Автоматическое поддержание температуры перегретого пара

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Научно-техническая революция в современном промышленном производстве в значительной мере связана с автоматизацией.

Автоматизация способствует росту производительности труда и коренным образом меняет роль человека в процессе производства. При автоматизации повышается культурно- технический уровень работников и создаются условия для ликвидации различий между умственным и физическим трудом.

Большое развитие получила автоматизация в современной энергетики, основу которой составляют ТЭЦ.

На ТЭЦ осуществляется преобразование первичной химической энергии, заключенной в топливе, в электрическую энергию, за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. В парогенераторе вырабатывается перегретый водяной пар. Он поступает в паровую турбину, в которой происходит преобразование тепловой энергии перегретого пара (теплоносителя) в механическую энергию вращения ротора турбогенератора. В последнем вырабатывается электрическая энергия переменного тока.

Системы автоматического регулирования котла основных технологических параметров котла предназначены для обеспечения безаварийного и эффективного управления котлом с целью стабилизации параметров на заданном уровне в различных режимах работы основного оборудования.

В основу проектирования систем регулирования котла положен, принцип создания систем на базе современных технических средств автоматики способных обеспечить выполнение всех требований технологического регламента, повысить культуру производства и облегчить труд оператора- технолога.

Темой дипломного проекта является автоматическое поддержание температуры перегретого пара на КА БКЗ 75/39.

Развитие науки и техники позволило внедрять во многих производствах (в том числе ТЭЦ) автоматические приборы управления. К ним относятся программируемые, микропроцессорные регулирующие приборы серии “Протар”. Для поддержания температуры перегретого пара мы заменяем два старых регулятора Р-25 на один регулятор Протар-130. Р-25-1 обрабатывал сигнал по расходу питательной воды и Р-25-2 обрабатывал два сигнала по температуре в пароперегреватели и после пароохладителя. Протар -130 предназначен для стабилизации температуры перегретого пара на заданном уровне путем изменения расхода питательной воды через пароохладитель.

Система регулирования выполнена в виде двухконтурной системы, где основной регулируемой величиной является температура перегретого пара, а дополнительной - температура за пароохладителем, которая быстрее, чем основная реагирует на возмущения идущие по каналу регулирующего воздействия. В связи с тем, что для питания котла и охлаждения перегретого пара используется вода из одного трубопровода, изменение расхода питательной воды оказывает влияние на температуру перегретого пара. Для устранения этого влияния предлагается ввести компенсирующие связи от расхода питательной воды и положения подпорного клапана. Также рассматривается вопрос установки дополнительного расходомера на трубопроводе охлаждающей воды. В этом случае схема системы регулирования несколько упрощается, так как вместо двух сигналов может использоваться только один - по расходу охлаждающей воды, который обладает большей информативностью.

Развитие высоких и ресурсосберегающих технологий, внедрение систем автоматического контроля, регулирования и управления производственным процессом и будет экономически выгодным для предприятий.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НА КА БКЗ 75/39.

1.1 Технические характеристики

Котельный агрегат типа БКЗ-75-39 ФБ, вертикально-водотрубный, однобарабанный с камерной топкой, естественной циркуляцией, с тремя ступенями испарения, с П-образной компоновкой поверхностей нагрева.

Таблица 1.1

Расчетная техническая характеристика
Паропроизводительность номинальная	75 т/час
Тепловая мощность номинальная	51 Гкал/час
Давление пара в барабане	44 кгс/см2
Давление перегретого пара	39 кгс/см2
Температура перегретого пара	410°С
Температура питательной воды	I04° С
Температура насыщения (в барабане)	256°С;
Теплосодержание насыщенного пара	668 ккал/кг
Температура холодного воздуха на входе в воздухоподогреватель	650С
Теплосодержание перегретого пара	790 ккал/кг
Температура горячего воздуха	334° С
Температура уходящих газов	119°С
Расход угля при номинальной нагрузке:
- Азейского	13 т/час
- Ирша-Бородинского	16 т/час
Емкость одного угольного бункера
- полная	I60 т
- рабочая	138 т
Паровой объем котла	13,65 м3
Водяной объем котла	29,8 м3

1.2 Топливо

Проектным топливом для котлоагрегата БКЗ-75-39ФБ является бурый уголь Азейского месторождения. Согласовано использование близких к нему по составу и характеристикам углей Ирша-Бородинского и Мугунского разрезов.

Основные характеристики углей Азейского и Ирша-Бородинского месторождений приведены в таблице:

Таблица 1.2

Уголь	Уголь Ирша-Бородинский	Уголь Азейский
Низшая рабочая теплотворная Способность	3740 ккал/кг	4140 ккал/кг
Влажность рабочая	33,1%	25%
Влажность максимальная	37%	32%
Зольность рабочая	8,9%	14-24%
Количество летучих в горючей массе	45%	46%
Температура плавления золы	12400С	13100С

Угольная пыль, взвешенная в воздухе, является взрывоопасной, причем наиболее взрывоопасной является пылевоздушная взвесь с содержанием частиц размером менее 0,2 мм.

Возникновение очагов тления возможно уже при содержании кислорода 3 %.

Для оценки взрывоопасных свойств твердых топлив используется критерий взрываемости Кт. Топлива подразделяются на четыре группы взрывоопасности, для которых устанавливаются необходимые средства взрывопредупреждения и взрывозащиты:

а) первая группа - Кт < 1,0;

б) вторая группа - 1,0 < Кт < 1,5;

в) третья группа - 1,5 < Кт < 3,5;

г) четвертая группа - Кт > 3,5.

1.3 Описание котлоагрегата

Паровой котел - это устройство, в котором для получения пара требуемых параметров используют теплоту, выделяющуюся при сгорании органического топлива или отходящих газов.

