2

94

Содержание

• Аннотация 4
• ВВИДЕНИЕ 5
• 1 Описание технологического процесса 7
• 2 Разработка системы оптимального управления паровым котлом 12
• 2.1 Разработка математической модели процесса парообразования 12
• 2.2 Формулировка задачи оптимального управления 19
• 3 Описание схемы автоматизации 26
• 3.1 Обоснование точек контроля, регистрации, регулирования и сигнализации 26
• 3.2 Обоснование выбранной системы (систем) средств автоматизации 31
• 3.3 Описание локальных контуров регулирования 34
• 4 Обоснование контура регулирования, подлежащего расчету 41
• 5 Проведение эксперимента 44
• 5.1 Подготовка и проведение эксперимента 44
• 5.2 Снятие кривой разгона по основному каналу 48
• 5.3 Снятие кривой разгона по внутреннему каналу 52
• 5.4 Снятие кривой разгона по каналу возмущения 53
• 6 Обработка экспериментальных данных 55
• 6.1 Обработка кривой разгона основного канала 56
• 6.2 Обработка кривой разгона внутреннего канала 62
• 6.3 Обработка кривой разгона внешнего возмущения 65
• 7 Расчет схемы регулирования 72
• 7.1 Расчет одноконтурной системы регулирования 72
• 7.2 Расчет каскадной системы регулирования 74
• 7.3 Расчет комбинированной системы регулирования 81
• 8 Моделирование рассчитанной системы регулирования 86
• 8.1 Переходные процессы в одноконтурной системе регулирования 86
• 8.2 Переходные процессы во внутреннем контуре каскадной системы регулирования 90
• 8.3 Переходные процессы в каскадной системе регулирования 94
• 8.4 Переходные процессы по возмущению в комбинированной системе регулирования без компенсирующего устройства и с компенсирующим устройством 98
• 9 Анализ качества переходных процессов и выбор системы регулирования 102
• 10 Реализация рассчитанной системы регулирования 109
• 10.1 Описание рассчитанной системы управления 109
• 10.2 Программная реализация каскадно-комбинированной САР 118
• 10.3 Описание схемы сигнализации и блокировок 122
• 11 Монтаж средств автоматизации 128
• 12 Расчет регулирующего органа поз. 29в на подаче питательной воды в котел 138
• 13 Разработка системы плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерацией отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды 146
• 13.1 Постановка проблемы 146
• 13.2 Способ решения проблемы 147
• 13.3 Имитационное моделирование на основе сетей Петри 157
• 14 Надежность средств автоматики 164
• 15 Охрана труда и безопасность жизнедеятельности 168
• 15.1 Охрана труда в РФ 168
• 15.2 Свойства используемых и получаемых веществ 171
• 15.3 Классификация производства 174
• 15.4 Мероприятия по технике безопасности 176
• 15.5 Санитарно-технические мероприятия 180
• 15.6 Пожарная безопасность 182
• 15.7 Расчет предохранительного клапана на пару котла ДКВР 20-13 183
• 16 Экономическая часть 190
• 16.1 Анализ рыночных перспектив и производственных возможностей ОАО «Уралкалий» 190
• 16.2 Анализ действующего производства 191
• 16.3 Расчет производственной мощности на БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий» 195
• 16.4 Экономические расчеты и обоснования по проекту 201
• 16.5 Расчет численности персонала и расходов на оплату труда 204
• 16.6 Расчет калькуляции себестоимости пара 213
• 16.7 Сравнительный анализ себестоимости пара 217
• 16.8 Анализ и оценка изменения себестоимости производства пара по технико-экономическим факторам 218
• 16.9 Расчет основных экономических показателей производства 223
• Заключение 237
• Список литературы 239

Аннотация

Темой данного дипломного проекта является автоматизация процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 на «Третьем Березниковском калийном производственном рудоуправлении» ОАО «Уралкалий». Данный дипломный проект освещен в основных разделах.

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой в дипломной работе темы.

В первом и втором разделах дается краткое описание оборудования и технологии ведения процесса парообразования, производится моделирование и расчет системы оптимального управления. В разделе оптимального управления разработана система оптимального управления паровым котлом. По критерию удельный расход попутного газа на 1 Дж тепла, передаваемого потребителю. Оперативно определяются оптимальные значения расхода попутного газа и воды, являющиеся заданиями в контуры их стабилизации на нижнем уровне.

В третьем и четвертом представлена информационная модель, приводится обоснование параметров, подлежащих контролю, регулированию и сигнализации, обосновываются решения по автоматизации, выбираются средства автоматизации, так же производится обоснование контура регулирования подлежащего расчету и переход к структурной схеме для расчета.

В пятом, шестом и седьмом разделах проводится снятие экспериментальных кривых разгона по основному, внутреннему и возмущающему каналам и их обработка. Производится аппроксимация кривых разгона, и определяются передаточные функции. Переходные процессы моделируются в пакете «MATLAB». Подбираются оптимальные настройки регулятора в программе «Калькулятор передаточных функций» и определяется наилучшая АСР.

В девятом разделе производится анализ качества переходных процессов, полученных в предыдущем разделе.

В десятом разделе рассмотрена реализация каскадно-комбинированной АСР на микропроцессорном контроллере SIMATIC S7-300 и описывается сигнализация для данного процесса.

В одиннадцатом разделе описывается монтаж средств автоматизации.

