УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКОЙ НА СИНТЕЗ ГАЗЕ (CO+H2)

Полезная модель относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначена для управления и контроля над данными установками путем реализации алгоритмов и постоянной передачи значений контролируемых параметров данных систем.
Уровень техники
1
2
2
1
1
2
Известна энергоустановка (ЭУ) на основе топливных элементов и способ управления энергоустановкой (Патент RU 2345447 C1, МПК H01M 8/04, H01M 16/00, 30.07.2007), которая содержит батарею топливных элементов, генератор водорода, преобразователь напряжения, регулирующий клапан и систему управления режимами работы энергоустановки, входы измерения напряжений которой соединены с выходными выводами батареи топливных элементов и преобразователя напряжения, а управляющий выход подключен к входу управления регулирующего клапана, выход генератора водорода соединен с входом водородной полости батареи топливных элементов, к выходу водородной полости подключен регулирующий клапан. Согласно изобретению регулирующий клапан выполнен с двумя уровнями P и P давления срабатывания, причем P>P первому уровню P соответствует режим продувки водородной полости избыточным расходом водорода, а второму уровню P - режим аварийного стравливания водорода при неисправностях генератора водорода или при переходных процессах в рабочем режиме, а система управления режимами работы энергоустановки содержит блок управления регулирующим клапаном, выполненным с возможностью реализации следующей функции:
1
A=1 при U>U,
2
A=0 при U<U,
где A=0 сигнал перевода регулирующего клапана в положение «Продувка»;
A=1 сигнал перевода регулирующего клапана в положение «Работа»;
U - напряжение на выходе преобразователя напряжения;
1
2
1
2
U, U - напряжение переключения клапана, причем U>U.
2
1
1
2
2
1
В способе управления энергоустановкой, в соответствие с данным патентом, при уменьшении напряжения на выходе энергоустановки ниже уровня U осуществляют переключение регулирующего клапана в положение «Продувка» с давлением срабатывания P, продувают водородную полость избыточным расходом водорода и при увеличении напряжения на выходе энергоустановки выше уровня U переключают регулирующий клапан в положение «Работа» с давлением срабатывания P, при котором водород аварийно стравливают при неисправностях генератора водорода или при переходных процессах, причем P>P.
Недостатком данного способа управления энергоустановкой является изучение лишь вольтамперных характеристик, ухудшение которых происходит вследствие повышенной концентрации вредных продуктов реакции и/или избыточной или недостаточной подачи воздуха и обеспечивает оптимальные время и продолжительность режима продувки и требуемый расход воздуха. Не учитывается защита электрохимического генератора в случае аварийных ситуаций (отсутствие топлива, отключение нагрузки, изменение параметров давления подаваемого синтез-газа и воздуха). А так же данный способ управления не дает возможности дистанционного управления энергоустановкой на определенных расстояниях и передачу данных о состоянии энергоустановки на пульт диспетчера.
За прототип принята известная энергоустановка (ЭУ) на топливных элементах (Патент RU 2356134 C1, H01M 14/00, H01M 8/04, 17.03.2008), содержащая систему автоматического управления, которая включает в себя инвертор и датчик выходного напряжения генератора, подключенный к входу систему автоматического контроля и управления, при этом в нее введены стабилизатор напряжения, преобразователь DC/DC и три коммутационных элемента, причем входы стабилизатора напряжения и преобразователя DC/DC подключены к выходу генератора на ТЭ, а выходы стабилизатора, генератора и преобразователя DC/DC соединены с входом инвертора через соответствующие коммутационные элементы, управляющие входы которых связаны с выходами системы автоматического управления и контроля.
Недостатком данной системы управления является серьезная медлительность при выполнении системой команд в случае резкого скачка или полного сброса нагрузки, при этом промедление в 0,5 сек., что приведет электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах в неисправное состояние и потребует его замены.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечить бесперебойное управлении источниками тока при температуре -50°C…+50°C за счет внедрения автономного контроллера безопасности с дублированными датчиками и исполняющими устройствами на критический и исполнительный режим работы.
Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, состоит в обеспечении регулировки и контроля энергоустановки на синтез газе, в обеспечении более длительного срока полезного использования твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), в защите ТОТЭ в случае аварийных ситуаций и в передаче данных о состоянии энергоустановки на пульт диспетчера.
Новизна данного технического решения достигается за счет внедрения дополнительного автономного контроллера безопасности с дублированными датчиками и исполнительными устройствами с целью осуществления алгоритма действий для критического и исполнительного процесса.
2
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как оно может быть использовано в системах автоматического управления энергоустановок на синтез газе (CO+H) для нужд станций катодной защиты при транспорте газа и нефти.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - принципиальная схема функционирования основного контроллера, контроллера безопасности, пульта диспетчера, а так же датчиков, исполняющих устройств и каналов их подключения друг к другу.
Осуществление полезной модели
2
Фиг. 1 - представляет собой принципиальную схему функционирования контроллера безопасности и основного контроллера в рамках устройства контроля и управления. Устройство контроля и управления, предназначенное для системы автоматического управления энергоустановки на синтез газе (CO+H) содержит блок управления, соединенный со стабилизатором напряжения, блок управления включает в себя программируемый контроллер безопасности. Контроллер безопасности предусматривает возможность обмена с основным контроллером информацией, которая поступает с датчиков и исполнительных устройств. Контроллер безопасности выполнен с возможностью подачи и получения сигнала на и с пульта диспетчера.
Основной контроллер получает данные с датчиков расхода топлива, воздуха, давления, температуры, напряжения и измерения тока и в зависимости от значения полученных показателей осуществляет управления исполняющими устройствами (задвижки, вентили, дроссели, контакторы, воздуходувки) и преобразователями DC/DC, DC/AC по интерфейсу RS-485.
Задачи, выполняемые основным контроллером:
1. Обеспечение работы энергоустановки на синтез-газе в исполнительном режиме (подача топлива и окислителя в требуемом соотношении, поддержание заданной температуры, давления и т.д.)
сн4
в
в
сн4
- Смешение природного газа - V с воздухом на конверсию - V в заданном интервале значений V=(3,2±0,15)V
- Поддержание температуры элементов электрохимического генератора 850°C
- Регулирование подачи воздуха в анодный тракт в расчетном соотношении Vв=(3,2±0,15).
- Регулирование процесса редуцирования газа до требуемого значения
2. Взаимодействие ЭУ и потребителей электроэнергии
- выходное напряжение ~220 в ±5%;
- частоту переменного тока 50±0,2 Гц
3. Выполнение планового разогрева энергоустановки на синтез газе:
- Подать воздух в катодный тракт (расход воздуха при пуске (25-30) нм3/час.
- Подать воздух и топливный газ на газовую горелку с избытком воздуха 1,3.
- При достижении температуры конвертора 700°C начать подачу в конвертор смесь метана и воздуха в заданном соотношении 1/3
- При достижении максимальной температуры в ЭХГ 900°C отключить подачу топлива и воздуха на стартовую горелку.
- При достижении максимальной температуры ЭХГ снизить расход воздуха в катодный тракт до 10 нм3/час.
- Стабилизировать температуру ЭХГ в интервале (850-920)°C с помощью перераспределения расхода воздуха катодного тракта
Контроллер безопасности отвечает за проверку работы основного контроллера, за проверку исправной работы датчиков, за регуляцию действий при аварийных ситуациях (отсутствие топлива, отключение нагрузки, изменения параметров давления) и за передачу данных о состоянии энергоустановки на пульт диспетчера об исполнительном и критическом процессе работы ЭУ. Это осуществляется за счет дублирования датчиков и исполнительных устройств, за счет обмена информации с основным контроллером, полученных с датчиков, прикрепленных к основному контроллеру.
Контроллер безопасности контролирует:
Датчики давления на всех трактах, в том числе на выходе:
- Вход в анодный тракт
- Вход в катодный тракт
- Анодный тракт окислитель
- Выход анодный тракт
- Выхлоп
Датчики расхода:
- У входа в анодный тракт
- У входа в катодный тракт
- У входа в анодный тракт окислитель
Датчики температуры:
- На входе в катодный тракт
- Топливная батарея
- На выходе (для расчета) выхлопа топливной батареи
Датчики напряжения:
- Выход у топливной батареи
- На входе и выходе у АКБ (аккумуляторных батарей)
- Выход DC/DC
- Выход DC/AC
- На все контакторы контроллера основного (+/- к топливной батареи, DC/DC, DC/AC, у АКБ)
Датчики тока:
- Выход у топливной батареи
- На входе и выходе у АКБ (аккумуляторных батарей)
- Выход DC/DC
- Выход DC/AC
- На воздуходувке
- На все контакторы контроллера основного (+/- к топливной батареи, DC/DC, DC/AC, у АКБ)
Исполнительные устройства:
- Задвижки на топливо (синтез газ) анодный тракт
- Задвижки на анодный тракт окислитель
- Воздуходувка
- Контакторы
- К1 - отключают потребителя на выходе из DC/AC преобразователя
- К2 - отключают АКБ на выходе от DC/DC преобразователя
- К3 - отключают топливную батарею
- К4 - подводит питание к воздуходувке в диапазоне от 0 до 24 В по параллельному интерфейсу аналоговыми сигналами
Задачи, выполняемые контроллером безопасности:
1. Выполнение проверки исправности работы датчиков, прикрепленных к основному контроллеру и датчиков, прикрепленных к контроллеру безопасности за счет сопоставления получаемых данных
2. Выполнение проверки работоспособности системы за счет получения данных с датчиков безопасности, прикрепленных к контроллеру безопасности и сопоставления их с критическими значениями для ЭУ
3. Выполнение автоматического вывода ЭУ при критических процессах (аварийные ситуации: повышение температуры в ЭУ, снижение температуры в ЭУ, повышение давления топлива при входе в ЭУ, резкое снижение давления топлива на входе, снижение напряжения на выходе из ЭУ, короткое замыкание, повышение напряжения на выходе из ЭУ)
4. Выполнение режима защиты ЭУ и потребителя при критической работе энергоустановки
5. Осуществление режима продувки ЭУ и обеспечение плавного сброса нагрузки при критических процессах ЭУ
6. Передача данных о режиме работы ЭУ на пульт диспетчера
Принципиальная схема функционирования основного контроллера, контроллера безопасности, пульта диспетчера, а так же датчиков, исполняющих устройств и каналов их подключения друг к другу поясняет способ функционирования системы на фиг. 1.
А так же расположение основных датчиков и исполняющих устройств можно видеть на схеме расположения основных датчиков и исполняющих устройств, подконтрольных системе контроллеров ЭУ фиг. 2.
Основной контроллер получает информацию с датчиков и сравнивает их с запрограммированными допустимыми значениями, пригодными для исполнительного режима работы ЭУ. При начальном пуске энергоустановки контроллер безопасности получает данные с датчиков и сравнивает их с запрограммированными допустимыми и критическими значениями, пригодными для работы ЭУ. Наибольшая точность достигается следующим образом: датчики соединяются с контроллерами по разными линиям связи, и как следствие каждый из контроллеров получает достоверные данные, непосредственно с датчиков измерения (датчики давления, расхода топлива, температуры, напряжения, тока).
Контроллер безопасности при стабильной работе ЭУ находится в режиме ожидания, постоянно получая данные с датчиков и основного контроллера один раз в минуту, сравнивает полученные данные и делает вывод о работоспособности системы. При совпадении данных ЭУ продолжает работу в штатном режиме. При несовпадении данных, полученные данные с обоих источников не должны превышать запрограммированные критические значения. При превышении критических значений проводится анализ и делается вывод либо о неисправности одного из источников данных (датчиков), либо о возникновении аварийного процесса на ЭУ, эти данные посылаются на диспетчерский пульт. В случае, если посредством регулировки системой не получилось достичь допустимых значений для исполнительного режима работы ЭУ, и значения показателей остаются критическими, контроллер безопасности подает сигнал и по мере необходимости:
- включается режим защиты потребителя (путем переключения его на потребление энергии от аккумуляторных батарей и постепенного отключения) и ЭУ (путем прекращения подачи топлива);
- осуществляется продувка ЭУ и обеспечивается плавный сброс нагрузки;
- включается алгоритм аварийного выключения. На основной контроллер передается стабилизирующий сигнал в форме постоянного напряжения 5 В, при получении такого сигнала основной контроллер выполняет аварийное отключение;
- помимо этого существует автономная связь с диспетчерским пультом, с помощью которой контроллера безопасности передает данные ос состоянии датчиков и устройств и состоянии аварии.
В случае если аварийное состояние зафиксировано основным контроллером, а контроллер безопасности не фиксировал аварийных состояний, то он запрашивает у контроллера безопасности информацию о состоянии параметров системы и использует данные, получаемые с датчиков контроллера безопасности как источника информации в случае неисправности датчиков основного контроллера.
При условии, что параметры системы больше критических значений для работы ЭУ, то контроллер безопасности и основной контроллер параллельно выполняют режим аварийного отключения, а так же посылают сигнал на диспетчерский пульт об аварии и о неисправности канала управления или датчика, и передается право принимать решение диспетчеру.
Пояснения к схеме
<img file="00000002.tif" he="8" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
Вентиль
<img file="00000003.tif" he="8" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
Регулятор давления
<img file="00000004.tif" he="5" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
Задвижка
<img file="00000005.tif" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
Пересечение трактов
<img file="00000006.tif" he="4" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
Нет пересечения трактов
<img file="00000007.tif" he="4" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
Датчики основного контроля
<img file="00000008.tif" he="4" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
Датчики контроллера безопасности
<img file="00000009.tif" he="8" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
Р
Реформер
<img file="00000010.tif" he="5" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
Г1
Горелка запуска
<img file="00000011.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
Г2
Выключение горелки
<img file="00000012.tif" he="10" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
И1
Инжектор (горячий бокс)
И2
Инжектор (модуль запуска стартовой горекли)
<img file="00000013.tif" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
В1, В2
Воздуходувка
<img file="00000014.tif" he="4" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
«Тройник» (распределитель воздуха на несколько трактов)
<img file="00000015.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
Т1
Теплообменник CPOX
<img file="00000016.tif" he="6" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" />
Т2
Теплообменник катод
СН
Собственные нужды
П
Потребитель
АКБ
Аккумуляторные батареи
DC/AC
Преобразователь напряжения из постоянного в переменное
DC/DC
Преобразователь постоянного напряжения