МЕХАТРОННАЯ СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ ПРОБЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Полезная модель относится к области энергетики, а именно к устройствам для подготовки пробы теплоносителя к автоматическому мониторингу водно-химического режима котлотурбинного оборудования и может использоваться на тепловых и атомных электростанциях.
Известно устройство для подготовки пробы воды и пара «Кварц-УПП» (Руководство по эксплуатации РЭ 4215-014-27428832-07. - 2009. - 41 с.), состоящее из трех последовательно соединенных теплообменников, вентилей регулировки расхода охлаждающей воды, блока запорных вентилей высокого давления, состоящего из вентиля продувки и управляемого посредством серводвигателя запорного вентиля, ручного регулирующего вентиля-дросселя, блока управления, датчиков температуры, давления и расхода пробы теплоносителя (в дальнейшем пробы), переливной колонки, вентилей раздаточного устройства.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности настройки необходимого давления на выходе из устройства из-за конструкции переливной колонки, неэффективное использование системы охлаждения вследствие отсутствия информации о количестве отложений на теплопередающей поверхности теплообменника и отсутствия автоматического регулирования температуры пробы.
В качестве прототипа выбрано устройство для подготовки пробы теплоносителя (патент US 5,363,874, МПК F16K 31/64, G01N 1/20, опубл. 15.11.1994), состоящее из входного запорного вентиля, отсечного электромагнитного клапана, теплообменника, регулируемого дросселирующего устройства с электроприводом, измерительной диафрагмы и переливного клапана; преобразователей давления пробы, один из которых установлен на входе измерительной диафрагмы, преобразователей температуры пробы и охлаждающей воды, установленных соответственно на выходе регулируемого дросселирующего устройства и на выходе теплообменника, регулирующего вентиля охлаждающей воды на выходе теплообменника, клапана продувки и блока управления, к электрическим входам которого подключены соответствующие электрические выходы преобразователей давления пробы, преобразователей температуры пробы и охлаждающей воды, а электрические выходы соединены с соответствующими электрическими входами отсечного электромагнитного клапана и электропривода регулируемого дросселирующего устройства.
Недостатком устройства-прототипа является неэффективное использование системы охлаждения вследствие отсутствия информации о количестве отложений на теплопередающей поверхности теплообменника и отсутствия автоматического регулирования температуры пробы на выходе.
Задачей полезной модели является повышение эффективности использования системы охлаждения за счет диагностики количества отложений на теплопередающей поверхности теплообменника и автоматического регулирования температуры пробы посредством изменения расхода охлаждающей воды.
Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство для подготовки пробы теплоносителя, состоящее из входного запорного вентиля, отсечного электромагнитного клапана, теплообменника, регулируемого дросселирующего устройства с электроприводом, измерительной диафрагмы и переливного клапана, преобразователей давления пробы, один из которых установлен на входе измерительной диафрагмы, преобразователей температуры пробы и охлаждающей воды, установленных соответственно на выходе регулируемого дросселирующего устройства и на выходе теплообменника, регулирующего вентиля охлаждающей воды на выходе теплообменника, клапана продувки и блока управления, к электрическим входам которого подключены соответствующие электрические выходы преобразователей давления пробы, преобразователей температуры пробы и охлаждающей воды, а электрические выходы соединены с соответствующими электрическими входами отсечного электромагнитного клапана и электропривода регулируемого дросселирующего устройства, согласно полезной модели дополнительно введены регулирующий электромагнитный клапан, соединенный байпасно с регулирующим вентилем охлаждающей воды, расходомер охлаждающей воды, вход которого соединен с выходами регулирующего вентиля охлаждающей воды и регулирующего электромагнитного клапана, преобразователи температуры пробы и охлаждающей воды на входах теплообменника, электрические выходы которых подключены к электрическим входам блока управления, к электрическому выходу которого дополнительно подключен электрический вход регулирующего электромагнитного клапана. Кроме того, преобразователь давления пробы и отсечной электромагнитный клапан пробы установлены между входным запорным вентилем и теплообменником, а клапан продувки расположен на входе пробы в устройство.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами: на фиг. 1 изображена принципиальная гидравлическая схема предлагаемой полезной модели устройства для подготовки пробы теплоносителя, на фиг. 2 изображен график зависимости требуемого расхода охлаждающей воды от ее температуры на входе в теплообменник при различных температурах пробы на входе в теплообменник.
