Система автоматического управления процессом оборотного водоснабжения на производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор существующих подходов для постановки задачи дипломного проектирования

1.1 Анализ существующих типовых конструкций градирен

1.1.1 Классификация градирен

1.1.2 Основные типы градирен

1.1.2.1 Вентиляторные градирни

1.1.2.2 Башенные градирни

1.1.2.3 Открытые градирни

1.1.2.4 Радиаторные градирни

1.1.2.5 Эжекционные градирни

1.2 Анализ существующих типовых схем построения систем оборотного водоснабжения

1.3 Обзор существующих способов организации водоснабжения

1.3.1 Основные элементы систем водоснабжения и их классификация

1.3.2 Централизованные системы водоснабжения населенных пунктов

1.3.3 Групповые и районные системы водоснабжения

1.3.4 Локальные системы водоснабжения

1.3.5 Системы водоснабжения промышленных предприятий

2. Описание системы оборотного водоснабжения как объекта автоматического управления

3. Техническое предложение

4. Математическая модель процесса оборотного водоснабжения, выбор и описание средств автоматизации и элементов управления

4.1 Элементы водооборотной системы

4.1.1 Запорно - регулирующий клапан

4.1.2 Датчик температуры погружной

4.1.3 Фильтр сетчатый

4.1.4 Датчик давления

4.1.5 Датчик положения

4.2 Математическая модель САУ и математическое описание входящих в нее элементов

4.3 Общая модель системы автоматического управления процессом оборотного водоснабжения по процессу подготовки температуры воды

4.4 Выбор электропроводки для элементов САУ

5. Обоснование выбора управляющего программируемого логического контроллера

6. Разработка алгоритмов функционирования и управляющей программы САУ оборотного водоснабжения

6.1 Обоснование выбора языка программирования

6.2 Описание алгоритма работы САУ водооборота

6.4 Тестирование и отладка управляющей программы

7. Безопасность и экологичность проекта

7.1 Анализ состояния БЖД при эксплуатации САУ процессом оборотного водоснабжения

7.2 Решения по охране труда

7.2.1 Проектирование электробезопасности САУ

7.2.1.1 Расчет защитного зануления ША

7.2.1.2 Требования к изоляции и монтажу электропроводок объекта

7.2.1.3 Технический уход за электрооборудованием

7.2.1.4 Технический уход за низковольтной аппаратурой

7.2.1.5 Технический уход за внутренними электропроводками

7.2.1.6 Техника безопасности при проведении технического обслуживания электрооборудования

7.2.2 Проектирование рабочего места оператора САУ

7.2.3 Меры по обеспечению техники безопасности в САУ оборотного водоснабжения

7.3 Решения по обеспечению устойчивости функционирования САУ в чрезвычайных ситуациях

7.3.1 Пожаробезопасность

8. Организационно-экономический раздел

8.. Обоснование проектной разработки

8.1.1 Определение трудоемкости разработки

8.1.2 Календарный график выполнения работ

8.2 Расчет себестоимости проекта автоматизации

8.2.1 Материальные затраты на средства автоматизации и заработную плату (ЗП)

8.2.2 Расчет себестоимости объекта автоматизации

8.3. Расчет экономичности и сроков окупаемости САУ водооборота

8.4 Оценка технического уровня (качества) проекта

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение

Водоснабжение - подача поверхностных или подземных вод водопотребителям в требуемом количестве и в соответствии с целевыми показателями качества воды в водных объектах. Инженерные сооружения, предназначенные для решения задач водоснабжения, называют системой водоснабжения, или водопроводом.

Система водоснабжения представляет собой комплекс сооружений для обеспечения определенной группы потребителей водой в требуемых количествах и требуемого качества. Кроме того, система водоснабжения должна обладать определенной степенью надежности, то есть обеспечивать снабжение потребителей водой без недопустимого снижения установленных показателей своей работы в отношении количества или качества подаваемой воды (перерывы или снижение подачи воды или ухудшение ее качества в недопустимых пределах).

Наличие системы оборотного водоснабжения является одним из важнейших показателей технического уровня промышленных предприятий. Внедрение систем оборотного водоснабжения позволяет резко снизить количество сбрасываемых сточных вод и уменьшить потребности в свежей воде, что дает большой экономический и экологический эффект.

Для повышения эффективности технологического процесса охлаждения воды и обеспечения энергосбережения в периоды пониженной нагрузки на охладительные установки целесообразно внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами водооборотных циклов.

Цель дипломного проекта - разработка системы автоматического управления процессом оборотного водоснабжения на производстве. Данная проблема обусловлена устареванием, как моральным, так и техническим существующей на ОАО «ВОМЗ» системы автоматики оборотного водоснабжения.

В общем случае, задачами любой системы оборотного водоснабжения являются:

1. Подача требуемого количества охлажденной воды, для обеспечения технологических процессов, связанных с ее использованием.

2. Отвод нагретой и загрязненной воды от обрабатывающих станков, где она использовалась.

3. Предупреждение нештатных и аварийных ситуаций.

Использование управляемой системы оборотного водоснабжения предоставляет возможности, позволяющие решить поставленные задачи.

Немаловажен тот факт, что данная проблема, затронутая в данном курсовом проекте, имеет место быть практически на всех старых заводах. Переоборудование, замена или применение управляемой системы оборотного водоснабжения позволит повысить качество выпускаемой предприятием продукции, уменьшить капиталовложения, предупредить и уменьшить количество аварийных ситуаций.

1. Аналитический обзор существующих подходов для постановки задачи дипломного проектирования

Оборотные системы широко используются в системах водяного охлаждения, как на предприятиях теплоэнергетического комплекса, так и на многих других производствах. К оборотным системам можно также отнести закрытые системы теплоснабжения.

Что касается предприятий, использующих воду как технологическое сырье, то подавляющее большинство из них применяет морально устаревшие схемы водного хозяйства, когда для водоснабжения берется свежая вода, а все образующиеся сточные воды (отработанные технологические растворы, продувочные воды, воды от мойки оборудования и помещений и т.д.) единым потоком проходят очистные сооружения и сбрасываются в водоемы.

Во всех отраслях промышленности используется различное энергопотребляющее оборудование:

– компрессорные установки;

– холодильные машины и кондиционеры;

– термопластавтоматы;

– установки токов высокой частоты;

– радиоэлектронные устройства;

– технологическое оборудование легкой и пищевой промышленности.

Рабочие процессы в энергопотребляющем оборудовании, как правило, требуют отведения и рассеяния в окружающей среде тепловых потоков. Сначала через теплообменные аппараты и охлаждаемые узлы оборудования пропускают наиболее эффективный промежуточный теплоноситель - воду. Вода в них нагревается. Для того чтобы многократно использовать одну и ту же воду в замкнутом контуре оборотного водоснабжения, ее необходимо охладить. Наиболее эффективный и распространенный способ это сделать - рассеять тепловой поток в атмосферном воздухе.

Для решения этой проблемы на производстве широкое распространение приобрели градирни.

1.1 Анализ существующих типовых конструкций градирен

градирня водоснабжение оборотный автоматизация

Градирня - устройство для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха в оборотных системах водоснабжения. Иногда градирни называют также охладительными башнями.

Применение охлажденной воды в промышленности связано с охлаждением оборудования в целях предохранения его от быстрого разрушения под влиянием высоких температур (например, цилиндров компрессоров, кладки производственных печей) и т.п.

В зависимости от назначения охлажденной воды требования, предъявляемые к температуре этой воды, могут сильно различаться. Эти требования диктуются условиями производственных процессов, экономичностью и надежностью работы установок. Они определяются, как правило, технологией производства.

Охлаждение воды в градирнях осуществляется путем передачи тепла атмосферному воздуху за счет поверхностного испарения воды и теплоотдачи соприкосновением (теплопроводность и конвекция). В течение большей части года преобладающую роль играет поверхностное испарение. Летом в жару на испарение приходится до 90% и более тепла, отдаваемого водой. Зимой возрастает теплоотдача соприкосновением до 50%, а в наиболее холодный период и до 70%.

Движущей силой процесса испарения воды в градирне является разность парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока. При теплоотдаче соприкосновением такой движущей силой является разность температур воды и воздуха.

В настоящее время градирни в основном применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения теплообменных аппаратов (как правило, на тепловых электростанциях, ТЭЦ). В гражданском строительстве градирни используются при кондиционировании воздуха, например, для охлаждения конденсаторов холодильных установок, охлаждения аварийных электрогенераторов. В промышленности градирни используются для охлаждения холодильных машин, машин-формовщиков пластических масс, при химической очистке веществ.

1.1.1 Классификация градирен

По способу передачи тепла атмосферному воздуху можно классифицировать градирни на:

– испарительные, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется в основном за счет испарения;

– радиаторные, или сухие, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется через стенку радиаторов за счет теплопроводности и конвекции;

– смешанные, в которых используется передача тепла за счет испарения, теплопроводности и конвекции.

Теоретическим пределом охлаждения воды в испарительных градирнях является температура атмосферного воздуха по смоченному термометру, которая может быть ниже температуры по сухому термометру на несколько градусов.

Теоретическим пределом охлаждения воды в радиаторных градирнях является температура атмосферного воздуха по сухому термометру.

В комбинированных радиаторно-испарительных градирнях, так же как и в сухих, охлаждение воды происходит через стенки радиаторов, орошаемые снаружи водой. Отдача тепла водой, протекающей через радиаторы к воздуху, осуществляется за счет теплопроводности через стенки и испарения орошающей воды. Указанные градирни получили меньшее распространение, чем испарительные и радиаторные из-за неудобств при эксплуатации.

По способу создания тяги воздуха градирни разделяются на:

– вентиляторные, через которые воздух прокачивается нагнетательными или отсасывающими вентиляторами;

– башенные, в которых тяга воздуха создается высокой вытяжной башней;

– открытые, или атмосферные, в которых для протока воздуха через них используются естественные токи воздуха - ветер и отчасти естественная конвекция.

В зависимости от конструкции оросительного устройства и способа, которым достигается увеличение поверхности соприкосновения воды с воздухом, градирни подразделяются на пленочные, капельные и брызгальные.

Каждый из указанных видов градирен может иметь разнообразные конструкции отдельных элементов оросительного устройства, отличаться их размерами, расстояниями между ними и может быть выполнен из различных материалов.

1.1.2 Основные типы градирен

Тип и размеры охладителя должны приниматься с учетом:

– расчетных расходов воды;

– расчетной температуры охлажденной воды, перепада температур воды в системе и требований технологического процесса к устойчивости охладительного эффекта;

– расчетных метеорологических параметров;

– условий размещения охладителя на площадке предприятия, характера застройки окружающей территории, допустимого уровня шума, влияния уноса ветром капель воды из охладителей на окружающую среду;

Градирни надлежит применять в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.

В районах с ограниченными водными ресурсами, а также для предотвращения загрязнения оборотной воды токсичными веществами и защиты окружающей среды от их воздействия следует рассматривать возможность применения радиаторных (сухих) градирен или смешанных (сухих и вентиляторных) градирен.

