СИСТЕМА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ Российский патент 2000 года по МПК F24H1/14 F24H9/20 

Изобретение относится к устройствам для приготовления горячей воды и может быть использовано в нефтехимической промышленности в производствах при получении тепла для технологических нужд.

Известен способ нагрева воды и устройство для его осуществления, включающий нагреватель с периодической подачей воды, которую нагревают до промежуточной температуры в определенном объеме в течение заданного времени, затем прекращают подачу воды и нагревают ее до заданной температуры, периодически повторяя процедуру нагревания воды (патент РФ N 2116581, МПК6 F 24 H 1/20, оп. 1998 г.).

Недостатками способа являются невысокая производительность установки и ограниченная область применения.

Известно устройство для приготовления горячей воды, содержащее корпус с топкой, отсек с водогрейными резервуарами, имеющими вертикальные дымогарные трубы. Устройство снабжено экранами, в топке установлена газовая горелка, корпус выполнен с полостями для подогрева воды; водогрейный агрегат снабжен циркуляционными трубами при определенном соотношении площади контактирующей системы отопления к площади тепловой поверхности труб (патент РФ N 2105248, МПК6 F 24 H 1/26, оп. 1998 г.).

Недостатками устройства являются ограниченная область применения и потери тепла из-за сложности конструкции.

Известна система подогрева, содержащая котел с камерой сгорания и соединенный с ней теплообменник, последовательно соединенные трубопроводами змеевики и полости обогрева, водяной радиатор и насос с теплообменником, электродвигатели, источники питания и нагнетания топлива, соединенные трубопроводами и воздуховодом.

Кроме того, в систему входят тепловой аккумулятор, нагнетатель-сепаратор, управляемые коммутаторы, датчики и задатчики температуры, соединенные соответствующим образом [патент РФ N 2105250, MПК6 F 24 H 3/02, оп. 1998 г.] .

Система недостаточно точно контролирует процесс подогрева воды из-за отсутствия информации по расходу подаваемой и отбираемой воды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются способ и система нагревания воды в трубчатой печи. Вода (продукт) прокачивается через конвективный и радиационный змеевики и нагревается теплом, выделяемым при сжигании топлива. Регулирование температуры в печи производится изменением расхода топлива (Е. Ф.Шкатов, В.В.Шувалов "Основы автоматизации технологических процессов химических производств - М.: Химия, 1988 г., стр. 264].

Недостатком системы приготовления горячей воды является невысокая точность регулирования режимных параметров печи (температуры), так как не учитываются возмущения по давлению воды, топлива, температуры на выходе печи.

Кроме того, снижается безопасность проведения процесса при прекращении подачи воды в печи из-за отсутствия отсекающей арматуры на трубопровод подачи воды и топлива.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности регулирования режимных параметров печи и повышение безопасности процесса приготовления горячей воды.

Поставленная задача решается тем, что известная система для приготовления горячей воды в трубчатой печи, содержащая корпус с топкой, в которой установлены газовые горелки, датчик расхода воды, подаваемой для нагревания в конвективный и радиационный змеевики, датчик температуры, размещенный в точке между радиационной и конвективной частью печи, регулирующий клапан, установленный на трубопроводе подачи топлива, датчик температуры горячей воды, коллекторы ввода воды для нагревания и вывода горячей воды, содержит дополнительный датчик температуры горячей воды, дополнительные радиационный и два конвективных змеевика, последние из которых установлены под упомянутым конвективным змеевиком, при этом каждый конвективный змеевик соединен с упомянутым коллектором ввода воды, трубопроводом, снабженным регулирующей арматурой, включающей датчики расхода воды, регулирующие и отсекающие клапаны, и подключен к коллектору вывода воды из конвективных змеевиков, подключенному в свою очередь к радиационным змеевикам, соединенным с коллектором вывода горячей воды из системы, на упомянутом трубопроводе подачи топлива установлены отсекающий клапан и датчики расхода и давления топлива, при этом все выводы датчиков давления, расхода и температуры, размещенные на трубопроводах подключения к змеевикам и на трубопроводе подачи топлива, подключены к дополнительно установленной ЭВМ, выходы которой соединены через регуляторы с входами регулирующих и отсекающих клапанов, установленных на трубопроводах воды для нагревания и подачи топлива.

Кроме того:
- конвективные змеевики расположены в нижней части печи горизонтально, а радиационные змеевики - вертикально на левой и правой стороне печи, причем верхний конвективный змеевик имеет коридорное расположение труб, а средний и нижний конвективные змеевики - шахматное расположение труб;
- нижний конвективный змеевик состоит из двух секций змеевиков, входы которых соединены с трубопроводом ввода воды для нагревания, и выходы их соединены с входами коллектора вывода воды с конвективных змеевиков;
- отношение поверхности нагрева радиационных и конвективных змеевиков составляет 1:2,7;
- воду подают в верхний, средний и нижний конвективные змеевики в соотношении 10:1:0,3.

