Способ определения отпущенной потребителю тепловой энергии и устройство для его осуществления Российский патент 2025 года по МПК G01K17/08 

Изобретение относится к теплотехническим измерениям и позволяет повысить точность определения расхода тепловой энергии, получаемой от теплоисточников, по состоянию, расходу и разности температур с учетом возможности возникновения пролетного пара, конденсата и водяных пробок при работе в безаварийном режиме и может быть использовано в системе пожаротушения трубных печей для нагрева нефти в процессе первичной ее подготовки.

Из уровня техники известен способ определения расхода тепловой энергии по количеству прошедшего теплоносителя и разности его температур на входе и выходе (а.с. SU № 932292, G 01 K 17/06, 1982).

Однако указанный способ предназначен для определения отпущенного расхода тепловой энергии при сохранении агрегатного состояния теплоносителя, например, водяная система теплоснабжения.

Известен способ определения расхода тепловой энергии потребителем, заключающийся в определении расхода тепла каждого теплоисточника по заранее определенному коэффициенту расхода и разности температур теплоисточников и окружающей средой, замеряемой через фиксированный промежуток времени (патент RU №2273833, МПК G01K 17/08, опубл. 10.04.2006).

Недостатками способа являются сложность в связи с оснащением теплоисточников датчиками температуры, а также зависимость точности определения количества тепла от технического состояния теплоисточника (покраска, образование накипи и т.д.).

Наиболее близким по технической сущности и техническому результату является способ определения отпущенной потребителю тепловой энергии от парового котла, включающий определение разности полученной потребителем тепловой энергии по паропроводу на основе определения расхода, давления и температуры пара из парового котла и возвращаемой потребителю по водопроводу тепловой энергии жидкости путем определения расхода и температуры, сообщение выхода паропровода с верхней частью дополнительной емкости, а входа водопровода - с низом емкости, размещение запорного устройства на входе водопровода, периодическое стравливание конденсируемой жидкости из нижней части емкости в котел (патент RU №2781748, опубл. 17.10.2022). Электропривод запорного устройства соединяют с датчиком температуры в нижней части емкости, настроенной на величину ниже температуры парообразования жидкости. Соединение электропривода запорного устройства с датчиком температуры в нижней части емкости недостаточно повышает точность определения расходуемой тепловой энергии потребителем из-за не полного учета источника потерь, которым является пролетный пар, возникающий при существующей схеме движения конденсируемого пара от емкости по водопроводу из-за преждевременного открытия либо запаздывания закрытия запорного устройства по причине инертности датчика температуры.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения отпущенной потребителю тепловой энергии, содержащее паровой котел, соединенный параллельными паропроводами, как минимум, одним потребителем тепловой энергии и приемной емкостью, выход которой посредством водопровода сообщен с котлом, на входе в паропровод и выходе водопровода установлены расходомеры пара и воды, датчики температуры и давления, соединенные с соответствующими счетчиками тепловой энергии, дополнительную емкость, в верхней и нижней частях которой выполнены отверстия с возможностью сообщения емкости с паропроводом и водопроводом соответственно, при этом на выходе емкости установлено запорное устройство с электроприводом (патент RU №2781748, опубл. 17.10.2022).

Недостатками способа и устройства являются:

- снижение точности определения расходуемой тепловой энергии потребителем из-за неполного учета источника потерь, которым является пролетный пар, возникающий при существующей схеме движения конденсируемого пара от емкости по водопроводу из-за преждевременного открытия либо запаздывания закрытия запорного устройства по причине инертности датчика температуры, образования конденсатных (водяных) пробок из-за снижения способности продавливания образовавшегося конденсата;

- снижение надежности способа и устройства определения расходуемой тепловой энергии потребителем из-за отсутствия контроля за уровнем жидкости в емкости, регулирования подачи жидкости, снижение способности продавливания образовавшегося конденсата, как следствие повышающей вероятности образования конденсатных (водяных) пробок из-за существенной протяженности водопровода между запорным устройством и паровым котлом (порядка 600 м);

- возникновение аварийной ситуации по причине разгерметизации водопровода при образовании конденсатных (водяных) пробок при замерзании участка водопровода между запорным устройством и паровым котлом в зимний период.

