Kaasulaitteet ja -polttimet

Kaasulaitteiden vaatimukset ja CE-merkintä

Kaikkien Euroopan talousalueella markkinoille saatettavien ja käyttöön otettavien kaasulaitteiden (eräitä teollisuudessa käytettäviä kaasulaitteita lukuun ottamatta) on täytettävä tietyt kaasulaiteasetuksessa 1434/1993 www.finlex.fi määritellyt olennaiset vaatimukset mm. rakenteen ja toimivuuden suhteen. Vaatimusten mukaisuuden merkiksi kaasulaiteisiin kiinnitetään CE-merkintä  ⇑. Myös turva-, säätö- ja ohjauslaitteiden sekä muiden osaksi kaasulaitetta suunniteltujen oheislaitteiden vaatimustenmukaisuus on osoitettava. Näiden varusteiden mukana on toimitettava kirjallinen todistus. Todistuksessa ilmoitetaan varusteen ominaisuudet ja kuinka se on liitettävä kaasulaitteeseen tai koottava ollakseen valmiiseen kaasulaitteeseen sovellettavien olennaisten vaatimusten mukaisia.

Kaasulaitteessa on oltava liekinvalvontalaite paitsi silloin, jos kohteen muu jatkuvatoiminen sytytyslähde tai kaasun syttymisrajan yläpuolella oleva jatkuva prosessilämpötila varmistaa kaasun häiriöttömän palamisen.

Kaasulaitteessa on CE-merkinnän lisäksi oltava kullekin laitteelle laadittujen standardien mukaiset merkinnät. Kaasulaitteen mukana on seurattava asennus-, käyttö- ja huolto-ohjeet.

Kaasulaitteiden luokittelu

Kaasulaitteet jaetaan laiteluokkiin sen mukaan, mille kaasuille ja paineille ne on tarkoitettu. Tarjolla olevista kaasuista johtuen Suomessa on käytössä laiteluokat I_2H, I_P/B ja II_2H3P/B, jotka tarkoittavat seuraavaa:

Kaikissa tapauksissa on otettava huomioon kaasuille määrätyt nimellispaineet. Suomessa kotitalouksissa käytettävien kaasulaitteiden nimellispaineet ovat

• maakaasulle 20 mbar vaihteluvälin ollessa 17 - 25 mbar
• nestekaasulle 30 mbar vaihteluvälin ollessa 28 - 35 mbar

Kaasulaitteiden sijoittaminen

Kaasulaitteita saa sijoittaa vain sellaisiin huonetiloihin, joiden koko ja ilmanvaihto ovat riittävät. Kaasulaitteet sijoitetaan siten, että niitä voidaan käyttää turvallisesti ja helposti. Läheisyydessä olevat esineet ja pinnat eivät saa lämmetä turvallisuutta vaarantavalla tavalla. Esimerkiksi kotitalouksissa käytettävien kaasuliesien polttimista on oltava vähintään 20 cm lähimpään palavaan kalusteeseen, jos se on liettä korkeampi.

Kaasulaitteen eteen ja sivuille on jätettävä tilaa niin, että poltin voidaan tarvittaessa huoltaa, säätää tai irrottaa käyttöasennostaan. Kaasulaitteita asennettaessa noudatetaan laitteiden valmistajan antamia ohjeita.

Lämmityskattila sijoitetaan yleensä erilliseen osastoituun kattilahuoneeseen. Tekniseen tilaan tai asuintiloihin voidaan ilman osastointia sijoittaa tähän tarkoitukseen soveltuva lämmityskattila.

Mikäli kaasulaitteet sijaitsevat asuin-, majoitus-, päivähoito- tai kokoontumishuoneistoissa, saa näille johtavassa kaasuputkistossa olla enintään 200 mbar käyttöpaine.

Kaasulaitteen liittäminen putkistoon

Kukin kaasulaite, kaasupoltin tai poltinryhmä varustetaan sulkuventtiilillä ja sellaisella liitoksella, että kaasulaitteen voi tarvittaessa irrottaa putkistosta. Sulkuventtiili sijoitetaan putkiston kiinteästi asenneetuun osaan.