- температуру в печи поддерживают в пределах 500-900^oC и давлении 0,6 МПа.

Совокупность новых приемов в процессе приготовления горячей воды в сочетании с известными придает системе свойства, позволяющие повысить точность регулирования режимных параметров трубчатой печи с компенсацией возмущений по расходам и давлению воды и топлива, а также более эффективно использовать поверхность теплообмена при подаче воды тремя потоками, что повышает КПД и производительность печи по горячей воде.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема системы приготовления горячей воды в трубчатой печи.

Система включает трубчатую печь 1, куда вода насосом 2 через коллектор ввода воды для нагревания 3 поступает для нагревания:
- по трубопроводу 4 в верхний конвективный змеевик 7;
- по трубопроводу 5 в средний конвективный змеевик 8;
- по трубопроводу 6 в змеевики 9 и 10 (9 - змеевики для подогрева сырья и 10- змеевики борова печи образуют нижний конвективный змеевик и имеют общий ввод воды по трубопроводу 6).

Далее вода поступает через коллектор вывода воды с конвективных змеевиков 11 в радиационные змеевики 12 и 13, расположенные соответственно на левой и правой стенках печи 1, где подогревается за счет тепла при сгорании топлива, подаваемого на газовые горелки (условно на чертеже горелки не показаны), расположенные в камере радиационных змеевиков. Дымовые газы выводятся с борова печи и нагревают конвективные змеевики. Подогретая до заданной температуры вода выводится через коллектор вывода горячей воды с радиационных змеевиков 14 потребителю (для технологических нужд).

Схема управления процессом приготовления горячей воды включает:
- контур регулирования расхода воды 15-17 (датчик 15, регулятор 16, клапан 17), подаваемой по трубопроводу 4 в змеевик 7;
- контур регулирования расхода воды 18-20 (датчик 18, регулятор 19, клапан 20), подаваемой по трубопроводу 5 в змеевик 8;
- контур регулирования расхода воды 21-23 (датчик 21, регулятор 22, клапан 23), подаваемой по трубопроводу 6 в змеевики 9 и 10;
- контур регулирования расхода топлива 24-26 (датчик 24, регулятор 25, клапан 26), которое подается в печь 1.

Кроме того, в схему управления входят датчик температуры 27, размещенный в точке между радиационной и конвективной частью печи 1, датчики температуры 28, 29, установленные на выходе радиационных змеевиков 12 и 13, датчики давления воды для нагревания 30 и топлива 31; отсекающие клапаны 32-34, установленные соответственно на трубопроводах 4, 5, 6, и отсекающий клапан 35 на линии подачи топлива в печь 1. Для управления используется ЭВМ 36 (при отключении ЭВМ управление осуществляется оператором-технологом с использованием традиционных средств КИПиА).

Исследования, тепловые, механические и гидравлические расчеты показали, что трубчатые печи можно использовать более эффективно для получения горячей воды при соответствующей реконструкции.

Предлагается в систему для приготовления горячей воды в трубчатой печи ввести коллектор ввода холодной воды, промежуточный коллектор вывода воды с конвективных змеевиков, а также коллектор вывода горячей воды с трубопроводами, оснастив их регулирующей и отсекающей арматурой.

Для эффективного использования поверхности теплообмена воду для подогрева предлагается подавать по трем трубопроводам при определенном соотношении потоков, а также поверхностей теплообмена конвективных и радиационных змеевиков.

Для повышения безопасности процесса горения необходимо использовать отсекающие клапаны на линиях расходов воды и топлива, а также для управления использовать микропроцессорную технику, что позволяет выдерживать нагрузку на печь и получать заданную теплопроизводительность с компенсацией возмущений по температуре, давлению воды и топлива.

Система нагрева воды работает следующим образом:
- подают в печь 1 насосом 2 через коллектор 3 воду для нагревания, которая распределяется по трубопроводам 4, 5, 6 и поступает далее в конвективные змеевики 7 - 10 в заданном соотношении
C=C₁:C₂:C₃, (1)
- расход воды контролируется и регулируется контурами расхода 15 - 17; 16 -20; 21 - 23 и ЭВМ 36;
- подают в печь 1 на газовые горелки, расположенные в радиационных камерах, топливо, расход которого контролируется и регулируется контуром 24-26;
- контролируют по информации датчика 27 температуру в печи 1 и устанавливают заданное ее значение с помощью ЭВМ 36, например, по типовому закону регулирования:

где G_т- расход топлива, необходимый для нагревания до заданной температуры;
T, Т_зад - текущее и заданное значения температуры в печи;
контролируют температуру воды, поступающей из коллектора 11 в радиационные змеевики 12 и 13, с помощью датчиков температуры 28 и 29 и при отклонении ее от заданного значения корректируют расход топлива (ΔG) в печь 1:
ΔG₁ = K₃(Tвзад

-Tвтек),
где К₃ - константа;
Т_зад ^в - заданное значение температуры на выходе коллектора 14;
- текущее значение температуры, определяемое как среднее, по информации датчиков 28 и 29;
- контролируют по информации датчика 31 давление в линии подачи топлива и при его изменении корректируют расход (ΔG₂) топлива:
ΔG₂ = K₄(P_зад-P), (3)
где К₄ - константа;
P - текущее значение давления топлива;
Р_зад - заданное значение давления.