Техническими результатами способа и устройства являются повышение надежности и точности определения расходуемой тепловой энергии потребителем, увеличение межремонтного срока службы устройства для определения отпущенной потребителю тепловой энергии за счет исключения аварийной ситуации. А также расширение арсенала средств определения отпущенной потребителю тепловой энергии от парового котла.

Технические результаты достигаются способом определения отпущенной потребителю тепловой энергии от парового котла, включающим

определение разности полученной потребителем тепловой энергии по паропроводу на основе определения расхода, давления и температуры пара из парового котла и возвращаемой потребителю по водопроводу тепловой энергии жидкости путем определения расхода и температуры, сообщение выхода паропровода с верхней частью дополнительной емкости, а входа водопровода - с низом емкости, размещение запорного устройства на входе водопровода, периодическое стравливание конденсируемой жидкости из нижней части емкости в котел.

Новым является то, что дополнительно устанавливают сетевой насос на линии водопровода между запорным устройством и расходомером, в верхней и нижней части боковой поверхности внутри емкости размещают датчики уровня, датчики уровня соединяют с контроллером, контроллер соединяют с электродвигателем запорного устройства и сетевым насосом, а в верхней части емкости устанавливают предохранительный клапан.

Технические результаты достигаются устройством для определения отпущенной потребителю тепловой энергии, содержащим паровой котел, соединенный параллельными паропроводами, как минимум, одним потребителем тепловой энергии и приемной емкостью, выход которой посредством водопровода сообщен с котлом, на входе в паропровод и выходе водопровода установлены расходомеры пара и воды, датчики температуры и давления, соединенные с соответствующими счетчиками тепловой энергии, дополнительную емкость, в верхней и нижней частях которой выполнены отверстия с возможностью сообщения емкости с паропроводом и водопроводом соответственно, при этом на выходе емкости установлено запорное устройство с электроприводом.

Новым является то, что на линии водопровода между запорным устройством и расходомером дополнительно установлен сетевой насос, в верхней и нижней части боковой поверхности внутри емкости размещены датчики уровня, датчики уровня соединены с контроллером, контроллер соединен с электродвигателем запорного устройства и насосом, а в верхней части емкости установлен предохранительный клапан.

На фиг. 1 показана схема устройства для выполнения способа определения отпущенной потребителю тепловой энергии.

Согласно заявленному способу, определение расхода тепловой энергии трубными блочными печами и трубопроводной системой осуществляют разностью тепловой энергии, получаемой от паровой котельной и возвращаемой обратно в котел тепловой энергии воды.

Паровая система пожаротушения включает паровой котел 1 (фиг. 1), паропровод 2 которого выполнен с возможностью сообщения полостями, например, трех трубных печей 3 через запорные устройства 4, установленные в параллельных отводах 5. Запорные устройства 4 выполнены в виде задвижек с электроприводом. Паропровод 2 сообщен с дополнительной емкостью 6 посредством отверстия (на фиг. 1 показано условно), выполненного в верхней части емкости 6, предназначенной для конденсации остаточного пара. На верхней поверхности емкости 6 установлен предохранительный клапан 7, обеспечивающий исключение аварийной ситуации при превышении давления внутри емкости 6 из-за возможной неисправности оборудования при транспортировке конденсируемой жидкости из нижней части емкости в котел. Применяют, например двухпозиционный рычажно-грузовой сбросный клапан 7 с полноподъёмным затвором, который устанавливают на фланцевых соединениях в верхней части емкости 6. В нижней части емкости 6 выполнено выходное отверстие (на фиг. 1 показано условно) воды, соединенное с водопроводом 8 с размещенными на нем запорным устройством 9 с электроприводом, например, задвижкой, расходомером 10.