Kaasulaitteen liitin voi olla käsin liitettävä/irrotettava tai sellainen, että liittämiseen ja irrottamiseen tarvitaan työkaluja. Kaasun tulon pitää automaattisesti sulkeutua, jos liitos (pikaliitin) on käsin avattavissa.

Kaasulaitteen liittäminen putkistoon on tehtävä joustavaksi niin, ettei putkisto aiheuta huomattavia rasituksia, lämpöliikkeitä, tai tärinää kaasulaitteelle tai päinvastoin. Joustavan metalliputken (palkeen) tai metallivahvisteisen letkun käyttö on suositeltavaa. Tarpeettoman pitkää letkuliitäntää tulisi välttää. Kotitalouskäyttöön tarkoitetun kaasulaitteen liitäntäletkun pituus saa olla enintään 1,2 m.

Kaasulaitteen liitäntäletkun saa viedä ohuen rakennusosan tai kalusteen (kaapin) läpi, mutta seinän läpivientiin letkua ei saa käyttää. Liitäntäletku tulee sijoittaa ja asentaa niin, ettei siihen kohdistu rasituksia.

Letkun on oltava maakaasukäyttöön ja kohteen suurimmalle käyttöpaineelle tarkoitettu. Letkua ei saa käyttää yli 70 º C lämpötilassa. Erityisen kylmissä käyttöolosuhteissa (alle -30 º C) on varmistettava, että letku on tarkoitettu käytettäväksi kyseisissä olosuhteissa (tyypin LT letku). Letkussa on oltava myös muut asianmukaiset merkinnät.

Kaasulaitteen sähköasennukset

Kaasulaitteiden sekä niiden sijoitustilojen sähköasennukset tehdään sähköturvallisuusmääräysten ja sähköasennuksia koskevien ohjeiden mukaisesti.

Kaasukäyttöinen lämmityskattila tai muu kotitaloudessa käytettävä kaasulaite ei aiheuta muutoksia tilan sähköluokitukseen.

Yleistä kaasupolttimista

Kaasulaitteen keskeisin osa on kaasupoltin. Kaasupoltin voi olla kaasulaitteeseen kiinteästi rakennettu osa tai siihen erikseen liitettävissä. Tyypillinen esimerkki jälkimmäisestä on puhallinpolttimen ja lämmityskattilan yhdistelmä, jotka kumpikin katsotaan kaasulaitteeksi ja niiden on siten täytettävä kaasulaiteasetuksen olennaiset vaatimukset.

Erilaisia poltinmalleja ja —konstruktioita löytyy lukematon määrä erilaisiin käyttötarkoituksiin. Tiettyjä yleisiä jakoja voidaan kuitenkin tehdä. Esimerkiksi palamisilman syöttötavan mukaisesti polttimet voidaan jakaa

• atmosfäärisiin polttimiin  ⇑, joissa palamisilma ohjataan polttimelle ilman puhallinta luonnollisen vedon avulla
• puhallinpolttimiin  ⇑, joissa palamisilma johdetaan poltinpäähän ylipaineella, joka tehdään puhaltimen avulla.

Polttoaineen ja ilman sekoitustavan perusteella polttimet voidaan jakaa

• diffuusiopolttimiin, joissa kaasu ja palamisilma kohtaavat vasta lähellä liekkiä tai vasta liekissä
• esisekoituspolttimiin, joissa kaasu ja palamisilma esisekoitetaan täydellisesti ennen liekkiä.

Monet polttimet ovat käytännössä välimuotoja, joissa osa palamisilmasta sekoittuu kaasuun ennen poltinpäätä ja loput täydelliseen palamiseen tarvittavasta ilmasta ohjataan liekkirintamaan. Esisekoituksella ja palamisilman vaiheistuksella sekä poltinpään muotoilulla vaikutetaan liekin ominaisuuksiin kuten sen muotoon, pituuteen ja säteilyominaisuuksiin. Myös typenoksidipäästötasoon voidaan palamisilman sekoitustavalla merkittävästi vaikuttaa.

Kaasupolttimen varusteet

Kaasupolttimen toiminta ja käyttöturvallisuus edellyttävät tietyn varustuksen. Puhallinpolttimen vähimmäisvarustus  ⇑ riippuu polttimen tehosta. Suuremmille polttimille  ⇑ tarvitaan esimerkiksi erillinen sytytyspoltin, joka edellyttää omat ohjaus- säätö- ja valvontalaitteensa.