1.1.2.1 Вентиляторные градирни

Вентиляторные градирни надлежит применять в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды, при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках, при необходимости сокращения объема строительных работ, маневренного регулирования температуры охлажденной воды средствами автоматизации.

Технологическая схема вентиляторной градирни включает в себя следующие основные элементы: оболочку (корпус), состоящую из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, водоуловитель, водосборный бассейн и вентиляторную установку.

Рис. 1.1 - Схема вентиляторной противоточной градирни:

Рис. 1.2 - Схема поперечноточной градирни с отсасыванием воздуха вентилятором:

Рис. 1.3 - Схема одновентиляторной градирни площадью 400 м2 с вентилятором марки 1ВГ 104:

Рис. 1.4 - Схема поперечноточной градирни с нагнетанием воздуха вентилятором:

1.1.2.2 Башенные градирни

Башенные градирни надлежит применять в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках. Башенные градирни могут быть испарительными, радиаторными, или сухими и смешанными - испарительно - сухими. Башенные градирни разрабатываются, как правило, испарительные и с противоточной схемой движения воды и воздуха.

Основные технологические элементы - водораспределительное устройство, ороситель, водосборный бассейн, водоуловитель и воздухорегулирующее устройство - в башенных градирнях выполняют те же функции, что и в вентиляторных, и часто могут быть сходными по конструктивному оформлению.

Рис. 1.5 - Башенная противоточная градирня:

1.1.2.3 Открытые градирни

Открытые градирни - капельные и брызгальные - предназначаются преимущественно для систем с расходом оборотной воды от 10 до 500 м3/ч. Пример открытой градирни приведен на рис. 1.6.

Градирни характеризуются высоким охладительным эффектом без затраты электроэнергии на подачу воздуха, простотой строительных конструкций, условий эксплуатации и ремонта. Однако применение их ограничивается возможностью размещения на незастроенной площадке, сильно продуваемой ветром, а также допустимостью кратковременного повышения температуры охлаждаемой воды в период штиля.

Рис. 1.6 - Схема открытой капельной градирни:

1.1.2.4 Радиаторные градирни

Радиаторные градирни или аппараты воздушного охлаждения воды (АВО), иногда называемые сухими градирнями, состоят из элементов: радиаторов из оребренных медных, алюминиевых, углеродистых, нержавеющих или латунных труб, по которым протекает охлаждаемая вода; осевых вентиляторов, прокачивающих атмосферный воздух через радиаторы; воздухоподводящих патрубков, обеспечивающих плавный подвод воздуха к вентилятору, и опорных конструкций.

Радиаторные градирни следует применять:

– при необходимости иметь закрытый, изолированный от атмосферного воздуха контур циркуляции воды в системе оборотного водоснабжения;

– при высоких температурах нагрева оборотной воды в теплообменных технологических аппаратах, не допускающих ее охлаждения в градирнях испарительного типа;

– при отсутствии или серьезных затруднениях в получении свежей воды на пополнение потерь в оборотных циклах.

Рис. 1.7 - Схема радиаторной градирни:

Для предупреждения замерзания воды в трубках радиаторов и их повреждения требуется устройство емкостей для спуска воды из системы при аварийных ситуациях в зимнее время или заполнение системы низкозамерзающими жидкостями (антифризами).

В циркуляционных системах с радиаторными градирнями практически отсутствуют безвозвратные потери на испарение и вынос.

1.1.2.5 Эжекционные градирни

Охладители эжекционного типа перспективны при создании замкнутых систем водообеспечения. Все они относятся к семейству прямоточных распылительных аппаратов и содержат следующие основные элементы: распылитель (или группу распылителей), диспергирующий охлаждающую воду на капли, зону контакта охлажающего воздуха с каплями воды, а так же зону сепарации, где происходит отделение капель от воздуха (рис 1.8)

Вода подается в форсунку под избыточным давлением (обычно 0,1-0,4 МПа) и образует после неё капельный факел. Поток быстро летящих капель оказывает аэродинамическое воздействие на окружающий воздух и передаёт ему часть своего импульса, т.е. по мере движения жидкости постепенно уменьшается её количество движения, и капли затормаживаются, а газ, наоборот, приобретает количество движения. Так как факел на начальном участке расширяется, в его полость эжектируется все большее количество газа. Достигнув стенок аппарата в сечении касания, внешние капли выпадают на них, образуя стекающую пленку.

Рис. 1.8 - Схема эжекционной градирни типа «МУССОН» (односторонний вариант):

Обобщая аналитический обзор относительно различных типов (видов) градирен, можно заключить следующее: для различных современных типов производств, а так же тех, на которых уже имеются градирни, но которые требует реконструкции, применение простейших охлаждающих устройств: пруды, брызгальные бассейны, открытые градирни в силу их малой эффективности и ограниченности применения сразу можно не учитывать. Опустим также башенные (безвентиляторные) градирни: их применение оправдано только в очень крупных системах с единичной производительностью не ниже 6000 м3/ч. Таким образом, круг принципиальных конструктивных решений сужается фактически до двух вариантов: противоточные ветиляторные (пленочные и капельные) градирни и прямоточные распылительные эжекционные аппараты.

И те и другие охладители относятся к устройствам испарительного охлаждения. Вместе с тем известно, что в процессах с изменением фазового состояния (в данном случае испарение) направление движения фаз не оказывает заметного влияния на величину движущей силы, т.е. в этом отношении вентиляторные и эжекционные градирни практически равноценны.

Первым принципиальным различием является способ развития поверхности контакта фаз (воды и воздуха). В градирнях эта поверхность формируется при растекании воды по оросителю в виде пленки. Очевидно, что ороситель тем совершенней, чем большая поверхность пленки образуется в единице (м3) занимаемого им объема. Однако при этом совершенно небезразлично, какое гидравлическое сопротивление создает смоченный ороситель движению воздуха. Известна качественная зависимость: чем более развита поверхность оросителя, тем выше гидравлическое сопротивление и больше затраты энергии на продувание воздуха через градирню.

Независимо от охлаждающего устройства необходимый удельный расход воздуха колеблется в незначительных (700-1000 м3/ч) пределах. В градирнях эжекционного типа поверхность контакта - это поверхность капель, образующихся при распыливании охлаждающей воды специальными форсунками (средний их размер для форсунок различного типоразмера и режима работы колеблется от 0,3 до 0,8 мм).

Второе различие заключается в способе подачи охлаждающего воздуха. В градирнях для этих целей используется вентилятор, т.е. воздух принудительно попадает в аппарат. Отметим сразу связанные с этим недостатки:

Во - первых, это неоднородность потоков по сечению насадки (оросителя), т.е. возникновение зон с низкими удельными расходами воздуха. Это явление, называемое байпасированием, характерно для всех насадочных аппаратов и обусловлено следующим. Жидкая фаза достаточно «консервативна» и, будучи равномерно распределенной по поверхности насадки, практически сохраняет это распределение и на выходе из нее. Газовая фаза ведет себя иначе, она весьма чувствительна к локальным неоднородностям в гидравлическом сопротивлении слоя, немалое влияние оказывают стенки, балки и другие элементы каркаса.

Во - вторых, расход воздуха определяется только параметрами вентилятора и продуваемого слоя насадки. Увеличение или уменьшение нагрузки по воде в лучшем случае не влияет на абсолютный расход воздуха (на практике же увеличение подачи воды влечет за собой рост гидравлического сопротивления слоя и соответствующее уменьшение расхода воздуха), т.е. удельный расход воздуха (а значит, мощность вентилятора) должен приниматься по максимальному расходу воды.

В градирнях эжекционного типа картина совсем иная. Эжекционный эффект исключает байпасирование: воздух засасывается за счет энергии, передаваемой ему каплями при непосредственном контакте, поэтому распределение удельных потоков достаточно однородное. Кроме того, в рабочем диапазоне давлений воды на форсунках (0,1-0,4 МПа) коэффициент эжекции (удельный расход воздуха) - достаточно постоянная величина, эжекционные градирни обладают свойством саморегулирования, изменение расхода воды сопровождается пропорциональным изменением расхода воздуха.

А так как с увеличением расхода (давления) поверхность контакта увеличивается (уменьшается средний размер капель), эффективность даже возрастает. Напомним, что в традиционных градирнях картина обратная.

У градирен эжекционного типа есть и другие достоинства:

– Обеспечение высочайшей надёжности за счёт исключительной простоты конструкции («железный ящик»), отсутствия оросителей, вентиляторов, доступности форсунок для постоянного контроля, чистки и замены, стабильность характеристик, большой межремонтный пробег, удобство и дешевизна обслуживания, пожарная безопасность, длительный срок службы

– возможность включения/выключения зимой.

– обеспечение малошумности и возможность свободного размещения.

– обеспечение возможности работы при температурах воды выше 60оС.

– обеспечение рационального секционирования под конкретные расходы воды.

– покупной элемент один - водоуловитель (независимость от поставщиков).

Однако простота, о которой упоминалось, во многом кажущаяся. Распыливание охлаждаемой воды форсунками - условие необходимое, но не достаточное. Решающее значение имеют соотношения размеров, подбор группы типоразмеров и расположение форсунок, их класс, характеристики и целый ряд других факторов, только при соблюдении которых, обеспечиваются требуемый коэффициент эжекции и необходимое охлаждение воды.

Применение эжекционных градирен в локальном цикле оборотного водоснабжения позволяет отказаться от дорогостоящих схем охлаждения и обеспечить необходимые тепловые режимы работы оборудования.

Для наглядного сравнения рассматриваемых типов градирен сведем данные в таблицу.

Таблица 1.1

Сравнительная характеристика вентиляторных и эжекционных градирен

Вентиляторная градирня	Эжекционная градирня
элементы внутренней насадки подвержены разрушению и труднодоступны для замены	элементы внутренней насадки отсутствуют
разбрызгивающие форсунки подвержены засорению и труднодоступны для осмотра и чистки	разбрызгивающие форсунки также подвержены засорению, но легкодоступны для чистки, находятся на виду
для чистки форсунок и ремонта оросителя необходимо выключить градирню	наличие двух коллекторов в воздуховходной шахте позволяет чистить форсунки без остановки всей градирни
перегорают двигатели вентиляторов, нарушается балансировка вентиляторов	вентиляторы отсутствуют
наличие вентилятора определяет высокий уровень шума и вибрации	так как отсутствуют вращающиеся элементы, градирня является малошумной, нет вибрации
Вентиляторная градирня	Эжекционная градирня
в зимнее время повторный пуск после остановки практически невозможен	градирня свободно работает в режиме включения/выключения в любое время года
в летнее время включение дополнительных насосов не приводит к увеличению расхода охлаждающего воздуха, а, следовательно, невозможно дополнительное понижение температуры охлаждаемой воды	в летнее время, за счет включения дополнительных насосов, увеличивается расход охлаждающего воздуха, вследствие чего температура охлаждаемой воды может быть снижена до необходимого уровня
обмерзание и ледообразование в зимний период года приводит к разрушению внутренних элементов	не боится ледообразования и обмерзания в зимний период года
со временем снижается эффективность работы	эффективность работы постоянна весь период эксплуатации
затруднена эксплуатация при высоких температурах воды	возможна эксплуатация при любых температурах воды
имеет типовые габаритные размеры	может быть вписана в любое пространство
Энергоемкость градирен в рамках годового цикла практически одинаковая

Сравнительные характеристики типовых видов градирен сведены в таблицу, представленную в приложении А.

1.2 Анализ существующих типовых схем построения систем оборотного водоснабжения

Охлаждающей водой, нагретой в тепловыделяющем оборудовании, можно распорядиться по-разному, но вариантов фактически три и все они известны. По первому, вода сбрасывается в канализацию, т.е. используется на проток. Очевидно, что в настоящее время не только по экологическим, но и по экономическим соображениям это неприемлемо. По второму варианту, нагретая (условно чистая) вода используется в технологии предприятия. Такое решение самое привлекательное, так как одновременно утилизируется и полученное ею от оборудования тепло. Однако возможность даже частичного использования нагретой охлаждающей воды встречается крайне редко и составляет тысячные доли процента от общей массы ее потребления. Остается последнее -- нагретую воду охладить и повторно использовать, то есть организовать водооборотную систему. Этот вариант является преимущественным в общемировой практике, а усилия специалистов направлены на совершенствование техники и технологии таких систем.

Чтобы понять, как наилучшим образом организовать замкнутое использование охлаждающей воды, введем понятие некой «идеальной системы». В нашем представлении это кольцо (возможно, с местными разветвлениями), по которому насосом прокачивается вода. Проходя через потребителей, она нагревается, а в охлаждающем устройстве отдает полученное тепло. Потери воды в системе и подпитка отсутствуют, водяной контур полностью закрытый (рис. 1.9).

Рис. 1.9 Схема «идеальной системы»

Здесь мы не конкретизируем способ охлаждения воды и дальнейший путь отобранного тепла. Отметим лишь, что в подавляющем большинстве случаев это тепло тем или иным способом рассеивается в окружающей среде. Применение таких систем крайне ограниченно по следующим причинам.

Рис. 1.10 Закрытая схема с «сухой» градирней

Во-первых, избежать потерь воды и, соответственно, подпитки оказалось в реальных производственных условиях практически невозможно. Во-вторых, что более существенно, сухие градирни -- сложные, громоздкие, дорогостоящие и весьма энергоемкие устройства. В-третьих, нижний предел охлаждения в них на 5-8 °С (а при загрязненных поверхностях и на 12-18 °С) выше температуры окружающего воздуха, то есть летом температура охлажденной воды 40°С и выше, что во многих производственных процессах недопустимо. «Сухая градирня» -- это поверхностный теплообменник вода-воздух, где вода движется в трубках, обдуваемых с помощью вентилятора воздухом. Так как коэффициенты теплоотдачи от поверхности трубок к воздуху на 1,5-2 порядка ниже, чем от воды к трубкам, последние снаружи оребряют. Отложение грязи в зазорах между шайбами оребрения и накипи с внутренней стороны резко снижают эффективность теплообмена, а очистка поверхностей -- трудоемкий и затратный процесс. И, наконец, главное, -- удельный расход электроэнергии в таких аппаратах в 7-10 раз выше, чем в традиционных вентиляторных градирнях.

Известны и другие варианты создания систем без потерь воды и подпитки, когда вместо дорогостоящих «сухих градирен» использовались подземные аккумуляторные емкости (рис. 1.11).

Эти схемы были предназначены для оборудования, работающего только в дневное время, и использовали холод, накопленный охлаждающей водой (от грунта через стенки) в ночное время. Очевидно, что в рабочие циклы температура воды в аккумуляторной емкости будет расти. Соответственно будет расти и температура нагретой воды. Следовательно, объем воды (и бака) должен быть таковым, чтобы ее температура за весь рабочий цикл не превысила предельного значения. Для больших систем или непрерывных производств этот вариант вообще исключен. Итак, если невозможно создать идеальную систему, то, очевидно, следует максимально приблизиться к ней, то есть свести к минимуму потери воды и подпитку, а также обеспечить эффективное и экономичное охлаждение нагретой воды. Определяющим становится выбор способа охлаждения, альтернативный рассмотренному «идеальному». Решение этой задачи подсказала сама вода, а точнее ряд ее уникальных свойств, в числе которых высокая теплота испарения -- около 540 ккал/кг (для сравнения, у этилового спирта -- около 200 ккал/кг). То есть если испарить 1% охлаждаемой воды, то ее температура снизится на 5,4°С.

Принцип испарения 1,5-2 % воды в сочетании с теплопередачей от нагретой воды к более холодному воздуху и положен в основу работы всех устройств испарительного охлаждения воды. Следующее условие максимального приближения к идеальной системе охлаждения -- потери воды и подпитка должны быть равны испарению. В реальности этого добиться практически невозможно. Даже если свести к нулю потери через неплотности системы и механический унос в охладителе, исключить дренажный сброс не удастся. Системы заполняются и подпитываются из природных источников водой, содержащей растворенные в ней соли. И если мы будем компенсировать только испарение, то концентрация солей будет неуклонно возрастать в пределе до кристаллизации.

