طراحی و ساخت تجهیزات کوره‌ پالایشگاه پارسیان

فاطمه یاس

عضو جدید
کاربر ممتاز
طراحی و ساخت (Flame Detector) کوره های واحد ٥٠٠ پالایشگاه پارسیان در قالب پروژه پژوهشی انجام شد.


چکیده:

یکی از اجزای اساسی پالایشگاه‌های گاز، کوره‌ها هستند که در فرایند نم‌ زدایی و تثبیت مایعات، نقشی کلیدی دارند.
از مهمترین اجزای کوره می‌ توان Flame Detector را نام برد که صحت عملکرد آن از نظر فرآیندی و مهمتر از آن از جهت ایمنی کوره بسیار حائز اهمیت است؛ بنابراین با توجه به قیمت بالای آن و تحریمهای تحمیلی، خودکفایی در زمینه تامین این قطعه مهم بسیار حیاتی است.
یکی از روشهای رایج برای تشخیص شعله، استفاده از Flame Rod بوده که در پالایشگاه پارسیان نیز در کوره‌های مختلف از این روش استفاده شده است.
در ضمن Flame Rod برای جرقه‌ زنی و ایجاد شعله نیز استفاده می‌شود.
در این مقاله روند مطالعاتی منجر به تولید Flame Detector توسط نیروهای متخصص پالایشگاه پارسیان شرح داده شده است.
در این روند با مطالعه چندین نوع از Detector Flame های موجود در پالایشگاه و استخراج مدارهای الکترونیکی آنها و شبیه‌ سازی با نرم‌ افزارهای الکترونیکی و آنالیز نتایج به دست آمده و با در نظر گرفتن مشکلات مشاهده شده از عملکرد Detector های خارجی، یک Flame Detector با قابلیتهای بالاتر از نمونه‌ های خارجی، طراحی و ساخته شده است.
دستگاه ساخته شده علاوه بر عملکرد مطلوب‌ تر نسبت به مدلهای خارجی، امکان اتصال به دستگاه‌های اندازه‌گیری مرجع برای مشاهده سیگنالهای داخلی و آنالیز شعله پایلوت را نیز دارد و با هزینه‌ای کمتر از ١٠ درصد مدلهای خارجی طراحی و ساخته شده است.


مقدمه:

کوره واحدی است که در آن گرمای حاصل از احتراق سوخت درون یک محفظه عایق شده از محیط بیرون به سیال فرایند که درون تیوبهای داخل کوره قرار دارند انتقال می‌یابد.
این لوله‌ها معمولاً در امتداد دیواره‌ها و سقف محفظه احتراق قرار دارند و وظیفه اصلی کوره تأمین حرارت معینی برای سیال فرایند در درجه حرارتهای بالاست.
این عمل باید بدون افزایش بیش از حد حرارت در موضعی خاص از سیال فرایند و اجزای بدنه کوره صورت گیرد.


مشعلها:

مشعلها، شعله مورد نیاز برای انتقال حرارت به سیال فرایند در کوره‌ها را تأمین می‌کنند.


مشعلها به صورت عمده از تجهیزات زیر تشکیل می‌شوند:

- هدایت‌ کننده‌های شعله
- نازل خروجی شعله
- محفظه شعله
- باکس مشعل
- دریچه‌ های ورودی هوا
- دریچه‌ های ورودی سوخت
- پایلوت
باید توجه داشت که در عملکرد مشعل، یکنواختی شعله، طول شعله و رنگ آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
شعله باید در طول کشیده و در راستای تیوبها امتداد یابد و این تداوم یکنواخت باشد و در هیچ نقطه‌ای شعله به تیوب برخورد نکند، زیرا در صورت بروز چنین موردی در همان نقطهHOT SPOT خواهیم داشت.
هر چه طول شعله کشیده‌ تر باشد قسمت تابش شعله که خود عامل اصلی انتقال حرارت در این دماست، بیشتر می‌شود و در نتیجه با تنظیم فشار هوا و سوخت و نیز مکش دود خروجی و فشار BOX می‌توان طول شعله را تنظیم کرد.
رنگ شعله نشانه بسیار خوبی برای نشان دادن راندمان احتراق است.
اگر رنگ شعله به صورت آبی کم‌ رنگ باشد مشعل در بهترین وضعیت خود قرار دارد.


