АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОТОПИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области теплоснабжения жилых и производственных объектов и может применяться для их отопления.
Известна котельная установка [свидетельство РФ на полезную модель №15595 U1, МПК F22B 33/00, з. 09.12.1999, оп. 27.10.2000], содержащая металлическое утепленное пожаробезопасное помещение, отопительные котлы, выполненные стальными, сварными с дымогарными трубами, установку горячего водоснабжения, дымовую трубу, дефлекторы, электрооборудование, газовое оборудование, трубопроводы газа, исходной и сетевой воды, устройство для подготовки воды, средства автоматики, систему охранной сигнализации, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена системой регулирования теплопроизводительности в зависимости от температуры окружающей среды, системой автоматического пожаротушения. Трубопровод сетевой воды включает трубопровод обратной сетевой воды, содержащий сетевые насосы (рабочий и резервный), обеспечивающие принудительную циркуляцию теплоносителя. Котельная установка обеспечивает регулируемое в зависимости от температуры окружающей среды теплоснабжение зданий и сооружений, оборудованных системами отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя и горячее водоснабжение.
Недостатками данной котельной установки являются отсутствие возможности осуществления регулирования подачи сетевых насосов и их плавного запуска и останова, что приводит к преждевременному выходу из строя насосного оборудования и повышенному расходу электроэнергии, отсутствие возможности осуществления оптимизации процесса горения путем автоматического поддержания оптимального соотношения «топливо-воздух» во всем диапазоне нагрузок за счет контроля содержания кислорода в уходящих газах, что приводит к снижению КПД отопительных котлов, а также отсутствие возможности работы на других видах топлива, отличных от газа, например, на дизельном топливе, вследствие чего невозможно осуществить резервную подачу топлива, например, при отключении подачи газа.
Известна котельная установка [Карякин Е.А. и др. Промышленное газовое оборудование: справочник/6-е изд., перераб. и доп. - Саратов: Газовик, 2013., с. 1193-1199, особенно с. 1194-1195, ISBN 978-5-9758-1454-8], принятая за прототип, в состав которой входят: котлоагрегаты (отопительные котлы), горелочные устройства, трубопровод отопления прямой (трубопровод прямой сетевой воды), трубопровод отопления обратный (трубопровод обратной сетевой воды), трубопровод исходной воды, насосная группа, включающая рабочий и резервный сетевые насосы (циркуляционные), узел водоподготовки, узел подпитки воды, включающий рабочий и резервный подпиточные насосы (по сути, являются насосами исходной воды), топливное оборудование, включающее оборудование и трубопроводы для подачи топлива, узлы учета (тепла, топлива, электроэнергии), блок автоматики и электропитания, газоходы и дымовая труба. Корпус котельной установки представляет собой металлическое утепленное пожаробезопасное здание. Уровень автоматизации котельной обеспечивает автономную работу всего оборудования без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Автоматика обеспечивает работу котельной по температурному графику в зависимости от погодных условий (погодозависимое регулирование температуры подаваемого теплоносителя), регулирование происходит путем изменения подачи топлива к горелочным устройствам в зависимости от температуры наружного воздуха. В зависимости от типа применяемых горелочных устройств, котельная может работать как на газу, так и на жидком топливе, например, дизельном.
