КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Полезная модель относится к ультразвуковой технике и предназначено для предотвращения образования твердых отложений на стенках металлических резервуаров и магистралей для транспортировки жидкостей, на стенках теплообменного оборудования и их очистки.
Известно устройство ультразвуковой очистки отложений по Патенту US №4545042, G01V 1/38, опубл. 01.10.1985, которое содержит блок питания, генератор импульсов, блок управления переключающими элементами, фазоинвертор, два коммутирующих элемента, двухобмоточный магнитостриктор с перезаряжающейся емкостью и цепь обратной связи с фазоинвертором.
Известно другое устройство ультразвуковой очистки отложений в теплообменных агрегатах по Патенту RU №2141877, В06В 1/08, опубл. 27.11.1999. Оно содержит силовой трансформатор, диод (однополупериодный выпрямитель), накопительный конденсатор, блок частоты следования импульсов, блок управления тиристорами и два идентичных канала, состоящих из двух тиристоров, магнитостиктора с двойной обмоткой, перезаряжающим конденсатором и двух токовых датчиков.
В качестве прототипа выбрано устройство ультразвуковой очистки отложений в теплообменных агрегатах по патенту RU №2325958 С1 опубл. 10.06.2008. Оно содержит: источник вторичного электропитания, подключенный через блок электронной коммутации к входам блока магнитострикторов, одни его выходы кинематически соединены с технологическим объектом управления, имеющим кинематическое соединение с анализатором акустических колебаний, обеспечивается за счет введения микроконтроллера с блоком индикации и анализатора акустических колебаний, при этом вход синхронизации микроконтроллера соединен с другим входом источника вторичного электропитания, одна группа выходов подключена к одноименной группе входов управления блока электронной коммутации, другая группа информационных выходов подключена к одноименным входам блока индикации, а третий выход блокирования подключен к управляющему входу источника вторичного электропитания, причем другая группа выходов блока магнитострикторов через анализатор аварийного состояния подключена ко вторым входам микроконтроллера, его третий вход соединен с выходом анализатора акустических колебаний, а четвертый вход подключен к шине управления.
Известные устройства [1, 2] обладают однотипными недостатками, выражающимися в малоэффективной очистке и предотвращении твердых отложений на рабочих поверхностях теплообменников, а также ограниченным набором исполняемых функций, сужающим область технического использования. В вышеперечисленных устройствах применена заранее строго определенная схема управления формирования управляющих импульсов возбуждения акустических колебаний в среде технологического объекта (теплообменного агрегата), которая не обладает возможностью перестраиваться, изменять режим обработки теплоносителя в ходе работы оборудования по закону изменения его режимных характеристик и влияния дестабилизирующих факторов среды, осуществлять подстройку параметров управляющих сигналов возбуждения под конкретные параметры исполнительных элементов (магнитострикторов), их изменение и т.п. В результате формируемое поле акустических колебаний ультразвуковой частоты на рабочих поверхностях теплообменных агрегатов не является предельно интенсивным применяемым техническим средством, а значит технологический процесс очистки и предотвращения образования твердых отложений протекает медленно и малоэффективно. Исполнительные элементы (магнитострикторы) устройств работают на резонансных частотах (обычно f=18-22 кГц) с повторением серии импульсов, равной или кратной частоте (fП=50-100 Гц) сетевого питающего напряжения, создавая повышенный шум (18-36 Дб) при работе технологического оборудования, не имеют электрической защиты при аварийных ситуациях в силовой цепи.
Известное устройство прототип [3] имеет следующие недостатки:
- невозможность самоконтроля;
- невозможность поиска и устранения причины неисправности связанной с некорректной работой одного из узлов устройства (методом изменения режимов работы или отключения неработоспособных узлов с оперативным оповещением обслуживающего персонала);
- невозможность хранения контрольной информации о режимах работы, последовательности изменения сформированных колебаний, неисправностях возникавших в процессе эксплуатации, принятых мерах по их поиску, обнаружению вышедших из строя компонентов и выполненных действиях по обеспечению безопасной работы исправных составных частей и дальнейшей передачи всей перечисленной информации компетентному специалисту фирмы для дальнейшего анализа работы и, в случае неисправности, проведение анализа и принятие мер, обеспечивающих недопущение выходов из строя в дальнейшем.
