Tüzelőberendezések beszabályozása, értéktartó teljesítményállítások
2010/10. lapszám | VGF&HKL online | 3795 |
Figylem! Ez a cikk 15 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A témával kapcsolatban elsősorban a ventilátoros levegőellátású ipari tüzelőberendezések kerülnek előtérbe - természetesen az általánosságok minden más tüzelőberendezésekre is helytállók. A beszabályozás munkamenete, jellemző értékei, számítások nem témája ezen írásnak.
Korunk technikai fejlődése
a tüzelőberendezések szerkezeti megoldásaiban is nyomon követhető. Az európai kívánalmaknak megfelelő, szénhidrogén-tüzelésre kifejlesztett égők legfontosabb egysége, a keverőfej olyan műszaki jellemzőkkel rendelkezik, amelyek nagyon pontosan beállítható, jó égési tulajdonságokat eredményezhetnek. Kijelenthetjük, hogy a korszerű égők keverőfej-kialakításának további változtatásaival a tüzelési jellemzők már csak kismértékben javíthatók, aránytalanul emelkedő előállítási költségek mellett. Egy ilyen konstrukció kutatási célokra kitűnő, de piacképtelen, ezért ezekkel a gyakorlatban még jó ideig nem találkozhatunk.
Környezetünk védelme, az energiatakarékosság megköveteli, hogy a forgalomban lévő – a jó tüzelési jellemzőket megtartani képes - berendezéseket optimális beállítások mellett használhassuk. Kényszerű állapot, de tudomásul kell vennünk, hogy az elégetett szénhidrogének szennyezik a környezetünket, és emellett az áruk is meredeken emelkedik. Ezért lényeges, hogy a tüzelőberendezések beszabályozása, tüzelési jellemzőinek pontos beállítása a szakemberek legfontosabb feladatai között is az elsők között legyen.
A beállítások menetének általános leírása tulajdonképpen nagyon egyszerű, azonban a gyakorlati munka távolról sem ilyen, és nem is veszélytelen. Ezért ezeket a tevékenységet csak az OKJ 32 5236 02 és az OKJ 32 5236 04 azonosító számon nyilvántartott szakképesítésekkel, valamint az előírt gyakorlati idő megszerzése után a 28/2006. (V. 15.) GKM rendeletben előírt nyilvántartásba vétellel rendelkező személy kezdheti meg. Rendelkeznie kell ezen túlmenően az adott berendezés gyártója vagy annak megbízottja által tartott típusismereti továbbképzést igazoló okirattal.
A tevékenységgel kapcsolatosan néhány elméleti megfontolás mindenképpen figyelmet érdemel. A szénhidrogéneket (olaj vagy gáz) levegővel kell összekevernünk, és annak az oxigéntartalma fogja a tüzelőanyagunkat „elégetni”. A levegőt nagyobbrészt alkotó nitrogén (az egyéb kismennyiségű alkotóktól eltekinthetünk) egy felesleges ballasztként vesz részt a folyamatban. Mivel ott van, sajnos kénytelenek vagyunk ezt is az égés hőmérsékletére felmelegíteni (már veszteség), és ebből a melegből a hőhasznosító berendezésünkön áthaladtában valamennyit ugyan átadva, a szabadba kiengedni. Ez az általánosságban füstgáznak nevezett anyag által a szabadba vitt hő a tüzelés leglényegesebb vesztesége. Minél több a füstgáz (égéstermék), annál nagyobb a veszteség. Az elégetlen vagy részlegesen elégett tüzelőanyag vesztesége a kötelezően betartandó jogszabályi követelmények miatt olyan alacsony, hogy a veszteségszámításnál a kimutathatatlan vagy elhanyagolandó nagyságrendbe esik.
Az előzőkből következik,
hogy a jó tüzelési hatásfok a levegőmennyiség minimalizálásával érhető el, mivel ezáltal csökkenthető az égéstermék mennyisége. Minden szénhidrogén-vegyületnek a molekulái alapján pontosan meghatározható mennyiségű oxigénre van szüksége a teljes oxidációhoz (elégéshez). A tüzelőanyag összetételének ismeretében ennek alapján meghatározható az elméleti levegőszükséglet (21 tf.% oxigéntartalmat feltételezve), amellyel a tüzelőanyag tökéletesen elégethető. Ez pusztán elmélet, szép magyarsággal a sztöchiometrikus egyenlet szerinti állapot, a gyakorlatban mindig több levegőt kell a keverékbe juttatnunk, hogy a keveredési problémák ellenére a tüzelőanyag teljesen kiégethető legyen. Ez a többletlevegő, melyet általánosában „légfelesleg” néven nevezünk, nemzetközileg alkalmazott jele a kis lambda, λ, amely mértékegység nélküli viszonyszám. Megmutatja, hogy az elméleti levegőigényhez képest mekkora többlettel történik a tüzelés. (A λ=1 jelenti az elméletinek megfelelő levegőmennyiséget.)