Для нормального функционирования котла требуется обеспечить подачу, подготовку и сжигание топлива, подачу окислителя для горения, а также удалить образующиеся продукты сгорания, золу и шлак. Вспомогательное оборудование, предназначенное для этих целей, включает:

- дутьевые вентиляторы и дымососы - для подачи воздуха в котел и удаления из него в атмосферу продуктов сгорания;

- бункера, питатели сырого топлива и пыли, угле размольные мельницы - для обеспечения непрерывного транспорта и приготовления пылевидного топлива требуемого качества;

- золоулавливающее и золошлакоудаляющее оборудование - комплекс устройств для очистки дымовых газов от золовых частиц с целью охраны окружающей среды от загрязнения и для организованного отвода уловленной золы и шлака;

- устройства для профилактической очистки наружной поверхности труб котла от загрязнения;

- контрольно-измерительную аппаратуру;

- водоподготовительные установки - комплекс устройств для обеспечения обработки исходной воды до заданного качества.

Основными элементами парового котла являются поверхности нагрева - теплообменные поверхности, предназначенные для передачи теплоты от теплоносителя к рабочему телу (вода, паровая смесь, пар или воздух), поступающая в котельную установку питательная вода не догрета до кипения. При прохождении по поверхностям нагрева котла она постепенно нагревается до состояния насыщения, полностью испаряется, а полученный пар перегревается до заданной температуры.

По происходящим процессам преобразования рабочего тела различают нагревательные, испарительные и пароперегревательные поверхности нагрева.

Теплота от продуктов сгорания может передаваться излучением или конвекцией.

В качестве нагревательных поверхностей нагрева применяют экономайзеры - обогреваемые продуктами сгорания устройства, предназначенные для подогрева воды, поступившей в паровой котел. Они располагаются в зоне относительно невысоких температур в конвективной опускной шахте.

Испарительные поверхности преимущественно располагают в топке, где развиваются наиболее высокие температуры, или в газоходе сразу за топочной камерой. Это поверхности нагрева - топочные экраны, фестоны, котельные пучки. Топочные экраны - это поверхности нагрева, состоящие из труб, расположенных в одной плоскости у стен топочной камеры и способствующих ограждению последних от воздействия высоких температур. Фестон и особенно котельные пучки применяют в котлах среднего давления относительно небольшой производительности.

Фестон - полурадиационная поверхность нагрева, располагаемая в выходном котле топки и образованная трубами заднего экрана, разведенными на значительные расстояния путем образования многорядных пучков.

Котельный пучок - это система параллельно включенных труб конвективной парообразующей поверхности котла, соединенных общими коллекторами или барабанами.

Промежуточные пароперегреватели предусматриваются при повышении давления перегретого пара.

Совокупность последовательно расположенных по ходу рабочего тела поверхностей нагрева, соединяющих их трубопроводов и установленных дополнительных устройств, составляет пароводяной тракт парового котла, в этот тракт входят: экономайзер, отводящие трубы, барабан, опускные трубы и нижний распределительный коллектор, трубы топочных экранов, пароперегреватель.

Топливный тракт включает: конвейер, бункер, питатель угля, питатели пыли, топливные течки и пылепроводы. Бункера сырого топлива - емкости, предназначенные для хранения определенного, постоянно возобновляемого запаса топлива, обеспечивающие непрерывную работу котла. Питатели сырого топлива - устройства для дозирования и подачи топлива из бункера в мельницу, предназначенную для получения угольной пыли. В мельницу одновременно с топливом для его сушки подается по коробу сушильный агент. Готовая пылевоздушная смесь из мельниц через горелки подается в топочную камеру.

Для сжигания топлива в качестве окислителя используют воздух, забираемый из атмосферы дутьевым вентилятором. Оборудование, обеспечивающее забор воздуха, его подогрев и подачу через элементы котла и топливного тракта (короб, мельница, пылепроводы к горелкам) образует воздушный тракт котла. Подогрев воздуха в воздухоподогревателе позволяет обеспечить сушку топлива и повысить интенсивность и экономичность горения топлива.

Из топочной камеры продукты сгорания проходят последовательно все поверхности нагрева и после очистки от золы в золоуловителях выводятся через дымовую трубу в атмосферу. Это оборудование входит в газовый тракт. Газовый тракт может находиться под давлением (дутьевого вентилятора) либо под разряжением. В последнем случае в газовом тракте после золоуловителей устанавливают дымососы.

Барабанные котлы нашли широкое применение на тепловых электростанциях, теплоэлектроцентралях. Наличие барабана, в котором зафиксирована граница раздела между паром и водой, является отличительной чертой этих котлов. Питательная вода после экономайзера (если его нет, то прямо после насоса из питательного трубопровода) подается в барабан, где смешивается с котловой водой (водой, заполняющей барабан). Верхняя часть объема барабана заполнена паром и называется паровым объемом (пространством) барабана, нижняя, заполненная водой, называется водяным объемом, а поверхность раздела между ними - зеркалом испарения, смесь котловой и питательной воды по опускным не обогреваемым трубам из барабана поступает в нижние распределительные коллектора, питающие испарительные поверхности (как правило, это топочные экраны). Вода, поднимаясь по трубам этих поверхностей, воспринимает теплоту от продуктов сгорания топлива (топочных газов), нагревается до температуры насыщения, а затем частично испаряется. Из обогреваемых труб полученная пароводяная смесь поступает в барабан, где происходит разделение пара и воды. Уровень воды (зеркало испарения) делит барабан на водный и паровой объемы. Из последнего пар по трубам, расположенным в верхней части барабана, направляется в пароперегреватель. Вода же смешиваясь в водяном объеме с питательной водой, поступающей из экономайзера, вновь направляется в опускные трубы.

Уровень воды в барабане при работе котла колеблется между низшим и высшим положением, первое из них устанавливают исходя из обеспечения надежного поступления воды в опускные трубы, а второе - из исключения возможности попадания воды в пароперегреватель. Объем воды, заключенный между этими уровнями, позволяет барабанному котлу некоторое время работать без подачи в него питательной воды.

В парообразующих трубах за один проход испаряется лишь часть (4-25%) поступающих в них воды. Это позволяет обеспечить достаточно надежное охлаждение металла подъемных труб, а также предотвратить накопление солей, выпадающих при испарении воды на внутренней поверхности труб, путем организации непрерывного удаления части котловой воды из котла. Поэтому для питания котла допускается использование воды с довольно значительным содержанием растворимых в ней солей.