В двенадцатом разделе приводится расчет регулирующего органа и его выбор.

В тринадцатом разделе дипломного проекта, разрабатывается система плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерацией отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды.

В четырнадцатом разделе производится расчет надежности каскадной системы автоматического регулирования (управления) уровня в барабане котла.

В пятнадцатом разделе рассмотрены основные направления государственной политики в области охраны труда, мероприятия по ТБ и произведен расчет предохранительного клапана на пару котла ДКВР 20-13.

В шестнадцатом разделе рассчитывается экономический эффект и срок окупаемости проекта.

В заключении дается краткое описание проделанной работы и ее результаты.

ВВЕДЕНИЕ

На химических предприятиях автоматизации уделяется особое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы, взрыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ и т.д. В сложных технологических процессах отклонение параметра от нормы может привести к авариям, взрывам, пожарам, порчи большого количества сырья.

Автоматизация в настоящее время развивается особенно динамично, она проникает во все сферы человеческой деятельности и характеризуется широким внедрением вычислительной техники, открывающим путь к резкому повышению производительности труда.

Автоматизация приводит к повышению основных показателей эффективности производства: увеличению количества, повышению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшает затраты сырья и энергии, обеспечивает уменьшение численности основных рабочих, снижение капитальных затрат на строительство зданий, удлинение сроков межремонтного пробега оборудования.

Проведение некоторых современных технических процессов возможно только при условии их полной автоматизации (процессы, осуществляемые на атомных установках, в паровых котлах высокого давления и другие). При ручном управлении такими процессами малейшее замешательство человека и несвоевременное воздействие его на процесс могут привести к серьёзным последствиям.

Комплексная автоматизация процессов (аппаратов) химической технологии предполагает не только автоматическое обеспечение нормального хода этих процессов с использованием различных автоматических устройств (контроля, регулирования, сигнализации), но и автоматическое управление пуском и остановкой аппаратов для ремонтных работ и в критических ситуациях.

Автоматизация это высший этап машинного производства, когда человек частично или полностью освобождается от выполнения операций регулирования и управления.

Цель дипломного проекта - произвести автоматизацию процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 на «Третьем Березниковском калийном производственном рудоуправлении» ОАО «Уралкалий».[1]

1 Описание технологического процесса

Современная котельная установка представляет собой сложное техническое сооружение. Она состоит из котельного агрегата ДКВР-20-13 и котельного вспомогательного оборудования. Продукцией котельного цеха является насыщенный водяной пар требуемых параметров, используемый на технологические нужды.

В состав котельного агрегата входят: паровой котёл, топка, водяной экономайзер, обмуровка, а также арматура.

Котёл типа ДКВР-20-13 представляет собой вертикально-водотрубный двухбарабанный паровой котёл с естественной циркуляцией. Котёл имеет два одинаковых по длине и диаметру барабана. Топочная камера полностью экранирована трубами. Для повышения экономичности работы котёл снабжают чугунным водяным экономайзером, который позволяет снизить температуру уходящих газов.

К вспомогательному котельному оборудованию относятся тягодутьевые и питательные устройства, оборудование водоподготовки, топливоподачи, системы шлакозолоудаления и золоулавливания, а также контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации.

В качестве основного топлива на производстве используется попутный нефтяной газ, в качестве резервного топлива мазут.

Насыщенный водяной пар используется на технологические нужды других основных цехов, горячая хозяйственно-питьевая вода поступает в систему хозяйственно-питьевого водоснабжения и используется на хозяйственно-бытовые нужды. Характеристики основного сырья и энергоресурсов приведены ниже в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Характеристики основного сырья и энергоресурсов

№ п/п	Наименование	Показатель	Норма
1	2	3	4
1	Исходная вода	Общая жесткость, мг·экв/дм3 Щелочность общая, мг·экв/дм3 Хлориды, мг·экв/дм3	22,0 1,5-2,6 Не нормируются
2	Кварцевый песок	Размер зерен, мм	0,5-1,5
3	Катионит марки КУ2-8 ГОСТ 20298-74	Размер зерен, мм	0,3-1,25
4	Топливо нефтяное мазут ГОСТ 10585-99, Марка 100	Вязкость кинематическая, сСт при 80 °С, не более Температура вспышки в открытом тигле, °С, не более Массовая доля механических примесей, %, не более Массовая доля воды, %, не более Теплота сгорания (низшая) в пересчете на сухое топливо кДж/кг, не менее	118 110 1,0 1,0 39900
5	Попутный нефтяной газ	Теплота сгорания низшая, МДж/м3 (ккал/м3) при 20°С и 101,325 кПа, не менее Область значений числа Воббе (низшего) МДж/м3 (ккал/м3) Объемная доля кислорода, %, не более Масса механических примесей в 1 м3, не более Давление, МПа	31,8 (7600) 41,2-54,5 (9850-13000) 1,0 0,001 0,5-0,6

Продукцией паровой котельной является насыщенный водяной пар и горячая хозяйственно-питьевая вода, характеристики которой приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Характеристики продукции

№ п/п	Наименование	Показатель	Норма
1	Насыщенный водяной пар	Общая жесткость, Мкг·экв/дм3, не более Температура, °С, не более Давление, МПа, не более	15 160 0,7
2	Горячая хозяйственно-питьевая вода	Температура, °С, не более Давление, МПа, не более	70 0,6

Процесс получения пара протекает в следующем порядке. Центробежными насосами питательная вода непрерывно подается в барабан котла. Ее давление составляет 14 кгс/см², это выше чем давления вырабатываемого пара. Прежде чем попасть в барабан котла, питательная вода с расходом 15-25 т/ч в зависимости от нагрузки проходит через экономайзер позиция 3, подогреваясь до температуры примерно на 40 °С ниже, чем температура насыщенного пара в котле примерно 190 °С. Барабан котла позиция 6 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 представляют 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).