Суммируют величины расходов G_т, ΔG₁, ΔG₂
G = G_т+ΔG₁+ΔG₂, (4)
Величину расхода топлива G отрабатывают с помощью контура 24 - 26 и ЭВМ 36;
- контролируют по информации датчика 30 давление воды в коллекторе 3, расходы воды по информации датчиков 15, 18,21, подаваемое конвективные змеевики 7 - 10, и давление топлива по информации датчика 31, сравнивают с нижними допустимыми значениями этих параметров по условию:
P≤P_min (6),
G₁≤G_min ¹ (7),
G₂≤G_min ² (8)
G₃≤G_min ³ (9),
P_тP_т ^m (10),
где P, P_min - текущее и минимальное давления воды в коллекторе 3;
G₁, G_min - текущий и минимальный расходы воды в змеевик 7;
G₂ G_min ²- текущий и минимальный расходы воды в змеевик 8;
G₃ G_min ³-текущий и минимальный расходы воды в змеевики 9,10;
P_т, P_т ^m - текущее и минимальное давления топлива в печи 1.

Если любой из указанных параметров выходит за минимальное заданное значение, то по команде с ЭВМ 36 закрывают отсекающие клапаны 32-35, установленные на линиях подачи воды и топлива.

При устранении причин, вызвавших изменение расходов и давления, оператор восстанавливает требуемые режимные параметры печи.

Таким образом, подавая воду для подогревания тремя потоками, используем эффективно поверхность теплообмена конвективных и радиационных змеевиков. Корректируя расход топлива по температуре выхода и по колебанию давления топлива и воды, повышаем точность регулирования режимных параметров печи, а, контролируя своевременно предельно- минимальные значения расходов воды и топлива, повышаем безопасность работы печи.

Ниже приведены численный пример работы системы и сравнительная таблица ее испытаний.

Исходные данные:
1. Нагрузка, на печь 1 по воде, G = 800 м³/ч
2. Температура воды на входе в коллектор 3, Т_вх=80^oC
3. Заданная температура воды на выходе коллектора 14, Т_вых=110^oC
4. Заданная температура печи, Т_зад=850^oC
5. Заданное соотношение расходов воды в трубопровод 4 (змеевик 7), трубопровод 5 (змеевик 8), трубопровод 6 (змеевики 9, 10)
C=C₁:С₂:С₃=10:1:0,3 (1)
6. Нижние допустимые значения расходов воды и давления:
P_м= 0,6 МПа- минимальное давление воды в коллекторе 3;
G_m ¹=100 м³/ч - минимальный расход воды и змеевик 7;
7. G_m ² = 50 м³/ч - минимальный расход воды в змеевик 8;
G_m ³=20 м³/ч - минимальный расход воды в змеевики 9, 10;
P_т ^м = 0,02 МПа - минимальное давление топлива в печь 1.

1. По заданной нагрузке G= 800 м³/ч и в соответствии с соотношением (1) распределяем по трубопроводам 4,5,6 расходы воды
G₁= 705 м³/ч; G₂=70 м³/ч; G₃=25 м³/ч,
величины этих расходов отрабатываем контурами расхода 15-17; 18-20; 21-23 и ЭВМ 36.

2. Подаем начальный расход топлива (топливный газ) G_о=2700 нм³/ч, который отрабатываем контуром расхода 24-26.

3. Контролируем по информации датчика 27 текущее значение температуры в печи, Т= 800^oC, т.к. оно отличается от заданного (Т_зад= 850^oC), то корректируем расход топлива (ΔG1т

)
ΔG1т = K₁(T_зад-T) = 3(850-800) = 150 нм³/ч,
где К₁=3
4. Контролируем по информации датчика 31 текущее давление топливного газа, P= 0,09 МПа, т.к. оно отличается от заданного (P_зад=0,1 МПа), то корректируем расход топлива (ΔG21)
ΔG2т = K₂(P_зад-P) = 400(0,1-0,09) = 4 м³/ч,
где К₂=400
5. Контролируем по информации датчиков 28, 29 текущую температуру в радиационных змеевиках 12,13 (на выходе печи 1), при этом T₁=104^oC; Т₂= 106^oC, среднее значение температуры

т. к. оно отличается от заданного значения (Т_вых=110^oC), то корректируем расход топлива (ΔG3т)
ΔG3т = K₃(T_вых-Tвтек) = 6(110-105) = 30 м³/ч;
где К=6
G₀, ΔG1т, ΔG2т, ΔG3т:

Величину расхода топлива G= 2884 нм³/ч отрабатываем с помощью контура 24-26 и ЭВМ 36.

