Размещено на http://www.allbest.ru/

153

Введение

В нашей стране действуют десятки тысяч различных по оснащению и назначению котельных. Большое распространение получило строительство котельных работающих на газовом топливе. Т.к. транспортировка и подготовка газа проще, технологический процесс сжигания газа менее сложен, чем других видов топлива, при сжигании газа менее страдает экология.

Отопительные и отопительно-производственные котельные занимают одно из ведущих мест среди потребителей топливных ресурсов, расходуя до 50% добываемого в стране топлива. В настоящее время в городах и поселках насчитывается более 120 тыс. котельных, среди которых более 100 тыс. работают на газовом топливе и мазуте.

В настоящее время уровень автоматизации технологических установок на котельных остается низким. Котельные в основном эксплуатируются с обслуживающим персоналом непосредственно вмешивающимся в управление технологическим процессом. Применяемые средства автоматизации и приборы в основном прямого воздействия без использования технологического контроллера.

Техническая эксплуатация отопительно-производственных котельных связана с трудоемкими и утомительными для ручного обслуживания процессами. Нарушения нормального хода технологических процессов на котельных могут вызвать аварии отопительных систем и тяжелые последствия. Поэтому непременным условием эксплуатации котельных является автоматизация основного и вспомогательного оборудования, обеспечивающая сохранение материального и энергетического баланса установки при оптимальном КПД, минимальном загрязнении окружающей среды, минимальных потребностях топливно-энергетических ресурсов, безопасной работе при любых нагрузках.

Совершенствование приборов и методов измерения позволяет получать более точные результаты измерений, в частности уменьшить погрешность измерения расхода газа, что позволяет потребителю экономить большие финансовые средства. При автоматизации и управлении технологическими объектами широко используют микропроцессорные средства контроля и управления.

1. Описание технологического процесса котельной на комплексном пункте сбора

1.1 Общие понятия о котельной

Устройства, служащие для получения водяного пара заданных параметров, называют котельными установками.

По назначению котельные установки делятся на энергетические, производственные и отопительно-производственные. В энергетических котельных установках вырабатывается пар для привода турбин. В производственных пар вырабатывается для разных технологических нужд, а в отопительно-производственных для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения производственных и жилых зданий. Котельные установки состоят из котлоагрегата и вспомогательного оборудования. В свою очередь котлоагрегат состоит из котла, топочного устройства, водяного экономайзера, пароперегревателя, воздухоподогревателя, арматуры, гарнитуры, каркаса и обмуровки. Рабочим телом котлоагрегата является вода.

Вспомогательное оборудование котельной установки, куда относятся питательные насосы, тягодутьевые установки, паропроводы и др. оборудование, предназначено для подачи воды, топлива и воздуха в котлоагрегат, а также для удаления золы, дымовых газов, и шлака. Кроме того, к вспомогательному оборудованию относятся приборы, аппараты, устройства для контроля и автоматического регулирования режима работы котлоагрегата.

В зависимости от производительности котлоагрегаты делятся на котлы малой мощности, которые могут вырабатывать пар до 5.5 кг/с (19.8 т/ч); котлы средней мощности, вырабатывающие пар до 30 кг/с (108 т/ч), и котлы большой мощности производительностью до 1000 кг/с (3600 т/ч).

Паровые котлы ДЕ предназначены для выработки перегретого пара или насыщенного, используемого для технологических нужд промышленных предприятий, на теплоснабжение систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Непосредственно в котельной стоят котлы типа ДЕ 6,5-14-ГМ.

Котлоагрегаты данного типа работают на газо-мазутном топливе.

1.2 Описание технологического процесса

Технологический процесс котельной установки представляет собой совокупность двух процессов:

- подготовка воды;

- получение пара.

Исходная вода с температурой 10-15°С поступает на вход блока насосов БН-1, состоящий из центробежных секционных насосов ЦНС 38-132, которые создают необходимое давление 0,5 МПа воды на выходе. Вода с насосов поступает в теплообменник ТО-1, используемый для подогрева воды дымовыми газами при температуре 150°С. Вода нагревается до температуры 45°С. После подогрева вода подается в фильтр ХВО.

Ионитный натрий-катионитовый фильтр ХВО представляет собой металлический цилиндрический сосуд, заполненный практически нерастворимым в воде материалом (катионитом), способным вступать в ионный обмен с растворенными в воде солями. Через распределительное устройство, расположенное в верхней части фильтра, вода фильтруется через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы натрия. При этом катионит поглощает из воды ионы кальция и магния, обуславливающие ее жесткость, а в воду переходит из катионита эквивалентное количество ионов натрия. Когда обменная способность натрий-катионита в процессе фильтрования через него жесткой воды истощается, натрий-катионит подвергается регенерации вытеснением из него ранее поглощенных ионов кальция и магния 6-8%-ным раствором поваренной соли. Для приготовления этого раствора применяется солерастворитель. Таким образом, в фильтре происходит обменная ионная реакция, в результате которой концентрация растворенных в воде катионов жесткости снижается (вода умягчается), что предотвращает образование накипи. Отвод умягченной воды из фильтра осуществляется через дренажное устройство, расположенное в нижней части корпуса.

