АВТОМАТИКА БЕЗОПАСНОСТИ ГАЗОИСПОЛЬЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2001 года по МПК F23N5/00 

Изобретение относится к автоматизации теплоэнергетических процессов и может быть использовано как автоматика безопасности и регулирования газифицированных отопительных котлов, водонагревателей, отопительных печей, технологических установок и т.п.

Известно устройство защиты газифицированных агрегатов (см. SU 1643877 A1, F 23 N 5/24 - аналог), содержащее отключающий газовый кран, пневмогазовый клапан, соединенный с трубкой датчиков аварийных режимов.

Недостатком данного устройства является наличие отключающего газового крана между пневмогазовым клапаном и газогорелочным устройством, что понижает безопасность при розжиге запальника, а также отсутствие регулятора температуры воды, что снижает технологические возможности при применении устройства на газифицированных отопительных котлах малой мощности.

Также известна автоматика газифицированного отопительного агрегата (см. SU 1721397, A1 F 23 N 5/ 00 - прототип), содержащая блок защиты и регулирования, датчики пламени, тяги, температуры воды.

Недостатками данной автоматики являются:
- наличие газового крана между блоком защиты и коллектором газогорелочного устройства, что может привести к взрыву газа при розжиге запальника и незакрытом газовом кране;
- использование режима малого горения, так как в газовых сетях давление газа у потребителей реально падает до 600 - 800 Па, а в режиме малого горения газ до коллектора газогорелочного устройства доходит с еще более низким давлением, что приводит к проскоку пламени на сопла и выходу из строя горелочных труб;
- недостаточная производительность, как например для котлов теплопроизводительностью 100 кВт по ГОСТ 20548 необходима мощность автоматики с газогорелочным устройством до 120 кВт.

Целью изобретения является повышение безопасности при розжиге газогорелочного устройства, возможность срочной остановки, использование пневмогазового блока защиты и регулирования в качестве печной автоматики, надежности, снижение металлоемкости при увеличении производительности.

Указанная цель достигается тем, что автоматика дополнительно содержит пусковой и блокирующий клапаны, расположенные в корпусе управляющего клапана, а также механизм управления, расположенный в корпусе верхней крышки блока, состоящий из ручки управления, жестко связанной с подпружиненной осью с флажком, имеющей возможность поворота вместе с осью, а в положении "ПУСК" осевое перемещение при нажатии, а также торцового кулачка с прорезью под флажок, пневмогазовый блок защиты и регулирования снабжен дополнительным рабочим клапаном с одномембранным приводом, вход которого подключен к сети подвода газа, а выход с коллектором газогорелочного устройства, при этом подмембранная полость клапана связана через регулятор температуры воды с выходом блокирующего клапана, а также с трубкой сброса. Также в корпусе верхней крышки блока имеется подпружиненная кнопка "СТОП", расположенная соосно с управляющим клапаном. Для печной автоматики подмембранная полость рабочего клапана соединена с выходом блокирующего клапана.

Предлагаемая система автоматики позволяет повысить безопасность при розжиге запальника и производительность за счет применения рабочего клапана-отсекателя.

На фиг. 1 показана структурная схема автоматики; на фиг. 2- конструкция пневмогазового блока защиты и регулирования; на фиг. 3 - показана структурная схема печной автоматики, где:
1 - пневмогазовый блок защиты и регулирования;
2 - датчик пламени;
3 - датчик тяги;
4 - регулятор температуры воды (РТВ);
5 - газоиспользующее устройство;
6 - газогорелочное устройство (ГГУ);
7 - трубопровод;
8 - запальник;
9 - трубка запальника;
10 - линия;
11 - линия;
12 - импульсная трубка;
13 - трубка сброса;
14 - резьбовое отверстие (вход в блок);
15 - рабочий клапан;
16 - мембрана;
17 - ось;
18 - седло рабочего клапана;
19 - корпус рабочего клапана;
20 - промежуточная крышка;
21 - канал;
22 - корпус управляющего клапана;
23 - управляющий клапан;
24 - мембрана малая;
25 - ось;
26 - седло управляющего клапана;
27 - мембрана большая;
28 - канал;
29 - дроссель;
30 - седло блокирующего клапана;
31 - блокирующий клапан;
32 - отверстие пускового клапана;
33 - пусковой клапан;
34 - крышка нижняя;
35 - резьбовое отверстие (выход из блока на коллектор ГГУ);
36 - прокладка резиновая;
37 - корпус верхней крышки;
38 - ручка управления;
39 - ось с флажком;
40 - торцовый кулачок;
41 - крышка;
42 - толкатель блокирующего клапана;
43 - толкатель пускового клапана;
44 - кнопка "СТОП";
45 - импульсная трубка;
Автоматика безопасности газоиспользующих устройств (фиг. 1) состоит из пневмогазового блока 1 защиты и регулирования, к которому подключены датчики пламени 2, тяги 3 и регулятор температуры воды (РТВ) 4, установленные на газоиспользующем устройстве 5. От блока 1 к газогорелочному устройству (ГГУ) 6 газообразное топливо подводится по трубопроводу 7, а к запальнику 8 - по трубке запальника 9. Импульсный газ к датчикам 2 и 3 подводится по линии 10, а к РТВ 4 - по линии 11. От РТВ 4 импульсный газ поступает под мембрану рабочего клапана блока 1 по импульсной трубке 12. Сброс импульсного газа осуществляется в эжектор ГГУ 6 по трубке сброса 13. Подвод газообразного топлива к устройству осуществляется через резьбовое отверстие 14 блока 1.

Пневмогазовый блок защиты и регулирования 1 (фиг. 2) содержит рабочий клапан 15, который жестко соединен с мембранным приводом 16 осью 17, проходящей через направляющее отверстие седла 18 корпуса рабочего клапана 19. Пространство над рабочим клапаном 15 через отверстие в промежуточной крышке 20 и канал 21 в корпусе управляющего клапана 22 соединено с полостью под управляющим клапаном 23, который жестко соединен с мембранным приводом 24 осью 25, проходящей через направляющее отверстие седла 26 корпуса управляющего клапана 22. Полость над управляющим клапаном соединена с импульсной полостью под мембраной 27 с помощью канала 28 в корпусе управляющего клапана 22 через дроссель 29. Канал 28 соединен с линией 10 подвода импульсного газа к датчикам пламени 2 и тяги 3. Полость над управляющим клапаном также соединена с трубкой запальника 9 и через седло 30 блокирующего клапана 31 с линией 11. Полости под управляющим клапаном и над управляющим клапаном соединены отверстием 32 перекрытым подпружиненным пусковым клапаном 33. Полость, ограниченная мембранами 24 и 27, соединена с атмосферой. Полость под мембраной 16 ограничена снизу нижней крышкой 34. К крышке 34 через штуцер присоединена импульсная трубка 12 от РТВ 4, а к второму штуцеру присоединена трубка сброса 13. К резьбовому отверстию 35 в корпусе рабочего клапана 19 присоединен трубопровод 7, подводящий газообразное топливо к коллектору ГГУ 6. Полость над управляющим клапаном ограничена резиновой прокладкой 36, прижатой корпусом верхней крышки 37, в которой расположен механизм управления блоком.

Механизм управления блоком состоит из ручки управления 38, жестко связанной с подпружиненной осью с флажком 39, имеющей возможность поворота вокруг оси, а в положении "ПУСК" осевое перемещение при нажатии торцового кулачка 40 с прорезью под флажок, который поворачивается вместе с осью 39, крышки 41 с двумя толкателями 42 и 43, расположенными соосно с клапанами 31 и 33, подпружиненной кнопки "СТОП" 44, расположенной соосно с управляющим клапаном 23. Элементы блока соединяются винтами.

Печная автоматика (фиг. 3) состоит из пневмогазового блока 1 защиты и регулирования, к которому подключены датчики пламени 2 и тяги 3, установленные на газоиспользующем устройстве 5. От блока 1 к ГГУ 6 газообразное топливо подводится по трубопроводу 7, а к запальнику 8 по трубке запальника 9. Импульсный газ к датчикам 2 и 3 подводится по линии 10. Выход блокирующего клапана с подмембранной полостью рабочего клапана связан импульсной трубкой 45. Сброс импульсного газа осуществляется в эжектор ГГУ 6 по трубке сброса 13. Подвод газообразного топлива к устройству осуществляется через резьбовое отверстие 14 блока 1.

Рассмотрим работу устройства с момента пуска (положение деталей пневмогазового блока 1 на фиг. 2 соответствует нерабочему положению).

