Автоматизація індивідуального теплового пункту

Міністерство  освіти і науки України

Національний  університет “Львівська політехніка”

Кафедра АТХП

 

 

 

Пояснювальна  записка

до курсового проекту  з дисципліни:

«Автоматизація та оптимізація  теплоенергетичних процесів»

на тему:

«Автоматизація індивідуального теплового пункту»

 

 

 

Виконала:

Ст. гр. АТПс-12

Панайотова В.М.

Прийняв:

Стасюк  І.Д.

 

Львів – 2013

 

ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………………………3

1.Опис технологічної схеми процесу……………………………………….…….5

Технологічна  карта………………………………………………………..…..…….9

2.Аналіз технологічного процесу як об’єкту керування…………………..….11

Складання структурної схеми взаємозв’язку  між технологічними

параметрам об’єкта……………………………………………………………...…15

Визначення функціональних ознак систем автоматизації…………….

2. Опис і обґрунтування  вибору ФСА і опис систем  автоматичного регулювання і контролю…………………………………………………………

Опис і обґрунтування  вибору первинний вимірювальних  приладів і перетворювачів……………………………………………………………………

Опис ФСА редукційно-охолоджувальної  установки……………………

3. Опис принципової електричної  схеми з’єднань САР……………………

5. Опис роботи систем захисту та сигналізації……………………………….

6. Моделювання систем автоматичного регулювання……………………….

Розрахунок одноконтурної системи автоматичного регулювання…..

Знаходження числових значення параметрів моделі об’єкта чисельним методом. ……………………………………………………………………………

Перевірка адекватності динамічної моделі ОР…………………………..

Розрахунок оптимальних настроювальних параметрів автоматичного ПІ-регулятора……………………………………………………………………...

Моделювання системи автоматичного  регулювання температури редукованої  пари………………………………………………………………

7. Специфікація  засобів автоматизації…………………………………………..

8. Висновки…………………………………………………………………...………

Використана література……………………………………………………………

 

 

 

 

ВСТУП

Під технологічним процесом розуміють  сукупність технологічних операцій, які проводяться над вхідним  продуктом в одному або декількох  апаратах, метою яких є отримання  продуктів, які відповідають заданим  якостям.

При цьому мета керування технологічним  процесом полягає в забезпеченні оптимального значення критерію керування, під яким розуміють технологічний  або техніко-економічний показник (продуктивність виробництва, якість продукції  тощо), який характеризує якість ТОК в цілому і приймає числові значення в залежності від подаваних на нього керуючих дій – цілеспрямованих змін матеріальних і енергетичних потоків.

В теперішній час для керування  все ширше застосовують автоматичні  системи керування (АСК) – людино-машинні системи, які забезпечують автоматичний збір та обробку інформації, необхідний для оптимізації керування. При цьому під процесом оптимізації розуміють вибір такого варіанту керування, при якому досягається мінімальне або максимальне значення критерію керування.

Автоматизація виробничих процесів –  це сукупність заходів і розробок технологічних процесів, створення  і впровадження високопродуктивних автоматично діючих засобів виробництва, що забезпечують неперервний ріст продуктивності праці.

Автоматизація залишається однією з головних задач промислового виробництва  і соціальної сфери в різні  періоди економічного розвитку сучасного  суспільства. З часом автоматизація  стає все більш широким поняттям, включаючи в себе деякі нові завдання свого наукового і технічного розвитку: комп'ютеризацію, роботизацію  та інші спеціальні галузі науки. Однак  зміст і основне її призначення  залишається незмінним — полегшення або повна заміна важкої фізичної праці людини засобами автоматизації.

Інженери з автоматизації часто  зустрічаються з проблемою вибору апаратних засобів для вирішення  поставлених задач. На даний час  з`явився доступ до якісних закордонних апаратно-програмних засобів: у багатьох технічних журналах, каталогах і в Інтернеті рекламуються промислові контролери відомих фірм.  Вітчизняні виробники також пропонують певну продукцію в галузі промислових контролерів і навіть порівняно недорого, але їх застосування в системах автоматизації потребує адаптації до конкретного технологічного процесу.

