Αυτοματισμοί και Ασφάλεια Βιομηχανικών Καυστήρων Αερίου και Πετρελαίου: BMS, Επιτήρηση Φλόγας και Προστασίες

# Αυτοματισμοί και Ασφάλεια Βιομηχανικών Καυστήρων Αερίου και Πετρελαίου: BMS, Επιτήρηση Φλόγας και Προστασίες

## Εισαγωγή

Οι βιομηχανικοί καυστήρες αερίου και πετρελαίου χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις όπου η παραγωγή θερμότητας πρέπει να πραγματοποιείται με ελεγχόμενο, αξιόπιστο και ασφαλή τρόπο.

Σε ατμολέβητες, λέβητες θερμού νερού, θερμικούς ελαιολέβητες και βιομηχανικούς κλιβάνους, ο αυτοματισμός δεν περιορίζεται στη ρύθμιση της θερμικής ισχύος.

Πρέπει επίσης να εξασφαλίζει ότι η παροχή καυσίμου επιτρέπεται μόνο όταν έχουν ικανοποιηθεί οι προβλεπόμενες συνθήκες ασφαλείας.

Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται ειδικοί ελεγκτές καυστήρων, συστήματα Burner Management System (BMS), αισθητήρες φλόγας, πιεζοστάτες, βαλβίδες ασφαλούς διακοπής και κατάλληλες αλληλομανδαλώσεις.

Η ακριβής αρχιτεκτονική εξαρτάται από τον εξοπλισμό, την εφαρμογή, την αξιολόγηση κινδύνου και τα ισχύοντα πρότυπα.

## 1. Τι είναι ο αυτοματισμός βιομηχανικού καυστήρα;

Ο αυτοματισμός καυστήρα συντονίζει τις επιμέρους λειτουργίες που απαιτούνται για την εκκίνηση, την κανονική καύση και τη διακοπή.

Ελέγχει, ανάλογα με τη σχεδίαση, τον ανεμιστήρα αέρα, τις βαλβίδες καυσίμου, τη διάταξη ανάφλεξης και τη μεταβολή της ισχύος.

Παράλληλα, παρακολουθεί συγκεκριμένες συνθήκες που πρέπει να ισχύουν πριν και κατά τη διάρκεια της καύσης.

Η απλή εντολή START δεν αρκεί για να ξεκινήσει ο καυστήρας εάν δεν έχουν επιβεβαιωθεί όλες οι απαιτούμενες προϋποθέσεις.

## 2. Διαφορά ελέγχου λειτουργίας και ελέγχου ασφαλείας

Ο έλεγχος λειτουργίας ρυθμίζει τη θερμική ισχύ σύμφωνα με τη ζήτηση.

Για παράδειγμα, ένας ρυθμιστής πίεσης μπορεί να αυξάνει την ισχύ του καυστήρα όταν μειώνεται η πίεση ατμού.

Ο έλεγχος ασφαλείας έχει διαφορετική αποστολή: να αποτρέψει ή να περιορίσει επικίνδυνες καταστάσεις.

Η απώλεια φλόγας, η αποτυχία επιβεβαίωσης κρίσιμης συνθήκης ή η ενεργοποίηση ορίου ασφαλείας μπορεί να απαιτεί άμεση ασφαλή διακοπή.

Οι δύο λειτουργίες μπορεί να συνεργάζονται, αλλά δεν πρέπει να συγχέονται.

## 3. Τι είναι το Burner Management System — BMS;

Το BMS είναι σύστημα διαχείρισης των κρίσιμων ακολουθιών και συνθηκών ασφαλείας του καυστήρα.

Ανάλογα με την εφαρμογή, διαχειρίζεται τον έλεγχο προϋποθέσεων, τον προαερισμό, την ανάφλεξη, την επιβεβαίωση φλόγας και την ασφαλή διακοπή καυσίμου.

Σε μικρότερα συστήματα οι λειτουργίες αυτές μπορεί να εκτελούνται από ειδικό πιστοποιημένο ελεγκτή καυστήρα.