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие возможности осуществления регулирования подачи сетевых насосов и их плавного запуска и останова, что приводит к преждевременному выходу из строя насосного оборудования и повышенному расходу электроэнергии;
- регулирование температуры подаваемого теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха путем изменения подачи топлива обладает достаточно большой инертностью, т.е. после изменения подачи топлива, теплоноситель продолжает подаваться с прежней температурой еще некоторое время, пока отопительный котел не остынет, или же наоборот не нагреется до необходимого режима работы, в результате чего вместо устойчивого процесса работы горелочное устройство, то полностью отключается или переходит на минимальную нагрузку, то резко начинает работать на максимальной нагрузке, что приводит к преждевременному выходу горелочного устройства из строя, к повышенному расходу топлива и снижению эффективности отопления;
- отсутствие возможности аварийной подпитки теплосети подготовленной (например, умягченной) водой в период, когда блок водоподготовки неисправен, или, например, при использовании химводоочистки, находится в режиме регенерации, в результате чего при подпитке напрямую из трубопровода исходной воды в теплосеть будет поступать неподготовленная (жесткая) вода, от которой внутри трубопроводов и отопительных котлов будут образовываться накипь, известковый налет и коррозия. Все это вместе способно привести к массовым потерям теплопередачи, перегреву оборудования, падению качества нагрева воды, снижению КПД отопительных котлов, а, следовательно, и к повышенному расходу топлива;
- отсутствие возможности осуществления оптимизации процесса горения путем автоматического поддержания оптимального соотношения «топливо-воздух» во всем диапазоне нагрузок за счет контроля содержания кислорода в уходящих газах, что приводит к снижению КПД отопительных котлов, а, следовательно, и к повышенному расходу топлива.
Вышеперечисленные недостатки приводят к снижению надежности работы отопительной установки, а также к снижению эффективности, экономичности отопления зданий и сооружений.
Задачей заявленной полезной модели является обеспечение эффективного, экономичного и бесперебойного отопления зданий и сооружений.
Технический результат выражается в повышении эффективности и экономичности отопления зданий и сооружений, а также в повышении надежности работы отопительной установки.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматизированная отопительная установка содержит размещенные в металлическом утепленном пожаробезопасном блок-боксе, по меньшей мере, один отопительный котел, оборудованный горелочным устройством, по меньшей мере, одну дымовую трубу, связанную дымоходом с отопительным котлом, блок автоматики и электропитания, трубопровод прямой сетевой воды, трубопровод обратной сетевой воды, содержащий, по меньшей мере, один сетевой насос, последовательно соединенные трубопровод исходной воды, содержащий, по меньшей мере, один насос исходной воды, и узел водоподготовки, оборудование и трубопроводы для подачи топлива.
Согласно предложенному техническому решению автоматизированная отопительная установка дополнительно содержит узел подпитки, включающий демпферно-подпиточный бак, связанный трубопроводом с выходом воды из узла водоподготовки, а также связанный трубопроводом подпиточной воды, содержащим, по меньшей мере, один подпиточный насос, с входом сетевого насоса, трубопроводы прямой сетевой воды и обратной сетевой воды соединены между собой с возможностью осуществления регулируемого подмеса воды из трубопровода обратной сетевой воды в трубопровод прямой сетевой воды, а сетевой насос оборудован частотно-регулируемым приводом.
В частности, горелочное устройство может быть выполнено с возможностью поддержания заданного уровня кислорода в дымовых газах.
Кроме того, автоматизированная отопительная установка может содержать узлы учета тепла, топлива и электроэнергии.
Также автоматизированная отопительная установка может содержать, по меньшей мере, один бак для жидкого топлива с системой обогрева и автоматического поддержания заданной температуры топлива.
Дымовая труба может быть выполнена разборной и состоящей из, по меньшей мере, двух секций.
В числе отличий автоматизированной отопительной установки следует отметить то, что металлический утепленный пожаробезопасный блок-бокс может быть выполнен в виде модуля, состоящего из, по меньшей мере, двух секций, способных к раздельной транспортировке.
Блок автоматики и электропитания может включать систему автоматического управления, построенную на основе микропроцессорных программируемых логических контроллеров.
Кроме того, автоматизированная отопительная установка может содержать узлы охранной и пожарной сигнализации.
В качестве отопительного котла может быть использован котел водогрейный жаротрубный.
Еще одним отличием автоматизированной отопительной установки является то, что она может содержать трубопровод, соединяющий вход и выход отопительного котла, и содержащий, по меньшей мере, один насос рециркуляции.