Технический результат: высокоэффективная защита оборудования, использующего теплообменные процессы с использованием теплоносителя без специальной подготовки от формирования твердых нежелательных образований и неразрушающая методика очистки работающих комплексов от них с непрерывным интеллектуальным контролем обеспечивающим оптимальный режим работы комплекса для достижения максимально эффективного результата с возможностью оценки режимов работы комплекса предотвращения и устранения аварийных ситуаций, поиска неисправностей, протоколирования режимов, времени работы и наличии аварийных ситуаций и принятых мерах по их устранению.
Достижение технического результата в предлагаемом комплексе, предназначенном для предотвращения образования твердых отложений на стенках металлических резервуаров и магистралей для транспортировки жидкостей, на стенках теплообменного оборудования и их очистки с использованием колебаний специальной формы, в низкочастотном диапазоне ультразвуковых волн, содержащем источник вторичного электропитания подключенный через блок электронной коммутации ко входу блока магнитострикционных преобразователей (МСП). МСП, выходом соединенный кинематической парой с обрабатываемым объектом, микроконтроллер и блок индикации обеспечивается путем введения часов реального времени, энергонезависимой памяти и БИП, направленного ответвителя, блока управления режимами ИВЭП, блока управления режимами БЭК, блока анализа послезвучания, блока контроля режимов, блока управления аварийными режимами и шиной сопряжения.
Устройство и работа комплекса поясняется на фиг.1
Комплекс, предназначенный для предотвращения образования твердых отложений на стенках теплообменного оборудования и их очистки с использованием колебаний специальной формы в низкочастотном диапазоне ультразвуковых волн содержит источник вторичного электропитания 1 (ИВЭП) со входящими в него периферийными блоками контроля и защиты(блок контроля первичного питания, блок контроля вторичного питания, блок тепловой защиты), блок электронной коммутации 2 (БЭК) со входящими в него периферийными блоками контроля и защиты(блок тепловой защиты, блок контроля выходных напряжений, блок контроля выходных токов), микроконтроллер 3 (МК), направленный ответвитель 4 (НО), блок магнитострикционных преобразователей 5 (блок МСП), блок управления режимами ИВЭП 6, блок управления режимами БЭК 7, блок контроля режимов 8, блок управления аварийными режимами 9, блок анализа послезвучания 10, блок индикации 11, часы реального времени 12, энергонезависимая память 13 (ПЗУ), бесперебойный источник питания 14 (БИП), шину сопряжения 15, блоки сопряжения с ЭВМ через интерфейсы USB, GPRS, Bluetooth 16 и блок сопряжения с другими комплексами 17 (фиг.1).
Силовой выход 1 ИВЭП 1 подключен через БЭК 2 к входу НО 4, выход-вход НО 4 подключен к входу-выходу блока МСП 5 который связан кинематической парой с защищаемым объектом. Выход НО 4 через блок анализа послезвучания 10 подключен к входу 1 МК 3. Вход-выход 1 МК 3 соединен с блоком управления аварийными режимами, вход-выход 2 соединен с ПЗУ 13, вход-выход 3 соединен с шиной сопряжения 15, вход-выход 4 соединен с часами реального времени 12, выход 1 МК 3 соединен со входом 1 БЭК 2 через блок управления режимами БЭК 7, выход 2 МК 3 соединен со входом 1 ИВЭП 1 через блок управления ИВЭП 6, выход 3 МК 3 соединен с блоком индикации 11. Выходы периферийных блоков контроля и защиты, входящих в состав ИВЭП 1 и БЭК 2, соответственно соединены со входами блока контроля режимов 8. Выход блока контроля режимов 8 соединен со входом блока управления аварийными режимами 9. Выход блока управления аварийными режимами 9 соединен с вторыми входами блоков управления режимами ИВЭП 6, управления режимами БЭК 7, ИВЭП 1, БЭК 2. Узел контроля, входящий в состав БИП 14, соединен с входом 2 МК 3.
Комплекс работает следующим образом:
Напряжение сети подается на источник вторичного электропитания (ИВЭП) 1 (не показано на фиг.1), который формирует на силовом выходе 1 питающее напряжение, поступающие на вход 3 блока электронной коммутации (БЭК) 2. БЭК 2, под управлением микроконтроллера 3 через блок управления режимами БЭК 7, формирует импульсы специальной формы и через направленный ответвитель (НО) 4 подает их в блок магнитострикционных преобразователей (МСП). Далее сформированный сигнал передается в обрабатываемый объект посредством кинематической пары МСП-объект. Наведенные в МСП сигналы передаются через НО 4 и блок анализа послезвучания 10 на вход 1 МК 3 для настройки комплекса на максимальную эффективность удаления твердых отложений. Все режимы работы (штатные и аварийные), время включения и отключения комплекса, записываются в энергонезависимую память ПЗУ 13 с привязкой к мировому времени полученному с часов реального времени 12. Для обеспечения безошибочной работы МК 3, ПЗУ 13 и часов реального времени 12 в состав комплекса входит БИП 14, обеспечивающий необходимое питание вышеперечисленных блоков в момент отключения комплекса от первичного электропитания.
