БЛОЧНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА СМЕШЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА С АТМОСФЕРНЫМ ВОЗДУХОМ
MODULAR AUTOMATED SYSTEM FOR MIXING NATURAL GAS WITH ATMOSPHERIC AIR

Область техники
Изобретение относится к области получения газообразного топлива и может быть использовано в системах газоснабжения на промышленных предприятиях и объектах ЖКХ.
Уровень техники
Газовое топливо используется во всех отраслях промышленности и на предприятиях коммунально-бытового назначения. При этом невозобновляемость органического топлива ставит вопрос его рационального и эффективного использования.
3
Газовое топливо, поступающее потребителю, как правило имеет теплоту сгорания более 7600 ккал/м, что приводит к его неполному сгоранию, увеличению количества вредных выбросов в атмосферу и, как следствие, ухудшению технико-экономических показателей предприятия в целом.
Для повышения эффективности сжигания газового топлива допускается его смешение с атмосферным воздухом с заданным процентным содержанием кислорода (в соответствии с ГОСТ 5542-87) для дальнейшего использования в газопотребляющем оборудовании.
Задачей настоящего изобретения является создание надежной и простой системы для получения газовоздушных смесей, обеспечивающей оптимальный режим сгорания газа при небольших затратах.
Наиболее близким аналогом (прототипом) настоящего изобретения является устройство получения газовоздушной смеси единой теплоты сгорания (патент RU 77649 U1, МПК F02M 21/00, опубл. 27.10.2008), включающее подающий газопровод, соединенный с блоком анализа состава газа и блоком измерения расхода газа, выход которого соединен со входами параллельно включенных блока редуцирования газа и блока смешения газа с воздухом, выходы которых объединены и подключены ко входу блока измерения расхода газовоздушной смеси, выход которого подключен к газопроводу потребителя, причем второй вход блока смешения газа с воздухом соединен с выходом блока принудительной подачи воздуха, при этом входы автоматизированной системы управления подключены к блоку анализа состава газа, блоку измерения расхода газа и блоку измерения расхода газовоздушной смеси, а выходы автоматизированной системы управления подключены к блоку принудительной подачи воздуха, через управляемую задвижку к блоку смешения газа с воздухом и блоку редуцирования.
Недостатками этого технического решения являются очень высокая сложность и стоимость из-за наличия калориметра, воздушного компрессора, регулируемого редуктора и относительно многофункциональной системы управления. В силу особенностей конструкции этого технического решения в нем требуется принудительная подача воздуха в эжектор, при этом воздушный компрессор еще и потребляет энергию. Кроме того, система управления в данном техническом решении является достаточно инерционной, так как требует контроля параметров не только на входе, но и на выходе, а также либо вообще не позволяет регулировать объем подаваемого в эжектор воздуха, что приводит к проблемам при снижении калорийности поступающего газа вплоть до вынужденного отключения установки из-за превышения содержания кислорода в получаемой смеси, либо позволяет, но за счет использования компрессора с регулируемой мощностью, что еще больше повышает сложность и снижает надежность установки в целом.
Часть этих недостатков может быть устранена при использовании некоторых признаков технического решения, раскрытого в патенте EA 006716 B1 (МПК F17D 1/04, B01F 5/00, опубл. 2006.02.24). Так, в нем описывается блочная автоматическая газосмесительная и газораспределительная система для получения смеси горючего газа с воздухом единой теплоты сгорания, содержащая блок редуцирования в линии подачи воздуха, блоки переключений, подогревателя газа, защитной системы, учета и расхода газа на входе, одоризации, сигнализации и контрольно-измерительные приборы (КИП). В частности, в прототипе для регулировки объема подаваемого в эжектор воздуха можно было бы использовать раскрытые в EA 006716 B1 расходомер, обратный клапан и регулирующий клапан в линии подачи воздуха. Это позволило бы снизить инерционность системы и устранить проблему возможного перенасыщения газовоздушной смеси кислородом, но сложность системы бы при этом еще больше возросла. Кроме того, большее число компонентов увеличило бы и массогабаритные параметры системы.