Продукты сгорания сначала охлаждаются в топочной камере котла ДКВР 20-13 позиция 5, отдавая тепло радиационным способом экранным трубам, затем охлаждаются за счет конвекции, проходя через экономайзер позиции 3. Дымовые газы (продукты сгорания) из топки с температурой 360°С и разряжением -0,94 кПа, отсасываются дымососом позиция 4, проходят через водяной экономайзер позиции 3, на выходе температура устанавливается 200 °С выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Для обеспечения нормального режима горения топлива в топку вентилятором позиция 1 подается воздух.

Таким образом в топку котла подаются топливо с температурой +5 °С, с расходом 1500 нм³/ч, давлением газа до заслонки 3,8 кПа, давление газа после заслонки 3,7 кПа и давление воздуха 1,9 кПа. В барабан котла подается питательная вода, а отбирается водяной насыщенный пар, расход которого составляет 10-20 т/ч. Регулирование процессов горения и питания паровых котлов сводится к управлению подачей топлива, воздуха, тяги и воды. Способ регулирования процесса горения определяется в первую очередь способом сжигания топлива и конструкцией топочного устройства.

Подача воды в барабан котла регулируется таким образом, чтобы уровень воды в барабане, оставался на уровне 0 мм., то есть уровень воды держался середины барабана. Таким образом, парообразование получается максимальным, что повышает производительность котла.[4,5]

2 Разработка системы оптимального управления паровым котлом

В данном разделе составляется математическое описание процесса процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 с реализацией в пакете Mathcad 2000. Производится расчет системы оптимального управления процессом парообразования.

2.1 Разработка математической модели процесса парообразования

В большей мере на весь процесс парообразования будет влиять Т ?С пламени, подаваемого на экран, состоящий из блока труб. Регулируя расход газа изменяем давление пара в барабане котла за счет изменения соотношение расхода газ-воздух из за чего происходит изменение температуры пламени, следствием чего является изменение температуры воды в котле и температура пара, а так же давление пара. Давление пара может изменяться ещё из-за потребительских нужд. Температура окружающей среды не может быть принята в качестве возмущения, так как сам котлоагрегат находится в помещении (температура колеблется +15 ?С ? 35 ?С).

В качестве исходных данных при построении математической модели приняты лишь формулы без численных значений, т.к. недостаточно информации по конструкции аппарата и пр.

Задачей оптимального управления является получение на выходе из котла перегретого пара необходимого качества при минимальном расходе топлива. Наиболее важным показателем процесса получения пара является энтальпия пара на выходе из котлоагрегата:



Рассмотрим информационную модель объекта:

Рисунок 2.1 - Информационная модель объекта

Входные управляющие и возмущающие воздействия влияют как на выходной параметр - , так и друг на друга. Чтобы определить эти связи, а так же конкретные технологические параметры, оказывающие влияния на выходную величину , необходимо составить математическую модель парогенератора. Для составления модели запишем уравнения процессов, протекающих в паровом котле, и сведем полученные данные в блок схему.

Данный технологический процесс в котле будет представлен в виде упрощенной модели, так как она будет полностью отражать протекания процесса. Как уже было сказано выше, к количественному параметру относится нагрузка котла, которая может меняться в широких пределах в зависимости от графика нагрузок потребителей. Мы пришли к выводу что к качественным параметрам относятся уровень в барабане L, давление пара Р и температура перегретого пара Т. В барабане котла происходит предварительный нагрев жидкости до температуры Т₂, тепловым потоком Ф₁. Надо заметить, что коллекторы экранов котла представляют вторую емкость нагрева, которая нагревается тепловым потоком Ф₂ и кипит при температуре Т₃ и давлении пара Р. К известным нам граничным условиям можно добавить:

- объем в барабане V₁,

- объем экранных труб V₂,

- температуру входящих потоков Т_вх .

В условной первой емкости уровень воды в барабане, постоянный, а значит V1=const.

Упрощенный материальный баланс первой емкости можно представить в виде:

, где

F_В - расход воды;

F₂ - расход пара из котла.

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

[скорость накопления тепла в емкости]=[приход тепла]+[приход тепла с тепловым потоком]-[отвод тепла].

, где

с-теплоемкость жидкости;

р -плотность жидкости.

Из уравнения теплового баланса можно определить температуру Т₂.

Уравнение материального баланса жидкой фазы для условной второй емкости:

, где

m_п - поток пара.

Из этого уравнения можно определить V₂.

Материальный баланс паровой фазы :

 , где

m₁ - поток пара проходящий через выходной вентиль.

Из уравнения материального баланса паровой фазы определим массу М.

Поскольку предполагается, что жидкостью и паром все время существует равновесие, при построении модели не нужно уравнение теплового баланса пара. Температуру пара принимаем равной температуре жидкости в барабане.

Тепловой баланс жидкой фазы :

[изменение теплосодержание]=[входящее тепло]+[поток тепла]-[теплосодержание паровой фазы].

