CZ36877U1

CZ36877U1 - Zařízení pro monitorování a řízení koncentrace abrazivních kapalných suspenzí v průmyslových systémech hydraulické dopravy

Info

Publication number: CZ36877U1
Application number: CZ2023-40644U
Authority: CZ
Inventors: Jiří Dostál; Jiří Ing. Dostál; Rostislav Zapletal; Rostislav Ing. Zapletal
Original assignee: České vysoké učení technické v Praze; Hydrosystem Project A.S.
Priority date: 2023-01-02
Filing date: 2023-01-02
Publication date: 2023-02-24

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Zařízení pro monitorování a řízení koncentrace abrazivních kapalných suspenzí v průmyslových systémech hydraulické dopravy

Oblast techniky

Technické řešení se týká systémů hydraulické dopravy abrazivních kapalných suspenzí, zejména kapalných suspenzí popelovin deponovaných z tepelných elektráren na složiště, u nichž je nezbytné průběžné monitorovat koncentraci pevné fáze, popelovin, v suspenzi, s cílem koncentraci pevné táze i průběžně řídit.

Dosavadní stav techniky

V systémech, které dlouhodobě deponují husté abrazivní kapalné suspenze, je možné dlouhodobě spolehlivě monitorovat a následně i řídit koncentraci pevné fáze v suspenzi prostřednictvím měřidel na bázi ionizujícího záření. Tato měřidla však dle platné legislativy vyžadují speciální provoz se speciálně školenými pracovníky. Jiná speciální měřidla pro průběžné dlouhodobé spolehlivé monitorování koncentrace pevné fáze v suspenzi nejsou pro abrazivní účinky suspenze vyvinuta a tedy dostupná. U těchto systémů je pro průběžné sledování/měření koncentrace suspenze obvyklou praxí užití manuálního měření relativní viskozity rozlivem. Takový způsob měření koncentrace je však namátkový, a z pohledu negativního vlivu lidského faktoru může být i značně nepřesný.

Průběžné sledování koncentrace pevné fáze v suspenzi je v průmyslových a energetických systémech hydraulické dopravy kapalných suspenzí nezbytné z následujících provozních důvodů.

Jedním důvodem je zajištění řádného dlouhodobého provozu systému bez rizika jeho odstavení z důvodu překročení kritické koncentrace suspenze, která by způsobila ucpání průtočných tras, nebo by způsobila ucpání tras nadměrným ztuhnutím suspenze v trase vyčerpáním jejího kapalného obsahu na chemické reakce, nebo by způsobila přetížení elektromotorů čerpadel nárůstem výkonu zvýšením měrné hmotnosti suspenze.

Druhým důvodem pak je zajištění optimální koncentrace pevné fáze, dané minimálním obsahem kapalné fáze, snižující tak celkový objem deponované suspenze a zejména snižující spotřebu energie a ředicí kapaliny na deponaci celkového objemu suspenze.

Cílem předkládaného technického řešení je představit metodu, uplatnitelnou v průmyslových a energetických systémech, a vhodnou pro dlouhodobé, spolehlivé, průběžné monitorování koncentrace pevné fáze v kapalných suspenzích s abrazivními vlastnostmi, při vyloučení měřidel na bázi ionizujícího záření.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro monitorování a řízení koncentrace abrazivních kapalných suspenzí v průmyslových systémech hydraulické dopravy podle předkládaného řešení. Systém hydraulické dopravy obsahuje zásobní nádrž s kapalnou suspenzí přiváděnou z míchací jednotky, napojenou na výstupy zásobníků pevné fáze a na výstup regulační armatury ředicí kapaliny, čerpací systém, potrubní trasu ústící do složiště kapalné suspenze a řídicí sytém na bázi automatu. Do tohoto řídicího systému jsou přivedeny výstupy měřidel různých fyzikálních veličin, kde součástí sady těchto měřidel je měřidlo objemového průtoku suspenze, měřidlo tlakové diference na délce potrubní trasy se suspenzí a/nebo měřidlo vstupního tlaku suspenze do trasy. Podstatou nového řešení je, že výstup měřidla objemového průtoku suspenze, které je součástí čerpacího systému, výstup měřidla tlakové diference umístěného na známé délce úseku potrubní

- 1 CZ 36877 UI trasy a/nebo výstup měřidla vstupního tlaku instalovaného na vstupu do potrubní trasy jsou propojeny přes procesorovou jednotku pro průběžné stanovování okamžité hodnoty parametru roztékavosti D_R a s regulátorem pro průběžnou úpravu množství Q_RK ředicí kapaliny v závislosti na aktuálně zjištěné hodnotě roztékavosti D_R. Výstup regulátoru je propojen přes ovládací člen regulační armatury s průtokoměrem ředicí kapaliny, jehož výstup je propojen s regulátorem pro průběžnou úpravu množství Q_RK ředicí kapaliny.