شرح وضعیت موجود:

FLAME DETECTOR های استفاده شده در کوره واحد ٥٠٠ پالایشگاه گاز پارسیان ساخت شرکت HAMWORTHY انگلستان است.


از معایب این دتکتورها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

- نداشتن خروجی سیگنال برای تشخیص وضعیت شعله (ضعف طراحی)
- راه‌اندازی دشوار برای کاربر

- خرابی زیاد
- قیمت بالا و نداشتن پشتیبانی کافی
این دتکتورها با استفاده از FLAME ROD شعله را تشخیص می‌دهند.


در ادامه شرح مختصری از روش کار «راد شعله» آورده شده است.


FLAME ROD

داشتن یک سیستم جرقه‌ زن با کیفیت بالا در هر سیستم احتراق یک امر ضروری محسوب می‌شود.
یک FLAME ROD (راد شعله) یا میله جرقه به طور معمول با یک الکترود در مرکز و معمولاً با یک عایق سرامیکی که برای حفاظت الکتریکی راد به کار می‌رود ساخته شده است.
انتهای میله که در مسیر شعله قرار دارد و در تماس مستقیم با شعله است از جنس ماده‌ای بوده که برای دماهای بالاتر طراحی و ساخته شده است.
زمانی که یک FLAME ROD در معرض شعله قرار می‌گیرد، جریانی در حد میکروآمپر در آن ایجاد می‌شود.
این جریان به FLAME MONITOR فرستاده شده و در آنجا تقویت می‌شود و نشان می‌دهد که شعله وجود دارد.


IGNITION TRANSFORMER

ترانسفورماتور جرقه‌ زن با گرفتن ولتاژ خط و افزایش آن تا حدود ١٠هزار برابر باعث ایجاد جرقه در شکاف بین الکترودها می‌شود.
ولتاژ اولیه در ترانسفورماتورهای جرقه‌ زن می‌تواند١١٠ v ، ٢٤٠ v یا حتی ٤١٥ v نیز باشد.


HV GENERATOR

طراحی و ساخت FLAME DETECTOR

دستگاه ساخته شده علاوه بر عملکرد مطلوب‌ تر نسبت به مدلهای خارجی امکان اتصال به دستگاه‌های اندازه‌ گیری مرجع برای مشاهده سیگنالهای داخلی و آنالیز شعله پایلوت را نیز دارد و با هزینه‌ای کمتر از ١٠ درصد مدلهای خارجی طراحی و ساخته شده است.


شرح پایه های دتکتور:

EARTH -١

IGNITER EARTH -٢

CONTROL SPARK + -٣

CONTROL SPARK - -٤

PHASE -٥

NULL -٦

INTERNAL TO GENERATOR -٧

FLAME ON LAMP (COM) -٨

FLAME ON LAMP(NO) -٩

FLAME ON RELAY (NC) -١٠

FLAME ON RELAY(COM) -١١

FLAME ON RELAY(NO) -١٢

GND -١٣

OUT PUT SIGNAL -١٤


مدار FLAME DETECTOR از طبقات زیر تشکیل شده است:

- فیلتر ورودی ولتاژ ١١٠v
- حفاظت ولتاژ ورودی ناگهانی
- حفاظت در برابر جریان ناگهانی
- مدار یک سوساز و تهیه ولتاژ پایدار +٢٤v برای تغذیه مدار
- مدار ایجاد ولتاژ مورد نیاز ترانس H.V (High Voltage) برای جرقه‌ زنی
- فیلتر ورودی سیگنال دریافتی از شعله
- اسیلاتور موج مربعی
- فیلتر و تقویت‌کننده سیگنال دریافتی
- مدار مقایسه‌ کننده اشمیت
- مدار سیگنال خروجی
- رله خروجی F.D


طبقات مختلف مدار در زیر شرح داده شده است:

فیلتر ورودی ولتاژ ١١٠AC
در این مدار برای جلوگیری از اثر پارازیتهای ورودی ولتاژ ١١٠AC از یک خازن MKP در مسیر ولتاژ ورودی مابین Null و Phase استفاده شده است تا ولتاژ مناسبی برای ورودی ترانس فراهم شود.