, где

коэффициента трения - л - трение пара о стенки трубопровода на выходе из барабана

Из данного уравнения можно определить поток пара .

Давление в паровом пространстве можно найти из закона газового состояния:

Объем занимаемым паром V_Г находим

, где

V₀ - полный объем емкости.

Температуру кипящей жидкости найдем из соотношения выражающего связь между давлением и температурой кипения:

Поток пара, проходящий через вентиль, определяется из выражения:

Тепловые потоки Ф₁ и Ф₂ определяются:

где - коэффициент теплоотдачи через стенку, - площадь нагрева.

Для отчетливого представления связей между составленными уравнениями математической модели составлена блок-схема, показанная на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Блок - схема уравнений математической модели котла

Программная реализация выполнена в пакете Mathcad 2000

Рисунок 2.3 - Моделирование процесса парообразования в котле

В результате реализации математической модели при помощи пакета Mathcad 2000 мы получили зависимости изображенные на рис. 2.3. На данных графиках мы наблюдаем при увеличение объема воды в барабане котла (график 1) происходит плавное уменьшение температуры воды (график 2) до температуры подаваемой в котел и уменьшение давления пара (график 3). [10,9]

2.2 Формулировка задачи оптимального управления

Критерий оптимальности - это выходная величина, значение которой является количественной оценкой процесса при выборе оптимальных параметров его состояния.

Основной задачей оптимального управления является поиск параметров процесса, при которых будет наименьшей удельный расход попутного газа на 1 Дж тепла, передаваемого потребителю, что приводит к снижению себестоимости продукта.

Наложение ограничений

Важная особенность задач оптимизации - наличие ограничений.

Ограничение по количеству:

Выпуск пара не должен быть ниже значения, запрашиваемого потребителем, в данном случае обогатительной фабрикой. Поскольку снижение количества выпущенного пара повлечет за собой снижение мощностей основного производства, где пар используется как основной теплоноситель и применяется для поддержания определенной температуры. Выпуск пара в большем количестве, также не желателен, поскольку излишки не будут участвовать в производственном процессе и предприятие понесет убытки.

Ограничения по технологическим условиям:

Эти ограничения связаны с условиями производства. Для данного процесса можно наложить ограничения по расходу газа в топку, по расходу воды в барабан и давлению пара на выходе из котла.

Расход газа нельзя увеличить до величины превышающей мощность работы вентилятора, так как без поддержания оптимального соотношения «газ-воздух» процесс нормального горения нарушается, либо вообще прекращается. То же происходит и при уменьшении расхода газа ниже допустимых пределов.

Расход воды нельзя увеличивать настолько, чтобы был нарушен материальный баланс котла. При нарушении этого изменяется такой показатель как уровень воды в барабане котла. Рост уровня влечет за собой снижение скорости парообразования, а следовательно и снижение КПД парогенератора. Сильное изменение уровня может также повлечь за собой выход из строя определенных частей котла.

Давление пара не должно превышать давления, предусмотренного заводом-изготовителем парового котла и не должно быть ниже значения, определяемого потребителем.

Таким образом, решение задачи оптимального управления заключается в нахождении экстремума функции четырех переменных. Задачи нахождения экстремума функции нескольких переменных решаются с помощью вычислительной техники.

В результате решения задачи оптимального управления мы получили следующие зависимости.

На первом этапе получаем зависимость изменения расхода пара с котла при изменение расхода топлива. Полученные данные сведем в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Зависимость изменения расхода пара с котла при изменение расхода топлива

№	F газа м3/с	F пара кг/с
1	0,3	4,7
2	0,31	5
3	0,32	5,2
4	0,33	5,41
5	0,34	5,5
6	0,35	5,51
7	0,36	5,55
8	0,37	5,6
9	0,38	5,63

По данным таблицы 2.1 строим графики изменения параметров процесса при изменении расхода топлива.

Рисунок 2.4 - Зависимость расхода пара от расхода газа

При увеличении расхода газа, паропроизводительность котла увеличивается, так как энергия тепла передается экранным трубам, в которых происходит усиленное вскипание воды, что приводит к увеличению выделения молекул пара. Соответственно при снижении расхода газа, уменьшается производительность пара.

На втором этапе получаем зависимость изменения расхода пара с котла при изменение расхода воды. Полученные данные сведем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Зависимость изменения расхода пара с котла при изменение расхода воды

№	F воды кг/с	F пара кг/с
1	7,7	5,65
2	7,8	5,625
3	7,9	5,6
4	8	5,57
5	8,1	5,5
6	8,2	5,47
7	8,3	5,4
8	8,4	5,3
9	8,5	5,2
10	8,6	5
11	8,7	4,7

По данным таблицы 2.2 строим графики изменения параметров процесса при изменении расхода воды.

Рисунок 2.5 - Изменение расхода пара при изменении расхода воды

Если расход газа оставить неизменным, но при этом увеличивать расход воды, то расход пара будет снижаться, рис.2.5, ввиду нехватки тепловой энергии для производства пара того же объема. Это связано с тем, что объем воды в барабане котла увеличивается, и для его нагрева необходимо больше тепловой энергии. Это видно из третей ситуации, где мы получаем зависимость изменения расхода пара с котла при изменение уровня в барабане котла. Полученные данные сведем в таблицу 2.3.