Первоначально устройство находится в заблокированном состоянии и его силовые части ИВЭП 1, БЭК 2, НО 4 и блок МСП 5 обесточены. При включении питания комплекса на ИВЭП 1 подается переменное напряжение, запускается программа инициализации в микроконтроллере МК 3 и блок контроля режимов 8 блокирует все слаботочные и силовые устройства комплекса. Следующим шагом происходит оценка работоспособности всех блоков комплекса, которую осуществляет МК 3 совместно с блоком контроля режимов 8 и блоком управления аварийными режимами 9. Далее по положительным результатам анализа работоспособности комплекса МК 3 начинает выполнять программу обработки. Снимаются сигналы блокировки и подаются управляющие последовательности сигналов на силовые элементы ИВЭП 1. В ИВЭП 1 напряжение сети 220 В 50 Гц преобразуется в напряжение постоянного тока требуемого уровня для питания блока БЭК 2, регулируемое МК 3, через блок управления режимами ИВЭП 6. В периферийных блоках защиты и контроля ИВЭП 1 контролируются: форма и значения напряжения и тока первичного питания, форма и значения напряжения и тока вторичного питания, тепловые режимы работы ИВЭП 1. Все значения контролируемых параметров передаются в блок контроля режимов для отслеживания аварийных ситуаций и их предотвращения.
Через блок управления режимами БЭК 7, МК 3 управляет работой БЭК 2, который формирует импульсы специальной формы, не привязанные к параметрам сетевого напряжения, для работы блока МСП 5, при этом периферийные блоки контроля входящие в состав БЭК 2 контролируют форму и значения напряжений и токов в блоке МСП 5 и передают информацию в МК 3 для анализа режима работы каждого из МСП.
В БЭК 2 происходит коммутация высоких токов на индуктивную нагрузку МСП, что накладывает серьезные требования по защите силовых элементов от перегрузок. Поэтому в БЭК 2 реализован контроль выходных токов и напряжений, защита от обратных токов, а так же тепловой контроль работы силовых элементов. Данный контроль осуществляется постоянно периферийными блоками контроля, входящими в состав БЭК 2. Контролируемые параметры определяются и передаются через блок контроля режимов 8 и блок управления аварийными режимами 9 в МК 3. При изменении одного из параметров работы силового элемента МК 3, в соответствии с заложенным алгоритмом, изменяет режим его работы таким образом, чтобы предотвратить аварийную ситуацию или выход силового элемента из строя (чего нет в прототипе). Если возникает аварийная ситуация, которую МК 3 не успевает отследить, то срабатывает блок контроля режимов 8, который передает сигнал аварии блоку управления аварийными режимами 9. Для максимизации эффекта устранения твердых отложений в оборудовании, МК 3 через блок управления режимами БЭК 7 производит изменение частоты, амплитуды и скважности импульсов в БЭК 2, подаваемых на МСП, анализируя при этом получаемые формы напряжений и токов со всех МСП через НО 4 и сигналы с блока анализа послезвучания 10. В процессе работы каждый МСП является одновременно и датчиком для контроля колебаний в среде. По полученным данным и с использованием информации, заложенной оператором при установке, МК 3 производит вычисление оптимальных режимов работы каждого из МСП. Данные оптимальные режимы позволяют наиболее эффективно устранять твердые отложения на теплообменом оборудовании, при этом не разрушая сварных швов и резьбовых соединений, и минимизировать износ комплекса.
Комплекс позволяет изменять следующие параметры воздействующего колебания:
Амплитуду, длительность, скважность, последовательность изменения воздействующих параметров, как на конкретном магнитострикционном преобразователе, так и на комплексе в целом. Диапазон формируемых колебаний 12 кГц-22 кГц. Время паузы между импульсами возбуждения расширено и составляет значения в пределах 0,25 Гц-100 Гц.
При этом возможность изменения в совокупности всех перечисленных параметров по определенному закону и не привязанности к частоте входного первичного питающего напряжения без снижения интенсивности ультразвукового воздействия создает благоприятные условия для работы обслуживающего персонала. Уровень излучаемого в окружающее пространство шума при этом снижается практически до фонового, что составляет значения в несколько раз меньше относительно известных устройств [1-3], которые работают в диапазоне резонансных частот f=18-44 кГц с частотой повторения серии импульсов, кратной или равной частоте fП=50-100 Гц сетевого напряжения.