حفاظت در برابر ولتاژ ورودی ناگهانی

خازن ذکر شده در قسمت بالا اثر پارازیتهای ورودی را خنثی می‌کند اما اگر سطح ولتاژ ورودی از حد مجاز بالاتر رود نمی‌تواند از مدار محافظت کند.
برای برطرف کردن این مشکل استفاده از وریستور (VDR) متناسب با ولتاژ نامی مدار می‌تواند محافظت از مدار را تضمین کند.
در مدار فوق یک وریستور مابین Null و Phase استفاده شده است.


حفاظت در برابر جریان ناگهانی ورودی

برای حفاظت مدار از جریانهای ناگهانی ورودی المانهای R١ و R٢ با مقاومت صفر اهم برای حفاظت از هر دو سیم پیچ اولیه ترانس استفاده شده است.


مدار یک‌سوساز و تهیه ولتاژ پایدار +٢٤VDC جهت تغذیه مدار

در این قسمت از مدار ولتاژ ١١٠VAC ورودی با عبور از خازن و VDR و R١ و R٢ و حفاظتهای اعمال شده به یک ترانس کاهنده ولتاژ می‌رسد.
این ترانس از چهار سیم‌ پیچ تشکیل شده یا به عبارتی شامل دو زوج سیم‌ پیچ است.
ضریب تبدیل ولتاژ ترانس ١١٥ به ٢٤ است.
زوج اول آن (Sec١ و Pri١) برای ایجاد ولتاژ مورد نیاز Flame Rad استفاده می‌شود و زوج دوم آن (Sec٢ و Pri٢) برای ولتاژ تغذیه مدار به کار برده شده است.
پل دیود U١ تبدیل ولتاژ AC به DC را انجام می‌دهد و خازنهای C٨ و C١٠ برای حذف ریپل ولتاژ و ثابت کردن ولتاژ DC‌ خروجی استفاده شده است.
به منظور داشتن یک ولتاژ Reference پایدار و تغذیه مناسب مدار استفاده از رگولاتورهای ولتاژ الزامی است که در این جا از سری رگولاتورهای ٧٨XX استفاده شده است.
برای داشتن رنج وسیعتری از ولتاژ جهت پردازش از رگولاتور ٢٤ولتی (٧٨L٢٤) استفاده شده و در نهایت خازن C٩ کیفیت ولتاژ DC خروجی را ارتقا می‌بخشد.
اکنون ولتاژی مناسب برای سایر طبقات مدار فراهم شده است.


مدار ایجاد ولتاژ مورد نیاز ترانس H.V جهت جرقه‌ زنی

ترانس H.V برای جرقه‌ زنی استفاده می‌شود و برای این منظور به ولتاژ ورودی ١١٠v AC نیاز دارد که تأمین این ولتاژ به عهده IGN Relay است.
هر گاه سیستم کنترل کوره تصمیم به ایجاد جرقه در پایلوت را داشته باشد، با اعمال ولتاژ به پایه‌های ٣(+٢٤) و ٤(IN-GND) تحریک IGN Relay انجام می‌شود.

این رله با دو کنتاکت طراحی شده که یک کنتاکت آن به Phase١١٠ V متصل است و در حالت عدم تحریک رله، برق ١١٠‌ ولت مورد نیاز از طریق پایه NC٢ تأمین می‌شود ولی در حالت تحریک رله، برق تغذیه بورد قطع می‌شود و برق مورد نیاز ترانس H.V از طریق پایه NO٢ تأمین می‌شود و عمل جرقه‌ زنی توسط Flame Rod صورت می‌پذیرد.
کنتاکت دیگر IGN Relay برای ایجاد روی Flame Rod جهت تشخیص شعله به کار می‌رود.
در حالت عدم تحریک رله، ولتاژ خروجی ترانس یک‌سوساز (SEC ١) با عبور از مقاومت محدودکننده جریان R٤ و خازنهای پارازیت‌گیر C١ و C٢ از طریق پایه NC١ بهIgnitor Earth متصل می‌شود.
در حالت تحریک رله مذکور پایه Iginitor Earth به پایه شماره ٨ دتکتور (Earth) وصل می‌شود.
دیود D١ به عنوان دیود هرزگرد بوبین رله به کار می‌رود و دیود D٢ برای جلوگیری از وارونگی وایرینگ ترمینالهای ٣ و ٤ دتکتور به کار می‌رود.
مقاومت R٣ نیز برای حفاظت جریان به کار می‌رود.


فیلتر ورودی سیگنال دریافتی از شعله

هنگامی که شعله مابین Flame Rod و بدنه پایلوت قرار می‌گیرد از طریق پایه شماره ١ دتکتور سیگنال شعله با عبور از خازنهای پارازیت‌گیر C٣ و C٤ و عبور از سه طبقه فیلتر RC R٧‌ و C٧- R٦ و C٦- R٥ و C٥ بین دو مقاومت R١١ و R١٨ تقسیم شده و آماده ورود به طبقه تقویت‌کننده U٣A می‌شود.


اسیلاتور موج مربعی

یکی از روشهای رایج در flame detectorها استفاده از شاتر سیگنال یا شاتر لامپ است.
علت استفاده از این روش افزایش اطمینان از وجود شعله و تشخیص صحیح آن توسطdetector است.
عملکرد شاتر بدین قرار است که با هر بار عمل کردن شاتر مسیر شعله پوشیده می‌شود و پس از چند لحظه دوباره مسیر بازمی‌گردد، از این رو شرایط وجود شعله و عدم وجود شعله را مکرر برایdetector ایجاد می‌کند تا نمونه‌گیری از شعله مدام ادامه داشته باشد تاdetector به حالت اشباع نرود.
این فرایند توسط یک نوسان‌ساز موج مربعی (U٣B) و یک mosfet٢N٧٠٠٢ انجام می‌شود، بدین صورت که زمانی‌ که خروجی نوسان‌ سازhigh باشد ترانزیستور روشن و سیگنال شعله صفر می‌شود همانند پوشیده شدن شعله توسط شاتر مکانیکی.
هنگامی خروجی نوسان‌ ساز low شود ترازیستور خاموش و سیگنال دریافتی از شعله برای پردازش به طبقه بعدی ارسال می‌شود.


فیلتر فعال سیگنال

طبقهU٣A علاوه بر تقویت‌کنندگی نقش یک فیلتر پایین‌ گذر فعال را نیز به عهده دارد.
این طبقه، سیگنال شعله را به مدار مقایسه‌ کننده تحویل می‌دهد.


مدار مقایسه‌کننده اشمیت

سیگنال شعله پس از عبور از طبقات بیان شده برای نتیجه‌ گیری نهایی به مدار مقایسه‌ کننده ولتاژ می‌رسد.
شدت سیگنال شعله باید با یک مرجع ولتاژ محاسبه شده مقایسه شود و اگر سطح ولتاژ سیگنال شعله از مرجع بالاتر یعنی شعله وجود دارد و شدت آن نیز مناسب است.
مدارهای مقایسه‌ کننده با یک سطح ولتاژ ساده است اما یک عیب بزرگ دارند و آن ناپایداری در محدوده ولتاژ مقایسه است.
بدین معنی که اگر سیگنال شعله نوسان کوچکی داشته باشد در مرز ولتاژ آستانه باعث می‌شود خروجی مقایسه‌ کننده مدام LOW و HIGH شود.
این نوسان در FLAME DETECTOR نامطلوب است که مدار مقایسه‌ کننده اشمیت این مشکل را برطرف می‌کند، بدین صورت که به جای یک سطح ولتاژ مقایسه از دو سطح ولتاژ مقایسه با یک محدوده هیسترزیس استفاده می‌شود.
حال اگر سیگنال شعله نوسان کوچکی داشته باشد با تنظیم ریجستر هوا می‌توان دامنه نوسان را در محدوده هیسترزیس قرار داد و در نهایت خروجی مقایسه‌کننده پایدار می‌شود.
U٣D و مقاومت‌های R١٠ ، R١٤ و R١٥ این مدار را تشکیل می‌دهند.