Таблица 2.3

Зависимость изменения расхода пара с котла при изменение уровня в барабане котла

№	F воды кг/с	F пара кг/с
1	-20	5,65
2	-15	5,6
3	-10	5,57
4	0	5,5
5	5	5,47
6	10	5,4
7	15	5,3
8	17,5	5,1
9	20	4,7

По данным таблицы 2.3 строим графики изменения расхода пара с котла при изменение уровня в барабане котла.

Рисунок 2.6 - Изменение расхода пара при изменении уровня воды

Из графиков видно, что для увеличения расхода пара необходимо подводить больше тепловой энергии, значит увеличивать подачу энергоресурсов в виде попутного газа. При номинальной паропроизводительости котла 5,5 кг/с необходимо затрачивать 0,34 м³/с газа и 8,1 кг/с воды. При этом уровень воды в барабане котла будет средним, что соответствует его рабочему состоянию.

Вывод:

В разделе решена задача оптимизации процесса производства пара. Произведено математическое описание процесса и выбран критерий оптимальности, характеризующий эффективность проведения процесса при минимальных затратах.

Нахождение значений, при которых энтальпия пара будет максимальная, удельный расход газа на единицу пара будет минимальным, и минимальными будут приведённые затраты на попутный газ, питательную воду, позволит вести процесс в оптимальном температурном режиме, для оптимального теплосодержании перегретого пара на выходе из котлоагрегата при различных нагрузках. Это позволит улучшить процесс горения, уменьшая выброс вредных газов от отработанного топлива в атмосферу. Так же это позволит снизить расходные нормы газа на производство оптимального количества пара, что приведёт к уменьшению себестоимости пара.

На основании выше проведенных исследований, можно сделать вывод, что внедрение качественной автоматической системы оптимального управления процессом позволит получить реальный экономический эффект. [8,10]

3. Описание схемы автоматизации

3.1 Обоснование точек контроля, регистрации, регулирования и сигнализации

Котельные агрегаты типа ДКВР предназначены для получения пара для производственных целей, отопления и горячего водоснабжения. Получение пара из воды происходит при следующих физических процессах:

а) подогрева воды до температуры кипения;

б) кипение воды, когда жидкая фаза переходит в насыщенный пар.

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

Параметры контроля, автоматического регулирования, сигнализации и блокировок выбираются согласно СНиП II-35-76 “Котельные установки”, раздел 15 «Автоматизация».

Точки контроля:

1а, 2а, 2б - температура газа, расход газа, поступающий в котел, необходимо контролировать, для учета расхода газа и анализа работы парогенератора.

3а, 5а - давление газа перед заслонкой, давление газа после заслонки, контролируем для того чтобы судить о наличии давления газа в трубопроводе, а так же участвует в программе опрессовки газопровода перед запуском котла.

4а - давление пара в барабане котла, необходимо контролировать с целью избегания превышения выше нормы.

9а - температура мазута, необходимо контролировать, поскольку мазут становится не транспортабельным по трубопроводам подачи мазута к котлу, при температуре ниже 90 градусов Цельсия.

10а - расход мазута на котел, необходимо знать и анализировать, сколько энергоносителя расходуется при производстве определенного количества пара.

11а, 12а - температура подшипников вентилятора, необходимо контролировать с целью не допущения их перегрева и выхода из строя вентилятора.

13а - давление воздуха перед горелками, контроль необходим для поддержания оптимального горения пламени, без отрывов.

14а - разряжение в топке котла, необходимо для поддержания оптимальной тяги дымососа.

16а - температура уходящих газов до экономайзера, необходимо контролировать с целью не перегреть экономайзер горячими топочными газами.

17а - разряжение дымовых газов до экономайзера, контролируется с целью оптимальной тяги дымовых газов.

18а - разряжение дымовых газов после экономайзера, контролируется с целью потери разряжения, которое расходуется на перегородки экономайзера в виде труб, и обогрев питательной воды.

19а - температура дымовых газов перед дымососом, контролируется перед дымососом.

20а, 21а - температура подшипников дымососа, необходимо контролировать с целью не допущения их перегрева и выхода из строя дымососа.

22а - температура дымовых газов после дымососа, контролируется с целью не допущения парникового эффекта.

23а - давление воды перед экономайзером, контролируется для обеспечения целостности трубопроводов подачи воды.

24а - температура воды перед экономайзером, целью контроля является подача воды оптимальной температуры, чтобы она не перегрелась и не догрелась в экономайзере.

25а - температура воды после экономайзера, контроль ведется с целью непосредственно какой температуры подается вода в барабан и как она нагрелась в экономайзере.

26а - расход пара от котла, необходимо контролировать с целью паропроизводительности котлоагрегата и материального баланса «приход воды - расход пара»

27а - давление пара на выходе их котла, цель контроля - недопущение порыва паропровода при повышении давления.

28а - температура пара на выходе, контролируется с целью выпуска пара заданной температуры.

29а, 31а - уровень воды в барабане котла, один из важнейших параметров, от которого зависит паропроизводительность котла. Для более точного контроля используется 2 датчика.

30а - расход воды в барабан котла, необходимо контролировать для того чтобы соотносить расход воды в котел и выход пара с котла.

Точки сигнализации:

7а - давление газа после заслонки, сигнализирует о превышении или понижении давлении газа, с целью предотвращения погасания факела горелки.

8а - давление мазута на котел, сигнализация верхнего предела давления с целью сохранения оборудования и предотвращение розлива мазута.

11а, 12а - сигнализация температуры подшипников вентилятора, с целью предотвращения перегрева и разрушения подшипников и вала дымососа.