Дополнительно внутри емкости 6 на боковой поверхности установлены датчики нижнего и верхнего уровня 11, фиксирующие верхний и нижний уровень конденсата в емкости 6. Верхний уровень конденсата в емкости - это верхняя точка столба жидкости (конденсата) заполнения в емкости при достижении которого открывается запорное устройство 9 и включается сетевой насос. Верхний уровень конденсата в емкости - это верхнее положение безопасного сбора конденсата в емкость, при котором исключается возникновение аварийной ситуации вследствие перелива накопленного конденсата через предохранительный клапан 7. Нижний уровень конденсата в емкости - это нижняя точка столба жидкости (конденсата) в емкости при достижении которой отключается сетевой насос. Нижний уровень конденсата в емкости - это нижнее положение конденсата в емкости при котором исключается возникновение пролетного пара, как вследствие позволяет повысить точность определения расхода тепловой энергии. Внутри емкости 6 на боковой поверхности установлены датчики уровня кондуктометрического, принцип действия которых основан на изменении электропроводности жидкости рабочей среды.

Водопровод 8 после расходомера 10 снабжен датчиком температуры 12. Расходомер 10 и датчик температуры 12 соединены со счетчиком 13 тепловой энергии.

На начальном участке паропровод 2 снабжен датчиками температуры 14, давления 15 и расходомером 16, которые соединены со счетчиком 17 тепловой энергии пара.

Электроприводы запорных устройств 4 (задвижек) соединены с датчиками (на фиг. 1 не показаны) системы пожаротушения (на фиг. 1 не показана) печей 3, обеспечивающие открытие задвижек при возникновении пожара (горения нефти) в печах 3.

Датчики уровня 11 связаны с логическим котроллером 18. В качестве логического контроллера используют, например, автономный модуль LOGO фирмы Siemens, который посредствам значений сигнала датчиков уровня 11 конденсата в емкости, реализует функции контроля и управления технологическим узлом: запорное устройство 9 и сетевой насос 25. Принцип работы логического контроллера основан на преобразовании сигналов с датчиков уровня 11 в цифровой код, фиксации, запись и сравнение их с заданными параметрами в перепрограммируемом запоминающем устройстве. На основе первичной информации с датчиков уровня 11 логический контроллер 18 вычисляет логические функции, в случае совпадения значений фикции с заданными настроечными параметрами выдает управляющие сигналы на запорное устройство 9 и сетевой насос 25.

Пар из котла 1 может подаваться другим потребителям по паропроводу 19.

Котел может быть оснащен расширительной емкостью 20, сообщенной с входом котла 1 через запорное устройство 21 с электроприводом, например, задвижку. Электропривод запорного устройства 21 соединен с датчиком 22 давления, установленным на участке водопровода 8, примыкающего к котлу 1.

На конечном участке водопровода непосредственно после датчика температуры 12 установлен обратный клапан 23.

Водопровод 8 перед обратным клапаном 23 может быть оснащен дополнительным отводом 24 для отбора горячей воды.

Выход водопровода 8 сообщен с входом котла 1. На водопроводе 8 после запорного устройства 9 установлен сетевой насос 25. В качестве сетевого насоса используют, например, сетевой насос с мокрым ротором типа ZOTA RING 50-200F. Сетевой насос 25 обеспечивает продавливание конденсата в паровой котел 1 и исключает возможность застаивания конденсата и образования водяных пробок. Электропривод запорного устройства 9 соединен первой линией с логическим контроллером 18. Логический контроллер настраивают на режим, обеспечивающий своевременное открытие и закрытие запорного устройства 9 в зависимости от уровня конденсата в емкости 6 согласно датчикам уровня 11.

Логический контроллер 18 связан с сетевым насосом 25 второй линией. Логический контроллер настраивают на режим, обеспечивающий своевременное включение сетевого насоса 25 после открытия запорного устройства 9 при достижении конденсата в емкости 6 верхнего уровня датчика уровня 11. Отключение сетевого насоса 25 происходит при достижении в ёмкости 6 конденсата положения нижнего уровня, который фиксируется датчиком нижнего уровня 11, затем происходит закрытие запорного устройства 9. Исполнение устройства, включающего дополнительно уровни жидкости, логический контроллер сетевой насос и их взаимное расположение и расположение в устройстве обеспечивают регулирование подачи жидкости, исключают возникновение и поступление пролетного пара в расходомер, повышают способность продавливания образовавшегося конденсата, исключая возможность образования водяных пробок, и, как следствие повышают надежность и точность определения расходуемой тепловой энергии потребителем, увеличивают межремонтный срока службы устройства для определения отпущенной потребителю тепловой энергии, исключают аварийную ситуацию.

