطرف طیف شعله قرار دارند و فقط طول موج‌های ۴۰۰ الی ۸۰۰ نانومتر برای چشم انسان مرئی می‌باشد. نور مرئی آبی نزدیک به ماوراء بنفش و نور مرئی قرمز نزدیک به مادون قرمز می‌باشد. شعله‌بین‌ها به امواج ماوراء بنفش، مرئی و مادون قرمز حساس می‌باشند و پارامترهای مختلفی در انتخاب نوع شعله‌بین موثر می‌باشد.
شکل (۱) طیف شعله متناسب با نوع سوخت را نشان می‌دهد. و انتخاب شعله بین مناسب برای مشعل‌های مختلف بر اساس این طیف‌ها صورت می‌گیرد.
شکل (1)
تشعشع ماوراءبنفش کمترین مقدار تشعشع از بین سه نوع تشعشع موجود UV و مرئی و IR می‌باشد و عموماً 3/1 اول از طول شعله منبع اصلی تشعشع UV می‌باشد. شعله‌های با دمای بالا مقادیر زیادی تشعشع UV را دارند، شعله سوختهای گاز و مایع مقدار کافی UV برای آشکارسازی توسط شعله‌بین را از خود ساطع می‌کنند، تشعشع نور مرئی حدود ۱۰ درصد از کل تشعشع را تشکیل می‌دهد و بصورت رنگ‌های مختلف در چشم انسان دیده می‌شود.
آشکارسازی امواج UV در شعله
شعله‌بین‌های مخصوص طول موج UV از یک سنسور آشکارساز UV استفاده می‌کنند. تمایز و اختلاف بین شعله اصلی و شعله‌های مجاور و یا طیف ناشی از تابش بدنه داخلی کوره‌ها (پس زمینه) توسط مدار متمایز کننده سیگنال‌های فرعی انجام می‌گردد. این مدار کمترین مقدار ممکن امواج طیف پس زمینه را دریافت نموده و با سیگنال‌های اصلی مقایسه کشیده و سیگنال ناخواسته را حذف می‌کند. سنسورهای آشکار ساز UV فقط به طیف امواج با طول موج ۲۰۰ تا ۳۰۰ ناتومتر حساس هستند و نور خورشید را آشکار نمی‌کنند. عدم دید نور خورشید برای جلوگیری از تأثیر نورهای اضافی غیر از نور شعله برای شعله‌بین بسیار مهم است منابع دیگری نیز از شعله در داخل کوره می‌توانند امواج UV تولید کنند که باید توسط مدارات مربوطه حذف شوند مثل دیواره‌های داغ کوره، جرقه‌زن و غیره.
سیستم شعله‌بین نور مرئی و امواج طیف مادون قرمز
شعله‌بین‌های دریافت نور مرئی و مادون قرمز از یک لنز و سنسور و مدارات تنظیم فرکانس استفاده می‌کنند امواج مادون قرمز بهمراه نور مرئی ۹۹ درصد طیف امواج تابشی شعله را تشکیل می‌دهند. امواج مادون قرمز و مرئی دارای طول موج بیش از ۴۰۰ نانومتر هستند. با توجه به تشعشع امواج مرئی و مادون قرمز از سطوح داغ داخلی کوره و محیط اطراف، آشکار سازی شدت نور دریافت شده روشی مطمئن برای تشخیص نور شعله مشعل نمی‌باشد. امواج مرئی و مادون قرمز ساطع شده از سطوح داغ داخلی کوره (پس‌زمینه) بصورت ثابت به سنسور شعله‌بین می‌رسند در حالیکه امواج ساطع شده از شعله دارای تغییرات با فرکانس مشخص (Flame Fliker) می‌باشند. احتراق سوخت با اکسیژن منجر به انفجارات بسیار کوچک در سطح مولکولی شده و این فرکانس فیلکر ساخته می‌شود و با استفاده از سنسورها و مدارات مناسب می‌توان شدت نور شعله (Intensity) و همچنین فرکانس فلیکر را اندازهگیری نموده و بین نور ناشی از شعله و پس زمینه اختلاف قائل شویم. فرکانس فلیکر شعله در حد ۵ تا ۲۰۰ هرتز و وابسته به نوع مشعل و طراحی آن و همچنین نوع سوخت می‌باشد.
شعله سوختهای مایع و زغال تشعشع شدید در طیف نور مرئی دارند ولی در سوخت گاز این حالت وجود ندارد و شعله سوختهای حداکثر دامنه منحنی در فرکانس ۵۰ الی ۱۲۰ هرتز می‌باشد. منحنی امواج پس زمینه در فرکانس ۵۰ الی ۱۲۰ هرتز دارای کمترین دامنه می‌باشد و براساس این منحنی‌ها سنسور می‌تواند بین روشن و خاموش بودن شعله تمایز قائل شود و همچنین با استفاده از سنسورهای آشکار ساز مادون قرمز جدید می‌توان توسط فیلترهای بالاگذر فرکانسی اثر شعله‌های مجاور را حذف کرد.
در شکل (2) منحنی طیف تشعشعی انواع سوختهای مختلف به همراه مدل‌های مختلف شعله بین مناسب برای آشکارسازی شعله در این طیف‌ها نشان داده شده است.
شکل (2)
سخن پایانی
با توجه به بررسی‌های انجام‌شده می‌توان گفت فلیم دتکتور یکی از حیاتی‌ترین اجزای ابزار دقیقی بویلر است که وجود آن برای جلوگیری از شرایط ناایمن و افزایش ضریب اطمینان احتراق ضروری می‌باشد. این تجهیز با تشخیص به‌موقع قطع شعله و تمایز آن از تابش‌های مزاحم محیط، مانع از انباشته شدن سوخت بدون احتراق شده و به‌طور مستقیم در کاهش احتمال انفجار و بهبود ایمنی کوره نقش دارد. کاربرد صحیح و انتخاب دقیق نوع شعله‌بین بر اساس نوع سوخت و طراحی مشعل، علاوه بر افزایش سرعت واکنش سیستم در شرایط اضطراری، موجب بهبود راندمان کلی بویلر و کاهش هزینه‌های نگهداری می‌شود.