Необходимость нагнетания воздуха в прототипе можно было бы снизить за счет использования регулятора давления газа на входе в эжектор, как это сделано, например, в патенте RU 75710 U1 (МПК F23D 14/22, F23D 14/62, опубл. 20.08.2008), в котором раскрывается узел подготовки газовоздушной смеси, состоящий из системы подачи газа в горелку через патрубок подвода газа и вентилятора и снабженный эжектором, диффузор которого сообщен с входом вентилятора, а сопло - с атмосферой, при этом патрубок подвода газа системы подачи газа в горелку соединен с камерой сопла эжектора. Однако при таком прямом подходе либо произошло бы устранение обходной линии вокруг эжектора и перемещение регулятора давления на вход эжектора, что вновь привело бы к невозможности поддержания постоянной разности давлений на входе и выходе эжектора и тем самым увеличило бы его сложность, либо произошло бы дополнение линии подачи газа в прототипе на входе эжектора еще одним регулятором давления с необходимостью его контроля и управления из системы управления.
Таким образом, попытки объединения известных из уровня техники технических решений дают лишь относительное упрощение получаемой системы газосмешения за счет некоторого упрощения эжектора и возможности отказа от нагнетания воздуха, но для каждого конкретного случая требуется проведение сложных предварительных расчетов для подбора оптимальных конструктивных параметров оборудования системы в целом и ее деталей и узлов в частности, а также для подбора оптимальных рабочих режимов. Более того, монтаж такой системы является сложным и трудозатратным, в том числе из-за сложной и разветвленной системы управления.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение устраняет все или по меньшей мере часть вышеупомянутых недостатков путем применения блочной автоматизированной системы смешения природного газа с атмосферным воздухом:
- линию подачи воздуха, содержащую последовательно соединенные между собой трубопроводом в произвольном порядке:
первый расходомер, выполненный с возможностью измерения расхода воздуха, и
регулирующий клапан, выполненный с возможностью регулирования расхода воздуха в линии подачи воздуха;
- линию подачи газа, содержащую соединенный трубопроводом с входом эжектора второй расходомер, выполненный с возможностью измерения расхода газа;
- линию смешения газа и воздуха, содержащую эжектор, выполненный с возможностью получения газовоздушной смеси и соединенный трубопроводами на входе с выходом линии подачи воздуха и выходом линии подачи газа, а на выходе - с выходом системы;
- обводную линию, содержащую первый редуктор, выполненный с возможностью формирования предварительно установленного давления на выходе обводной линии, соединенный трубопроводами с линией подачи газа между вторым расходомером и входом эжектора и с линией смешения газа и воздуха между эжектором и выходом системы;
блок управления, соединенный с первым расходомером, вторым расходомером и регулирующим клапаном и выполненный с возможностью:
приема информации о расходе воздуха от первого расходомера,
приема информации о расходе газа от второго расходомера, и
управления регулирующим клапаном на основании принятой информации таким образом, чтобы при текущем значении расхода газа поддерживать расход воздуха, необходимый для обеспечения предварительно заданного соотношения воздуха и газа в получаемой газовоздушной смеси.
В дополнительных аспектах раскрыто, что газом является природный газ; линия подачи воздуха дополнительно содержит воздушный фильтр, выполненный с возможностью фильтрации входного воздушного потока; линия подачи воздуха дополнительно содержит обратный клапан, выполненный с возможностью перекрывания линии подачи воздуха в случае прохождения потока в направлении ее входа; линия подачи воздуха дополнительно содержит отсечной клапан, выполненный с возможностью перекрывания линии подачи воздуха, причем блок управления соединен с отсечным клапаном и дополнительно выполнен с возможностью передачи команды на перекрывание линии подачи воздуха в отсечной клапан для прекращения подачи воздуха; линия подачи газа дополнительно содержит первый датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления на выходе второго расходомера, обводная линия дополнительно содержит второй датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления на выходе первого редуктора, и линия смешения газа и воздуха дополнительно содержит третий датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления на выходе эжектора; блок управления соединен с первым, вторым и третьим датчиками давления и выполнен с возможностью приема от них информации о давлении, соответственно, на входе эжектора, на выходе первого редуктора и на выходе эжектора.
В других аспектах раскрыто, что блок управления дополнительно выполнен с возможностью формирования и передачи информации о состоянии системы; информация о состоянии системы содержит по меньшей мере одно из информации о расходе воздуха, о расходе газа, о соотношении воздуха и газа в получаемой газовоздушной смеси, о давлении на входе эжектора, о давлении на выходе первого редуктора и о давлении на выходе эжектора.
В дополнительных аспектах раскрывается, что система дополнительно содержит блок отображения, соединенный с блоком управления и выполненный с возможностью приема от блока управления и отображения информации о состоянии системы; информация о состоянии системы передается из блока управления в удаленную систему обработки информации; линия подачи газа дополнительно содержит второй редуктор, выполненный с возможностью формирования предварительно установленного давления газа на входе эжектора.
Кроме того, настоящее изобретение устраняет все или по меньшей мере часть вышеупомянутых недостатков путем применения системы для получения смеси газа с воздухом, содержащей:
- линию подачи воздуха, содержащую последовательно соединенные между собой трубопроводом в произвольном порядке:
первый расходомер, выполненный с возможностью измерения расхода воздуха, и
регулирующий клапан, выполненный с возможностью регулирования расхода воздуха в линии подачи воздуха;
- линию подачи газа, содержащую последовательно соединенные между собой трубопроводом:
второй расходомер, выполненный с возможностью измерения расхода газа, и
второй редуктор, выполненный с возможностью формирования предварительно установленного давления на выходе линии подачи газа;
- линию смешения газа и воздуха, содержащую эжектор, выполненный с возможностью формирования газовоздушной смеси и соединенный трубопроводами на входе с выходом линии подачи воздуха и выходом линии подачи газа, а на выходе - с выходом системы;
- обводную линию, содержащую первый редуктор, выполненный с возможностью формирования предварительно установленного давления на выходе обводной линии, соединенный трубопроводами с линией подачи газа между вторым расходомером и вторым редуктор и с линией смешения газа и воздуха между эжектором и выходом системы; и
- блок управления, соединенный с первым расходомером, вторым расходомером и регулирующим клапаном и выполненный с возможностью:
приема информации о расходе воздуха от первого расходомера,
приема информации о расходе газа от второго расходомера, и
управления регулирующим клапаном на основании принятой информации таким образом, чтобы при текущем значении расхода газа поддерживать расход воздуха, необходимый для обеспечения предварительно заданного соотношения воздуха и газа в получаемой газовоздушной смеси.
В одном из вариантов осуществления газом является природный газ.
В одном из вариантов осуществления линия подачи воздуха дополнительно содержит воздушный фильтр, выполненный с возможностью фильтрации входного воздушного потока.
В одном из вариантов осуществления линия подачи воздуха дополнительно содержит обратный клапан, выполненный с возможностью перекрывания линии подачи воздуха в случае прохождения потока в направлении ее входа.
В одном из вариантов осуществления линия подачи воздуха дополнительно содержит отсечной клапан, выполненный с возможностью перекрывания линии подачи воздуха, причем блок управления соединен с отсечным клапаном и дополнительно выполнен с возможностью передачи команды на перекрывание линии подачи воздуха в отсечной клапан, если требуется прекратить подачу воздуха.
В одном из вариантов осуществления линия подачи газа дополнительно содержит первый датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления на выходе второго редуктора, обводная линия дополнительно содержит второй датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления на выходе первого редуктора, и линия смешения газа и воздуха дополнительно содержит третий датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления на выходе эжектора.
В одном из вариантов осуществления блок управления соединен с первым, вторым и третьим датчиками давления и выполнен с возможностью приема от них информации о давлении, соответственно, на выходе второго редуктора, на выходе первого редуктора и на выходе эжектора.
В одном из вариантов осуществления блок управления дополнительно выполнен с возможностью формирования и передачи информации о состоянии системы.
В одном из вариантов осуществления информация о состоянии системы содержит по меньшей мере одно из информации о расходе воздуха, о расходе газа, о соотношении воздуха и газа в получаемой газовоздушной смеси, о давлении на выходе второго редуктора, о давлении на выходе первого редуктора и о давлении на выходе эжектора.
В одном из вариантов осуществления система дополнительно содержит блок отображения, соединенный с блоком управления и выполненный с возможностью приема от блока управления и отображения информации о состоянии системы.
В одном из вариантов осуществления информация о состоянии системы передается из блока управления в удаленную систему обработки информации.
Задачей настоящего изобретения является создание надежной и простой системы для получения газовоздушных смесей с заданным процентным содержанием кислорода для дальнейшего его использования в газопотребляющем оборудовании, лишенной указанных недостатков, и обеспечивающей оптимальный режим сгорания газа при небольших затратах.
Технический результат, достигаемый заявленным устройством, заключается в повышении эффективности использования природного газа, упрощении конструкции системы, повышении надежности и безопасности. Благодаря применению заявленного изобретения достигается экономия около 5% природного газа, что позволяет повысить экологичность системы, снизить расход потребляемых ресурсов.
Технический результат достигается благодаря эффективному и простому в технической реализации предварительному смешению природного газа и кислорода, находящегося в воздухе, что обеспечивает лучшее сгорание смеси при последующем сжигании.
Краткое описание чертежей
Далее система будет описана со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлена схема системы для получения смеси газа с воздухом согласно настоящему изобретению.