Газообразное топливо подается к устройству через газопровод, подсоединенный к резьбовому отверстию 14 в блок 1, и попадает в пространство над рабочим клапаном 15, а также через отверстие в промежуточной крышке 20 и канал 21 в корпусе управляющего клапана 22 - в полость, ограниченную сверху конусом управляющего клапана 23, а снизу - мембранным приводом 24. Усилие от давления газа на рабочий клапан 15 направлено вниз, также вниз направлен вес подвижных частей. Сумма этих усилий направлена вниз и плотно прижимает конус рабочего клапана 15 к седлу 18, препятствуя проходу газообразного топлива дальше. Усилие от давления газа на конус управляющего клапана 23 направлено вверх, но одновременно по оси 25 на этот конус передается усилие от давления газа, действующего на мембранный привод 24, которое направлено вниз (также вниз направлен вес подвижных частей). Так как эффективная площадь мембранного привода 24 значительно превосходит площадь сечения седла управляющего клапана, равнодействующая этих усилий направлена вниз и плотно прижимает конус управляющего клапана 23 к седлу 26, препятствуя проходу газообразного топлива дальше. Пусковой клапан 33 под действием пружины также закрывает отверстие 32.

Для запуска устройства необходимо ручку управления 38 повернуть в положение "ПУСК", при этом торцовый кулачок 40 перемещает толкатель 42 вниз, который в свою очередь нажимает на блокирующий клапан 31 и закрывает седло 30, препятствуя доступу газа в линию 11. Флажок оси 39 выходит в положение над толкателем 43. В этом положении необходимо ручку управления 38 нажать вниз, при этом подпружиненная ось 39, перемещаясь вниз флажком, через толкатель 43 нажимает на пусковой клапан 33. Газ начинает поступать в полость над управляющим клапаном 23. Из этой полости газ направляется, во-первых, по трубке запальника 9 к запальнику 8, где его поджигают. Факел запальника начинает греть чувствительный элемент датчика пламени 2 (биметаллическую пластину). Во-вторых, газ поступает через дроссель 29 по каналу 28 в импульсную полость под мембраной 27, а также по линии 10 - к соплам датчиков 2 и 3.

В результате прогрева пламенем запальника 8 биметаллический чувствительный элемент датчика 2 прикрывает сопло, сброс импульсного газа через этот датчик прекращается. Поскольку сброс через датчик тяги 3 при розжиге топки отсутствует, то давление импульсного газа в полости под мембраной 27 начинает повышаться. Под действием этого давления мембрана 27 поднимается дальше вверх и, преодолевая противодействие мембраны 24 (эффективная площадь мембраны 27 больше эффективной площади мембраны 23), поднимает эту мембрану и соединенный с ней осью 25 конус управляющего клапана 23 на полный ход.

Теперь можно отпустить ручку управления 38, при этом пусковой клапан 33 под действием пружины закрывает отверстие 32.

После прогрева топочного пространства пламенем запальника и создания первоначальной тяги ручку управления 38 поворачивают в положение "РАБОТА", при этом торцовый кулачек 40 поворачиваясь отпускает толкатель 42, а блокирующий клапан 31 открывает седло 30 и импульсный газ поступает в линию 11. Поскольку во время розжига газоиспользующего устройства температура теплоносителя (воды) низкая, РТВ 4 открытый и газ по импульсной трубке 12 поступает под мембрану 16 и далее по трубке сброса 13 сбрасывается в эжектор ГГУ 6. Так как сопло трубки сброса 13 (составляющее 0,5-0,8 мм) значительно меньше живого сечения импульсной трубки 12, давление газа под мембраной 16 начинает повышаться. Под действием этого давления мембрана 16 поднимается, перемещая через ось 17 конус рабочего клапана 15. Основной поток газообразного топлива устремляется через открывшееся седло 18 по трубопроводу 7 в коллектор ГГУ 6. Газовоздушная смесь, выходящая из горелочных труб ГГУ 6, воспламеняется от факела запальника 8. На этом этап пуска заканчивается.

По мере прогрева воды в газоиспользующем устройстве до температуры, на которую был выставлен РТВ 4, РТВ 4 перекрывает доступ импульсного газа в импульсную трубку 12 и соответственно под мембрану 16. Оставшееся давление газа под мембраной 16 стравливается через трубку сброса 13, при этом мембрана 16 с осью 17 и конусом рабочего клапана 15 под действием силы тяжести и на первом этапе давлением над мембраной 16 начинает двигаться вниз и конус рабочего клапана 15 плотно закрывает седло 18. При этом полностью прекращается подача газа на ГГУ 6, но запальник 8, получающий питание от управляющего клапана, продолжает работать. После снижения температуры воды на величину дифференциала РТВ 4 клапан регулятора откроется, импульсный газ поступит под мембрану 16, которая в свою очередь поднимет конус рабочего клапана 15. Поэтому газ вновь начнет поступать на ГГУ 6. Затем процесс повторяется и т.д.

Рассмотрим работу устройства при возникновении предаварийных ситуаций. Например, при потухании пламени запальника 8 начинает охлаждаться чувствительный элемент датчика 2. Деформируясь, он открывает сопло, возникает сброс импульсного газа из полости под мембраной 27 по трубке 10. Поскольку площадь сечения сопла датчика 2 значительно больше площади сечения питающего дросселя 29 (соотношение порядка 1:10) давление в импульсной полости под мембраной 27 резко падает практически до атмосферного уровня. Мембрана 27 с жестким центром находится в соприкосновении с осью 25, которая в свою очередь находится под действием усилия от мембраны 24, находящейся под воздействием входного давления газа, поэтому вся система подвижных частей начинает двигаться вниз и это приводит к перекрытию седла 26 конусом клапана 23, происходит отсечка газа на запальник 8, также прекращается доступ газа через седло 30, трубку 11, РТВ 4, трубку 12 под мембрану 16. Оставшееся давление газа под мембраной 16 стравливается через трубку сброса 13. Конус рабочего клапана 15 плотно закрывает седло 18, при этом полностью прекращается подача газа на ГГУ 6, т.е. приводит к прекращению работы газоиспользующего устройства 5.

Повторный запуск возможен только путем поворота ручки управления 38 в положение "ПУСК" и ее нажатии при условии устранения причины аварийной остановки.

Действие датчика 3 тяги (разрежения) аналогично датчику 2 пламени, эти датчики подключены к пневмогазовому блоку 1 защиты и регулирования с помощью импульсной линии 10. При ухудшении разрежения в топке газоиспользующего устройства 5 чувствительный элемент - биметаллическая пластинка - начинает прогреваться продуктами сгорания, выходящими через отверстие в корпусе или панели ГГУ 6. Это приводит к быстрому прогреву (в течение 15 - 20 с) и деформации чувствительного элемента. Он открывает сопло, возникает сброс импульсного газа из полости под мембраной 27 по импульсной линии 10. Дальнейшее действие элементов блока 1 аналогично описанному для датчика 2 пламени. Это приводит к полной отсечке газа на горелку и запальник, т.е. прекращению работы газоиспользующего устройства.

При падении давления газа в сети снижается также импульсное давление под мембраной 27. Подвижные элементы 23, 24, 25 и 27 под действием силы тяжести, а также давления сетевого газа на мембрану 24 сверху начинают опускаться вниз. Это приводит к уменьшению зазора между седлом 26 и конусом управляющего клапана 23, в результате дросселирования еще более снижается давление в импульсной системе, получающем питание из пространства над клапаном 23 по каналу 28 с дросселем 29 и т.д. Процесс завершается полной отсечкой газа на запальник и горелку, т. е. прекращением работы газоиспользующего устройства 5. Задание минимального допустимого давления газа (давления отсечки) осуществляется в основном выбором массы дисков жесткости мембранных приводов 24 и 27 (например, для минимального давления 600 Па при рабочем давлении 1300 Па).

Для полной (срочной) остановки автоматики безопасности, при настройке ГГУ 6 или других технологических нужд необходимо нажать кнопку "СТОП" 44 и удерживать ее в течение 2 с, при этом конус управляющего клапана 23 закрывает седло 26. Прекращается доступ газа в полость над управляющим клапаном 23, при этом запальник 8 гаснет, давление под мембраной 27 через дроссель 29 стравливается, также сбрасывается давление под мембраной 16 через трубку сброса 13, конус рабочего клапана 15 плотно закрывает седло 18, при этом полностью прекращается подача газа на ГГУ 6.

Для того чтобы выключить основные горелочные трубы ГГУ 6, а запальник 8 оставить в рабочем положении, необходимо ручку управления 38 повернуть в положение "ПУСК", при этом блокирующий клапан 31 закрывает доступ импульсного газа под мембрану 16 и конус рабочего клапана 15 плотно закрывает седло 18, подача газа на основные горелочные трубы прекращается. Запальник 8 при этом продолжает работу, питаясь из управляющего клапана.