Система контроля аварийных ситуаций комплекса
Схема комплекса построена по принципу дублирования защиты для увеличения надежности работы. Сигналы о режимах работы всех блоков и возникающих аварийных ситуациях поступают на блок контроля режимов 8, где анализируется совокупность всех данных и выдается сигнал на блок управления аварийными режимами 9. Блок контроля режимов 8 анализирует все сигналы на аппаратном уровне, поэтому время принятия решения в этом блоке минимально и составляет несколько не. Дополнительно сигналы о всех режимах работы дублируются и подаются с блока контроля 8 через блок управления аварийными режимами 9 в микроконтроллер 3, где происходит более глубокий анализ(более длительное время), и за счет алгоритмов, реализованных в МК 3 позволяет отслеживать сложные комбинации неисправностей, которые могут привести к аварийным режимам работы и предупреждать их (чего нет в прототипе). При невозможности предотвращения аварийного режима МК 3 передает сигнал в блок управления аварийными режимами 9.
В блоке управления аварийными режимами 9 анализируется тип аварийного режима и в зависимости от критичности ситуации предпринимаются меры по аварийному отключению блока, в котором возникла ошибка или изменение режима его работы и продолжение работы в неполном функциональном режиме (чего нет в прототипе).
Работа в аварийном режиме
Аварийные режимы подразделяются на несколько уровней критичности. В зависимости от критичности ситуации выбирается метод ее устранения. При критичной ситуации блок управления аварийными режимами 9 временно отключает БЭК 2 и часть схемы ИВЭП 1, передает код ошибки в МК 3. После получения кода ошибки МК 3 анализирует причину возникшей аварии, на время анализа комплекс работает в аварийном режиме. Если после анализа не возможно восстановить прежний режим работы, то МК 3 вычисляет максимально эффективный и возможный режим работы при отказе какого либо блока, при этом МК 3 записывает точное время, полученное от часов реального времени 12, и код ошибки в ПЗУ 13 и передает на блок индикации 11 код ошибки. При отказе работы одного из МСП комплекс производит его тестирование и при невозможности работы на данный МСП МК 3 отключает его и используя информацию о месторасположении МСП и предельных амплитудах механических колебаний на каждом из них проводит перераспределение выходной мощности по оставшимся МСП. При этом Блок индикации 11 отображает для оператора сигнал о работе комплекса в неполном функциональном режиме. Если возник аварийный режим, при котором поврежден блок ИВЭП 1 и БЭК 2 и нет возможности использовать резервные блоки для работы или нет возможности работы на пониженной мощности, или МК3 не смог найти путей устранения аварийной ситуации, то комплекс отключается и блок индикации 11 сигнализирует об отключении устройства.
Все режимы работы, установки оператора, считывание журнала работы комплекса из энергонезависимой памяти ПЗУ 13 производится через реализованную в нем универсальную шину сопряжения 15, к которой возможно подключение по одному из каналов: сопряжение по USB, GPRS, Bluetooth. Так же реализован радио или проводной канал RS232 для сопряжения с другими устройствами для работы в системе комплексов.
При сопряжении устройства с ПК возможно произвести его настройку используя стандартные утилиты операционной системы или специализированное ПО. Для предотвращения несанкционированного доступа в устройстве реализован многоуровневый доступ. Имея соответствующие права доступа, оператор может произвести настройку работы устройства, считать из ПЗУ 13 устройства информацию о времени работы, отчет о наличии аварийных ситуаций и предпринятых мерах по их устранению.
Таким образом, использование адаптивного, интеллектуального и динамического контроля и управления режимами формирования непрерывного ультразвукового поля на защищаемых поверхностях необходимой интенсивности повышает эффективность очистки и предотвращения отложений и дает возможность хранения и передачи информации о всех режимах работы комплекса с привязкой к мировому времени и оперативному поиску некорректной работы комплекса с последующим выявлением причины произошедшего и принятию мер по устранению нештатной возникшей ситуации. В целом это и отличает предлагаемое устройство от аналогов [1, 2] и выбранного прототипа 3, позволяя обеспечить достижения положительного эффекта.
Источники информации
1. Патент US №4545042, G01V 1/38. Опубл. 01.10.1985.
2. Патент RU №2141877, B06B 1/08. Опубл. 27.11.1999.
3. Патент RU №2325958 С1 опубл. 10.06.2008, прототип.