Замкнутую систему, состоящую из барабана, опускных труб, коллектора и подъемных труб, по которой многократно движется рабочее тело, принято называть контуром циркуляции, а многократное движение воды в нем - циркуляцией. Движение рабочей среды, обусловленное только различием между массой столба воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных, называют естественной циркуляцией, а паровой котел - барабанным с естественной циркуляцией.

Возникающий в контурах циркуляции перепад давлений, называемый движущим напором циркуляции, зависит от высоты контура и разности плотностей воды в опускных и пароводяной смеси в подъемных трубах. Он расходуется на преодоление сопротивления движению рабочего тела по трубам. Обычно его величина в паровых котлах с естественной циркуляцией относительно невелика (не более 0,1 МПа), что не позволяет развивать в контурах циркуляции высоких скоростей. Так как при невысоких скоростях пароводяной смеси, возможно, ее расслоение, то в котлах с естественной циркуляцией обогреваемые трубы не могут располагаться горизонтально или быть слабонаклоненными: преимущественное расположение труб вертикальное.

С повышением производительности котлов и применением факельного сжигания твердого топлива увеличивается объем топки и поверхность ее стен, которые в современных котлах покрыты трубами - топочными экранами. Так как в котлах с естественной циркуляцией топочные экраны преимущественно испарительные поверхности нагрева, то с ростом производительности котла роль кипятильных пучков постепенно уменьшается и отпадает надобность в установке двух барабанов.

Однобарабанные вертикально-водотрубные паровые котлы с естественной циркуляцией среднего давления выпускаются на давление 2,4 и 3,9 МПа. производительностью 25,35,50,75,100 и 160 т/ч с перегревом пара до 410 0С. Как правило они имеют П-образную компоновку с размещением топки в подъемной шахте и конвективных поверхностей нагрева.

В барабанном котле тип БКЗ-75-39 с пылевидным сжиганием твердого топлива все стены топочной камеры экранированы испарительными трубами, образующими вместе с опускными трубами, нижними и верхними коллекторами и барабаном отдельные циркуляционные контуры. Трубы заднего экрана переходят в верхней части у горизонтального газохода в четырехрядный фестон. Размалываемое в мельницах топливо вместе с подсушивающим воздухом входит в топку через прямоточные горелки, расположенные на фронтовой стене.

В горизонтальном газоходе за фестоном расположен вертикальный пароперегреватель, состоящий из двух ступеней (I и II).

В опускной конвективной шахте расположены экономайзер и воздухоподогреватель (по две ступени). Подобная компоновка поверхностей нагрева котла характерна для большинства котлов с естественной циркуляцией, как среднего, так и высокого давления, производительностью равной или более 35 т/ч.

1.4 Пароперегреватель

Конструктивные характеристики пароперегревателя:

Таблица 1.4

	1 ступень	2 ступень
Температура на входе, оС	226	326
Температура на выходе, оС	326	410
Температура газов за ступенью,оС	827	639
Скорость газов, м/сек.	35,6	8,0
Скорость пара, м/сек.	19,7	26,1
Число змеевиков, шт.	72	72

Устройство и работа

Пароперегреватель котла двухступенчатый, выполнен из труб 38х3 мм с регулятором температуры перегретого пара (пароохладителем) поверхностного типа, включенным «в рассечку». Первая ступень пароперегревателя двухходовая, прямоточно-противоточная. Расположение труб смешанное (шахматное и коридорное), материал - сталь 20. Вторая ступень пароперегревателя двухходовая, прямоточно-противоточная, имеет одну перемешивающую камеру 273х25 мм и две промежуточные камеры 273х25 мм, трубы выполнены из стали 20 и закреплены в 72 змеевика, из которых 36 включаются в промежуточные камеры. Для уменьшения температурной развертки предусмотрен перепуск пара с одной стороны на другую с перемешиванием потоков в промежуточной камере. Все трубы и камеры выполнены из стали 20 по ТУ 14-3-460-75.

Пар из барабана котла поступает в первую ступень пароперегревателя. Из первой ступени пароперегревателя пар поступает в пароохладитель, из которого по перепускным трубам поступает в промежуточные камеры. Из промежуточных камер по змеевикам пар идет против хода газов в перемешивающий коллектор, оттуда по змеевикам поступает в выходной коллектор перегретого пара. Для регулирования температуры перегретого пара установлен пароохладитель поверхностного типа с двухсторонним подводом и отводом охлаждающей воды. Пароохладитель состоит из камеры 325х25 мм, в котором с двух концов находятся пакеты змеевиков. Пароохладитель может обеспечить снижение температуры не более чем на 25-30°С. При этом расход питательной воды через пароохладитель составит 35-40 т/час.

2. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Технические средства автоматики, включающие различные автоматические устройства, служат для получения, передачи, преобразования и хранения контрольной информации, формирования и передачи командной информации и использования ее для воздействия на управляемый процесс.

Для успешного решения поставленной задачи - поддержания температуры перегретого пара на заданном уровне на котлоагрегате необходимо выбрать отдельные составляющие системы, на основе анализа и сопоставления как можно более широкого спектра существующих и доступных аналогов.

Для реализации системы, необходимо следующие составляющие элементы:

- регулятор (ПРОТАР-130 программный микропроцессорный с автоматизированной настройкой параметров);

- первичные измерительные преобразователи (датчик давления, датчики температуры);

2.1 Анализ существующих средств управления

2.1.1 Назначение Р-25

Приборы, регулирующие Р-25, предназначены для применения в системах автоматического регулирования и управления технологическими параметрами.

Приборы выполняют следующие функции:

- суммирование сигналов, поступающих от измерительных преобразователей с естественными электрическими входными сигналами, введение информации о заданном значение величины, формирование и усиление сигнала рассогласования;

- формирование на выходе электрических импульсов постоянного или переменного тока для управления исполнительным механизмом с постоянной скоростью перемещения;

- формирование совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости пропорционально - интегрального закона регулирования;

- формирование совместно с дифференциатором и исполнительным механизмом постоянной скорости пропорционально - интегрально-дифференциального закона регулирования;

- ручное управление исполнительным механизмом;

- преобразование сигнала от дифференциально - трансформаторного измерительного преобразователя положения исполнительного механизма в сигнал постоянного тока.

