1.1 Описание технологического процесса

Исходные продукты - вода, воздух, газ. Готовый продукт - горячая вода.

Вода - жидкость, не имеющая цвета и запаха. Химическая формула - H2O. Вода, поступающая в котел, проходит химическую очистку и деаэрацию, и не должна содержать соли, газы. Основные показатели воды после очистки поступающей в котел: жесткость не более 20 мкг.экв/кг, солесодержание 245 мг/кг, щелочность pH =7, содержание углекислоты недопустимо, содержание O2 до 30 мкг/кг, вязкость ?=0,135 спз, плотность ?=1006,7 кг/м3.

Газ используется природный. Газовое топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов (метан, этан, пропан, бутан, водород, окись углерода, азот, углекислый газ, кислород). Основным элементов газовой смеси является метан. Это газ без цвета, почти без запаха, практически нерастворим в воде, химически малоактивен. Химическая формула CH4.

Жаропроизводительность газа2040 0С. Плотность газа - в 2 раза легче воздуха. Теплота сгорания: QH=8500 ккал/м3, QВ=9500 ккал/м3. Пределы воспламенения: нижний 5%, верхний 15%.

В состав воздуха входят:

азот 78,8%;

кислород 20,95%;

инертные газы 0,94%;

углекислый газ 0,03%.

Готовым продуктом является вода с температурой 1500С, расходом 123,5 т/ч. Эта вода используется для горячего водоснабжения и отопления.

2. Обоснование выбора регулируемых величин и каналов внесения регулирующих воздействий

Из многих параметров характеризующих процесс, необходимо выбрать те, которые подлежат регулированию и изменением которых целесообразно вносить регулирующее воздействие. Для этого необходимы результаты анализа целевого назначения процесса. Исходя из результатов, анализа выбирают критерий управления, его заданное значение и параметры, изменением которых наиболее целесообразно на него воздействовать. Последнее осуществляется на основе статических и динамических характеристик процесса, дающих представление о взаимозависимости параметров.

Показателем эффективности работы водогрейного котла является температура прямой воды. На нее действуют следующие возмущения:

· расход воды через котел;

· расход топлива;

· расход воздуха;

· разряжение;

· температура обратной воды.

Стабилизировать, т.е. устранить все возмущения нельзя, т.к. расход топлива, расход воздуха и разряжение взаимосвязаны. Устранить можно только одно возмущение - расход воды через котел. Расход воды стабилизируется при помощи подпитки обратной воды химически-очищенной водой. Кроме того, температура прямой воды должна изменяться в зависимости от температуры наружного воздуха. Анализируя эти возмущения, можно прийти к выводу, что экономически целесообразным будет использование в качестве регулирующего воздействия изменение подачи топлива. В котельной одновременно работают 2 котла, поэтому целесообразно использовать каскадно-связанное регулирование с главным регулятором. Он воспринимает изменение температуры наружного воздуха и температуры прямой воды, т.е. в общем коллекторе. Воздействует главный регулятор на регуляторы топлива всех котлов. Кроме того, на регулятор топлива подается сигнал от датчика температуры воды за котлом и от датчика температуры обратной воды. Таким образом, подача топлива изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха, температуры в общем коллекторе, температуры воды за котлом и температуры обратной воды. Воздух должен подаваться в таком количестве, чтобы обеспечить полное сжигание топлива. Если воздуха недостаточно, то кроме неполноты сжигания, т.е. экономических потерь будет загрязнение атмосферы. Если воздуха будет избыток, то будет унос тепла в трубу. Таким образом, необходимо регулировать соотношение "топливо-воздух". Топливо может идти разного качества, и расчетный коэффициент соотношения может оказаться не оптимальным. Для повышения качества необходимо контролировать полноту сжигания топлива по содержанию кислорода в дымовых газах. Таким образом, регулятор воздуха будет изменять подачу воздуха в зависимости от расхода топлива, расхода воздуха, с коррекцией по содержанию кислорода в дымовых газах. В данном проекте изменение расхода воздуха затруднительно, так как сечение воздуховода прямоугольное. Тогда регулирование ведется по косвенному параметру - давлению воздуха.

Для процесса горения в топке должно быть создано разряжение, если оно будет недостаточным, то возможно погасание пламени. Если слишком велико, то отрыв пламени от горелки. Разряжение в проекте регулируется в зависимости от расхода воздуха, изменением производительности дымососа.

Итак, в проекте используются следующие САР:

1. САР температуры прямой воды с коррекцией по температуре обратной воды, температуры наружного воздуха изменением расхода топлива в зависимости от температуры в общем коллекторе;

2 САР давление воздуха с коррекцией по содержанию O2 в дымовых газах и по расходу топлива, изменением подачи воздуха;

3 САР разряжения в топке котла с коррекцией по расходу воздуха, изменением производительности дымососа;

4 САР обратной воды, подачей питательной воды.

3. Обоснование выбора контролируемых и сигнализируемых величин

Контролю подлежат те параметры, по значениям которых осуществляется оперативное управление технологическим процессом, а также его пуск и остановка. К таким параметрам относятся все режимные и выходные параметры, а также входные параметры, при изменении которых в объект будут поступать возмущения. Обязательному контролю подлежат параметры, значения которых регламентируются технологической картой.

Контролю подлежат все регулируемые параметры :

· расход обратной воды;

· температура обратной воды;

· температура прямой воды;

· давление воздуха;

· концентрация кислорода в дымовых газах;

· разряжение в топке котла;

· температура воды в коллекторе.

Кроме регулируемых параметров контролю подлежат следующие:

· расход газа;

· давление воды на входе и выходе из котла;

· расход воды в коллекторе и расход прямой воды;

· температура дымовых газов за котлом;

· давление воздуха после дутьевого вентилятора;

· давление газа;

· разряжение перед дымососом;

· содержание метана в помещении;

· наличие пламени.

Контроль расхода газа и расхода воды необходим для расчета технико-экономических показателей.

Контроль давления воды необходим для того, чтобы определить, есть ли расход воды через котел. При уменьшении расхода давление понижается. Контроль давления воздуха после дутьевого вентилятора необходим для определения работы вентилятора. Понижение давления воздуха происходит в случае отключения вентилятора или закрытия его направляющего аппарата при неисправности регулятора воздуха. При понижении давления воздуха может произойти отрыв факела или его погасание. Так как в момент отключения вентилятора воздух в топку не поступает, разряжение увеличивается, происходит отрыв факела.

Понижение давления газа ниже допустимого приводит к погасанию факела. Поэтому давление топлива необходимо контролировать.

При повышенных разряжениях в газоходе будет велик присос наружного воздуха через всякого рода неплотностях в обмуровке, это ухудшит условия теплопередачи, снизится производительность за счет повышенной потери с отходящими газами. Поэтому необходим контроль разряжения перед дымососом.

Метан в смеси с воздухом создают взрывоопасную газовоздушную смесь, взрывающуюся от источника открытого огня. Она действует на человека удушающе и отравляюще, поэтому необходимо контролировать содержание метана CH4 в помещении.

При погасании факела, топка котла и помещение заполняются газом, и может произойти взрыв.

Для предотвращения этого предусмотрен контроль по наличию пламени в топке котла.

Сигнализации подлежат все параметры, изменения которых могут привести к аварии, несчастным случаям или серьезному нарушению технологического режима. К ним относятся:

· повышение температуры воды за котлом;

· понижение и повышение давления газа;

· понижение давления воды в обратном трубопроводе;

· наличие пламени;

· повышение метана CH4 в помещении;

· понижение давления воздуха;

· повышение разряжения дымовых газов;

· понижение расхода газа;

· повышение кислорода в дымовых газах.

Оперативный технологический персонал при оповещении его устройствами сигнализации о нежелательных событиях должен принять соответствующие меры по их ликвидации. Если эти меры окажутся не эффективными и параметр, характеризующий состояние ТОУ достигнет аварийного значения, должны сработать системы противоаварийной защиты, которые автоматически по заданной программе перераспределяют материальные и энергетические потоки, включают и отключают аппараты объекта с целью предотвращения взрыва, аварии, несчастного случая, выпуска большого количества брака.

Котел подлежит защите при отклонении следующих параметров:

· повышение температуры воды за котлом;

· повышение или понижение давления воды за котлом;

· понижение давления воздуха;

· повышение или понижение давления газа;

· уменьшение разряжения в топке котла;

· повышение давления обратной воды;

· погасание факела в топке котла.

Защита заключается в автоматическом прекращении подачи топлива при отклонении любого из вышеперечисленных параметров.