Застосування цифрової обчислювальної техніки дозволяє запрограмувати практично  будь-який алгоритм керування, і забезпечити  більш високу точність його виконання, ніж це можливо при використанні аналогової техніки. Кожне ускладнення  алгоритму в цифровій техніці  практично не впливає на надійність контуру регулювання. У випадку  аналогової техніки збільшення кількості  аналогових блоків суттєво зменшує  надійність функціонування контуру.

На початкових етапах впровадження мікропроцесорної техніки вважалось, що в контролері достатньо запрограмувати функцію передачі регулятора в загальному вигляді, а її параметри, в тому числі  і кількість членів рівняння, та значення коефіцієнтів слід обирати  індивідуально для конкретного  об’єкту. Це справедливо лише для  об’єктів, параметри яких є сталими  в часі.

Мікропроцесорні  контролери  призначені  для  автоматизації  неперервних  та  періодичних  технологічних  процесів. Мікропроцесорні  контролери  перетворюють  первинну  інформацію  про  стан  технологічного  об’єкта  керування  в  цифрову  форму  і  за  відповідними  алгоритмами  здійснюють  керування  технологічним  об’єктом  і  обмін  інформацією  з  оператором.

 

 

1.ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ

У системах централізованого теплопостачання у країнах СНД  традиційно використовується центральне якісне регулювання відпуску теплоти. Це означає, що  витрати води, що циркулює в системі (теплоносій) на потреби  опалення, залишається незмінним  протягом усього опалювального періоду, а кількість теплоти, що поставляється, регулюється теплопостачальною  організацією шляхом зміни її температури  у відповідності до температури  зовнішнього повітря на основі затвердженого  температурного графіку. У старих будинках зазвичай основним елементом в індивідуальному  тепловому пункті є елеватор (струменевий насос),  який підтримує задані температури і витрати у системі опалення будівлі, але не може якісно регулювати подачу теплоносія. До того ж, беручи до уваги вік таких теплових пунктів, їх обладнання зазвичай дуже зношене.[5]

Інша особливість  існуючих систем централізованого теплопостачання  в тому, що у більшості випадків використовується двохтрубна система  теплопостачання. Це означає, що по одних  і тих же трубопроводах забезпечується подача теплоносія як для систем опалення, так і для систем гарячого водопостачання. Згідно з нормами температура  гарячої побутової води не має  бути нижче 60 С, в той час як для  опалення будівель у теплий період року температура теплоносія могла  б бути значно нижчою, але її не можна  зменшити, тому що необхідно підтримувати належну температуру гарячої  води. Оскільки в такій системі  технічно цю проблему вирішити неможливо, періодично виникають режими перегріву  будівель («перетопи») навесні і  восени. Такий метод регулювання  відпуску теплоти не враховує індивідуальні  особливості кожної будівлі, режим  роботи, властивості огороджувальних  конструкцій.

Все це негативно  позначається на ефективності використання енергії і якості мікроклімату у  приміщеннях.

Рис.1.1.Індивідуальний тепловий пункт

Останніми роками перевагу при опаленні будівель віддають саме індивідуальним тепловим пунктам (ІТП) і, в першу чергу, тому що відсутність  втрат тепла при експлуатації ІТП і автоматичне підтримання  параметрів системи, що дає можливість користувачу самостійно регулювати температуру на виході,  суттєво  скорочує витрати на теплову енергію. Крім того, незалежність від режиму роботу котельні дозволяє забезпечити  безперебійне опалення та подачу гарячої  води. ІТП використовується для обслуговування одного споживача (будівлі або її частини). Як правило, розташовується в  підвальному або технічному приміщенні будівлі, однак, в силу особливостей обслуговуваної будівлі, може бути розміщений в окремій споруді.

Оснащення ІТП може бути різним, але, як правило, ІТП включають  теплообмінники для систем гарячого водопостачання, циркуляційні насоси систем опалення і гарячого водопостачання, регулятори температури гарячої  води і регулятори відпуску теплоти  на опалення будівель з врахуванням  їх характеристик і режиму роботи, вузол обліку теплоти та інші супутні  елементи. Циркуляція теплоносія в  системах опалення і гарячого водопостачання забезпечується надійними ефективними  безшумними циркуляційними насосами. Для регулювання теплоспоживання в залежності від температури зовнішнього повітря з врахуванням підтримання оптимальних температур у приміщеннях зазвичай передбачається комплекс обладнання, який включає первинні перетворювачі температур, контроллери, регулюючі клапани.