на фиг. 2 представлен еще один вариант системы для получения смеси газа с воздухом согласно настоящему изобретению.
Подробное описание
В предпочтительном варианте осуществления изобретения система для получения смеси газа с воздухом содержит линию подачи воздуха, линию подачи газа, линию смешения газа и воздуха, обводную линию и блок управления.
Схема заявляемой системы включает в себя следующие элементы:
1 - фильтр, 2 - первый расходомер для измерения расхода воздуха, 3 - отсечной клапан, 4 - блок управления, 5 - регулирующий клапан (клапан с электроприводом), 6 - обратный клапан, 7 - эжектор, 8, 10, 12 - датчики давления, 9 - первый редуктор, 11 - второй редуктор, 13 - второй расходомер для измерения расхода газа.
Хотя на фигуре 1 не показано, в одном из вариантов осуществления система скомпонована в отдельном блоке, который может быть легко погружен и перемещен.
Линия подачи воздуха содержит последовательно соединенные между собой трубопроводом в произвольном порядке первый расходомер 2 для измерения расхода воздуха и регулирующий клапан 5 (клапан с электроприводом) для регулирования расхода воздуха в линии подачи воздуха.
Линия подачи газа содержит последовательно соединенные между собой трубопроводом второй расходомер 13 для измерения расхода газа и второй редуктор 11 для формирования предварительно установленного давления на выходе линии подачи газа. Необходимо отметить, что второй редуктор 11 является необязательным элементом.
Линия смешения газа и воздуха содержит эжектор 7 для получения газовоздушной смеси, соединенный трубопроводами на входе с выходом линии подачи воздуха и выходом линии подачи газа, а на выходе - с выходом системы. Параметры эжектора 7 рассчитываются таким образом, чтобы количество воздуха, проходящего через него при полностью открытом регулирующем клапане 5, было максимальным для данной системы, т.е. соответствовало максимальному расходу газа. Максимальный расход газа для данной системы также задается при проектировании.
Обводная линия содержит первый редуктор 9 для формирования предварительно установленного давления на выходе обводной линии, соединенный трубопроводами с линией подачи газа между вторым расходомером 13 и вторым редуктор 11 и с линией смешения газа и воздуха между эжектором 7 и выходом системы. Первый редуктор 9 настраивается таким образом, чтобы давление на его выходе было меньше давления на выходе эжектора 7. Наличие обводной линии с редуктором обеспечивает возможность работы эжектора в режиме с контролируемым давлением на входе для природного газа, что уменьшает требования к его функционалу и конструкции.
Блок 4 управления соединен по меньшей мере с одним из первого расходомера 2, второго расходомера 13, регулирующего клапана 5, отсечного клапана 3.
Система работает следующим образом.
Воздух через первый расходомер 2 и регулирующий клапан 5 поступает по линии подачи воздуха в эжектор, где смешивается с газом, поступающим через второй расходомер 13 и второй редуктор 11. Давление газа на входе эжектора 7 поддерживается постоянным с помощью второго редуктора 11, что обеспечивает постоянный расход газа через эжектор 7 независимо от общего расхода газа через систему. Оставшаяся часть газа не проходит в эжектор и поступает непосредственно на выход системы через обводную линию. Полученная газовоздушная смесь за счет того, что давление на выходе эжектора 7 выше давления на выходе обводной линии, поступает на выход системы. Для поддержания постоянного процентного содержания кислорода в газовоздушной смеси при уменьшении расхода газа используется регулирующий клапан 5. Для этого блок 4 управления принимает информацию о расходе воздуха от первого расходомера 2, принимает информацию о расходе газа от второго расходомера 13 и задает степень открытия регулирующего клапана на основании принятой информации таким образом, чтобы при текущем значении расхода газа поддерживать расход воздуха, необходимый для обеспечения предварительно заданного соотношения воздуха и газа в получаемой газовоздушной смеси.
Давление на выходе второго редуктора 11 и первого редуктора 9 может быть предварительно установлено производителем либо установлено на месте при монтаже и пуске системы в эксплуатацию. В предпочтительном варианте осуществления установка производится однократно, но при необходимости при ремонте и техническом обслуживании может быть произведена переустановка.
В одном из вариантов осуществления в системе используется природный газ.
В одном из вариантов осуществления линия подачи воздуха дополнительно содержит воздушный фильтр 1, выполненный с возможностью фильтрации входного воздушного потока. Это позволяет защитить линию подачи воздуха и эжектор 7 от попадания пыли и влаги.