4. Обоснование выбора средств автоматизации

Средства автоматизации должны быть выбраны технически грамотно и экономически обосновано. Конкретный тип автоматического устройства выбирают с учетом особенностей объекта управления и принятой системы управления. При этом предпочтение следует отдавать однотипным, централизованным и серийно выпускаемым устройствам. Это значительно упростит поставку и эксплуатации. В связи с тем, что процесс нагрева воды не относится к числу пожаро- и взрыво-опасных, автоматизация осуществляется на основе использования электрических средств. Электрические приборы более точны и отличаются быстродействием по сравнению с пневматическими. Источники энергии у электрических средств автоматизации более просты и надежены. Также отсутствуют ограничения по расстоянию между усилителем и исполнительным механизмом. Электрические регуляторы позволяют легко суммировать различные импульсы. В проекте использованы приборы системы "Контур-2", так как они выпускаются НЗТА специально для тепловых процессов. Система построена по блочно-модульному принципу. Связь между блоками и модулями осуществляется с помощью сигналов постоянного тока, а точный сигнал легче преобразовать, суммировать и можно использовать многократно. Для регулирования используются регуляторы РС29. Они обладают высокой точностью и выполняют следующие функции: масштабирование сигнала от датчика, алгебраическое суммирование, введение сигнала задания, формируют и усиливают сигнал расслаивания, световую индикацию выхода. С регуляторами РС29 работают электрические исполнительные механизмы типа МЭО. Сигнал с регулятора на исполнительный механизм поступает через трехпозиционный усилитель У293Ь с электромагнитным тормозом. В качестве датчиков расхода и давления используются измерительные преобразователи типа "Сапфир-22" различных модификаций, так как они имеют тоновый сигнал на входе, который можно передавать и на регулятор и на вторичный прибор. Для питания стабилизированным напряжением постоянного тока 36В комплекса тензорезисторных измерительных преобразователей теплоэнергетических параметров "Сапфир-22" используется блок питания типа 22БП-36, восьмиканальный, учитывая что у датчиков 6. В качестве вторичных приборов лучше использовать регистрирующие приборы типа "Диск-250". Он работает с любыми датчиками и может измерять любые величины. Одновременно он может выполнять функции показания, регистрации, сигнализации, регулирования и преобразования. Модификации "Диск-250" выбираются в зависимости от назначения и типа датчика с которым он работает.

Для регулирования температуры прямой воды изменением расхода газа в зависимости от температуры в общем коллекторе, в качестве чувствительного элемента используется термопреобразователь сопротивления платиновый типа ТСП-1088гр100П (поз. 1-1, 1-9). Используется платиновый, а не медный, потому что нужна точность и измеряется высокая температура, так как температура прямой воды является показателем эффективности. Вторичным прибором выбирается прибор типа ДЖК-250-1231 (поз.1-2, 1-10). Главным регулятором выбран регулятор температуры типа РС 292.22 (поз.1-3). Выбран регулятор именно этой модификации, потому что он работает с ТСП градуировки 50 М, а также можно подключить датчики постоянного тока. Сигнал с регулятора подается на регулятор топлива, в качестве регулятора топлива выбирается РС 29.0.12 (поз.1-5). Для измерения температуры обратной воды, температуры окружающего воздуха, в качестве датчика используется ТСП типа ТСМ-1088 градуировки 50М (поз. 1-4, 1-11). Измеряется невысокая температура, не требуется высокая точность, поэтому выбирается медный термопреобразователь сопротивления. В качестве вторичного прибора выбран ДЖК 250-1231 (поз.1-12).

В качестве усилителя выбирается усилитель У29.3М (поз. 1-6). В качестве исполнительного механизма выбирается электрический однооборотный типа МЭО40/10-0,25 (поз.1-7). В качестве поворотно-регулирующей заслонки выбирается ПРЗ-150, которая выбирается в зависимости от давления и диаметра трубопровода. Для регулирования давления воздуха в зависимости от расхода топлива и содержания кислорода в дымовых газах, в качестве измерительного преобразователя давления воздуха используется преобразователь типа Сапфир-22 ДИ-2120 (поз. 4-1). Вторичный прибор, который работает в комплекте с преобразователем давления ДИСК-250-1221 (поз.4-2). Регулятором воздуха выбран регулятор типа РС 29.0.12 (поз.4-3). Выбран регулятор данного типа, потому что он принимает до 3 унифицированных сигналов постоянного тока. Для измерения кислорода в дымовых газах применяется анализатор кислорода ТДК-3М (поз. 4-7, 4-8, 4-9). Усилителем в этой системе выбран усилитель типа У293М, исполнительный механизм - механизм электрический однооборотный МЭО 40/10-0,25 (поз. 4-5). В качестве поворотно-регулирующей заслонки выбирается ПРЗ-150 (поз.4-6).

