Автоматизация котельной установки

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………4

1. Описание технологического процесса…………………………………6
2. Анализ технологического процесса с целью выбора параметров         контроля и управления………………………………………………….9
3. Построение математической модели технологического процесса…..11
4. Выбор критерия оценки эффективности средств контроля                          и управления…………………………………………………………….12
5. Определение закона распределения технологических параметров…14
6. Определение обьеденяемости выборок по различным пунктам рассматриваемого участка производства……………………………..15
7. Выбор структуры регулирования и расчета САР…………………….16

7.1. Определение передаточной функции по кривой разгона……….16

7.2. Моделирование одноконтурной САР…………………………….17

7.3. Моделирование каскадной САР…………………………………..21

     8.  Расчет  исполнительного механизма…………………………………...22

     9.  Выбор  комплекса технических средств……………………………… 27

         Заключение………………………………………………………………30

         Используемой литературы………………………………………............31

       Заказная  спецификация на средства автоматизации ….………………..32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

К вспомогательным службам КС газопроводов относятся котельные установки, система водоснабжения,  система пожаротушения, источники энергоснабжения. В данной курсовой  работе будет рассматриваться автоматизация котельных установок.

       Системы отопления  являются крупнейшим потребителем  топлива в народном хозяйстве.  Ежегодно в городах и поселках  страны на отопление зданий  расходуются десятки миллионов  тонн топлива. В связи с этим  осуществление мероприятий, направленных на сокращение расходов топлива в отопительных установках, имеет большое народнохозяйственное значение.

Эффективным средством для решения  этой задачи является внедрение автоматизации  процессов регулирования расхода  тепла. Если принять, что автоматизация отопительных установок и систем даст возможность уменьшить перегрев отапливаемых помещений всего на 1˚С, то для средних климатических условий страны это составит около 4% от общего годового расхода топлива на нужды отопления. В действительности размер экономии топлива при правильной организации автоматического регулирования расхода тепла превышает 10 %. В связи с этим представляется возможным получить годовую экономию топлива, как минимум, 4-5 млн.т.

В последние годы все большее внимание уделяется вопросам комплексной автоматизации промышленных котельных. И это не случайно: в «малой энергетике» сжигается свыше 50% всего топлива, добываемого в стране. Учитывая, что автоматизация процессов горения дает до 10% экономии топлива, становится ясным повышенный интерес к комплексной автоматизации котельных.

Комплексная автоматизация котельных  может быть наиболее успешно осуществлена лишь при наличии недорогих высоконадежных, по возможности универсальных средств  автоматизации, серийно освоенных промышленностью.

До 1965г. Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА) для промышленных котельных выпускалась автоматика типа АГКММ (автоматика горения котлов малой мощности): электрогидравлическая система автоматики, включающая регуляторы давления пара, воздуха и разрежения. Начиная с 1964 г., завод МЗТА перешел на

производство электронногидравлической системы авторегулирования «Кристалл».

 

 

Система авторегулирования «Кристалл» более универсальна и включает регуляторы питания, горения и температуры, что позволяет использовать ее при автоматизации как собственно котла, так и вспомогательного оборудования котельной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

 

Назначение котельного агрегата состоит в получении пара для целей технологии и отопления производственных помещений. Получение пара из воды слагается из трех физических процессов: а) подогрева воды до температуры кипения; б) кипения воды, когда жидкая фаза переходит в насыщенный пар; в)  перегрева пара до заданной температуры.

Необходимое для этого  тепло выделяется при сгорании топлива в топочной камере; Передача тепла от продуктов сгорания к поверхностям нагрева происходит в результате всех видов теплообмена: радиационного, конвективного и теплопроводности.

Подогрев воды происходит в экономайзере, парообразование  — в экранах, перегрев пара —  в пароперегревателе. Каждый из этих конструктивных элементов котлоагрегата  участвует в превращении теплоты сгорания топлива в тепловую энергию водяного пара. Теплообмен во всех этих элементах происходит при высоких температурах стенок поверхностей нагрева, находящихся одновременно и под действием давления воды или пара. Тяжелые условия работы ставят особые требования к поддержанию температуры металла стенок труб в пределах допустимых величин по условиям прочности. Это достигается путем создания устойчивого движения воды и пара внутри трубной системы котлоагрегата за счет разности удельных весов вышеуказанных компонентов.