Az égők minőségi fejlődése jól nyomon követhető a légfeleslegtényező csökkenése alapján. A ’80 évek elején még igen jó eredménynek számított az 1,4 -1,6 tényező. Napjainkban elvárás az elérhető ideális, az 1,1-et megközelítő érték megtartása.
Itt fontos megjegyezni a következőket: a mai, korszerű tüzelőberendezések keverőfejei képesek ennél kevesebb többletlevegő mellett is a tüzelőanyag jó minőségű elégetésére. Azonban az üzemeltetés helyszínén a környezeti hatások változásai a keveréket úgy befolyásolhatják, hogy az levegőhiányos égéshez vezethet, és ez életvédelmi okok miatt nem engedhető meg. Például: a környezeti hőmérséklet emelkedésével a levegő kitágul, és az egy m3-re vonatkozatott relatív oxigéntartalom arányosan csökken. Az égési levegőt szállító ventilátor szállítási teljesítménye azonos marad, de a bevitt oxigénmennyiség lecsökken. A levegő páratartalmának változásai során is ugyanezzel a problémával kell szembenéznünk. A növekvő páramennyiség a bevitt levegőben ugyancsak az oxigéntartalom csökkenését eredményezi. A károsan befolyásoló hatások kompenzálására ezért meghatároztak egy minimálisan megtartandó, 3 tf.% maradó oxigéntartalmat az égéstermékben – ez gyakorlatilag a minimálisan megkövetelt többletlevegő mennyiségét köti meg a λ=~1,1 értéken (felette lehet). Ezt a 3 tf.% oxigéntartalmat alkalmazzák kazánoknál általános vonatkoztatási szintként is az égéstermékek elemzéséhez a környezetvédelem, és a veszteségszámítások során.
A veszteségek csökkentése érdekében a tüzelőberendezések beszabályozása során
ettől az értéktől lefelé csak az esetben lehet eltérni, ha a tüzelés során az égéstermék maradó oxigéntartalma a kéményben folyamatosan „in situ” elemzésre kerül. Az adat értéktartó szabályozással a bevitt tüzelőanyag–levegő keverék arányt az eltérésnek megfelelően módosítja, és így tartható meg az alacsonyra beállított, maradó 0,6-2 tf.% között választott oxigénszint. Ez természetesen csak automatikus rendszerrel valósítható meg, kézi beavatkozásokkal nem. A szabályozónak biztonsági megfontolások miatt képesnek kell lennie arra is, hogy önhiba, egyéb probléma esetén a szabályozást hatástalanítva egy normál beállítású, 3 tf.% vagy a feletti oxigéntartalmú égőként tovább tudjon működni. Beszabályozása, a helyi sajátosságoknak megfelelő működési jellemzők beállítása csak erre kiképzett szakember által oldható meg. (Az esetek többségében szervizkóddal védett rendszerek készülnek, az illetéktelen beavatkozások ellen.)
Az ipari tüzelőberendezések kivitelében alapvető kívánalom, hogy a mindenkori hőigényhez illeszkedő teljesítményen tudjanak működni a névleges és a minimális teljesítményhatáraik között. Megjegyzendő, hogy az energiatakarékosság kényszere ezt már a háztartási fűtőkészülékek területén is egyre inkább megköveteli. Sajnos rá kell világítani a gyártók általánosan elfogadott üzleti fogására: a tüzelőberendezések technikai leírásaiban a tüzelési veszteség egyébként igen kitűnő adatát csak a készülék maximális teljesítményére vonatkozóan adják meg. Miért teszik ezt? A válasz egyszerű. A keverőfej fizikai méreteit a berendezés maximális teljesítményéhez kell kialakítani. Csökkenő teljesítmény mellett az – egyébkén pontosan méretezett – keverőfejben kevesebb tüzelőanyag–levegő keverék áramlik át. A lassuló áramlás nyilvánvalóan a keveredés romlásával jár együtt, melyet a beszabályozás során kötelező kényszerből a bevitt levegőmennyiség növelésével kell kompenzálni, hogy a tüzelőanyag kiégése biztosítható legyen. Az eddigiek alapján viszont a többletlevegő növeli a veszteséget, és a gépkönyv szép adatai itt sajnos már nem igazak… A gyakorlatban egy tüzelőberendezés viszonylag keveset üzemel a maximális teljesítményén, általánosságban egy jól méretezett rendszer 60-70% átlagteljesítményt ad hosszú távon. A tüzelés vesztesége tehát jelentősen el fog maradni a gépkönyv adataitól, és az üzemeltető joggal érzi magát félrevezetve.