2.1.2 Технические данные

Питание приборов осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50Гц.

Мощность, потребляемая от сети, не более 22 ВА.

Приборы рассчитаны на эксплуатацию в закрытых взрывобезрпасных помещениях при следующих условиях:

- температура окружающего воздуха от 5 до 50 оС;

- верхние значение относительной влажности воздуха - 80%;

- атмосферное давление - от 630 до 800 мм.рт.ст.

Масса приборов -5 кг.

2.2 Выбор регулирующего прибора

Приборы, регулирующие программные микропроцессорные с автоматизированной настройкой параметров Протар -120 и Протар 130, разработанные Московским заводом тепловой автоматики, являются дальнейшим развитием микропроцессорных приборов серии Протар.

Главной отличительной чертой приборов является наличие в программном обеспечении алгоритма автоматизированной настройки динамических параметров ПИ регулятора с возбуждением автоколебаний. Анализ автоколебаний, вычисление и установка оптимальных параметров настройки осуществляется автоматически. Алгоритм разработан МЗТА совместно с московским энергетическим институтом (МЭИ). Алгоритм жесткой структуры в приборах не реализуется.

2.2.1 Назначение Протар-130

Прибор предназначен для применения в автоматизированных системах управления и в локальных системах регулирования в различных отраслях промышленности. Приборы используются в схемах стабилизации технологических параметров; программного, каскадного, многосвязного регулирования с реализацией сложных алгоритмов обработки информации.

Алгоритм функционирования приборов программируется потребителем, при этом специальных знаний в области математического программирования от персонала, осуществляющего проектирование систем управления на базе приборов, а также их наладку и обслуживание, не требуется.

Многофункциональность и свободная программируемость приборов позволяет заменить несколько (в среднем 4 - 6) аналоговых приборов и значительно усовершенствовать алгоритмы управления. Наличие алгоритма автоматизированной настройки параметров позволяет значительно ускорить ввод в действие системы регулирования при гарантированном качестве настройки, а также осуществлять периодическую диагностику настройки и ее оптимизацию в процессе эксплуатации.

Связь приборов с другими устройствами системы автоматического управления (в том числе с УВМ) осуществляется с помощью аналоговых и дискретных (логических) сигналов.

2.2.2 Функции, реализованные аппаратными средствами

- Гальваническое разделение двух дискретных входных сигналов (q+ и q-);

- Гальваническое разделение четырех аналоговых входных сигналов (Xa, Xd, Xc, Xb);

- Введение дискретного сигнала q0 запрета и блокировки от противоречивых команд управления по импульсному выходу Z6, Zм;

- Формирование сигнала опорного напряжения для питания потенциометрических датчиков и задатчиков (V оп);

- Формирование импульсных выходных сигналов Z6, Zм, и дискретных выходных сигналов Zв, Zн, Zотк;

- Формирование импульсных сигналов Zы, Zм1 для каскадной и динамической связи между контурами регулирования;

- Формирование дискретного выходного сигнала дистанционного переключателя режима управления Z (Протар 120) или дискретных выходных сигналов встроенных реле Z1, Z2 (Протар 130);

- Светодиодная индикация установленного режима управления, функционирования импульсных выходов Z6, Zм и дискретных выходов Zв, Zи.

2.2.3 Функции, реализованные аппаратно - программными средствами

- Безударное переключение режимов управления с автоматического на ручное и обратно, ручное управление с помощью пульта оператора;

- Безударное переключение режимов управления с автоматического на ручное и обратно, ручное управление с помощью дискретных сигналов, параметров настройки и переменных, входящих в структуру прибора кода отказа;

- Введение задания с помощью пульта оператора;

- Введение задания с помощью дискретных сигналов, поступающих с верхнего уровня управления;

- Формирование алгоритма диагностики отказов (выход Zотк и цифровая индикация кода отказа);

- Формирование внутреннего дискретного сигнала установленного режима управления др.

2.2.4 Технические данные

Тип пульта оператора - выносной, обеспечивает следующие режимы работы цифрового дисплея:

- режим гашения с возможностью контроля цифрового дисплея

- режим индикации отклонения и задания с возможностью изменения задания в фиксируемом диапазоне;

- режим просмотра переменных, выбор переменной для индикации и установки параметров;

- режим просмотра сигналов, выбор сигнала для индикации, а также индикации переменной выбранной в режиме 3;

- режим просмотра структуры и набора структуры.

Мощность, потребляемая от сети, не более 10ВА.

Масса прибора не более 3,1 кг.

Вероятность безотказной работы прибора за время 2000 ч. не менее 0,97.

2.3 Датчик давления МЕТРАН-43

2.3.1 Назначение

Датчики давления предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Они обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра- давления избыточного, разрежения, давления-разряжения, разности давлений, гидростатического (уровня) в стандартных токовых выходной сигнал дистанционной передачи.

Датчики МЕТРАН-43 предназначены для преобразования давления рабочих сред: жидкостей, газа и пара.

Датчики имеют как обыкновенное, так и взрывозащищенное исполнение.

Датчики МЕТРАН-43, используемые для преобразования значений измеряемого параметра газообразного кислорода и кислородосодержащих газовых смесей.

Датчики предназначены для работы с вторичной регистрирующей и показывающей аппаратуры, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, работающими от стандартного выходного сигнала 0-5, 0-20, 4-20, 5-0, 20-4 мА постоянного тока.

2.3.2 Технические данные

Каждый датчик может быть перенастроен по диапозону измерения в пределах Рmax-Pmin по стандартному ряду давлений по ГОСТ 22520.

При выпуске с предприятия- изготовителя датчик настраивается на верхний предел измерений в соответствие с заказом. Для датчиков с аналоговым электронным преобразователем (АП) пределы перенастройки должны соответствовать заказу.

Для датчиков (АП) при отсутствие в заказе указаний о пределах перенастройки требуемых в процессе эксплуатации, датчик поставляется перенастраиваемыми не менее чем на два верхних предела измерений, предусмотренных для данной модели , или на один меньший и один больший верхний предел измерений относительно заказа.