Усім комплексом керує спеціальний контроллер, що має відпрацьований алгоритм регулювання, який дозволяє встановлювати режими подачі теплоти навіть в залежності від часу доби.Таке оснащення ІТП дозволяє знизити витрати, інколи суттєво, у порівнянні з традиційними тепловими пунктами. Величина економії визначається спеціалістами з врахуванням цілого ряду факторів і може коливатися від 5-7% до 20% і більше. На величину очікуваної економії впливають особливості системи централізованого теплопостачання, можливість зниження температури в нічний час, стан огороджувальних конструкцій будівлі.

Як правило, компанії, які надають послуги з встановлення автоматизованих ІТП, допоможуть підібрати  комплектацію ІТП в залежності від  побажань та функціональності системи  і якості обладнання, а також виконати проектну документацію і погодити її з теплопостачальною організацією (що вимагається законодавством). Бажано, щоби підрядник, який встановлюватиме  автоматизований ІТП у будинку, також передбачив теплоізоляцію  трубопроводів для запобігання  втратам тепла через труби  в неопалювальних підвалах, де традиційно розміщений ІТП.

Також бажано власникам  будинку після установки ІТП  укласти контракт на обслуговування ІТП зі спеціалізованою організацією (можливо, з підрядником, який встановлював ІТП), щоби кваліфікований персонал міг  коригувати/усувати збої в системі  регулювання під час експлуатації обладнання. Досвід показує, що відсутність  такого кваліфікованого обслуговування може з часом звести нанівець очікувану  економію від цього заходу.

Інсталяція автоматизованого  теплового пункту в будинку вимагає  розроблення проектної документації і її узгодження з теплопостачальною  організацією. Встановлення автоматизованих теплових пунктів в будинках  вимагає реконструкції системи теплопостачання і змін у способі відпуску теплоти з котелень.

Вода через трубопровід  тепломережі проходить через  нагрівач гарячого водопостачання верхньої ступені і нагрівається до температури 60-80 °С ,де охолоджується за рахунок нагріву води із водопроводу  далі змішується з водою ,яка пройшла через регулятор температури опалювальних приміщень.

Частина води температурою 40-60 °С ,яка віддала тепло в опалювальні прилади,повертається в зворотній трубопровід теплової мережі,а інша частина підтримується насосом опалювання і знову повертається в опалювальні прилади разом з водою ,яка поступила з теплової мережі через регулятор температури і нагрівач верхньої ступені.[7]

Вода з водопроводу  нагрівається спочатку в нагрівачі  гарячого водопостачання нижньої ступені за рахунок енергії зворотньої мережевої води, а після цього в нагрівачі верхньої ступені. Нагріта вода направляється до водороздільних  кранів. Невикористана у кранах вода циркулює в цьому контурі,подається у лінію води з водопроводу між нагрівачем верхньої і нижньої ступені.

Розвиток систем теплопостачання  населених пунктів, районів та інших  адміністративно-територіальних утворень здійснюється згідно зі схемами теплопостачання, затвердженими місцевими органами виконавчої влади у встановленому  порядку. Періодичність перегляду  схем теплопостачання - один раз на п'ять років.

Схема теплопостачання має  вибиратися на підставі техніко-економічних  розрахунків з урахуванням оптимального поєднання систем централізованого, помірно-централізованого, децентралізованого та автономного теплопостачання.

Рекомендована схема теплопостачання  повинна включати аналіз стану існуючої системи теплопостачання та заходи максимально ефективного її використання, а також визначати її розвиток з урахуванням приросту населення  та перспективної забудови міста.

При розробленні схеми  теплопостачання визначають потребу  в тепловій енергії:

а) для існуючої забудови населеного пункту та діючих промислових підприємств і організацій – за проектними даними з уточненням за фактичними тепловими навантаженнями;

б) для перспективної забудови житлових районів - за питомими тепловими характеристиками будівель і споруд відповідно до генерального плану забудови населеного пункту;

в) для нового будівництва промислових підприємств - згідно з проектною документацією та чинними галузевими нормами щодо питомих теплових характеристик відповідного будівельного об'єкта.