Процесс получения пара протекает в следующем порядке. Центробежными насосами питательная вода непрерывно подается в барабан котла, ее давление выше давления вырабатываемого пара. Прежде чем попасть в барабан котла, питательная вода проходит через экономайзер, подогреваясь в нем до температуры кипения. Барабан котла служит распределителем котловой воды и сборником образующегося пара. С помощью опускных (необогреваемых) труб вода из барабана поступает в нижние коллекторы (их два), к которым присоединяются трубы экранов, вертикально установленные по внутренним стенкам топочной камеры. Другим концом экранные трубы присоединяются к барабанам котла. Как уже говорилось, экранные трубы представляют поверхность нагрева котла и предназначены для получения пара, кроме того, они защищают стенки топочной камеры от воздействия высоких температур и вредного влияния расплавленной золы. В результате радиационного нагрева экранных труб находящаяся в них вода закипает, образовавшиеся пузырьки пара стремятся вверх, увлекая за собой еще не вскипевшую воду.

По направлению к барабану котла в трубах экрана образуется поток пароводяной смеси. Так как гидростатическое давление пароводяной смеси (эмульсии) в экранных трубах меньше, чем вес столба воды в опускных трубах, то в замкнутой гидравлической системе (барабан котла — опускные трубы — нижние коллекторы — экранные трубы -барабан котла) образуется устойчивое движение — естественная циркуляция.

Пар из барабана котла направляется в пароперегреватель, предназначенный  для повышения температуры пара до заданного значения за счет охлаждения продуктов сгорания. Поддержание допустимой температуры металла стенок труб достигается выбором соответствующих скоростей пара в змеевиках, а также расположением наиболее опасных участков в зоне не очень высоких температур.

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, продукты сгорания, образующиеся в результате горения топлива, сначала  охлаждаются в топочной камере, отдавая  тепло радиацией экранным трубам, затем они охлаждаются за счет конвекции, проходя пароперегреватель  и экономайзер. Дымовые газы (продукты сгорания) из топки отсасываются дымососом и выбрасываются через дымовую трубы в атмосферу. Для обеспечения нормального режима горения топлива в топку вентилятором подается воздух. Таким образом, в топку котла подаются топливо и воздух, а отсасываются дымовые газы; в барабан котла подается питательная вода, а отбирается водяной пар.

Проектируемые в последнее время  паровые котельные чаще всего  предназначены для одновременного отпуска пара и горячей воды, поэтому  в их тепловых схемах имеются установки для подогрева воды. Принципиальная тепловая схема котельной с паровыми котлами для потребителей пара и горячей воды представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 - Принципиальная тепловая схема котельной с паровыми котлами.

 

1 — паровой котел; 2 — деаэратор  питательной воды; 3 — деаэратор подпиточной воды; 4 — охладитель выпа-ра; 5 — насос сырой воды; 6 — насос питательный; 7 — насос подпиточный; 8 — насос сетевой; 9 — насос кон-денсатный; 10 - бак конденсатный; 11 — охладитель продувочной воды; 12 — подогреватель сырой воды; 13 — подогреватель химически очищенной воды; 14 — охладитель подпиточной воды; 15 — охладитель конденсата; 16 — подогреватель сетевой воды; 17 — РОУ; 18 — сепаратор непрерывной продувки.

Сырая вода поступает из водопровода  с напором в 30-40 м вод. ст. Если напор сырой воды недостаточен, предусматривают установку насосов сырой воды 5.

Сырая вода подогревается в охладителе непрерывной продувки из паровых  котлов 11 и в пароводяном подогревателе  сырой воды 12 до температуры 20—30°  С. Далее вода проходит через водоподготовительную установку (ВПУ), и часть ее направляется в подогреватель химически очищенной воды 13 этого потока (часть проходит через охладитель выпара деаэратора 4) и поступает в головку деаэратора питательной воды 2. В этот деаэратор направлены также потоки конденсата и пар после РОУ (17) с давлением 1,5

 

 

кгс/см2 для подогрева  деаэрируемой воды до 104° С. Деаэрированная вода при помощи питательных насосов 6 подается в водяные экономайзеры паровых котлов и к охладителю РОУ. Часть выработанного котлами пара редуцируется в РОУ и расходуется для подогрева сырой воды и деаэрации. Вторая часть потока химически очищенной воды подогревается в подогревателе 14, частично в охладителе выпара 4 и направляется в деаэратор подпиточной воды для тепловых сетей 3. Так как температура подпиточной воды обычно ниже 100° С, вода после этого деаэратора проходит водо-водяной теплообменник 14 и подогревает химически очищенную воду. Подпиточным насосом 7 вода подается в трубопровод перед сетевыми насосами 8, которые прокачивают сетевую воду сначала через охладитель конденсата 15 и затем через подогреватель сетевой воды 16, откуда вода идет в тепловые сети. Деаэратор подпиточной воды 3 также использует пар низкого давления.