V provedení, kdy je čerpací systém na bázi komorových nebo trubkových dávkovačů, je měřidlo objemového průtoku instalováno v okruhu čisté hnací kapaliny.

Jedná-li se o čerpací systém na bázi membránových čerpadel, je měřidlo objemového průtoku instalováno do části hnací kapaliny.

Pro čerpací systém na bázi hydrodynamických čerpadel je měřidlo objemového průtoku instalováno přímo do potrubních úseků potrubní trasy dopravujících abrazivní kapalnou suspenzi.

Ve výhodném provedení jsou procesorová jednotka a regulátor implementovány v řídicím systému hydraulické dopravy.

Zařízení je založeno na aplikaci kapilární reometrie na část potrubní trasy, respektive na celou potrubní trasu, systému hydraulické dopravy kapalné suspenze, navázané na znalost koncentrace různých suspenzí, daných různými recepturami, získanou například formou měření roztékavosti.

Výhodou nového řešení je průběžné automatizované monitorování a optimální řízení koncentrace čerpané abrazivní suspenze bez potřeby užití měřidel na bázi ionizujícího záření.

Objasnění výkresů

Příklad provedení zařízení pro monitorování a řízení koncentrace abrazivních kapalných suspenzí v průmyslových systémech hydraulické dopravy podle předkládaného řešení je uveden ve formě blokového schéma na Obr. 1.

Příklady uskutečnění technického řešení

Předkládané technické řešení vychází ze znalosti kontinuálně měřených provozních veličin, a to objemového průtoku suspenze a tlakové diference na měřeném potrubním úseku, respektive vstupního tlaku do celé potrubní trasy. Kapilární reometrie nenewtonských kapalin vychází z teorie kapilárních viskozimetrů, která je dlouhodobé známá a dostupná z řady literárních zdrojů. Předkládané technické řešení vychází z aplikace této teorie a z jejího případného zjednodušení, spočívajícího v náhradě obecně zavedených tak zvaných konzistentních proměnných reogramu, což je smykové napětí a gradient smykové rychlosti na stěně kapiláry, přímo měřenými veličinami, objemovým průtokem a tlakovou diferencí. Uvedené zjednodušení však vede k nepřenositelnosti parametrů výpočtových vztahů pro jiné systémy, potrubní trasy, suspenze.

V systémech hydraulické dopravy kapalných suspenzí je obvykle řízeným provozním parametrem objemový průtok suspenze. Pak matematický popis sledovaného parametru koncentrace kapalné suspenze prostřednictvím kapilární reometrie musí tuto skutečnost s využitím měřených provozních veličin zohlednit, což je vyjádřeno vztahem (1):

Q) nebo obecně r, γ) (1)

-2CZ 36877 UI kde Dr [m] je roztékavost suspenze,

Δρ [Pa] je tlaková diference proudící suspenze na délce potrubního úseku nebo tlak ve vstupu do celé potrubní trasy,

Q [m³-s^-1] je objemový průtok suspenze potrubním úsekem nebo/a potrubní trasou, τ [Pa] konzistentní proměnná reogramu - smykové napětí, γ [s¹] konzistentní proměnná reogramu - gradient smykové rychlosti na stěně potrubního úseku (kapiláry).

Vztah (1) tak vyjadřuje princip průběžného monitorování koncentrace pevné fáze suspenzí pomocí nového zařízení, a to prostřednictvím roztékavosti, rozlivu D_R, různých receptur v průmyslových a energetických systémech hydraulické dopravy, umožňující následné koncentraci řídit, tedy měnit množství kapalné fáze. Vztah (1) popisuje plochu závislosti koncentrací suspenzí různých receptur, vyjádřených parametrem roztékavosti D_R, s využitím měřených provozních veličin, respektive konzistentních parametrů. Matematické vyjádření závislostí Dr =/(Δρ, Q) nebo D_R -J(t, y) vztahů (1) může být aproximováno funkcemi například dle vztahu (2):

Dr = f&p, Q) - a₀ 4- · Δρ + a₂ · Δρ² + α₃ · Q + α₄ Q² 4nebo obecně

Dr = f (T, r) = b₀ 4- b^ τ 4- b₂ · τ² + b3 · γ 4- h4 γ² 4kde a,, i=l,...,5 jsou koeficienty fůnkční závislostí DR =j(Ap, Q), bj,i=1,...,5 jsou koeficienty fůnkční závislostí D_R =j(r,y).

