Система розжига мазутных горелок высокоэнергетическим искровым запальником

Карч Г., Адыновский Я., Соколовский П., инженеры Вроцлавский политехнический институт (Польша)

Запальники - это стационарно установленные устройства, которые обеспечивают определенную энергию воспламенения для немедленного розжига горелки.
Существует несколько типов запальников: электрические, газовые и работающие на жидком топливе. Обычно запальники могут быть использованы в широком диапазоне нагрузок котла. Имеются запальники короткого действия, предназначенные только для розжига главной горелки. Другие задачи выполняют запальники-пилоты постоянного действия и поддерживающие запальники, способные разжечь главную горелку в любых условиях работы котла.
В энергетических и промышленных котлах, а также в технологических печах, в которых в качестве основного и растопочного топлива используется дизельное топливо или мазут, наиболее часто для автоматической растопки горелок используются газовые запальники на пропан-бутане, зажигаемые электрической дугой напряжением 10 кВ.
Основной проблемой такого решения является сложность установки, необходимость соблюдения мер безопасности и необходимость использования системы контроля безопасности пламени, отсечной арматуры, а также системы управления процессом розжига. Кроме того, высоковольтный запальник имеет некоторые негативные характеристики: сложную конструкцию, чувствительность к условиям, существующим в котлах, которые работают на тяжелых видах топлива. Погасание пламени на запальнике приводит к отключению газа и включению процедур, удлиняющих время запуска котла.
В данной статье рассматривается специальный тип запальника - электрический, высокоэнергетический, предназначенный для быстрой растопки котла.
Запальники короткого режима работы классифицируются следующим образом по классификации NFPA (Североамериканской ассоциации пожарозащиты):
класс 3 - запальник малой мощности, который применяется, в частности, для газовых и мазутных горелок для розжига подаваемого на горелку топлива в заранее определенных условиях воспламенения. Мощность запальников этого класса обычно не превышает 4% полной загрузки горелки. Время работы запальника не превышает времени, необходимого для розжига горелки, в пределах максимально допустимого времени, отведенного на данный процесс.
класс 3 специальный - электрический, высокоэнергетический запальник HESI(high energy spark igniter), способный непосредственно воспламенять топливо главной горелки. Обычно он состоит из искрового электрода, системы питания для создания серии импульсов высокой энергии и кабеля. Время работы запальника не превышает времени, необходимого для розжига горелки, в пределах максимально допустимого времени, отведенного на данный процесс.
Далее представлены параметры, влияющие на надежность розжига двухступенчатой газодинамической горелки с внутренним смешиванием топлива при помощи высокоэнергетического запальника типа ХЕСИ (HESI), а также принцип его работы, описание и технические параметры.
Принцип работы высокоэнергетического запальника типа ХЕСИ (HESI). Высокоэнергетический запальник
фирма “АЦ Систем” (Польша)
ХЕСИ является электрическим искровым запальником переменного действия (подача искры, а не дуги), позволяющим разжигать горелки, работающие на газе или жидком топливе.
Возможность запала жидкого топлива основана на энергии искры (порядка 12 Дж на искру). Искра возникает на вторичном контуре в блоке питания благодаря системе конденсатора и искровника. Напряжение на вторичном контуре запальника 2000 В.
Принцип работы запальника - подача от 3 до 8 искр (в зависимости от применения) в секунду с энергией 12 Дж, уменьшающейся с возрастанием числа искр. Это означает, что запальник соединяет в себе большую энергию искры с большой суммарной энергией во времени.
Надежность работы высокоэнергетического запальника ХЕСИ. В случае розжига средних и тяжелых мазутов наиболее важным параметром является энергия отдельной искры. Это связано с тем, что искра должна иметь достаточно высокую энергию для того, чтобы превратить в пар жидкое топливо и зажечь образовавшуюся газовую смесь. В случае розжига тяжелого топлива, распыленного паром, энергия отдельной искры, выходящей от запальника, должна быть достаточной, чтобы разжечь горелку в условиях котла, т.е. обеспечить подогрев, парообразование топлива и его воспламенение.
В идеальных условиях, т.е. при чистом искровом электроде и горячем котле, необходимая энергия низка. В условиях, типичных для энергетических стандартов надежности, т.е. при розжиге горелки после продолжительной работы или на неподготовленных горелках после продолжительного простоя котла, требования к энергии искры растут и ограничиваются уровнем энергии искры, необходимым для самоочистки искрового электрода. Уровень энергии для самоочистки электрода принимается более чем 10 Дж на искру. Эта энергия должна очистить конец электрода от влажности, загрязнений, шлаков, остатков мазута, чтобы искра смогла воспламенить топливо горелки.
Конструкторскими организациями за энергию, достаточную для розжига тяжелых мазутов, распыленных паром, принимается энергия в 12 Дж.
Серия искр с низкой энергией одиночной искры, даже при их большом числе, менее эффективна при розжиге и более чувствительна к загрязнению и увлажнению. Большое число искр с малой энергией не гарантирует надежности розжига жидкого топлива, так как вопрос надежности решает энергия одиночной искры. Рассматриваемый запальник имеет возможность регулировать число искр в зависимости от применения. Из опыта известно, что трех искр в секунду достаточно для розжига большинства мазутных горелок, в том числе при сжигании тяжелых мазутов, распыленных паром. Увеличение числа искр в секунду без необходимости понижает работоспособность конца электрода.
Надежность розжига запальника в большой степени зависит от положения конца запальника относительно форсунки (рис. 1).
Результаты проведенных исследований для тяжелого топлива (мазут № 3) показывают, что для искры с энергией в 12 Дж наибольшая вероятность розжига, близкая к 100%, обеспечивается тогда, когда конец запальника находится на расстоянии 100 - 200 мм от форсунки (рис. 2).