Kaasupolttimen perusvarustukseen kuuluu

• sulkuventtiili
• suodatin
• paineensäädin
• kaasunpainekytkin (-kytkimet)
• automaattiset sulkuventtiilit ja niiden tiiviyden testausjärjestelmä
• sytytyslaitteet
• liekinvalvontalaitteet

Ennen poltinta tai poltinryhmää asennetaan aina sulkuventtiili kaasun tuloputkeen. Sulkuventtiili sijoitetaan välittömästi ennen muita varusteita ja sen toiminta ei saa riippua ulkopuolisesta energiasta.

Vaihdettavalla suodatinpatruunalla varustettu suodatin estää mahdollisten epäpuhtauksien pääsyn polttimelle. Toisaalta suodatin aiheuttaa painehäviön, joka on syytä ottaa huomioon erityisesti silloin, jos kaasupolttimella ei ole omaa paineensäätölaitteistoa. Pienissä kohteissa, kuten kotitalouksissa paineensäätö on useimmiten yhteinen usealle kaasulaitteelle. Suuremmissa kohteissa suosituksena on varustaa jokainen kaasulaite, kaasupoltin tai kaasupoltinryhmä omalla paineensäädöllä. Paineensäädin sijoitetaan tavallisesti ennen kaasupolttimen automaattisia sulkuventtiilejä. Paineensäätimen molemmin puolin järjestetään painemittaus tai vähintään mahdollisuus siihen (liitäntä).

Kaasun paineen minimipainekytkin estää polttimen toiminnan, jos kaasun paine ei ole riittävä kaasupolttimen turvalliselle toiminnalle. Vastaavasti maksimipainekytkin aiheuttaa pysyvän lukituksen, jos suutinpaine nousee liian (yli 1,3 kertaa nimellispaine) korkeaksi tai polttoaineteho kasvaa 1,15 kertaa yli nimellisarvon. Maksimipainekytkin tarvitaan, jos käytössä ei ole paineensäädintä.

Puhallinpolttimilla tarvitaan myös minimipainekytkin palamisilmalle. Kytkin voidaan korvata muulla ilmavirtauksen valvonnalla, muttei pelkällä ilmapuhaltimen käynnin seurannalla.

Kaasupolttimen automaattiset sulkuventtiilit ja niiden tiiviydentestaus

Automaattisten sulkuventtiilien tehtävänä on pysäyttää kaasuvirtaus, jos poltinautomatiikkaan kuuluva ohjausyksikkö on antanut siihen käskyn tai jos toimilaitteen ohjausenergian (sähkö, paineilma) saanti on keskeytynyt. Ohjausyksikön käskyt perustuvat määriteltyyn ohjaustoimintojen sarjaan tai turvalaitteiden (esim. kaasun paine) antamiin signaaleihin. Automaattista sulkuventtiiliä voidaan käyttää myös sytytyskaasun säätämiseen: jos poltin sytytetään vähennetyllä teholla, on toinen sulkuventtiileistä hitaasti aukeava  ⇑.

Automaattisia sulkuventtiileitä on pääpolttimella (pääkaasu) aina kaksi. Myös sytytyspolttimella (sytytyskaasu) venttiileitä on pääsääntöisesti kaksi. Automaattisten sulkuventtiileiden varustus ja tiiviysluokka  ⇑ määräytyvät kaasupolttimen tehon ja polttimen esituuletuksen perusteella.

Automaattisten sulkuventtiileiden toimivuutta valvotaan automaattisella tiiviydentestausjärjestelmällä ⇑, joka vaaditaan aina yli 1200 kW:n polttimelle. Sulkuventtiilien välistä paineenpoistoa ei enää käytetä uusissa asennuksissa. Myös esituuletus voidaan tietyin edellytyksin korvata tiiviydentestausjärjestelmällä  ⇑.

