УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДОТОПЛИВНЫМ КОТЛОМ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может найти практическое применение при отоплении небольших зданий промышленного назначения, частных домов, включая коттеджное жилье. Устройство относится к автоматизированным угольным котлам, работающим на любом сорте угля, и может быть использовано для осуществления управления автоматическими твердотопливными котлами со шнековой подачей топлива.
Основной проблемой, возникающей при организации непрерывной подачи твердого топлива в камеру сгорания топки, является заклинивание шнека. Если в поступающем угле окажется кусок металла или породы, который шнек не может размолоть, и этот кусок попадет в зону подачи угля из бункера (место сопряжения корпуса шнекового конвейера с шахтой подачи угля из бункера), произойдет заклинивание шнека. В существующих конструкциях шнековых конвейеров на вал электропривода ставят предохранительную шпонку, срезаемую при заклинивании. Это неудобно для потребителя, так как для восстановления работы приходится останавливать шнековый конвейер и менять эту деталь.
Известен автоматизированный угольный котел, содержащий бункер для твердого топлива, перпендикулярно к нему расположенное устройство подачи топлива, горелочное устройство, устройство подачи воздуха, водоохлаждаемую топку, состоящую из камеры сгорания и камеры дожигания, изнутри футерованную огнеупорным кирпичом, теплообменник, зольник, а также блок автоматизации и электропривод, причем котел дополнительно снабжен двумя гравитационными фильтрами, установленными последовательно с теплообменником в дымовой трубе, при этом теплообменник находится между фильтрами, а устройство подачи твердого топлива выполнено в виде шнекового конвейера, заключенного в цилиндрический корпус, ось которого проходит от бункера через топку котла, камеру сгорания вдоль оси горелочного устройства так, что внутренняя полутруба горелки является продолжением корпуса шнекового конвейера и имеет диаметр, равный диаметру трубы корпуса шнекового конвейера, а в камере сгорания и камере дожигания расположены огнеупорные трубки подачи вторичного воздуха (патент РФ 2451239, м.кл. F23B 40/00, опубл. 20.05.2012). В известном патенте подача топлива осуществляется при помощи шнека и проблема с заклиниванием решается при помощи периодического включения шнека в обратном направлении, т.е. шнек постоянно повторяет следующую операцию: движение вперед - чтобы подать топливо, движение назад - чтобы расклинить шнек, если заклинивание произошло. Время работы шнека в прямом направлении всегда больше времени работы в обратном, именно этим обеспечивается подача топлива именно в прямом направлении из хранилища топлива в зону горения.
Недостатком данного устройства является возможность заклинивания шнека, выход из строя мотор-редуктора из-за того, что усилие, развиваемое шнеком, никак не контролируется, система не имеет обратной связи и не знает произошло заклинивание или нет. Если инородное тело заклинило шнек сразу после начала движения шнека, шнек не будет остановлен, пока не завершит по времени цикла свою работу. Инородное тело может сломать лопасти шнека и привести к заклиниванию, которое потребует серьезного обслуживания системы.
Наиболее близким по техническим характеристикам к заявляемому является устройство автоматического контроля и управления твердотопливным котлом (патент РФ 200548, м.кл. F23N 1/00, опубл. 28.10.2020). Устройство включает вычислитель, представляющий собой корпус с размещенными в нем печатными платами, выполняющими функции дискретных входов и выходов, аналогово-цифрового преобразователя, процессорной платы, экрана и клавиатуры. Дискретные входы предназначены для подключения к датчикам, установленным на котле. Устройство снабжено силовым блоком, выполненным с возможностью управления приводом шнека подачи топлива в режиме «работа - реверс». Силовой блок выполнен в виде силового элемента, подающего ток на обмотку прямого хода привода шнека подачи топлива и силового элемента, подающего ток на обмотку обратного хода привода шнека подачи топлива, параллельно подключенных к релейному выходу контроллера и датчика измерителя тока потребления привода шнека. В зависимости от величины потребления тока привода шнека, определяемого через измеритель тока, устройство подает управляющий сигнал на привод шнека подачи топлива в режиме «реверс» при превышении контролируемой величины потребления тока привода шнека заданного порогового уровня. Устройство обеспечивает оптимальные условия функционирования котла посредством автоматического управления подачей топлива, воздуха, обеспечения циркуляции теплоносителя с помощью насосов и поддержания температуры теплоносителя на заданном уровне при помощи заранее заданных значений параметров управления, с учетом текущих контролируемых значений параметров.