Σε μεγαλύτερες εγκαταστάσεις μπορεί να χρησιμοποιείται ειδικά σχεδιασμένο σύστημα αυτοματισμού ασφαλείας.

Το BMS δεν είναι συνώνυμο ενός συνηθισμένου PLC ή ενός συστήματος SCADA.

## 4. PLC, HMI και SCADA

Το PLC μπορεί να διαχειρίζεται λειτουργίες διεργασίας, όπως τη ζήτηση θερμότητας, τη ρύθμιση ισχύος και τη συλλογή σημάτων.

Το HMI επιτρέπει στον χειριστή να βλέπει καταστάσεις, μετρήσεις και συναγερμούς.

Το SCADA μπορεί να προσφέρει κεντρική παρακολούθηση, ιστορικό λειτουργίας και καταγραφή συμβάντων.

Οι λειτουργίες ασφαλείας απαιτούν κατάλληλη αρχιτεκτονική και αξιολόγηση. Δεν πρέπει να θεωρείται ότι ένα κοινό PLC παρέχει αυτομάτως την απαιτούμενη ασφάλεια.

Μια ένδειξη RUN στο HMI επίσης δεν αποδεικνύει από μόνη της ότι η φλόγα έχει επιβεβαιωθεί.

## 5. Επιτρεπτικές συνθήκες εκκίνησης — Permissives

Οι επιτρεπτικές συνθήκες είναι σήματα ή καταστάσεις που πρέπει να ικανοποιούνται πριν επιτραπεί συγκεκριμένη ενέργεια.

Μπορεί να αφορούν τη διαθεσιμότητα τροφοδοσίας, την κατάσταση ανεμιστήρα, την πίεση καυσίμου, τη θέση οργάνων ή τις συνθήκες του λέβητα.

Για παράδειγμα, η εκκίνηση ενός καυστήρα ατμολέβητα μπορεί να εμποδίζεται από ενεργοποιημένη προστασία χαμηλής στάθμης νερού.

Η ακριβής λίστα προϋποθέσεων καθορίζεται από την εγκεκριμένη σχεδίαση της εγκατάστασης.

## 6. Αλληλομανδαλώσεις ασφαλείας — Interlocks

Οι αλληλομανδαλώσεις εμποδίζουν ή διακόπτουν ενέργειες όταν δεν ικανοποιούνται καθορισμένες συνθήκες.

Ένα interlock μπορεί να απαγορεύει την παροχή καυσίμου εάν δεν έχει αποδειχθεί η απαιτούμενη ροή αέρα.

Άλλο μπορεί να προκαλεί ασφαλή διακοπή όταν ενεργοποιείται όριο πίεσης ή θερμοκρασίας.

Οι αλληλομανδαλώσεις πρέπει να σχεδιάζονται ώστε να επιτυγχάνεται η απαιτούμενη ασφαλής αντίδραση και σε προβλεπόμενες καταστάσεις αστοχίας.

Δεν πρέπει να παρακάμπτονται για να διατηρηθεί ο καυστήρας σε λειτουργία.

## 7. Ακολουθία εκκίνησης καυστήρα

Μια τυπική ακολουθία μπορεί να περιλαμβάνει αίτημα λειτουργίας, έλεγχο προϋποθέσεων, προαερισμό, προετοιμασία ανάφλεξης, ελεγχόμενη εισαγωγή καυσίμου και επιβεβαίωση φλόγας.

Εφόσον ολοκληρωθούν επιτυχώς τα απαιτούμενα στάδια, ο καυστήρας μεταβαίνει στην επιτρεπόμενη κανονική λειτουργία.

Οι ακριβείς χρόνοι, οι θέσεις διαφραγμάτων και οι επιβεβαιώσεις εξαρτώνται από τον κατασκευαστή και τα εφαρμοστέα πρότυπα.

Η περιγραφή αυτή είναι εκπαιδευτική και δεν αποτελεί οδηγία προγραμματισμού συγκεκριμένου καυστήρα.

## 8. Προαερισμός θαλάμου καύσης — Pre-purge

Ο προαερισμός χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση πιθανών εύφλεκτων υπολειμμάτων από τον προβλεπόμενο χώρο καύσης πριν από την ανάφλεξη.