 

 

Технологічна  карта

 

З метою визначення впливу різних режимних факторів проводяться спеціальні дослідження,  з допомогою яких визначаються експлуатаційні значення технологічних параметрів, яких слід дотримуватися для досягнення надійної та економічної роботи. Назви технологічних  параметрів, їх номінальні значення та можливі межі відхилення від цих  значень заносять в технологічну карту, яку складають у вигляді таблиці 1.1.

 

 

Табл. 1. 1

№ п/п	Назва параметру	Одиниця вимірювання	Номінальне значення	Допустимі відхилення
1	2	3	4	5
1	Температура води на виході з системи опалення	оС	80	±3
2	Температура води в систему опалення	оС	60	±5
3	Температура мережевої води	оС	60	±0.8
4	Температура води після нагрівника верхньої ступені	оС	80	±0.5
5	Температура води після нагрівника нижньої ступені	оС	60	±4
6	Температура води із водопроводу	оС	10	±2

 

 

 

2.Аналіз технологічного процесу як об’єкту керування.

ВИЗНАЧЕННЯ І  АНАЛІЗ ФАКТОРІВ ЯКІ ВПЛИВАЮТЬ НА ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПРОЦЕС

Аналіз структурної схеми  взаємозв’язку між технологічними параметрами виконується з метою  визначення впливу вхідних параметрів на вихідні з врахуванням впливу збурюючих величин.

На даний технологічний  процес можуть впливати різні фактори  і параметри, які будуть вносити  збурення в систему. Проаналізувавши  рівняння теплового балансів можна  виділити наступні основні параметри, зміна яких вносить суттєвий вплив  на хід технологічного процесу:

-Зміна витрати гарячого або холодного теплоносіїв .

-Зміна температури одного із двох теплоносіїв.

-Зміна питомих теплоємностей потоків.

-Зміна параметрів навколишнього середовища (наприклад різка зміна температури в приміщенні)

-Зміна фізико-хімічних властивостей гарячого або холодного теплоносіїв.

Всі перелічені вище параметри  мають найбільший вплив на процес і у порівнянні із ними іншими збурюючими факторами і величинами можна знехтувати.

Відповідно до нашого процесу  основними збурюючими факторами будуть зміна витрат теплоносіїв і температури холодного теплоносія, бо згідно регламенту технологічного процесу зміна питомих теплоємностей відбувається незначно, і вплив на процес (а саме на температуру вихідної суміші) настільки незначний, що ним можна знехтувати. Зміна параметрів навколишнього середовища може вносити суттєвий вплив тільки в тому випадку, коли температура приміщення суттєво відрізняється від температури необхідної для проведення іншого технологічного процесу.

 

ОБҐРУНТУВАННЯ НОМІНАЛЬНИХ ЗНАЧЕНЬ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ТА ДОПУСТИМИХ ВІДХИЛЕНЬ ЦИХ ЗНАЧЕНЬ

Теплові пункти з параметрами теплоносія: гаряча вода з робочим тиском до 2,5 МПа і температурою до 200 ° С, пар з робочим тиском в межах умовного тиску РУ до 6,3 МПа і температурою до 440 ° С.

На проектування теплових пунктів в межах: від запірної арматури теплової мережі та господарсько-питного водопроводу на вводі в тепловий пункт до запірної арматури (включно) місцевих систем опалення, вентиляції, кондиціонування повітря, гарячого водопостачання і технологічних споживачів, розташованої в приміщенні теплового пункту .

У теплових пунктах передбачається розміщення обладнання, арматури, приладів контролю, управління і автоматизації, за допомогою яких здійснюється:

• перетворення виду теплоносія або його параметрів;
• контроль параметрів теплоносія; регулювання витрати теплоносія і розподіл його по системах споживання теплоти; відключення систем споживання теплоти;
• захист місцевих систем від аварійного підвищення параметрів теплоносія;
• заповнення і підживлення систем споживання теплоти;
• облік теплових потоків і витрат теплоносія та конденсату;
• збір, охолодження, повернення конденсату і контроль його якості, акумулювання теплоти;
• водопідготовка для систем гарячого водопостачання.