Пройдя фильтр ХВО, умягченная вода дополнительно подогревается в теплообменнике ТО-2 до температуры 60°С и поступает в деаэратор атмосферного давления ДА-5/4, производительностью 5 т/ч. Деаэрацией называется удаление из питательной и подпиточной воды растворенных в ней газов (кислорода О2, двуокиси углерода СО2), вызывающих коррозию питательных трубопроводов, поверхностей нагрева котлов и систем теплоснабжения. Количество воды, поступающей в деаэратор, регулируется клапаном. Питательная вода из деаэратора с давлением 0,12 МПа поступает в блок насосов БН-2, которые подымают давление воды до 1,5 - 2,0 МПа (15...20 кгс/см2), чтобы преодолеть давление пара в барабане котла. Этот блок состоит из трех центробежных насосов (два рабочих, один резервный), управляемых электродвигателями. Насосы имеют три основные характеристики: подача (количество воды, перекачиваемой в единицу времени, м3/ч); напор (максимальное давление, создаваемое насосом, м вод. ст.) и допустимая температура воды на входе воды в насос. Для питания парового котла с давлением пара 1,4 МПа (14кгс/см2) используется насос типа ЦНСГ-38-176. Это центробежный насос секционный для горячей воды с подачей 38 м3/ч, создающий напор 176 м вод. ст. и имеющий допустимую температуру воды на всасе 105 °С. Блок насосов БН-2 обеспечивает подачу воды в паровой котел.

Получение пара из воды слагается из трех процессов:

- подогрева воды до температуры кипения;

- кипение воды, когда жидкая фаза переходит в насыщенный пар;

- перегрев пара до заданной температуры (при наличии пароперегревателя).

Тепло, необходимое для получения пара, 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 пароперегревателях.

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 воздействием давления воды или пара. Отсюда и 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 данных 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 до температуры 140°С. Барабан котла служит распределителем котловой воды и сборником образующего пара. С помощью опускных труб вода из барабана поступает в нижние коллекторы (сборники или распределители), к которым присоединяются трубы экранов, вертикально установленные по внутренним стенкам топочной камеры. Другим концом экранные трубы присоединяются к барабану котла. Как говорилось, экранные трубы представляет поверхность нагрева котла и предназначены для получения пара, кроме того, они защищают стенки топочной камеры от температуры. В результате радиационного (лучевого) 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).

Дымовые газы (продукты сгорания) из топки отсасываются дымососом и выбрасываются через дымовую трубу 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. Образовавшийся пар расходуется на собственные нужды (подогрев воды в деаэраторе). Другая часть пара поступает на нужды производства, оставшаяся часть поступает к пароводяным теплообменникам для подогрева воды системы отопления [1].

1.3 Состав и описание объекта автоматизации

1.3.1 Котел паровой газо-мазутный

Газомазутные паровые вертикальные водотрубные котлы типа ДЕ предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара, используемого на технологические нужды, отопление и горячее водоснабжение. Котлы этого типа выпускаются на номинальную паропроизводительность 4; 6,5; 10; 16 и 25 т/ч при рабочем давлении 1,4 и 2,4 МПа (14 и 24 кгс/см2).

Конструктивной особенностью таких котлов является размещение топочной камеры сбоку конвективного пучка, образованного вертикальными трубами, развальцованными в верхнем и нижнем барабанах. При этом в максимальной степени использована унификация деталей и сборочных единиц, применяемых в котлах типов ДКВР и ДЕ.

Техническая характеристика котлов ДЕ-6,5-14ГМ представлена в таблице 1.1 [16].

Таблица 1.1 - Техническая характеристика котла

№	Наименование параметра	Единицы измерения	Величина
1	Паропроизводительность	т/ч	6,5
2	Рабочее избыточное давление	МПа	1,4
3	Температура насыщенного пара	°С	194
4	Температура перегретого пара	°С	225
5	Поверхность радиационная нагрева	м2	49,2
6	Поверхность конвективная нагрева	м2	115,0
7	КПД при сжигании: - газа - мазута	%	90,31 88,94
8	Температура питательной воды, не ниже	°С	100
9	Температура дымовых газов за экономайзером: - на газе - на мазуте	°С	140-150 175-180
10	Габариты котла: - длина - ширина - высота	мм	8655 5205 6050

1.3.2 Деаэратор (ДА-5/4)

Деаэраторы атмосферного давления типа ДА производительностью 5,15,25,25,50 и 100 т/ч применяются для дегазации питательной и подпиточной воды в котельных с паровыми котлами.

На данной котельной установке используется деаэратор типа ДА-5/4. Деаэратор состоит из деаэраторного бака, деаэрационной колонки и гидрозатвора. Деаэраторный бак представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд с эллиптическими днищами и патрубками входа и выхода рабочей среды, трубопроводов для подключения и арматуры. На баке размещена деаэрационная колонка КДА-15, которая представляет собой цилиндрическую обечайку с эллиптическим днищем, патрубками для подвода и отвода рабочей среды. Для обеспечения безопасной эксплуатации деаэратора предусмотрено предохранительное устройство - гидрозатвор, защищающий его от опасного превышения давления и уровня воды в баке.

В деаэраторе применена двухступенчатая схема дегазации: первая - струйная, вторая - барботажная. В деаэраторе ДА-5/4 первая ступень дегазации находится в деаэрационной колонке, вторая - в деаэраторном баке.

Основные технологические параметры деаэратора представлены в таблице 1.2 [24].

Таблица 1.2 - Основные технологические параметры деаэратора

№ п/п	Наименование параметра	Единицы измерения	Величина
1	Номинальная производительность	т/ч	5
2	Рабочее давление	МПа	0,12
3	Температура деаэрированной воды	°С	104,2
4	Средний подогрев воды в деаэраторе	°С	10-30
5	Полезная емкость деаэраторного бака	м3	4
6	Масса	кг	1600
7	Габариты деаэратора: - длина - ширина - высота	мм	3325 1616 3650

1.3.3 Экономайзер (ЭБ1-330И)

Экономайзеры чугунные блочные предназначены для нагревания питательной воды в паровых и водогрейных стационарных котлах с рабочим давлением до 2,4 МПа.

Применение чугуна в поверхностях нагрева и соединительных деталях значительно увеличивает срок службы по сравнению со стальными экономайзерами. Использование паровой (П) или газоимульсионной (И) очистки позволяет постоянно иметь чистые поверхности нагрева, а значит экономить топливо при минимальном обслуживании и полном исключении ручного труда.