15а - разряжение в топке котла, уменьшение разряжение в котле сильно влияет на горение факела и может вызвать его полное погасание и останов котла.

20а, 21а - сигнализация температуры подшипников дымососа, с целью предотвращения перегрева и разрушения подшипников и вала дымососа.

40а - давление воздуха на горение, понижение вызывает погасание факела, повышение вызывает отрыв пламени и наполнение топки газом, что впоследствии может вызвать взрыв.

Точки регулирования:

4в, 4д - регулирование давления газа или мазута соответственно, с целью поддержания заданного давления пара в барабане котла.

5в - регулирование давления воздуха, с целью поддержания оптимального горения газа в топке.

14в - регулирование разряжения в топке, 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.

29в - регулирование уровня воды в барабане котла, с целью повышения паропроизводительности котла.

Блокировка оборудования.

Для паровых котлов, предназначенных для сжигания газообразного или жидкого топлива, независимо от давления пара и производительности следует предусматривать устройства, автоматически прекращающие подачу топлива к горелкам при:

а) повышении или понижении давления газообразного топлива перед горелками;

б) понижении давления жидкого топлива перед горелками, кроме котлов, оборудованных ротационными горелками;

в) уменьшении разрежения в топке;

г) понижение давления воздуха перед горелками для котлов, оборудованных горелками с принудительной подачей воздуха;

д) погасании факелов горелок, отключение которых при работе котла не допускается;

е) повышении или понижении уровня воды в барабане;

ж) неисправности цепей защиты, включая исчезновение напряжения.

Далее заносим все вышеперечисленные параметры сводную таблицу 3.1:

Где: - I - индикация;

R - регистрация;

С -автоматическое регулирование;

A - сигнализация.

Таблица 3.1

Поз.	Технологический параметр	I	R	C	A
1а	Температура газа на котел	+	+
2а, 2б	Расход газа на котел	+	+	+
3а, 5а	Давление газа перед заслонкой, давление газа после заслонки	+	+	+	+
4а	Давление пара в барабане котла	+	+		+
9а	Температура мазута	+	+
10а	Расход мазута на котел	+	+
11а, 12а	Температура подшипников вентилятора	+	+		+
13а, 40а, 5в	Давление воздуха перед горелками	+	+	+	+
14а, 15а, 14в	Разряжение в топке котла	+	+	+	+
16а	Температура уходящих газов до экономайзера	+	+
17а	Разряжение дымовых газов до экономайзера	+	+
18а	Разряжение дымовых газов после экономайзера	+	+
19а	Температура дымовых газов перед дымососом	+	+
20а, 21а	Температура подшипников дымососа	+	+		+
22а	Температура дымовых газов после дымососа	+	+
23а	Давление воды перед экономайзером	+	+
24а, 25а	Температура воды перед и после экономайзера	+	+
26а	Расход пара от котла	+	+	+
27а	Давление пара на выходе их котла	+	+
28а	Температура пара на выходе	+	+
29а, 31а	Уровень воды в барабане котла	+	+	+	+
30а	Расход воды в барабан котла	+	+	+	+

3.2 Обоснование выбранной системы (систем) средств автоматизации

Выбор датчиков измерения технологических параметров определяется физической природой параметра, диапазоном измерения, требуемой точности измерения (классом точности), параметрами окружающей среды, требуемыми выходными сигналами (унифицированный/неунифицированный, аналоговый/цифровой), стоимостью и т.п. При этом анализируются технические характеристики и возможности всего ряда датчиков, пригодных для измерения той или иной величины.

Основными контролируемыми параметрами в процессе производства пара является температура. Для измерения температуры применяются платиновые термометры, так как обладают более высокой точностью, широким диапазоном измерения. Для передачи информации необходима дополнительные преобразователи и дополнительная электрическая энергия. Такие приборы относятся к электрической ветви ГСП. Электрические приборы обладают высокой чувствительностью, точностью регулирования, обеспечивают дальность связи и большую емкость каналов передачи информации. Поэтому в дальнейшем будем строить систему автоматизации в русле электрической ветви ГСП.

Первичным преобразователем температуры измеряемых сред на позициях 1а, 9а, 11а, 12а, 16а, 19а, 20а, 21а, 22а,24а, 25а, 28а является термопреобразователь платиновый ТПТ-1-3 100П. Обладает высокой точностью измерения, широким диапазоном измеряемых температур. Применяется без встроенного преобразователя сопротивления типа «таблекта», так как цех является «горячим» и преобразователь не выдерживает зачастую такой тепловой нагрузки и выходит из строя.

В качестве преобразователя сопротивления и термоЭДС на позициях 1б, 9б, 11б, 12б, 16б, 19б, 20б, 21б, 22б,24б, 25б, 28б применяется измерительный преобразователь модульный ИПМ 0399/М0 фирмы «Элемер». Отличается не большими размера, устанавливается на DIN-рейку, большой выбор первичных преобразователей температуры, напряжения, тока. Перенастраивается с помощью ПК на любой диапазон входных температур. На выходе имеет сигнал по току и напряжению. Может быть использован на любую из выше перечисленных позиций, имеет хорошую унификацию и взаимозаменяемость.

2б - преобразователь перепада давления Rosemount 3051 CD фирмы “Emerson”. Применяется на позиции измерения расхода газа. Отличается высокой точностью измерения, простотой монтажа и эксплуатации. В наличии имеется HART-протокол, который позволяет дистанционно обслуживать датчик, перенастраивать диапазон входного перепада, выходной сигнал. Отличительной особенностью является работа в 5% диапазоне от диапазона ячейки без потери точности измерения. То есть, если ячейка имеет диапазон 6,2 кПа и точность 0,1%, мы перенастраиваем на нужный нам входной диапазон 0,31 кПа, точность так же останется на уровне 0,1%.

Для измерения давления газа до и после заслонки поз. 3а и 5а применяется датчик давления Vegabar 52 немецкой фирмы “Vega”. Отличительной особенность данных датчиков является их относительно не высокая стоимость, качество применяемых материалов, отличные эксплуатационные характеристики и достаточно высокий класс точности на выбор пользователя 0,075; 0,1; 0,2. При эксплуатации датчиков в слабоосвещаемых помещениях, имеется подсветка дисплея, которая включается или отключается по желанию. Так же имеется HART-протокол, для настройки датчиков дистанционно.

Для измерения давления пара в барабане котла поз.4а, давления мазута поз. 5б, давления воды поз. 22а, давление пара от котла поз. 26а применяется датчик давления Vegabar 17. Датчик имеет не большие размеры, широкий диапазон измерения давления до 600 bar. В исполнении с мембраной заподлицо прибор может применятся без разделительных сосудов.

Для измерения расхода мазута поз. 9а, применяется массовый расходомер Optimass 7300 фирмы “Krohne”. Расходомер является прямотрубным, что уменьшает его габариты. В комплекте поставки имеет подробную инструкцию по монтажу и эксплуатации на русском языке. Имеет 2 аналоговых выхода, импульсный выход, протокол HART. Для удобства настройки и эксплуатации прибор имеет подсветку дисплея.

При измерении разряжения дымовых газов до и после экономайзера поз.16а и 17а соответственно, давление воздуха перед горелками поз.12а, используются датчики Vegabar 52.

Измерение расхода воды на котел поз.29а и расхода пара от котла 25а,б производится вихревыми расходомерами Rosemount 8800D. Данный тип расходомеров имеет высокие эксплуатационные характеристики. Высокую точность 0,5%, надежность. Возможна замена вышедшего из строя чувствительного элемента - сенсора, без снятия корпуса расходомера и остановки измеряемой среды. В виду того что трубопровод пара очень горячий, порядка 180°C, а электроника часто не выдерживает таких тепловых нагрузок, расходомер имеет разнесенную конструкцию, то есть чувствительный элемент на трубопроводе, преобразователь устанавливается рядом, в более прохладном месте, между собой они соединяются специальным коаксиальным кабелем из комплекта поставки.

Для измерения разряжения в топке котла поз.13а применятся датчик перепада давления Rosemount 3051CD. Имеет хорошие характеристики на маленькие разряжения и напоры. Точность составляет 0,2%.

В качестве приборов для сигнализации параметров таких как давление газа после заслонки поз.6а, разряжение в топке котла 14а, давление воздуха перед горелками поз.35а, используются приборы контроля цифровые ПКЦ-1105. Эти приборы устанавливаются на щите розжига возле котла. Приборы имеют цифровую индикацию, 2 релейных выхода, токовый выход. Приборы перепрограммируются на любой диапазон, внутри основного. В сравнении со шкальными приборами НМП52 и ТнМП 52, имеют достаточно высокий класс точности 0,5.

Для контроля наличия пламени поз. 32а,б 33а,б 34а,б используются датчики контроля пламени ДМС-100. Оптический датчик-реле контроля пламени ДМС-100 предназначен для селективного контроля и индикации отсутствия или наличия пламени в жидкотопливных горелочных устройствах; обеспечивает выдачу сигнала для систем автоматики. Вторичный преобразователь ДМС-100 устанавливается на щите розжига.

3.3 Описание локальных контуров регулирования

Рассматриваемая система автоматизации, одной из основной задачи которой является ведение оптимального технологического процесса и получение конечного продукта с заданными параметрами и характеристиками. Конечным продуктом является насыщенный водяной пар. Для решения задач по автоматизации по выпуску пара применяются технические средства, которые четко контролируют процесс производства продукта и оптимально регулируют его. Для этого используются несколько контуров регулирования:

- регулирование разрежения;

- регулирование соотношения «топливо-воздух»;

- регулирование уровня в барабане;

- регулирование давления в барабане.

Регулятор разряжения в топке котла.

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 разрежения -- 30 Па (--3 мм вод. ст). с высокой точностью ±5 Па (±0,5 мм вод. ст.). Конкретная величина разрежения зависит от конструкции топки и места отбора импульса. Дело в том, что в различных по высоте зонах топки разрежение неодинаково. Согласно заводской инструкции на котлы ДКВР место отбора разрежения в топке должно быть на боковой стенке топки, располагающейся дальше от выходного окна, и находится на расстоянии 1/3 ширины стенки от задней стены топки и 1/3 высоты боковой стены от потолка топки.

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

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. Сигнал разрежения подается из топки на преобразователь разряжения, где преобразуется в электросигнал и поступает на вход усилителя, где сравнивается с электросигналом задатчика Зд. Если действительная величина разрежения X равна заданной Х₀, то отклонение, рассогласование ДХ=0 и система регулирования находятся в установившемся режиме. При наличии рассогласования ДХ больше величины чувствительности усилителя, он подает команду на исполнительный механизм, который перемещает направляющий аппарат дымососа в определенном направлении, стремясь свести рассогласование к нулю.