У тепловому пункті в залежності від його призначення і конкретних умов приєднання споживачів можуть здійснюватися всі перераховані функції або тільки їх частину.

Теплові пункти поділяються на:

• індивідуальні теплові пункти (ІТП) - для приєднання систем опалення, вентиляції, гарячого водопостачання і технологічних тепловикористовуючих установок одного будинку або його частини;
• центральні теплові пункти (ЦТП) - те саме, двох будівель або більше.

Допускається влаштування ЦТП для приєднання систем теплоспоживання одного будинку, якщо для цієї будівлі потрібно пристрій декількох ІТП.

Пристрій ІТП обов'язково для кожного будинку незалежно від наявності ЦТП, при цьому в ІТП передбачаються тільки ті функції, які необхідні для приєднання систем споживання теплоти даної будівлі і не передбачені в ЦТП.

Для промислових і сільськогосподарських підприємств при теплопостачанні від зовнішніх джерел теплоти і числі будівель більше одного пристрій ЦТП є обов'язковим, а при теплопостачанні від власних джерел теплоти необхідність спорудження ЦТП слід визначати в залежності від конкретних умов теплопостачання. Потужність ЦТП не регламентується.

Для житлових і громадських будівель необхідність влаштування ЦТП визначається конкретними умовами теплопостачання району будівництва на підставі техніко-економічних розрахунків. У закритих системах теплопостачання рекомендується передбачати один ЦТП на мікрорайон чи групу будинків з витратою теплоти в межах 12-35 МВт (по сумі максимального теплового потоку на опалення та середнього теплового потоку на гаряче водопостачання).

При теплопостачанні від котелень потужністю 35 МВт і менш рекомендується передбачати в будинках тільки ІТП.

Теплопостачання промислових і сільськогосподарських підприємств від ЦТП, які обслуговують житлові та громадські будівлі, передбачати не рекомендується.

 

 

 

 

Складання структурної схеми взаємозв’язку між технологічними параметрами об’єкта

Рис.2.1 Структурна схема взаємозв'язку параметрів і  факторів, що впливають на роботу теплового пункту

В даній структурній схемі  використано наступні позначення :

– Витрата холодної води.

– Витрата гарячої води.

С₁ – питома теплоємність ГВ;

С₂ – питома теплоємність ХВ;

α₁– коефіцієнт тепловіддачі від ГВ до стінки;

α₂– коефіцієнт тепловіддачі від стінки до ХВ;

λ – коефіцієнт тепловіддачі матеріалу стінки;

θ₁ – початкова температура ГВ;

θ₂ – кінцева температура ГВ;

t₁– початкова температура ХВ;

t₂– кінцева температура ХВ;

ρ₁ – густина гарячої води;

ρ₂ – густина холодної води; 

 

3. Опис і обґрунтування вибору ФСА і опис систем автоматичного регулювання і контролю.

Для автоматизації ІТП використовують два контури:

• Перший контур по регулюванні температури нагрівника верхньої ступені гарячого водопостачання ;
• Другий контур по регулюванні в системі опалення  з корекцією по зовнішній температурі.

Контур регулювання  температури нагрівника верхньої ступені  гарячого водопостачання

Температура вимірюється  термометром опору SITRANS TF2 з уніфікованим струмовим сигналом 4-20 mA. Живлення 24V. Діапазон вимірювання 0-100ºС. З вбудованим перетворювачем температури.

В цьому контурі регулювання  використовуємо кульовий регулюючий клапан з електроприводом типу Belimo TR24-SR з аналоговим керуванням (AC/DC 24 В) та керуючим сигналом DC 0-10В. Діапазон температури регульованого середовища 5 – 100 ºС.

Контур регулювання  температури  в системі опалення  з корекцією по зовнішній температурі

Для вимірювання температури  застосовуємо термометр опору  SITRANS TF2 з уніфікованим струмовим сигналом 4-20 mA. Живлення 24V. Діапазон вимірювання 0-100ºС. З вбудованим перетворювачем температури. Для корекції по зовнішній температурі використовуємо  також SITRANS TF2.