Основные технологические параметры экономайзера представлены в таблице 1.3 [9].

Таблица 1.3 - Основные технологические параметры экономайзера

№ п/п	Наименование параметра	Единицы измерения	Величина
1	Площадь поверхности нагрева	м2	330,4
2	Количество колонок	-	1
3	Длина труб	м	2,0
4	Гидравлическое сопротивление	МПа	0,2
5	Температура воды на входе (минимальная)	оС	100
6	Температура воды на выходе (минимальная)	оС	140
7	Аэродинамическое сопротивление	Па	350
8	Габаритные размеры: - длина - ширина - высота	мм	3125 1330 3645
9	Масса	кг	11500
10	Количество труб	штук	105

1.3.4 Дутьевой вентилятор (ВДН-9-1500)

Центробежные дутьевые вентиляторы одностороннего всасывания типа ВДН предназначены для подачи воздуха в топки паровых котлов.

Максимально допустимая температура перемещаемой среды на входе в вентиляторы +200°С, температуре окружающего воздуха не ниже -30°С и не выше +40°С. Вентиляторы рассчитаны на продолжительный режим работы в помещении и на открытом воздухе (вне помещения под навесом) в условиях умеренного климата. Такими вентиляторами комплектуются котлы с уравновешенной тягой паропроизводительностью 1..25 т/ч.

Техническая характеристика дутьевого вентилятора ВДН-9-1500 представлена в таблице 1.4 [24].

Таблица 1.4 - Техническая характеристика дутьевого вентилятора

№ п/п	Наименование параметра	Единицы измерения	Величина
1	Направление вращения	-	лев./прав.
2	Производительность	тыс.м3/ч	14,9
3	Давление	Па	2830
4	Потребляемая мощность	кВт	14,2
5	Масса	кг	548
6	Длина	мм	1205
7	Ширина	мм	1490
8	Высота	мм	1360

1.3.5 Вытяжной вентилятор (ВДН-11,2-1500)

В качестве дымососов на газомазутных котлах применяются вентиляторы типа ВДН-11,2-1500. Они предназначены для отсасывания дымовых газов из топок котельных агрегатов, рассчитаны на продолжительный режим работы в помещении и на открытом воздухе в условиях умеренного климата.

Запуск разрешается при температуре в улитке не ниже -30°С. Максимальная температура газов на входе в дымососы не должна превышать +200°С.

Техническая характеристика вытяжного вентилятора ВДН-11,2-1500 представлена в таблице 1.5 [17].

Таблица 1.5 - Техническая характеристика вытяжного вентилятора

№ п/п	Наименование параметра	Единицы измерения	Величина
1	Направление вращения	-	лев./прав.
2	Производительность	тыс.м3/ч	28,7
3	Давление	Па	4410
4	Потребляемая мощность	кВт	42,5
5	Масса	кг	1026
6	Длина	мм	1505
7	Ширина	мм	1845
8	Высота	мм	1690

1.4 Функции системы управления

1.4.1 Основные функции при управлении котлом ДЕ-6,5/14-ГМ

АСУТП котлов предназначена для выполнения всех функций управления котлом, как в автономном режиме, так и в составе АСУТП котельной.

Основные функции системы:

- пуск, штатный и аварийный останов котла;

- автоматическое регулирование технологических параметров и поддержание заданной мощности котла;

- логическое управление технологическим оборудованием в соответствии с запрограммированными алгоритмами;

- реализация защит и блокировок в соответствии с нормативными документами на водогрейные и паровые котлы;

- передача значений контролируемых параметров на АРМ оператора;

- прием и исполнение команд дистанционного управления от АРМ оператора и местного пульта управления;

- диагностика состояния технических средств системы.

1.4.2 Функции отображения, регистрации и сигнализации

а) визуализация:

измерение и отображение в цифровой форме технологических параметров (в виде отдельных величин или в виде группы взаимосвязанных величин) по требованию оператора;

вывод основных технологических параметров и состояний оборудования на мнемосхемы;

обнаружение и оперативное отображение отклонений технологических параметров и показателей состояний оборудования за установленный промежуток времени;

реализация диалога с оператором.

б) регистрация:

1) обнаружение, регистрация, сигнализация отклонений технологических параметров и показателей состояний оборудования за установленные пределы;

2) формирование графиков изменения основных технологических параметров;

3) обнаружение и регистрация аварий.

в) автоматическое управление:

1) на основе полученных данных о технологическом процессе, осуществляется управление исполнительными механизмами по определенному алгоритму;

2) регулирование заданных технологических параметров.

г) формирование и печать отчетно-учетных документов по запросу оператора.

2. Автоматизация технологического процесса

2.1 Структура АСУ ТП

Нижний уровень включает в себя датчики давления, исполнительные механизмы, термометры сопротивления, блоки питания, а также средства дистанционного управления исполнительными механизмами с клапанами и задвижками, позволяющие оператору при необходимости вести технологический процесс в ручном (аварийном) режиме работы.

Средний уровень системы управления разработан на базе технологического микропроцессорного управляющего контроллера SLC-5/04 фирмы "ALLEN-BRADLEY" и выполняет следующие основные функции:

- cбор и обработку аналоговых измерений;

- cбор и обработку цифровых сигналов аварий, предупредительной сигнализации и состояний технологического оборудования;

- контроль выхода за уставки технологических параметров и формирование соответствующих аварийных или предупредительных сигналов;

- выдача управляющих воздействий на различные механизмы;

- обмен информацией со вторым уровнем управления;

- автоматическое регулирование.