Регулятор соотношения «топливо-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 и выдаются службе КИПиА за подписью начальника котельной.

Для полного сжигания топлива используются несколько технологических зависимостей между топливом и воздухом. Исходя из этого, строятся и схемы автоматического регулирования: «расход (давление) топлива -- расход (давление)- воздуха» (сокращенно «топливо -- воздух»); «расход пара -- расход (давление) воздуха»; «положение РО топлива -- расход (давление) воздуха» и «количество кислорода 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 О₂ в уходящих газах. Однако из-за сложности измерения кислорода наиболее часто применяется схема регулирования соотношения «топливо -- воздух».

Для системы регулирования способ измерения количества топлива не имеет большого значения. Но от этого значительно зависит качество сжигания топлива. Причин, влияющих на нормальную работу регулятора соотношения «топливо -- воздух» (в дальнейшем -- регулятор воздуха), при измерении давления топлива, а не расхода, несколько.

Во-первых, выходное сопло распылителя мазута газомазутных горелок типа ГМГ, которыми оборудуются котлы ДКВР, рассчитано до 2000 часов работы при нормальной фильтрации топлива и режиме работы сопла. Если эти требования не выдерживаются, то сопло увеличивается и при том же давлении через него проходит больше мазута. В этом случае воздуха нужно больше, но так как САР контролирует только давление, то количество воздуха не изменится, что приведет к неполному сгоранию топлива.

Во-вторых, сопла форсунок и газовые отверстия забиваются, что ведет к росту давления на них. Но одновременно уменьшается количество топлива, а регулятор будет держать воздуха больше необходимого, согласно давлению, что приведет к охлаждению топки и снижению паропроизводительности котла, т. е. к.п.д. котла.

В-третьих, у котлов ДКВР-20 устанавливаются по 3 горелки, и контролировать давление топлива для регулятора воздуха можно только на коллекторе (на общем трубопроводе топлива) после РО. При полностью открытых ручных вентилях давление топлива на коллекторе и на горелках будет одинаковое. Если один из вентилей будет открыт не полностью, то давление топлива за ним будет меньше, а значит, и расход топлива меньше, и воздуха надо меньше, но при этом давление на коллекторе будет больше, и тогда регулятор воздуха будет не уменьшать подачу воздуха, что необходимо, а увеличивать.

Контролировать правильность работы регулятора воздуха можно (при замере давления топлива) по графику оптимального соотношения «топливо -- воздух», но качество сжигания топлива при таком косвенном замере расхода топлива не гарантируется, да и проконтролировать его без газоанализаторов дымовых газов, которые не предусмотрены проектами, сложно.

Следовательно, более качественное сжигание топлива гарантировано при измерении его расхода. Причем не только при изменении расхода с помощью РО системы регулирования, но и ручными вентилями, а также при изменении состояния любого элемента тракта подачи топлива.

Количество воздуха, подаваемого в топку, обычно измеряется по давлению воздуха в воздуховоде перед котлом. У котлов ДКВР-20 горелок три, и из общего воздуховода имеются ответвления к каждой горелке с ручными заслонками для перераспределения количества воздуха. К котлам ДКВР нужно знать точное и постоянное положение ручных заслонок, иначе всякое их отклонение от заданного положения изменит соответствие между давлением воздуха и его количеством. Например, если прикрыть ручные заслонки на горелках, то давление воздуха в общем воздухопроводе возрастет, что 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.

Работу регулятора рассмотрим на примере «газ -- воздух». График этого соотношения выданный после окончания режимной наладки котла, предусматривает одно соотношение между количеством газа и воздуха, поэтому задатчик должен быть выключен. Датчик расхода газа преобразует измеряемый перепад давления на диафрагме в электрический сигнал и посылает на усилитель, где он сравнивается с электросигналом датчика давления (расхода) воздуха. При этом сигналы датчиков должны быть равны, но противоположны по фазе--тогда на входе усилителя суммарный сигнал равен нулю и САР находится в покое. Всякое изменение расхода газа вызовет изменение электросигнала датчика расхода, и регулятор должен восстановить вновь соотношение сигналов датчиков, то есть соотношение «газ -- воздух».

Из рассмотренного видно, что расход газа является задающим параметром для регулятора воздуха, изменяющего подачу воздуха вслед за изменением расхода газа. Значит, регулятор воздуха является следящим.

Регулятор уровня воды 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.

Датчик уровня, дифманометр с перепадом 6,3 кПа (630 мм вод. ст.), подключается через уравнительный сосуд к барабану котла.

Регулятор работает следующим образом. Датчик измеряет уровень воды в барабане котла, преобразует его в электрический сигнал и посылает на усилитель, где он сравнивается с сигналом задатчика. При равенстве сигналов система регулирования находится в установившемся состоянии. При появлении сигнала рассогласования ДХ=Х-Х₀ -- регулятор, воздействуя на количество питательной воды, протекающей через регулирующий оргон, по ПИ-закону, восстанавливает равновесие системы.

Регулятор 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 ГМГм и ГМГ-П, которыми оборудуются котлы ДКВР. Верхний предел (120%) определяется тем, что кратковременно разрешается перегрузка котла, при этом нужно учесть, что паспортная мощность котлов ДКВР указана для угольного топлива, а при использовании газового или мазутного она увеличивается на 40%.