В цьому контурі регулювання  використовуємо електропривід типу Belimo TR24-SR з аналоговим керуванням (AC/DC 24 В) та керуючим сигналом DC 0-10В та з регулюючим шаровим клапаном  R. Діапазон температури регульованого середовища 5 – 100 ºС.

В даному контурі застосовуємо частотний перетворювач Danfoss VLT 2800,  технічне виконання якого:

• компактне модульне виконання
• зручний монтаж
• ефективний тепловідвід
• вбудований дисплей
• вбудований  ПІД-регулятор процесу
• вбудований мережевий фільтр  та фільтр погасання низькочастотних гармонік
• п’ять цифрових входів для функцій: старт/стоп, скидання та інші
• два аналогових входи для сигналів керування (завдання та зворотній зв’язок)
• один цифровий та один аналоговий вихід
• один релейний вихід для сигнализації стану та помилок
• RS-485 для повного контролю і керування приводом

Вода через трубопровід  тепломережі проходить через  нагрівач гарячого водопостачання верхньої ступені і нагрівається до температури 60-80 °С ,де охолоджується за рахунок  нагріву води із водопроводу  далі змішується з водою ,яка пройшла  через регулятор температури  опалювальних приміщень.

Частина води температурою 40-60 °С, яка віддала тепло в  опалювальні прилади,повертається в зворотній трубопровід теплової мережі,а інша частина підтримується  насосом опалювання і знову повертається в опалювальні прилади разом  з водою ,яка поступила з теплової мережі через регулятор температури  і нагрівач верхньої ступені.

Вода з водопроводу  нагрівається спочатку в нагрівачі  гарячого водопостачання нижньої ступені  за рахунок енергії зворотньуої мережевої води ,а після цього в нагрівачі верхньої ступені. Нагріта вода направляється до водороздільних  кранів. Невикористана у кранах вода циркулює в цьому контурі,подається у лінію води з водопроводу між нагрівачем верхньої і нижньої ступені.

 

ПАРАМЕТРИ АВТОМАТИЧНОГО  КОНТРОЛЮ

Для надійної роботи системи необхідно вибрати вищевказані контури.

До контурів регулювання  віднесемо контури регулювання  температури в системах гарячого водопостачання та опалення.

 

 

 

 

4.Опис принципової електричної  схеми з’єднань САР

Схема зовнішніх з'єднань показана на листі 3 графічної частини. На ній зображено засоби, які входять  в такі контури:

1.Автоматичне регулювання  температури в системі опалення

2.Автоматичне регулювання  температири в системі гарячого водопостачання

Для живлення контролера і  модулів використовується блок живлення PS 307 5А який під’єднується  до промислової мережі напругою 220 В і частотою 50 Гц.

До третього, шостого і дев’ятого аналогових входів CPU 314-2DP під’єднані три уніфікованих перетворювачів SІTRANS TF-2, які закріплені на головці термометрів опору. Також до вісімнадцятого аналогового  входу CPU 314-2DP під’єднаний частотний перетворювач DANFOSS VLT -2800, який керує насосом опалення (НО).

 Кульовий регулюючий клапан з електроприводом BELIMO TR24-SR під’єданий на шістнадцятий аналоговий вхід програмованого мікроконтролера.

рис.4.1 Siemens CPU 314-2DP

рис.4.2 Схема підключення вимірювальних перетворювачів

 

 5.Опис роботи систем захисту та сигналізації

На даному об’єкту доцільно ставити сигналізацію тільки по температурі  теплоносія, так як є чітко встановлені  параметри температури теплоносія для теплових мереж. В даній системі  присутні світлова сигналізація, при  відхиленні температури від заданого значення, відбувається спрацювання  світлового сповіщення на щиті, а на самому об’єкті вмикається система  захисту. Робота системи захисту  полягає в тому що відбувається екстрена відкриття або закриття ( в залежності від відхилення) клапанів по яких подається  теплоносій в теплообмінник. Таким  чином відбувається швидке усунення небезпечних відхилень. Якщо даний  спосіб не спрацьовує, то сам об’єкт в екстреному порядку відключається  від системи, і проводиться повний технічний огляд об’єкту, в пошуках  фізичних пошкодження і несправностей.