При закрытой системе теплоснабжения расход воды на подпитку тепловых сетей обычно незначителен. В этом случае довольно часто не выделяют отдельного деаэратора для подготовки подпиточной воды тепловых сетей, а используют деаэратор питательной воды паровых котлов.

На приведенной схеме (рисунок 1) предусматривается использование теплоты непрерывной продувки паровых котлов.

Для этой цели устанавливается сепаратор  непрерывной продувки 18, в котором  вода частично испаряется за счет снижения ее давления от 14 до 1,5 кгс/см2. Образующийся пар отводится в паровое пространство деаэратора, горячая вода направляется в водо-водяной подогреватель сырой воды 11. Охлажденная продувочная вода сбрасывается в продувочный колодец.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

С ЦЕЛЬЮ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

 

В общем случае система автоматического  регулирования барабанного парового котла состоит из следующих систем регулирования: процесса горения, температуры  перегрева пара, питания (уровня воды в барабане) и водного режима.

 Задачей регулирования процесса  горения в топке котла является  поддержание расхода топлива  в соответствии с расходом  пара или теплоты, обеспечение  подачи воздуха в топочное  устройство в соответствии с расходом топлива для осуществления экономичного сжигания последнего и, наконец, регулирование давления  дымовых газов на выходе из топки.

При установившемся режиме работы котельного агрегата принимается, что расход топлива и полезно использованная теплота пропорциональны расходу napа.

Показателем равновесного состояния  между поступлением топлива и  расходом пара может быть постоянство давления пара в барабане котла или в паропроводе, а изменение давления служит импульсом для работы регулятора.

Подача воздуха в топку должна производиться в количестве, необходимом для поддержания его избытка α, обеспечивающего экономичное сжигание топлива.

 Зная количество теплоты  по расходу пара, горячей воды или топлива, можно поддерживать расход воздуха пропорциональным расходу топлива, т. е. осуществлять схему «топливо — воздух». Схема больше всего пригодна при сжигании природного газа и жидкого топлива, у которых теплоту сгорания можно считать постоянной по времени и есть возможность измерять их расход. Правильность соотношения между поступлением топлива и воздуха может контролироваться при стационарном процессе по разрежению в топочной камере.

Кроме процесса горения, в паровых  котлах обязательно автоматически  регулируют подачу воды в барабан по импульсам от уровня воды, расхода пара и часто еще и расхода питательной воды.

 

Рисунок 2.1 - Схема регулятора топлива.

 

 

 

 

 

В схеме приняты следующие обозначения: Д — датчик; РД — усилитель;  3 — задатчик; ИМ — исполнительный механизм; РО-регулирующий орган и ЖОС— жесткая обратная связь.

При работе котла на газе или жидком топливе регулятор воздействует на заслонки в трубопроводах.

В паровых и комбинированных  пароводогрейных котлах необходимо регулировать питание, т. е. подачу воды в соответствии с количеством отдаваемого пара и размером непрерывной продувки, что осуществляется регулятором питания. Наиболее простым является одноимпульсный регулятор с датчиком от уровня воды в барабане, схема которого показана на рисунке 2.2, где, кроме известных обозначений, через УС обозначен уравнительный сосуд и РУ - регулятор уровня. Эта схема с упругой обратной связью УОС  широко используется в котлах малой, иногда средней мощности, работающих с постоянными нагрузками.

Рисунок 2.2 - Схема регулятора питания котла водой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

 

Рассмотрим  схему автоматического  управления  котельной  установкой                          

Рисунок 3 - Упрощенная схема автоматического управления  котельной установкой .

Обозначения: 1-Датчик; 2-Нормирующий  преобразователь; 3-Регулятор;

4-Объект управления; 5-Задатчик.

 

Анализируя схему можно придти к выводу, что количество теплоты  на выходе установки зависит от нескольких факторов:

-количества топлива поступающего на вход установки;

-нагрузки на установку ит.д.