Также автоматизированная отопительная установка может быть снабжена оборудованием отопления и вентиляции.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, на котором иизображена технологическая схема автоматизированной отопительной установки.
Автоматизированная отопительная установка размещена в металлическом утепленном пожаробезопасном блок-боксе 1 (фиг. 1), выполненном в виде модуля, состоящего из двух секций (не показаны). Каждая секция представляет собой контейнер каркасной конструкции, обшитый внутри оцинкованными листами. Между каркасом и обшивкой проложена тепловая изоляция из минераловатных матов. Снаружи контейнер обшит профильными листами. Каждый из контейнеров оснащен окном, выполняющим также роль легкосбрасываемой конструкции, и входной дверью. Габариты контейнеров обеспечивают возможность транспортировки их автомобильным и железнодорожным транспортом. В транспортировочном положении стыковочные (межсекционные) стороны контейнеров, а также окна закрыты металлическими листами для защиты от вандальных действий. Внутри металлического утепленного пожаробезопасного блок-бокса 1 размещено оборудование отопления и вентиляции (не показано), включающее электрические обогреватели, вентиляционные решетки и вытяжные вентиляторы. Внутри металлического утепленного пожаробезопасного блок-бокса 1 расположены два отопительных котла водогрейных жаротрубных 2, каждый из которых оборудован горелочным устройством 4, например, автоматической газо-мазутной горелкой «Oilon GRP-130M» с модулирующим управлением мощности и оборудованной электронной системой управления с регулированием уровня кислорода в дымовых газах «Oilon WiseDrive 200». Отопительные котлы 2 посредством газоходов 5 соединены с дымовыми трубами 3. Каждый отопительный котел 2 соединен с одной дымовой трубой 3, однако, в зависимости от тепловой мощности отопительных котлов 2, к одной дымовой трубе 3 могут быть подключены сразу несколько котлов и наоборот. Для удобства транспортировки каждая дымовая труба 3 выполнена разборной посредством фланцевого соединения и состоит из двух секций. Также внутри металлического утепленного пожаробезопасного блок-бокса 1 размещены блок автоматики и электропитания (не показан), трубопровод прямой сетевой воды 6 и трубопровод обратной сетевой воды 7. На трубопроводе обратной сетевой воды 7 размещен рабочий сетевой насос 8 и установленный параллельно ему посредством байпасной линии резервный сетевой насос (не показан). Блок автоматики и электропитания (не показан) обеспечивает автоматизированное управление технологическим процессом теплоснабжения без постоянного присутствия обслуживающего персонала, а также обеспечивает автоматизацию оперативного управления температурным и гидравлическим режимами работы автоматизированной отопительной установки как непосредственно из металлического утепленного пожаробезопасного блок-бокса 1 отопительной установки, так и дистанционно с удаленного автоматизированного рабочего места (не показано). Блок автоматики и электропитания, включает систему автоматического управления (не показана), построенную на основе микропроцессорных программируемых логических контроллеров, содержащую модули и датчики, реализующие базовые функции системы управления (датчики температуры котловой воды, датчик наружной температуры и т.д.). Построение системы автоматического управления (не показана) на основе микропроцессорных программируемых логических контроллеров позволяет уменьшить габариты блока автоматики и электропитания, так как одним небольшим по размерам микропроцессорным устройством можно заменить целую группу обычных электрических аппаратов, а также позволяет осуществить переход от дискретного (ступенчатого) регулирования к непрерывному (плавному). Рабочий 8 и резервный (не показан) сетевые насосы оборудованы частотно-регулируемыми приводами (не показаны), для осуществления плавного запуска-останова, регулировки производительности и создаваемого давления. Кроме того, там же размещены последовательно соединенные трубопровод исходной воды 9, содержащий насос исходной воды 10, и узел водоподготовки 11. Узел водоподготовки 11 в рассматриваемом примере включает в себя установку для удаления растворенного в воде железа, умягчающую установку натрий-катионирования, насос-дозатор ввода реагентов для связывания растворенного кислорода (не показаны). Автоматизированная отопительная установка содержит оборудование и трубопроводы для подачи топлива, включающие трубопроводы подвода 20 и отвода 21 жидкого топлива, например, нефти, забираемой