Kaasupolttimen sytytyslaitteet

Kaasupoltin sytytetään joko suoraan täydellä tai vähennetyllä teholla tai erillisen sytytyspolttimen avulla. Kaasupolttimen sytytyksessä tarvitaan tarkasti määritelty kaasu-ilma-seos. Kaasumaisilla polttoaineilla erillisten sytytyspolttimien tarve onkin suurempi kuin esim. öljyllä. Kaasupolttimen suora sytytys täydellä teholla on sallittu vain teholtaan enintään 120 kW:n polttimille. Itse sytytys tapahtuu yleensä sähköisellä sytytysjärjestelmällä, joka koostuu sytytysmuuntajasta ja sytytyskärjistä.

Kaasupolttimien maksimikäynnistystehot ja varmuusajat  ⇑ määräytyvät polttimen tehon ja sytytyslaitteiston varustuksen mukaan. Varmuusaika on aika, jonka kuluessa liekinvalvontalaitteiston on havaittava liekin syttyminen sulkuventtiilin avautumiskäskyn jälkeen.

Kaaviot kaasupolttimen erilaisista sytytyslaitteistovarustuksesta:

• pääpolttimen suora sytytys täydellä teholla ⇑
• pääpolttimen suora sytytys vähennetyllä teholla ⇑
• pääpolttimen suora sytytys vähennetyllä teholla ja erillisellä sytytyskaasulla ⇑
• pääpolttimen sytytys erillisellä sytytyspolttimella ⇑

Kaasupolttimen liekinvalvontalaitteet

Kaasulaitteessa on oltava liekinvalvontalaite paitsi silloin, jos kohteen muu jatkuvatoiminen sytytyslähde tai kaasun syttymisrajan yläpuolella oleva jatkuva prosessilämpötila varmistaa kaasun häiriöttömän palamisen.

Pienemmissä kaasulaitteissa asia hoidetaan lämpösähköisellä liekinvarmistimella. Sytytyksessä liekinvarmistimen sisältämä venttiili avataan käsin jonka jälkeen se pysyy auki, mikäli laitteessa oleva sähkömagneetti saa jännitteen kaasuliekin lämmittämästä tuntoelimestä. Jos tuntoelin jäähtyy, liekinvarmistimen venttiili sulkeutuu ja estää kaasun pääsyn liekittömään laitteeseen. Lämpösähköinen liekinvarmistin on yksinkertainen ja luotettava, mutta liian hidas käytettäväksi suuremmissa polttimissa, joissa käytetään sähköisiä liekinvalvontalaitteita.

Sähköinen liekinvalvontalaite käsittää ulkoisella virtalähteellä toimivan liekinvalvontaelimen, ohjausyksikön sekä sulkuventtiilit. Liekinilmaisimena käytetään joko liekkielektrodia tai valokennoa  ⇑. Sähköisellä liekinvalvontalaitteistolla voidaan valvoa ja ohjata polttimen pääliekkiä tai sytytysliekkiä tai molempia niistä. Liekinilmaisimet sijoitetaan siten, että ne reagoivat vain valvottavaan liekkiin.

Sähköisen liekinvalvontalaitteiston reagointiajat ovat lyhyitä. Niiden on kyettävä havaitsemaan liekki varmuusajan puitteissa; jos näin ei tapahdu, poltinautomatiikka estää kaasun tulon polttimelle.

Sytytyksen varmuusajat  ⇑ ovat maksimissaan 5 sekuntia. Polttimen ollessa käynnissä on pysäytyksen varmuusaika 1 sekunti eli automaattisten sulkuventtiilien on aktivoiduttava sulkeutumaan yhden sekunnin kuluessa siitä, kun signaali liekin sammumisesta on saatu. Sulkuventtiilien on sulkeuduttava kahden sekunnin kuluessa signaalista (= kokonaissulkuaika).

Kaasupolttimen käynnistäminen ja tehonsäätö

Kaasupolttimen käynnistäminen tapahtuu ennalta määritellyn ohjelman mukaisesti. Ohjelma suorittaa sytytystä edeltävät toimet oikeassa järjestyksessä ja varmistaa erilaisten lukitusehtojen täyttymisen. Lukitusehtoja ovat mm.

• polttimen asento
• kaasun paine
• palamisilman paine
• liekkisignaalin olemassaolo
• savukaasupeltien (hormin sulkulaitteen) asento.

