БЛОК УПРАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛОЖЕНИЙ В ТЕПЛОАГРЕГАТАХ

Блок управления ультразвуковым устройством относится к ультразвуковой технике и предназначен для контроля и регулирования ультразвуковых колебаний посредством магнитострикторов и может быть применен в установках ультразвуковой очистки твердых отложений на поверхности нагрева теплоагрегатов в теплоэнергетике и других областях.
Основным носителем теплообменного оборудования выступает вода, жесткость которой определяется концентрацией растворенных в ней солей группы кальция и магния. При нагревании воды до температуры кипения соли временной жесткости образуют нерастворимые соединения - накипь, которая оседая на рабочие поверхности теплоагрегатов, снижает их технические характеристики.
Накипеобразование представляет собой сложный процесс кристаллизации, который более интенсивно протекает в пристенном слое теплоагрегата из-за большой концентрации солей вследствие парообразования. В результате адгезионных и электростатических процессов, возникающих между частицей и металлической поверхностью, образуются кристаллические ядра - основа будущей накипи. Параллельно этому на поверхности нагрева развивается окислительный процесс с образованием железоокисных отложений.
Под действием ультразвуковых колебаний происходит разрушение связей кристаллов с поверхностью нагрева и разделение крупных ассоциаций молекул на более мелкие. В результате образуется мелкодисперсный шлам, оседающий в нижней части теплоагрегата, удаляемый периодической продувкой.
Известен ультразвуковой импульсный генератор по патенту RU 2016668 С1, 5 В06В 1/08, приор. 1990.05.30, опубл. 1994.07.30, содержащий формирователь управляющих импульсов, соединенный с источником питания через выпрямительный мост, и коммутирующий тиристор.
Устройство позволяет обеспечить требуемую по технологии частоту следования импульсов, однако имеет ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия возможности в регулировании параметров управляющих сигналов возбуждения, снижая область технического использования известного устройства.
Известно также ультразвуковое устройство для очистки теплоагрегатов от отложений по авт. свид. SU 1022750 А, 3 В06В 1/08, F28G 7/00, приор. 1978.10.16, опубл. 1983.06.15, которое содержит источник питания, блок частоты следования импульсов и коммутатор.
Устройство позволяет повысить эффективность ультразвуковых колебаний магнитостриктора выбором резонансных амплитудно-частотных параметров. Однако имеет ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия технических средств автоматической поднастройки параметров управляющих сигналов возбуждения в процессе работы устройства, ограничивая область его применения.
В качестве прототипа выбрано устройство по патенту RU 2141877 С1, 6 В06В 1/08, приор. 1997.03.13, опубл. 1999.11.27 «Способ ультразвуковой очистки теплоагрегатов от отложений и устройство для его осуществления».
Устройство-прототип содержит общие признаки с заявляемым устройством, а именно: трансформатор, коммутирующие транзисторы и цепи обратной связи с датчиками производной тока, включенными в силовую часть устройства - цепь магнитострикторов.
В прототипе частота поступления пачек управляющих импульсов, их длительность и количество импульсов в пачке задаются энергетическими возможностями устройства и характеристиками теплоагрегата и не изменяются в
процессе эксплуатации последнего. Это является основным недостатком выбранного прототипа, снижая его эффективность и область использования.
Задача, на решение которой направлен заявляемый блок управления ультразвуковым устройством, заключается в повышении эффективности очистки и предотвращения образования твердых отложений накипеобразования и железоокисных отложений коррозии на теплопередающих поверхностях и каналах теплоагрегатов, и расширение области технического использования в составе ультразвуковых устройств очистки.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого блока управления ультразвуковым устройством является расширение функциональных возможностей за счет введения режимов динамического регулирования параметров управляющих сигналов(длительности, амплитуды, резонансной частоты, числа импульсов в пачке и периодичности их повторения), а также автоматического выявления неисправностей в электрических цепях управляемого ультразвукового устройства (магнитострикторов) и отключения от силовой электрической цепи.
Для достижения технического результата в блоке управления ультразвуковым устройством для очистки отложений в теплоагрегатах, содержащем трансформатор, коммутатор и цепи обратной связи с m датчиками тока магнитострикторов управляемого устройства предусмотрено следующее: в него введены клавиатура, соединенная соответствующими двухсторонними связями с микроконтроллером, первый информационный выход которого через преобразователь уровней (ПУ) подключен к символьному светодиодному индикатору, индикатор режима, соединенный со вторым выходом микроконтроллера и цепью управления высоким напряжением ультразвукового устройства, а также источник вторичного электропитания (ИВЭП), вход которого соединен со входом формирователя импульсов (ФИС) синхронизации и выходом трансформатора, при этом первый вход микроконтроллера связан с портом загрузки программы, второй вход синхронизации соединен с выходом ФИС, управляющие выходы микроконтроллера через коммутатор соединены с соответствующими
n каналами магнитострикторов, входы контроля микроконтроллера подключены к цепям обратной связи с m датчиков тока магнитострикторов, ИВЭП соединен с соответствующими входами питания микроконтроллера, ПУ и символьного светодиодного индикатора.
Новые отличительные функциональные узлы и элементы заявляемого блока управления ультразвуковым устройством: микроконтроллер, клавиатура, ПУ, символьный светодиодный индикатор, индикатор режима, ИВЭП и ФИС.
Новые функциональные узлы и элементы соединены соответствующими входами и выходами с другими функциональными узлами и элементами и образуют новые отличительные связи, позволяющие увеличить функциональные возможности заявляемого устройства и повысить эффективность очистки от твердых отложений в теплоагрегатах относительно выбранного прототипа.
Программируемый микроконтроллер управляет процессом возбуждения ультразвуковых колебаний в теплоагрегате, регулируя их параметры синфазно с сетевым питающим напряжением, устанавливая длительность и количество импульсов возбуждения в пачке за полупериод питающего напряжения, избирательно изменяя частоту формирования пачек импульсов и осуществляя изменение частоты следования импульсов в пачке по линейному закону в пределах заданного диапазона значений. Это дает возможность задавать индивидуальную программу формирования сложных ультразвуковых колебаний с учетом индивидуальных конструктивных особенностей и режима работы теплоагрегата в процессе его работы.
Кроме того, вследствие использования обратной связи в виде датчиков тока магнитострикторов, микроконтроллер позволяет выявлять аварийное состояние по цепям управления и формировать сигнал на отключение ультразвукового устройства от силовой электрической цепи, блокируя его работу до выявления и устранения неисправности.
Клавиатура предназначена для выбора оператором управляющих программ микроконтроллера с целью создания более эффективного ультразвукового поля в конструкции теплоагрегата с учетом его режима и условий эксплуатации.
Преобразователь уровней ПУ осуществляет согласование выходных информационных сигналов микроконтроллера с входом символьного светодиодного индикатора, предназначенного для отображения параметров режима работы устройства. Другой светодиодный индикатор - индикатор режима, отображает наименование действующего режима (команды).
п1
п2
Источник вторичного электропитания ИВЭП обеспечивает питающими напряжениями Е, Е функциональные узлы заявляемого блока управления ультразвукового устройства: микроконтроллер, ПУ и символьный светодиодный индикатор.
Формирователь импульсов синхронизации ФИС необходим для согласования работы функциональных узлов блока управления ультразвуковым устройством с частотой питающей сети, позволяя исключить систематическую составляющую погрешности регулирования.
Заявляемый блок управления ультразвуковым устройством поясняется описанием и чертежами, где на фиг.1 приведена его структурная схема, на фиг.2 показана форма выходных электрических сигналов акустических колебаний. Структурная схема устройства имеет следующие функциональные элементы:
1 - микроконтроллер,
2 - порт загрузки программы,
3 - клавиатура,
4 - формирователь импульсов синхронизации (ФИС),
5 - трансформатор,
6 - источник вторичного энергопитания (ИВЭП),
7 - преобразователь уровней (ПУ),
8 - символьный светодиодный индикатор,
9 - индикатор режима,
10 - коммутатор,
11 - цепь управления высоким напряжением.
Микроконтроллер 1 первым входом подключен к порту 2 загрузки программы. Клавиатура 3 соединена соответствующими двухканальными
п1
п2
К-связями с микроконтроллером 1, второй вход синхронизации которого соединен через ФИС 4 с трансформатором 5. К нему же подключен ИВЭП 6, вырабатывающий требуемые питающие напряжения Е, Е для питания микроконтроллера 1, ПУ 7 и символьного светодиодного индикатора 8.
Информационные L выходы микроконтроллера 1 через ПУ 7 соединены с входом символьного светодиодного индикатора 8. Его второй выход подключен к цепи 11 управления высоким напряжением ультразвукового устройства и индикатору 9 режима. Управляющие n выходы микроконтроллера 1 через коммутатор 10 подключены к n каналам магнитострикторов управляемого ультразвукового устройства. Входы контроля микроконтроллера 1 подключены к цепям обратной связи m датчиков тока магнитострикторов.
Работает блок управления ультразвуковым устройством следующим образом.
При подаче на первый вход микроконтроллера 1 (фиг.1) сигнала с выхода порта 2 осуществляется запуск программы работы управляемого ультразвукового устройства технической обработки носителя теплоагрегата. Микроконтроллер 1 по второму выходу, связанному с цепью 11 управления высоким напряжением, снимает сигнал блокирования с элемента отключения цепи и разрешает подачу выпрямленного тока через коммутатор 10 в n каналы магнитострикторов ультразвукового устройства. Одновременно микроконтроллер 1 формирует управляющие импульсы возбуждения по заданному закону синхронно с периодом изменения сетевого питающего ИВЭП 6 напряжения.
По управляющим импульсам возбуждения в коммутаторе 10 осуществляется двухтактное коммутирование выпрямленного ИВЭП 6 тока одновременно по всем его n выходам. Далее токовые сигналы по-тактно в пределах периода сетевого напряжения поступают на одни обмотки n двухобмоточных магнитострикторов и перезаряжают накопительные конденсаторы через другие их обмотки. В результате на механических выходах (волноводах) магнитострикторов формируются ультразвуковые колебания сложной формы, которые проходят в среду рабочей нагревающей волнопроводящей поверхности теплоагрегата.
Создается поле ультразвуковых колебаний с требуемыми характеристиками. На экране (табло) символьного светодиодного индикатора 8 отображаются параметры режима управления, осуществляемого по заданной программе.
В процессе работы управляемого ультразвукового устройства осуществляется контроль исправности силовой электрической цепи (коммутатор 10, цепи магнитострикторов) посредством датчиков тока магнитострикторов. Нарушение по-тактной работы коммутатора 10 по какой-либо из n коммутируемых цепей магнитострикторов приводит к выработке аварийного сигнала датчиков тока, который подается в микроконтроллер 1 на приостановку выполнения программы формирования управляющих импульсов возбуждения и выработку сигнала отключения исполнительной цепи 11 управления высоким напряжением ультразвукового устройства. Обесточивание исполнительного ультразвукового устройства при выявлении аварийного состояния повышает его электробезопасность для обслуживающего персонала.
Эффективность очистки от твердых отложений (накипи) и предотвращение подобных образований прямо пропорциональна интенсивности ультразвуковых колебаний рабочей нагревающей поверхности теплообменных агрегатов, которая обеспечивается микропрограммным управлением за счет:
и
- оптимизации длительности τ и частоты f следования импульсов возбуждения с учетом резонансных свойств магнитострикторов;
п
- формирования пачек из К импульсов возбуждения оптимальной формы, установления частоты f их повторения и использования линейной частотной модуляции при их формировании;
- задания индивидуальной программы управления исполнительными элементами (коммутатор 10, магнитострикторы) ультразвукового устройства.
и
Так, в первоначальный момент работы устройства микроконтроллер 1 исполняет программу по оптимизации длительности τ одиночных (К=1) импульсов возбуждения и частоты f их следования (фиг.2). После завершения программы оптимизации импульсов возбуждения и частоты их следования микроконтроллер 1 может переходить к программе формирования сложных
П
п
акустических колебаний ультразвуковой частоты в виде пачек из К>1 импульсов (см. фиг.2). Частота f повторения пачек импульсов возбуждения задается программно в диапазоне Δf=1,0...50 Гц с отображением на символьном светодиодном индикаторе 8, учитывая конструктивные особенности теплоагрегата и режим его работы.
п
п
При этом возможно снижение частоты f повторения пачек импульсов возбуждения без снижения интенсивности ультразвукового излучения за счет формирования соответствующего числа К>1 импульсов в пачке, что создает благоприятные условия для работы обслуживающего персонала. Уровень излучаемого в окружающее пространство шума при этом снижается примерно в 1,5-2 раза относительно известных устройств [1-3], которые работают в диапазоне резонансных частот Δf=18-44 кГц с частотой повторения серии импульсов кратной или равной частоте f=50-100 Гц сетевого напряжения.
Для более полной передачи акустической энергии в среду теплоагрегата при работе ультразвукового устройства с семейством из n магнитострикторов, отличающиеся между собой некоторым технологическим разбросом параметров, микроконтроллер 1 имеет режим программного изменения частоты f следования импульсов возбуждения в пачке по закону линейной модуляции.
Кроме того в заявляемом устройстве предусмотрен режим формирования управляющих импульсов возбуждения по индивидуальной программе в течение всего периода регламентной работы теплоагрегата. В этом случае наиболее полно учитывается многофакторность данного технологического процесса, геометрические особенности теплообменного оборудования, изменения режимов его работы и т.п. В результате, имеет место повышение эффективности очистки и предотвращение образования твердых отложений, и расширение области технического использования устройства в различном теплообменном оборудовании.
Применение микроконтроллера 1 для управления режимами работы предлагаемого устройства позволяет более эффективно производить очистку сложных
рабочих поверхностей теплоагрегатов от твердых отложений и препятствовать их образованию по сравнению с аналогичными устройствами [1-3]. Кроме того, подобное оборудование становится универсальным, поскольку его перенастройка осуществляется на программном уровне в ходе работы технологического оборудования и не затрагивает его структурных изменений. Расширяется область его технического использования за счет возможности применения для широкого парка технологического теплообменного оборудования. Это также отличает предлагаемое устройство от известных аналогов и прототипа [1-3].
Таким образом, использование динамического микропрограммного управления режимами формирования интенсивного ультразвукового поля на рабочей поверхности нагрева теплоагрегата повышает эффективность процессов очистки и предотвращения образования твердых отложений, обеспечивает плавность вхождения в режим очистки оборудования, увеличивая в 3-5 раз срок его регламентной эксплуатации и расширяет область технического использования. В целом, это отличает предлагаемый блок управления ультразвуковым устройство для очистки отложений от выбранных аналогов [1,2] и прототипа [3], позволяя обеспечить достижение положительного эффекта.
Изготовлен опытный образец блока управления ультразвуковым устройством. Испытания подтвердили ожидаемый положительный результат. Устройство разработано для серийного изготовления.
Заявляемый блок управления выполнен на известной элементной базе и предназначен для непрерывной автоматической работы в составе теплообменного оборудования.
Источники информации
1. Патент RU №2016668 С1,. приоритет 1990,05,30.
2. Авт. свид. Su №0122750 А, приоритет 1978,10,16.
3. Патент RU №2141877 С1, приоритет 1997,03,13, прототип.