Устройство для осуществления описываемого способа определения объема потребляемой тепловой энергии содержит установленные на входе в паропровод 2 датчики температуры 14, давления 15, расходомер 16, соединенные со счетчиком 17 тепловой энергии пара.

Устройство снабжено емкостью 6, в верхней и нижней части которой выполнены отверстия (на фиг. 1 показаны условно) с возможностью сообщения емкости 6 с паропроводом 2 и водопроводом 8 соответственно. При этом на выходе емкости 6 установлено запорное устройство 9 с электроприводом, который связан с контроллером 18, соединенный с датчиками верхнего и нижнего уровня конденсата 11.

На выходе запорного устройства 9 установлены сетевой насос 25, расходомер 10 жидкости и датчик температуры 12, соединенные со счетчиком 13 тепловой энергии воды. Логический контроллер 18 связан с сетевым насосом 25 второй линией. Логический контроллер настраивают на режим, обеспечивающий своевременное включение сетевого насоса 25 после открытия запорного устройства 9 при достижении конденсата в емкости 6 верхнего уровня датчика уровня 11. Отключение сетевого насоса 25 происходит при достижении в ёмкости 6 конденсата положения нижнего уровня, который фиксируется датчиком нижнего уровня 11, затем происходит закрытие запорного устройства 9.

Система пожаротушения трубных печей для нагрева нефти функционирует следующим образом.

Котлом 1 обеспечивается оснащение паропровода 2 паром требуемой температурой и давлением, обеспечивая вход запорных устройств 4 средством пожаротушения в виде пара.

Тепловую энергию пара, поступающего в паропровод, определяют по формуле:

где - массовый расход пара;

, - удельная теплота парообразования жидкости (воды) и теплоемкость пара;

- температура пара.

Пар в паропроводе 2, под действием окружающей среды, охлаждается, что приводит к снижению в нем давления. При этом от котла 1 поступает дополнительная порция пара, обеспечивая постоянное давление в паропроводе 2. Пароводяная смесь из паропровода 2 поступает в верхнюю часть емкости 6, где она, охлаждаясь, конденсируется в воду. В верхней части емкости 6 установлен предохранительный клапан 7, обеспечивающий исключение аварийной ситуации при превышении давления внутри емкости 6.

Внутри емкости 6 на боковой поверхности установлены датчики уровня верхнего и нижнего положения 11 конденсата, которые подключены к логическому контроллеру 18. При этом на выходе емкости 6 установлено запорное устройство 9 с электроприводом, который связан с логическим контроллером 18. В емкости 6 накапливается конденсат, при достижении конденсата датчика верхнего положения уровня 11 поступает сигнал на логический котроллер 18, который отправляет сигнал на открытие запорного устройства 9 и через 3-5 секунд (программируется с помощью логического контроллера) отправляет сигнал на включение сетевого насоса 25. При достижении конденсата датчика нижнего положения уровня 11 поступает сигнал на логический контроллер 18, который сначала отправляет сигнал на остановку сетевого насоса 25, а затем через 3-5 секунд (программируется с помощью логического контроллера) отправляет сигнал на закрытие запорного устройства 9.

Тепловая энергия поступающей из водопровода 8 в котел может быть определена по зависимости:

где - массовый расход жидкости (воды);

- удельная теплоемкость жидкости;

- температура настройки датчика 18 температуры;

- снижение температуры воды, поступающей в котел 1, в зависимости от размеров трубопровода от емкости 6 до котла 1.

При возникновении пожара (загорания нефти) в одной из печей 3, срабатывает датчик пожаротушения (на фиг. 1 не показан) с последующим открытием соответствующей задвижки 4. При исключении опасности, т.е., завершении тушении открытого огня с последующим снижением температуры в печи 3, задвижка 4 закрывается.

При снижении давления на выходной части водопровода 8 ниже допускаемого, открывается запорное устройство 21 с последующим заполнением котла 1 водой.

Объем потребляемой тепловой энергии потребителями, т.е., печами 3 с учетом потерь тепла в паропроводе 2, водопроводе 8 и емкости 6 определяется из соотношений (1) и (2):

Таким образом, реализация предлагаемого способа определения объема потребляемой тепловой энергии и устройство для его осуществления позволяют повысить надежность и точность определения расходуемой тепловой энергии потребителем, увеличить межремонтный срок службы устройства для определения отпущенной потребителю тепловой энергии за счет исключения аварийной ситуации.

Изобретение относится к области измерительной техники. Предложен способ определения отпущенной потребителю тепловой энергии от парового котла, который включает определение разности полученной потребителем тепловой энергии по паропроводу на основе определения расхода, давления и температуры пара из парового котла и возвращаемой потребителю по водопроводу тепловой энергии жидкости путем определения расхода и температуры, сообщение выхода паропровода с верхней частью дополнительной емкости, а входа водопровода - с низом емкости, размещение запорного устройства на входе водопровода, периодическое стравливание конденсируемой жидкости из нижней части емкости в котел. Причем дополнительно устанавливают сетевой насос на линии водопровода между запорным устройством и расходомером, в верхней и нижней части боковой поверхности внутри емкости размещают датчики уровня, датчики уровня соединяют с контроллером, контроллер соединяют с электродвигателем запорного устройства и сетевым насосом, а в верхней части емкости устанавливают предохранительный клапан. Также предложено устройство для определения отпущенной потребителю тепловой энергии, которое содержит паровой котел, соединенный параллельными паропроводами, как минимум, одним потребителем тепловой энергии и приемной емкостью, выход которой посредством водопровода сообщен с котлом. На входе в паропровод и выходе водопровода установлены расходомеры пара и воды, датчики температуры и давления, соединенные с соответствующими счетчиками тепловой энергии. Устройство включает дополнительную емкость, в верхней и нижней частях которой выполнены отверстия с возможностью сообщения емкости с паропроводом и водопроводом соответственно, при этом на выходе емкости установлено запорное устройство с электроприводом. На линии водопровода между запорным устройством и расходомером дополнительно установлен сетевой насос, в верхней и нижней части боковой поверхности внутри емкости размещены датчики уровня, датчики уровня соединены с контроллером, контроллер соединен с электродвигателем запорного устройства и насосом, а в верхней части емкости установлен предохранительный клапан. Технический результат - повышение точности определения расхода тепловой энергии, получаемой от теплоисточников. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения отпущенной потребителю тепловой энергии от парового котла, включающий определение разности полученной потребителем тепловой энергии по паропроводу на основе определения расхода, давления и температуры пара из парового котла и возвращаемой потребителю по водопроводу тепловой энергии жидкости путем определения расхода и температуры, сообщение выхода паропровода с верхней частью дополнительной емкости, а входа водопровода – с низом емкости, размещение запорного устройства на входе водопровода, периодическое стравливание конденсируемой жидкости из нижней части емкости в котел, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают сетевой насос на линии водопровода между запорным устройством и расходомером, в верхней и нижней части боковой поверхности внутри емкости размещают датчики уровня, датчики уровня соединяют с контроллером, контроллер соединяют с электродвигателем запорного устройства и сетевым насосом, а в верхней части емкости устанавливают предохранительный клапан.

2. Устройство для определения отпущенной потребителю тепловой энергии, содержащее паровой котел, соединенный параллельными паропроводами, как минимум, одним потребителем тепловой энергии и приемной емкостью, выход которой посредством водопровода сообщен с котлом, на входе в паропровод и выходе водопровода установлены расходомеры пара и воды, датчики температуры и давления, соединенные с соответствующими счетчиками тепловой энергии, дополнительную емкость, в верхней и нижней частях которой выполнены отверстия с возможностью сообщения емкости с паропроводом и водопроводом соответственно, при этом на выходе емкости установлено запорное устройство с электроприводом, отличающееся тем, что на линии водопровода между запорным устройством и расходомером дополнительно установлен сетевой насос, в верхней и нижней части боковой поверхности внутри емкости размещены датчики уровня, датчики уровня соединены с контроллером, контроллер соединен с электродвигателем запорного устройства и насосом, а в верхней части емкости установлен предохранительный клапан.