Верхний уровень системы управления реализован на базе ПЭВМ промышленного исполнения и выполняет следующие функции:

- выполняет обработку полученной информации, формирует базы данных замеров, ведет предысторию событий и аварий;

- обеспечивает непрерывный круглосуточный обмен информацией с контроллером;

- формирует и архивирует массивы информации по заданным параметрам;

- отображает полученную информацию в виде таблиц или на мнемосхемах с возможностью показа, как полного перечня параметров, так и параметров по конкретной технологической подсистеме;

- отображает графики изменения физических величин в виде кривых; Обеспечивает формирование и печать отчетно-учетных документов.

2.2 Объекты и объемы автоматизации котельной установки

Объёмы автоматизации котельной установки определяются из условия обеспечения её работы без оперативного персонала, с формированием аварийных сигналов оповещения и аварийного останова котла при возникновении аварийной ситуации и пожаре.

На данной котельной установке комплексного сборного пункта предусматривается технологическая и аварийная сигнализации.

Технологическая сигнализация служит для предупреждения обслуживающего персонала об отклонении параметров от нормы. В качестве звукового сигнала - звонок. Звуковой сигнал снимается дежурным персоналом, а световой (световые табло размещены на щитах контроля и управления) горит до устранения нарушения.

Аварийная сигнализация служит для оповещения оператора об аварийном состоянии электродвигателей основного оборудования. В качестве звукового сигнала принимается ревун, а аварийная световая сигнализация осуществляется красной лампочкой, расположенной над ключом управления электроприводом.

Защита котлоагрегата при возникновении аварийных режимов является одной из основных задач автоматизации котельных установок. Аварийные режимы возникают чаще всего в результате неправильных действий постоянного обслуживающего персонала, преимущественно при пуске котлоагрегата. Схема защиты обеспечивает реализацию заданной последовательности операций при растопке котла и автоматическое прекращение подачи топлива при возникновении аварийных режимов.

Растопка котла осуществляется следующим образом:

а) растопка котельной установки выполняется двумя рабочими с регистрацией в "Журнале газоопасных работ, выполняемых без наряда-допуска";

б) пуск в работу котельной установки без включения приборов защиты и контроля запрещается;

в) растопка котла производится при слабом огне, уменьшенной тяге

г) (-0,1-(-0,15) МПа), закрытой паровой задвижке и открытом вентиле. Нагрузка должна составлять 10 - 15% номинальной производительности котла. Запорную арматуру на газопроводе перед горелкой разрешается открывать только после включения запального устройства или поднесении к ней горящего запальника;

д) при растопке котла необходимо обеспечить равномерный прогрев его частей и заранее включить устройство для подогрева воды в нижнем барабане через вентиль;

е) перед розжигом газовых горелок необходимо произвести в течении 10-15 минут вентиляцию топки котла, путем включения дымососа и вентилятора котла. Аппараты дымососа и вентилятора должны быть в открытом положении. После вентиляции необходимо убедиться в отсутствии в топке взрывоопасной газо-воздушной смеси, путем отбора проб газоанализатором с обязательной регистрацией результатов анализа проб и номера газоанализатора в "Журнале газоопасных работ выполняемых без наряда-допуска". После чего можно приступать к розжигу газовой горелки;

ж) если при розжиге горелки или в процессе регулирования произошел проскок или погасание пламени, подача газа на горелку и запальное устройство должна быть немедленно прекращена. К повторному розжигу разрешается приступать после вентиляции газоходов в течение 10-15 мин, а также устранения причин неполадок;

з) когда из открытого воздушника котла пойдет пар, необходимо закрыть воздушник и дренаж;

и) при давлении пара 0,05-0,1 МПа производится продувка водоуказательных приборов и сильфонной трубки манометра, а также проверка продувочных линий на ощупь (линия должна быть холодной). При продувке водоуказательных стекол:

1) открыть продувочный кран за счет этого продувается стекло;

2) закрыть водяной кран - продувается паровая труба и стекло;

3) открыть водяной кран, закрыть паровой кран и открыть продувочный кран - продувается водяная труба;

4) открыть паровой кран и закрыть продувочный - проверяется уровень воды в стекле.

После продувки уровень в стекле должен быстро повышаться и затем колебаться слегка. Если уровень в стекле повышается медленно, то следует снова продуть водяной кран;

к) при растопке котла необходимо следить за расширением элементов котла.

Перед включением котла в работу должны быть проверены:

1) исправность действия предохранительных клапанов путем их принудительного открытия (они должны быть отрегулированы на начало открытия; контрольный на 1,32 МПа, рабочий на 1,33 МПа) водоуказательных приборов, манометра продувки, питательных устройств, кратковременным включением;

2) проверка и включение автоматики безопасности, сигнализаторов и аппаратуры автоматического управления котлом;

3) проверка показания сниженных указательных уровней воды по указателям уровня воды прямого действия;

4) запрещается включение котла в работу при неисправной арматуре, приборов КИПиА, автоматике безопасности, систем блокировки и сигнализации;

5) включение котла в паропровод осуществляется медленным открытием задвижки после тщательного прогрева и продувки паропровода через дренаж;

6) перед включением котла в общий паропровод необходимо произвести его периодическую продувку. Периодическая продувка котла производится последовательно с передней части нижнего барабана, задней части нижнего барабана и бокового коллектора. При периодической продувке сначала открываются ближний, а затем дальний вентиль от котла, прекращение продувки происходит в обратном порядке;

7) при включении котла в работающий общий паропровод давление в нем должно быть равно или несколько ниже (0,05 МПа) давления в паропроводе. Если при включении в паропроводе будут возникать толчки и гидроудары, то включение следует приостановить и увеличить дренирование;

8) при растопке котла необходимо следить за расширением элементов котла;

9) время начала растопки, и ее окончание, должны быть записаны в сменном журнале.

