Автоматизация парового котла

Автоматизация парового котла

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КОТЕЛЬНОЙ [1]

Котельная Теплогорского литейно-механического  завода предназначена для выработки  пара отпускаемого для приготовления  горячей воды и отопления цехов. Система теплоснабжения закрытая. Топливом для котельной служит газ теплотой сгорания Qн = 8485 ккал/м3.

Котельная оборудована двумя котлами ДКВР - 20/13 без пароперегревателей. Производительность котла в соответствии с расчетными данными 28 т/час. Давление пара 13 кгс/см2. Максимальное количество тепла, выдаваемого котельной в виде горячей воды составляет 100% . Возврат конденсата 10% . Исходная вода для питания котлов - речная осветленная или артезианская. Котельный агрегат ДКВР - 20/13 рис.3 комплектуется одноходовым чугунным экономайзером системы ВТН с трубами длиной 3м. Регулятор питания установлен до ВЭК, неотключаемый как по газу, так и по воде.

Рис.1. Котел  марки ДКВР 
1- экранные трубы; 2- верхний барабан; 3- манометр; 4- предохранительные клапаны; 5- трубы питательной воды; 6- сепаратор пара; 7- предохранительная пробка; 8- камера догорания; 9- перегородки; 10- конвективные трубки; 
11- обдувочное устройство; 12- нижний барабан; 
13- продувочный трубопровод.

Предусмотрена сгонная линия с автоматическим устройством для ограничения  повышения температуры воды после ВЭК выше 174°С. Движение газов в экономайзере сверху вниз. Газы из экономайзера направляются к дымососу, установленному в стенах котельной. Дутьевой вентилятор монтируется под котлом. Забор воздуха вентилятором осуществляется по металлическому воздуховоду. Нагнетательный воздух к горелочному устройствам проходит в фундаменте котла. Котел оборудован тремя газомазутными горелками ГМГП рис.2.

Рис. 1. Горелка  газомазутная ГМГП-120 
1-газовая часть; 2-фланец; 3-воздушная часть; 4-газовое сопло; 5-ствол; 6-диффузор; 7-лепесток; 8-жидкостная форсунка; 9-регулировочный винт; 10-корпус

Номинальная тепловая мощность горелки ГМГП-120 - 1,75 МВт. Она пред-назначена для  совместного сжигания газа и мазута. Распыл мазута обеспечи-вается водяным  паром. Горелка снабжена диффузором (6), задающим угол раскрытия факела, и имеет раздельные газовые (4) и мазутные (5) сопла. Воздух подается в межсопловое пространство. Благодаря утопленному положению сопел на выходе горелки создается эжекционный эффект. Конструкция горелки обеспечивает легкий розжиг печи при пуске установки (подача только газа), хорошее смешение распыленного жидкого топлива с воздухом, подсос дымовых газов в корень факела (эжекционный эффект). Подача воздуха в межсопловое пространство (между потоков газа и жидкого топлива) создает условия двухстадийного сжигания топлива.

Рис.2. Профиль  пламени горелки ГМГП-120

На рис.2 показан профиль пламени форсунки ГМГП-120 с двухфронтальным сгоранием  топлива. Первичный воздух подается в межсопловое пространство с коэффициентом избытка воздуха ~1,0 и смешивается с жидким топливом. Испарившееся горючее и кислород воздуха поступают во внутренний фронт горения, где происходит неполное сгорание. Продукты химического недожога практически полностью сгорают во внешнем фронте пламени. Кислород во внешний фронт последнего поступает диффузией из воздуха, подсасываемого через амбразуру форсунки в топочное пространство. Суммарный коэффициент избытка воздуха а составляет 1,10–1,15. Кроме этого, за счет эжекционного эффекта в корень факела подсасываются дымовые газы, понижая содержание кислорода в подаваемом в межсопловое пространство воздухе, что приводит к понижению температуры горения на 50–70°С.

Понижение температуры горения замедляет  скорость химических реакций и приводит к заметному удлинению факела пламени. Учитывая, что в технологической печи около 80% тепла передается радиацией, то радиационный тепловой поток остается практически неизменным и сохраняется тепловой баланс печи.