Недостатками устройства-прототипа являются: необходимость точной настройки порогового тока, поскольку от этого зависит стабильность работы; слишком низкий пороговый ток будет приводить к ложным срабатываниям реверса, слишком высокий - к заклиниванию шнека и выходу из строя электродвигателя; ограниченная область применения при использовании с двигателями разной мощности, так как необходимо обеспечить широкий диапазон измерения тока; а также сложное подключение трехфазных электродвигателей, поскольку требуется коммутация и измерение тока по трем фазам.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание устройства автоматического контроля и управления твердотопливным котлом, позволяющего устранить недостатки прототипа.
Технические результаты, достигаемые при использовании заявляемой полезной модели:
- расширение арсенала технических средств, предназначенных для автоматического контроля и управления твердотопливным котлом;
- повышение безопасной эксплуатации твердотопливных котлов при аварийной ситуации;
-повышение степени защиты от поломок электродвигателя, вызванных заклиниванием шнека;
- повышение технологичности и снижение трудоемкости при выполнении работ по подключению электродвигателей;
- повышение удобства при эксплуатации устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве автоматического контроля и управления твердотопливным котлом, включающем контроллер, представляющий собой корпус с размещенными в нем печатными платами, выполняющими функции дискретных входов и выходов, аналогово-цифрового преобразователя, процессорной платы, экраном и клавиатурой; при этом дискретные входы предназначены для подключения к датчикам, установленным на твердотопливном котле и силовой блок, выполненный с возможностью управления приводом шнека подачи топлива в режиме «работа - реверс», в соответствии с заявляемым устройством, силовой блок выполнен с возможностью управления приводом шнека подачи топлива в зависимости от величины частоты вращения вала электродвигателя шнека подачи топлива, определяемой через измеритель частоты вращения вала, и возможности подачи управляющего сигнала на привод шнека подачи топлива в режиме «реверс» при превышении контролируемой величины частоты вращения вала электродвигателя, преобразованной в электрический сигнал, заданного порогового уровня.
Устройство дополняют уточняющие частные отличительные признаки, способствующие достижению заявляемого технического результата
Измеритель частоты вращения вала электродвигателя выполнен в виде датчиков угла поворота - энкодера.
Измеритель частоты вращения вала выполнен в виде цифрового датчика Холла.
Силовой блок включает реле, подающие ток на обмотку прямого хода привода шнека подачи топлива и на обмотку обратного хода привода шнека подачи топлива, параллельно подключенных к дискретным выходам контроллера и к двигателю мотор-редуктора привода шнека.
На фиг. 1 представлена схема заявленного устройства. Устройство автоматического контроля и управления твердотопливным котлом с функцией реверса шнека включает в себя:
1а - устройство реализующее логику работу контроллера котла (может быть реализовано в виде интегральной микросхемы микроконтроллера, программируемый логический контроллер (ПЛК) или промышленного компьютера);
1 - силовой элемент - реле подающее ток на обмотку прямого хода электродвигателя шнека подачи топлива;
2 - силовой элемент - реле подающее ток на обмотку обратного хода электродвигателя шнека подачи топлива;
3 - измеритель частоты вращения вала электродвигателя шнека подачи топлива;
4 - электродвигатель шнека подачи топлива;
5 - цифровая шина связи с модулями, расширяющими функционал контроллера;
6 - датчик крышки бункера;
7 - датчики температуры воздуха отапливаемого помещения;
8 - датчик температуры теплоносителя в контуре теплых полов;
9 - датчик температуры теплоносителя в контуре общего назначения;
10 - датчик температуры уходящих дымовых газов;
11 - датчик уличной температуры;
12 - датчик температуры трубы шнека;
13 - датчик температуры контура горячего водоснабжения;
14 - датчик температуры котла центрального отопления;
15 - экран и система ввода информации в контроллер;
16 - модуль связи с сетью интернет;
17 - силовой элемент, управляющий трех-четырёхходовым клапаном;
18 - трех-четырехходовой клапан;
19 - силовой элемент, управляющий ворошителем топлива в бункере;
20 - электродвигатель ворошителя;
21 - силовой элемент, управляющий системой золоудаления котла;
22 - электродвигатель шнека золоудаления;