Схема защиты позволяет решать задачи:

- контроль за правильным выполнением предпусковых операций;

- включение тягодутьевых устройств, заполнение котла водой и т.д.;

- контроль за нормальным состоянием параметров;

- дистанционный розжиг запальника со щита управления;

- автоматическое прекращение подачи газа к запальникам после кратковременной совместной работы запальника и основной горелки, если факелы запальника и горелки имеют общий прибор контроля.

Паровые котлы независимо от давления и паропроизводительности при сжигании газообразного и жидкого топлива должны быть оборудованы устройствами прекращающими подачу топлива к горелкам в случае:

- понижения или повышения давления газообразного топлива перед горелками;

- понижения давления жидкого топлива перед горелками;

- понижения или повышения уровня воды в барабане;

- уменьшения разряжения в топке;

- повышения давления пара (только при работе котельных без постоянного обслуживающего персонала);

- понижения давления воздуха перед горелками (для котлов, оборудованных горелками с принудительной подачей воздуха);

- погасания факела горелок, отключение которых при работе котла не допускается;

- неисправности цепей защиты, включая исчезновение напряжения.

Система автоматического регулирования котла включает в себя четыре регулятора и делится на две части:

- регулятор уровня воды в барабане котла;

- регуляторы процесса горения.

Процессом горения управляют три регулятора: соотношения "топливо-воздух" и разрежения в топке, давления пара.

Регулирование процесса горения -- это процесс связанного регулирования, т. к. изменение нагрузки котла влечет изменение расхода топлива, воздуха и отсасываемых продуктов сгорания. Данная система регулирования должна реагировать на внутренние и внешние возмущения. К внутренним относятся возмущения, связанные с изменением подачи топлива, износом регулирующих органов, а к внешним относятся возмущения, связанные с расходом пара с котла и другие.

В отопительных и отопительно-производственных котельных, работающих на газе, находят применение комплексные системы автоматики, каждая из которых в зависимости от назначения и мощности котельной, давления газа, вида и параметров теплоносителя имеет свою специфику и область применения.

Основные требования к автоматизации отопительных котельных предусматривают обеспечение безопасной их эксплуатации и рациональное регулирование расхода топлива.

Показатели совершенства применяемых систем автоматизации является их самоконтроль, т.е. подача сигнала об аварийном выключении котельной или одного из котлов и автоматическая фиксация причины, вызвавшей аварийное отключение.

Некоторые из серийно выпускаемых систем автоматики позволяют осуществлять полуавтоматический пуск и останов котлоагрегатов, работающих на газовом и жидком топливе. Одна из особенностей систем автоматизации газифицированных котельных является полный контроль за безопасностью работы оборудования и агрегатов. Система специальных защитных блокировок должна обеспечить отключение подачи топлива при:

- нарушении нормальной последовательности пусковых операций;

- отключении дутьевых вентиляторов;

- нарушении тяги в топке котла;

- понижении (повышении) давления газа ниже (выше) допустимого придела;

- погасании факела;

- понижении уровня воды в котле;

и в других случаях отклонения параметров работы котлоагрегатов от нормы.

Поэтому современные системы автоматизации состоят из оборудования и приборов, обеспечивающих комплексное регулирования режима и безопасность их работы. Для диспетчеризации котельных необходима высокая степень надежности работы исполнительных органов и датчиков систем автоматики. В ряде случаев ограничиваются применением в котельных автоматики "минимум" предназначенной для контроля лишь основных параметров (частичная автоматизация).

К выпускаемым и вновь разрабатываемым системам автоматизации отопительных котельных предъявляется ряд технологических требований:

- блочность, т. е возможность лёгкой замены вышедшего из строя блока;

- агрегатность, т. е. возможность набора любой схемы из ограниченного числа унифицированных элементов.

- Наличие устройств, позволяющих осуществлять телеуправление автоматизированными установками по минимальному количеству каналов связи минимальная инерционность и быстрейшее возвращение к норме при любом возможном разбалансе системы.

- Полная автоматизация работы вспомогательного оборудования:

регулирование давления в обратном коллекторе (подпитка теплосети), давления в головке-деаэратора, уровня воды в баке-аккумуляторе деаэратора и др.

2.2.1 Контур регулирования давления пара в барабане котла

Назначение - удерживать постоянной заданную величину давления пара в пределах точности регулирования путем изменения подачи топлива при колебаниях расхода пара с котла от 20 до 120% его мощности.

Нижний предел (20%) определяется началом диапазона регулирования горелок, которыми регулируются котлы ДЕ. Верхний предел (120%) определяется тем, что кратковременно разрешается перегрузка котла.

Импульс по давлению пара для регулятора поступает из барабана котла. В данной ситуации регулятор стремится поддерживать постоянным давление пара в барабане; он также участвует и в регулировании общей нагрузки котельной.

2.2.2 Контур регулирования соотношения "газ-воздух"

Назначение - поддерживать заданное соотношение между количеством топлива и воздуха во всем диапазоне изменения подачи топлива, которое определяется по графику. Необходимые данные получают при теплотехнической наладке котла.

Для полного сжигания топлива используются несколько технологических зависимостей между топливом и воздухом. Исходя из этого, строятся и схемы автоматического регулирования: "давление топлива - давление воздуха"; "расход пара -- расход (давление) воздуха"; "положение РО топлива -- расход (давление) воздуха" и "количество кислорода 02 в уходящих газах -- количество воздуха".

Оптимальное количество воздуха будет выдерживаться, когда измеряется не только расход топлива, но и его качественные показатели: состав, температура, влажность и т.д. Наиболее точно это учитывается САР подачи воздуха, удерживающей избыток (1,0-1,5%) кислорода 02 в уходящих газах. Однако из-за сложности измерения кислорода наиболее часто применяется схема регулирования соотношения "топливо -- воздух".

Измерение количества топлива заключается в измерении давления непосредственно на газовой горелке при постоянном сечении их выходных отверстий. Такой метод измерения предусматривает и режимная карта котла.