Lukitukset voivat olla joko pysyviä tai palautuvia. Pysyvän lukituksen jälkeen uudelleenkäynnistys voidaan tehdä vain käsin ohjattuna.

Yleensä kaasupolttimen tulipesä (palotila) on tuuletettava ennen polttimen sytytystä. Esituuletusaika on vähintään 20 sekuntia, kun esituuletus tehdään täydellä polttimen nimellistehoa vastaavalla palamisilmamäärällä. Jos esituuletuksen ilmamäärä on pienempi, on esituuletusaika vastaavasti pitempi. Esimerkiksi 50 %:n ilmamäärällä esituuletusaika on vähintään 40 sekuntia. Esituuletuksen ilmamäärä ei kuitenkaan saa olla pienempi kuin 33 % täydestä palamisilmamäärästä.

Kaasupolttimen maksimikäynnistystehot  ⇑ riippuvat polttimen koosta ja varustuksesta. Käytön aikainen kaasupolttimen tehonsäätötapa  ⇑ valitaan kohteen edellyttämien tarpeiden mukaisesti. Yksinkertaisimmillaan tehonsäätö perustuu on/off-ratkaisuun. Vastaavasti vaativimmissa kohteissa käytetään portaatonta moduloivaa tehonsäätöä. Portaaton tehonsäätö edellyttää samanaikaista ilma- ja kaasumäärän ohjausta. Atmosfäärisillä polttimilla tehonsäätö tapahtuu kaasuvirtaa kuristamalla palamisilmamäärän säätyessä itsestään. Puhallinpolttimilla kaasu-ilmasuhteen säätämiseksi tarvitaan säätölaitteet sekä palamisilmalle että kaasulle. Ne kytketään toisiinsa mekaanisesti (vivusto) ⇑, pneumaattisesti  ⇑ tai sähköisesti  ⇑. Ohjaus toteutetaan siten, että palamisilmamäärä on riittävä kaikissa käyttöolosuhteissa kaasupolttimen tehoa nostettaessa ja laskettaessa.

Kaasupolttimen soveltuvuus eri kaasuille

Vaikka eri energiakaasuja voidaan käyttää samanlaisissa kohteissa ja ulkoiselta varustukseltaan samankaltaisilla kaasulaitteilla ja —polttimilla, on kaasuilla silti selviä polttoteknisiä eroja. Ne on otettava huomioon, jos samaa kaasulaitetta aiotaan käyttää eri kaasuilla. Polttotekniikan kannalta keskeinen tekijä on Wobbe-arvo  ⇑, joka poikkeaa eri kaasuilla huomattavasti.

Toisaalta eri hiilivedyt tarvitsevat palamisilmaa suhteessa energiamäärään likimain yhtä paljon (n. 0,24 m³/MJ).

Kaasusuuttimen läpi virtaavaan tehoon  ⇑ vaikuttaa kolme päätekijää:

• suutintekijä, joka ottaa huomioon suuttimen poikkipinta-alan ja geometrisen muodon
• paine-erotekijä, johon kaasun tulopaine vaikuttaa suoraan sekä

Wobbe-arvo, joka on kyseisen kaasun lämpöarvo jaettuna kaasun suhteellisen tiheyden neliöjuurella.

Jos kaasulaitetta, -poltinta halutaan käyttää eri kaasuilla ja siten, että palamisilmamäärä ja teho pysyvät ennallaan, on kolme vaihtoehtoa:

• vaihdetaan suuttimen kokoa (ja/tai tyyppiä)
• säädetään kaasun paine sellaiseksi, suuttimessa syntyvä paine-ero pitää energiavirran saman suuruisena tai
• muutetaan poltettavan kaasun Wobbe-arvoa keinotekoisesti.

Wobbe-arvon muuttamisesta on tyypillisin esimerkki propaanin ja ilman sekoittaminen sopivassa suhteessa siten, että kyseisen kaasuseoksen Wobbe-arvo on lähellä maakaasun Wobbe-arvoa  ⇑. Maakaasu voidaan siten korvata propaani-ilma-seoskaasulla ilman, että kaasulaitteisiin tai paineensäätimiin tarvitsee tehdä muutoksia. Tätä hyödynnetään mm. maakaasun varajärjestelmissä.