Устройство для подготовки пробы теплоносителя содержит входной запорный вентиль 1, отсечной электромагнитный клапан 2, теплообменник 3, регулируемое дросселирующее устройство 4 с электроприводом 5, измерительную диафрагму 6 и переливной клапан 7.
На входе пробы в устройство для подготовки пробы теплоносителя установлен клапан продувки 8.
На выходе теплообменника 3 байпасно установлены регулирующий вентиль охлаждающей воды 9 и регулирующий электромагнитный клапан 10 охлаждающей воды, выходы которых соединены с входом расходомера 11 охлаждающей воды.
Преобразователи давления пробы 12 и 13 установлены на выходе входного запорного вентиля 1 и на входе измерительной диафрагмы 6. Преобразователи температуры пробы 14 и 15 и охлаждающей воды 16, 17 установлены соответственно на входах и выходах теплообменника 3.
Электрические выходы расходомера 11 охлаждающей воды, преобразователей давления пробы 12, 13, преобразователей температуры пробы 14, 15 и охлаждающей воды 16, 17 связаны с соответствующими электрическими входами блока управления 18. Электрические выходы блока управления 18 связаны с электрическими входами отсечного электромагнитного клапана 2, электропривода 5 и регулирующего электромагнитного клапана 10.
Устройство для подготовки пробы теплоносителя работает следующим образом. Проба теплоносителя в виде воды или пара поступает под высоким давлением (до 25 МПа) и с высокой температурой (до 150°С) на входной запорный вентиль 1, далее проходит через отсечной электромагнитный клапан 2 и поступает в теплообменник 3, где охлаждается до температуры 35±2°С. С выхода теплообменника 3 проба поступает на вход регулируемого дросселирующего устройства 4, снижающего давление пробы до 0,05-0,15 МПа. С помощью регулируемого дросселирующего устройства 4 также устанавливается и поддерживается на заданном уровне расход пробы путем изменения положения его подвижного органа при помощи электропривода 5, работающего по сигналу от блока управления 18.
После регулируемого дросселирующего устройства 4 проба поступает на вход измерительной диафрагмы 6 с известной расходно-перепадной характеристикой, записанной в память блока управления 18. С выхода измерительной диафрагмы 6 проба одновременно поступает к анализаторам и на вход переливного клапана 7, поддерживающего предварительно настроенный уровень давления пробы 0,1±0,005 МПа.
Блок управления 18, непрерывно получая сигнал от преобразователя давления пробы 13, вычисляет объемный расход пробы, протекающей в системе, используя записанную в его памяти расходно-перепадную характеристику измерительной диафрагмы 6 и давление настройки переливного клапана 7. При изменении расхода пробы от заданного значения блок управления 18 выдает сигнал на электропривод 5, который изменяет положение подвижного органа регулируемого дросселирующего устройства 4, восстанавливая заданный расход пробы.
Автоматическое регулирование температуры пробы на выходе регулируемого дросселирующего устройства 4 в пределах 35±2°С осуществляется блоком управления 18 на основе показаний преобразователя температуры пробы 15 и заданной ее уставки путем изменения байпасного расхода охлаждающей воды регулирующим электромагнитным клапаном 10 охлаждающей воды. При этом основной расход охлаждающей воды настраивается вручную регулирующим вентилем 9 охлаждающей воды.
При достижении температуры пробы на выходе регулируемого дросселирующего устройства 4, регистрируемой преобразователем температуры 15, предельно допустимого значения 45°С блок управления 18 выдает сигнал на закрытие отсечного электромагнитного клапана пробы 2, осуществляя защиту приборов автоматического химического контроля от случайного превышения температуры пробы выше допустимого значения.