Котлы ДКВР состоят из следующих основных частей: двух барабанов (верхний и нижний); экранных труб; экранных коллекторов ( камер ).

Барабаны  котлов на давление 13 кгс/см2 имеют одинаковый внутренний диаметр (1000 мм) при толщине  стенок 13 мм.

Для осмотра  барабанов и расположенных в  них устройств, а также для очистки труб шарошками на задних днищах имеются лазы; у котла ДКВР-20 с длинным барабаном имеется еще лаз на переднем днище верхнего барабана.

Для наблюдения за уровнем воды в верхнем барабане установлены два водоуказательных стекла и сигнализатор уровня. У котлов с длинным барабаном водоуказательные стекла присоединены к цилиндрической части барабана, а у котлов с коротким барабаном к переднему днищу. Из переднего днища верхнего барабана отведены импульсные трубки к регулятору питания. В водяном пространстве верхнего барабана находятся питательная труба, у котлов ДКВР 20-13 с длинным барабаном - труба для непрерывной продувки; в паровом объеме - сепарационные устройства. В нижнем барабане установлены перфорированная труба для периодической продувки, устройство для прогрева барабана при растопке и штуцер для спуска воды.

Боковые экранные коллекторы расположены под  выступающей частью верхнего барабана, возле боковых стен обмуровки. Для  создания циркуляционного контура  в экранах передний конец каждого  экранного коллектора соединен опускной необогреваемой трубой с верхним барабаном, а задний конец - перепускной трубой с нижним барабаном.

Вода  поступает в боковые экраны одновременно из верхнего барабана по передним опускным трубам, а из нижнего барабана по перепускным. Такая схема питания боковых экранов повышает надежность работы при пониженном уровне воды в верхнем барабане, увеличивает кратность циркуляции.

Экранные  трубы паровых котлов ДКВР изготовляют  из стали 51×2.5 мм.

В котлах с длинным верхним барабаном экранные трубы приварены к экранным коллекторам, а в верхний барабан ввальцованы.

Шаг боковых  экранов у всех котлов ДКВР 80 мм, шаг задних и фронтовых экранов - 80–130 мм.

Пучки кипятильных труб выполнены из стальных бесшовных гнутых труб диаметром 51×2.5 мм.

Концы кипятильных труб паровых котлов типа ДКВР прикреплены к нижнему  и верхнему барабану с помощью  вальцовки.

Циркуляция  в кипятильных трубах происходит за счет бурного испарения воды в  передних рядах труб, т.к. они расположены  ближе к топке и омываются более горячими газами, чем задние, вследствие чего в задних трубах, расположенных на выходе газов из котла вода идет не вверх, а вниз.

Топочная  камера в целях предупреждения затягивания  пламени в конвективный пучок  и уменьшения потери с уносом ( Q4 - от механической неполноты сгорания топлива), разделена перегородкой на две части: топку и камеру сгорания. Перегородки котла выполнены таким образом, что дымовые газы омывают трубы поперечным током, что способствует теплоотдаче в конвективном пучке.

Технологические параметры

2. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ  ПАРОВОГО КОТЛА  [1]

Обоснование необходимости контроля, регулирования  и сигнализации технологических  параметров.

Регулирование питания котельных агрегатов  и регулирование давления в барабане котла главным образом сводится к поддержанию материального баланса между отводом пара и подачей воды . Параметром характеризующим баланс , является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котельного агрегата во многом определяется качеством регулирования уровня. При повышении давления, снижение уровня ниже допустимых пределов, может привести л нарушению циркуляции в экранных трубах, в результате чего произойдет повышение температуры стенок обогреваемых труб и их пережег.

Повышение уровня также ведет к аварийным  последствиям, так как возможен заброс воды в пароперегреватель, что вызовет выход его из строя. В связи с этим, к точности поддержания заданного уровня предъявляются очень высокие требования. Качество регулирования питания также определяется равенством подачи питательной воды. Необходимо обеспечить равномерное питание котла водой, так как частые и глубокие изменения расхода питательной воды могут вызвать значительные температурные напряжения в металле экономайзера.