مدار سیگنال خروجی

یکی از مشکلات FLAME DETECTOR های خارجی این است که به غیر از کنتاکت خروجی هیچ گونه اطلاعات بیشتری از شعله را در اختیار کاربر قرار نمی‌دهند و این مشکل زمانی بروز می کند که کاربر برای تنظیم ریجستر پایلوت اقدام می‌کند و شاید نتواند شعله را در محدوده مناسبی تنظیم کند با قرار دادن یک بافر در مسیر ورودی مدار مقایسه‌ کننده، کاربر امکان مشاهده سیگنال شعله را از طریق ترمینالهای ١٣ و ١٤ DETECTOR را با استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری مرجع (پرتابل اسیلوسکوپ) دارد.
U٣C با امپدانس بالایی که دارد مانع از تأثیرگذاری بیرونی روی سیگنال شعله در طبقات دیگر مدار می‌شود.


رله خروجی
اگر سطح سیگنال شعله از آستانه ولتاژ مقایسه کننده بیشتر شود DETECTOR شعله را تشخیص داده و با فعال کردن خروجی مقایسه‌ کننده رله خروجی را تحریک می‌کند.

باید به این نکته توجه کرد که عملکرد شاتر توضیح داده شده در بخشهای قبلی باعث می‌شود سیگنال شعله در ورودی مقایسه‌ کننده مدام قطع و وصل شود و این منجر به قطع و وصل شدن خروجی مدار مقایسه‌ کننده نیز می‌شود.
تکنیک استفاده شده در این مدار باعث می‌شود این نوسان در کنتاکت خروجی رله ظاهر نشود و خروجی کاملاً پایدار شود.
این امر توسط D٣ ، D٤ ، C١٢ و C١٣ انجام می‌شود.
رله خروجی شامل دو کنتاکت است که یکی برای ارسال وضعیت شعله به سیستم کنترل توسط ترمینالهای ١٠ ، ١١و ١٢ انجام می‌شود و کنتاکت دیگر به منظور نشان دادن وضعیت شعله در محل کوره از طریق ترمینال‌های ٨ و ٩ مورد استفاده قرار می‌گیرد.


نتیجه گیری:

در این مقاله روند تولید Flame Detector‌ برای کوره واحد ٥٠٠ پالایشگاه پارسیان توضیح داده شد.
مشکلی که قبل از تولید این قطعه توسط نیروهای داخلی پالایشگاه گاز پارسیان احساس می‌شد این بود به علت نبود پشتیبانی مناسب از جانب شرکت سازنده و خرابیهای مکرر و عدم امکان تأمین قطعات جایگزین، استفاده ازFlame Detector‌های موجود بعضا باعث توقف تولید و نیز کاهش سطح ایمنی تاسیسات کوره می‌شد.
در ادامه به دلیل نبود سیگنال خروجی قابل اندازه‌گیری توسط دستگاه‌های مرجع، عملا تنظیم شعله توسط نیروهای تعمیراتی بسیار طاقت‌ فرسا بود.

با ساخت Flame Detector شرح داده شده در این مقاله، بر هر دو مشکل اشاره شده غلبه شد.
به طور خلاصه با ساخت این Flame Detector‌ها، وابستگی پالایشگاه به شرکت خارجی کاهش یافت و صرفه‌ جویی قابل توجهی حاصل شد.
از سوی دیگر، حس خودباوری به پرسنل تعمیرات و در مجموع شرکت پالایش گاز پارسیان منتقل شد.
 
بالا