АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОТОПИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
AUTOMATED HEATING PLANT

Изобретение относится к промышленным отопительным установкам, работающим на твердом топливе, в том числе на увлажненных и содержащих токсические вещества отходах деревоперерабатывающего, мебельного, сельхозперерабатывающих и др. производств, и может быть использовано в качестве установки для утилизации отходов.
Известна отопительная установка, имеющая по меньшей мере один отопительный котел, трубопровод исходной воды, а также трубопровод сетевой воды с циркуляционным насосом и вспомогательное оборудование (см., например, Большая советская энциклопедия, БСЭ, 2001 г., ст.«Котельная установка»).
Недостатком этой установки является низкая экономичность из-за невозможности использования в качестве топлива твердых отходов различных производств. Объясняется это отсутствием возможности автоматизации работы твердотопливного котла (т.к. невозможно получить стабильный во времени процесс горения твердого топлива), что не позволяет контролировать параметры процесса горения, а значит и количество вредных веществ в продуктах сгорания.
Известна взятая за прототип автоматизированная отопительная установка, имеющая по меньшей мере один отопительный котел, трубопровод исходной воды, трубопровод сетевой воды с основным и резервным циркуляционными насосами, а также систему автоматического регулирования, систему автоматического пожаротушения, имеющую датчик температуры и систему контроля напряжения (см., например, автоматизированную отопительную установку по свидетельству РФ на полезную модель №15509 от, 09.12.1999 г., МПК F22В 33/00).
Недостатком этой установки также является низкая экономичность из-за ограниченности технических возможностей, в частности из-за невозможности использования в качестве топлива твердых отходов, например деревоперерабатывающего и мебельного производств (которые много дешевле, чем твердое или газообразное топливо, но, как правило, увлажнены и содержат токсические вещества), а значит и невозможность работы одновременно в качестве установки для утилизации отходов, т.к. конструкция такой установки в соответствии с требованиями экологии должна обеспечивать минимальное содержание вредных веществ в продуктах сгорания, попадающих в атмосферу.
2
Связано это с тем, что в отопительной установке отсутствует устройство, которое позволило бы эффективно (до полного термического разложения) перерабатывать твердые отходы в генераторный газ, а ограниченность технических возможностей системы автоматического регулирования не позволяет поддерживать на заданном уровне как минимум два контролируемых параметра, стабильность которых необходима для того, чтобы гарантировать низкое содержание токсических веществ (в частности, СО) в конечных продуктах сгорания.
Изобретение решает задачу создания экономичной автоматизированной отопительной установки, обеспечивающей высокоэффективное и экологически чистое сжигание твердых увлажненных отходов, содержащих токсические вещества.
Для решения этой задачи известная автоматизированная отопительная установка, имеющая по меньшей мере один отопительный котел, трубопровод исходной воды, трубопровод сетевой воды с основным и резервным циркуляционными насосами, а также систему автоматического регулирования, систему автоматического пожаротушения, имеющую датчик температуры, и систему контроля напряжения, в соответствии с изобретением дополнительно снабжена вихревой топкой, имеющей по меньшей мере один вентилятор наддува и соединенной с одной стороны с расположенным в кожухе шнеком устройства для подачи твердого топлива, которое снабжено внутри расходного бункера ворошителем топлива, а с другой - с помощью патрубка для подачи генераторного газа - с отопительным котлом, а также эжектором, снабженным вентилятором и соединенным с помощью дымоотводящего патрубка с отопительным котлом с противоположной от вихревой топки стороны, а система автоматического регулирования выполнена замкнутой и представляет собой два последовательно соединенных микропроцессорных терморегулятора поддержания на заданном уровне необходимой температуры теплоносителя на выходе из котла и максимальной температуры горения топлива в вихревой топке и блок реле времени, состоящий из параллельно соединенных реле времени и реле напряжения, при этом в режиме «автомат» реле времени имеет возможность управления блоком электродвигателей шнек-ворошитель в режиме «работа-пауза», с помощью реле напряжения имеют возможность непрерывной работы электродвигатели вентиляторов наддува и эжектора, а терморегуляторы имеют возможность поочередной подачи управляющего сигнала на отключение блока реле времени при отклонении контролируемых температур от заданного уровня, для чего блок реле времени параллельно с помощью переключателя режимов «ручной-автомат» подключен к блоку электродвигателей шнек-ворошитель и к электродвигателям вентиляторов наддува и эжектора, а упомянутые блок электродвигателей и электродвигатели вентиляторов параллельно подключены к сети, кроме того, в режиме «ручной» электродвигатели упомянутых вентиляторов и упомянутый блок электродвигателей имеют возможность независимого включения-отключения.
