Устройство контроля накипеобразования на стенках теплоагрегата

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области теплотехники, в частности к измерениям и контролю толщины отложений накипи на внутренних стенках теплоагрегатов.
Уровень техники
Отложения накипи на рабочих поверхностях теплообменников снижают КПД и уровень их безопасности в эксплуатации.
Коэффициент теплопередачи в теплообменниках (особенно наиболее распространённых водо-водяных) является высоким и поэтому сильно зависит от состояния поверхности теплообмена: при образовании накипи на поверхности теплообмена или другом ее загрязнении коэффициент теплопередачи значительно снижается, что ухудшает эффективность работы теплообменника.
Очевидно, что контроль состояния внутренней поверхности теплообменников является весьма важной экономической задачей – и в плане уменьшения колоссальных потерь энергии, и в плане обеспечения бесперебойной работы предприятий и населения тепловой энергией.
В настоящее время проблему борьбы с накипью решают путем организации периодических чисток оборудования, комплектования системой водоподготовки и разработки мер конструктивного характера. Чистки, как правило, проводят вручную, при этом график периодических чисток может не совпадать с реальной потребностью в них. Водоподготовка на практике не всегда спасает от накипи, и кроме того, сопровождается большими финансовыми и временными затратами.
Часто качество работы теплоагрегатов оценивается по приборам учета: теплосчетчикам, расходомерам и манометрам. Однако они имеют невысокую точность и принципиально не могут указать – где и когда в тепловой схеме достигнуты критические уровни накипи.
Известны способы определения толщины слоя отложений, возникающих в процессе эксплуатации на внутренних и внешних поверхностях труб, с помощью вихретоковых приборов. Например, по патенту US 7405558 B2 (кл. МПК G01N 27/72, дата опубл. 29.07.2008) способ заключается в сравнении сигналов вихретокового датчика для труб без отложений и с отложениями, и по этому сравнению судят о толщине отложений в трубе.
К недостаткам такого способа можно отнести необходимость наличия чистой трубы без отложений, соответствующей по своим параметрам (толщине стенки, диаметру и удельной электрической проводимости материала) трубам с отложениями, которые необходимо контролировать.
Помимо этого существуют способы определения толщины слоя на внутренней поверхности трубопроводов с помощью ультразвукового оборудования. В частности, к такому способу можно отнести способ измерения толщины слоя отложений на внутренних стенках водопроводных труб [Патент RU 2098754 С1, кл. МПК G01B 17/02, опубл. 10.12.1997 г.].
Способ определения толщины слоя отложений заключается в измерении интенсивности прошедших через трубу ультразвуковых колебаний и сравнении ее с интенсивностью ультразвуковых колебаний, прошедших через такую же трубу, заполненную такой же жидкостью, но не имеющую отложений, и по этому сравнению судят о толщине отложений в трубе и о внутреннем проходном сечении трубы.
К недостаткам такого способа можно отнести сложность аппаратурного исполнения, а также необходимость сравнения ультразвукового сигнала, прошедшего через трубу при наличии отложений, и сигнала, прошедшего через трубу без отложений. Это приводит к определенным затруднениям в работе при оперативной реализации данного способа. Для определения интенсивности ультразвукового сигнала через трубу без отложений необходимо заранее до образования отложений проверить прохождение синала через нее либо подготовить такую же трубу с водой, но без отложений.
Существуют способы [Патент RU 2099632 С1, кл. МПК F17D 3/00, опубл. 20.12.1997 г.] определения толщины грязепарафиновых отложений в нефтепроводе измерением величины конвективной теплопередачи транспортируемой нефтью в окружающую среду посредством использования двух теплопроводящих элементов (с различными коэффициентами теплопроводности), контактирующих с поверхностью контролируемого нефтепровода и расчета толщины отложения по величине тепловых потоков в теплопроводящих элементах.
К недостаткам этого способа можно отнести:
- он применим лишь в случае заполнения контролируемого объекта жидкостью;
- необходимость использования двух теплопроводящих элементов с идентичными контактами с поверхностью трубы.
Известен метод технической диагностики образования отложений на теплопередающей поверхности котлов и конденсаторов турбин [Плисскин Г.И. Метод технической диагностики образования отложений на теплопередающей поверхности котлов и конденсаторов турбин. // Теплоэнергетика, 1990 г., №2, с.34-36].
Данный способ определения толщины отложений на внутренней поверхности теплового оборудования заключается в определении температурного напора и тепловой мощности теплообменного аппарата при наличии отложений, температурного напора и тепловой мощности теплообменного аппарата с соответствующей чистой (без отложений) внутренней поверхностью трубы и их сравнении. О толщине отложений судят по изменению термосопротивления теплопередающей стенки теплообменного оборудования.
К недостаткам данного способа определения отложений на внутренней поверхности теплообменного оборудования можно отнести необходимость сравнивать показания измерений до и после образования отложений, а также зависимость результатов измерений от тепловой мощности теплообменного оборудования. Это приводит к снижению точности определения толщины отложений и к невысокой оперативности технического исполнения.
Известен способ [Патент RU 2344338 С1, кл. МПК F17D 1/16, G01B 17/02, опубл. 20.01.2009 г.] определения толщины отложений на внутренней поверхности трубопроводов.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения толщины отложений на внутренней поверхности трубопроводов, включающем измерение температуры поверхности трубопровода, на трубопроводе соосно с ним устанавливают источник тепла в виде кольца, снимают градиент температуры в направлении от источника тепла вдоль трубопровода на его поверхности и, тем самым, судят о размерах отложений внутри трубопровода.
Устройство, реализующее указанный способ [Патент RU 2344338 С1, кл. МПК F17D 1/16, G01B 17/02, опубл. 20.01.2009 г.] содержит источник тепла в виде кольца, установленного соосно на трубопроводе, и датчики температуры, расположенные на некотором расстоянии от источника тепла.
К недостаткам данного способа определения толщины отложений на внутренней поверхности трубопровода, внутри которого имеется поток жидкости, является то, что данный способ непригоден:
а) для контроля тонкостенных трубопроводов с небольшой толщиной отложений;
б) для контроля трубопроводов, в которых нет жидкости либо она неподвижна, как это имеет место для некоторых объектов.
Н
Известно и дальнейшее усовершенствование процитированного способа (патент РФ 2439491 «Способ определения величины отложений на внутренней поверхности трубопровода и устройство для его осуществления», кл. МПК G01B 21/02, опубл. 10.01.2012), в котором осуществляется установка на трубопровод импульсного источника тепла с длительностью воздействия τ = (0,1÷0,3)*Rd / a, где R - радиус трубопровода, d - толщина стенки, а - температуропроводность материала трубопровода, и определение изменения температуры осуществляют на расстоянии l=(2,5-3,5)d от источника нагрева.
С помощью данного способа есть возможность контроля отложений небольшой толщины (от 50 мкм и выше) и возможность контроля труб в периоды профилактических мероприятий при остановках технологического процесса и обезвоженных трубах.
Последнее обстоятельство является серьёзным недостатком способа и устройства и препятствием к его внедрению.
Недостаток способа заключается и в том, что осуществить его на практике и в работающих (заполненных) трубопроводах, и в трубопроводах без рабочей среды сложно, так как необходимо разбирать или разрезать трубопровод.
Известно устройство контроля солеотложения (патент на изобретение RU 2634553, кл. МПК G01B 7/06, опубл. 31.10.2017), которое включает цилиндрический корпус с резьбой, внутри которого коаксиально с ним расположен изолированный от него металлический стержень. Торцы металлического стержня и цилиндрического корпуса расположены на одном уровне с внутренней поверхностью теплообменного оборудования, а диаметр стержня составляет 0,75 от внутреннего диаметра цилиндрического корпуса. Толщину слоя соли определяют по величине начального и общего сопротивления электрической цепи, состоящей из раствора и отложений между корпусом и стержнем. Ему присущи недостатки:
- устройство предназначено для контроля солеотложения только труб, а не всего разнообразия теплообменного оборудования, например, оно совершенно неприменимо для контроля солеотложения пластинчатых теплообменников, представляющих наиболее распространенный тип теплообменников.
- особенно значительным недостатком устройства является игнорирование факта значительного изменения сопротивления воды от температуры. В данном случае, небольшое повышение температуры воды, которое обязательно сопровождается уменьшением измеряемого сопротивления будет расцениваться как уменьшение толщины солеобразованиея. Это очень серьезная ошибка.
- использование устройства представляет значительные затруднения - необходимо открыть один конец исследуемой трубы, герметично закрыть этот конец изоляционной пластиной, вставить туда цилиндр с электродом и как-то закрепить его (не указан способ его крепления).
- в процессе работы сопротивление воды значительно изменяется, это не учитывается схемой измерения.
Известно также устройство для определения толщины солеотложения (патент на изобретение RU 2387950, кл. МПК G01B 7/06, опубл. 27.04.2010), содержащее корпус, электрод, изоляцию, а также измерительный блок, причем электрод выступает в жидкости на 2-4 мм от изоляции датчика, а изоляция расположена на уровне внутренней поверхности трубопровода.