Количество воздуха, подаваемого в топку, обычно измеряется по давлению воздуха в воздуховоде перед котлом. Если на воздуховоде к котлам нет ручных заслонок, т. к. горелка одна, то можно измерять количество воздуха по величине давления в общем воздуховоде к котлам. В противном случае если прикрыть ручные заслонки на горелках, то давление воздуха в общем воздухопроводе возрастет, что как бы свидетельствует об увеличении количества воздуха от первоначального положения ручных заслонок и регулятор будет прикрывать направляющий аппарат вентилятора, хотя на горелки идет меньше воздуха и нужно наоборот увеличивать подачу воздуха.

2.2.3 Контур регулирования разрежения

Назначение - полное удаление продуктов сгорания независимо от величины нагрузки котла. Этого можно достичь при соответствии производительности дымососа в каждый момент производительности вентилятора и количеству топлива. Показателем такого соответствия является разрежение в топочной камере котла.

Избыточное давление в топке приводит к выбиванию газов и пламени из топки в помещение котельной. С увеличением же разрежения в топке резко возрастают присосы воздуха, снижающие экономичность работы котла за счет потерь с уходящими газами и увеличение расхода электроэнергии на тягу.

На регулятор разрежения возлагается задача поддержания постоянного с высокой точностью. Конкретная величина разрежения зависит от конструкции топки и места отбора импульса. Дело в том, что в различных по высоте зонах топки разрежение неодинаково. Для топок котлов типа ДЕ место отбора разрежения располагается с фронта котла в верхней части топки над горелкой.

Основное требование к регулятору - максимально возможное быстродействие, так как топка как объект регулирования разрежения практически безинерционна.

При увеличении количества воздуха, подаваемого в топку, разрежение в топке уменьшится, одновременно снижается поступление воздуха через неплотности обмуровки. Это говорит о значительном самовыравнивании топки как объекта регулирования разрежения.

Из сказанного следует, что регулятор не должен иметь остаточной неравномерности и может быть простым по закону регулирования. Как правило, для котлов типа ДЕ ставят интегральный одноимпульсный регулятор разрежения.

2.2.4 Контур регулирования уровня в барабане котла

Назначение - поддерживать уровень воды в барабане постоянным с точностью 5 мм при изменении расхода пара с котла от 10 до 120%.

Уровень воды в барабане является одним из основных регулируемых параметров паровых котлов. В равновесном состоянии участок питания котла характеризуется равенством между количеством поступающей воды и расходом пара с котла. Если это условие выдерживается, то уровень воды будет неизменным. Отклонение уровня происходит по следующим причинам: изменение подачи воды, расхода пара, теплонапряжения топки и давления пара в барабане. Отклонения уровня от среднего положения при его регулировании не должны превышать 20 - 30 мм, так как в случае отказа регулятора достаточно 3 - 4 мин до упуска воды из барабана или его перепитки. Упуск воды приводит к разрыву экранных труб и выходу котла из строя; перепитка барабана котла приводит к повышению давления пара, к забросу воды в паропровод, гидравлическим ударам и возможным разрывам паропроводов.

В то же время барабанный котел обладает рядом свойств, затрудняющих поддержание уровня в переходных режимах. При нанесении возмущения процесс изменения уровня характеризуется запаздыванием, "набуханием" и отсутствием самовыравнивания. В барабане котла регулируется уровень смеси пара и воды (эмульсии), удельный вес которой меньше удельного веса воды. Поэтому в котлах типа ДЕ, работающих на газе и мазуте, в случае резкого изменения нагрузки происходит изменение уровня в ту же сторону, в чем и заключается явление - "набухания". Иначе говоря, при повышении нагрузки увеличивается количество пара в экранных трубках, поэтому увеличивается и количество воды, вытесненной паром в барабан котла, что приводит к повышению уровня. "Набухание" тем больше, чем сильнее экранирован котел и меньше давление пара.

"Набухание" вредно сказывается на процессе регулирования. Так, при сбросе нагрузки подачу воды следует уменьшить, но уровень при этом понижается, и регулятор воздействует на увеличение подачи воды. К тому же поступление порции воды, имеющей низкую температуру, приводит к дополнительному снижению уровня. Первоначальное изменение уровня в сторону, противоположную знаку возмущения, приводит к запаздыванию регулирования.

Таким образом, задача регулирования уровня из-за отсутствия самовыравнивания, наличия "набухания" и запаздывания значительно усложняется.

Для котлов ДЕ производительностью до 25 т/ч и давлением 1,4 МПа (14 кгс/см2) практически применяется одноимпульсный изодромный регулятор питания водой барабана котла.

Питательная вода из деаэратора с давлением 0,02 МПа (0,2 кгс/см2) подается на питательный насос, который подымает давление воды до 1,5..2,0 МПа (15..20 кгс/см2), чтобы преодолеть давление пара в барабане котла. Затем вода через регулирующий орган поступаёт в экономайзер где она нагревается до температуры на 20..30°С меньше, чем температура котловой воды. Оттуда питательная вода поступает в барабан котла.

Для предупреждения обслуживающего персонала об отклонении основных технологических параметров от нормы предусматривается технологическая светозвуковая сигнализация. Схема технологической сигнализации котельной разделяется, как правило, на схемы сигнализации котлоагрегатов и вспомогательного оборудования котельной. В котельных с постоянным обслуживающим персоналом должна предусматриваться сигнализация:

- остановка котла (при срабатывании защиты);

- причины срабатывания защиты;

- понижения температуры и давления жидкого топлива в общем трубопроводе к котлам;

- понижения или повышения давления воды в обратном трубопроводе тепловой сети;

- понижения давления воды в питательной магистрали;

- повышения или понижения уровня в баках (деаэраторных, аккумуляторных систем горячего водоснабжения, конденсатных, питательной воды, хранения жидкого топлива и др.), а также понижения уровня в баках промывочной воды;

- повышения температуры в баках хранения жидких присадок;

- неисправность оборудования установок для снабжения котельных жидким топливом (при их эксплуатации без постоянного обслуживающего персонала);

- повышения температуры подшипников электродвигателей при требовании завода-изготовителя;

- понижения величины рН в обрабатываемой воде (в схемах водоподготовки с подкислением);

- повышения давления (ухудшения вакуума) в деаэраторе;

- повышения или понижения давления газа.

Схема автоматизации котельной представлена в приложении А.

2.3 Выбор и обоснование технических средств автоматизации

Основным критерием при выборе современного датчика является его интеллектуальность. Под этим термином понимается не просто наличие в датчике микропроцессора, а программируемая многофункциональность датчика, модульность его построения, наличие в нем интерфейсов к типовым цифровым полевым сетям.

В функции современного интеллектуального датчика обычно входят:

- хранение архива измеренных значений;

- первичная обработка измеренных значений, контроль их выхода за заданные границы;

- преобразование измерений в заданные технические единицы с коррекцией по влияющим на точность измерения факторам;

- самодиагностика и тестирование с выдачей сообщений оператору о наименовании обнаруженной неисправности датчика;

- дистанционная, с пульта оператора настройка шкалы датчика, установка его нуля и градуировка.

Для измерения температуры воды используем датчик ТСПУ Метран-276.

Термопреобразователь ТСПУ Метран-276 предназначен для измерения температуры нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым материал защитной арматуры является коррозионно-стойким.

Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей [2].

Технические характеристики и параметры датчика ТСПУ Метран-276 приведены в таблице Г.1 в приложении Г.

Для измерения температуры дымовых газов используем датчик ТСП Метран-206.

Термопреобразователь ТСП Метран-206 предназначен для измерения температуры жидких и газообразных химически неагрессивных сред, а также агрессивных, не разрушающих материал защитной арматуры [2].

Технические характеристики и параметры датчика ТСП Метран-206.приведены в таблице Г.2 в приложении Г.

Для измерения температуры подшипников насосов используем преобразователь ТСП Метран-246 [2].

Технические характеристики и параметры датчика Метран-246 приведены в таблице Г.3 в приложении Г.

Для измерения температуры подшипников вентиляторов выберем преобразователь ТСМ Метран-243.

Назначение: для измерения температуры малогабаритных подшипников и поверхности твердых тел [2].

Технические характеристики и параметры датчика ТСМ Метран-243 приведены в таблице Г.4 в приложении Г.

Для контролирования кавитации потока воды после насосов используем датчик ДМ - 2005 - Сг - 1Ех.

Манометры, показывающие сигнализирующие ДМ - 2005 - Сг - 1Ех предназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления различных сред и управлений внешними электрическими цепями от сигнализирующего устройства прямого действия.

Приборы являются взрывозащищёнными с видом взрывозащиты "взрывонепроницаемая оболочка" [7].

Технические характеристики и параметры датчика ДМ - 2005 - Сг - 1Ех приведены в таблице Г.5 в приложении Г.

Для измерения давления газа используем Метран-100-ДИ.

Метран-100-ДИ-предназначен для преобразования избыточного давления в стандартный токовый сигнал дистанционной передачи в системах автоматического контроля, регулирования и управления.

В датчиках измеряемое избыточное давление воздействует на мембрану и преобразуется в усилие на жестком центре, которое через шток передается на рычаг тезопреобразователя. На измерительной мембране размещены тензорезисторы. Деформация измерительной мембраны вызывает изменение сопротивления тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, подается в электронный преобразователь. Электронный преобразователь преобразует электрический сигнал от тензопреобразователя в стандартный токовый выходной сигнал [3].

Технические характеристики и параметры датчика Метран-100-ДИ приведены в таблице Г.6 в приложении Г.

Метран-100-ДД предназначен для измерения разности давлений, а также для измерения уровня расхода в комплекте с ДКС (диафрагма каменная стандартная).

Мембраны приварены по наружному контуру к основанию и соединены между собой центральным штоком, который связан с концом рычага преобразователя с помощью тяги. Воздействие измеряемой разности давлений вызывает прогиб мембран, изгиб мембраны тензопреобразователя и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронный преобразователь [3,5].

Технические характеристики и параметры датчики Метран-100-ДД приведены в таблице Г.7 в приложении Г.

Сигнализатор загазованности СТМ-30 предназначен для непрерывного контроля взрывоопасных концентраций в воздухе помещения и открытых пространств горючих газов, паров и их смесей.

Принцип действия сигнализатора термохимический основанный на изменении теплового эффекта от окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика.

Используется мостовая схема измерения, подается напряжение питания и выходное напряжение [6].

Технические характеристики и параметры датчика СТМ-30 приведены в таблице Г.8 в приложении Г.

УЗС-207 (АД-102И - акустический датчик) - предназначен для контроля одного или 2-х предельных уровней в различных технологических сосудах или резервуарах.

Принцип работы акустического датчика (АД) основан на определении времени прохождения ультразвукового сигнала через рабочий зазор датчика [7].

Технические характеристики и параметры приведены датчика УЗС-207 в таблице Г.9 в приложении Г.

Для контроля наличия пламени используется датчик фотоэлектрический ФД - 1 ТУ1-586-0019-92. Датчик предназначен для преобразования пульсации световой энергии факела пламени в изменения сопротивления датчика и применяется в схемах защиты и сигнализации при погасании факела в топках котлов.

Технические характеристики и параметры приведены датчика ФД - 1 в таблице Г.10 в приложении Г.

Индукционный расходомер марки ЭРИС-ВТ применяют для определения расхода подтоварной воды (с различных установок ДНС, УПН), речной, озерной воды на водозаборных и водонапорных станциях.

Принцип работы основан на возникновении электродвижущей силы в датчике жидкости, которая пересекает магнитное поле [4].

Технические характеристики и параметры датчика ЭРИС-ВТ приведены в таблице Г.11 в приложении Г.

Для измерения разрежения в барабане котла используется многопредельный измеритель давления/разрежения АДР-0.25.2.

Измерители давления многопредельные с цифровой и линейной дискретной индикацией величины давления предназначены для: непрерывного измерения значения абсолютного и избыточного давления воздуха, природных и других газов, неагрессивных к материалам контактирующих деталей (кремний, сталь); формирования дискретных выходных сигналов при достижении давлением заданных уровней (уставок).

Технические характеристики и параметры приведены датчика АДР-0.25.2 в таблице Г.12 в приложении Г.

Счетчик вихревой газовый СВГ. М предназначен для оперативного и коммерческого учета природного газа. Счетчик состоит:

- датчик расхода (ДРГ. М);

- датчик избыточного давления;

- датчик температуры.

Принцип работы: тело находящиеся на пути обтекающих его струй изменяет давление потока до тела обтекания и после него, в результате происходит срыв вихрей. Образование вихрей происходит, поочередно получается дорожка Кармана [4].

Технические характеристики и параметры датчика СВГ. М приведены в таблице Г.13 в приложении Г.

Для измерения объёма пара, а также количества тепловой энергии, переносимой паром, используется счётчик пара вихревой СВП - 2500.

Счётчик пара состоит из датчика расхода газа (пара) вихревого ДРГ.М, датчика расхода конденсата, датчиков температуры, давления с электрическим выходным сигналом 0-5 мА или 4-20 мА, блока контроля теплоты микропроцессорного БКТ.М.

Измеряемая среда - насыщенный или перегретый пар с температурой 100-250⁰С. Датчик расхода преобразует объём проходящего пара при рабочем давлении в последовательность электрических импульсов ценой каждого 1•10^-3 или 0,1•10^-3 м³/имп в зависимости от типоразмера.

Датчик расхода может эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от минус 40 до плюс 50°С.

Технические характеристики и параметры датчика СВП - 2500 приведены в таблице Г.14 в приложении Г.

Механизмы исполнительные электрические однооборотные (МЭО) постоянной скорости предназначены для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств.

Механизмы состоят из следующих основных узлов: электропривода, редуктора, штуцерного ввода, блока сигнализации положения.

Принцип работы механизмов заключается в преобразовании электрического командного сигнала во вращательное перемещение выходного органа.

Электрическое питание механизмов осуществляется трехфазным током напряжением: 220/380, или 240/415В с частотой 50Гц, или 220/380В с частотой 60Гц.

Электрическое питание выносного блока БП - 10 осуществляется от 220В с частотой 60Гц, допустимое отклонение напряжения питания от -15 до +10%, частоты питания ±2% [7].

Для питания всех преобразователей используем блок питания, Метра-602.

Блок питания Метран-602 предназначен для преобразования сетевого напряжения 220В в стабилизированное напряжение 24 или 36В и питания датчиков с унифицированным выходным сигналом:

- датчиков давления серии Метран и др.;

- датчиков температуры серии Метран-270, Метран-270МП, Метран-280 и др.

Блок питания Метран-602 состоит из сетевого трансформатора и двух независимых каналов, каждый из которых имеет стабилизатор, схему электронной защиты.

Схема электронной защиты предназначена для защиты блока питания от перегрузок и коротких замыканий в нагрузке. Блок питания автоматически выходит на рабочий режим после устранения замыкания в нагрузке.

Технические характеристики и параметры датчика Метра-602. приведены в таблице Г.15 в приложении Г.

3. Программируемый логический контроллер в системе автоматизации

3.1 Выбор контроллера

3.1.1 Обзор рынка контроллеров

При выборе контроллера произведем сравнительный анализ нескольких видов программируемых логических контроллеров и на основе данного анализа произведем выбор контроллера наиболее подходящий условиям поставленной задачи. В настоящее время, множество фирм, как зарубежных, так и российских занимается разработками в области создания программируемых логических контроллеров, для их же применения в различных отраслях промышленности. Рассмотрим несколько видов программируемых логических контроллеров:

а) контроллер серии SLC-500 фирмы "Allen-Bradley" (США). Контроллер SLC-500 - широко используются во всем мире.

Плюсы:

1) популярное решение для расширяемых приложений автоматизации;

2) экономичные и легкие в использовании процессоры с большими возможностями;

3) исключительная надежность, подтвержденная в сотнях тысяч приложений;

4) расширенная система команд, включающая косвенную адресацию, широкие математические возможности и вычисление выражений.

Основные характеристики SLC-500:

1) контроллеры с фиксированной конфигурацией на 20, 30 или 40 входов-выходов;

2) быстрый обмен сообщениями по сети, связь с другими сетями, а также связь между модулями в шасси;

3) модульная конструкция ввода-вывода, памяти и интерфейсов связи обеспечивает перестройку и расширение контроллера. При конфигурации контроллера определяется необходимое количество входов-выходов, требуемый объём памяти и тип сети связи. В последствии при необходимости расширения возможностей контроллера можно добавить в него входы-выходы, память или интерфейсы связи;

4) аппаратура контроллера разработана для эксплуатации в тяжёлых промышленных условиях, для противостояния вибрациям, повышенной температуре и электромагнитным помехам;

5) компактная конструкция контроллера позволяет устанавливать его в ограниченном пространстве;

6) удалённый доступ к контроллеру возможен посредством соединения с ним по сетям Ethernet, ControlNet, DeviceNet, DH+, DH-485;

7) удалённый доступ к модулям ввода-вывода, расположенным в другом месте может быть осуществлён посредством связи по сетям ControlNet, DeviceNet и Remote I/O.