Электродвигатель каждого насоса имеет возможность отключения электродвигателей всех управляемых механизмов, для чего подключен к системе автоматического регулирования параллельно и имеет дополнительный контакт на отключение.
Электродвигатели насосов имеют возможность попеременной работы, для чего имеются блокирующие контакты.
Датчик температуры системы автоматического пожаротушения установлен в кожухе шнека, а упомянутая система имеет возможность отключения электродвигателей вентиляторов эжектора и наддува, а также включения блока электродвигателей шнек-ворошитель, для чего подключена к ним в первом случае параллельно, а во втором последовательно с помощью соответствующего отключающе-включающего реле напряжения.
Устройство для подачи твердого топлива снабжено дополнительным шнеком, соединенным с бункером, а электродвигатель упомянутого шнека параллельно подключен к блоку электродвигателей шнек-ворошитель.
В кожухе дополнительного шнека установлен дополнительный датчик температуры системы автоматического пожаротушения.
Установка снабжена системой аварийного автоматического отключения электродвигателей насосов и управляемых механизмов.
Электродвигатели насосов и управляемых механизмов подключены к сети через тепловые реле системы контроля напряжения сети.
Электрооборудование установки расположено в корпусе, а пульт управления - на панели корпуса снаружи.
Снабжение отопительной установки вихревой топкой позволяет использовать для отопления производственных помещений увлажненные и содержащие токсические вещества отходы различных производств (осуществляя одновременно утилизацию отходов), благодаря возможности увеличения температуры продуктов сгорания в топке котла, а значит и возможности полного термического разложения топлива и, тем самым, снижения количества токсических веществ, попадающих в атмосферу с продуктами сгорания.
Выполнение вихревой топки с устройством для подачи топлива, позволяющим автоматизировать этот процесс, а также выполнение системы автоматического регулирования замкнутой в виде двух терморегуляторов (поддержания на заданном уровне необходимой температуры воды на выходе из котла и максимальной температуры горения топлива в вихревой топке) и блока реле времени (состоящего из реле времени и реле напряжения), связанных между собой и с электродвигателями управляемых механизмов определенным образом, позволяет контролировать два температурных параметра, что расширяет технические возможности системы автоматического регулирования и гарантирует не только высокоэффективное сжигание низкосортных твердых отходов, но и минимальное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.
Наличие в отопительной установке систем контроля напряжения в сети, автоматического пожаротушения и аварийного автоматического отключения электродвигателей насосов и управляемых механизмов, возможность независимого включения электродвигателей в ручном режиме и расположение всего электрооборудования установки в одном корпусе с единой панелью управления делают ее безопасной и удобной в эксплуатации.
Заявляемая автоматизированная отопительная установка благодаря возможности эффективной газификации низкосортного твердого топлива и практически полного устранения вредных выбросов в атмосферу позволяет производить утилизацию твердых отходов различных производств, в частности опилок, стружки, ДСП и ЛДСП, древесных отходов, содержащих отработанное машинное масло, отходов, содержащих полиэтилен, полипропилен, клей, отходов производства средств гигиены и упаковочной тары, бройлерного производства, лузгу риса и подсолнечника, ТБО (твердых бытовых отходов), отходов медицинских учреждений (таблеток, флаконов, капсул, туб, содержащих жидкие и т.д. физиологически активные соединения) и т.д.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид отопительной установки (штриховой линией даны связи механизмов и датчиков контролируемых параметров с корпусом для размещения электрооборудования), на фиг.2 - принципиальная электрическая схема системы автоматического регулирования (переключатель режимов - в положении «ручной», электродвигатели насосов и управляемых механизмов отключены, штриховой линией дана связь между терморегуляторами и блоком реле времени в режиме «автомат», К1 и К2 - контакты подключения терморегуляторов).
Отопительная установка состоит из (фиг.1) водогрейного котла 1 и вихревой топки 2, соединенной с котлом с помощью патрубка для подачи генераторного газа.
Топка 2 снабжена вентиляторами наддува 3, воздуховоды которых имеют регулирующие их рабочий просвет заслонки. Положение заслонок устанавливается вручную.
Топка 2 имеет также устройство подачи твердого измельченного топлива, которое выполнено в виде шнека 4, расположенного в кожухе, и расходного бункера 5, внутри которого находится ворошитель топлива 6, установленный с возможностью вращения. Топка снабжена зольной камерой и расположенным на стенке глазком для визуального контроля уровня топлива и цвета пламени.
Для загрузки бункера 5 установка может быть снабжена дополнительным шнеком 7.
Котел 1 снаружи имеет систему трубопроводов, связанную с отопительной системой здания и состоящую из напорной и обратной частей, имеющих соответственно трубопровод 8 сетевой воды и трубопровод 9 обратной воды с основным и резервным циркуляционными насосами 10.
Установка имеет также боров 11, соединенный с дымоотводящим патрубком котла, и эжектор, снабженный вентилятором 12.
Отопительная установка снабжена (фиг.2) замкнутой системой автоматического регулирования (CAP), обеспечивающей с помощью двух последовательно соединенных микропроцессорных терморегуляторов А1 и А2 (типа ТРМ1А-Щ1.У.Р) поддержание на заданном уровне необходимой температуры теплоносителя на выходе из котла 1 и максимальной температуры горения топлива в топке 2.
CAP имеет также блок реле времени (блок KT1-KV1), состоящий из параллельно соединенных реле времени КТ1 (типа ВЛ-40УХЛ4) и реле напряжения KV1.
Каждый терморегулятор связан с блоком KT1-KV1 для подачи управляющего сигнала на его отключение в случае отклонения контролируемой величины температуры от заданного значения.
Для контроля температуры теплоносителя в системе отопления на выходе из котла 1 (фиг.1, 2) установлен термодатчик RK1 (термопреобразователь сопротивления типа ТСМ-50М), а для контроля температуры горения топлива в топке 2 на выходе из нее установлен термодатчик RK2 (термопреобразователь сопротивления типа ДТПК-135-0314.400).
Электродвигатели управляемых CAP механизмов, так же, как и электродвигатели насосов 10, подсоединены к сети (фиг.2) через магнитные пускатели (типа КМИ): электродвигатели насосов 10 - через пускатели КМ1, КМ2; электродвигатели вентилятора 12 эжектора и вентиляторов наддува 3 - соответственно через пускатели КМЗ, КМ4, КМ5; а электродвигатели ворошителя 6 и шнеков 4 и 7 (образующие блок ЭШВ) - через пускатели КМ6, КМ7 и КМ8 (блок КМ6-КМ8).
С помощью SA - переключателя режимов «ручной-автомат» блок KT1-KV1 в положении «автомат» связан с КМ3-КМ8 электродвигателей управляемых механизмов. При этом реле времени КТ1 связано с блоком КМ6-КМ8 и предназначено для поддержания постоянного уровня топлива в вихревой топке путем автоматического включения и выключения блока ЭШВ в режиме «работа-пауза» при стабильном процессе горения топлива (когда контролируемые терморегуляторами температурные параметры соответствуют заданному значению), а реле напряжения KV1 через свои дополнительные контакты KV1.1 и KV1.2 связано с КМ3, КМ4 и КМ5 для обеспечения (в это же время) непрерывной работы электродвигателей вентиляторов 3 и 12, т.е. для обеспечения тяги.
Реле времени КТ1 (фиг.2) имеет два контура подключения к CAP. Один предназначен для подачи сигнала на блок КМ6-КМ8 (включения блока ЭШВ) во время запуска отопительной установки в режиме «ручной», в процессе которого с помощью регуляторов КТ1.1 на реле КТ1 подбираются соответствующие интервалы времени (режим «работа-пауза»), а другой - для работы в режиме «автомат», т.е. для подачи сигнала на блок КМ6-КМ8 в режиме «работа-пауза».
Электродвигатели управляемых механизмов подсоединены к сети параллельно (через нейтраль N).
Электродвигатели насосов 10 также параллельно подключены к CAP с помощью дополнительных контактов КМ1.3 и КМ2.3, предназначенных для разрыва цепи электропитания CAP и отключения электродвигателей всех управляемых механизмов в случае выхода из строя одного из насосов.
Для работы основного насоса при отключенном резервном и резервного насоса в случае отключения основного имеются блокирующие контакты КМ1.1 и КМ2.1.
Все линии подключения электродвигателей насосов и управляемых механизмов к сети снабжены тепловыми реле КК1-КК7 (типа РТИ), входящими в систему контроля напряжения сети (имеющую реле контроля напряжения) и предназначенными для отключения всех электродвигателей при перегрузке одного из них.
Для автономного ручного включения и отключения электродвигателей насосов, вентиляторов эжектора и наддува имеются соответствующие кнопки «Пуск» (SB3, SB5, SB7, SB9) и «Стоп» (SB2, SB4, SB6, SB8), а блока ЭШВ - SB10.