При случайном превышении давления пробы сверх давления настройки переливного клапана 7, сигнал от преобразователя давления 13 поступает на блок управления 18, который также выдает сигнал на закрытие отсечного электромагнитного клапана пробы 2.
Контроль за количеством отложений на теплообменной поверхности теплообменника 3 осуществляется следующим образом. Известно, что для поддержания температуры пробы на выходе из теплообменника 3 в заданных пределах, необходимо передать определенное количество теплоты  охлаждающей воде:
где  - количество теплоты, отбираемое охлаждающей водой от пробы;
пр.вх
пр.вых
t, t - температура пробы на входе и выходе из теплообменника 3;
пр
G - массовый расход пробы, рассчитываемый блоком управления 18 по объемному расходу пробы на основе показаний преобразователя давления 13, давления настройки переливного клапана 7 и расходно-перепадной характеристики измерительной диафрагмы 6, записанных в память блока управления 18;
пр
с - удельная теплоемкость пробы.
пр
пр.вых
пр.вх
пр.вх
Так как расход пробы G и значение ее температуры t на выходе из теплообменника 3 (равной температуре, регистрируемой преобразователем температуры пробы 15) поддерживаются постоянными, то количество теплоты  зависит только от температуры пробы t на входе в теплообменник 3. Следовательно, для каждой температуры пробы на входе t можно определить , которое должно передаваться охлаждающей воде.
пр.вых
охл.вх1
пр.вых
В начальный момент эксплуатации теплообменника 3 (без отложений на теплообменной поверхности) для охлаждения пробы с температурой на входе  до температуры t=const необходимо передать количество теплоты  охлаждающей воде. Если охлаждающая вода при этом имеет на входе в теплообменник температуру t, то чтобы пробу охладить до температуры t=const необходим расход охлаждающей воды . Это соответствует точке А на графике на фиг. 2, построенному для .
пр.вых
Графики  определяются экспериментально до ввода теплообменника 3 в штатную эксплуатацию. Для этого на каждой фиксированной температуре пробы на входе  i=1…N, строится зависимость , при условии, что температура пробы на выходе из теплообменника 3 t=const.
В процессе эксплуатации теплообменника 3 происходит образование отложений на поверхности теплообмена, увеличивающих ее термическое сопротивление и, следовательно, снижающих эффективность теплообменника 3 и, как следствие, системы охлаждения. Если в качестве охлаждающей воды используется химически не обработанная техническая вода, то интенсивность образования таких отложений усиливается.
пр.вых
охл.вх1
С ростом отложений на поверхности теплообмена, для охлаждения пробы с температурой, например,  до t=const требуется обеспечить больший расход охлаждающей воды  с температурой t (точка В на фиг. 2). Определение критического расхода охлаждающей воды, при котором дальнейшее использование системы охлаждения неэффективно, выполняет блок управления 18 с соответствующими преобразователями параметров и исполнительными элементами.
Блок управления 18 при определении эффективности работы системы охлаждения работает по следующему алгоритму:
1) С помощью преобразователя температуры 14 пробы фиксируется текущая температура пробы  на входе в теплообменник 3.
охл.вх
2) По текущей температуре охлаждающей воды на входе в теплообменник t, измеренной с помощью преобразователя температуры охлаждающей воды 16, определяется по графику на фиг. 2 номинальный расход охлаждающей воды  для текущей температуры пробы , соответствующий теплообменнику без отложений.
3) Производится сравнение номинального расхода воды , полученного по графику на фиг. 2 (см. пункт 2) с текущим расходом охлаждающей воды , измеренным расходомером охлаждающей воды 11. Если , блок управления 18 выдает предупредительный сигнал, оповещающий о критическом снижении эффективности системы охлаждения вследствие наличия отложений на поверхности теплообменника и необходимости его очистки от них. Величина коэффициента k может находиться в пределах k=1,4…1,6, что соответствует снижению эффективности теплообменника на 40…60%.
Заявленное устройство для подготовки пробы теплоносителя по сравнению с прототипом:
- автоматически поддерживает заданную температуру пробы на выходе из устройства в требуемом диапазоне;
- непрерывно контролирует эффективность работы системы охлаждения.