Szerencsére számos gyártó (de nem mind) hosszú évek óta forgalmaz olyan kialakítású keverőfejjel készülő égőket, melyben a szabályozhatósági tartományon belül állandó áramlási sebesség tartható fenn. Ez azzal a számottevő előnnyel jár, hogy a keveredés minősége azonos a teljes tartományban. Csökkenő teljesítmény mellett nem kell növelni a levegőtöbbletet, és ezzel növelni a veszteséget. Az ilyen keverőfej beállítása mély típusismeretet és felkészültséget igényel, mivel a szabályozási tartomány több pontján gyakorlatilag úgy kell a mechanikai elemek működését összehangolni, hogy azok más teljesítményen ne okozzanak működési problémát.
A tüzelőberendezések teljesítményének változtatása
a régebbi konstrukciókban meglehetősen egyszerűen történt. A beállítás során meghatározásra került a hőhasznosító által megkövetelt névleges hőteljesítmény, melyet a veszteségekkel megnövelve az égő névleges teljesítményeként kellett beállítani. A teljesítményszabályozás abból állt, hogy egy külső kapcsolójelre az égő viszonylag gyorsan (olajtüzelés esetén 1-2 sec, gáztüzelésnél ~10 sec tartományban) a névleges teljesítményről a beállított minimális teljesítményre közbenső megállás nélkül leváltott, majd szükség szerint értelemszerűen vissza. Olajtüzelésnél a két teljesítménypont között tüzelőanyag–égési levegő aránytartó átmenetéről egyáltalán nem lehet szó, gáztüzelésnél finoman fogalmazva is erős kompromisszumok mellett történik a váltás. A konstrukciók a mai napig forgalomban vannak. Előnyük az olcsóságuk, a hátrányokat az üzemeltető érzi rövid időn belül. A készülék működési módjából fakadóan vagy kötelezően a teljes hőterhelési állapotában túlfűt (veszteség) vagy a minimumon működve kevés a bevitt hőteljesítmény, ezért a rendszer visszahűl, és annak újbóli felmelegítése további tüzelési veszteséget eredményez.
Igényesebb, természetesen drágább kivitelek a tüzelőanyag–égési levegő aránytartó és állító mechanikával készülő tüzelőberendezések. Általános működési jellemzőjük, hogy a névleges teljesítménytől a szabályozhatóságuk alsó tartományáig terjedően bármely teljesítményponton megállíthatók, és ott tartósan működtethetők. Ezáltal egy megfelelő értéktartó vagy követő szabályozóval a mindenkori hőigénynek megfelelő teljesítményen tud az égő működni, és a véghelyzetekig tartó lengésekből adódó veszteségek elkerülhetők. A mechanikai kivitelek túlnyomórészt egy ún. ívpályás állítóművel készülnek, mellyel a mennyiségállító elemek több teljesítményponton összehangolhatók. Az ívpályát egy állítómotor forgatja kb. 90° elmozdulással, az egyik anyag ezzel egyenes arányban változik, míg a másik az ív helyzetét letapogató karos mechanizmussal módosítható. Jól bevált, igen elterjedt megoldás, hátrányaként meg kell említeni a kivitel igényességétől erősen függő visszaállási pontosságát, a használat során fellépő kopások okozta eltérési hibákat. Jelentős karbantartási, ellenőrzési, utánállítási igénnyel bírnak.
Gáztüzelésnél alkalmazható, más utat követő kialakítás során a bevitt (a teljesítményszintnek megfelelően beállított) levegőmennyiség által a keverőfejben létrejövő nyomásváltozást mint vezetőjelet alkalmazzák. A gázbevezetésnél elhelyezett nyomásszabályozó kilépő nyomását ennek alapján módosítva változik meg a gázfúvókákon kiáramló gázmennyiség, így állítva be a kívánt keverékarányt. A módszer csak alacsonyabb teljesítményű készülékeknél használatos, egyszerűen beállítható, de viszonylag pontatlan az értéktartása. A hőhasznosító, kémény áramlási ellenállás-változásainak figyelése és a nyomásszabályozóhoz korrekciós értékként bevitele javít az értéktartáson, de ezt bonyolultsága miatt ritkán alkalmazzák.
Az elektronika fejlődése elérhetővé tette
az általános ipari égők árszintjén is a tüzelési rendszereknél egyébként megkövetelt nagy megbízhatóságú, SIL besorolású biztonsági elektronikák alkalmazását. A digitális technika új távlatokat nyitott meg az égők teljesítményállítási lehetőségeinek kialakításában. Gyakorlatilag az eddigi mechanikai kapcsolatokat adó elemeket (ívpályák és kiszolgáló elemeik) kiváltották egy-egy állítómotorral minden szabályozni kívánt egységre, és az arány beállítását, tartását az elektronika programozása végzi. A bonyolult önellenőrző rendszereket igénylő analóg állítómotorokat rövid időn belül felváltották a digitális technikából ismert ún. léptetőmotorok, melyek a tüzeléstechnikai berendezések előző generációnál elképzelhetetlen pontosságú beállításokat tesznek lehetővé. A léptetőmotoros pozícionálással 0,1° pontosságú szögbeállás valósítható meg és reprodukálható. (Mechanikus ívpályás rendszernél számos esetben találhatunk 10-20° beállási „pontosságot” is.) Az impulzusszámlálással meghatározott elfordulási szög kiküszöbölte az analóg rendszereknél meglévő neutrális zónát vagy a mechanikák holtjátékát stb. Csak programozás kérdésévé vált a motor „futásidejének” változtatása, ezzel biztosítani lehet, hogy eltérő szögelfordulású végrehajtóművek egy időben érjék el kívánt pozícióikat. További hatalmas előnyt jelent, hogy működési elvéből adódóan minden állítóelem vagy pontosan a programozott helyzetét veszi fel, vagy hibajelzést küld, és letiltja a működést. Egyszerűen fogalmazva: az égő vagy pontosan a beszabályozott paraméterekkel működik, vagy sehogy. (A beszabályozást végzők szíves figyelmébe: megszűnt az a kibúvó, hogy jó volt ez, csak már elállítódott.)
Természetesen ezeknek a berendezéseknek
a beállítása más irányú képzettséget is igényel, mivel a beépített digitális rendszer programozását a helyszínen kell elvégezni. Az elektronika tartalmazza a fő biztonságtechnikai sarokpontokat, de a tüzelőanyag-mennyiség, égési levegő (zsaluhelyzetek, motorfordulat), keverőfej-pozíciók, égéstermék maradó oxigéntartalom-szabályozás minden paramétere, hőigényt követő teljesítményszabályozás stb. összes jellemzőinek meghatározása, programozása az üzembe helyező, beszabályozást végző szakember feladata. Az égő mechanikai elemeinek beállítása, az égéstermék összetételének elemzése és az ebből fakadó alapbeállítási feladatok közel azonosak a most még hagyományosnak tekinthető, mechanikai konstrukciójú tüzelőberendezéssel. Megjegyzendő, hogy van olyan égőgyártó, aki már levette a gyártmánypalettájáról a régebbi konstrukciókat (ezeket csak egyedi rendelésre, felárral adja), és csak elektronikus kiviteleket gyárt.
A tüzelőberendezések beszabályozása, ellenőrzése, karbantartása a technika fejlődésével párhuzamosan új ismereteket követel meg a munkát végző szakemberektől. Túlsúlyba kerültek a különböző szabványú buszrendszereken kommunikáló elektronikák, melyek a szó hagyományos értelmében vett karbantartást nem igényelnek. Helyette futástesztek, programmódosítások, műszeres diagnosztikák képezik a fő feladatokat. Működési zavarok esetén a hiba felderítését kódok kiolvasása, értelmezése adja. A hibás áramkörök javítása nemcsak tilos, hanem gyakorlatilag nem is lehetséges. A kísérletező kedvű szerelőknek érdemes megjegyezniük a következőket: egy-egy nagy értékű cserealkatrész „próbaként” beépítése néhány esetben komolyan megfontolandó, mivel a beépített új elem bejelentkezik az adott rendszerbe, belső memóriája átírásra kerül, ezért más berendezéssel többet nem tud kapcsolatot létesíteni, a továbbiakban csak ebben a készülékben használható. Ezért ezek a készülékek csak típusismerettel és gyakorlattal is rendelkező szakemberek által javíthatók.
A fejlődés természetesen egyre gyorsuló ütemben zajlik. Napjainkban nem ritka az olyan kazántelep, melynek működését, ellenőrzését, szabályozó egységeinek módosítását is(!) távolból - akár külföldről -, az interneten keresztül lehet végezni.
Siklósi György