В автоматике имеется конструктивная и технологическая связь между блоком 1 защиты и регулирования, состоящего из управляющего и рабочего клапанов, а также пускового и блокирующего клапана, и датчиками контролируемых параметров. Эта связь является необходимой и существенной, количество датчиков определяется нормативами.

Регулятор температуры воды 4, связанный импульсной трубкой 12 с пространством под мембраной 16 и рабочим клапаном 15, управляет процессом двухпозиционного регулирования работы газогорелочного устройства 6 по температуре теплоносителя (воды) в диапазоне практически от 20 до 95^oC (производительностью постоянно работающего запальника можно пренебречь). Поэтому этот контур регулирования, который полностью отключает основную горелку, используется и как контур защиты по перегреву воды, т.е. является одновременно частью блока защиты.

Для использования пневмогазового блока защиты и регулирования 1 в печной автоматике (см. фиг. 3) необходимо вместо линии 11, РТВ 4 и импульсной трубки 12 соединить импульсной трубкой 45 выход из-под седла 30 с подмембранной полостью рабочего клапана.

Применение механизма управления блоком позволяет повысить безопасность розжига запальника за счет блокирования рабочего клапана, при этом отпадает необходимость применения крана между блоком и коллектором ГГУ, а использование рабочего клапана, который является единственным звеном между линией подвода газа и коллектором ГГУ, при его низком сопротивлении позволяет при небольших габаритах повысить пропускную способность автоматики, т.е. производительность газогорелочного устройства, при этом повышается давление газа в коллекторе, а следовательно, и скорость истечения газа из сопла. Улучшается инжекция первичного воздуха, а следовательно, повышается качество сгорания газовоздушной смеси в топке газоиспользующего устройства 5.

Изобретение относится к автоматизации теплоэнергетических процессов и может быть использовано как автоматика безопасности и регулирования газифицированных отопительных котлов, водонагревателей, отопительных печей, технологических установок и т.п. Автоматика содержит пневмогазовый блок защиты и регулирования, состоящий из рабочего клапана-отсекателя и управляющего клапана-отсекателя с клапанами, имеющими мембранные приводы. С мембранным приводом управляющего клапана-отсекателя связаны датчики пламени и тяги, а регулятор температуры воды связывает выход управляющего клапана-отсекателя с мембранным приводом рабочего клапана-отсекателя. Также в корпусе управляющего клапана-отсекателя расположены пусковой и блокирующий клапаны. Пневмогазовый блок защиты и регулирования снабжен дополнительно устройством безопасного розжига газоиспользующего устройства, состоящего из ручки управления, жестко связанной с подпружиненной осью с флажком, имеющей возможность поворота вокруг оси, а в положении "ПУСК" осевое перемещение при нажатии, при этом происходит открытие пускового клапана, а также торцевого кулачка с прорезью под флажок, который поворачивается вместе с осью и в положении "ПУСК" закрывает блокирующий клапан. В верхней крышке также расположена кнопка "СТОП". Выход рабочего клапана-отсекателя связан с газогорелочным устройством, а подмембранная полость его - с трубкой сброса. Изобретение позволяет повысить безопасность при розжиге запальника и производительность за счет применения рабочего клапана-отсекателя. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Автоматика безопасности газоиспользующих устройств, содержащая пневмогазовый блок защиты и регулирования с управляющим клапаном, имеющим мембранный привод, и связанные с ним датчики пламени, тяги и регулятор температуры воды, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пусковой и блокирующий клапаны, расположенные в корпусе управляющего клапана, а также механизм управления, расположенный в корпусе верхней крышки блока, состоящий из ручки управления, жестко связанной с подпружиненной осью с флажком, имеющей возможность поворота вместе с осью, а в положении "ПУСК" - осевое перемещение при нажатии, а также торцового кулачка с прорезью под флажок, пневмогазовый блок защиты и регулирования снабжен дополнительным рабочим клапаном с одномембранным приводом, вход которого подключен к сети подвода газа, а выход соединен с коллектором газогорелочного устройства, при этом подмембранная полость клапана связана через регулятор температуры воды с выходом блокирующего клапана, а также с трубкой сброса. 2. Автоматика по п. 1, отличающаяся тем, что в корпусе верхней крышки блока имеется подпружиненная кнопка "СТОП", расположенная соосно с управляющим клапаном. 3. Автоматика по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что подмембранная полость рабочего клапана соединена с выходом блокирующего клапана.