В системе автоматического регулирования разряжения в топке котла отводом дымовых газов в качестве преобразователя разряжения применяется преобразователь типа Сапфир-22ДВ-2220 (поз.6-1). Вторичный прибор работающий в комплекте с преобразователем разряжения ДИСК-250-1221 (поз.6-2). Регулятором разряжения выбран РС 29.0.12 (поз. 6-3). Усилителем - У29.3М (поз.6-4). В качестве исполнительного механизма выбран электрический однооборотный типа МЭО 40/10-0,25, поворотно-регулирующая заслонка выбирается типа ПРЗ-150. В системе автоматического регулирования расхода обратной воды изменением подачи питательной воды, датчиком является камерная диафрагма типа ДКС 10-150 (поз.16-1). Использование камерной диафрагмы обеспечивает большую точность, так как измеряет усредненное давление. Измерительным преобразователем выбран Сапфир-22 ДД-2441 (поз. 16-2). Для устранения квадратичной зависимости перепада давления от расхода и преобразования в линейную, после преобразователя стоит блок извлечения квадратного корня БИК-1 (поз16-3). В качестве вторичного прибора ДИСК-250-4321 с ПИ-регулятором (поз.16-4). В качестве усилителя выбирается У24.10 (поз. 16-5). Исполнительный механизм электрический однооборотный выбирается типа МЭО 16/63-0,25-80 (поз.16-6). В качестве клапана - клапан регулирующий поворотный 6с-8-1 (поз. 16-7).

В системе автоматического контроля и сигнализации расхода газа датчиком является камерная диафрагма типа ДКС 10-150 (поз. 17-1). Измерительный преобразователь типа Сапфир-22ДД-ВМ-2434 (поз.17-2) выполнен во взрывозащищенном исполнении. Он работает в комплекте со вторичным прибором типа ДИСК 250-1221 (поз. 17-4). Для устранения квадратичной зависимости перепада давления от расхода применяется блок извлечения квадратного корня БИК-1 (поз. 17-3). В системе автоматического контроля давления обратной воды, давления питательной воды, давления воздуха, давления газа и сигнализации давления обратной воды, давления воздуха, давления газа, контроль и сигнализация осуществляется манометром, показывающим сигнализирующим типа ДМ 2010С (поз. 7, 11, 13), так как нужен местный контроль с сигнализацией на щите оператора, и манометром МПЗ-У (поз.9).

В системе автоматического контроля и сигнализации разряжение перед дымососом используется вакуумметр, показывающий сигнализирующий типа ДВ2010Cr (поз.15). В системе автоматического контроля расхода питательной воды и расхода воды в коллекторе датчиком служит камерная диафрагма типа ДКС10-150 (поз. 11-1, 19-1). Измерительный преобразователь выбирается типа Сапфир-22ДД-2441 (поз. 18-2, 19-2). Для устранения квадратичной зависимости перепада давления от расхода применяется блок извлечения квадратного корня БИК-1 (поз. 18-3, 19-3). В качестве вторичного прибора выбирается ДЖК 250-1221 (поз. 18-4, 19-4). Датчиком в системе автоматического контроля температуры дымовых газов используется термопреобразователь сопротивления платиновый типа ТСП-1188-01 (поз. 21), прибор который работает с ТСП-милливольтметр типа Ш4540Н (поз. 2-2). Контроль и сигнализация концентрации метана в помещении котельной осуществляется с помощью оптико-акустического газоанализатора типа ГИАМ-14 (поз. 20-1, 20-2), так как нужен местный контроль с сигнализацией на щите оператора. С газоанализатором работает узкопрофильный микроамперметр М1730. Контроль и сигнализация наличия пламени в топке осуществляется с помощью прибора контроля пламени типа Ф34.2 (поз. 21-2). Фотодатчик выбирается типа ФД4 (поз. 21-1).

Для систем защиты выбираются датчики-реле. В качестве датчика-реле давление обратной воды, давление питательной воды, давление воздуха, давление газа - ДД-0,25 (РУПД) (поз. 8, 10, 12, 14).

В качестве датчика-реле разряжения в топке котла ДТ-40 (РУПД) (поз. 5).

В качестве датчика-реле температуры питательной воды - 31-03 (поз.3).

Для отсечки топлива в качестве клапана-отсекателя выбирается клапан типа ПКН-150.

5. Спецификация на средства автоматизации