Датчики с микропроцессорным электронным преобразователем (МП, МП1) перенастраиваются по всему ряду пределов измерений для данной модели.

В зависимости от измеряемого давления датчики имеют следующие обозначения:

ДД - датчик разности давлений;

ДИ - датчики избыточного давления;

ДВ - датчики разряжения;

ДИВ - датчики давления- разряжения;

ДГ - датчик гидростатического уровня.

При перестройке датчика с кодом электронного преобразователя АП на любой из пределов измерений, предусмотренных для данной модели, допускаемая основная погрешность и вариация не превышает:

- для датчиков класса точности 0,2% - 0,25%;

- для датчиков класса точности 0,25% - 0,5 %;

- для датчиков класса точности 0,5 % - 0,5% .

Датчики имеют линейно возрастающую или линейно убывающую характеристику выходного сигнала.

Электрическое питание датчиков МЕТРАН-43 осуществляется от источников постоянного напряжением в зависимости от электронного преобразователя.

Потребляемая мощность датчика не более 0,5ВА.

2.3.3 Устройство и работа датчика

Датчик состоит из преобразователя давления и электронного преобразователя.

В качестве чувствительного элемента в датчиках используются тензопреобразователи.

Измеряемый параметр воздействует на мембрану измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента, вызывая при этом изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке.

Электронный преобразователь датчика преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина монокристаллического сапфира с кремниевым пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с металлической мембраной тензобреобразователя.

2.4 Выбор термопреобразователя

2.4.1 Назначение ТСПУ 9313

Термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом (в дальнейшем - Термопреобразователи) предназначены для измерения температуры путем преобразования ее в выходной сигнал в виде постоянного тока или напряжения.

Термопреобразователи относятся к одноканальным, однофункциональным изделиям, восстанавливаемым и ремонтируемым в условиях завода-изготовителя.

В нашем случае требуемыми параметрами и основным техническим характеристикам подходит термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом ТСПУ 9313.

2.4.2 Основные технические характеристики

2.4.2.1. Тип термопреобразователя ТСПУ 9313

2.4.2.2. Конструктивное исполнение 33.07

2.4.2.3. Вид климатического исполнения по ГОСТ15150-69 У2

2.4.2.4. Диапазон измеряемых температур, С +200- +400

2.4.2.5. Номинальная статическая характеристика преобразования первичного преобразователя по ГОСТ Р50353-92 50П

2.4.2.6. Класс допуска первичного преобразователя по ГОСТ Р50353-92. В

2.4.2.7. Уровень выходного сигнала постоянного тока, мА (при токовом выходном сигнале), 0…5

2.4.2.8. Потребляемая мощность, Вт, не более 0,9

2.4.2.9. Степень защиты от пыли и воды по ГОСТ 14254-80 ГР44

2.4.2.10. Материал защитной арматуры первичного преобразователя сталь 12Х18Н10Т

2.4.3 Устройство и принцип работы

Термопреобразователь состоит из первичного преобразователя температуры (термопреобразователь сопротивления платиновый) и вторичного преобразователя (электронная схема преобразующая изменение сопротивления в изменение выходного сигнала).

При изменении температуры изменяется сопротивление первичного преобразователя. В электронной схеме вторичного преобразователя это изменение преобразуется в изменение напряжения, которое пропорционально изменению температуры . Напряжение усиливается до уровня ,необходимого для управления схемой регулирования выходным сигналом. Схема обеспечивает необходимый коэффициент преобразования изменения сопротивления в постоянный выходной сигнал и линеаризацию зависимости выходного сигнала от изменения сопротивления.

Конструктивно первичный преобразователь представляет собой платиновую спираль, помещенную в защитную арматуру из стали 12Х18Н10Т.

Вторичный преобразователь размещается в головке. На головке размещается винт заземления.

В зависимости от конструктивного исполнения преобразователи ТСПУ9313 могут быть соединены между собой жестко или гибким кабелем. Подключение внешних цепей к преобразователю ТСПУ9313 осуществляется через розетку 2РМ 22КПН10Г1В1В с перемычками, которая присоединяется к вилке 2РМТ, встроенной в головку преобразователя.

3. ВЫБРАННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И ИХ РОЛЬ В СТРУКТУРЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

В результате проведенного анализа и основанного на нем выбора технических средств, необходимых для построения автоматической системы контроля и регулирования температуры перегретого пара были выбраны:

- микропроцессорный регулирующий прибор ПРОТАР-130;

- термопреобразователи сопротивления типа ТСПУ-9313 (необходимое количество - 2 шт.);

- преобразователи давления типа Метран 43-ДИ (необходимое количество - 1 шт.);

Система автоматического регулирования основных технологических параметров котла предназначена для обеспечения безаварийного и эффективного управления котлом с целью стабилизации параметров на заданной уровне в различных режимах работы основного оборудования.

В основу проектирования систем регулирования котла положен, принцип создания систем на базе современных технических средств автоматизации способных обеспечить выполнение всех требований технологического регламента, повысить культуру производства и облегчить труд оператора-технолога.

В этой связи следует отметить следующие основные моменты.

1. Локальные системы регулирования строятся на базе микропроцессорных регулирующих приборов серии ПРОТАР.

Регуляторы Протар-130 могут работать в режимах с жесткой структурой и со свободно программируемой структурой. Проектируемые системы регулирования ориентированы на работу регуляторов в режиме со свободно программируемой внутренней структурой. Этот режим позволяет реализовывать все необходимые функции систем регулирования без установки дополнительных аппаратных средств в отличие от аналоговых средств автоматизации, при этом, однако, следует иметь в виду разработки специальных программ для регулирующих приборов по соответствующим структурным схемам систем регулирования.

2. Регулирующие приборы Протар-130 позволяют в режиме со свободно программируемой структурой организовать управление двумя исполнительными электрическими механизмами, что снижает затраты на аппаратную часть систем автоматического регулирования котла.