Математическая модель технологического процесса – это математическое выражение, объясняющее зависимость количества теплоты на выходе установки от количества топлива, поступающего на вход установки:

,

где - количество теплоты на выходе установки;

       - количество топлива на входе установки;

        F – возмущающее  воздействие ( нагрузка на котел,  температура окружающей среды  и т.д.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ВЫБОР КРИТЕРИЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

 

 

Информацию о технологическом  объекте можно считать полной, если на ее основе можно принять  правильное управляющее решение. Излишняя информация может быть также вредна, как и недостаточная: на базе и  той и другой могут быть приняты неверные решения. Информация должна быть достоверной и соответствовать объективной реальности, которую она отражает. Наряду с достоверностью информации существует понятие достоверности данных, которое определяет безошибочность отображения в кодовом виде соответствующей информации. Большое значение в доставке информации потребителю играет ее своевременность, которая должна незамедлительно учитываться при выработке управляющих решений.

Вопросы оптимизации отдельных  параметров (скорости передачи информации, помехоустойчивости, надежности) должны рассматриваться без отрыва от экономических факторов, связанных с построением и эксплуатацией системы. Главной задачей при построении АСУ является цель, реализация которой в процессе создания и эксплуатации системы, позволит получить определенный экономический эффект.

Однако нельзя оценивать  эффективность АСУ без учета  конечного значения получаемой, передаваемой и перерабатываемой информации. Стоимость  информации определяется затратами  энергии, материалов, труда и т.п., связанными с получением информации. Ценность информации измеряется экономией материальных, энергетических и трудовых затрат при использовании информации для достижения определенной цели.

Обобщенным критерием  выбора оптимального варианта построения информационно-управляющей системы является минимизация суммы затрат на добывание информации и потерь от несовершенства этой системы.

Требуется определить наилучшие  значения качественных параметров (скорости передачи данных, помехоустойчивости, надежности) с учетом стоимости обеспечения их значений и влияния на экономическую эффективность функционирования управляющего объекта – потребителя информации.  Задача оптимизации сводится к выбору структуры и параметров информационной системы, при которых свойства этой системы оптимальны. 

В этом случае достигается лучший вариант решения дислокации и  получения технических характеристик  средств контроля и управления с  учетом стоимостных показателей.

Стоимость оборудования АСУ зависит  от вероятности ошибки, скорости передачи данных, точности аппаратурных средств, надежности и т.п. ( ). Поэтому оптимальным будет вариант при котором сумма затрат на оборудование и денежного эквивалента возможных потерь будет минимальна.  Т.е.

.

Графическое изображение данного  критерия представлено на рисунке 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4. График критерия оценки эффективности  средств контроля и управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

 

Наиболее важным параметром в системе  автоматического управления котельными установками является количество подаваемого  к котлу топлива.

Закон распределения может быть:

• нормальным;
• усеченным нормальным;
• логарифмическим нормальным;
• равномерным;
• экспоненциальным.

Вывод о законе распределения можно  сделать на основе расчетов вероятностных  характеристик потребления топлива  котельной установкой.

В данном случае допустимо использовать усеченный с двух сторон нормальный закон распределения. Нормальный закон распределения усеченный с двух сторон, т.к. с одной стороны ограничено возможное потребление топлива (мощность), а с другой – количество потребляемого топлива не может быть отрицательным:

,                                               (5.1)

где - математическое ожидание;

      - дисперсия.

Рисунок 5 -  Графическое изображение усеченного нормального закона распределения.

 

 

 

 

6.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЬЕДЕНЯЕМОСТИ ВЫБОРОК  ПО РАЗЛИЧНЫМ ПУНКТАМ РАССМАТИВАЕМОГО  УЧАСТКА ПРОИЗВОДСТВА.

 

Объединяемость технологических  параметров в единую генеральную  совокупность производится по критерию Вилькоксона. Он заключается в том, что, если контролируемые параметры на различных участках каким-то образом связаны между собой, то используя датчик на каком-то участке, можно судить о значении технологического параметра на другом участке. Это дает возможность уменьшить количество датчиков на производстве (стоимостные расходы), не увеличивая стоимостные расходы.

