Проектирование диспетчерского центра котельных установок

10

Содержание

Реферат

Введение

1. Описание функционирования котельной установки

1.1 Общая характеристика установки

1.2 Описание схемы типовой котельной установки

1.3 Описание технологического оборудования для производства пара

1.4 Схемы перевода котлов типа ДКВр в водогрейный или паровой режимы

2. Схема управления котельной установкой

2.1 Структура системы управления

2.2 Выбор и описание контроллера

2.3 Выбор и описание датчиков

2.4 Синтез системы управления котельной установкой

2.5 Реализация корректирующих устройств на регуляторах

3. Создание диспетчерского центра

3.1 Аппаратная часть

3.2 Программное обеспечение

4. Проектирование системы автоматизированного управления с использованием пакета Rational Rose

4.1 Построение структуры системы

4.2 Построение алгоритма работы системы

4.3 Генерация программного кода

5. Технико-экономическое обоснование

5.1 Пути снижения затрат за счет внедрения системы

5.2 Технико-экономические показатели эффективности от внедрения новой системы автоматизации

5.2.1 Технико-экономические показатели эффективности от внедрения новой системы автоматизации

5.2.2 Расчет стоимости оборудования

5.2.3 Годовые затраты на ремонтные работы

5.2.4 Годовые затраты на электроэнергию

5.2.5 Годовые амортизационные отчисления на оборудование

5.2.6 Годовые затраты на эксплуатацию

5.2.7 Прочая экономия

5.2.8 Годовая экономия от внедрения АТК

5.2.9 Годовой экономический эффект

5.2.10 Капитальные затраты на разработку и ввод в эксплуатацию АСУ ТП

5.2.11 Срок окупаемости капитальных вложений

5.2.12 Сводная таблица основных параметров

6. Охрана труда и окружающей среды

6.1 Описание объекта с точки зрения охраны труда

6.2 Разработка требований безопасности труда для обслуживающего персонала

6.3 Описание рабочего места оператора

6.4 Мероприятия по производственной санитарии и гигиене труда

6.5 Мероприятия по предотвращению электрошока

6.6 Обеспечение пожаробезопасности

6.7 Влияние котельных установок на окружающею среду

6.8 Мероприятия, проводимые на котельной станции в области охраны окружающей природной среды и рационального природопользования

Список используемой литературы

Приложение А

Реферат

Пояснительная записка состоит из 106 страниц текста, содержит 32 графических иллюстраций, шести таблицы. При работе над проектом были проанализированы основные источники материала, содержащие как специфичные, так и нормативные документы, использовано более 20 научных работ, докладов и профессиональных журналов.

Графическая часть состоит из 7 листов формата А1.

Перечень ключевых слов: система автоматического управления, диспетчерский центр, котельная установка, модернизация, контроллер.

Целью работы было проектирование диспетчерского центра котельных установок установкой способной работать в различных режимах, в зависимости от нагрузки. Основное управление процессом осуществляется микроконтроллером, алгоритмы функционирования которого содержат модули общего назначения, противоаварийные модули и каскадные контура регулирования параметров. Графическая реализация интерфейса проводимых работ осуществляется в главной операторной, основными функциями которой является предоставление полной информации оператору, дистанционное регулирование параметров, архивирование. Взаимодействие АПС с центральным контроллером осуществляется по медному кабелю с разъемом RJ11. Наличие человека в данной системе обуславливается сложностью и динамичность технологического процесса. Надежность системы реализуется за счет аппаратного резервирования; временной и функциональной избыточности; наличия систем диагностики и самодиагностики, что накладывает определенные требования на устанавливаемое оборудование. Все компоненты расположенные во взрывоопасной зоне должны иметь соответствующее техническое исполнение, высокие показатели точности, низкую инерционность (в отдельных случаях), малую связь с контактирующей средой. Эти факторы во многом определяют то, что надежность системы не будет зависеть от внедряемого оборудования и точно реализовывать принципы управления.

При экономическом анализе внедрения проектируемой системы, необходимо выделить основные факторы, говорящие о том, что система является выгодной. К ним относятся большой получаемый экономический эффект с малыми затратами на эксплуатацию, при том, что срок окупаемости внедряемой системы в 41 раз ниже нормативного, а наблюдение за состоянием системы производится всего тремя специалистами (операторами). На основании чего можно сказать, что система является полностью автоматической и требует только от оператора анализа ее работы.

Введение

В современном мире трудно представить себе жизнь без использования топлива, причем не в первобытном смысле - путем сжигания и только, а с максимальным использованием его теплового потенциала. Имеется ввиду использование теплоты сгорания топлива для ведения технологических процессов а также в энергетических установках непосредственно или путем передачи ее с помощью промежуточного теплоносителя. Самые распространенные теплоносители - водяной пар и вода.

Водяной пар используют для отопления промысловых и жилых зданий и сооружений, для производства электроэнергии, вместе с горячей водой нагнетают в пласты при добыче нефти для увеличения нефтеотдачи месторождений, разогрева эксплутационных скважин, в паровых турбинах и машинах и т.д.

В настоящее время в России и в странах СНГ эксплуатируется огромное количество котельных установок, которые в подавляющем большинстве морально и физически устарели, что приводит к значительным потерям тепла при производстве пара и подогреве воды. В связи с этим вопросы повышения технического уровня котельных, в частности, их эффективности и надежности, имеют важное народнохозяйственное значение и поэтому являются основными в деятельности многих научно-исследовательских и конструкторско-технологических организаций.

Основными направлениями развития опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ являются:

1. Дальнейшая разработка и создание гибких унифицированных рядов котельных общего назначения, на основе которых должны создаваться специальные котельных по единичным и малым заказам.

2. Дальнейшая разработка и внедрение модульных котельных установок с максимальной степенью заводской готовности.

3. Проведение мероприятий, направленных на экономию материальных и энергетических ресурсов путем совершенствования конструкций теплообменной аппаратуры, использования вторичных энергоресурсов, внедрения прогрессивных технологических процессов и новых материалов, в том числе пластмасс и керамики.