Η διαδικασία πραγματοποιείται με ελεγχόμενη παροχή αέρα και επιβεβαίωση των απαιτούμενων συνθηκών.

Η διάρκεια και η απαιτούμενη παροχή δεν είναι ίδιες για όλες τις εγκαταστάσεις.

Καθορίζονται από τη σχεδίαση, τον όγκο του συστήματος και τις ισχύουσες απαιτήσεις.

Η παράκαμψη του προαερισμού μπορεί να δημιουργήσει σοβαρό κίνδυνο ανάφλεξης συσσωρευμένου καυσίμου.

## 9. Επιβεβαίωση αέρα καύσης

Ο ανεμιστήρας μπορεί να λειτουργεί ηλεκτρικά χωρίς να παρέχει απαραίτητα την απαιτούμενη παροχή αέρα.

Γι’ αυτό, όπου προβλέπεται, χρησιμοποιούνται κατάλληλες διατάξεις επιβεβαίωσης πίεσης ή ροής.

Η επιβεβαίωση πρέπει να ανταποκρίνεται στη σχεδίαση του συστήματος και να μην βασίζεται αποκλειστικά στην εντολή εκκίνησης του κινητήρα.

Απόφραξη αεραγωγού, βλάβη ανεμιστήρα ή αστοχία διαφράγματος μπορούν να επηρεάσουν την πραγματική παροχή.

## 10. Σύστημα ανάφλεξης

Η ανάφλεξη πραγματοποιείται με εγκεκριμένη διάταξη, όπως ηλεκτρόδια υψηλής τάσης ή καυστήρα πιλότο, ανάλογα με τον εξοπλισμό.

Το BMS ελέγχει τη χρονική ακολουθία και τις προϋποθέσεις ενεργοποίησης.

Το καύσιμο επιτρέπεται να εισέλθει μόνο κατά τις καθορισμένες φάσεις και με την προβλεπόμενη επιτήρηση.

Εάν δεν επιβεβαιωθεί φλόγα μέσα στο επιτρεπόμενο διάστημα, απαιτείται η καθορισμένη ασφαλής αντίδραση.

## 11. Ανίχνευση φλόγας

Η επιτήρηση φλόγας επιβεβαιώνει την παρουσία αποδεκτού σήματος φλόγας κατά τις φάσεις στις οποίες απαιτείται.

Ανάλογα με την εφαρμογή χρησιμοποιούνται ανιχνευτές ιονισμού, υπεριώδους ακτινοβολίας ή άλλες κατάλληλες τεχνολογίες.

Ο αισθητήρας πρέπει να είναι συμβατός με τον τύπο φλόγας, τη γεωμετρία του θαλάμου και τον ελεγκτή.

Η παρουσία φωτός ή θερμότητας δεν αποτελεί από μόνη της επαρκή επιβεβαίωση ασφαλούς καύσης.

## 12. Απώλεια φλόγας κατά τη λειτουργία

Η απώλεια του απαιτούμενου σήματος φλόγας αποτελεί κρίσιμο συμβάν.

Το σύστημα ασφαλείας πρέπει να εκτελεί την προβλεπόμενη διακοπή τροφοδοσίας καυσίμου και την κατάλληλη διαχείριση σφάλματος.

Οι πιθανές αιτίες περιλαμβάνουν πραγματική απώλεια φλόγας, πρόβλημα αισθητήρα, καλωδίωσης ή συνθηκών καύσης.

Η διερεύνηση πρέπει να βασίζεται σε καταγεγραμμένα στοιχεία και στις οδηγίες του κατασκευαστή.

Δεν επιτρέπεται η τεχνητή παράκαμψη του σήματος φλόγας.

## 13. Γραμμή αερίου — Gas train

Η γραμμή αερίου αποτελεί οργανωμένο σύνολο εξαρτημάτων τροφοδοσίας και ασφαλείας.

Μπορεί να περιλαμβάνει φίλτρο, ρυθμιστή πίεσης, πιεζοστάτες, αυτόματες βαλβίδες ασφαλούς διακοπής και εξοπλισμό ελέγχου στεγανότητας.