Барабанам котла с естественной циркуляцией  присуща значительная аккумулирующая способность, которая проявляется в переходных режимах. Если в стационарном режиме положение уровня воды в барабане котла определяется состоянием материального баланса, то в переходных режимах на положение уровня влияет большое количество возмущений. Основными из них являются .изменение расхода питательной воды, изменение паросъема котла при изменении нагрузки потребителя, изменение паропроизводительности при изменении при изменении нагрузки топки, изменение температуры питательной воды.

Регулирование соотношения газ-воздух необходимо как чисто физически, так и  экономически. Известно, что одним  из важнейших процессов, происходящих в котельной установке, является процесс горения топлива. Химическая сторона горения топлива представляет собой реакцию окисления горючих элементов молекулами кислорода. Для горения используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого вентилятора. Соотношение газ-воздух примерно составляет 1.10. При недостатке воздуха в топочной камере происходит неполное сгорание топлива. Не сгоревший газ будет выбрасываться в атмосферу, что экономически и экологически не допустимо. При избытке воздуха в топочной камере будет происходить охлаждение топки, хотя газ будет сгорать полностью, но в этом случае остатки воздуха будут образовывать двуокись азота, что экологически недопустимо, так как это соединение вредно для человека и окружающей среды.

Система автоматического регулирования  разряжения в топке котла сделана для поддержания топки под наддувом, то есть чтобы поддерживать постоянство разряжения(примерно 4мм.вод.ст.). При отсутствии разряжения пламя факела будет прижиматься, что приведет к обгоранию горелок и нижней части топки. Дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что делает невозможным работу обслуживающего персонала.

В питательной  воде растворены соли, допустимое количество которых определяется нормами. В  процессе парообразования эти соли остаются в котловой воде и постепенно накапливаются. Некоторые соли образуют шлам – твердое вещество, кристаллизующееся в котловой воде. Более тяжелая часть шлама скапливается в нижних частях барабана и коллекторов.

Повышение концентрации солей в котловой воде выше допустимых величин может привести к уносу их в пароперегреватель. Поэтому соли, скопившиеся в котловой воде, удаляются непрерывной продувкой, которая в данном случае автоматически не регулируется. Расчетное значение продувки парогенераторов при установившемся режиме определяется из уравнений баланса примесей к воде в парогенераторе. Таким образом, доля продувки зависит от отношения концентрации примесей в воде продувочной и питательной. Чем лучше качество питательной воды и выше допустимая концентрация примесей в воде, тем доля продувки меньше. А концентрация примесей в свою очередь зависит от доли добавочной воды, в которую входит, в частности, доля теряемой продувочной воды.

Сигнализация  параметров и защиты, действующие  на останов котла , физически необходимы, так как оператор или машинист котла не в силах уследить за всеми параметрами функционирующего котла. Вследствие этого может возникнуть аварийная ситуация. Например, при упуске воды из барабана, уровень воды в нем понижается, вследствие этого может быть нарушена циркуляция и вызван, пережег труб донных экранов.

Сработавшая без промедления защита, предотвратит выход из строя парогенератора. При  уменьшении нагрузки парогенератора, интенсивность горения в топке  снижается. Горение становится неустойчивым и может прекратиться. В связи  с этим предусматривается защита по погашению факела.

Надежность  защиты в значительной мере определяется количеством, схемой включения и  надежностью используемых в ней  приборов. По своему действию защиты подразделяются на действующие, на останов парогенератора; снижение нагрузки парогенератора; выполняющие локальные операции.

Согласно  вышеперечисленного автоматизация  работы парового котла должна осуществляться по следующим параметрам: по поддержанию  постоянного давления пара; 
по поддержанию постоянного уровня воды в котле; 
по поддержанию соотношения “газ - воздух”; 
по поддержанию разрежения в топочной камере.

3. ВЫБОР АВТОМАТИЧЕСКОЙ  СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Для  автоматизации работы котла выбираем 
программируемый контроллер семейства МИКРОКОНТ-Р3 [2]

Программируемые контроллеры МИКРОКОНТ-Р3 имеют модульную конструкцию, что позволяет произвольно наращивать число входов-выходов в каждой точке управления и сбора информации. Высокая вычислительная мощность процессора и развитые сетевые средства позволяют создавать иерархические АСУ ТП любой сложности.