23 - насос контура центрального отопления;
24 - силовой элемент, управляющий насосом центрального отопления;
25 - насос контура горячего водоснабжения;
26 - силовой элемент, управляющий насосом контура горячего водоснабжения;
27 - насос контура теплых полов;
28 - силовой элемент, управляющий контуром теплых полов;
29 - насос контура общего назначения;
30 - силовой элемент, управляющий насосом контура общего назначения;
31 - звуковой излучатель для информирования пользователя посредством звуковой информации;
32 - дутьевой вентилятор для подачи воздуха в камеру сгорания;
33 - термостат разрывающий подачу тока на вентилятор при превышении критической температуры термостата;
34 - силовой элемент, управляющий плавно оборотами вентилятора;
35 - концевой датчик, позволяющий контроллеру управлять котлами с помповой подачей топлива (тип котлов с помповой подачей топлива вместо шнековой);
36 - оптический датчик, сообщающий о наличии пламени в горелке;
37 - лямбда-датчик, участвующий в анализе концентрации кислорода в дымовых газах, нужен для того, чтобы судить об избытке кислорода в зоне горения, т.е. качестве сжигания твердого топлива;
38 - канал автоподжега используется для того, чтобы производить розжиг топлива без участия человека, в случае затухания котла или при первом его розжиге.
Контроллер 1а представляет собой корпус с размещенными в нем печатными платами, выполняющими функции дискретных входов и выходов, аналогово-цифрового преобразователя, процессорной платы, экрана и клавиатуры (на фиг. не отмечены). Дискретные входы предназначены для подключения к датчикам, установленным на котле, а дискретные выходы для подключения силовых элементов.
Силовой блок включает реле 1 и 2, которые управляют электродвигателем шнека подачи топлива. Если замыкается реле 1, то шнек вращается в прямом направлении, если - реле 2, то шнек вращается в обратном направлении. За прямую подачу топлива принято направление вращение шнека, когда топливо в шнековом конвейере движется по направлению от бункера к горелке, за обратную - когда топливо движется от горелки к бункеру.
Реле 1 и реле 2 никогда не могут работать одновременно, т.к. это вызовет, перегрев обмоток и очень быстрый выход из строя электродвигателя, даже используемого без нагрузки.
Устройство управления котлом работает следующим способом: шнек подачи топлива порционно подает топливо в область горения, дутьевой вентилятор 32 нагнетает воздух, таким образом обеспечивается сжигание твердого топлива. В процессе горения образуется тепловая энергия, которая расходуется на нагрев теплоносителя. Температура теплоносителя задается пользователем, текущая температура измеряется датчиком 14 текущей температуры котла центрального отопления. Также устройство обеспечивает управление насосами для перемешивания теплоносителя. Силовой элемент 17 управляет трех-четырехходовым клапаном 18, управляет заслонкой, в открытом на 100% положении на выходе клапана горячая вода, в положении 0% - полностью холодная, при разном положении заслонки клапана можно добиться любой промежуточной температуры в этом смысл трех или четырех ходового клапана - подмес теплоносителя из разных контуров. Клапан 18 выполнен в виде электронного смесительного клапана.
Для того чтобы обеспечить безопасность от возгорания в бункере используется датчик 12 температуры трубы шнека, который непрерывно измеряет температуру трубы шнека и предотвращает распространение пламени из горелки в бункер.
Устройство способно управлять бойлером косвенного нагрева при помощи насоса и датчика температуры бойлера косвенного нагрева. Контур горячего водоснабжения: насос 25, силовой элемент 26 и датчик 13 измеряющий текущее значение температуры контура, позволяют готовить в бойлере косвенного нагрева воду нужной температуры для хозяйственных нужд.
Для подключения водяных теплых полов используют два контура - контур №1 и №2, каждый контур состоит из насоса 23, 25, который перемещает по замкнутому и изолированному от главного контура котла теплоноситель и датчика температуры 8, 9 теплоносителя этого контура, который позволяет системе измерять температуру в каждом контуре отдельно от других контуров и поддерживать нужную пользователю температуру.
Запуск устройства управления твердотопливным котлом осуществляется в ручном режиме предварительным разжиганием сухого топлива, ожиданием обширного воспламенения и затем включением автоматического режима работы с заранее настроенными силы наддува вентилятора.