3. Для регулятора Протар в качестве информационных входных сигналов используется унифицированные токовые сигналы 0…5Ма. Поэтому в информационных (измерительных) каналах должны быть предусмотрены устройства нормирования сигналов (преобразователи). Преобразователи унифицированного токового сигнала осуществляется с помощью поставляемых в комплекте с Протаром прецизионных резисторов (входных устройств токовых типа ВТ). Следовательно, схемы электрических соединений АСР дополняются схемами коммутации этих резисторов (параллельно входным клеймам регулирующего прибора).

4. Для спроектированных систем регулирования широко используется принцип автобалансировки систем регулирования с целью обеспечения их безударного переключения из режима ручного управления ( Р ) в автоматический ( А ) и наоборот. Такой подход позволил значительно уменьшить количество задатчиков ручного управления без потери удобства эксплуатации систем регулирования.

5. Устройства вывода импульсных сигналов регулирующих приборов Протар-130 рассчитаны на нагрузку со сравнительно небольшой индуктивной составляющей. Поэтому для того, чтобы не снижать надежности регулирующего прибора целесообразно, применение, пускателя бесконтактного реверсивного ПБР-3А что нашло отражение в схемах электрических соединений систем регулирования.

6. При описании схем регулирования использованы общепринятые обозначения технологических параметров, а также обозначения аналоговых и дискретных входов и переменных регулирующих приборов.

3.1 Регулятор температуры перегретого пара

Регулятор температуры перегретого пара предназначен для стабилизации температуры перегретого пара на заданном уровни путем изменения расхода питательной воды через пароохладитель. Структурная схема автоматической системы регулирования температуры перегретого пара приведена на листе 5.

Система регулирования выполнена в виде двухконтурной системы, где основной регулируемой величиной является температура перегретого пара, а дополнительной - температура пара за пароохладителем, которая быстрее, чем основная реагирует на возмущения идущие по каналу регулирующего - воздействия. В связи с тем, что для питания котла и охлаждения перегретого пара используется вода из одного трубопровода, изменение расхода питательной воды оказывает влияние на температуру перегретого пара. Для устранения этого влияния предлагается ввести компенсирующие связи от расхода питательной воды и положения подпорного клапана. Настройка компенсирующих связей осуществляется параметрами настройки дифференциатора Д и значениями коэффициентов с2 и с5.

Следует рассмотреть вопрос установки дополнительного расходомера на трубопроводе охлаждающей воды. В этом случае схема системы регулирования несколько упрощается, так как вместо двух сигналов < входы b и h > может использоваться только один - по расходу охлаждающей воды, который обладает большей информативностью.

Выходные цепи регулятора выполнены обычным способом с воздействием на клапан расхода охлаждающей воды.

Аппаратно регулятор температуры перегретого пара реализуется на одном регулирующем приборе Протар-130.

4. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТИРУЕМОЙ АСР

Пар из барабана котла поступает в первую ступень пароперегревателя. Из первой ступени пароперегревателя пар поступает в пароохладитель, из которого по перепускным трубам поступает в промежуточные камеры. Из промежуточных камер по змеевикам пар идет против хода газов в перемешивающий коллектор, оттуда по змеевикам поступает в выходной коллектор перегретого пара. Для регулирования температуры перегретого пара установлен пароохладитель поверхностного типа с двухсторонним подводом и отводом охлаждающей воды. Пароохладитель может обеспечивать снижение температуры не более чем на 25-30 0С. При этом расход питательной воды через пароохладитель 35-40 т/ч.

Температура пара на выходе из пароперегревателя 410 0С. Учитывая резкое снижение потребления тепловой энергии высокого потенциала промышленными потребителями ТЭЦ-7, продлить срок службы котлоагрегатов рекомендуется путем поддержания их номинальных параметров. В связи с этим проведены сравнительные аналитические расчеты, позволяющие выявить оптимальные параметры работы котлов БКЗ 75/39 и необходимые для их обеспечения конструктивные изменения.

4.1 Расчет передаточной функции

Исходная переходная характеристика процесса имеет следующий вид:



Рис. 4.1 - Исходная переходная характеристика

Аппроксимация переходной характеристики

Рассчитаем ПФ методом Ольденбурга-Сарториуса или аппроксимации передаточной характеристики объекта, апериодическим звеном второго порядка.

Порядок расчета такой:

Представляем переходную характеристику в виде таблиц:

Таблица 4.1

t	0	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2
h(t)	0	5	7	15	25	45	75	120	170
h1(t)	5	2	8	10	20	30	45	50	37
H(t)	0	0,01	0,017	0,038	0,064	0,15	0,19	0,3	0,43
t	2,25	2,5	2,75	3	3,25	3,5	3,75	4
h(t)	207	240	260	285	310	325	340	355
h1(t)	33	20	25	25	15	15	15	10
H(t)	0,53	0,61	0,66	0,73	0,79	0,83	0,87	0,91
t	4,25	4,5	4,75	5	5,25	5,5	5,75	6
h(t)	365	377	380	385	389	390	390	390
h1(t)	12	3	5	4	1	0	0	0
H(t)	0,93	0,96	0,97	0,98	0,99	1	1	1

где:

2) Определяем точку перегиба, для этого находим наибольшее значение h1(t). В нашем случае h1(t)=1,75;120, что соответствует значению Р={1,75; 0,3}.

Приводим переходную характеристику к нормированному виду:

,

Рис. 4.2 - Исходная переходная характеристика в нормируемом виде

4) Проводим касательную к точке перегиба и находим отрезки

a и b.

a=1,5; b=2.

5) Вычисляем отношение m=a/b=0,75; пользуясь номограммой откладываем величину m по обеим осям, концы отложенных отрезков соединяем прямой линией, которая пересечет кривую L в двух точках, отстоящих по оси ординат на расстоянии А и В. А=0,22; В=0,55

Рис. 4.3 - Номограмма

6) Определяем постоянные времени T1 и T2:

; ,

T1=0,55*2=1,1 мин.; T2=0,22*1,5 мин.

Определяем расчетную величину tp*:

,

tp*=0,5*ln(3,3)=0,596 мин.

Находим время чистого запаздывания

= tp-tp*,

где tp - координаты точки перегиба.

=1,75-0,596=1,15.

ПФ будет иметь следующий вид:

,

,

С помощью АСОТАР построим переходную характеристику по ПФ, полученной в этом методе аппроксимации.