из бака 16 для жидкого топлива и, подаваемой к каждому горелочному устройству 4. Бак 16 для жидкого топлива расположен за пределами металлического утепленного пожаробезопасного блок-бокса 1 автоматизированной отопительной установки. Для подачи жидкого топлива использована насосная станция 19 для жидкотопливных горелок со сдвоенными топливными линиями (основной и резервной) «Oilon SPY-500», установленная на трубопроводе подвода жидкого топлива 20. Для подачи к каждому горелочному устройству 4 природного газа использован трубопровод подвода газа 22, содержащий регулятор давления 23, служащий для поддержания выходного давления газа постоянным, независимо от влияния возмущающих величин, таких как входное давление, и/или изменение расхода. Кроме того, при необходимости, автоматизированная отопительная установка может содержать оборудование и трубопроводы для подачи только одного вида топлива, в этом случае каждый из отопительных котлов 2 оборудуется соответствующим горелочным устройством 4. Для подпитки возврата из теплосети, например, в случае наличия утечек теплоносителя, автоматизированная отопительная установка содержит узел подпитки, включающий демпферно-подпиточный бак 12, расположенный в верхней части металлического утепленного пожаробезопасного блок-бокса 1 и связанный трубопроводом 13 с выходом воды из узла водоподготовки 11. Кроме того, демпферно-подпиточный бак 12 связан трубопроводом подпиточной воды 14, содержащим рабочий 15 и резервный (не показан) подпиточные насосы, с входом рабочего 8 (резервного (не показан)) сетевого насоса. Также демпферно-подпиточный бак 12 предназначен для компенсации температурного расширения теплоносителя. Трубопроводы прямой 6 и обратной 7 сетевой воды соединены между собой трубопроводом 24 с возможностью осуществления регулируемого подмеса воды из трубопровода обратной сетевой воды 7 в трубопровод прямой сетевой воды 6, например, посредством трехходового клапана 25. Для очистки воды, поступающей в автоматизированную отопительную установку, на входе трубопровода обратной сетевой воды 7 и входе трубопровода исходной воды 9 установлены сетчатые фильтры 26. Для обеспечения температуры сетевой воды на входе в котлы не ниже заданного значения, например, не ниже 70°C, в целях предотвращения внешней низкотемпературной коррозии, возникающей в результате образования на поверхностях нагрева капель или пленки влаги, вступающих в реакцию с металлической поверхностью, каждый из отопительных котлов 2 содержит трубопровод 17, соединяющий вход и выход отопительного котла 2. Трубопровод 17 содержит насос рециркуляции 18, подающий часть нагретой в отопительном котле 2 воды обратно на вход отопительного котла 2. Кроме того, автоматизированная отопительная установка содержит запорно-регулирующую арматуру (не показана). Автоматизированная отопительная установка кроме вышеперечисленного, содержит узлы учета тепла, топлива и электроэнергии (не показаны). Узел учета тепла (не показан) включает тепловой счетчик-регистратор типа «Взлет» TCP-M, который обеспечивает вычисление количества тепловой энергии и массы теплоносителя, среднечасовых и среднесуточных значений параметров, накопление архивных и отчетных параметров, времени работы прибора, вывод данных на индикатор. Узел учета топлива (не показан) включает два счетчика-расходомера топлива 27 «Contoil control VZO-20», предназначенных для организации учета расхода жидкого топлива, установленных на трубопроводы подвода 20 и отвода 21 жидкого топлива. Также узел учета топлива (не показан) включает комплекс для измерения количества газа 28, например, «СГ-ЭКВз», предназначенный для учета расхода природного газа и, обеспечивающий автоматическое измерение приведенного и рабочего объема газа, абсолютного давления, температуры, введение поправок на состав и удельную теплоту сгорания газа, относительную плотность, регистрацию основных измеренных параметров - давления и температуры с фиксацией даты измерения. Узел учета электроэнергии (не показан) включает два счетчика электрической энергии «Меркурий 236 ART» (для учета электроэнергии от основного и резервного источника энергоснабжения), предназначенные для учета активной и реактивной электроэнергии в прямом направлении в трехфазных трехпроводных сетях переменного тока с возможностью тарифного учета по зонам суток, долговременного хранения и передачи накопленной информации в блок автоматики и электропитания (не показан). Также автоматизированная отопительная установка содержит узлы охранной и пожарной сигнализации (не показаны).