В автоматическом режим запуск системы осуществляется при помощи канала 38 автоподжега, который нагревает сухое топливо до температуры воспламенения, затем процесс горения стабилизируется, и устройство переходит к автоматической подаче топлива и воздуха дутьевым вентилятором 32.
После того, как топливо на горелке стало стабильно генерировать тепловую энергию температура водяной рубашки котла начинает расти, включается циркуляционный насос, обеспечивая циркуляцию теплоносителя.
Режим подачи топлива в топку шнеком подбирается таким образом, чтобы уровень топлива на горелке был постоянным и обеспечивалось равномерное обширное горение всего слоя топлива. Для этого производят настройку времени коэффициентов алгоритма регулирующего подачу воздуха и коэффициентов регулирующего подачу топлива. Устройство управления самостоятельно принимает решение об изменении количества подачи топлива и мощности надува ориентируясь на датчик температуры 10 уходящих дымовых газов, датчик температуры теплоносителя 13, 14 и лямбда-датчик 37 уходящих газов для того, чтобы поддерживать заданную температуру и при этом расходовать минимальное количество топлива.
При превышении температуры, измеряемой датчиком температуры 12 трубы шнека в трубе шнека срабатывает система пожарной защиты и находящееся в трубе топливо аварийно выталкивается в зону горения, затем останавливаются вентилятор и электродвигатель шнека подачи топлива.
Для улучшения эксплуатационных свойств, предотвращения аварийных ситуаций, в устройстве предусмотрен реверс шнека подачи топлива и управление его движением, в зависимости от частоты импульсов с измерителя частоты 3, который измеряет частоту вращения вала электродвигателя шнека подачи топлива. Часто заклинивание шнека происходят с ретортными горелками, т.е. такими в которых требуется еще большее усилия от электродвигателя чтобы провернуть реторту дополнительно вместе со шнеком. Также, часто заклинивания происходят из-за сложных условий эксплуатации, нарушения технологии изготовления чугунной реторты, попадания инородных предметов (камней, гвоздей и др.) в топливо.
Измеритель частоты 3 представляет собой датчик преобразующий частоту вращения вала в электрический сигнал, который представляет собой серию чередующихся импульсов прямоугольной формы, где «0» - принимается за отсутствие потенциала, а «1» - за потенциал равный напряжению питания датчика. Частота электрических импульсов зависит от частоты вращения вала, чем выше частота вращения, тем выше частота импульсов и наоборот (фиг. 4).
Измеритель частоты 3 может быть выполнен, как с использованием заводских датчиков, например, выпускающихся серийно - датчиков угла поворота (энкодер), так и изготовленных по индивидуальной конструкции (фиг. 2, 3).
В системе измеритель частоты 3 может быть установлен либо на вал электродвигателя, либо на вал шнека подачи топлива. Поскольку вал электродвигателя связан с валом шнека подачи топлива при помощи редуктора, место установки значения не имеет. В независимости от места установки измерителя частоты, устройство может однозначно определить, вращается шнек или нет.
Устройство не требует никакой предварительной настройки для работы с разными электродвигателями, главным критерием детектирования заклинивания является снижение частоты импульсов с измерителя частоты до 0. Если система зафиксировала падение частоты до 0, значит вал не вращается и необходимо остановить прямую подачу топлива, после чего включить обратную подачу топлива (реверс) на несколько секунд, чтобы попытаться расклинить шнек и предотвратить выход из стоя электродвигателя. К тому же обратное вращение шнека, заставляет твердое топливо, находящееся в шнеке, изменять свое положение, что может позволить избавиться от заклинивания при следующей прямой подачи.
На фиг. 2 изображена схема оптического измерителя частоты, где 39 - диск, непрозрачный для ИК излучения, 40 - вал, передающий вращение на диск, 41 - ИК излучатель, 42 - ИК приемник, 43 - прозрачное для ИК излучения окно в диске. Излучатель 41 и приемник 42 крепятся неподвижно на одной оси. Диск 39 неподвижно закреплен на валу 40, при этом вал может свободно вращаться вокруг своей оси. Вал 40 соединятся с валом электродвигателя, либо с валом шнека подачи топлива при помощи переходной муфты.