Рис. 4.4 - Исходная и расчетная переходные характеристики в нормированном виде

4.2 Инженерные методы выбора типа автоматического регулятора

Под выбором типа регулятора подразумевается выбор простейшего закона регулирования, наиболее дешевого и простого в эксплуатации регулятора, обеспечивающего при различных возмущениях в заданных пределах динамическую ошибку, время регулирования и статическую ошибку. Следовательно, тип регулятора любой автоматической системы может быть определен либо по трем из этих показателей, либо по некоторым из них.

Тип автоматического регулятора (закон регулирования) выбирается с учетом свойств объекта регулирования и заданных параметров качества переходного процесса. К качеству регулирования каждого конкретного технологического процесса, имеющего только ему присущие особенности, предъявляются конкретные требования. При выборе закона регулирования учитывают:

- свойства объекта;

- максимальную величину отклонения;

- принятый для данного технологического процесса вид типового переходного процесса;

- допустимые значения показателей качества процесса регулирования (динамическая ошибка - у1доп; статическая ошибка - уст.доп ;время регулирования tр.доп).

Целесообразно использовать регуляторы наиболее простых типов. Выбор регулятора осуществляется в следующей последовательности:

Подбор регулятора начинается с определения максимального динамического отклонения регулируемой величины в замкнутом контуре. При этом должны соблюдаться условия: у1 < у1доп, где: у1доп - максимально допустимое в системе регулирования динамическое отклонение выходной величины.

Для устойчивых объектов величина у1 определяется по равенству:

,

пароперегреватель автоматический регулятор выбросы

где: Rд - динамический коэффициент регулирования в системах с устойчивыми объектами;

k0 - коэффициент передачи объекта по каналу регулирующего воздействия;

xв - регулирующее воздействие, вызывающее такое же изменение регулируемой величины, как и максимальное возмущающее воздействие zmax.

По значению Rд, определенному сначала для И-регулятора, вычисляют значение у1 и сравнивают его с допустимым по условию. При удовлетворении этого условия И-регулятор проверяют на время регулирования tр. Если он не обеспечивает заданного динамического отклонения регулируемой величины в заданном контуре или необходимое время регулирования, то последовательно проверяют более сложные законы регулирования до удовлетворения условий.

В случае выбора П-регулятора дополнительно проверяют величину статической ошибки регулирования на соблюдение неравенства: уст < уст.доп .

Статическую ошибку регулирования определяют по равенству:

,

Если полученное значение превышает допустимое, то переходят к регуляторам, имеющим И - составляющую (ПИ - или ПИД-регуляторам).

Проверку регуляторов на время регулирования выполняют в соответствии с условием: tp<tp.доп, где tр.доп - заданное максимально допустимое время регулирования.

Проведем подбор регулятора для данного дипломного проекта:

Для автоматического поддержания температуры перегретого пара выбрать автоматический регулятор, чтобы переходной процесс был граничным апериодическим, если данный объект регулирования характеризуется следующими динамическими свойствами:

- постоянная времени Т0=3 мин.;

- запаздывание в системе =1,15 мин.;

- передаточный коэффициент k0=16,9 % на 1 % хода регулирующего органа;

- возмущение, действующее на объект регулирования, принять равным 19,5 % хода регулирующего органа, т.е. хв = 19,5 %.

К качеству процесса регулирования предъявляют следующие требования:

1) Максимальное отклонение влажности не должно превышать 390 0С, т.е. у1доп =390 0С;

2) Максимальное время регулирования tр.доп = 6 мин.;

3) Остаточное отклонение регулируемой величины не должно превышать 5 %, т.е. уст.доп = 5 %.

Подбор регулятора:

Для начала берем И-регулятор.

1). Проверяем на максимальное отклонение

/ То = 1,15/3=0,38

2). По рис. 2.4 методических указаний по выбору типа регулятора определяем

Rди = 0,9

= 0,9*16,9*19,5=296,5

у1 < у1доп.

3) Проверяем на время переходного процесса

tp/=30 tp=26 > tp.доп.

Следовательно И-регулятор не подходит.

Рассмотрим П-регулятор.

Проверяем на максимальное отклонение

/ То = 0,38

По рис. 2.4 определяем

Rдпп= 0,6

= 0,6*16,9*19,5=197,73

у1 < у1доп

уст.= уст.1*k0xв= 0,6*16,9*19,5=197,7

Следовательно П-регулятор не подходит.

Рассмотрим ПИ-регулятор.

Проверяем на максимальное отклонение

/ То = 0,38

По рис. 2.4 определяем

Rдпп=0,5

= 0,5*16,9*19,5=164,7

у1 у1доп

Проверяем на время переходного процесса по рис. 2.9

tр / = 5; tp=5/1,15=4,3

tp < tр.доп

Следовательно ПИ-регулятор подходит.

4.3 Расчет оптимальной настройки одноконтурных систем регулирования

4.3.1 Пропорционально-интегральный закон регулирования

В данном законе регулирования перемещение регулирующего органа пропорционально сумме отклонения и интегралу от отклонения регулируемой величины.

,

Скорость регулирования пропорциональна отклонению регулируемой величины и ее производной:

,

,

,

где С0, С1 - настроечные параметры.

ПИ-регулятор является астатическим, с двумя настроечными параметрами.

ПИ-регулятор поддерживает установившееся значение регулируемой величины. При отклонении текущего значения от заданного регулятор в начальный момент времени переместит рабочий орган на величину, пропорциональную величине отклонения. Но если при этом Хоб не придет к заданному значению, ПИ-регулятор будет продолжать перемещать рабочий орган.

При малом значении Кр ПИ-регулятор может работать с объектами, имеющими значительное запаздывание.

Условие устойчивости системы регулирования является необходимым, но недостаточным для получения желаемого процесса регулирования. Необходимое качество регулирования можно получить, подбирая соответствующую комбинацию закона регулирования и величины возмущающего воздействия.

Задача настройки заключается в том, чтобы в заданной системе регулирования выбрать и установить параметры регулятора, обеспечивающие близкий к оптимальному процесс регулирования.