Возвращаясь к теме объединяемости выборок нужно сказать, что в  нашем случае это выполнить невозможно. Несомненно, система включает в себя довольно большое количество датчиков (впрочем, как и любая другая современная система автоматизации), но рассматриваемый параметр (расход газа на входе) в данном курсовом проекте, измеряет (оценивает) только один из них - датчик расхода газа на входе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Выбор структуры регулирования и расчет САР

7.1 Определение передаточной функции объекта

По кривой разгона, представленной на рисунке 6 [2,c. 123, рис.5-2а], можно определить передаточную функцию объекта. Объект включает в себя: непосредственно объект регулирования, датчик и исполнительное устройство.

Рисунок 6 - Разгонные характеристики котла ДКВР-10-13 при уменьшении подачи топлива на котел.

Анализируя представленную кривую разгона, можно определить передаточную функцию объекта:

,                                                     (7.1)

где - коэффициент усиления системы;

- время запаздывания, сек;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- постоянная времени, сек;

- звено запаздывания;

- инерционное звено 1-го порядка.

Передаточная функция объекта управления выглядит так:

.

 

В данной курсовой работе расчитываем П-регулятор.

Передаточная функция П-регулятора

,                                                     (7.2)

   где   - коэффициент усиления;

- время разгона.

7.2 Расчет одноконтурной САР

В практике построения систем автоматизации  широкое применение нашли одноконтурные системы автоматического регулирования (САР). Задача сводится к следующей: исходя из найденной ПФ объекта и выбранного регулятора, необходимо определить параметры настройки регулятора, которые бы обеспечивали бы устойчивость и заданное качество САР.

Рисунок 7 - Структурная схема одноконтурной  САР

 

Рассмотрим расчет одноконтурной САР методом расширенных  амплитудно-фазовых характеристик. Оптимальная САР – это такие  настройки регулятора, которые обеспечивают заданную степень колебательности .

 

 

 

С помощью АФХЧ в области параметров настройки  регулятора строится «линия равного  затухания», соответствующая заданной степени затухания  переходного процесса САР. Далее на этой линии выбирается точка, координаты которой определюят параметры настройки регулятора, обеспечивающие при заданном наилучшее качество САР (оптимальные настройки).

Дано:

- ПФ объекта;

- ПФ П-регулятора;

  - степень колебательности.

Расширенная АФХ объекта

.

Расширенная АФХ объекта в алгебраической форме

Выражения для определения настроек П-регулятора

;

Подставляя действительную и мнимую части АФХ объекта в выражения для                П-регулятора, получаем:

;

 

Изменяя в пределах , рассчитываем настройки регулятора. Полученные данные сводим в таблицу 1.

 

Таблица 1 - Настройки регулятора

	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
П1	-0,667	0,414	1,533	1,684	0,651	-0,997	-2,345	-2,673	-1,82	-0,215	1,392

 

 

Разным точкам на кривой равной степени  затухания соответствуют различные процессы регулирования. Для выбора оптимальных настроек необходимо взять несколько пар точек на кривой и для каждой определить настройки регулятора. По качеству переходного

 

 

процесса можно судить о качестве САР.  Оптимальными свойствами САР будет обладать при регуляторе с параметрами .

Передаточная функция П-регулятора будет иметь вид

.

Для проверки правильности нахождения параметров регулятора необходимо построить  переходные процессы.

Возмущающее воздействие в замкнутой системе регулирования, приводящее к отклонению регулируемого параметра, может воздействовать на объект по различным каналам. На характер изменения регулируемого параметра влияют как величина и форма возмущающего воздействия, так и динамические свойства регулируемого объекта по каналу от источника возмущения до места установки измерительного устройства.

Рассмотрим 2 варианта построения графиков переходного процесса:

• при единичном скачкообразном изменении возмущающего воздействия , действующего по каналу регулирования;
• при единичном скачкообразном изменении заданного значения .

7.2.1 Построение переходного процесса  по возмущению

Рисунок 8 - Структурная схема  одноконтурной САР по каналу возмущения

С помощью программного продукта «Mat Cad» был получен переходной процесс, представленный на рисунке 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 - Переходной процесс в  одноконтурной САР по каналу возмущения

Качественные параметры переходного процесса:

• Установившееся значение: 0.42;
• Время регулирования: 81 с;

7.2.2 Построение переходного процесса  по заданию

Рисунок 10- Структурная схема одноконтурной  САР по каналу задания

С помощью программного продукта «Mat Cad» был получен переходной процесс, представленный на рисунке 11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11 - Переходной процесс в  одноконтурной САР по каналу задания

Качественные параметры переходного  процесса: