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.
Известен котел, содержащий бункер для твердого топлива, теплообменник, топку, устройства подачи топлива и воздуха в топку, систему утилизации золы, блок управления, содержащий контроллер, датчики параметров, электрические приводы (патент РФ 122465, м.кл. F23B 40/00, опубл. 27.11.2012). Котел снабжен размольным устройством, установленным под бункером твердого топлива. В топке установлены реторта, соединенная узкой стороной с трубой шнека для подачи топлива через наклонную камеру, и расположенная над ретортой, поворотная чаша. Система утилизации золы снабжена механизмом очистки дымогарных труб, в котором очистные спирали расположены внутри дымогарных труб. И система оснащена шнеком для удаления золы расположенным под шнеком для подачи топлива, подсоединенными к одному приводу. Котел снабжен датчиками контроля технологических параметром, соединенных электрической связью с управляющим компьютером. В качестве размольного устройства использована дробилка. Механизм для преобразования вращательного движения вала шнека в поворот чаши в горизонтальной плоскости состоит из ведущей шестерни, закрепленной на конце вала шнека для подачи топлива и паразитной шестерни, установленной с возможностью зацепления с зубчатым венцом, закрепленным в нижней части поворотной чаши. Устройство для подачи горячего воздуха состоит из вентилятора и размещенных в воздуховоде спиралей, расположенных над шнеком для подачи топлива. Часть шнека для удаления золы, расположенная под дробилкой, вентилятором и воздуховодом, выполнена без навивки, а контейнер для золы установлен рядом с топкой. По сравнению с другими котлами подобного типа, предлагаемая конструкция имеет полный автоматический цикл.
Известно устройство, содержащее наклонный загрузочный шнек, который закреплен внутри трубы, состоящей из нижней части, верхней части и соединительной части, состыкованных между собой хомутами (патент РФ 178146, м.кл. F23K 3/16, опубл. 26.03.2018). На нижней части трубы закреплена приемная камера, соединенная с бункером твердого топлива. На верхней части трубы закреплена пересыпная камера, соединенная с приемно-подающим устройством твердотопливного котла. Приемная и пересыпная камеры состоят из внутреннего корпуса, выполненного в виде двух пластин, при этом одной стороной пластины жестко закреплены на трубе параллельно оси вращения загрузочного шнека. Внешний корпус выполнен в виде коробчатой конструкции. Пластины внутреннего корпуса помещены во внешний корпус и соединены с ним при помощи двух полуосей с возможностью поворота на угол α до 30° относительно внутреннего корпуса. В стенках внешнего корпуса приемной и пересыпной камер выполнено ревизионное окно, закрытое крышкой для возможности очистки, выявления неисправностей и ремонта деталей. Конструкция устройства отличается компактностью и высокой ремонтопригодностью, позволяет значительно упростить и сократить сроки и снизить затраты на проведение монтажных и ремонтных работ.
Особенностью конструкции устройства является форма трубы шнека и самого шнека - в месте забора топлива из бункера труба шнека и шнек имеют меньший диаметр, чем на остальной длине. Тем самым обеспечивается невозможность заклинивания шнека почти по всей длине, за исключением места забора твердого топлива. В месте забора топлива под бункером предусмотрено ревизионное окно в трубе шнека упрощающее обслуживание системы, позволяющее извлекать инородные предметы и совершать ремонт.
Недостатком известных устройств подачи топлива является ненадежность системы из-за периодического заклинивания шнека в месте забора топлива, в следствии либо некачественного топлива: каменная фракция в углях, сырое топливо или попадание в бункер с топливом инородного объекта. Заклинивание шнека приводит к перегреву мотор-редуктора, выходу двигателя из строя и остановке котельного агрегата.
Наиболее близким по техническим характеристикам к заявляемому является 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). принятая за ближайший аналог (прототип). 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.
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачу повышения автоматизации твердотопливного котла путем создания устройства автоматического управления процессом горения и остановки котла при возникновении аварийных ситуаций.
Техническим результатом является повышение уровня автоматизации котла и повышение безопасной эксплуатации при аварийной ситуации.
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, экрана и клавиатуры; при этом дискретные входы предназначены для подключения к датчикам, установленным на котле, согласно заявляемому решению, устройство снабжено силовым блоком, выполненным с возможностью управления приводом шнека подачи топлива в режиме «работа - реверс», в зависимости от величины потребления тока привода шнека, определяемого через измеритель тока, и возможности подачи управляющего сигнала на привод шнека подачи топлива в режиме «реверс» при превышении контролируемой величины потребления тока привода шнека заданного порогового уровня.
Устройство дополняет частные отличительные признаки, способствующие достижению заявляемого технического результата.
Силовой блок включает силовые элементы, 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 подающий ток на обмотку прямого хода привода шнека подачи топлива;
2 - силовой элемент подающий ток на обмотку обратного хода привода шнека подачи топлива;
3 - (датчик) измеритель тока потребления привода шнека;
4 - двигатель мотор-редуктора привода шнека;
5 - цифровая шина связи с модулями, расширяющими функционал вычислителя;
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-четырехходовым клапаном;
18 - трех-четырехходовой клапан;
19 - силовой элемент, управляющий ворошителем топлива в бункере;
20 - двигатель мотор-редуктора ворошителя;
21- силовой элемент, управляющий системой золоудаления котла;
22 - двигатель мотор-редуктора 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 (тип котлов с помповой подачей топлива вместо шнековой);
36 - оптический датчик, сообщающий о наличии горения в горелке;
37 - лямбда-датчик участвует в анализе концентрации кислорода в дымовых газах, нужен для того, чтобы судить о 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.
На фиг. 2 изображена диаграмма управления шнеком с реализованной функцией реверса по току перегрузки. График А - значение тока перегрузки на обмотке двигателя мотор-редуктора шнека в амперах, график Б - состояние силового элемента управляющего вращением двигателя для прямого хода шнека (подача топлива из бункера в горелку), график В - состояние силового элемента управляющего вращением двигателя обратного хода шнека (реверс шнека), где: 39 - ток потребления двигателя привода шнека, который превысил указанное значение порогового тока, 40 - рабочий ток потребления второй обмотки двигателя привода шнека, без превышения порогового значения, 41 - пороговый уровень тока заклинивания, при превышении которого система распознает заклинивание, 42 - ток потребления двигателя шнека, который превысил указанное значение порогового тока, последняя 3-я попытка, которая также неудачна, 43 - состояние силового элемента 2, который управляет обмоткой обратного хода шнека, 44 - рабочий ток потребления второй обмотки двигателя без превышения порогового значения.
Силовой блок включает силовые элементы 1 и 2, которые управляют приводом шнека, технически это реализовано как реле. Если замыкается силовой элемент 1, то шнек вращается в прямом направлении, если силовой элемент 2, то шнек вращается в обратном направлении.
Силовой элемент 1 силовой элемент 2 никогда не могут работать одновременно, т.к. это вызовет, перегрев обмоток и очень быстрый выход из строя двигателя, 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 много тепловой энергии, которая расходуется на нагрев теплоносителя. Температура теплоносителя задается пользователем, текущая температура измеряется датчиком 14 текущей температуры котла центрального отопления, горелка сжигает топливо для того, чтобы эту заданную температуру точно поддерживать. 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.
Помимо функций для эффективного сжигания топлива устройство способно осуществлять контроль потребления тока привода шнека, чтобы обеспечивать сохранность работы двигателя и мотор-редуктора шнека. 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 силами наддува вентилятора.
В автоматическом режим запуск устройства осуществляется при помощи канала 38 автоподжога, которая нагревает сухое топливо до температуры воспламенения, затем процесс горения стабилизируется, и система переходит к автоматической подачи топлива и воздуха дутьевым вентилятором 32.
После того, как топливо на горелке стало стабильно генерировать тепловую энергию температура водяной рубашки котла начинает расти и циркуляционный насос включается, обеспечивая съем и транспортировку тепловой энергии.
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 останавливается вентилятор и двигатель привода шнека.
Для улучшения эксплуатационных свойств, предотвращения аварийных ситуаций, предусмотрен реверс шнека подачи топлива и регулировка его движения, в зависимости от величины потребления тока привода шнека через измеритель потребляемого тока 3.
Часто заклинивание шнека происходят с ретортными горелками, т.е. такими в которых требуется еще большее усилия от мотор-редуктора шнека, чтобы провернуть реторту дополнительно вместе со шнеком. Заклинивания происходят часто из-за сложности условий эксплуатации, нарушения технологии изготовления чугунной реторты.
Устройство управления содержит измеритель потребляемого тока мотор-редуктором привода шнека подачи топлива, по сигналу которого может быть принято решение об условиях работы двигателя мотор-редуктора. В случае заклинивания, ток потребления резко возрастает, по потребляемому току можно судить о состоянии шнека мотор-редуктора. Сырое или низкокачественное топливо требует больше усилий для проталкивания по трубе шнека, шнеку требуется больше тока, чтобы развить большее усилие, в сравнении с транспортировкой сухого и качественного топлива.
Устройство позволяет настроить пороговый ток от 0,1А до 10А при достижении которого будет срабатывать реверс, т.к. шнек будет определенное время перемещаться назад, чтобы стараться избежать заклинивания, чтобы твердая фракция изменила геометрическое положение относительно кромки лопастей и у нее появился шанс быть протолкнутой в зону горения.
Использование устройства, позволяющего производить ограничения по току позволяет ограничить усилие, развиваемое мотор-редуктором шнека и может осуществляться с помощью следующей элементной базы: механические реле, твердотельные реле, твердотельные реле с детектором нуля (zero-croos), симистором, тиристором или любым силовым элементом, который способен питать обмотку двигателя привода. В качестве датчика измерителя тока может быть использован датчик Холла, дискретная микросхема датчика тока, токовый шунт, трансформатор тока или любой элемент-преобразователь тока в напряжение.
Алгоритм детектирования заклинивания шнека:
1. Включаем подачу тока на шнек через силовой элемент 1 (прямой ход), измеряется потребление тока мотор-редуктора привода шнека At с определенной периодичностью.
2. Сравнивается величина текущего потребления At с настроенным пороговым значением Amax (сноска 41) Если At<Amax значит заклинивания нет, система продолжает штатную работу. Если At>Amax значит система определила заклинивание.
3. В случае если система определила заклинивание - останавливается подача тока через силовой элемент 1 (фиг. 1), чтобы дальше не проталкивать твердую фракцию, подается сигнал на силовой элемент 2, чтобы произвести вращение шнека в обратную сторону. Вращение в обратную сторону производится несколько секунд, чтобы твердая фракция свалилась с кромки винта шнека, затем опять подается сигнал на силовой элемент 1.
4. Если после исполнения пунктов 1-3 превышения по току нет, то система считает, что избавилась от заклинивания и продолжает штатную работу. Если после пунктов 1 -3 опять обнаружено превышение по току, то система повторяет пункт 1-3 несколько раз, для того чтобы постараться раздробить твердую фракцию и увеличить шанс на проталкивание предмета, вызвавшего заклинивание в горелки, а потом в зольный ящик. Если за 3-5 попыток не удается расклинить шнек, то уже только тогда система полностью останавливается и сигнализирует об аварии заклинивания шнека.
Использование предлагаемого устройства положительно скажется на эксплуатационных характеристиках и долговечности работы котла т.к. механическим частям не приходится работать при полной нагрузке и инородное тело не запрессовывается между лопастями так что требуется замена шнека. Практическая реализация
Разработаны и испытаны устройства для управления твердотопливными котлами со шнековой подачей.
В таблице приведены основные технические характеристики.
Основными задачами устройства управления котла является регулирование подачи топлива с помощью шнека, воздуха с помощью дутьевого вентилятора, обеспечение циркуляции теплоносителя с помощью насосов и поддержание температуры теплоносителя на заданном уровне.
Решаемая задача полезной модели заключается в разработке устройства управления автоматическим котлом повышенной надежности, экономичности, долговечности бесперебойной работы мотор-редуктора автоматического котла со шнековой подачей. Увеличение времени безостановочной работы для ретортных горелок, которые были произведены с нарушение технологии литья.