Оптический измеритель частоты работает следующим образом: излучатель 41 работает постоянно, приемник 42 регистрирует излучение излучателя, если излучение есть, приемник выдают логическую «1» равную напряжению питания приемника, если излучения нет, приемник выдают логический «0» равный нулевому потенциалу. Вращение от электродвигателя, либо от шнека передается через переходную муфту и вал 40 на диск 39. Вращаясь, диск периодически перекрывает световой поток от излучателя 41 к приемнику 42, таким образом, приемник регистрирует изменение светового потока. Приемник генерирует на выходе сигнал прямоугольной формы (меандр). Частота сигнала прямо пропорциональна частоте вращения вала 40.
На фиг. 3 изображена схема измерителя частоты на основе цифрового датчика Холла, где 44 - диск, выполненный из ферромагнитного материала, 45 - вал, передающий вращение на диск, 46 - датчик Холла, 47 - воздушный зазор между датчиком Холла и диском, 48 - углубление в диске. Датчик Холла 46 крепится неподвижно, при этом между краем датчика Холла и диском обеспечивается воздушный зазор 47. Диск 44 неподвижно закреплен на валу 45, при этом вал может свободно вращаться вокруг своей оси. Вал 45 соединятся с валом электродвигателя, либо с валом шнека подачи топлива при помощи переходной муфты.
Измеритель частоты на основе цифрового датчика Холла работает следующим образом: вращение от электродвигателя, либо от шнека передается через переходную муфту и вал 45 на диск 44, датчик Холла работает постоянно и при вращении диска 44 регистрирует чередование выступов и впадин. Каждая смена «выступ-впадина» заставляет датчик Холла переключить свое логическое состояние. Таким образом, при вращении диска, датчик Холла генерирует на выходе сигнал прямоугольной формы (меандр). Частота сигнала прямо пропорциональна частоте вращения вала 45.
1
2
На фиг. 4 изображены графики, где 49 - скорость вращения вала f(t), 50 - сигнал с измерителя частоты вращения вала f(t). На графиках можно выделить три участка. Участок 51 - характеризуется постоянной скоростью вращения вала и постоянной частотой сигнала; участок 52 - снижением скорости вращения вала и понижением частоты сигнала; участок 53 - заблокированным валом и нулевой частотой сигнала.
Алгоритм детектирования заклинивания шнека:
1. Включаем подачу тока через реле 1 (прямой ход) на электродвигатель шнека подачи топлива.
2. Производим расчет среднего значения частоты вращения вала по результатам 3-х измерений.
3. Сравниваем среднее значение частоты с пороговым значением X: если средняя частота больше X, значит вращение происходит; если значение меньше, либо равно X, значит вращение вала прекратилось, обнаружено заклинивание шнека, необходимо перейти в режим реверса (пункт 4).
4. Если заклинивание детектировано, то отключаем подачу тока через реле 1, включаем подачу тока через реле 2 (обратный ход) на несколько секунд.
5. Повторяем пункты 1-3.
6. Если заклинивание детектируется 3 раза подряд, устройство останавливает подачу топлива, переводит котел в режим «стоп», включает сигнализацию об ошибке.
Использование предлагаемого устройства положительно скажется на эксплуатационных характеристиках и долговечности работы котла т.к. повышается автономность работы котла, механическим частям не приходится работать при перегрузках, электродвигатель не работает в режиме заклинивания ротора.
Практическая реализация.
Разработаны и испытаны устройства для управления твердотопливными котлами со шнековой подачей. В таблице приведены основные технические характеристики устройства управления.
ТаблицаОсновные технические характеристики контроллера твердотопливных котлов
Напряжение питания, В
230
Максимальная потребляемая собственная мощность контроллера, Вт
10
Степень защиты корпуса
IP40
Диапазон измерения температуры датчиков ЦО/ГВС, °С
0-100
Диапазон настройки температуры ЦО, °С
40-95
Диапазон настройки температуры ГВС, ºС
40-95
Диапазон рабочих температур, °С
0-50
Максимальная мощность насоса ЦО, Вт
250
Максимальная мощность насоса ГВС, Вт
250
Максимальная мощность шнека, Вт
700
Максимальная мощность вентилятора, Вт
250
Предохранительная вставка силовых выходов, А
6,3
Решаемая задача полезной модели заключается в разработке устройства управления автоматическим котлом повышенной надежности, экономичности, долговечности, бесперебойной работы автоматического котла со шнековой подачей и увеличение времени безостановочной работы для ретортных горелок, которые были произведены с нарушением технологии литья.