Дренаж (обычно, в зависимости от подпиточной воды, 3-5 %) и компенсирующая его подпитка позволяют поддерживать солесодержание в системе на некотором (пусть и более высоком, чем в исходной воде) приемлемом уровне. Поэтому, если механический унос влаги в сочетании с потерями в системе укладываются в заданный дренажный сброс, то их можно считать приемлемыми. Пример такой системы приведен на (рис. 1.12). Резюмируя вышесказанное, можно сделать главный вывод -- воду можно охлаждать почти без потерь (и без подпитки системы), но дорого, или с разумными потерями, но и с меньшими затратами. Следовательно, идеальных со всех точек зрения оборотных систем не бывает, речь может идти об оптимальных вариантах, когда важен грамотный выбор и разумный компромисс.

Еще один важный вопрос, который приходится решать при организации оптимального потребления охлаждающей воды, -- это выбор вида системы, которые бывают централизованными, групповыми и локальными.

1.3. Обзор существующих способов организации водоснабжения

1.3.1 Основные элементы систем водоснабжения и их классификация

Под системой водоснабжения подразумевается комплекс взаимосвязанных сооружений, предназначенных для водообеспечения какого - либо объекта или группы объектов.

Для правильного выбора системы и источника водоснабжения необходимо иметь данные о водопотреблении, знать требования, предъявляемые к качеству воды, иметь сведения о напоре, под которым она должна подаваться потребителю, знать характеристику имеющихся природных водоисточников в районе проектирования и т.д. В значительной степени система водоснабжения зависит от выбранного водоисточника: его характера (поверхностный или подземный), мощности, качества воды, расстояния, на которое он удален от водопотребителя, и т. п.

Все многообразие встречающихся на практике систем можно классифицировать по следующим основным признакам:

– по виду использования природных источников - водопроводы, получающие воду из поверхностных источников (речные, озерные, морские и т.п.), из подземных источников (артезианские, родниковые и т.п.), и водопроводы смешанного питания (при использовании различных видов водоисточников);

– по назначению - водопроводы коммунальные (городов, поселков), железнодорожные, сельскохозяйственные, производственные, которые в свою очередь подразделяются по отраслям промышленности (водопроводы химических комбинатов, тепловых электростанций, металлургических заводов и т.п.);

– по территориальному признаку - локальные (одного объекта), групповые (или районные) водопроводы и централизованные обслуживающие группу объектов;

– по способам подачи воды - водопроводы самотечные (гравитационные) и с механической подачей воды (с помощью насосов);

– по кратности использования потребляемой воды - системы прямоточные, с оборотом воды, с последовательным использованием воды на различных установках.

1.3.2 Централизованные системы водоснабжения населенных пунктов

Централизованная система водоснабжения населенного пункта или промышленного предприятия должна обеспечивать прием воды из источника, ее кондиционирование (если это необходимо), транспортирование и подачу ко всем потребителям под необходимым давлением. С этой целью в систему водоснабжения должны быть включены: водоприемные сооружения, предназначенные для получения воды из природных источников; насосные станции, создающие напор для передачи воды на очистные сооружения, в аккумулирующие емкости или потребителям; сооружения для обработки воды резервуары и водонапорные башни, являющиеся запасными и регулирующими емкостями; водоводы и водораспределительные сети, предназначенные для передачи воды к местам ее распределения и потребления.

Рис. 1.13 - Принципиальная схема централизованной системы водоснабжения

В состав системы водоснабжения входят следующие основные элементы:

– водозабор - гидротехническое сооружение для забора воды из открытого водоема либо из подземного источника;

– станция водообработки - комплекс зданий, сооружений и устройств для очистки воды с целью приведения показателей ее качества в соответствие с требованиями водопотребителей;

– резервуары (емкости) - закрытые сооружения для хранения воды после ее очистки;

– водопроводная насосная станция - сооружение, оборудованное насосно-силовой установкой для подъема и подачи воды в водопроводную сеть;

– водоводы и водопроводные сети - система трубопроводов с сооружениями и устройствами на них для подачи воды к местам ее потребления.

1.3.3 Групповые и районные системы водоснабжения

Целесообразность сооружения групповых или районных систем водоснабжения возникает обычно в условиях маловодной местности при необходимости обеспечения водой ряда отдельных объектов, расположенных на территории некоторого района. При этом возможный для использования достаточно мощный природный источник воды может находиться на значительном расстоянии от района расположения потребителей. Большая стоимость устройства и эксплуатации системы подачи воды от такого источника в район потребления обусловливает целесообразность кооперации всех отдельных объектов рассматриваемого района и сооружения для них единой системы водообеспечения.

При использовании двух природных источников A и Б (рис. 1.14) надежность водообеспечения существенно повышается. На рисунке стрелками указан один из возможных вариантов распределения расходов.

1.3.4 Локальные системы водоснабжения

Под локальными (местными) системами водоснабжения понимают такие, которые обслуживают:

– отдельные здания или группы зданий (микрорайоны населенных пунктов) жилого и коммунального назначения;

– небольшие отдельно расположенные промышленные предприятия, водопойные пункты животноводческих ферм и комплексов, полевые станции сельхозкооперативов;

– постоянно действующие станции и пункты сети наблюдения за гидрометрией и климатом, изыскательских партий;

– отдельно расположенные военные гарнизоны.

Основной отличительной особенностью локальных систем водоснабжения является наличие индивидуальных источников водоснабжения или подводящих водоводов (каналов) от групповых и центральных систем водоснабжения крупных населенных пунктов и промпредприятий и ограниченная суточная производительность. Последняя, в зависимости от количества, вида и режима жизнеобеспечения водопотребителей, может колебаться в пределах от 1 до 1000 м3/сут. и более.

Второй отличительной особенностью таких систем является меньшее насыщение оборудованием. Оно преимущественно состоит из полу- или полностью автоматизированных блоков забора, очистки и подачи воды, характеризуемых совмещением нескольких процессов в одном сооружении или устройстве.

Третьей отличительной особенностью локальных систем водоснабжения является резко выраженная неравномерность водопотребления в течение суток в коммунальном секторе, ввиду незначительного количества водопотребителей и специфического режима водопотребления. Для таких систем характерно отсутствие разветвленной кольцевой водопроводной сети и громоздких сооружений по обработке воды и хранению ее запасов.

Схемы локальных систем водоснабжения представлены на рис. 1.15.

Водозабор для систем локального водоснабжения осуществляется чаще всего из подземных водоисточников. В этих случаях могут использоваться как артезианские воды, так и грунтовые из малодебитных горизонтов или линз с пресной водой. Помимо скважин, весьма распространенными используемыми водозаборными сооружениями являются шахтные колодцы, каптажные родники, горизонтальные водосборы.

Аналогично централизованным и групповым системам водоснабжения количество воды, используемой в локальных системах водоснабжения, расходуется на хозяйственно-питьевые нужды населения, поение домашних животных и птиц, технические нужды, на полив приусадебных участков.

Отличительной особенностью режимов водопотребления является повышенная по сравнению с централизованными системами, неравномерность водопотребления по часам суток (обычно коэффициент неравномерности составляет от 3.5 до 4.5), а в сельскохозяйственных объектах (фермы, тракторные бригады) и сезонностью потребления.

1.3.5 Системы водоснабжения промышленных предприятий

Системы водообеспечения промышленных предприятий классифицируют по способам использования воды: прямоточные, оборотные и с повторным использованием воды. При прямоточных системах водоснабжения промышленных предприятий вода обычно входит в состав выпускаемого фабриката или существенно изменяет свой состав, в связи с чем, ее повторное использование нецелесообразно. В этом случае она сбрасывается после смешения с другими сточными водами в местную гидрографическую сеть или передается на очистные сооружения.

В оборотных системах водоснабжения, когда вода применяется в основном для охлаждения, в целях ее экономии оказывается целесообразным сбрасываемую предприятием (или отдельным цехом) нагретую воду охлаждать и подавать для повторного использования на том же объекте. При этом из водоисточника подается только 3-5% общего количества используемой воды для восполнения потерь при ее обороте. Иногда оборотную воду приходится не только охлаждать, но и подвергать некоторой очистке.

В системах повторного использования вода, сбрасываемая одним из промышленных потребителей, может быть использована другим, что позволяет уменьшить количество воды, забираемой из водоисточника.

На промышленных предприятиях устраивают водопроводы следующего назначения: отдельные производственные и хозяйственно-противопожарные; отдельные производственно-пожарный и хозяйственно-питьевой; отдельные производственный, противопожарный и хозяйственно-питьевой; объединенный производственно-противопожарно-хозяйственный.

Для водоемких промышленных предприятий, расположенных в черте города, которые могут использовать малоочищенную или неочищенную воду, обычно устраивают самостоятельные (отдельные от городского) производственные водопроводы. Подобные водопроводы сооружают для групп предприятий, размещенных в одном районе города.

Исходя из аналитического обзора подходов к решению задачи курсового проектирования, а так же при непосредственном изучении существующей на ОАО «ВОМЗ» системы оборотного водоснабжения можно заключить следующее: вода, используемая в системе водооборота - техническая, т.е. она не используется ни в каких-либо бытовых нуждах, ни применима в качестве питьевой, а так же не используется в системе пожаротушения; в состав системы входит брызгально - эжекционная градирня; сама система по виду использования природных источников, является смешанной; по территориальному признаку - локальной; по способу подачи воды - с механической (применяются насосы) подачей воды; по кратности использования - система с оборотным водоснабжением; организация оборотных циклов построена по комбинированному принципу.

2. Описание системы оборотного водоснабжения как объекта автоматического управления

Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развитие технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления.

Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий - изготовителей с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств - потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Соответственно к разработке, изготовлению следует принимать, прежде всего, те варианты технических средств, которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта

Система автоматического управления - это совокупность объекта управления (управляемого технологического процесса) и управляющих устройств, взаимодействие которых обеспечивает автоматическое протекание процесса в соответствии с заданной программой. При этом под технологическим процессом понимается последовательность операций, которые необходимо выполнить, чтобы из исходного сырья получить готовый продукт. В случае процесса оборотного водоснабжения готовым продуктом является охлажденная вода с заданными параметрами (температура, давление и т.д.), а сырьем - наружный воздух, отработанная вода, которая попадает на повторную обработку, электроэнергия и др.

В основу функционирования системы автоматического управления процессом оборотного водоснабжения, как и любой системы управления, должен быть положен принцип обратной связи (ОС): выработка управляющих воздействий на основе информации об объекте, полученной с помощью датчиков, установленных или распределенных на объекте.

На ОАО «Вологодский оптико-механический завод» применяется система оборотного водоснабжения, в которой применяются для охлаждения оборотной воды брызгально - эжекционная градирня. Данный технологический процесс не автоматизирован и запускается непосредственно с началом производственных процессов, где необходимо применение охлажденной воды.

Автоматизация технологического процесса охлаждения воды может быть:

– частичной (с функциями частотного регулирования, мониторинга и дистанционного управления);

– полной (автоматическое регулирование и управление без непосредственного участия человека).

Частичная автоматизация технологического процесса, предполагающая использование программируемого логического контроллера, обеспечивает:

– реализацию функции сбора данных;

– выработку управляющих воздействий;

– поддержание оптимального режима с целью минимизации энергетический затрат на эксплуатацию основного энергопотребляющего оборудования (в основном насосы, насосные станции);

– диагностику и прогнозирование неисправностей теплотехнической и электромеханической частей системы.

Полная автоматизация технологического процесса охлаждения воды предполагает:

– комплекс мероприятий по переоснащению оборудования технологического процесса устройствами защиты и/или диагностики;

– замену существующих исполнительных механизмов и контрольно - измерительных приборов и аппаратуры (КИПиА) на новые, которые позволяют производить мониторинг, диагностику и управление в реальном времени без участия человека.

Основным звеном в такой системе тоже является программируемый логический контроллер, связанный с верхним уровнем системы и обеспечивающий:

– автоматическое управление всеми технологическими процессами;

– передачу измеренных значений физических величин на АРМ (автоматизированных рабочих мест) диспетчеров автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП);

– защиту и блокировку оборудования и исполнительных механизмов;

– предупредительную и аварийную сигнализацию.

Полная автоматизация технологического процесса связана с реализацией функций регулирования, мониторинга, диагностики и управления. Она позволяет не только добиться высоких показателей эффективности производства охлажденной воды и снизить затраты электроэнергии, но и увеличить срок службы оборудования и повысить безопасность технологического процесса.

Систему оборотного водоснабжения любого предприятия в общем случае можно представить состоящей из следующих компонентов:

– промышленные потребители, использующие оборотную воду для охлаждения машин, аппаратов и рабочих сред;

– насосные станции с системой водоподготовки для обеспечения циркуляции воды в системе;

– охладительные установки (градирни);

– устройства очистки;

– запорно - регулирующая арматура.

Так как применяемая на производстве градирня (и сама система водооборота в целом) не имеет вентиляторов, а также будем учитывать, что пользование насосными станциями не изменилось, то основное место в системе будет занимать регулирующий клапан с заслонкой на подающем трубопроводе. Следовательно, в нашем случае, именно регулирующий клапан с заслонкой является объектом управления, т.е. при непосредственном влиянии на заслонку (угол открытия) меняется объем проходящей по трубе нагретой воды, соответственно изменяется объем воздуха эжектируемый внутрь градирни этой водой - вместе с этим увеличивается площадь контакта воды и воздуха, таким образом, происходит охлаждение нагретой технической воды. Т.е. система функционирует. Но также следует отметить, что в данной системе, мы управляем лишь параметрами температуры воды, и не рассматриваем прочие происходящие процессы в системе (например, тепломассообмен внутри самой градирни).

Функциональная схема САУ оборотного водоснабжения приведена в приложении Б.

3. Техническое предложение

На основании информации, представленной в разделах 1-2, сформируем цель, задачи и техническое предложение дипломного проекта.

Цель дипломного проекта - разработать систему автоматического управления процессом оборотного водоснабжения на производстве.

Основными задачами являются:

– изучение участка системы оборотного водоснабжения как объекта управления;

– разработка математического описания элементов, входящих в систему;

– разработка алгоритмов управления системой водоснабжения, с учетом отработки внештатных ситуаций (управляющая программа);

– моделирование переходных процессов в системе автоматического управления процессом оборотного водоснабжения;

– расчет эффективности капиталовложений и окупаемости разработанной системы автоматического управления процессом оборотного водоснабжения.

Таким образом, опишем необходимый функциональный минимум, которым по итогам проектирования и разработки должна обладать система автоматического управления процессом оборотного водоснабжения:

– Контроль и регулирование параметров оборотной воды;

– Контроль полученных параметров воды в процессе доставки до места ее непосредственного применения в технологическом процессе.

– Регулирование температуры в процессе охлаждения в брызгально-эжекционной градирне;

– Предусмотреть индикацию аварийных состояний, например, индикация светодиодом; загрязнение очистных блоков - фильтров (на основании обработки показаний с датчиков), прорыв трубопроводов (так же применение датчиков давления, можно использовать датчики целостности);

– Предусмотреть как режим автоматического управления, так и режим ручного управления системой (в случае выхода автоматики из строя или технического обслуживания, диагностики и ремонта системы).

– Разработанная система автоматического управления процессом оборотного водоснабжения должна соответствовать требованиям по электробезопасности (изоляция кабелей, защитное зануление).

4. Математическая модель процесса оборотного водоснабжения, выбор и описание средств автоматизации и элементов управления

В данном разделе опишем основные элементы, входящие в систему автоматического управления, приведем их основные характеристики и составим математическое описание. Как уже было отмечено в разделе постановки задачи дипломного проектирования - основной продукт подготовки - температура воды, поэтому в рамках дипломного проекта можно пренебречь построением математических моделей и моделированием процессов тепломассообмена и расхода воды.

Охлаждение оборотной воды происходит в брызгально - эжекционной градирне, поэтому никаких вентиляторных установок системе не будет, что значительно облегчает задачу автоматизации, данного технологического процесса.

4.1 Элементы водооборотной системы

4.1.1 Запорно - регулирующий клапан

Запорно - регулирующая арматура - это устройства, которые устанавливаются на различных трубопроводах или промышленных агрегатах. Такая арматура предназначена для управления процессами отключения, распределения, сброса, смешивания потоков рабочих сред путем изменения площади проходного сечения. Запорно-регулирующая арматура приводятся в действие или вручную, или при помощи пневмоприводов, гидроприводов, электроприводов.