3.2. Конструктивное  исполнение микроконтроллера МИКРОКОНТ

Данный  микроконтроллер имеет модульную  конструкцию (рис. 4) Все элементы (модули) семейства выполнены в закрытых корпусах единого исполнения и ориентированы  на установку в шкафах. Присоединение модулей ввода/вывода (EXP) к модулю вычислителя (СРU) выполняется с помощью гибкой шины расширения (плоский кабель) без использования шасси ограничивающего возможности расширения и снижающего гибкость при компоновке.

Рис.4

В состав данного микроконтроллера входят следующие  модули:

Модуль  процессора

МП-320-центральный  процессор DS80C320, RAM-96 K, EPROM-32 K, FLASH-128 K.

Модули  ввода-вывода

Bi/o16 DC24 дискретный ввод/вывод,16/16 =24 В,Iвх=10 мА,Iвых=0,2 А; 
Bi 32 DC24 дискретный ввод, 32 сигнала =24 В, 10 мA; 
Bi16 AC220 дискретный ввод, 16 сигналов ~220 В, 10 мА; 
Bo32 DC24 дискретный вывод, 32 сигналов =24 В, 0,2 А; 
Bo16 ADC дискретный вывод, 16 сигналов ~220 В, 2,5 А; 
MPX64 коммутатор дискретных входов, 64 входа, =24 В, 10 мА; 
Ai-TC 16 аналоговых входов от термопар; 
Ai-NOR/RTD-1 20 аналоговых входов i или U; 
Ai-NOR/RTD-2 16 входов i или U, 2 термопреобразователей сопротивления; 
Ai-NOR/RTD-3 12 входов i или U, 4 термопреобразователей сопротивления; 
Ai-NOR/RTD-4 8 входов i или U, 6 термопреобразователей сопротивления; 
Ai-NOR/RTD-5 4 входа i или U, 8 термопреобразователей сопротивления; 
Ai-NOR/RTD-6 10 термопреобразователей сопротивления; PO-16 пульт (дисплей - 16 букв, 24 клавиши).

Модули  ввода - вывода имеют разъемы ввода-вывода с зажимами под винт, совмещающие функции разъемов и клеммных соединений, которые упрощают объем оборудования в шкафу и обеспечивают быстрое подключение/ отключение внешних цепей.

Пульт оператора

РО-04 - пульт  для установки на щит. ЖКИ - индикатор (2 строки по 20 знаков), встроенная клавиатура (18 клавиш), возможность подключения 6-ти внешних клавиш, интерфейс RS232/485, питание = нестабилизированное 8–15 В;

РО-01 - портативный  пульт. ЖКИ - индикатор (2 строки по 16 знаков), клавиатура, интерфейс RS232/485, питание: а) = 8–15 В; б) батарея.

Для подготовки и отладки прикладных программ автоматизации  технологического оборудования предусматривается  применение персонального компьютера (типа IBM PC), подключаемого к каналу информационной сети через адаптер AD232/485.

Подготовка  прикладных программ осуществляется на одном из двух языков:

* РКС (язык технологического программирования, оперирующий типовыми элементами релейно-контактной логики и автоуправления;

* АССЕМБЛЕР.

Допускается компоновка программы из модулей, написанных на любом из указанных языков. При отладке прикладных программ модуля сохраняется штатный режим работы прикладных программ остальных модулей и обмена по каналу локальной сети.

3.3. Назначение и технические  характеристики основных  модулей микроконтроллера

Модуль  процессора МП-320

Модуль  предназначен для организации интеллектуальных систем управления и выполняет функции  центрального процессора программируемого контроллера.

Управление  объектами осуществляется через  модули ввода/вывода, подключаемые к модулю МП посредством шины расширения. Связь с верхним уровнем и с другими контроллерами осуществляется через последовательные порты (до 4-х) RS485 или RS232.

Модуль  МП-320 может быть подключен к двум локальным сетям BITNET (ведомый-ведущий; моноканал; витая пара; RS485; 255 абонентов) и выполнять функции как ведущего, так и ведомого в обеих сетях.

Модуль  МП-320 может выполнять функции  активного ретранслятора между  двумя сегментами локальной сети (до 32х абонентов в каждом сегменте).

Модуль  МП-320 включает в себя источник питания использующийся как для питания внутренних элементов так и для питания модулей ввода/вывода (до 10-и модулей ввода/вывода). 

Подключение к модулю CPU [1]

Подключение к модулю CPU выполняется при помощи гибкой шины расширения.

Максимальная длина шины расширения зависит от типа применяемого модуля CPU и указывается в его техническом описании. Распределение сигналов шины распределения по контактам и их назначение приведено в техническом описании на модуль CPU. Максимальное количество модулей аналогового ввода, подключаемых к одному CPU, определяется их потреблением от источника питания, встроенного в CPU, но не должно превышать 8.

Для адресации  аналогового модуля в адресном пространстве модуля CPU, на задней панели аналогового  модуля имеется переключатель адреса. На каждом аналоговом модуле, подключенном к шине расширения модуля CPU, должен быть установлен индивидуальный адрес переключателем. Разрешенная область установки адресов от 0 до 7 (по положению переключателя).

Описание  работы модуля

Модуль  ввода аналоговых сигналов Ai-NOR/RTD производит преобразование нормированных токовых  сигналов и сигналов термосопротивлений в цифровые данные.

Преобразование  входных аналоговых сигналов производится путем автоматического последовательного  сканирования (подключения) входных цепей к входу общего нормирующего усилителя. Усиленный нормирующим усилителем входной сигнал (0–10)В подается на высокостабильный преобразователь “аналог – частота”, время преобразования которого составляет 20 мс или 40 мс и устанавливается программно.

Преобразователь “аналог – частота” линейно  преобразует входное напряжение (0–10)В в частоту (0–250) кГц. Выработанное преобразователем количество импульсов  за установленное время записывается в счетчик импульсов, входящий в  состав однокристальной ЭВМ аналогового модуля. Таким образом, зафиксированное в счетчике цифровое значение является необработанным цифровым значением аналогового входного сигнала.

Однокристальная ЭВМ модуля производит обработку  полученных цифровых значений: 
– линеаризацию, 
– компенсацию температурного дрейфа, 
– смещения (если необходимо), 
– проверку аналоговых датчиков на обрыв.

Необходимые данные для реализации вышеперечисленных  функций хранятся в электрически перезаписываемом ПЗУ модуля.

Обрабатываемые  цифровые значения аналоговых сигналов помещаются в двухпортовую память, доступную для модуля CPU по шине расширения.

Обмен по шине расширения с модулем CPU обеспечивается через двухпортовые ОЗУ по принципу “команда – ответ”. Модуль CPU записывает в двухпортовое ОЗУ аналогового модуля код команды передачи аналоговых данных и номер канала аналогового ввода. Однокристальная ЭВМ аналогового модуля считывает из двухпортового ОЗУ полученную команду, и, при условии полной обработки запрошенного сигнала, помещает в двухпортовое ОЗУ код ответа. При получении кода ответа модуль CPU переписывает обработанное цифровое значение запрошенного аналогового канала в свой буфер и переходит к запросу и вводу следующего канала.

После ввода последнего аналогового канала модуль CPU запрашивает “статусный” регистр аналогового модуля, в котором отображаются состояния внутренних устройств модуля, а также исправность аналоговых датчиков, и только после этого переходит ко вводу первого аналогового канала. “Статусный” регистр сохраняется в памяти модуля CPU. Кроме того, в памяти CPU хранится содержимое EEPROM аналогового модуля, которое переписывается однократно, при включении питания, а также регистр “управления”, включающий ввод аналоговых данных. Все данные, относящиеся к аналоговому модулю доступны для считывания программным обеспечением верхнего уровня, например, программой “Справочник”.

Пульт оператора [1,8]

Пульт оператора ОР-04 (далее пульт) предназначен для реализации человеко-машинного  интерфейса (MMI) в системах контроля и управления, выполненных на базе контроллеров МИКРОКОНТ-Р2 или иных, имеющих свободно программируемый интерфейс RS232 или RS485.