Η ακριβής διαμόρφωση εξαρτάται από την ισχύ, την εφαρμογή και τις σχετικές απαιτήσεις.

Οι βαλβίδες ασφαλούς διακοπής πρέπει να επιλέγονται και να ενσωματώνονται σύμφωνα με την εγκεκριμένη σχεδίαση.

## 14. Πιεζοστάτες αερίου

Οι πιεζοστάτες παρακολουθούν την πίεση αερίου σε καθορισμένα σημεία της εγκατάστασης.

Ανάλογα με τη σχεδίαση μπορεί να υπάρχουν προστασίες χαμηλής ή υψηλής πίεσης.

Μια απόκλιση μπορεί να εμποδίσει την εκκίνηση ή να προκαλέσει ασφαλή διακοπή.

Οι τιμές ρύθμισης δεν είναι γενικές για όλους τους καυστήρες.

Πρέπει να προκύπτουν από τις προδιαγραφές του εξοπλισμού και την εγκεκριμένη μελέτη.

## 15. Βαλβίδες ασφαλούς διακοπής αερίου

Οι αυτόματες βαλβίδες ασφαλούς διακοπής περιορίζουν την παροχή καυσίμου όταν το σύστημα απαιτεί ασφαλή κατάσταση.

Σε κατάλληλες εφαρμογές χρησιμοποιούνται πολλαπλές βαλβίδες και διατάξεις ελέγχου στεγανότητας.

Η παρουσία δύο βαλβίδων δεν σημαίνει αυτομάτως ότι κάθε πιθανή αστοχία καλύπτεται.

Απαιτούνται σωστή επιλογή εξαρτημάτων, έλεγχος λειτουργίας και συντήρηση σύμφωνα με τις προβλεπόμενες απαιτήσεις.

## 16. Ασφάλεια καυστήρων πετρελαίου

Στους καυστήρες πετρελαίου η ασφαλής λειτουργία απαιτεί έλεγχο τροφοδοσίας, βαλβίδων καυσίμου, ανάφλεξης και επιτήρησης φλόγας.

Ανάλογα με την τεχνολογία μπορεί να παρακολουθούνται η πίεση καυσίμου, η θερμοκρασία, το ιξώδες ή άλλες παράμετροι.

Σε συστήματα ψεκασμού με βοηθητικό μέσο μπορεί να απαιτούνται επιπλέον επιβεβαιώσεις.

Η αποτυχία κατάλληλης τροφοδοσίας ή ψεκασμού μπορεί να οδηγήσει σε ασταθή καύση και ενεργοποίηση προστασίας.

## 17. Προστασίες λέβητα και καυστήρα

Ο καυστήρας αποτελεί μέρος ευρύτερης θερμικής εγκατάστασης.

Σε ατμολέβητες, κρίσιμες προστασίες μπορεί να περιλαμβάνουν υψηλή πίεση και χαμηλή στάθμη νερού.

Σε λέβητες θερμού νερού μπορεί να περιλαμβάνονται όρια θερμοκρασίας, πίεσης και άλλες προστασίες ανάλογα με τη σχεδίαση.

Οι προστασίες αυτές πρέπει να ενσωματώνονται κατάλληλα στη συνολική λογική ασφαλούς διακοπής.

Ένα απλό σήμα ελέγχου θερμοκρασίας δεν αντικαθιστά την απαιτούμενη ανεξάρτητη προστασία ορίου.

## 18. Κανονική διακοπή και διακοπή ασφαλείας

Η κανονική διακοπή πραγματοποιείται όταν δεν υπάρχει πλέον ζήτηση θερμότητας ή όταν ο χειριστής δίνει επιτρεπόμενη εντολή σταματήματος.

Η διακοπή ασφαλείας προκαλείται από συγκεκριμένη επικίνδυνη ή μη επιτρεπτή συνθήκη.

Ανάλογα με το συμβάν, μπορεί να απαιτείται μανδάλωση σφάλματος και χειροκίνητη επαναφορά.