4. Проведение работ по совершенствованию котельных путем организации рабочего процесса и конструкций машин на основе фундаментальных экспериментальных и теоретических исследований, математических моделей и подсистем САПР, создание комплексных математических моделей отдельных типов машин, описывающих рабочие процессы с учетом прочности и надежности конструкций и металлоемкости. Создание и внедрение норм расчета, оптимизированных программ экспериментальных исследований, стандартов на методы испытаний котельных и их элементов.

5. Исследования и разработка мероприятий по уменьшению шума и вибраций котельного оборудования, по повышению его надежности, безопасности и экологичности.

6. Ускорение создания системы стандартизации, внедрение единой классификации, терминологии и обозначений в области создания котельных установок с учетом международных стандартов.

7. Разработка и создание стандартных и передвижных автоматизированных измерительных комплексов для проведения испытаний котельных в соответствии с типовыми методиками при одновременной обработке опытных данных с использованием ЭВМ. Разработка и внедрение типовых схем и программ измерений, увязанных с соответствующими датчиками, преобразователями сигналов, программами обработки и анализа опытных данных в ходе испытаний.

8. Продолжение разработки и создание эффективных антиобледенительных систем.

9. Расширение работ по модернизации эксплуатируемого котлов и котельного оборудования с сохранением основных, особенно крупногабаритных элементов, и повышению основных технико-экономических характеристик с учетом требований эксплуатации.

10. Продолжение работы по созданию систем эффективных систем теплообменного оборудования.

В основном, котельные установки являются неотъемлемой составной частью большинства промышленных и общественных комплексов (химических, нефтеперерабатывающих, газовых, автомобильных, научно-исследовательских). Основная задача КУ - бесперебойное обеспечение объекта паром и горячей водой с заранее установленными параметрами. Следовательно отказ КУ приводит к простою всего комплекса или, как минимум, его большую часть, а это колоссальные убытки. Снижение расходов на обслуживание и продление межремонтного срока, а также упрощение диагностики неполадок в совокупности с повышением надежности, позволяет говорить о значительной выгоде связанной с применением новой системы управления вместо традиционной при модернизации существующих станций.

КУ требует постоянного контроля со стороны обслуживающего технического персонала, и предусматривает сохранение нормативных показателей работы основных узлов. Однако нестабильность нагрузки, которой подвергается КУ, приводит к сокращению как общих часов наработки, так и межремонтных сроков эксплуатации оборудования. Внедрение новой линейки управляющих средств, так и исполнительных механизмов позволило значительно улучшить показатели надежности, ремонтопригодности и экономической выгоды КУ. В основном, применялось оборудование из семейства, прошедшего тестирование на подобных агрегатах и показавших себя наилучшим образом, с расширенными функциональными возможностями (расширение основной платформы интегрированных модулей, наличие сетевых узлов, оптимизация и упрощение программных компонентов), приемлемыми показателями точности измерений.

1. Описание функционирования котельной установки

Водяной пар соответствующего давления и температуры (или горячую воду заданной температуры) получают в котельной установке, представляющей собой совокупность устройств и механизмов для сжигания топлива и получения пара. Котельная установка состоит из одного или нескольких рабочих и резервных котельных агрегатов и вспомогательного оборудования, размещаемого в пределах котельного цеха или вне его. Общее представление о рабочем процессе котельного агрегата на газообразном топливе дает схема котельного агрегата с основными и вспомогательными устройствами.

1.1 Общая характеристика установки

Источником теплоснабжения является реконструируемая котельная. Теплоноситель - пар и перегретая вода. Питьевая вода используется только для систем горячего водоснабжения. Для технологических нужд используется пар Р=0,6МПа. Для приготовления перегретой воды с температурой 150-70С предусматривается сетевая установка, для приготовления воды с t=65°С - установка горячего водоснабжения.

Система теплоснабжения - закрытая. В следствии отсутствия непосредственного водоразбора и незначительной утечки теплоносителя через неплотности соединений труб и оборудования закрытые системы отличаются высоким постоянством количества и качества циркулируемой в ней сетевой воды.

В закрытых водяных системах теплоснабжения воду из тепловых сетей используют только как греющую среду для нагревания в подогревателях поверхностного типа водопроводной воды, поступающей затем в местную систему горячего водоснабжения. В открытых водяных системах теплоснабжения горячая вода к водоразборным приборам местной системы горячего водоснабжения поступает непосредственно из тепловых сетей.

На промплощадке трубопроводы теплоснабжения прокладываются по мостам и галереям и частично в непроходных лотковых каналах типа Кл. Трубопроводы прокладывают с устройством компенсации за счет углов поворотов трассы и П-образных компенсаторов.

Трубопроводы приняты из стальных электросварных труб с устройством теплоизоляции.

1.2 Описание схемы типовой котельной установки

Рис.1.2.1 Схема котельного агрегата

Жидкое топливо по топливопроводам котельной 1 и котельного агрегата 2 подается в газовые горелки 4 и по мере выхода из них сгорает в виде факела в топочной камере.

Стены топочной камеры покрыты трубами 5, называемыми топочными экранами. В результате непрерывного горения топлива в топочной камере образуются нагретые до высокой температуры газообразные продукты сгорания. Продукты сгорания снаружи омывают экранные трубы и излучением (радиацией) и частично конвективным путем передают теплоту воде и пароводяной смеси, циркулирующим внутри этих труб.

Продукты сгорания, охлажденные в топке до температуры 1000-1200С, непрерывно двигаясь по газоходам котельного агрегата, омывают вначале разреженный пучок кипятильных труб 7, затем трубы пароперегревателя 9, экономайзера 12 и воздухоподогревателя 14, охлаждаются до температуры 150-200С и дымососом 16 через дымовую трубу 17 удаляются в атмосферу.

Движение воздуха и продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата обеспечивается тяго-дутьевой установкой (вентилятор 15, дымосос 16 и дымовая труба 17).

Питательная вода (конденсат и добавочная предварительно подготовленная вода) после подогрева питательным насосом подается в коллектор 13 водяного экономайзера 12. В экономайзере вода нагревается до температуры, близкой к температуре кипения при давлении в барабане котла, а иногда частично испаряется в экономайзерах кипящего типа и направляется в барабан 8 котла, к которому присоединены трубы топочных экранов 5 и фестона 7. Из этих труб в барабан котла поступает образовавшаяся пароводяная смесь. В барабане происходит отделение (сепарация) пара от воды. Насыщенный пар затем направляется в сборный коллектор 11 и пароперегреватель 9, где он перегревается до заданной температуры. Перегретый пар из змеевиков пароперегревателя поступает в сборный коллектор 10. Отсюда он через главный запорный вентиль по паропроводу котельного агрегата 18 направляется в главный паропровод 19 котельной к потребителям. Отделившаяся от пара в барабане котла вода смешивается с питательной водой, по необогреваемым опускным трубам подводится к коллекторам 6 экранов и из них поступает в подъемные экранные трубы 5 и фестон 7, где частично испаряется образуя пароводяную смесь. Полученная пароводяная смесь снова поступает в барабан котла.

Последний элемент котельного агрегата по ходу газообразных продуктов сгорания - воздухоподогреватель 14. Воздух в него подается дутьевым вентилятором 15, и после подогрева до заданной температуры по воздухопроводу 3 направляется в топку.

Управление рабочим процессом котельных агрегатов, нормальная и бесперебойная их эксплуатация обеспечиваются необходимыми контрольно-измерительными приборами, аппаратурой и средствами автоматики.

Необходимость в тех или иных вспомогательных устройствах и их элементах зависит от назначения котельной установки, вида топлива и способа его сжигания. Основными параметрами котлов являются: паропроизводительность, давление и температура питательной воды, КПД.

1.3 Описание технологического оборудования для производства пара

Котлы бывают паровые и водогрейные.

Паровой котел - устройство, имеющее топку, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного, используемого вне самого устройства.

Водогрейный котел - устройство, имеющее топку, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для нагревания воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемой в качестве теплоносителя вне самого устройства.

Котел- утилизатор - паровой или водогрейный котел, в котором в качестве источника тепла используются горячие газы технологического процесса.

Котел-бойлер - паровой котел, в паровом пространстве которого размещено устройство для нагревания воды, используемой вне самого котла, а также паровой котел, в естественную циркуляцию которого включен отдельно стоящий бойлер.

Стационарный котел - котел, установленный на неподвижном фундаменте.

Передвижной котел - котел, имеющий ходовую часть или установленный на передвижном фундаменте.

Паронагреватель - устройство, предназначенное для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле.

Экономайзер - обогреваемое продуктами сгорания топлива устройство, предназначенное для подогрева или частичного испарения воды, поступающей в паровой котел.

Паровой котел вместе с дополнительными устройствами, представляющими собой различные аппараты, предназначенные для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара, называется котлоагрегатом.

Несколько котлоагрегатов, объединенных в общем, помещении, образуют котельную установку.

Котельная установка может состоять и из одного котлоагрегата.

Котельные установки в промышленности предназначаются для выработки пара, применяемого в паровых двигателях (паровых машинах и паровых турбинах) и при различных технологических процессах (варка, выпаривание, сушка и т.п.), а также для отопления, вентиляции и бытовых нужд.

Поэтому в зависимости от назначения различают следующие разновидности котельных установок:

- Энергетические - вырабатывающие пар для паровых двигателей;

- Производственно- отопительные - вырабатывающие пар для потребностей производства, отопления и вентиляции;

- Отопительные - вырабатывающие пар для отопления производственных и жилых помещений;

- Смешанного назначения - вырабатывающие пар для снабжения одновременно паровых двигателей, технологических нужд и отопительно - вентиляционных установок.

Основными элементами современного котлоагрегата являются котел, топка, паронагреватель, экономайзер, воздухонагреватель, а также обмуровка и каркас.

Для управления работой котельного агрегата и обеспечения нормальной и безопасной его эксплуатации он снабжается контрольно - измерительными приборами, приспособлениями, автоматами и арматурой. Сюда относятся: манометры, предохранительные клапаны и устройства, водоуказательные приборы, вентили и задвижки, служащие для подключения или отключения котлоагрегатов от паровых, питательных и спускных (продувочных) трубопроводов.

Топка и газоходы котла снабжаются гарнитурой. В её состав входят: фронтовые дверцы, гляделки, лазы и шиберы в газоходах, люки для обдувки котлоагрегата от сажи и золы, взрывные предохранительные клапаны.

Вспомогательными устройствами котлоагрегата или котельной установки в целом являются: питательные трубопроводы и паропроводы, воздухопроводы, питательные насосы и баки, оборудование водоподготовки, вентиляторы и дымососы, золоуловители, дымовая труба, склады для топлива, устройства для подачи топлива, удаление золы и шлака.

Рабочими телами, участвующими в процессе получения горячей воды или пара для производственно - технических целей и отопления, служат вода, топливо и воздух.

Паровой котел является основным элементом котлоагрегата, он представляет собой теплообменное устройство, через металлические стенки которого происходит передача тепла от горячих продуктов горения топлива к воде для получения пара.

Паропроизводительность котельной установки или её мощность представляет собой сумму паропроизводительностей отдельных котлоагрегатов, входящих в её состав.

Паропроизводительность котлоагрегата определяется количеством килограммом или тонн пара, производимого им в час, обозначается буквой D и измеряется в кг/ч или т/ч.

Топочное устройство котлоагрегата служит для сжигания топлива и превращения его в химической энергии в тепло наиболее экономичным способом.

Пароперегреватель предназначен для перегрева пара, полученного в котле за счет передачи ему тепла дымовых газов.

Водяной экономайзер служит для подогрева поступающей в котел питательной воды теплом уходящих из котла дымовых газов.

Воздухоподогреватель предназначен для подогрева поступающего в топочное устройства воздуха теплом уходящих газов.

Устройство для подготовки питательной воды состоит из аппаратов и приспособлений, обеспечивающих очистку воды от механических примесей и растворенных в ней накипеобразующих солей, а также удаления из неё газов.

Питательная установка состоит из питательных насосов для подачи воды в котел под давлением, а также соответствующих трубопроводов.

Тяго-дутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газо - воздуховодов, дымососа и дымовой трубы, обеспечивающих подачу необходимого количества воздуха в топочное устройство, движение продуктов сгорания по газоходам и удаления продуктов сгорания за пределы котлоагрегата.

Устройство теплового контроля и автоматического управления состоит из контрольно - измерительных приборов и автоматов, обеспечивающих бесперебойное и согласованную работу отдельных устройств котельной установки для выработки необходимого количества пара определенно температуры и давления.

В данной курсовой работе предлагается автоматизация системы с использованием паровых котлов, входящих в котлоагрегаты.

Такой выбор обуславливается тем, что используются котлоагрегаты, в основе которых - паровые котлы высокой паропроизводительности, которые снабжают город теплом, горячей водой и электроэнергией, а для промышленных предприятий, находящихся в черте города, они вырабатывают еще и пар, необходимый для технологического процесса.

Рассмотрим устройство парового котла.

Котел представляет собой металлический сосуд, герметически закрытый, обогреваемый горячими газами и предназначенный для получения горячей воды или насыщенного водяного пара давлением выше атмосферного.

Котел представляет собой цилиндрический сосуд с выпуклыми днищами. Такая форма придана котлу как наилучшая по условиям прочности для сосудов, работающих под давлением. Этот котел состоит из наружного и двух внутренних цилиндров. К ним приварены упомянутые выше выпуклые днища (переднее и заднее).

Пространство между наружным и внутренним цилиндрами служит для заполнения его водой и паром, получающимся при работе котла.

Часть объема котла, всегда заполненная водой до определенного уровня, называется водяным пространством.

Та часть внутреннего объема котла, которая при работе постоянно заполнена паром, называется паровым пространством. Паровое пространство необходимо для сбора пара, образующего в котле, и в то же время для того, чтобы дать пару время выделить увлеченные им частицы воды.

1.4 Схемы перевода котлов типа ДКВр в водогрейный или паровой режимы

Котлы типа ДКВр, переведенные на водогрейный режим работы по данной схеме, разработанной НПО ЦКТИ и БиКЗ могут работать во всем диапазоне теплопроизводительности при температуре воды на выходе из котла от 95 до 115°С и давлении воды на входе в котел не более 13 кгс/см².

Отвод воды из котла необходимо осуществить из верхнего барабана 1 через штуцер 2 для отвода пара.

Подвод воды в котел следует выполнять двумя параллельными потоками.

Первый поток, составляющий 60 % от общего расхода воды котел - через продольный патрубок 3 диаметром 159-219 мм с донышками 4, установленный внутри верхнего барабана 1. На фронтовом участке продольного патрубка 3 (рис. 1.3.2, рис. 1.3.3, рис. 1.3.4) должны быть сопла 5 диаметром (Д₁) 57 - 60 мм. Выходные сечения сопел 5 устанавливаются заподлицо с выходными сечениями опускных труб 6 экранов топочной камеры 7 и сетевая вода направляется непосредственно в эти опускные трубы 6.

Рис. 1.3.2 Рис. 1.3.3 Рис. 1.3.4

При этом котловая вода из верхнего барабана 1 эжектируется в стояки 6, обеспечивая подогрев сетевой воды.

В задней части верхнего барабана 1 (рис. 1.3.5) на концевом участке патрубка 3 должно быть пять рядов отверстий 8диаметрам 14 мм о шагом (п) 20 мм. направленных в сторону опускных труб 9 котельного пучка 10.

Рис. 1.3.5 Рис. 1.3.6

Расстояние (а) от отверстий 8 до стенки верхнего барабана 1 должно быть не менее 200 - 250 мм.

Количество отверстий 8 в продольном патрубке 3 в зависимости от теплопроизводительности котла должно составлять при:

2.5 Гкал/ч - 30 шт.

4.0 Гкал/ч - 50 шт.

6.5 Гкал/ч - 75 шт.

10.0 Гкал/ч - 100 шт.

Подвод сетевой воды в продольный патрубок 3 производить одним патрубком II диаметром 108 - 219 мм (или двумя патрубками диаметром 108 - 133 мм).

Второй поток, составляющий 40 % от общего расхода воды через котел - через патрубок 12 - с донышком 13 диаметром 108 - 133 мм установленный внутри нижнего барабана 14.

На концевом участке патрубка 12 (рис. 1.3.6) должны быть сопла 15 диаметром (Д₁) от 32 до 57 мм соответственно диаметру (Д₂) перепускных труб 16 между нижним барабанам и всеми коллекторами 17 топочных экранов.

Выходные сечения сопел 15 устанавливаются заподлицо с входными сечениями перепускных труб 16 и сетевая вода направляется непосредственно в эти перепускные трубы 16. При этом котловая вода из нижнего барабана 14 эжектируется в перепускные трубы 16, обеспечивая подогрев сетевой воды.

Продольный патрубок 3 в верхнем барабане 1 должен иметь опоры, выполненные из уголка или прутка, приваренного к продольному патрубку 3 и свободно опирающегося на боковые стенки верхнего барабана 1.

Сепарационные устройства в верхнем барабане 1 могут быть демонтированы при окончательном переводе котла на водогрейный режим работы.

Схема включения котлов в тепловую схему котельной представлена на рис 1.3.7.

Рис 1.3.7 Схема включения котлов в тепловую схему котельной

Экономайзер 19 должен быть включен по воде параллельно трубной системе котла. На экономайзере 19 должны устанавливаться не менее чем по одному предохранительному клапану 20 на выходе и входе воды.

Водоотводящие трубы от существующих предохранительных клапанов котла и предохранительных клапанов 20 экономайзера 19 должны быть присоединены к линии свободного слива воды, причем как на них, так и на сливной линии не должно быть никаких запорных органов. При этом устройство системы водоотводящих труб и линий свободного слива должно исключать возможность ожога людей.

При эксплуатации котлов типа ДКВр в водогрейном режиме следует выполнять следующие требования к режиму работы котла:

1.Температура воды на выходе из котла должна быть не менее 90 єС при работе на газообразном и твердом топливе и не менее 110 єС при работе на мазуте на всех нагрузках, в том числе при пусках котла.

2. Расход воды через котел должен быть при максимальной нагрузке не менее расчетной величины, определяемой в зависимости от разности температур воды на выходе и входе в котел и теплопроизводительности котла.

3. Допускается сезонное снижение расхода воды через котел до 50% от расчетной величины при соответствующем уменьшении теплопроизводительности котла.

4. Величина расхода веды через экономайзер должны быть на всех нагрузках равной расчетной паропроизводительности котла.

5. Давление воды на выходе из котла должно выбираться на всех нагрузках с учетом величины подогрева воды до кипения не менее чем на 20 єС.

6. Качество сетевой и подпиточной воды должно соответствовать требованиям "Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов".

Котел должен быть оборудован автоматическими приборами, прекращающими подачу топлива в топку котла, а при слоевом сжигании топлива - отключающими тягодутьевые устройства и топливоподающие механизмы топки в случаях:

а) повышения давления воды на выходе из котла более чем на 5 % расчетного или разрешенного давления;

б) понижении давления воды на выходе из котла до значения соответствующего давлению насыщения при максимальной температуре воды на выходе из котла;

в) повышения температуры воды на выходе из котла до значения, соответствующего температуре насыщения при рабочем давлении на выходе из котла, уменьшенной на 20 єС;

г) уменьшения расхода воды через котел до значения, при котором недогрев воды до кипения на выходе из котла при максимальной нагрузке и рабочем давлении на выходе из котла достигает 20 єС.

При работе в водогрейном режиме по данной схеме гидравлическое сопротивление котлов типа ДКВр составляет не более 1.0 кгс/см², а их коэффициент полезного действия при этом возрастает по сравнению с паровым режимом не менее, чем на 1.0-1.5 %.

2. Схема управления котельной установкой

Распределенная автоматизированная система управления (РСУ) технологическим процессом котельной представляет собой совокупность технических средств, предназначенных для мониторинга и управления технологическим процессом. Базовым техническим средством данной системы управления является многоконтурный контроллер DeltaV серии M5+.

Верхний уровень данной РСУ представляет собой операторскую станцию на основе персонального компьютера с программным обеспечением DeltaV.

К основным функциям операторской станции можно отнести: мониторинг технологических параметров, управление, возможность записи и хранения истории по важным технологическим параметрам, организация оповещающей сигнализации, фиксации команд оператора и оповещающей сигнализации в журнале событий, возможность отображения истории параметров в виде графиков, организация технологических отчетов, также ряд других сервисных функций.

2.1 Структура системы управления

АСУ ТП предназначена для выполнения следующих задач:

? Автоматизированного контроля и управления в реальном масштабе времени технологическим процессом, а также поддержание его на регламентированном уровне;

? Обеспечение высокого уровня безопасности технологического процесса:

? Постоянство анализа динамики изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможных аварийных ситуаций;

? Проведение операций безаварийного пуска, останова и всех необходимых для этого переключений;

? Действий средств управления и проектируемых автоматизированных защит, прекращающих развитие аварийных ситуаций;

? Система управления реализовывает непрерывный контроль за состоянием и режимами работы технологического оборудования и агрегатов, предупредительную и аварийную сигнализацию при отклонении режимных параметров от регламентированных норм и установок, дистанционное управление исполнительными механизмами, противоаварийную защиту технологического оборудования и объектов, расчет технико-экономических показателей, архивирование информации, формирование и печать технологических протоколов, аварийных сообщений и отдельных документов.

АСУ ТП котельной установки представлена как иерархическая система оперативного контроля и управления, располагающаяся в центральной операторной.

Иерархическая структура АСУ ТП обеспечивает следующие уровни управления:

· Уровень оперативно-производственной службы (ОПС) - верхний уровень АСУ ТП;

· Уровень системы автоматизированного управления (САУ) технологическими объектами - нижний уровень АСУ ТП;

Уровень оперативно-производственных служб.

Уровень оперативно-производственных служб предназначен для:

· Формирования человека -машинного интерфейса;

· Регистрации и визуализации состояния технологических объектов;

· Управление в реальном масштабе времени;

· Сигнализация отклонения параметров технологического процесса от регламентных предупредительных и предаварийных границ;

· Дистанционное управление исполнительными механизмами и электроприводами агрегатов;

· Регистрации в базе данных, архивирования событий и изменения значений технологических параметров;

· Формирование и печати технологических сводок, учетных и отчетных документов.

На данном уровне оперативно-технологическим персоналом, с использованием аппаратно-программных средств АСУ ТП, осуществляется оперативный контроль за текущим состоянием и режимами работы основных и вспомогательных технологических процессов, а также выдача установок по регулированию технологических параметров.

Уровень системы автоматизированного управления.

Технологическими средствами данного уровня осуществляется автоматический контроль и управление процессами, поддержание заданных режимов работы, аварийная защита оборудования; и обмен информацией с вышестоящим уровнем.

На данной уровне обеспечивается реализация следующих функций:

· Измерение технологических параметров;

· Автоматическое управление режимами работы технологического оборудования;

· Управление исполнительными механизмами;

· Контроль безопасности и аварийная защита технологического оборудования.

АСУ ТП включает в себя функционально выделенную систему противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ). Система ПАЗ обеспечивает распознавание аварийной ситуации (выход за аварийные пределы технологических параметров) и автоматический перевод технологического оборудования в безопасное состояние. Аварийная ситуация могут привести к выходу из строя технологического оборудования, загрязнению окружающей среды, также угрожать жизни и здоровью людей. Отработка алгоритмов ПАЗ сопровождается формированием и выдачей оперативно-технологическому персоналу световой и звуковой сигнализации. Основная схема, реализующая данный алгоритм представлена на рис. 2.1.2

Функционально выделенная система ПАЗ находится в состоянии ожидания на любом этапе пуска, работы и остановки котельной установки, в результате чего, перевод системы на безопасный режим осуществляется независимо от состояния системы при условии наличия критического порога. Ввиду сложности и большой динамики технологического процесса большое внимание уделяется надежности системы.

Надежность системы ПАЗ обеспечивается:

· Аппаратным резервированием (дублированием);

· Временной и функциональной избыточностью;

· Наличием систем диагностики и самодиагностики;

· Охранными порогами перехода системы.

Для обеспечения бесперебойной работы оборудования АСУ ТП электроснабжение производится через источник бесперебойного питания (ИБП). ИБП обеспечивает функционирование системы до переключения фидера питания или на время необходимое для перевода технологического объекта в безопасное состояние.

Применение искробезопасных барьеров защиты при работе современных систем АСУ ТП, работающих на объектах с взрывоопасными средами и построенных на электронных средствах контроля и измерения, является необходимым условием, т.к.: при обрывах в цепях измерений сигналов 4-20мА уровень напряжения в цепи датчика будет равным напряжению источника питания, что витиевато возникновением пожара. Поэтому для искробезопасных барьеров устанавливается порог срабатывания равным 24В. При превышении уровня 24В напряжения источника питания возникает ток утечки в диапазоне 0-4мА, дающий ложный сигнал целостности цепи.

Для предотвращения этого в систему, контролирующую обрыв в цепи датчиков сигналов 4-20мА, напряжение источника питания цепи датчика устанавливать ниже порога защиты срабатывания искробезопасных барьеров защиты на 0,2-0,3В или устанавливать последовательно в цепь источника питания диод.

САУ КУ должна удовлетворять требованиям безопасности, охраны труда и производственной санитарии в соответствии с ГОСТ 12.2.003 и Законом РФ «Об охране труда».

Электрооборудование САУ КУ должно отвечать требованиям «Правил устройства электроустановок», «Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок до 1000В», ГОСТ12.2.007.0 и ГОСТ12.2.007.1.

Оборудование САУ КУ должно иметь специальные болты для подключения к системе заземления. Заземляющие болты должны иметь маркировочный знак по ГОСТ 2.751.

Сигнальные цвета, размеры, форма и цвет знаков безопасности должны соответствовать ГОСТ 12-4.026.

2.2 Выбор и описание контроллера

Средства традиционного ввода-вывода (в/в) представляют собой модульную подсистему, обеспечивающую разнообразие вариантов при установке. Ее конструкция предусматривает установку поблизости от полевых устройств. Подсистема традиционного в/в оборудована ключами защиты функциональной совместимости и подключения полевых устройств, которые гарантируют, что плата в/в может быть включена только в совместимый с ней клеммный блок. Модульность, ключи защиты, поддержка принципа «включи и работай» делают платы традиционного ввода-вывода разумным выбором для системы управления технологическим процессом.

В состав подсистемы традиционного ввода-вывода входят:

1. Несущая панель (монтируется на рейке DIN), на которую устанавливаются все компоненты,

осуществляющие ввод-вывод.

2. Групповой источник питания полевых устройств с выходным напряжением 24 В.

3. Интерфейс в/в, состоящий из платы в/в и клеммного блока.

4. Различные платы аналогового и дискретного в/в, имеющие одинаковые внешний корпус и разъемы и легко устанавливающиеся на несущую панель.

5. Различные клеммные блоки, которые устанавливаются на несущую панель и к которым может быть подключена проводка до установки плат в/в.

6. Платы ввода-вывода, установленные на 8-гнездовую несущую панель

7. Дополнительное оборудование ввода-вывода

8. Резервируемые источники питания и контроллеры, установленные на 2-гнездовую несущую панель

Все платы в/в помещены в одинаковые корпуса, которые вставляются в несущую панель интерфейсов в/в. На корпусе четко указан тип содержащейся в нем платы. С помощью хорошо заметных светодиодов, расположенных в верхней части платы в/в, можно сразу видеть индикацию подачи питания, ошибки и статуса для каждого из 8 каналов платы.

Изделия удовлетворяют требованиям стандарта ISA G3 по коррозионной стойкости за счет тщательного отбора электронных компонент высокого качества и применения плотно прилегающих защитных покрытий. Для низкочастотных импульсных сигналов (менее 125 Гц) может использоваться любая плата дискретного ввода. Наиболее широко для импульсных сигналов используются платы на 24 В пост. тока. Если Вы хотели бы войти в мир интеллектуальных производств, Вас, вероятно, заинтересуют те преимущества, которые обеспечивает оборудование, поддерживающее протоколы HART и FOUNDATION fieldbus.

Существует два вида плат:

а. Аналогового в/в

б. Дискретного в/в

Рассмотрим данные виды плат поподробнее.

а. Плата аналогового ввода-вывода

Рис. 2.2.2 Характеристики платы аналогового ввода

Основные параметры и характеристики представлены в рисунке 2.2.2

На рисунке 2.2.3 представлена схема 8-канального аналогового ввода

Рис. 2.2.3 схема 8-канального аналогового ввода

б. Плата дискретного ввода-вывода

Рис. 2.2.4 Характеристики платы дискретного ввода

Основные параметры и характеристики представлены в таблице 2.2.4.

На рисунке 2.2.5 представлена схема 8-канального дискретного ввода

Рис. 2.2.5 схема 8-канального дискретного ввода

Возможна поставка различных клеммных блоков в/в, соответствующих конкретным функциональным требованиям и внешним условиям. Используемые вместе клеммные блоки и платы в/в снабжены ключами функциональной и электрической защиты, которые гарантируют, что только работающие вместе плата и клеммный блок могут подключаться друг к другу. Клеммные блоки могут для ускорения монтажа системы устанавливаться и подключаться отдельно от плат. Для тех полевых устройств, которые расположены во взрывобезопасных зонах, или для дискретных полевых устройств, которым требуется больший ток, чем максимальный выдерживаемый платой, предоставляется групповой клеммный блок с 10, 16 или 24-контактами для соединения с промежуточными панелями. Низкоуровневые сигналы проводятся по ленточному кабелю 0,093 мм2 (28 по AWG . Американскому сортаменту проводов) или круглому измерительному кабелю. Для полевых устройств, требующих внешнего питания, может поставляться клеммный блок в/в, предназначенный для 4-проводных устройств. Такой клеммный блок в/в используется вместе с платой аналогового ввода 4-20 мА. В нашем случае производится заказ специальной платы поддерживающей протокол MLink.

2.3 Выбор и описание датчиков

В данной котельной установке используется несколько типов датчиков.

Рассмотрим подробнее каждый из них

а. Датчик давления

Датчики производства фирмы «Метран» Метран-55

Рассмотрим основные характеристики и параметры датчика

Рис. 2.3.2 Характеристики и параметры датчика

б. Датчик температуры

В данном случае используется два вида датчиков температур.

Рис. 2.3.3 Рис 2.3.4

Первый тип датчиков (рис. 2.3.3) необходим для вмонтирования в материал, в нашем случае в печь.

Основные характеристики представлены на рисунке 2.3.5

Рис. 2.3.5 Основные характеристики датчика TXA/TXK-0292

Второй вид датчиков (рис. 2.3.4) необходим для монтажа в трубы

Основные характеристики представлены на рисунке 2.3.6



Рис. 2.3.6 Основные характеристики датчика TXA/TXK-0192

2.4 Синтез системы управления котельной установкой

По заданной функциональной схеме составим структурные схемы исходной системы. Определим передаточные функции звеньев.

Таблица 2.1 Определение передаточной функции звеньев

Название звена	Передаточная функция
	Формула	Расчёт
Задвижка	WЗ(р)=	WЗ(р)=
Котел	Wк(р)=	WК(р)=

W_ИСХ = Wз*Wк = = (2.1)

Проверим исходную систему на устойчивость, т. е. получим график переходного процесса (рис. 2.4.1):



Рис. 2.4.1

Из рисунка видно, что переходный процесс является расходящимся, следовательно исходная система неустойчива и требует регулирования.

Первый контур регулирования

Рис.2.4.2

К_Т = 0.08/8 = 0.01 ,(2.2)

Найдем исходную ПФ 1 контура

W_ИСХ1(p)= Wз*Wк *К_Т, (2.3)

W_ИСХ1(р) = 0.01 = , (2.4)

Будем настраивать внутренний контур на технический оптимум.

При настройке на технический оптимум желаемая передаточная функция имеет вид

W_ж1(р)= (2.5)

С другой стороны W_Ж1 (р)= W_рег1(р)* Wисх₁(р), следовательно

W_рег1(р)=(2.6)

W_рег1(р)=, (2.7)

Выполним проверку. Найдем желаемую ПФ замкнутой системы

(2.8)

Найдем ПФ замкнутого первого контура

Ф₁(S)== , (2.9)

Для дальнейших расчетов примем

Ф₁(S) ?, (2.10)

Расчеты выполнены верно:

Ф₁(S) = Ф_Ж1 (S).

Найдем ПФ замкнутой и разомкнутой системы

Wраз=Ф₃*, (2.11)

, (2.12)

Проверим систему на устойчивость, т. е. получим график переходного процесса (рис.2.4.3):

Рис. 2.4.3

Из рисунка видно, что время переходного процесса равно 0.8 сек, следовательно рассчитанный регулятор подходит для данной системы и система является устойчивой.

2.5 Реализация корректирующих устройств на регуляторах

МЕТОДИКА СИНТЕЗА ЦИФРОВОГО РЕГУЛЯТОРА

В связи с тем, что контроллер, используемый в системе управления ТП, работает дискретно, то и регуляторы должны быть представлены в дискретном виде (аппроксимация Тустена или Z - преобразования ).

Существуют различные методы синтеза цифровых регуляторов, основанные на теории Z - преобразования и пространства состояний. Эти методы требуют очень громоздких математических преобразований и используются в особо точных системах управления.

Рассмотрим более простой подход, состоящий в предварительном синтезе непрерывных регуляторов известными методами теории автоматического регулирования для непрерывных систем и последующем переходе к цифровому регулятору, эквивалентному синтезированному аналоговому.

Задача переоборудования аналоговых регуляторов решается как задача аппроксимации передаточной функции данного регулятора дискретной передаточной функцией цифрового регулятора.

В инженерной практике наибольшее применение нашла аппроксимация, полученная на основе билинейного преобразования или аппроксимация Тустена.

Согласно этой аппроксимации

; , (2.13)

где Т - интервал дискретизации по времени

Однако, этим методом можно пользоваться только тогда, когда интервал дискретизации по времени для цифровой системы Т мал по сравнению с самой малой постоянной времени системы управления Т. Согласно теореме Котельникова - Шеннона непрерывный сигнал достаточно точно восстанавливается по совокупности его дискретных значений, если

Т 0,5 Т._. (2.14)

На практике рекомендуется иметь больший коэффициент запаса

Т ( 0,1 - 0,2 ) Т.(2.15)

Определим период дискретизации (Т): это обратная величина от частоты контроллера, но лучше взять частоту АЦП, которая в нашем случае равна 48КГц=48000Гц. Выбор частоты АЦП связан с тем, что скорость обработки информации в первую очередь зависит от скорости работы АЦП.

, (2.16)

Проверим соблюдение условия (теорема Котельникова - Шеннона)

Т 0,5 Т._. (2.17)

0.00001 0,5*0.02, (2.18)

0.00001 0.01, (2.19)

Условие соблюдается, следовательно период дискретизации выбран правильно.

Произведем перевод полученных регуляторов в дискретные.

Синтез цифровых регуляторов по средствам программы MatLab

W_рег1(р) =, (2.20)

W_рег1(z) =, (2.21)

3. Создание диспетчерского центра

В настоящее время в поселке Варламово в эксплуатации находятся две котельные установки и еще одна готовится к пуску в этом году. Такое количество полностью перекрывает нужду населения и учреждений. В данной дипломной работе мы рассмотрим создание единого диспетчерского центра для котельных установок. Создание такого центра обусловлено техническим заданием руководства УЖКХ, для того чтобы иметь постоянный контроль за процессом работы котельных установок в режиме реального времени. Диспетчерский центр должен находиться в здании УЖКХ п. Варламово.

3.1 Аппаратная часть

В состав аппаратной части входи входят:

а. Компьютер

б. сетевая карта

в. модем

Рассмотрим каждый пункт подробнее.

а. Компьютер

Компьютер для диспетчерского центра должен иметь следующие характеристики:

- процессор;

Должен иметь большие характеристики по производительности, т.к. он должен будет обрабатывать данные поступающие с котельных станций, а также вести архивирование и резервное копирование всех данных и параметров. В данном случае мы остановились на процессоре фирмы Intel Pentium 4 (2.66 ГГц, Socket-755).

- материнская плата;

Должна подходить по параметрам взаимодействия с процессором, а также иметь встроенный сетевой контроллер. В данном случае мы остановились на материнской плате фирмы ASUSTeK P5GD1 PRO

- Оперативная память;

Должна по подходить по параметрам взаимодействия с материнской платой. Объем оперативной памяти должен составлять не менее 1 Гб. В данном случае мы остановились на оперативной памяти фирмы Kingston (DIMM 512 DDR SDRAM PC3200). Приобретаем две панели.

- Жесткий диск;

Должен иметь достаточно большое дисковое пространство для хранения отчетов, архивов и резервных копий. В данном случае мы остановились на жестком диске фирмы Seagate (HDD 120 Гб, SATA).

- Видеокарта

Должна иметь средние характеристики по производительности. В данном случае мы остановились на видеокарте фирмы MicroStar MS-8940 120 Мб.

- Корпус;

Должен иметь блок питания не менее 400 Вт. В данном случае мы остановились на корпусе фирмы Foxconn TPS-538 400W.

- Устройства ввода;

Клавиатура и мышь выбираются любые и не должны соответствовать каким либо специальным параметрам. В данном случае мы остановились на клавиатуре и мышке фирмы Genius.

- Монитор;

Должен иметь диагональ не менее 17 дюймов и высокое качество изображения, т.к. оператор 12 часов проводит за свои рабочим местом. В данном случае мы остановились на мониторе фирмы Samsung SyncMaster 797MB.

- Колонки;

Необходимы для вывода звуковой информации. В данном случае мы остановились на колонках фирмы Genius Mini SP-Q06.

- Привод DVD+/-RW;

Необходим для записи информации для длительного хранения. В данном случае мы остановились на приводе фирмы Nec ND-4550A.

б. Сетевая карта

В нашем случае это сетевая карта фирмы D-Link DFE 550 TX 10/100.

Необходимо приобрести две сетевых карты.

Т.к. наша система будет работать на скорости 100 Мб/с то оборудование выбирается в соотношении характеристики-цена. Данная сетевая карта является одной из наиболее приемлемых моделей.

в. Модем

Для взаимодействия по протоколу MLink нам необходим VDSL-модем, который обеспечивает высокую скорость передачи данных. Необходимо приобрести 3 модема, по модему на каждую станцию.

Таким образом, соединение компьютера с контроллером происходит удаленно по медным проводам через модем. Для устойчивой работы необходимо также создать «выделенный» канал связи. Он создается на АТС.

3.2 Программное обеспечение

Программное обеспечение поставляется вместе с контроллерами DeltaV.

Рассмотрим этот программный продукт подробнее.

Для нашей системы выбираем пакет ПО «Профессиональный плюс»

Каждая система DeltaV имеет одну и только одну рабочую станцию с пакетом программного обеспечения «Профессиональный ПЛЮС». Эта рабочая станция поддерживает глобальную базу данных конфигураций системы, а также обеспечивает конфигурирование системы. Таким образом, пакет ПО «Профессиональный ПЛЮС» является основным интерфейсом системы, предназначенным для решения инженерных и конфигурационных задач. Для небольших систем DeltaV данный пакет может служить также как интерфейс для операторского управления и диагностики. Таблица 3.1 содержит описание станции Профессиональной ПЛЮС.

Таблица 3.1

Приложения, которые входят в состав пакета	Лицензии, которые можно добавить	Неразрешенные Приложения
AMSinside (Ff) Конфигурационная база данных** Пакет ПО «Студия Конфигурирования» Архиватор данных процесса, 250 параметров Студия управления-Онлайн Диагностика Журнал Событий ** ПО «Просмотр Истории» Интерфейс оператора** Пакет ПО «Студия Рецептур» Автонастройщик	Интерфейс Оператора рецептур, VE2146 Базовое управление периодическими процессами, VE2234Sxxxx Профессиональное управление периодическими процессами, VE2236Sxxxx Служба удаленного доступа DeltaV для пакета «Профессиональный ПЛЮС», VE2151	Архиватор данных рецептур Управляющее ПО «Вычисления» Архиватор данных процесса, >250 параметров Управляющее ПО «Сбор Данных» OPC сервер, >250 значений

Система DeltaV поддерживает три языка управления, так что всегда можно выбрать наиболее подходящий язык для конкретной задачи. Можно использовать Диаграммы функциональных блоков (ДФБ), Диаграммы функциональных последовательностей (ДФП) и структурированный текст (СТ), что делает разработку стратегии управления интуитивно понятной и простой.

Функциональность лицензии "Сбор данных" включена в базовую функциональность ПО "Профессиональное ПЛЮС".

Пример: Если заказывается лицензия "Профессиональная ПЛЮС" на 1000 ТПУ и "Управление" на 200 ТПУ, то 800 ТПУ можно использовать для контроля (регистрации данных, мониторинга). В модулях, которые выполняют только функции мониторинга, можно использовать перечисленные ниже функциональные блоки. Применение других функциональных блоков в модуле или использование параметров, ссылающихся на модули только для мониторинга, приведет к тому, что все ТПУ этого модуля будут рассматриваться как ТПУ для управления.