Помимо перечисленных недостатков в устройствах по патентам RU 2634553 и RU 2387950 для измерения сопротивления жидкости постоянному току использован метод прямого измерения падения напряжения на исследуемом участке. В этом случае помимо стабилизации температуры исследуемого участка жидкости, что практически крайне трудно, необходимо жестко стабилизировать значение напряжения источника питания измерительной системы, так как его снижение, например, будет означать увеличение толщины солеобразования. Указанных погрешностей избегают применением мостовых измерительных схем. О значительных погрешностях, связанных с применением постоянного тока для измерения сопротивления жидкостей подробно изложено при анализе других патентов.
Известны также способ и устройство контроля неравномерности толщины стенок недоступных трубопроводов (патент на изобретение RU 2596862, кл. МПК G01N 27/83, G01B 7/06, опубл. 10.09.2016). Устройство содержит источник переменного тока, соединенное с блоком обработки данных средство измерения магнитного поля на определенном расстоянии от стенки трубы с возможностью его перемещения вдоль трубы, отличающееся тем, что средство измерения размещено внутри трубы и оснащено соединенными с блоком управления механизмами обеспечения неизменного расстояния от него до внутренней стенки трубы и продольного продвижения вдоль нее с остановками, а также вращения вокруг оси трубы, при этом средство измерения выполнено из нескольких датчиков, расположенных по линии, параллельной продольному направлению трубы. Недостаток и способа и устройства в их узкой применимости, а именно - только внутри труб, причём, преимущественно большого диаметра, внутри которых доступно продвижение измерительной системы.
Кроме того, в основе способа лежит измерение изменения индуктивности магнитного поля, вызванное изменением толщины стенок трубы, материал которой, как правило, имеет значительную магнитную проницаемость. Но накипь или солеобразование практически не изменяют магнитного поля, так как не являются ферромагнетиками.
Анализ наиболее эффективных известных технических решений, приведённый выше показывает, что среди них отсутствуют такие, которые могут быть с достаточной достоверностью применены для контроля толщины накипи в котлах.
Особенно важно обнаружить накипеобразование в начальной стадии ее возникновения и роста. Как правило, для этого требуется высокая точность измерения.
Наиболее близким к данному предполагаемому изобретению является патент RU 2624982 «Способ контроля накипеобразования на стенках теплоагрегатов и устройство для его осуществления», кл. МПК G01B 7/06, опубл. 11.07.2017.
Сущность способа основана на измерении толщины отложений накипи на стенках теплоагрегата путем сравнения электрических сопротивлений слоев воды с отложениями накипи и просто воды в емкости теплоагрегата. Фиксируются факт начала отложений и рост накипи. Текущие значения измеренных толщин накипи дифференцируют во времени. Такой подход даёт возможность установления критического уровня скорости накипеобразования.
Измерение электрического сопротивления слоя толщины накипи выполняют с помощью мостовой схемы (электрический мост сопротивлений с пятью электродами, помещенными в водную среду).
Три балансировочные сопротивления моста образованы сопротивлениями слоев воды между первым и вторым электродами, между вторым и третьим и также четвертым и пятым электродами и отражают сопротивления участков водной среды теплоагрегата.
Четвертое плечо образованное между пятым электродом и металлической стенкой и представляет суммарное сопротивление слоя накипи на стенке с прилегающей водой. Одним из электродов плеча является стенка теплоагрегата, причём стенка подключена к одному из полюсов источника питания.
Электроды, с помощью которых в емкости формируют мост сопротивлений, выполнены из материалов с пониженной адгезией к накипеобразующим солям.
Выходная диагональ моста сопротивлений, образованная между вторым и пятым электродами, подключена к входу дифференцирующего звена, которое снабжено на выходе пороговой схемой.
Сбалансированный известными приемами мост подключают к теплоагрегату и включают их в работу.
В случае начала процесса накипеобразования станет изменяться только сопротивление плеча с сопротивлением, образуемым водой и отложением накипи на стенке емкости, остальные останутся неизменными, поскольку их электроды покрыты низкоадгезионным материалом и на них накипь не образуется. В выходной диагонали моста сопротивлений возникнет ток разбаланса, и на выходе дифференцирующего звена сформируется сигнал, уровень которого будет отражать действующую скорость накипеобразования. Если толщина накипи превысит критический уровень, установленный на опорном входе пороговой схемы, она срабатотает, формируя сигнал тревоги, по которому принимают соответствующие меры.
Способу и устройству, принятыми за прототип, присущи недостатки:
1. Применение постоянного тока для измерений электропроводности жидкостей имеет ряд недостатков. Пропускание постоянного тока приводит к изменениям состава раствора вблизи электродов из-за электролиза на них и к изменению напряженности поля между электродами (так называемая поляризация электродов).
Это служит причиной больших погрешностей при измерениях.