Все электрооборудование установки подключено к сети через общую кнопку пуска SB1.2, имеющую второй контакт - нормально замкнутую кнопку SB1.1 «Аварийный стоп», предназначенную для аварийной остановки работы всего оборудования.
Отопительная установка имеет также систему автоматического пожаротушения, предназначенную для предотвращения возгорания топлива внутри кожухов шнеков 4 и 7 (фиг.1). Для контроля температуры нагрева кожухов на них установлены датчики температуры 13 и 14 (типа ТК24), рассчитанные на температуру 105°C.
Система пожаротушения имеет исполнительный механизм в виде электромагнитного клапана, управляющего подачей воды в зону возгорания, а также световую и звуковую сигнализацию.
Для отключения подачи воздуха в установку при возгорании топлива имеется реле напряжения KV2 (фиг.2), связанное с датчиками 13 и 14 и предназначенное для отключения электродвигателей вентиляторов наддува и эжектора, для чего система пожаротушения подключена к ним последовательно. Система пожаротушения имеет также возможность включения блока ЭШВ, для чего подключена к блоку параллельно с помощью того же реле (других его контактов).
Электрооборудование установки (CAP, систем пожаротушения и контроля напряжения в сети и т.д.) размещено в специальном металлическом корпусе 15 (фиг.1).
Переключатель «сеть», переключатель режима SA, регуляторы реле времени КТ1.1, кнопки управления насосами (SB2-SB4) и механизмами (SB6-SB10) расположены на пульте управления, находящемся на лицевой панели корпуса 15. Здесь же находится переключатель пожарной сигнализации, предназначенный для включения и отключения устройства автоматического срабатывания системы пожаротушения, световой и звуковой сигнализации при возникновении пожара, а также кнопка SB1.1.
Для визуального контроля работы CAP и всего электрооборудования отопительной установки кнопки ручного управления и аварийные кнопки снабжены соответствующей световой индикацией (кнопки «Пуск» - зеленой подсветкой, а кнопки «Стоп» - красной). Терморегуляторы А1 и А2 имеют устройства цифровой индикации контролируемых температурных параметров с красной подсветкой.
Отопительная установка работает следующим образом.
Твердое увлажненное и измельченное топливо с помощью шнека 7 (фиг.1) подается в бункер 5, в котором вращающийся ворошитель 6 препятствует зависанию топлива на стенках. Из бункера 5 с помощью шнека 4 топливо поступает в топку 2, где происходит процесс его газификации с частичным сжиганием генераторного газа, имеющего высокую температуру нагрева. Затем генераторный газ через соответствующий патрубок поступает в водогрейный котел 1, в котором происходит его догорание и полное термическое разложение, благодаря чему в продуктах сгорания практически отсутствуют токсические вещества. Далее генераторный газ, отдав тепло теплообменным поверхностям внутри котла, выходит через дымоотводящий патрубок и боров 11 в атмосферу.
В процессе сжигания топлива охлажденная вода, поступающая с помощью одного из насосов 10 из отопительной сети здания по обратному трубопроводу 9 в котел 1 и циркулирующая в его теплообменной системе, после нагревания до заданной температуры через напорный трубопровод 8 вновь подается в отопительную сеть.
Запуск отопительной установки осуществляется (фиг.1, 2) при установке SA в положение «ручной» и заключается в предварительном разжигании в топке 2 сухого топлива (с относительной влажностью ниже 30%), стабилизации процесса горения (а также, при необходимости, дополнительной стабилизации процесса горения после загрузки в топку следующей порции топлива, но уже с влажностью до 50%) и установке на реле времени КТ1 интервалов времени «работа-пауза» для работы блока ЭШВ в автоматическом режиме.
Для запуска отопительной установки сначала необходимо с помощью пусковых кнопок SB3 и SB5 и магнитных пускателей КМ1 и КМ2 включить один из электродвигателей циркуляционных насосов 10 и заполнить котел 1 водой, затем с помощью кнопки SB9 и пускателей КМ4 и КМ5 включить электродвигатели вентиляторов наддува 3.
После этого для загрузки топлива в топку 2 необходимо перевести SA в положение «ручной» и нажать кнопку SB10, в результате чего через блок КМ6-КМ8 включается блок ЭШВ, и топливо начинает поступать в камеру сгорания топки.
После включения блока ЭШВ в камеру сгорания топки подается также воздух (фиг.1, 2), для чего открываются заслонки на воздуховодах вентиляторов наддува 3. После загрузки в камеру небольшого количества топлива блок ЭШВ выключается (при отпускании кнопки SB10), и через зольную камеру разжигается костер. Затем с помощью SB10 снова включается подача топлива, и при установившемся горении этот процесс стабилизируется с помощью заслонок на воздуховодах топки 2, для чего через смотровой глазок контролируется цвет пламени (светлый) и уровень топлива (до глазка).
Режим подачи топлива в топку 2 подбирается таким образом, чтобы уровень топлива сохранялся постоянным. Для этого двумя регуляторами КТ1.1 (фиг.2) на реле времени КТ1 производят установку интервалов времени «работа-пауза» для блока ЭШВ. Одним регулятором устанавливается время работы, например, в пределах от 3 до 30 с, другим - время паузы, например, в пределах от 6 до 60 с.
После получения стабильного процесса горения топлива в топке 2 и достижения требуемой температуры горения отопительная установка может быть переведена в автоматический режим работы, для чего необходимо перевести SA в положение «автомат» (фиг.2).
До перевода отопительной установки в автоматический режим необходимо установить на задатчике терморегулятора А1 необходимую температуру теплоносителя на выходе из котла 1, например 95°С, которая выбирается исходя из условия предотвращения закипания воды в котле, а на задатчике терморегулятора А2 - максимальную температуру горения топлива в топке 2, например 1000°С, которая выбирается в зависимости от вида топлива.
В автоматическом режиме CAP работает следующим образом.
Когда контролируемые с помощью RK1 и RK2 температурные параметры не превышают установленных на А1 и А2 значений, блок КТ1- KV1 поддерживает устойчивую работу отопительной установки путем подачи сигнала от КТ1 на блок КМ6-КМ8 для включения и отключения блока ЭШВ в соответствии с заданными интервалами времени «работа-пауза» и подачи с помощью реле напряжения KV1 (контактов KV1.1 и KV1.2) питания на КМ3, КМ4 и КМ5 для непрерывной работы вентиляторов 3 и 12, создающих необходимую тягу.
Если, например, температура теплоносителя на входе в систему отопления здания достигла 95°С, от А1 подается управляющий сигнал на блок КТ1-KV1 для его отключения. При этом происходит автоматическое отключение электродвигателей всех управляемых механизмов, в результате чего топливо перестает поступать в топку 2, а генераторный газ - в котел на теплообменные поверхности с циркулирующей в них водой. После снижения температуры теплоносителя до необходимого уровня подача сигнала от А1 на блок КТ1-KV1 прекращается, упомянутый блок и все электродвигатели включаются вновь и работают в первоначальном режиме для поддержания устойчивой работы установки (т.е. блок ЭШВ - в режиме «работа-пауза», а электродвигатели вентиляторов - в режиме непрерывной работы).
Аналогичным образом происходит автоматическое регулирование работы отопительной установки в зависимости от температуры горения топлива в топке 2.
В случае одновременного отклонения контролируемых параметров от заданных значений сигнал на отключение блока КТ1-KV1 подается от одного из терморегуляторов, например от А1, а терморегулятор А2 будет находиться в режиме ожидания.
CAP поддерживает контролируемые параметры температуры с точностью до 2°С.
В случае возгорания топлива, например в кожухе шнека 4 (фиг.1, 2), по сигналу от датчика температуры 13 на реле напряжения KV2 с помощью КМ3-КМ5 происходит отключение электродвигателей вентиляторов 3 и 12. При этом срабатывает пожарная сигнализация (загорается лампочка, появляется звуковой сигнал), приводится в действие электромагнитный клапан пожаротушения, и вода поступает в кожух шнека 4.
При срабатывании пожарной сигнализации шнеки 4 и 7 продолжают работать в заданном режиме для удаления топлива из зоны возгорания и предотвращения возгорания топлива в бункере 5.
Автоматическое отключение электродвигателей всех управляемых механизмов произойдет в случае выключения циркуляционного насоса (путем срабатывания КМ 1.3 или КМ 2.3), токовой перегрузки (путем срабатывания тепловых реле КК), короткого замыкания, обрыва фаз, отключения электроэнергии.
При необходимости включение и отключение электродвигателей управляемых механизмов может производиться в ручном режиме.
CAP позволяет регулировать работу отопительной установки в ручном и автоматическом режимах.
КПД установки составляет около 87%.
Заявляемая установка изготовлена и прошла эксплуатационные испытания, по результатам которых можно сделать вывод о ее экономичности и соответствии требованиям экологии.