В одном из вариантов осуществления линия подачи воздуха дополнительно содержит обратный клапан 6, выполненный с возможностью перекрывания линии подачи воздуха в случае прохождения потока в направлении ее входа. Это позволяет дополнительно повысить безопасность системы.
В одном из вариантов осуществления линия подачи воздуха дополнительно содержит отсечной клапан 3, выполненный с возможностью перекрывания линии подачи воздуха. Блок 4 управления передает команды на перекрытие линии подачи воздуха в отсечной клапан 3 в случае выявления нештатной ситуации.
В одном из вариантов осуществления линия подачи газа дополнительно содержит первый датчик 12 давления для измерения давления на выходе второго редуктора 11, обводная линия дополнительно содержит второй датчик 10 давления для измерения давления на выходе первого редуктора 9, линия смешения газа и воздуха дополнительно содержит третий датчик 8 давления для измерения давления на выходе эжектора 7. Блок 4 управления может принимать от присоединенного первого, второго и третьего датчиков 12, 10 и 8 давления информацию об измеряемом ими давлении. Блок 4 управления может формировать и передавать информацию о состоянии системы.
Информация о состоянии системы может содержать по меньшей мере одно из информации о расходе воздуха, о расходе газа, о соотношении воздуха и газа в газовоздушной смеси, о давлении на выходе второго редуктора, о давлении на выходе первого редуктора и о давлении на выходе эжектора. Тем самым, обеспечивается возможность контроля состояния системы со стороны, например, оператором.
В одном из вариантов осуществления система дополнительно содержит блок отображения (не показан), который принимает от блока 4 управления и отображает информацию о состоянии системы. В одном из вариантов осуществления информация о состоянии системы передается из блока 4 управления в удаленную систему обработки информации.
Следует отметить, что второй редуктор 11 не является обязательным элементом и система может функционировать с одним первым редуктором 9, достигая заявленные технические результаты в сравнении с решениями уровня техники, но с несколько меньшей эффективностью за счет соответствующей настройки первого редуктора и первого регулирующего клапана. При известных параметрах системы, воздуха и природного газа такая настройка не требует от специалиста творческих усилий и достигается известными из уровня техники методами.
В еще одном варианте осуществления система (фиг. 2), не содержит блока управления и второго редуктора. В этом варианте система содержит два входа: для воздуха и для природного газа.
Вход для воздуха соединен трубопроводом с расходомером 2, который трубопроводом соединен с регулирующим клапаном 5, хотя порядок соединения элементов 2 и 5 не важен в рамках заявленного технического решения. Выход регулирующего клапана 5 (расходомера 2) посредством трубопровода соединен с входом эжектора 7.
Вход для газа соединен посредством трубопровода со вторым расходомером 13, который посредством трубопровода соединен с входом эжектора 7.
Первый редуктор 9 соединен трубопроводами с входом эжектора и выходом системы. Выход эжектора 7 также соединен с выходом системы.
В предложенном варианте осуществления соответствующей настройкой регулирующего клапана 5 и первого редуктора 9 обеспечивается оптимальная работа системы. Небольшое количество составляющих блоков обеспечивает простоту и надежность заявленного технического решения.
В еще одном варианте осуществления настоящее техническое решение может быть представлено в виде устройства для получения смеси газа с воздухом. Такое устройство содержит корпус, в котором содержатся входы для природного газа и воздуха. Вход для природного газа соединен трубопроводом со вторым расходомером 13, который в свою очередь трубопроводом соединен с эжектором 7. Вход для воздуха соединен с первым расходомером 2, который трубопроводом соединен с регулирующим клапаном 5, а регулирующий клапан 5 трубопроводом соединен с входом эжектора 7. Также предложенное устройство содержит обводную линию, представляющую собой трубопровод, соединяющий выход эжектора 7 и выход расходомера 13, причем в обводной линии содержится первый редуктор 9. Выход эжектора соединен с выходом устройства. Эффекты, достигаемые этим устройством, и принципы его работы аналогичны описанной выше системе.
Предложенное устройство может содержать те же дополнительные элементы, что и описанная выше система.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Способы, раскрытые здесь, содержат один или несколько этапов или действий для достижения описанного способа. Этапы и/или действия способа могут заменять друг друга, не выходя за пределы объема формулы изобретения. Другими словами, если не определен конкретный порядок этапов или действий, порядок и/или использование конкретных этапов и/или действий может изменяться, не выходя за пределы объема формулы изобретения.
Упомянутый блок управления может быть реализован в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, процессорах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах общего назначения, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.