Η επαναφορά δεν πρέπει να χρησιμοποιείται ως τρόπος παράκαμψης της διερεύνησης επαναλαμβανόμενων βλαβών.

## 19. Alarm, Fault και Lockout

Το Alarm είναι ένδειξη προειδοποίησης ή συμβάντος που απαιτεί προσοχή.

Το Fault δηλώνει ανιχνευμένη μη κανονική κατάσταση ή αστοχία.

Το Lockout είναι κατάσταση μανδαλωμένης διακοπής, στην οποία η επανεκκίνηση απαιτεί συγκεκριμένη διαδικασία επαναφοράς.

Οι όροι και η συμπεριφορά τους διαφέρουν ανάλογα με τον κατασκευαστή.

Για σωστή διάγνωση πρέπει να αναγνωρίζεται ο πραγματικός κωδικός και η κατάσταση του ελεγκτή.

## 20. Παράδειγμα: Ο καυστήρας δεν ξεκινά

Έστω ότι ο χειριστής δίνει εντολή εκκίνησης, αλλά ο καυστήρας παραμένει σταματημένος.

Η αιτία μπορεί να είναι απουσία ζήτησης θερμότητας, ενεργή προστασία λέβητα, μη ικανοποιημένη επιτρεπτική συνθήκη ή μανδαλωμένη βλάβη.

Η πρώτη ενέργεια είναι η αξιολόγηση των ενδείξεων του συστήματος και του ιστορικού συμβάντων.

Ο έλεγχος πρέπει να πραγματοποιείται από εξουσιοδοτημένο προσωπικό, χωρίς γεφυρώσεις αισθητήρων ή προστασιών.

## 21. Παράδειγμα: Αποτυχία ανάφλεξης

Σε περίπτωση αποτυχίας ανάφλεξης, το σύστημα δεν επιβεβαιώνει αποδεκτή φλόγα μέσα στο προβλεπόμενο χρονικό διάστημα.

Πιθανές αιτίες περιλαμβάνουν προβλήματα τροφοδοσίας καυσίμου, ανάφλεξης, επιτήρησης φλόγας ή συνθηκών αέρα.

Η ακριβής αντίδραση του ελεγκτή εξαρτάται από τον τύπο του και τις εγκεκριμένες ρυθμίσεις.

Δεν πρέπει να επιχειρούνται επανειλημμένες επαναφορές χωρίς διερεύνηση της αιτίας.

## 22. Προληπτικός έλεγχος συστημάτων ασφαλείας

Το πρόγραμμα συντήρησης πρέπει να περιλαμβάνει τους προβλεπόμενους ελέγχους αισθητήρων, πιεζοστατών, βαλβίδων, καλωδιώσεων, ελεγκτών και διατάξεων επιτήρησης φλόγας.

Οι δοκιμές λειτουργιών ασφαλείας απαιτούν εγκεκριμένες διαδικασίες, κατάλληλη απομόνωση όπου χρειάζεται και εξειδικευμένο προσωπικό.

Η συχνότητα και το εύρος καθορίζονται από τον κατασκευαστή, την αξιολόγηση κινδύνου και τις ισχύουσες απαιτήσεις.

Η τεκμηρίωση των αποτελεσμάτων είναι σημαντική για τη διατήρηση της αξιοπιστίας.

## 23. Συμπέρασμα

Οι αυτοματισμοί και τα συστήματα ασφαλείας βιομηχανικών καυστήρων αερίου και πετρελαίου αποτελούν κρίσιμο μέρος της συνολικής εγκατάστασης.

Το BMS, η επιτήρηση φλόγας, οι πιεζοστάτες, οι βαλβίδες ασφαλούς διακοπής και οι αλληλομανδαλώσεις συνεργάζονται ώστε η παροχή καυσίμου να επιτρέπεται μόνο υπό τις προβλεπόμενες συνθήκες.

Η σωστή σχεδίαση, η τεκμηριωμένη λειτουργία και η τακτική επαλήθευση των προστασιών είναι απαραίτητες για την ασφαλή και αξιόπιστη παραγωγή θερμικής ενέργειας.