Автоматизированная отопительная установка работает следующим образом.
Производят монтаж металлического утепленного пожаробезопасного блок-бокса 1 (фиг. 1) из двух секций (не показаны), предварительно демонтировав металлические листы со стыковочных (межсекционных) сторон контейнеров и с окон. К газоходам 5 (фиг. 2) отопительных котлов 2 подсоединяют нижние секции (не показаны) дымовых труб 3, на которые, в свою очередь, монтируются верхние секции (не показаны). Производят подключение автоматизированной отопительной установки к трубопроводам теплосети, к источнику исходной воды, например, к производственному водопроводу, к источникам энергоснабжения (основного и резервного) и газоснабжения, к баку для жидкого топлива 16.
Подают воду из технического водопровода через сетчатый фильтр 26 по трубопроводу исходной воды 9 к узлу водоподготовки 11. При давлении воды в техническом водопроводе ниже необходимого для нормальной работы узла водоподготовки 11 включают насос исходной воды 10, который создает необходимое давление. После узла водоподготовки 11 вода с необходимыми показателями по трубопроводу 13 подается в узел подпитки (не показан), а именно в демпферно-подпиточный бак 12 и далее, в случае необходимости восполнения утечек в трубопроводе обратной сетевой воды 7 и обеспечения постоянного давления перед рабочим 8 (резервным (не показан)) сетевым насосом, по трубопроводу подпиточной воды 14 посредством рабочего 15 или резервного (не показан) подпиточного насоса подается на всас рабочего 8 (резервного (не показан)) сетевого насоса. Температурное расширение теплоносителя в теплосети компенсируется демпферно-подпиточным баком 12 за счет того, что он сообщен с атмосферой и обладает достаточным свободным объемом для наполнения излишками теплоносителя из теплосети, например, при срабатывании регулятора давления (не показан), установленного на трубопроводе подпиточной воды 14. Наличие узла подпитки (не показан) обеспечивает возможность аварийной подпитки теплосети водой с необходимыми показателями, что позволяет избежать заполнения теплосети неподготовленной водой, способствующей образованию накипи, известкового налета и коррозии внутри трубопроводов и отопительных котлов 2, а также позволяет защитить трубопроводы и оборудование автоматизированной отопительной установки от температурного расширения теплоносителя. В результате повышаются эффективность и экономичность отопления, а также повышается надежность работы автоматизированной отопительной установки.
Выполнению операций технологического процесса отопления зданий и сооружений предшествует закрывание-открывание соответствующей запорно-регулирующей арматуры (не показана).
Управление насосным, запорно-регулирующим и другим оборудованием автоматизированной отопительной установки производится блоком автоматики и электропитания (не показан).
Рабочим 8 (резервным (не показан)) сетевым насосом вода из теплосети по трубопроводу обратной сетевой воды 7 подается к отопительным котлам 2, в которых происходит нагрев воды до заданной температуры. Для регулирования подачи рабочего 8 (резервного (не показан)) сетевого насоса и его плавного запуска-останова используют частотно-регулируемый привод (не показан), которым оборудован насос, благодаря чему снижаются гидравлические нагрузки в трубопроводах, увеличивается срок службы рабочего 8 (резервного) сетевого насоса, а также снижается расход электроэнергии.
Нагрев воды в каждом из отопительных котлов 2 осуществляется с помощью горелочного устройства 4, управляемого блоком автоматики и электропитания (не показан). Жидкое топливо, например, нефть, для каждого из горелочных устройств 4 подается при помощи насосной станции 19 из бака для жидкого топлива 16 по трубопроводу подвода 20 жидкого топлива, а излишки топлива, неизрасходованные в горелочном устройстве 4, возвращаются в бак для жидкого топлива 16 по трубопроводу отвода 21 жидкого топлива. При помощи счетчиков-расходомеров топлива 27 «Contoil control VZO-20», установленных на трубопроводах подвода 20 и отвода 21 жидкого топлива измеряют расход жидкого топлива поступившего к горелочным устройствам 4 и возвратившегося назад в бак для жидкого топлива 16, а вычисление итогового расхода производится блоком автоматики и электропитания (не показан). Природный газ подается к каждому из горелочных устройств 4 по трубопроводу подвода газа 22. Учет расхода природного газа производится комплексом для измерения количества газа 28 «СГ-ЭКВз», установленным на трубопроводе подвода газа 22. Для поддержания постоянным выходного давления природного газа, подаваемого к горелочным устройствам 4, используют регулятор давления 23, установленный на трубопроводе подвода газа 22. Отработанные дымовые газы из каждого отопительного котла 2 поступают через дымоход 5 в дымовую трубу 3, и выводятся в атмосферу.
Учет электроэнергии производят при помощи двух счетчиков электрической энергии «Меркурий 236 ART» (не показан), одним из которых ведут учет электроэнергии полученной от основного источника энергоснабжения, а вторым - от резервного.
Для оптимизации процесса горения путем автоматического поддержания оптимального соотношения «топливо-воздух» во всем диапазоне нагрузок используют электронную систему управления с регулированием уровня кислорода в дымовых газах «Oilon WiseDrive 200» (не показана), которой оборудовано каждое горелочное устройство 4, благодаря чему повышается КПД отопительных котлов 2 и снижается расход топлива.
Для регулирования температуры подаваемого в теплосеть теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха используют трехходовой клапан 25, установленный на трубопроводе прямой сетевой воды 6, который посредством трубопровода 24 соединен с участком трубопровода обратной сетевой воды 7, расположенным после рабочего 8 (резервного (не показан)) сетевого насоса. Таким образом, каждое из горелочных устройств 4 работает в устоявшемся оптимальном режиме работы, нагревая воду в отопительном котле 2 до определенной заданной температуры. В случае изменения температуры наружного воздуха в сторону потепления необходимо уменьшить температуру подаваемого в теплосеть теплоносителя для этого производят подмешивание части воды из трубопровода обратной сетевой воды 7 в трубопровод прямой сетевой воды 6. При понижении температуры окружающего воздуха уменьшают подмес из трубопровода обратной сетевой воды 7 в трубопровод прямой сетевой воды 6, а при необходимости, прекращают подмес и постепенно увеличивают нагрузку на горелочные устройства 4. В результате сохранения устоявшегося режима работы каждого горелочного устройства 4 без резких перепадов нагрузки увеличивается срок службы горелочных устройств 4, снижается расход топлива, и повышается эффективность отопления.
Для предотвращения внешней низкотемпературной коррозии, возникающей в результате образования на поверхностях нагрева капель или пленки влаги, вступающих в реакцию с металлической поверхностью, обеспечивают температуру сетевой воды на входе в отопительные котлы 2 не ниже заданного значения, например, не ниже 70°C. Для этого насосом рециркуляции 18 по трубопроводу 17 подают часть нагретой воды с выхода отопительного котла 2 обратно на вход.
По трубопроводу прямой сетевой воды 6 вода заданной температуры подается в теплосеть и циркулирует в ней, благодаря давлению, создаваемому рабочим 8 (резервным (не показан)) сетевым насосом.