Koeficienty ai, i=l,...,5 a/nebo bj, j=l,...,5 byly získány minimalizací odchylky e(k) = Dr(^) - DraproxOí) metodou nejmenších čtverců souboru vzájemně svázaných dat Dp(k), Q(k), Ap(k) nebo Dp(k), τ (k), y (k), k=l,...,N, a to proměřením několika referenčních receptur, charakterizovaných různou koncentrací pevné fáze v suspenzi, známou změřením například jejich roztékavosti, rozlivů Dp(k), a to vždy při různých měřených objemových průtocích Q(k) suspenze potrubním úsekem a/nebo potrubní trasou v rozsahu provozních průtoků hydraulického systému, doprovázených měřením odpovídajících tlakových diferencí /Iptk^ na potrubním úseku nebo potrubní trase.

Na znalosti kontinuálně měřených provozních veličin, a to objemového průtoku suspenze a tlakové diference na měřeném potrubním úseku, respektive vstupního tlaku do celé potrubní trasy je založeno předkládané zařízení pro monitorování a řízení koncentrace abrazivních kapalných suspenzí v průmyslových systémech hydraulické dopravy.

Hydraulický systém dopravy kapalných suspenzí sestává ze základních částí, znázorněných v Obr. 1, a to zásobní nádrže 4 s kapalnou suspenzí, čerpacího systému 5 kapalné suspenze, potrubní trasy 6, složiště 7 kapalné suspenze a řídicího systému 8 na bázi automatu. Kapalná suspenze je připravována v míchací jednotce 3, do které jsou přiváděny složky nepromíchané kapalné suspenze, a to pevná fáze ze zásobníku či zásobníků 1 a ředicí kapalina, jejíž množství je regulováno regulační armaturou 2.

Uvedený hydraulický systém je vybaven sadou měřidel různých fyzikálních veličin, jejichž výstupy jsou zavedeny do řídicího systému 8 pro řádné plnění fůnkcí hydraulického systému

-3CZ 36877 U1 a systému přípravy kapalné suspenze. Součástí sady těchto měřidel je měřidlo 9 objemového průtoku kapalné suspenze. Z důvodů negativních abrazivních účinků kapalné suspenze je výhodné až nezbytné instalovat měřidlo 9 objemového průtoku, v Obr. 1 označeno v návaznosti na uvedený vztah (2) popisem Q, do vlastního čerpacího systému 5. Praktické provedení měřidla 9 objemového průtoku lze provést pro různý typy čerpacích systémů 5 následovně.

Pro čerpací systémy na bázi komorových nebo trubkových dávkovačů lze výhodně instalovat měřidlo 9 objemového průtoku do okruhu čisté/hnací kapaliny.

Pro čerpací systémy na bázi membránových čerpadel lze výhodně instalovat měřidlo či měřidla 9 objemového průtoku do části, respektive do částí hnací kapaliny, kterou je obvykle olej, nebo lze objemový průtok odvozovat z kinematiky hnacího mechanizmu a geometrie výkonových dílů čerpacího systému, tedy z klikového mechanismu, geometrie čerpací části a otáček klikového hřídele.

Pro čerpací systémy na bázi hydrodynamických čerpadel je nezbytné instalovat měřidlo 9 objemového průtoku přímo do potrubních úseků, dopravujících suspenzi.

Součástí sady měřidel je také měřidlo 10 tlakové diference na známé délce potrubního úseku a/nebo měřidlo 11 vstupního tlaku, které je instalováno ve vstupu do potrubní trasy 6. Měřidlo 10 tlakové diference a měřidlo 11 vstupního tlaku jsou v Obr. 1 označena v návaznosti na vztah (2) popisem Δρ.

Řídicí systém 8 hydraulického systému dopravy kapalných suspenzí je vybaven procesorovou jednotkou 12 vybavenou softwarem, který prostřednictvím vztahu (2) za provozu systému průběžně počítá okamžitou hodnotu parametru roztékavosti Dr, a to z průběžně měřených veličin měřidlem 9 objemového průtoku Q, tlakové diference změřené měřidlem 10 tlakové diference a/nebo vstupního tlaku do trasy Δρ změřeného měřidlem 11 vstupního tlaku. Řídicí systém 8 je dále vybaven regulátorem 13, který na základě aktuálně průběžně zjišťované hodnotě roztékavosti Dr, průběžně upravuje množství Qřk ředicí kapaliny regulační armaturou 2 s využitím průtokoměru 14, a tím mění dle potřeby koncentraci pevné fáze v suspenzi s cílem průběžně dopravovat systémem hydraulické dopravy kapalných suspenzí suspenzi s optimální koncentrací.

Z výše uvedeného vyplývá, že výstup měřidla 10 tlakové diference a/nebo výstup měřidla 11 vstupního tlaku jsou propojeny přes procesorovou jednotku 12 pro průběžné stanovení okamžité hodnoty parametru roztékavosti D_R S regulátorem 13 pro průběžnou úpravu množství Qřk ředicí kapaliny v závislosti na aktuálně zjištěné hodnotě roztékavosti D_R. Výstup regulátoru 13 je propojen přes ovládací člen regulační armatury 2 s průtokoměrem 14 ředicí kapaliny, jehož výstup je propojen s regulátorem 13 pro průběžnou úpravu množství Qřk ředicí kapaliny.

Průmyslová využitelnost

Předkládané technické řešení pro spolehlivé, dlouhodobé řízení koncentrace abrazivních kapalných suspenzí v systémech hydraulické dopravy, zejména v případech komorových dávkovačů, je určeno především pro energetické systémy hydraulické dopravy popelovin na složiště, a to s využitím standardně měřených provozních parametrů systému jako je Q objemový průtok a Δρ tlaková diference na délce potrubního úseku nebo tlak ve vstupu do potrubní trasy, bez nutnosti aplikace měřidel na bázi ionizujícího záření.

Claims

1. Zařízení pro monitorování a řízení koncentrace abrazivních kapalných suspenzí v průmyslových systémech hydraulické dopravy, které obsahují zásobní nádrž (4) s kapalnou suspenzí připojenou na výstup míchací jednotky (3), která je napojená na výstupy zásobníků (1) pevné fáze a na výstup regulační armatury (2) ředicí kapaliny, čerpací systém (5), potrubní trasu (6) ústící do složiště (7) kapalné suspenze a řídicí systém (8), do kterého jsou zaústěny výstupy měřidel různých fyzikálních veličin, kde součástí sady těchto měřidel je měřidlo (9) objemového průtoku, měřidlo (10) tlakové diference na délce potrubní trasy se suspenzí a/nebo měřidlo (11) vstupního tlaku suspenze do trasy, vyznačující se tím, že výstup měřidla (9) objemového průtoku suspenze, které je součástí čerpacího systému (5), výstup měřidla (10) tlakové diference umístěného na známé délce úseku potrubní trasy (6) a/nebo výstup měřidla (11) vstupního tlaku instalovaného na vstupu do potrubní trasy (6) jsou propojeny přes procesorovou jednotku (12) pro průběžné stanovování okamžité hodnoty parametru roztékavosti, Dr, s regulátorem (13) pro průběžnou úpravu množství, Qřk, ředicí kapaliny v závislosti na aktuálně zjištěné hodnotě roztékavosti, Dr, kde výstup regulátoru (13) je propojen přes ovládací člen regulační armatury (2) s průtokoměrem (14) ředicí kapaliny, jehož výstup je propojen s regulátorem (13) pro průběžnou úpravu množství, Qřk, ředicí kapaliny.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro čerpací systém (5), který zahrnuje komorové nebo trubkové dávkovače, je měřidlo (9) objemového průtoku instalováno v okruhu čisté hnací kapaliny.

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro čerpací systém (5), který zahrnuje membránová čerpadla, je měřidlo (9) objemového průtoku instalováno do části hnací kapaliny.

4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro čerpací systém (5), který obsahuje hydrodynamická čerpadla, je měřidlo (9) objemového průtoku instalováno přímo do potrubních úseků potrubní trasy (6) dopravujících abrazivní kapalnou suspenzi.

5. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že procesorová jednotka (12) a regulátor (13) jsou implementovány v řídicím systému (8).