Pulse firing é um modo de controle para queimadores conhecido por suas vantagens, principalmente quando usado em equipamentos de grande porte. Mas como funciona? Quais são os principais parâmetros? Como controlar a pressão da câmara em uma atmosfera interna instável? O leitor receberá informações e recomendações essenciais para o uso desta tecnologia, que aliada a itens importantes do forno se torna eficiente em processos térmicos difíceis como o alivio de tensões
Em fornos industriais para tratamento térmico de grande porte, qual é a primeira idéia de aplicação em sistemas de aquecimento? Com certeza o modo pulse firing para controle de potência.
Entretanto este recurso por si só não proporciona excelentes resultados em processos térmicos, quando o assunto é grandes massas. Alguns outros itens devem ser observados para melhor perfomance.
Há poucos estudos a respeito de um conjunto de variáveis para tornar o ciclo térmico eficiente com o pulse firing. Através de testes práticos em um forno e algumas literaturas, foram levantadas informações interessantes para o perfeito funcionamento desta tecnologia. Para melhor entendimento foram desenvolvidas aqui modelações matemáticas, sendo assim possível criar algoritmos de controle em um CLP (Controlador Lógico Programável).
O Pulse Firing
Usado na Europa a mais de 30 anos, é um modo de controle conhecido por vantagens em relação a outras tecnologias como redução no consumo de combustíveis, menores emissões de poluentes, melhores taxas de transferência de calor, eficiência na homogeneidade dos materiais, etc. Seu melhor desempenho é quando aplicado a queimadores de alta velocidade.
Seu diferencial está no modo de modulação do fogo: baixo-alto, desligado-alto ou desligado-baixo-alto. Como o ápice das vantagens dos queimadores de alta velocidade esta no fogo alto, no pulse firing, os estágios intermediários de chama são eliminados. Com isso a máxima velocidade na projeção de calor não é restringida, como no caso dos sistemas proporcionais, tornando a convecção térmica na câmara eficiente.
Para realizar controle de temperatura os queimadores trabalham de forma pulsante, sendo a largura dos pulsos definida por parâmetros.
No modo convencional do pulse firing uma válvula do tipo borboleta (“butterfly”) é conectada à entrada do ar de cada queimador. Diferenciada das comuns, ela é preparada para altas freqüências de comutações, fazendo que os queimadores pulsem na câmara de aquecimento. A “butterfly” impulsiona uma válvula de gás, fazendo que a cada disparo de ar, seja conduzida uma vazão proporcional de combustível aos pulsos (figura 1).
Nesta construção cada queimador funcionará individualmente, diferente de outras tecnologias convencionais. Esta configuração é bastante flexível possibilitando assim diversas opções de controle.
Conceito Base de Funcionamento
Fornos industriais com tecnologias convencionais são divididos em zonas de aquecimento, e o agrupamento de queimadores é determinado por regras como distancias internas, tipo de equipamento, etc. O pulse firing pode obedecer a este procedimento padrão de distribuição, e o CLP compreenderá o numero de queimadores que compõem a zona como uma variável (nq).
É recomendada a aplicação de um algoritmo PID (Controle Proporcional Integral Derivativo) na geração dos pulsos, onde a saída de potência (p) será determinada pela comparação entre a temperatura do processo (PV), o sinal de referência (SP) e os ajustes dos parâmetros Kp, Ti e Td. Este método é idêntico ao aplicado comumente no controle proporcional, sendo somente a variável p tratada de uma maneira diferenciada. Usando o pulse firing no modo fogo baixo/alto, o range de 0% a 100% (p) se torna uma determinante para o tempo total do ciclo de pulsos (tc). O intervalo de permanência de cada queimador em chama alta será uma constante (tl):
Para se determinar o intervalo de pulsos (ou disparos) de cada queimador (d):
De uma maneira mais abrangente:
Para um melhor entendimento da equação, a figura 2 exibe a visualização da planta de um equipamento forno carro com 30 queimadores, sendo este dividido em oito zonas de aquecimento.
Na figura 3, onde é visualizado o comportamento de somente uma das zonas de controle (zona 2), para tl = 6s e nq = 4, se requerido pelo sistema 25% de potência (p= 25%), o ciclo total será de 24 segundos (tc=24s). Os pulsos ocorrerão a cada 6s (d=6s). O CLP dispara o chama alta do queimador Q1 (considerando um tempo de offset inicial), e logo após 6s aciona o próximo da cascata (Q2), assim continuamente até o ultimo elemento (Q4). Acompanhando as setas indicativas da figura, os disparos retornam a Q1, repetindo a seqüência infinitamente enquanto p permanecer em 25%.
Observando as figuras 4 e 5, com 50% e 75% de potência, os disparos ocorrerão a cada 3s e 2s, respectivamente. Quanto mais elevado o valor de p, maior será a intensidade de permanência da zona em chama alta. Uma vez um queimador disparado, este permanecerá em fogo alto por 6s (tempo ajustado em tl), independente das variações de d.
Aumentando a potência os intervalos de disparo reduzirão proporcionalmente. Operando com tl=3s, nq=4 e p=90%, os acionamentos do fogo alto ocorrerão a cada 833 ms (d=833 ms). Valores assim para os pulsos são considerados “desprezíveis”, pois este tempo é igual às respostas das válvulas de ar/gás ao impulso de mudança de estado fogo baixo/fogo alto ou vice versa. Operando abaixo da faixa 850 ms (ressaltando que este pode variar de acordo com sistema de combustão aplicado ao projeto), os queimadores manterão aspecto de como se estivessem sempre no fogo alto, ou seja, não haverão alterações de chama. Comutações nesta faixa (a que chamaremos de ic) aumentam a probabilidade de defeitos eletromecânicos em componentes. Abaixo do valor de ic, o CLP deverá saturar as saídas de controle e desabilitar os disparos, mantendo todos os queimadores da zona em chama alta.
O tempo de queimador ligado (tl) deverá ser ajustado em valores menores que 30s. Ajustes superiores a este geram instabilidades térmicas, e se ainda maiores, faz tornar o sistema pulse firing desnecessário, podendo este ser substituído por on-off que é de menor custo. Intervalos menores que 30s trazem grandes vantagens como estabilidade de temperatura e homogeneidade nos materiais. Porém se muito inferiores reduzem a via útil de componentes. Considerando d =850 ms (pior condição de trabalho) e tl= 6s, haverá cerca de 8,76 ciclos por minuto de aberturas/fechamentos. Trabalhando em média 12 horas/dia ocorrerão 2.302.128 comutações por ano, e como as válvulas de ar (uma das mais frágeis) possuem vida útil aproximada de 20.000.000 intermitências, os componentes poderão durar no mínimo 8,69 anos. Nas mesmas condições e reduzindo tl para 3s, a duração será reduzida para 4,88 anos.
Alem da desvantagem da vida útil, intervalos muito curtos afetam a linearização dos pulsos, fazendo em que determinados níveis de p, o sistema entre na região de saturação instantaneamente. Por exemplo, ajustando tl = 2s, com nq = 4, acima de 59% já estariam ocorrendo disparos menores de 850ms, estando este valor abaixo de ic. O controle deve ter uma ação linear até potências, preferencialmente, próxima a 95%, para que após entre na região de saturação.
Uma maneira matemática de se determinar um valor mínimo para tl:
Quando a potência de aquecimento for 0% (p=0), a equação matemática de disparos do pulse firing deverá ser ignorada e os queimadores da zona deverão ser mantidos no fogo baixo.
Pulse Cooling
Quando o sistema finalizar o tempo de encharque e entrar em fase de resfriamento controlado, a tendência do PID será enviar pouca energia ao forno. Em determinado instante do ciclo a potencia da zona, mesmo em 0%, será elevada, fazendo que a rampa de resfriamento perca sua linearização.
Por haver um instante no processo em que há energia excessiva no forno, alguns diriam que a tecnologia chama baixa/alta deixa de ser interessante em relação ao controle desligado/alto. Neste modo os queimadores permanecem desligados durante todo o ciclo, e serão ligados individualmente no fogo alto quando ocorrerem os disparos. No entanto este método possui desvantagens como ocorrências de falhas constantes ao ligar queimadores e redução de vida útil em componentes, por exemplo, solenóides e transformadores de ignição.
Contudo a tecnologia baixo/alto, que possui uma melhor dinâmica no controle de chama, pode se tornar efetiva no resfriamento se elaborado um algoritmo para desligamento dos queimadores. Um temporizador individual para cada zona é agregado ao sistema, e sempre que p assumir 0%, uma contagem de tempo será iniciada. Ao término um queimador será desligado, e o timer reiniciado. Enquanto a potencia estiver em 0% os temporizadores estarão ativos, e seqüencialmente os queimadores serão desligados. Se durante este processo o PID solicitar potencias maiores que 0%, o algoritmo deverá atualizar o valor de nq e efetuar disparos somente nos queimadores que estiverem ligados.
Como o PID no aquecimento é configurado para modo REVERSO (E=SP-PV), se todos os queimadores da zona forem desligados, o sistema deverá assumir uma ação DIRETA de controle (E=PV-SP). Nesta situação o CLP utilizará as válvulas borboletas para injetar ar de forma controlada e pulsada na câmara. Na condição 0% as válvulas permanecerão fechadas e à medida que a potência for elevada, os pulsos de ar se tornarão mais intensos (pulse cooling) auxiliando a linearização da rampa de resfriamento.
Controle de Pressão na Câmara
Em grandes fornos, queimadores de alta velocidade com ação pulsante não proporcionam efetividade se não for vinculado um controle de pressão no equipamento. Normalmente são utilizados transdutores para leitura da variável da câmara, normalmente em ranges de -5 a +5 mmca. Um damper (válvula tipo borboleta ou gaveta) é usado na chaminé para controlar a saída dos gases, e este é comumente atuado por servo-motores, redutores ou atuadores pneumáticos de abertura linear.
No pulse firing o controle de pressão é de difícil aplicação, pois as turbulências na câmara são excessivas devido às pulsações dos queimadores. Para regularizar o funcionamento, um filtro de sinal deve ser usado na entrada analógica para atenuar as instabilidades de leitura. Sem este recurso o damper ficará instável. A intensidade do filtro deverá ser ajustada de tal forma que as oscilações internas flutuem a valores de pressões “ligeiramente positivas”.
Queimadores de alta velocidade apresentam melhores desempenhos em câmaras de combustão a pressões internas “ligeiramente positivas”, algo em torno de 0,5 a 1,2 mmca. Pressões negativas na câmara elevam o consumo de combustíveis, alem afetar a homogeneidade da carga. Valores muito excessivos prejudicam o desempenho da queima, e elevam a geração de CO (monóxido de carbono).
Durante a atuação do pulse firing, o controle de pressão deverá permanecer ativo. Quando todas as zonas estiverem em resfriamento (pulse cooling), o damper da chaminé deverá ser aberto.
Vedações de Equipamentos
Nos fornos industriais deve-se observar se não há irregularidades em vedações mecânicas. Falhas deste tipo em portas, e o não abastecimento dos selos de areia (caso de alguns equipamentos como o do tipo carro) acarretam em entrada de ar frio na câmara de combustão ou saídas de gases quentes pela estrutura. Estes eventos geram diferenças de temperatura em partes da carga, aumento no consumo de combustíveis e imprecisão no controle da pressão. Este item é muito importante para o ciclo térmico, e deve ser verificado periodicamente.
Conclusão
Conhecendo o conceito base de funcionamento do pulse firing, percebe-se que há possibilidades de moldá-lo a fim de atender as diversas necessidades de processos. Um bom exemplo seria o modo pulse cooling para resfriamento. Pressões na câmara de combustão “ligeiramente positivas” e vedações mecânicas corretas em equipamentos são essenciais para o perfeito funcionamento desta tecnologia.
Em um forno carro de 9.000 mm (largura) x 5.500 mm (altura) x 18.000 (comprimento) foi aplicado o pulse firing para o controle de 30 (trinta) queimadores de alta velocidade. Adotando os parâmetros e critérios deste artigo, no alivio de tensões foram obtidas homogeneidades de +- 10°C e instabilidades máximas de +- 3°C no patamar, em cargas variadas de 15 a 239 ton. Tratamentos com massas de espessuras diferentes foram realizados com êxito usando gradientes térmicos baixos (40 – 50°C/h). Na rampa de aquecimento, a maior diferença encontrada foi de 50°C e no resfriamento 60°C, em 18 (dezoito) pontos aleatórios de leitura.
Estes resultados provam a eficiência do sistema, pois processos como alivio de tensões para grandes massas são considerados “vilões”, se comparado aos tratamentos de tempera e normalização de ferrosos. IH
Para mais informações: Contate Jader Juarez pelo tel.: (11) 4661-8000 ou pelo email jaderjuarez@uol.com.br.
Referência
[1] P.J. Burman: Pulse-firing burner controls for high temperature kilns and furnaces Volume 33 de ERDC (Series). Energy Research and Development Corporation, 1991.