Рис. 1. Установка запальника ХЕСИ с возвратным механизмом на мазутной горелке:

Рис. 2. График зависимости надежности розжига от расстояния h между концом запальника и форсункой
1 - блок питания; 2 - кабель; 3 - электрод; 4 - возвратный механизм; 5 - направляющая труба; 6 - конец электрода; 7 - форсунка

Запальник был установлен параллельно горелке с расстоянием между их осями 100 - 150 мм. Данное утверждение основано на исследовании состава и концентрации топливной газовой смеси для данного топлива (мазут).
На рис. 3 показаны графики перехода топлива от жидкой фазы через тяжелые углеводороды до легких углеводородов, водорода и СО. Данный переход особенно динамичен на расстоянии до 100 мм от форсунки. На начальном участке (0 - 50 мм от форсунки) были обнаружены только капли жидкого топлива и первичные паровые фракции распада (тяжелые углеводороды).
Анализ изменения нижней и верхней границы розжига топливной смеси (рис. 4) показывает возможность розжига на расстоянии более чем 30 мм от форсунки. От этого места кривая верхней границы сильно удаляется от кривой нижней границы, что означает более широкую область смеси, возможную для розжига.
Конструкции высокоэнергетического запальника ХЕСИ 90. Запальник этого типа успешно применяется для розжига тяжелого жидкого топлива при распыливании его паром, а также средних и легких мазутов и газов на более чем 100 горелках в Польше.
Основная модель запальника ХЕСИ 90 состоит из блока питания 220VAC/2000VDC, искрового электрода и соединительного кабеля. Длина электрода - от 356 до 4572 мм, наружный диаметр - 15,9 мм. Запальник имеет разъемный наконечник, который может работать длительное время без очистки благодаря большой энергии искры.
Специальная конструкция запальника обеспечивает его надежную и продолжительную работу во влажной и запыленной среде, которая наблюдается в котельных установках.
Блок питания 220VAC состоит из электрического контура запальника, включающего: трансформатор, выпрямитель, конденсаторы и систему искровника. Блок питания изготовлен в пылезащищенной версии и устанавливается непосредственно около горелки. Кабель защищен гофрированной трубой, усиленной стальной лентой, и покрыт пластиком, устойчивым к высоким температурам и предохраняющим установку от пробивания искры.
Параметры запальника ХЕСИ 90 приведены далее.
Питание:
напряжение, В 220
частота, Гц   50 - 60
Максимальный ток блока питания, А     1
Выходное напряжение постоянного  2000
тока, В
Максимальная энергия искры, Дж   12
Частота искры, число искр в секунду   От 3 до 6
Постоянный (для 8 прерывистый)
Степень защиты блока питания NEMA 4 или IP 54
Максимальная длина запальника, мм     4572
Диаметр, мм   15,9
Длина соединительного кабеля, м  457 (типовая)
Сопротивление наконечника электрода   200 - 600
(электрод - корпус), Ом
Размеры блока питания, мм:
высота                                                                    273
ширина                                                                   203
глубина                                                                  108
Минимальный внутренний диаметр выходной трубы, мм 25            