Поэтому измерение электропроводности жидких сред чаще всего производится с помощью мостов переменного тока, обычно работающих (при аналогичных задачах) на частотах от нескольких десятков Гц до нескольких кГц).
2. Анодному травлению (электролизу) подвержены все металлы и у одного из резисторов моста, потенциал которого в одной измерительной диагонали моста будет выше, по сравнению с резистором в противоположной диагонали поверхность будет стравливаться, тем самым изменяя первоначальную балансировку моста и приводя к неверным заключениям в последующей измерительной части.
3. Для предварительного усиления сигнала предлагается каскад на операционном усилителе. В этом случае необходимы специализированные микросхемы и жёсткая стабилизация температуры элементов усилителя напряжения и источника питания этого усилителя, о чём сведения в описании патента отсутствуют.
Раскрытие полезной модели
Задачей предложенного устройства является снижние погрешностей, связанных с использованием моста постоянного тока при измерении сопротивлений между металлическими электродами, пространство между которыми заполнено водой, а также снижение погрешности, вызванное анодным травлением одного из электродов моста и соответствующее повышение точности измерений, позволяющее повысить чувствительность обнаружения образующейся накипи и скорости её роста.
Решение поставленной задачи осущестляется тем, что мост питается переменным напряжением.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство контроля накипеобразования на стенках теплоагрегата содержит средство образования и сравнения электрических сопротивлений водной среды в емкости теплоагрегата и накипи на ее стенках, выполненное в виде электрического моста сопротивлений с электродами, помещенными в водную среду, причем входная диагональ моста соединена с источником питания, преобразователем низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение, таймером и генератором синусоидального сигнала, а выходная диагональ моста через детектор соединена с одним из входов компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход компаратора соединен с регистрирующим и сигнализирующим устройством, преобразователь низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение также соединен с источником опорного напряжения.
В качестве источника питания может быть использован малогабаритный аккумулятор.
Как уже отмечалось, использование мостов переменного тока позволяет устранить поляризацию электродов и электролиз их, и тем самым избавиться от двух серьёзных систематических погрешностей измерения.
Синусоидальное напряжение периодически подается на одну из диагоналей моста на определённое время через определённые интервалы времени. Это снижает энергопотребление измерительной схемы, упрощает процедуру сравнения результатов измерения и значительно уменьшает нежелательные процессы, связанные с прохождением тока в электродной части схемы.
Напряжение с выходной диагонали моста выпрямляется и подаётся на один из входов компаратора, на второй вход которого подано напряжение от источника опорного напряжения. Величина этого напряжения может регулироваться для установления порога срабатывания компаратора и соответствующей индикации и сигнализации, причём указанный порог соответствует определённому значению толщины накипи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана блок схема устройства для контроля накипеобразования.
На фигуре приняты следующие обозначения:
1 - измерительная мостовая схема, аналогичная описанию в прототипе
2 - генератор синусоидального сигнала
3 - таймер
4 - детектор
5 - источник опорного напряжения
6 - сравнивающее устройство (компаратор)
7 - регистрирующее и сигнализирующее устройство
8 - преобразователь низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение
9 - источник питания (например, малогабаритный аккумулятор).
Осуществление полезной модели
Работает измерительная схема следующим образом: измерительный мост 1, конструкция которого аналогична описанию в прототипе, питается стабилизированным синусоидальным напряжением от генератора синусоиды 2, который включается периодически на короткие промежутки времени. Интервал между включениями и длительность включения задается заранее настроенным таймером 3. Сигнал разбаланса моста 1 выпрямляется детектором 4 и подаётся на один из входов сравнивающего устройства (компаратора) 6. На другой вход компаратора подается стабилизированное напряжение от источника регулируемого опорного напряжения 5. Величина опорного напряжения устанавливается таким образом, чтобы при выходе разности сравниваемых напряжений за пределы заранее установленной величины на выходе компаратора появлялся сигнал, включающий схему регистрации и сигнализации 7. Результат может отражаться на экране регистратора и сопровождаться звуковым сигналом.
Напряжение питания на узлы 1 - 7 измерительного устройства подаётся от преобразователя низкого (3,7 В) постоянного напряжения в высокое (27 В) напряжение (так называемый, стандартный dc-dc преобразователь) 8. Питается dc-dc преобразователь от малогабаритного аккумулятора напряжением 3,7 В.
Предложенное устройство выгодно отличается от прототипа тем, что значительно снижает погрешность измерений и тем самым повышает чувствительность способа, что в итоге позволяет производить более раннюю диагностику как начала накипеобразования, так и скорости её нарастания.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства в области теплотехники, может быть использовано для измерения и контроля толщины отложений накипи на внутренних стенках теплоагрегатов, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».