Амплитудно-фазовая характеристика получается, как обычно, заменой оператора p на j:

,

или в показательной форме:

,

и ,

По величине угла опережения этот регулятор занимает промежуточное положение между П- и И- регуляторами, т. к.

/2 < () <

ПИ-регулятор является астатическим и имеет два парамерами настройки:

С1=Кр;

С0=Кр/Ти;

Ти - время изодрома;

Кр - коэффициент усиления.

В момент возникновения рассогласования:

; ,

В момент времени:

; ,

Увеличение Кр при рассогласовании приводит к увеличению глубины обратной связи в САР, поэтому исчезает статическая ошибка.

ПИ-регулятор поддерживает установившееся значение регулируемой величины. При отклонении текущего значения от заданного регулятор в начальный момент времени переместит рабочий орган на величину, пропорциональную величине отклонения. Но если при этом Хоб не придет к заданному значению, ПИ-регулятор будет продолжать перемещать рабочий орган.

При малом значении Кр ПИ-регулятор может работать с объектами, имеющими значительное запаздывание.

Условие устойчивости системы регулирования является необходимым, но недостаточным для получения желаемого процесса регулирования. Необходимое качество регулирования можно получить, подбирая соответствующую комбинацию закона регулирования и величины возмущающего воздействия.

Задача настройки заключается в том, чтобы в заданной системе регулирования выбрать и установить параметры регулятора, обеспечивающие близкий к оптимальному процесс регулирования.

4.3.2 Метод расширенных АФЧХ

Система обладает определеннной степенью устойчивости, если все ее корни находятся левее некоторой прямой, проведенной в левой полуплоскости, параллельно мнимой оси на расстоянии g от нее.

Величина g характеризует интенсивность затухания процесса, и численно равна абсолютному значению действительной части корня характеристического уравнения и называется степенью устойчивости процесса системы.

Степень колебательности переходного процесса m характеризует затухание его колебательных составляющих, численно равна абсолютному значению отношения действительной части к коэффициенту мнимой части корня характеристического уравнения с наименьшим абсолютным значением этого отношения.

,

Степенью затухания называют отношение разности двух соседних амплитуд к первой из них. Ее можно выразить через степень колебательности процесса:

,

где 2m - логарифмический декремент затухания колебаний.

Рис. 4.5

, т.е. получаем, что .

Степень затухания рассматриваемой составляющей процесса будет определяться значением тангенса этого угла. Если корень характеристического уравнения этой системы будет лежать в плоскости комплексного переменного на линии АОВ, то степень затухания будет постоянной.

Выражение передаточной функции звеньев, для которых рк находится на линии АОВ, называется расширенной АФЧХ:

,

Если m=0, то РАФЧХ совпадает с линией АОВ и совмещается с мнимой осью, следовательно, АОВ - мнимая ось, а система находится на границе устойчивости

При расчете устойчивости системы используется соотношение:

,

,

Проводя соответствующие преобразования, получим следующую систему уравнений:

Решив систему уравнений, относительно и получим:

и

Подставив найденные и в формулы из таблицы 2.1 методических указаний, определим параметры настройки регулятора С0 и С1:

;

Построив в плоскости настроечных параметров регулятора линию, равную степени колебательности, выбираем на ней различные точки с конкретными значениями параметров регулятора, обеспечивающими оптимальный процесс регулирования.

Для системы регулирования, рассматриваемой в данном дипломном проекте, ранее были получены следующие данные:

Примем m = 0,221, что соответствует значению степени затухания =0,75.

Произведя в формулах замену , получаем расширенные АФЧХ:

Домножив на сопрягающие множители и произведя соответствующие преобразования, получим и :

Найдем и :

,

,

Используя формулы из таблицы 2.1. методических указаний найдем С0 и С1:

Подставляя различные частоты от 0 до значения, при котором С0 становится отрицательным, строим зависимость С0=f(C1). Значения С0 и C1 занесены в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

w	C0	C1	Ти
0,25	0,01402	0,004499	0,32091
0,3	0,019829	0,016582	0,836254
0,35	0,026411	0,029663	1,123152
0,4	0,033624	0,043677	1,299001
0,45	0,041306	0,058551	1,417495
0,5	0,049275	0,074204	1,505905
0,55	0,05733	0,090547	1,579404
0,6	0,065251	0,107486	1,647274
0,65	0,0728	0,124915	1,715871
0,7	0,079726	0,142728	1,790218
0,75	0,085764	0,160806	1,874986
0,8	0,090635	0,17903	1,97528
0,85	0,094053	0,197272	2,097463
0,9	0,095721	0,2154	2,250293
0,95	0,09534	0,233279	2,44682
1	0,092605	0,250767	2,707928
1,05	0,087213	0,267724	3,069753
1,1	0,078864	0,284002	3,601172
1,15	0,06726	0,299455	4,4522
1,2	0,052115	0,313935	6,023929
1,25	0,033151	0,327294	9,872698
1,3	0,010108	0,339383	33,5749
1,35	-0,01726	0,350055	-20,2822



Рис. 4.6 - График линии, равной степени колебательности

Выбираем на этой линии различные точки с конкретными значениями С0 и С1 и строим переходные процессы с получаемыми настроечными параметрами в АСОТАР.

1) Переходной процесс замкнутой САР при C0=0,095 и C1=0,233

Рис. 4.7 - Переходной процесс САР с настройками регулятора C0=0,095 и C1=0,233

2). Переходной процесс замкнутой САР при C0= 0,094 и C1=0,19



h(t)

Рис. 4.8 - Переходной процесс САР с настройками регулятора C0= 0,094053 и C1=0,1972

3) Переходной процесс замкнутой САР при C0= 0,085 и C1= 0,16

h(t)

Рис. 4.9 - Переходной процесс САР с настройками регулятора C0= 0,085764 и C1= 0,1608

Таким образом, оптимальным является 3-ий переходной процесс, т. к. в нем наименьшее время отсутствует амплитудный скачек.

4.4 Оценка качества показателей САР по переходному процессу замкнутой САР

h(t)

Рис. 4.10 - Переходной процесс замкнутой САР

1). Время переходного процесса: tр = 3,2 мин.

2). Максимум перерегулирования: