Автоматизированный электродный парогенератор

Полезная модель относится к области генераторов пара, а именно к электродным котлам, и может быть использована в различных сферах: в системах пароснабжения, технологического, прямого и косвенного нагрева различных сред, в системах парового отопления.
Известен парогенератор электродный [1], , содержащий котел с электродами и датчики контроля уровня воды, питательную емкость, соединенную с котлом посредством трубопроводов, на которых установлены электроуправляемые клапаны, парогенератор снабжен накопительной емкостью объемом не менее суммарных объемов котла и питательной емкости, которая соединена трубопроводом через электроуправляемые клапана с питательной емкостью и котлом, имеет датчик контроля нижнего уровня воды и устанавливается с условием, чтобы обеспечить подачу воды в питательную емкость и котел самотеком, при этом питательная емкость выполнена объемом наполнения воды не менее объема находящегося между верхним и нижним уровнями котла и оснащена датчиком контроля верхнего уровня воды.
Недостатком данного парогенератора является неравномерная выработка пара в связи с колебанием уровня погружения электродов в воду и невозможность непрерывной выработки пара с давлением, превышающим напор, создаваемый исходной водой в питательной емкости.
Известен парогенератор электрический электродный [2], содержащий котел для воды, на фланце которого закреплены три электрода и антиэлектрод и полость которого сообщена через вентиль с трубопроводом выпуска пара, блок контроля за нижним и верхним предельными уровнями воды, прикрепленный к стенке котла, электронасосный агрегат для подачи воды непосредственно в котел, предохранительный клапан, сообщенный с полостью котла, датчик реле давления, сообщенный с полостью котла, блок контроля за нижним и верхним предельными уровнями воды выполнен в виде камеры, сообщенной с полостью котла, в которой установлен ряд вертикально расположенных стержней разной высоты, каждый из которых является датчиком, при замыкании крайних из которых между собой обесточивается электромагнитный клапан включения электронасосного агрегата, а при замыкании двух смежно расположенных стержней, длина каждой из которых больше длины любого другого стержня, осуществляется подача питания на электромагнитный клапан для включения электронасосного агрегата, причем в камере свободный конец стержня, длина которого больше длины любого другого стержня, расположен на уровне не ниже уровня расположения свободных концов электродов, при этом электронасосный агрегат выполнен с управлением включения от электроуправляемого клапана, связанного с пускателем напряжения, который связан через реле с датчиками контроля за нижним и верхним предельными уровнями воды, а датчик реле давления, сообщенного с полостью котла, электрически связан с пускателем напряжения к электродам.
Недостатком указанного выше парогенератора электрического электродного является повышенная материалоемкость и необходимость применения антиэлектрода, что в свою очередь приводит к увеличению диаметра блока котла.
Известен электродный паровой котел [3-прототип] содержащий котел для воды, на крышке которого закреплены электроды нагрева воды, и полость которого сообщена через вентиль с трубопроводом выпуска пара и трубопроводом подкачки воды, электронасосный агрегат для подачи воды в котел, предохранительный клапан и датчик реле давления, сообщенные с полостью котла, стержень-датчик уровня воды, причем электронасосный агрегат выполнен с управлением включения от реле пуска насоса, связанного со стержнем-датчиком уровня воды, смонтированным на крышке котла, а датчик реле давления, сообщенный с полостью котла, электрически связан с пускателем напряжения к электродам, при этом электродный паровой котел дополнительно содержит трубчатый чехол, расположенный вокруг стержня-датчика уровня воды и закрепленный на крышке котла, выполненный из нержавеющий стали с отверстиями в верхней и нижней его частях.
Недостатком данного электродного парового котла является необходимость работы котла только на воде с конкретным значением удельной электропроводности для обеспечения необходимой производительности по пару, что приводит к значительному ограничению возможности применения данного технического решения на объектах, где исходная питательная вода отличается по значению удельной электропроводности от предусмотренной изготовителем при выборе площади электродов. Отсутствие возможности осуществления периодической очистки котла от накопившихся отложений и шлама в процессе парообразования, приводит к снижению ресурса котла и превышению токовой нагрузки при включении электродов в работу, так как сила тока значительно увеличивается при работе на воде со взвешенными частицами отложений.
Предлагаемое техническое решение – автоматизированный электродный парогенератор – направлено на устранение выявленных недостатков прототипа и аналогов, а именно, обеспечение возможности автоматической настройки производительности по пару в зависимости от меняющегося удельного сопротивления питательной воды при исключении пульсации пара на выходе из парогенератора.
Предлагаемое техническое решение представлено на фиг. 1, 2, 3.
Автоматизированный электродный парогенератор представляет собой сборную установку. На фигуре 1 цифрой 1 обозначен котёл для воды, цифрой 2 – электрод нагрева воды, цифрой 3 – колонка для датчиков уровня воды, цифрой 4 – стержень-датчик верхнего уровня, цифрой 5 – стержень-датчик нижнего уровня, цифрой 6 – датчик реле давления,  цифрой 7 – предохранительный клапан, цифрой 8 – вентиль паровой, цифрой 9 – клапан с электроприводом, цифрой 10 – патрубок сливной напорный, цифрой 11 – патрубок сливной безнапорный, цифрой 12 – кран шаровый, цифрой 13 – патрубок подачи воды в котёл, цифрой 14 – обратный клапан, цифрой 15 – электронасосный агрегат, цифрой 16 – патрубок подачи воды в насос, цифрой 17 – бак запаса воды, цифрой 18 – переливной патрубок, цифрой 19 – патрубок ввода питательной воды, цифрой 20 – патрубок возврата конденсата, цифрой 21 – поплавковый клапан, цифрой 22 – сливной патрубок, цифрой 23 - кран шаровый, цифрой 24 - трубопровод выхода пара, цифрой 25 - кабельный участок от шкафа управления к клапану с электроприводом, цифрой 26 - кабельный участок от шкафа управления до датчика реле давления, цифрой 27 - кабельный участок от шкафа управления до трёх электродов, цифрой 28 - кабельный участок от шкафа управления до электронасосного агрегата, цифрой 29 - кабельный участок от шкафа управления до стержня-датчика верхнего уровня, цифрой 30 - кабельный участок от шкафа управления до стержня-датчика нижнего уровня, цифрой 31 - шкаф управления с пускателем, цифрой 32 - ввод трёхфазной электрической сети в шкаф управления, цифрой 33 - минеральный утеплитель.
Данные элементы автоматизированного электродного парогенератора находятся на единой рамной конструкции объединяемые сборочными операциями и выполняют одно общее функциональное назначение, что обуславливает функционально-конструктивное единство изделия, только в совокупности позволяющее элементам обеспечивать целевой технический результат.
о
Автоматизированный электродный парогенератор работает следующим образом: по патрубку ввода питательной воды 19 (см. фиг.1) через поплавковый клапан 21, безнапорный бак питательной воды 17 заполняет исходная вода. В момент заполнения бака 17 водой, поплавковый клапан 21 подымается и подача воды через патрубок 19 прекращается. Наличие собственного запаса воды в изделии обеспечивает возможность оперативного пополнения котла 1 исходной водой, электронасосным агрегатом 15 в необходимом объёме без потери давления в период пополнения, что обуславливает необходимость его применения. В случае если поплавковый клапан 21 не сработает, излишняя вода удаляется через переливной патрубок 18. При необходимости слить воду из бака 17 полностью, открывается шаровый кран 23, и вода самотёком удаляется через сливной патрубок 22. По факту заполнения питательного бака 17, вода, через патрубок 16 попадает в насос 15 и под давлением, проходя через обратный клапан 14 попадает в котёл 1, через патрубок 13. Первичное заполнение котла для воды 1 исходной водой осуществляется до верхнего уровня, определяемого стержнем-датчиком верхнего уровня 4, смонтированного в колонке для датчиков уровня 3, соединенной с котлом для воды 1 двумя патрубками таким образом, что они представляют собой сообщающиеся сосуды. По факту заполнения котла для воды 1 до верхнего уровня, через кабельный участок 29 в шкаф управления приходит сигнал и в соответствии с принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1), электронасосный 15 агрегат по сигналу от реле пуска отключается, на фазные электроды нагрева воды 2, смонтированные в верхней части котла 1, подключаемые через кабельный участок 27 к шкафу управления 31 в котором смонтирован пускатель, подается электрический ток, который протекая через воду находящуюся в котле 1 разогревает её, доводит до кипения и частично переводит в состояние пара.  Пар заполняя в котле 1 пространство над водой, стремится в выходной трубопровод 24, в том числе, попадая в датчик реле давления 6, с помощью которого осуществляется измерение и визуальный контроль текущего давления и ограничение максимально допустимого давления пара в котле 1. При достижении давления пара в котле 1, равного установленному как максимальное на датчике реле давления 6, электроконтактная группа в датчике замыкается и через кабельный участок 26, в шкаф управления 31 приходит сигнал, который в соответствии с принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1) преобразовывается в команду на отключение подачи электрического тока на фазные электроды нагрева воды 2 через кабельный участок 27 с помощью пускателя смонтированного в шкафу управления 31. Нагрев воды и пара содержащегося в котле 1 прекращается. В случае если электронная схема управления отключением подачи электрического тока на электроды нагрева воды 2 не сработает, сброс пара произойдёт через предохранительный клапан 7 смонтированный на трубопроводе 24. При открытии парового вентиля 8, пар вытесняемый из котла 1 собственным избыточным давлением, через трубопровод 24 выходит из котла 1, давление в котле 1 падает и в соответствии принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 28 (см.фиг.1) подача электрического тока на электроды 2 возобновляется, цикл нагрева воды и пара повторяется в автоматическом режиме. В связи с тем, что исходная питательная вода имеет индивидуальное значение удельного электрического сопротивления у каждого потребителя, сила тока, возникающая при протекании электрического тока через воду и пар, находящиеся между электродами 2, может варьироваться и изменяться как внешний фактор для парогенератора, в связи с указанным, последующее поддержание выработки необходимого количества пара осуществляется с помощью ограничения силы тока подаваемого на электроды 2 в соответствии с ограничивающей установкой амперметра и реализуется в соответствии принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1). В процессе парообразования часть воды покидает котёл 1 и его повторное пополнение водой, с помощью электронасосного агрегата 15 осуществляется под избыточным давлением, превышающим текущее давление в котле 1, но включение электронасосного агрегата 15 в работу регулируется не только стержнем-датчиком верхнего уровня 4, а параллельно на основании установленного амперметром значения силы тока, необходимого к достижению на электродах 2, в соответствии с принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1). В тоже время, в случае неполучения необходимой силы тока на электродах 2, заполнение котла 1 будет ограничено стержнем-датчиком верхнего уровня 4, но так как в первоначальной воде содержатся примеси и соли жесткости, повышающие удельное сопротивление воды, которые в процессе парообразования выпадают в осадок и остаются в котле 1, сила тока на электродах 2 будет возрастать с каждым пополнением котла 1 питательной водой и последующим испарением, по этой причине этап ограничения работы электронасосного агрегата 15 по стержню-датчику верхнего уровня 4 через индивидуальное, зависящее от параметров исходной питательной воды, количество циклов, будет опережен этапом получения необходимого значения силы тока на электродах 2, в соответствии с принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1). По факту выполнения индивидуального, зависящего от параметров исходной питательной воды, количества циклов пополнения котла 1 с помощью электронасосного агрегата 15, сработает стержень-датчик нижнего уровня 5, смонтированный в колонке для датчиков уровня воды 3, выполненный таким образом, что его длина не меньше длины электрода 2, и по кабельному участку 30 в шкаф управления 31 придет сигнал отключающий подачу электрического тока на электроды 2 в соответствии с логикой работы принципиальной схемы (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1).  Срабатывание стержня-датчика нижнего уровня 5, означает что в котле 1 накопилось большое количество примесей и солей жесткости выпавших в осадок при парообразовании исходной воды, в соответствии с принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1) будет открыт клапан с электроприводом 9 и вода с большим содержанием примесей и шлама, под давлением, будет выведена из котла 1 через сливной напорный патрубок 10, цикл заполнения котла исходной водой повторится в автоматическом режиме. Последующие полные циклы работы парогенератора включающий этапы заполнения бака запаса воды 17, заполнение котла 1, регулировка уровня в котле 1 по стержню-датчику верхнего уровня 4 или силе тока на электродах 2, сброс воды через патрубок 10, с избыточным содержанием примесей и солей жесткости, последующее пополнение исходной водой повторится в соответствии с принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1) неограниченное количество раз в автоматическом режиме до момента штатного отключения парогенератора из работы или возникновения внештатного ограничения работы парогенератора при перегрузке вводного автомата, коротком замыкании, отсутствии питательной воды в баке 17 и/или котле 1 в соответствии с логикой работы принципиальной схемы (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1) защищающего парогенератор от внештатных состояний. В случае наличия технической необходимости возможен возврат выработанного пара в виде конденсата из системы потребителя через патрубок 20 в бак питательной воды 17, что возможно сделать только с помощью смешивания возвратного конденсата и исходной воды в виду нестабильности скорости и потока возврата конденсата. В этом случае нагрев исходной воды в котле 1 происходит с большей температуры, и подача питательной воды через патрубок 19 в бак 17 требуется в меньшем количестве или в случае полного возврата конденсата не требуется полностью. Принудительное опорожнение котла 1 от воды возможно при открытии шарового крана 12, в этом случае вода покидает котёл 1 самотёком через патрубок 11 так как он смонтирован в нижней точке. Котёл 1, электронасосный агрегат 15, шкаф управления 31 имеют контур заземления, подключаемый на месте монтажа парогенератора. С целью оптимизации работы электронасосного агрегата 15 и повышения его ресурса, в зависимости от необходимой точности производительности парогенератора по пару, его включение в работу по токовой нагрузке на фазных электродах 2, регулируется установленным значением на амперметре в соответствии с принципиальной схемой (см.фиг.3) шкафа управления 31 (см.фиг.1) в диапазоне 1-10% от значения уставки. Где, 1% - частые и небольшие пополнение котла 1 водой, 10% - редкие и объемные пополнения котла 1 водой. Для повышения энергетической эффективности котёл 1 изолирован минеральной ватой 33 по всей внешней вертикальной поверхности. Электроды 2 взаимно центроориентированы, то есть располагаются на одинаковом расстоянии от центра котла 1 и сориентированы относительно центра окружности под углом 120 между собой как показано на фиг.2.
Предлагаемая полезная модель – автоматизированный электродный парогенератор – обеспечивает возможность автоматической настройки производительности по пару в зависимости от меняющегося удельного сопротивления питательной воды, тем самым обеспечивая стабильную выработку пара без пульсации в процессе работы парогенератора в автоматическом режиме.
С учетом факторов, изложенных выше и устранения недостатков прототипа, достигается необходимый результат, что в совокупности обуславливает промышленную применимость технического решения.
Данное техническое решение апробировано при экспериментальном применении автоматизированного электродного парогенератора мощностью 160 кВт и производительностью по пару 210 килограмм в час, получено подтверждение эффективности функционирования, что обуславливает промышленную применимость и возможности внедрения в производство. Планируется осуществление серийного выпуска оборудования, на основании данного технического решения, с единичной мощностью в диапазоне 75-3000 кВт с различным напряжением питающей сети.
Источники информации:
1. Патент РФ №2446349, 2009.
2. Патент РФ № 90167, 2009.
3. Патент РФ № 178599, 2018.