Сравнительные характеристики запальника ХЕСИ и высоковольтного запальника приведены далее.
Запальник

Рис. 3. График зависимости изменения объема газовых компонентов топлива от расстояния от форсунки:

Рис. 4. График зависимости изменения нижней (1 ) и верхней (2 ) границ розжига топливной смеси от расстояния от форсунки

1. - C„Hm; 2 - C„H2„ + 2; 3 -H2; 4 - CH4; J - C2H2; 6 - CO; 7 -N2; 8 -H2S

Установка запальника ХЕСИ. Электрод запальника устанавливается параллельно оси горелки так, чтобы обеспечить возможность доступа к требуемому месту розжига в конусе топлива. В случае розжига горелки на жидком топливе позиция наконечника запальника относительно горелки должна обеспечивать касание с конусом топлива на расстоянии 100 - 200 мм от горелки. Наиболее приемлемым является положение, обеспечивающее стабилизацию пламени.
После розжига горелки конец электрода должен быть выведен из области горения на расстояние, обеспечивающее необходимую температуру для неработающего запальника. Допустимая температура конца электрода 550°С, в пламени он может находиться кратковременно при температуре более 1000°С.
Независимое расположение запальника и блока питания облегчает настройку и техосмотр запальника. Отдельное расположение блока питания имеет еще и то преимущество, что в случае аварии горелки электрическая часть не повреждается.
Основная модель запальника устанавливается стационарно и срабатывает при подаче напряжения на блок питания. Переносной вариант отличается включателем запальника на блоке питания. Автоматический вариант имеет дополнительное оборудование, позволяющее автоматически вывести запальник из зоны горения после розжига горелки. В специальных условиях на двигающейся горелке при фиксированном положении запальника может быть применен запальник с гибким электродом.
При использовании запальника для розжига горелки, работающей на тяжелом мазуте с паровым распыливанием, требуется обеспечить:
хорошее качество сгорания;
постоянные (стабильные) параметры пара и мазута;
высокую температуру мазута (более 100°С);
розжиг горелки на мощности меньшей, чем номинальная (в случае большой мощности горелки).
Запальники ХЕСИ 90 не требуют регулярного обслуживания. Время от времени (1 раз в год) необходимо проверить состояние наконечника электрода и электрические соединения кабеля. Для демонтажа запальника необходимо отключить его от сети, а после 60 с можно отключить электрод или открыть блок питания.

Выводы

1. Розжиг горелки, работающей на мазуте № 3 (аналог российского мазута 40В) при паровом распыливании вполне надежен при соблюдении указанных требований.
2. Главным параметром запальника при розжиге распыленного мазута является энергия искры, которая должна иметь мощность более 10 Дж на искру.
3. Оптимальное расстояние конца запальника от форсунки горелки должно быть 100 - 200 мм. Надежность розжига в этом случае максимальна.
4. Использование высокоэнергетического запальника позволяет отказаться от высоковольтного и газового запальников, что значительно упрощает систему розжига горелок, делает ненужной подачу газа к запальнику, а также ликвидирует проблему слабой искры и сложной конструкции дугового запальника.

Список литературы

1. Vandermeer W. Flame Safeguard Controls in Multi-Burner Environments, Fireye, Inc., Derry NH, USA, 1996.
2. Standard for the Prevention of Furnace Explosions / Implosions in Multiple Burner Boilers, NFPA, Quincy MA, USA, 1995, NFPA 8502.
3. Publication 372000-11, Rev. C: High Energy Spark Igniter Series 90 Service Manual, Forney Corp., 1996.
4. Publication 38407701 Rev. 2 / 96 High Energy Spark Igniter, Technical Bulletin, Forney Corp., 1996.
5. Adynowski J. Zastosowanie elektrycznych zapalarek wysoko- energetycznych do besposredniego rozpalania palnikow na olej ciezki. Seminarium Naukowo-Techniczne: Instalacje olejowych palnikow rozpalkowych wraz z systemem dozoru plomienia w kotlach energetycznych. Krakow, 1999.