7. Проверяем условия (6 -10) на соответствие нижним допустимым значениям расхода воды и давления по информации датчиков 15, 18, 21, 30, 31, т.к.

P=0,7 МПа >P_м=0,60 МПа (6)
G₁=700 м³/ч>С_m ¹=100 м³/ч (7)
G₂=70 м³/ч >G_m ²=50 м³/ч (8)
С₃=25 м³/ч >G_m ³=20 м³/ч (9)
P_т=0,09 МПа >P_т ^м = 0,02 МПа (10)
Текущие значения параметров больше их минимальных значений, поэтому команду на закрытие клапанов 32-35 не подаем.

Нагретая до 110^oC вода поступает из коллектора 14 потребителю.

В таблице приведены показатели работы печи.

Таким образом, из данных таблицы видно, что повышаются КПД и производительность печи, уменьшаются потери тепла. Экономический эффект при внедрении системы составит 1 млн. руб/год.

Система предназначена для приготовления горячей воды и может быть использована в нефтехимической промышленности, в производствах при получении тепла для технологических нужд. Система содержит корпус с топкой, в которой установлены газовые горелки, два радиационных и три конвективных змеевика, датчик температуры, размещенный в точке между радиационной и конвективной частями печи, датчики температуры горячей воды. Каждый конвективный змеевик соединен с коллектором ввода воды, трубопроводом, снабженным регулирующей арматурой, включающей датчики расхода воды, регулирующие и отсекающие клапаны, и подключен к коллектору вывода воды из конвективных змеевиков, подключенному, в свою очередь, к радиационным змеевикам, соединенным с коллектором вывода горячей воды из системы. На трубопроводе подачи топлива установлены регулирующий и отсекающий клапаны, а также датчики расхода и давления топлива. Все выводы датчиков давления, расхода и температуры подключены к дополнительно установленной ЭВМ, выходы которой соединены через регуляторы со входами регулирующих и отсекающих клапанов. Система обеспечивает повышение точности регулирования режимных параметров печи и повышения безопасности процесса приготовления горячей воды. 5 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Система для приготовления горячей воды в трубчатой печи, содержащая корпус с топкой, в которой установлены газовые горелки, датчик расхода воды, подаваемой для нагревания в конвективный и радиационный змеевики, датчик температуры, размещенный в точке между радиационной и конвективной частями печи, регулирующий клапан, установленный на трубопроводе подачи топлива, датчик температуры горячей воды, коллектора ввода воды для нагревания и вывода горячей воды, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный датчик температуры горячей воды, дополнительные радиационный и два конвективных змеевика, последние из которых установлены под упомянутым конвективным змеевиком, при этом каждый конвективный змеевик соединен с упомянутым коллектором ввода воды, трубопроводом, снабженным регулирующей арматурой, включающей датчики расхода воды, регулирующие и отсекающие клапаны, и подключен к коллектору вывода воды из конвективных змеевиков, подключенному, в свою очередь, к радиационным змеевикам, соединенным с коллектором вывода горячей воды из системы, на упомянутом трубопроводе подачи топлива установлены отсекающий клапан и датчики расхода и давления топлива, при этом все выводы датчиков давления, расхода и температуры, размещенные на трубопроводах подключения к змеевикам и на трубопроводе подачи топлива, подключены к дополнительно установленной ЭВМ, выходы которой соединены через регуляторы со входами регулирующих и отсекающих клапанов, установленных на трубопроводах воды для нагревания и подачи топлива. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что конвективные змеевики расположены в нижней части печи горизонтально, а радиационные змеевики вертикально на левой и правой стороне печи, причем верхний конвективный змеевик имеет коридорное расположение труб, а средние и нижние конвективные змеевики - шахматное расположение труб. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что нижний конвективный змеевик состоит из двух секций змеевиков, входы которых соединены с трубопроводом ввода воды для нагревания, а выходы их соединены со входами коллектора вывода воды с конвективных змеевиков. 4. Система по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что отношение поверхности нагрева радиационных и конвективных змеевиков составляет 1:2,7. 5. Система по пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что воду подают в верхний, средний и нижний конвективные змеевики в соотношении 10:1:0,3. 6. Система по п.1, отличающаяся тем, что температуру в печи поддерживают в пределах 500 - 900^oC и давлении 0,6 МПа.