устройство для контроля и регулирования газового теплогенератора

Формула изобретения

Устройство для контроля и регулирования газового теплогенератора, обеспечивающее розжиг горелок, защиту теплогенератора и содержащее клапаны запальной и рабочей горелок, последовательно соединенные датчики защит, прибор контроля пламени с контактным выходом, источник питания, кнопку "Пуск", отличающееся тем, что в состав устройства введены устройство блокировки, первый и второй диоды, первый резистор, двунаправленный переключатель с первым и вторым направлениями коммутации, регулятор температуры, электронный ключ, в состав которого входят первый и второй транзисторы, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, конденсатор, третий диод, при этом датчики защит и устройство контроля пламени последовательно соединены с вторым диодом, резистором и клапаном запальной горелки, параллельно прибору контроля пламени, второму диоду, первому резистору установлены последовательно соединенные кнопка "Пуск", нормально замкнутый контакт второго направления двунаправленного переключателя и первый диод, нормально замкнутый контакт второго направления двунаправленного переключателя и первый диод соединены с первым входом устройства блокировки, выход устройства блокировки соединен с вторым входом регулятора температуры, выход регулятора температуры - с вторым входом электронного ключа, а выход последнего - с клапаном рабочей горелки, нормально разомкнутый контакт первого направления двунаправленного переключателя с одной стороны соединен с выходом прибора контроля пламени, вторым диодом, вторым входом устройства блокировки, с другой стороны - с первыми входами регулятора температуры и электронного ключа, при этом первый вход электронного ключа соединен с эмиттером первого и коллектором второго транзисторов, через второй резистор с вторым входом электронного ключа и далее через третий резистор - с базой первого транзистора, к коллектору первого транзистора подсоединены две цепочки, состоящие: первая - из последовательно соединенных четвертого и пятого резисторов; вторая - из последовательно соединенных конденсатора и шестого резистора, при этом последний соединен с базой второго транзистора и через третий диод - с четвертым и пятым резисторами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам контроля и регулирования теплогенераторов с инжекционной горелкой.

Известно "Пневматическое устройство регулирования котельных агрегатов" (а. с. СССР N 416523, F 23 N 5/00, опубл. 25.02.1974, бюл. N 7). Устройство обеспечивает розжиг запальной и рабочей горелок, отключение подачи газа к горелкам при нарушении тяги, пропадании пламени запальной горелки, регулирование температуры теплоносителя.

Известно "Устройство для контроля и регулирования газового водонагревателя" (а. с. СССР N 566075, F 23 N 5/06, F 23 Н 9/20, опубл. 25.07.1977, бюл. N 27). Устройство касается автоматизации коммунально-бытовых газовых теплотехнических объектов, обеспечивает возможность подачи газа к запальной и рабочей горелкам, контроль наличия пламени запальника, наличия тяги в дымоходе, отключение подачи газа к горелкам в случае погасания пламени запальника и нарушения тяги на выходе теплогенератора, регулирование температуры теплоносителя на заданном уровне.

Устройства относятся к пневматическим системам автоматизации котельных установок, преимуществом которых является простота обслуживания и низкая стоимость по сравнению с электрическими системами, возможность эксплуатации теплогенератора при отсутствии электроэнергии.

Недостатками систем с пневматической автоматикой по сравнению с электрическими системами являются:

1. Ограниченные возможности по выполнению функций автоматики безопасности, связанные с необходимостью установки на теплогенераторе большого количества импульсных трубок, что, с одной стороны, делает конструкцию системы автоматики громоздкой, с другой, ведет к повышению опасности утечки газа в помещение топочной через элементы "сопло-заслонка", которыми должны оснащаться датчики защит.

2. Исключена возможность использования клапанов прямого действия для управления подачей топлива к горелкам. Желательность применения клапанов прямого действия обусловлена возможностью:

- минимизации габаритов запорной арматуры, используемой в системе автоматики;

- снижения уровня протечки топлива через запорный орган;

- работы при давлении топлива на входе теплогенератора более низком, чем это имеет место в случае использования пневматической автоматики.

3. Отсутствует возможность индикации рабочих и аварийных состояний теплогенератора.

Известен комплект средств управления КСУ-1 (P.P. Рыбаков. Автоматизация газифицированных агрегатов. Л. : Недра, 1984 г., с. 191 - 199). Комплект относится к электрическим системам автоматики, предназначен для управления водогрейным котлоагрегатом мощностью от 0,5 до 3,5 МВт, обеспечивает розжиг запальной и рабочей горелок, двухпозиционное регулирование мощности котлоагрегата, автоматику безопасности, индикацию рабочих и аварийных состояний котлоагрегата. Комплект обеспечивает возможность подключения большого количества датчиков защит. Включение исполнительных устройств, в том числе клапанов рабочей и запальной горелок осуществляется с помощью электромагнитных реле.

Недостатками комплекта КСУ-1 являются:

1. Сложность системы автоматики безопасности.

2. Низкая надежность цепей управления исполнительными устройствами.

3. Отсутствие режима форсировки при включении клапанов.

Первый недостаток связан с тем, что для обработки сигнала каждого датчика защит используется специальный канал (отдельная схема). Второй - с использованием в цепях управления электромагнитных реле, недостатками которых являются генерирование помех при переключении электрической цепи, а также ограниченный ресурс циклов переключения. Третий недостаток приводит к повышенной температуре и, как следствие, к снижению функциональной надежностью электромагнитных приводов.

Наиболее близким к заявляемому является "Устройство для розжига и защиты горелки", а. с. СССР N 1126715, кл. F 23 N 5/24, опубл. 30.11.1984, бюл. N 44. Устройство предназначено для использования в автоматике котельных агрегатов, промышленных печей и т.д. Устройство содержит клапаны запальной и рабочей горелок, прибор контроля пламени, последовательно соединенные контакты датчиков защит, пусковую кнопку. Достоинством устройства является его простота, возможность подключения большого количества датчиков защит без дополнительного усложнения его схемы.

Недостатками устройства являются:

1. Недостаточная безопасность использования устройства в теплогенераторах, работающих на природном газе.

2. Низкая надежность устройства.

Недостаточная безопасность связана с тем, что существует опасность подачи газа к горелкам при незажженном запальнике, например из-за того, что контакты датчика пламени оказались (например, в результате неисправности) замкнутыми. Это, в свою очередь, может стать причиной возникновения аварийной ситуации.

Низкая надежность устройства обусловлена:

- использованием в его схеме электромагнитных реле, применение которых в отличие от бесконтактных элементов снижает надежность устройства,

- отсутствием схем форсировки клапанов запальной и рабочей горелок.

Задачами заявляемого устройства являются:

1. Повышение безопасности работы теплогенератора при использовании в нем заявляемого устройства.

2. Повышение функциональной надежности.

Выполнение поставленных задач достигается тем, что предлагаемое устройство для контроля и регулирования газового теплогенератора, обеспечивающее розжиг горелок, защиту теплогенератора и содержащее клапаны запальной и рабочей горелок, последовательно соединенные датчики защит, прибор контроля пламени с контактным выходом, источник питания, кнопку "Пуск", отличается тем, что в его состав дополнительно введены устройство блокировки, первый и второй диоды, первый резистор, двунаправленный переключатель первого и второго направлений коммутации, регулятор температуры, электронный ключ, в состав которого входят первый и второй транзисторы, второй, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, конденсатор, третий диод.

Датчики защит и прибор контроля пламени последовательно соединены с вторым диодом, первым резистором и клапаном запальной горелки.

Параллельно прибору контроля пламени, второму диоду, первому резистору, установлены последовательно соединенные кнопка "Пуск", нормально замкнутый контакт второго направления двунаправленного переключателя и первый диод.

Нормально замкнутый контакт второго направления двунаправленного переключателя и первый диод соединены с первым входом устройства блокировки.

Выход устройства блокировки соединен с вторым входом регулятора температуры, выход регулятора температуры - с вторым входом электронного ключа, а выход последнего - с клапаном рабочей горелки.

Нормально разомкнутый контакт первого направления двунаправленного переключателя с одной стороны соединен с выходом прибора контроля пламени, вторым диодом, вторым входом устройства блокировки, с другой - с первыми входами регулятора температуры и электронного ключа.

Первый вход электронного ключа соединен с эмиттером первого и коллектором второго транзисторов, через второй резистор - с вторым входом электронного ключа и далее через третий резистор - с базой первого транзистора.

К коллектору первого транзистора подсоединены две цепочки, состоящие: первая из последовательно соединенных четвертого и пятого резисторов, вторая из последовательно соединенных конденсатора и шестого резистора, при этом последний соединен с базой второго транзистора и через третий диод с четвертым и пятым резисторами.

При этом:

1. Повышение безопасности работы теплогенератора в случае использования в нем заявляемого устройства достигается за счет использования устройства блокировки и двунаправленного переключателя.

2. Повышение функциональной надежности достигается применением:

- режима форсировки при включении клапанов запальной и рабочей горелок;

- бесконтактного управления клапаном рабочей горелки.

Применение устройства блокировки и двунаправленного переключателя "Розжиг-Работа" исключает возможность прохождения к электронному ключу неконтролируемой команды на включение клапана рабочей горелки как в случае ложного срабатывания прибора контроля пламени, так и в случае неправильных действий оператора в процессе запуска в работу теплогенератора.

При неправильных действиях оператора (двунаправленный переключатель на этапе розжига установлен в положение "Работа") и появлении ложного сигнала о наличии пламени неконтролируемая подача газа к рабочей горелке невозможна, так как с выхода устройства блокировки на второй вход регулятора температуры поступает команда запрета на включение клапана рабочей горелки.

При правильных действиях оператора в процессе розжига запальной горелки (двунаправленный переключатель установлен в положение "Розжиг") и появлении ложного сигнала на выходе прибора контроля пламени неконтролируемая подача газа к рабочей горелке невозможна из-за того, что разорвана цепь питания регулятора температуры, электронного ключа, клапана рабочей горелки.

Повышению безопасности при использовании заявляемого устройства способствует также:

1. Установка индикатора на выходе прибора контроля пламени, который позволяет до розжига запальной горелки обнаружить факт ложного срабатывания прибора контроля пламени по включенному индикатору.

2. Отсутствие промежуточных коммутационных элементов в цепи отключения теплогенератора в случае аварийной ситуации. В прототипе для отключения теплогенератора в случае исчезновения пламени либо иной аварийной ситуации используется промежуточное реле, контактами которого разрывается цепь питания клапанов рабочей и запальной горелок. Наличие промежуточного реле снижает надежность отключения теплогенератора в аварийной ситуации. В заявляемом устройстве в случае срабатывания любой аварийной защиты, в том числе при пропадании пламени, цепь питания клапанов запальной и рабочей горелок разрывается контактами либо датчиков защит, либо прибора контроля пламени (в зависимости от того, какая аварийная защита сработала на аварийную ситуацию).

Повышение функциональной надежности заявляемого устройства по сравнению с прототипом достигается за счет:

1. Бесконтактного управления клапаном рабочей горелки, так как контактные схемы, реализованные с применением электромагнитных реле, имеют ограниченный ресурс работы, часто являются источником нестабильной работы устройства.

2. Применения режимов форсировки при управлении клапанами.

Режимы форсировки, как известно, предназначены для подачи на исполнительный элемент с электромагнитным приводом различной мощности в переходном и установившемся режимах. Это позволяет повысить надежность включения исполнительного устройства (за счет того, что в момент включения к приводу можно подвести большую мощность без опасения его перегрева, т.к. переходной процесс очень мал по времени), снизить нагрев привода исполнительного устройства в установившемся режиме, т.к. мощность, необходимая для удержания исполнительного устройства в рабочем состоянии, требуется в несколько раз меньше, чем при его включении.

Режим форсировки для привода запальной горелки осуществляется:

1. На этапе включения - подачей полного напряжения питания на катушку привода через нормально замкнутые контакты датчиков защит, кнопку "Пуск", нормально замкнутый контакт двунаправленного переключателя и первый диод, при этом практически все напряжение источника питания приложено к катушке электромагнитного привода клапана запальной горелки.

2. На этапе удержания клапана запальной горелки в рабочем состоянии - ограничением подводимой к катушке электромагнита мощности с помощью первого резистора. Напряжение питания в этом случае к приводу клапана поступает через контакты датчиков защит, прибора контроля пламени, второй диод и первый резистор.

Режим форсировки и бесконтактное управление клапаном рабочей горелки осуществляется схемой электронного ключа.

Таким образом, использование в заявляемом решении:

- устройства блокировки и двунаправленного переключателя позволяет повысить безопасность работы устройства как при неправильных действиях оператора, так и при ложных срабатываниях прибора контроля пламени в процессе розжига теплогенератора;

- кнопки "Пуск", двунаправленного переключателя первого и второго диодов, резистора, электронного ключа позволяет реализовать бесконтактное управление клапанами с использованием режима форсировки, отказаться от использования в схеме электромагнитных реле и, как следствие, повысить функциональную надежность устройства.

На фиг. 1 приведена схема устройства контроля и регулирования газового теплогенератора, на фиг. 2 - схема электронного ключа, на фиг.3 - вариант схемы устройства блокировки, на фиг.4 - вариант схемы регулятора температуры.

Устройство контроля и регулирования газового теплогенератора содержит клапаны запальной 1, рабочей 2 горелок, последовательно соединенные датчики защит 3 и прибор контроля пламени 4 с контактным выходом, источник питания 5, кнопку "Пуск" 6, устройство блокировки 7, первый 8 и второй 9 диоды, первый резистор 10, двунаправленный переключатель первого 11 и второго 12 направлений, регулятор температуры 13, электронный ключ 14, элементы индикации 15, выключатель питания устройства 16.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, при включенном питании и отсутствии пламени запальной горелки, двунаправленный переключатель находится в положении "Розжиг", при этом первое направление 11 двунаправленного переключателя разомкнуто, а второе направление 12 двунаправленного переключателя соединяет кнопку "Пуск" 6 с первым диодом 8 и первым входом устройства блокировки 7. При нормальном (неаварийном) состоянии датчиков защит 3 напряжение питания от источника 5 поступает на вход прибора контроля пламени 4, кнопку "Пуск" 6 и шину питания устройства блокировки (на схеме не показана). На выходе устройства блокировки формируется сигнал низкого уровня. Последний шунтирует вход задатчика температуры регулятора 13, (устанавливая тем самым минимальную температуру регулирования), вследствие чего регулятор температуры 13 устанавливает клапан рабочей 2 горелки в выключенное состояние. При нажатии на кнопку "Пуск" 6 напряжение питания через ее контакт и нормально замкнутый контакт второго направления 12 двунаправленного переключателя поступает на первый вход устройства блокировки 7, первый диод 8 и далее на клапан 1 запальной горелки. Газ через клапан 1 (после его включения) поступает к запальной горелке и поджигается (запальная горелка, элементы ее поджига на фиг.1 не показаны). Кнопка "Пуск" 6 удерживается нажатой до тех пор, пока не сработает прибор контроля пламени 4. Момент срабатывания прибора контроля пламени контролируется по элементу индикации 15, подключенному к его выходу.

При срабатывании прибора контроля пламени 4 напряжение с его выхода через второй диод 9 и первый резистор 10 поступает на обмотку электромагнитного привода клапана 1 запальной горелки. Кнопку "Пуск" 6 можно отпускать. Привод клапана 1 запальной горелки переходит из режима форсированного включения при нажатой кнопке "Пуск" в режим удержания клапана в рабочем состоянии. Ограничение мощности, подводимой к клапану, осуществляется первым резистором 10. Одновременно напряжение с выхода прибора контроля пламени 4 поступает на второй вход устройства блокировки 7. Устройство блокировки снимает запрет на включение клапана 2 рабочей горелки. На выходе устройства (для варианта устройства блокировки 7, приведенного на фиг.3) устанавливается высокий потенциал.

Двунаправленный переключатель "Розжиг-Работа" можно перевести в положение "Работа". При этом первое направление 11 двунаправленного переключателя соединяет выход прибора контроля пламени 4 с первыми входами регулятора температуры 13 и электронного ключа 14, обеспечивая тем самым подачу к ним питающего напряжения. В зависимости от реальной температуры теплоносителя и ее задания регулятор температуры 13 управляет состоянием клапана 2 рабочей горелки. В случае аварийной ситуации, при срабатывании одного из датчиков защит 3 либо прибора контроля пламени 4, размыкается цепь питания клапанов запальной 1 и рабочей 2 горелок. Работа теплогенератора прекращается.

Электронный ключ 14, схема которого приведена на фиг.2, содержит второй 17, третий 18, четвертый 20, пятый 21 и шестой 24 резисторы, конденсатор 22, третий диод 23, первый 19 и второй 25 транзисторы. В исходном состоянии, при отсутствии команды включения клапана 2 рабочей горелки, транзистор 19 закрыт. Транзистор 25 непосредственно управляет приводом клапана 2 рабочей горелки. При поступлении сигнала управления на первый вход электронного ключа 14 транзистор 19 открывается, на базу транзистора 25 поступают потенциалы с двух точек.

С делителя, образованного четвертым 20 и пятым 21 резисторами, на базу второго транзистора 25 поступает постоянный потенциал, величина которого определяет режим работ транзистора в установившемся состоянии. Изменением этого потенциала можно регулировать мощность, подводимую к клапану для удержания его в рабочем состоянии.

С коллектора первого транзистора 19 через конденсатор 22 и шестой резистор 24 на базу второго транзистора 25 поступает экспоненциальный импульс напряжения. Амплитуда этого импульса близка напряжению источника питания, а постоянная времени экспоненты определяется постоянной времени RC цепочки, образованной конденсатором 22 и шестым резистором 24.

Экспоненциальный импульс используется для того, чтобы пропустить через второй транзистор 25 максимальный импульс тока, необходимый для включения клапана 2 (для задания форсированного режима включения клапана) рабочей горелки.

В заявляемом устройстве возможно использование различных вариантов схем блокировки 7 и регулятора температуры 13.

В примере реализации заявляемого устройства были использованы схемы устройства блокировки и регулятора температуры, приведенные соответственно на фиг.3, 4.

Функционально устройство блокировки 7 должно разрешать прохождение команды на включение электронного ключа 14 только когда клапан запальной горелки включен.

В рассматриваемом примере устройства блокировки 7, приведенном на фиг.3, это условие выполняется в случае:

- если с выхода прибора контроля пламени 4 на привод клапана 1 запальной горелки поступает напряжение удержания его в рабочем состоянии (это же напряжение поступает на второй вход устройства блокировки),

- если одновременно с выполнением первого условия, по крайней мере кратковременно, на привод клапана 1 запальной горелки поступает напряжение форсировки для включения клапана 1 (напряжение это поступает через кнопку "Пуск" и нормально замкнутый контакт второго направления 12 двунаправленного переключателя). Это напряжение поступает на первый вход устройства блокировки 7.

При выполнении указанных выше условий включается клапан запальной 1 горелки, устройство блокировки 7 снимает запрет на включение клапана рабочей горелки.

Рассматриваемая схема устройства блокировки 7 содержит резисторы 26, 27, 28, 31, 32, конденсатор 30, тиристор 29, компаратор 33, диод 34, конденсатор 35. Принцип работы устройства основан на использовании тиристора в качестве элемента памяти. В исходном состоянии тиристор 29 закрыт, на вход компаратора 33 поступает высокий потенциал. На второй вход компаратора 33 поступает напряжение с делителя, состоящего из резисторов 31 и 32. При этом напряжение на выходе делителя подбирается таким образом, чтобы оно всегда было меньше напряжения на первом входе компаратора, когда тиристор 29 закрыт. Этому условию соответствует нулевой потенциал на выходе компаратора 33.

При срабатывании прибора контроля пламени 4 напряжение с его выхода поступает на второй вход устройства блокировки 7. На первый вход устройства блокировки 7 при нажатой кнопке "Пуск" поступает напряжение с нормально замкнутого контакта второго направления 12 двунаправленного переключателя. Это напряжение после делителя, состоящего из резисторов 26 и 27, поступает на управляющий вход тиристора 29, который открывается и остается в таком состоянии, пока на его аноде присутствует напряжение, поступающее с прибора контроля пламени 4.

Открытый тиристор шунтирует на землю 1-й вход компаратора. При этом напряжение на втором его входе становится выше потенциала первого входа. На выходе компаратора устанавливается высокий потенциал. При этом влияние устройства блокировки 7 на регулятор температуры 13 прекращается (тем самым снимается запрет на управление клапаном 2 рабочей горелки). Устройство сохраняет новое состояние в течение всего времени, пока на его второй вход поступает напряжение с прибора контроля пламени. В случае пропадания пламени напряжение на входе 2 устройства блокировки 7 становится равным нулю, тиристор 29 закрывается, устройство блокировки 7 останавливает работу регулятора температуры 13, клапан 2 рабочей горелки выключается.

Регулятор температуры, схема которого приведена на фиг.4, содержит резисторы 36-42, 45, компаратор 43, конденсатор 44. Резисторы 36, 37, 38 образуют делитель задатчика температуры. При этом резистор 37 является переменным. Резисторы 39-42 образуют делитель датчика температуры теплоносителя. При этом резистор 39 является датчиком температуры. Компаратор 43 работает в режиме порогового элемента. В случае, если потенциал задатчика температуры превышает потенциал, снимаемый с делителя датчика температуры, что соответствует состоянию, когда температура теплоносителя ниже заданной, на выходе компаратора 43 устанавливается потенциал, при котором включается электронный ключ 14 и соответственно клапан 2 рабочей горелки. И наоборот, если потенциал с задатчика температуры теплоносителя ниже напряжения, снимаемого с датчика температуры теплоносителя, напряжение на выходе компаратора 43 становится близким к нулю, электронный ключ 14 закрывается, клапан 2 отключается.

Заявляемое устройство контроля и регулирования газового теплогенератора выполнено с применением следующих комплектующих.

1. Фиг.1 содержит:

- клапан запальной горелки 1, использующий принцип прямого управления, клапан 2 рабочей горелки, являющийся клапаном мембранного типа, приводы клапанов запальной и рабочей горелок рассчитаны на рабочее напряжение 9-12 В;

- датчики защит 3, в качестве которых использованы датчики-реле давления газа, воды, температуры воды, тяги в дымоходе с выходом в виде "сухого контакта";

- кнопку "Пуск" - кнопка типа КМД1-1, двунаправленный переключатель - тумблер МТД-3, выключатель питания устройства - МТД-1, первый 8 и второй 9 диоды - диоды типа КД522, резистор 10 - резистор типа С2-33Н-2-180 Ом, индикаторы 15 - светодиоды типа АЛ 307БМ.

2. Фиг.2 (схема электронного ключа) содержит:

- резисторы 17, 18 - С2-33Н-0,125-3,3 кОм, транзистор 19 - транзистор КТ361 В(Д), резисторы 20, 24 - С2-33Н-0,125-1 кОм, резистор 21 - С2-33Н-0,125-430 Ом, конденсатор 22 - К50-35-25В-47 мкФ, диод 23 - диод КД522, транзистор 25 - транзистор КТ829 (А-Г).

3. Фиг.3 (схема устройства блокировки) содержит:

- резистор 26 - С2-33Н-0,125-1,2 кОм, резисторы 27, 28, 31 - С2-33Н-0,125-1 кОм, конденсаторы 30, 35 - К10-17-Н90-1 мкФ, тиристор 29 - КУ112А, резистор 32 - С2-33Н-0,125-7,5 кОм, компаратор 33 - К1401СА1, диод 34 - КД522.

4. Фиг.4 (схема регулятора температуры) содержит:

- резистор 36 - С2-33Н-0,125-18 кОм, резистор 37 - СП2-2-16 кОм, резистор 38 - С2-33Н-0,125-30 кОм, резистор 39 - терморезистор СТ14-16-10 кОм, резистор 40 - С2-33Н-0,125-10 кОм, резистор 41 - СП5-2ВБ-0,5Вт-3,3 кОм, резистор 42 - С2-33Н-0,125-20 кОм, компаратор 43 - К1401СА1, конденсатор 44 - К10-17-Н90-1 мкФ, резистор 45 - С2-33Н-0,125-1 МОм.

Заявляемое устройство:

1. Исключает возможность неконтролируемого включения клапана рабочей горелки.

2. Повышает функциональную надежность устройства не менее чем в три раза по сравнению с прототипом.