Мобильный парогенератор с функцией аппарата высокого давления
MOBILE STEAM GENERATOR WITH FUNCTION OF HIGH-PRESSURE UNIT

Изобретение относится к области генерирования пара и представляет собой паровой котел, относящийся к группе мобильных промышленных парогенераторов, дополненный функцией аппарата высокого давления.
Мобильный парогенератор с функцией аппарата высокого давления может представлять собой передвижную котельную установку с водотрубным прямоточным паровым котлом, которая помимо функции выработки пара и доставки его под избыточным давлением потребителю, реализует также функцию подачи подогретой воды для мойки в режиме аппарата высокого давления.
Потребность в расширении функциональных возможностей парогенератора возникла у потребителей из-за того, что в труднодоступных районах, на строительных площадках, в аграрном секторе и промышленности, при сервисном обслуживании или ремонте подземных коммуникаций, при добыче нефти и газа, а также и в других областях деятельности существует производственная необходимость иметь источник как высокотемпературного технологического пара, подаваемого под избыточным давлением, так и источник воды, в том числе подогретой, подаваемой под высоким давлением, позволяющей осуществлять мойку специальной техники, агрегатов и поверхностей.
Чтобы мобильный парогенератор обеспечивал работу как в режиме парогенератора, так и в режиме аппарата высокого давления, необходимо, чтобы используемый в такой системе насос создавал давление, соответствующее каждому режиму работы.
Подобного устройства, которое могло бы совмещать в себе указанные функции, в процессе патентно-информационного поиска выявлено не было. По этой причине были рассмотрены как мобильные парогенераторы, так и аппараты высокого давления, предназначенные для мойки.
В передвижных паровых прямоточных котлах, к которым относятся мобильные парогенераторы, в качестве питательного насоса широко используются поршневые водяные насосы высокого давления с однофазными электродвигателями, имеющие номинальное давление в диапазоне от 0,7 до 8,5 МПа и обеспечивающие давление пара на выходе из паропровода к потребителю в пределах от 0,5 до 1,6 МПа.
Также были проанализированы известные аппараты высокого давления для мойки с функцией подогрева воды для профессионального использования.
В указанных аппаратах высокого давления используются, как правило, плунжерные насосы с однофазными или трехфазными электродвигателями с рабочим давлением воды от 12 до 30 МПа и нагревательные элементы, например, дизельные бойлеры нагрева воды или змеевики малого объема.
Поскольку в предлагаемом изобретении расширяются функциональные возможности именно мобильного промышленного парогенератора, выбор наиболее близкого аналога проводился именно в этой области техники. Для определения параметров, позволяющих реализовать функцию мойки высокого давления, были рассмотрены известные аппараты высокого давления, используемые для мойки промышленного оборудования.
Существующие схемы работы аппаратов высокого давления для мойки с функцией подогрева воды имеют единственный контур движения воды в аппарате: холодная вода поступает к плунжерному насосу из магистрального водопровода под давлением 0,2-0,4 МПа, далее этим насосом вода под высоким давлением подаётся на змеевиковый элемент (нагреватель), где она нагревается до 150°С, и передается на пистолет высокого давления. Малый объем змеевикового нагревателя, используемого в аппаратах высокого давления для мойки с функцией подогрева воды, не позволяет использовать данный тип оборудования в качестве источника технологического пара в промышленном объеме. В этом случае всего лишь расширяется температурный диапазон рабочей воды, добавляя возможность обработки паром поверхностей. Среди аппаратов высокого давления с функцией подогрева воды, применяемых для очистки различных поверхностей, известна, например, серия аппаратов "Посейдон" российского производителя «Зет-Техно» (https://www.zetec.ru), в которой представлены модели, оборудованные плунжерными насосами с рабочим давлением воды от 12 до 30 МПа и дизельными бойлерам нагрева воды.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является мобильный парогенератор STEAMRATOR модели MHC 700 (далее – парогенератор STEAMRATOR) (https://парогенератор.рф/catalog/mobil/inwork/).
Парогенератор STEAMRATOR представляет собой размещенный на раме водотрубный прямоточный паровой котел с расположенными в его топке  змеевиком и топливной горелкой. На раме также размещены топливный и водяной баки и сообщенные с ними трубопроводы для пара, воды, топлива, снабженные запорно-регулирующей арматурой, включая кран питательной воды, расположенный на всасывающем трубопроводе, байпасный вентиль и предохранительные паровые клапаны.
Давление в системе парообразования парогенератора STEAMRATOR создает поршневой насос высокого давления CAT 290, который размещен на раме и подключен посредством ременной передачи к однофазному электродвигателю с мощностью 0,6 кВт, 220 В.
Такой насос обеспечивает расход воды 11 л/мин и напор воды в возможном диапазоне 0,7-7 МПа. При этом его установка в парогенераторе STEAMRATOR обеспечивает производительность пара около 8 кг пара/мин, а давление пара - в диапазоне от 0,7 до 1,6 МПа.
От превышения давления пара свыше максимального рабочего давления устройство защищают два предохранительных паровых клапана на 1,6 МПа.
Парообразование в данном устройстве осуществляется следующим образом.  При открытии крана питательной воды, вода из бака питательной воды подается в змеевик указанным поршневым насосом, приводимым в действие однофазным электродвигателем. Проходя по змеевику, размещенному в топке котла, вода нагревается пламенем горелки и превращается в пар, который далее подается к потребителю через выходной патрубок.
Использование известного мобильного парогенератора и аппарата высокого давления для мойки отдельно друг от друга в труднодоступных районах, на строительных площадках, в аграрном производстве, при сервисном обслуживании или ремонте подземных коммуникаций, при добыче нефти и газа и в других областях деятельности приводит к дополнительным затратам потребителя  и создают  определенные технологические проблемы.
Из представленных выше сведений следует, что для реализации функции мойки под высоким давлением необходимо в мобильном промышленном парогенераторе с рабочим давлением пара в диапазоне от 0,7 до 1,6 МПа, реализовать также подачу воды, в том числе и подогретой, для мойки под высоким давлением. Рабочее давление воды с учетом потребности парогенератора выбирается из диапазона значений, достигаемых в уже существующих моделях промышленных моек, с учетом совместимости конструкции парогенератора и мойки (например, с максимальным расчетным давлением в змеевике). Этим требованиям соответствует, например, диапазон значений рабочего давления воды от 12 до 20 МПа.
Поршневые насосы, традиционно устанавливаемые в мобильных промышленных парогенераторах, ввиду своих конструктивных особенностей, в частности из-за конструкции вытеснителя, такое давление создавать не могут, а плунжерные насосы создают избыточное для производства пара давление, с повышенными требованиями к безопасности.
Соединение этих двух функций в одном устройстве ведет к росту потребительского качества, повышает конкурентоспособность такого оборудования и рыночный спрос.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение работы мобильного парогенератора, как в режиме генерирования пара под избыточным давлением, так и в режиме подачи подогретой воды под высоким давлением.
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является:
- выбор типа насоса, который обеспечивает как давление пара от 0,7 до 1,6 МПа, так и давление воды от 12 до 20 МПа, а также обеспечивает условие автономности и мобильности работы оборудования – умеренный расход воды и работа от однофазной электросети или однофазного портативного электрогенератора;
- обеспечение защиты парогенератора от аварийных ситуаций, которые могут возникать на фоне больших перепадов давления в режиме генерации пара;
-  обеспечение безопасного переключения режимов работы мобильного парогенератора;
- обеспечение в случае запроса потребителя подогрева воды при работе парогенератора в режиме аппарата высокого давления.
Мобильный парогенератор с функцией аппарата высокого давления представляет собой водотрубный прямоточный паровой котел, в топке которого расположены змеевик и топливная горелка, обеспечивающие преобразование воды в технологический пар или подогретую воду с необходимым давлением.
Змеевик сообщается посредством трубопроводов для пара и воды, оборудованных запорно-регулирующей арматурой, с системой подачи питательной воды, включающей, например, бак с питательной водой, и трехплунжерный насос высокого давления, приводимый в действие однофазным электродвигателем.
Запорно-регулирующая арматура включает в том числе кран питательной воды, расположенный на всасывающем  трубопроводе, распределитель потоков воды, состоящий из трубных элементов и запорной арматуры и расположенный на нагнетательном трубопроводе, байпасный вентиль, предохранительные паровые клапаны, и устройство защиты от скачков давления воды.
В случае если у потребителя есть запрос на подогрев воды при использовании парогенератора в режиме аппарата высокого давления, в состав запорно-регулирующей арматуры между предохранительными паровыми клапанами включается паровой вентиль подогрева воды.
Распределитель потоков воды, состоящий из трубных элементов и запорной арматуры, обеспечивает подачу воды либо для работы в режиме парообразования, при котором насос перекачивает воду в змеевик, либо для работы в режиме аппарата высокого давления, при котором вода для мойки подается на пистолет высокого давления. Одним из вариантов такого устройства является трехходовой кран высокого давления.
Переход на тот или иной режим работы в парогенераторе осуществляется путем установки запорной арматуры распределителя потоков воды в определенное положение, а в случае использования трехходового крана высокого давления - поворотом его рычага в нужное положение.
При работе парогенератора в режиме парообразования вода из системы подачи питательной воды подается трехплунжерным насосом в змеевик,  проходя по которому она нагревается пламенем горелки и превращается в пар. Из змеевика пар через паропровод, оборудованный запорно-регулирующей арматурой, включая предохранительные паровые клапаны, поступает на выходные паровые вентили, при открытии которых пар подается потребителю через выходной патрубок.
При работе парогенератора в режиме аппарата высокого давления, питательная вода из системы подачи питательной воды подается непосредственно на пистолет высокого давления, который при использовании его в режиме мойки дополняется турбонасадкой, а при использовании его в режиме генерации пены дополняется пенной насадкой.
Для обеспечения подогрева питательной воды в режиме мойки предусмотрен, например,  паровой вентиль подогрева воды, который находится на паропроводе между предохранительными паровыми клапанами. В этом режиме высокотемпературный пар, образованный при работе парогенератора в режиме генерирования пара, направляется в емкость с питательной водой, подогревая воду.
Допустимая температура подогрева воды для мойки определяется исходя из допустимой температуры рабочей воды для выбранного типа насоса.
Расход воды в соответствие с выбранным режимом работы регулируется байпасным вентилем. Регулировкой вентиля можно воздействовать на влажность пара и на расход питательной воды.
Давление в системе создает трехплунжерный насос высокого давления, приводимый в действие однофазным двигателем. Выбор трехплунжерного насоса для обеспечения двух разных режимов работы обусловлен тем, что, с одной стороны, он способен обеспечить давление воды не ниже 12 МПа, при котором возможно осуществлять мойку под давлением, но с другой стороны, он способен обеспечить и давление пара от 0,7 до 1,6 МПа, при котором обеспечивается необходимая производительность пара.
Такой насос в режиме парообразования обеспечивает расход воды с возможностью регулировки в диапазоне от 8 до 10 л/мин, а в режиме аппарата высокого давления - расход воды порядка 10 л/мин, что соответствует потребностям оборудования, работающего в двух режимах.
Исходя из того, что мобильная промышленная мойка должна обеспечиваться  однофазным током, выбор трехплунжерного насоса проводится из тех моделей, которые работают в связке с однофазным электродвигателем, при этом основными критериями для выбора такого насоса являются значение создаваемого им давления и расход воды.
При выборе трехплунжерного насоса для указанных целей учитываются  следующие обстоятельства:
- насос должен обеспечивать такой расход воды, который дает заявленную  производительность пара в режиме образования пара;
- насос должен обеспечивать такой расход воды, который обеспечивает высокое качество мойки в режиме аппарата высокого давления;
- значение давления, создаваемого насосом при работе оборудования в режиме аппарата высокого давления, должно обеспечивать на выходе пистолета высокого давления напор струи воды, соизмеримый с напором струи воды, создаваемым известными аппаратами высокого давления для профессионального использования (не ниже 12 МПа);
- максимальное значение давления, создаваемого насосом, должно соответствовать требованиям к мощности однофазного электродвигателя, от которого работает насос, т.е. выбранная мощность насоса должна обеспечиваться однофазным электрическим током, напряжением 220 В.
В заявляемом изобретении из всей линейки трехплунжерных насосов выбран тип насоса с диапазоном рабочего давления в 13-16 МПа, который работает при минимальных требованиях к мощности совмещенного с ним однофазного электродвигателя мощностью 3 кВт, на 220 В.
Следует отметить, что использование электродвигателя с указанными параметрами обеспечивает максимальное из диапазона значений рабочее давление трехплунжерного насоса.
Трехплунжерный насос в связке с однофазным электродвигателем позволяет использовать мобильный парогенератор в двух режимах работы в любом месте, где есть подключение к электросети на 220 В, или же работать от портативного электрогенератора, что значительно повышает автономность данного оборудования. Использование трехфазных двигателей в данном оборудовании исключено из-за нарушения требований к автономности и мобильности оборудования.
Однако замена поршневого насоса, традиционно используемого в парогенераторах (рабочее давление в диапазоне от 0,7 до 1,3 МПа), на трехплунжерный насос (рабочее давление в диапазоне 13-16 МПа) требует дополнительных мер безопасности при работе оборудования в режиме генерирования пара.
Аварийная ситуация может возникнуть в случае, если в качестве питательной воды используется вода с физико-химическими характеристиками, не соответствующими требованиям к качеству питательной воды для паровых котлов. Использование воды с характеристиками, превышающими допустимые по параметрам общей жёсткости, общей минерализации и т. д., приводит к тому, что  очень быстро (в течение нескольких часов непрерывной работы в режиме парообразования) в змеевике образуется накипь, способная перекрыть внутренний просвет труб змеевика. В такой момент давление в системе насос-змеевик мгновенно поднимается до максимально возможной величины, установленной для данного типа насоса.
Как было указано, максимальное давление выбранного трехплунжерного насоса составляет 16 МПа, а в парогенераторе змеевик и все контрольно-измерительные приборы на линии насос - змеевик на такое давление не рассчитаны. По этой причине в заявляемый парогенератор введено устройство защиты парогенератора от скачков давления воды в системе насос – змеевик  при работе в режиме парообразования, обеспечивающее  защиту не только змеевика, но и всех чувствительных к повышенному давлению элементов, таких, как манометры, реле потока и т.п., что продлевает срок их службы.
Устройство защиты парогенератора от скачков давления воды может быть выполнено в виде предохранительного водяного клапана, установленного на трубопроводе между запорной арматурой распределителя потоков воды и манометром воды.
Параметры предохранительного водяного клапана рассчитываются, исходя из допустимого давления для установленного в парогенераторе змеевика и минимально допустимых значений давления у элементов трубной обвязки и контрольно-измерительных приборов.
Предохранительный водяной клапан включается в работу с момента превышения давления в змеевике выше 2 МПа, что соответствует началу процесса зарастания накипью труб змеевика. Срабатывание предохранительного водяного клапана при давлении воды свыше 2 МПа гарантированно защищает все элементы на линии насос - змеевик от разрушения при превышении давления свыше допустимого.
От превышения давления пара свыше максимального рабочего давления парогенератор защищают предохранительные паровые клапаны, например на 1,6 МПа.
Новым в заявляемом изобретении является:
- включение в конструкцию мобильного парогенератора с функцией аппарата высокого давления трехплунжерного насоса с однофазным электродвигателем, способного обеспечить, как  давление воды не ниже 16 МПа, так и давление пара от 0,7 до 1,6 МПа;
- включение в конструкцию мобильного парогенератора устройства защиты от скачков давления воды в системе насос – змеевик;
- установка на нагнетательном трубопроводе распределителя потоков воды, состоящего из трубных элементов и запорной арматуры;
- в случае запроса потребителя, установка вентиля подогрева воды в системе подачи питательной воды.
Указанные новые признаки позволили:
- обеспечить работу парогенератора в режиме парообразования за счет подачи воды в змеевик, где образуется пар с давлением не более 1,6 МПа;
- обеспечить работу парогенератора в режиме аппарата высокого давления за счет подачи воды, в том числе подогретой, на пистолет высокого давления под давлением до 16 МПа;
- обеспечить защиту парогенератора от скачков давления воды в системе насос – змеевик;
- обеспечить безопасное переключение режимов работы посредством установки распределителя потоков воды.
Таким образом, использование в мобильном парогенераторе с функцией аппарата высокого давления трехплунжерного насоса с однофазным электродвигателем в совокупности с применением устройства защиты парогенератора от скачков давления воды в системе насос – змеевик и другими изменениями в трубных элементах и запорно-регулирующей арматуре, позволяют использовать такой парогенератор в двух разных режимах работы: промышленного образования пара и промышленной мойки подогретой водой, что приводит к существенному повышению конкурентоспособности такого оборудования на рынке.
Совокупность указанных новых признаков не выявлена в уровне техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлена схема работы мобильного парогенератора с функцией аппарата высокого давления в режиме парообразования или в режиме подогрева воды для целей мойки, где 1 - это кран питательной воды, 2 - фильтр грубой очистки, 3 -  трехплунжерный насос высокого давления, 4 - байпасный вентиль, 5 - трехходовой кран высокого давления, 6 - предохранительный водяной клапан, 7 - манометр давления воды, 8 - датчик потока, 9 - обратный клапан, 10 - сливной вентиль, 11 - змеевик, 12 - жидкотопливная горелка, 13 - манометр давления пара, 14 - прессостат, 15 - два предохранительных паровых клапана, 16 - вентиль подогрева воды, 17 -  ограничитель температуры пара, 18 – два паровых вентиля.
При переводе рычага трехходового крана 5 в вертикальное положение вода из системы подачи питательной воды подается в змеевик.
На схеме показано, что вода из системы подачи питательной воды, а именно, из бака питательной воды, подается к крану питательной воды 1, далее она поступает в фильтр 2, откуда направляется на трехплунжерный насос 3. На нагнетательном конце насоса 3 через байпасный вентиль 4, который регулирует количество воды, поступающей на выход, установлен трехходовой кран 5, который при вертикальном положении рычага направляет ее на змеевик.
После трехходового крана 5 по направлению в змеевик установлен предохранительный водяной клапан 6, срабатывающий при превышении давления более 1,6 МПа, предохраняющий трубную обвязку, контрольно-измерительные элементы и змеевик от давления, превышающего допустимые значения. За предохранительным водяным клапаном 6 установлен манометр 7. За манометром 7 установлен датчик потока 8, представляющий собой предохранительное устройство от перегрева насоса, если в змеевик не поступает достаточное количество воды, и обратный клапан 9, препятствующий обратному попаданию пара в насос и датчик потока.
Далее вода, проходя через тройник, на котором установлен сливной вентиль 10, поступает в змеевик 11, находящийся в топке, где происходит нагрев воды пламенем  топливной горелки 12, превращая воду в пар.
На выходе пара из змеевика 11 его давление показывается на манометре давления пара 13, при этом рабочий диапазон давления контролируется прессостатом 14. Далее на трубной обвязке установлены два предохранительных паровых клапана 15, срабатывающих при превышении давления более 1,6 МПа.
Между предохранительными паровыми клапанами 15 находится вентиль подогрева воды 16, при повороте которого пар направляется в систему подачи питательной воды, а именно, в бак питательной воды, для осуществления нагрева воды.
Температура пара контролируется ограничителем температуры пара 17, а на выходе пара из паропровода установлены два паровых вентиля 18.
В данной схеме переход из режима генерации пара в режим подогрева воды осуществляется через открытие вентиля подогрева 16 и закрытие вентиля 18.
На фиг. 2 представлена схема работы мобильного парогенератора с функцией аппарата высокого давления в режиме аппарата высокого давления, где 1 это кран питательной воды, 2 - фильтр грубой очистки, 3 - трехплунжерный насос высокого давления, 4 - байпасный вентиль, 5 - трехходовой кран высокого давления, 19 - пистолет высокого давления,  20 - турбонасадка, 21 - пенная насадка.
При переводе рычага трехходового крана 5 в горизонтальное положение обеспечивается прохождение воды из системы подачи питательной воды до входа в пистолет высокого давления.
Вода из системы подачи питательной воды, а именно,  из бака питательной воды, подается к крану питательной воды 1, далее она поступает в фильтр грубой очистки 2, откуда направляется на трехплунжерный насос высокого давления 3. На нагнетательном конце насоса 3 через байпасный вентиль 4, который регулирует количество воды, поступающей на выход, установлен трехходовой кран высокого давления 5, на выходе которого установлен штуцер для присоединения рукава высокого давления. Пистолет высокого давления 19 присоединяется к рукаву высокого давления с помощью известной накидной гайки и может использоваться как в режиме мойки, так и в режиме генерации пены:  для целей мойки он дополняется известной турбонасадкой 20, а для целей генерирования пены - пенной насадкой 21.