Автоматизация процесса регулирования давления пара в барабане котла БКЗ-75-39 на ТЭЦ-7

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1.Описание технологического процесса котлоагрегата БКЗ-7539

1.1. Конструкция и работа котла

2. Постановка задачи регулирования параметров технологического процесса

3. Параметрический синтез системы автоматического регулирования

3.1. Аппроксимация переходной характеристики объекта

3.2. Выбор закона регулирования

3.3. Табличный способ расчета настроечных параметров регулятора

3.4. Определение настроечных параметров методом расширенных АФЧХ

3.5. Оценка качества переходного процесса

4. Анализ существующих систем автоматизации

4.1. Процесс регулирования основных участков

4.2. Базовые приборы для регулирования параметров

4.2.1 Регулирующие приборы типа Р-25

4.2.2 Манометры дифференциальные мембранные типа ДМ-3583М

4.2.3 Преобразователь давления типа МЭД

4.2.4 Вторичные показывающие самопишущие и регулирующие приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой КСД-2

4.2.5 Электрические исполнительные механизмы типа МЭО

5. Выбор технического обеспечения

5.1. Выбор промышленного компьютера

5.2. Выбор датчиков

5.2.1 Датчики давления Метран-22

5.2.2 Термопреобразователь ТСПУ-205

5.3. Выбор модулей

5.3.1 Контроллеры серии ADAM-4000 - модули для распределённых систем сбора данных и управления на базе интерфейса RS-485

5.3.2 ADAM-4017. Модуль аналогового ввода на 8 каналов

5.3.3 ADAM-4013. Модуль аналогового ввода

5.3.4 ADAM-4052. Модуль цифрового ввода-вывода с гальванической развязкой

5.3.5 ADAM-4520/4510. Модули преобразователя RS-232 в RS-422/485 и повторителя

6. Выбранные технические средства и их роль в структуре системы автоматического контроля и регулирования

6.1. Система контроля и регулирования

7. Экономическая часть

7.1. Расчет затрат внедрения оборудования

7.2. Расчет фонда заработной платы персонала по ремонту и обслуживанию оборудования

7.3. Расчет экономической эффективности внедряемого проекта

8. Безопасность жизнедеятельности

8.1.Организация и оборудование рабочего места с ПЭВМ

8.2. Расчет освещения производственного помещения

8.3. Расчет освещения рабочего места

8.4. Особенности освещения рабочих мест с видеотерминальными устройствами

9. Охрана окружающей среды

9.1. Механизм природопользования

9.2. Плата за загрязнение окружающей среды

9.3. Перечень природоохранных мероприятий

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время в России возникла ситуация, когда тепловые станции испытывают острую необходимость в модернизации технологического оборудования и особенно средств технологического контроля и управления. Оборудование большинства энергопредприятий эксплуатируется 15-20 и более лет, его физический ресурс исчерпан, оно морально устарело.

Наилучшим решением в этой ситуации является внедрение современного технологического оборудования, позволяющего максимально использовать возможности систем управления и тем самым добиться качественно нового уровня технологии.

Автоматизация производственных процессов, инженерного проектирования и многих функций управляющего персонала является одной из главных основ технического прогресса в отраслях промышленности. Именно автоматизация наряду с новыми технологиями способно многократно повысить производительность и качество на предприятиях, а также на всех этапах подготовки производства и в планово-экономических мероприятиях.

Комплексная автоматизация производства с применением робототехнических систем, с широким использованием вычислительной техники существенно облегчает человеческий труд. Благодаря автоматизации ликвидируется необходимость выполнения человеком однообразных, утомительных операций. Труд становится более интеллектуальным и интересным. В автоматизированном процессе производства роль человека сводится к наладке, регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдению за их действием.

Большое значение имеет также автоматизация с использованием роботов в аварийных ситуациях, при работе в экстремальной обстановке, где затруднено или опасно пребывание человека.

По уровню автоматизации теплоэнергетика занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности.

Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой и электрической энергии в любой момент времени должна соответствовать потреблению (нагрузке). Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро. Этим объясняется высокое развитие автоматизации в тепловой энергетике.

Теплоэнергетика, отличающаяся широкой механизацией технологических процессов, высокими параметрами рабочей среды, требованиями к точности их регулирования, а также наличием собственного источника энергии, является той областью науки и техники, где постоянно находят приложения методы теории и новые технические средства автоматического управления.

Темой дипломного проекта является автоматизация процесса регулирования давления пара в барабане котла БКЗ-75-39 на ТЭЦ-7.

Задача модернизации теплоиспользующего оборудования на промышленных предприятиях и в энергетической отрасли приобретает все более актуальный характер. Во-первых, это связано с тем, что значительная часть оборудования не только морально и физически устарела, но и может являться потенциальным источником опасности даже при минимальных отклонениях рабочих параметров от штатных показаний. Во-вторых, прямые (тепловые) и косвенные потери (частый ремонт, замена дорогостоящих узлов) в процессе эксплуатации изношенного оборудования становятся весомыми при оценке себестоимости выпускаемой продукции и снижают рентабельность всего предприятия. Немаловажным фактором, влияющим на эффективность функционирования технологического оборудования, является состояние и надежность его контрольно-измерительных и управляющих средств. Модернизация устаревших контрольно-измерительных средств на основе использования устройств микропроцессорной техники позволяет оптимизировать работу старого оборудования в режиме оперативного управления и обеспечить более эффективное и безопасное функционирование основного технологического оборудования.

По сравнительным оценкам такой подход экономически оправдан и по объему затрат на внедрение, и по показателям эффективности (экономии энергоресурсов, снижению аварийности, более рациональному использованию оборудования). Кроме того, появляются возможности реализовать широкий круг экологических мероприятий и повысить общую культуру производства.

1. Описание технологического процесса котлоагрегата БКЗ-75-39

В отопительных и отопительно-производственных котельных применяются паровые котельные агрегаты. Котельная установка является сложным комплексом машин и механизмов, работающих в одном технологическом потоке. В объеме котельной установки, кроме основного производства, могут входить несколько цехов: подготовки воды, подготовки и транспортировки топлива, теплоснабжения потребителя сетевой водой для отопления и водой для горячего водоснабжения.

В каждом из этих цехов находятся агрегаты и двигатели, многие из которых автоматизированы, блокированы между собой или входят в систему АСУ (автоматическую систему управления). Но все эти вспомогательные цехи и установки либо направлены на создание бесперебойной работы котлоагрегата и турбины ТЭЦ, либо являются устройствами, призванными распределять энергию, вырабатываемую теплосиловой установкой.

Основным энергоемким агрегатом, от которого зависит экономичная работа тепловой станции, остается котельный агрегат. Поэтому особое значение придается системе регулирования теплового процесса котельного агрегата.

В данном дипломном проекте рассматривается 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. Паропроизводительность котла 75 т/ч, давление перегретого пара 39 кгс/см² , температура перегретого пара 440 ?С. В целях продления ресурса работы металла паропроводов и пароперегревателей снижены номинальные параметры острого пара за котлами: температуру до 410+5⁰С, давление 33+1 ата.

Топливом для котлоагрегата является бурый уголь Азейского месторождения. Согласовано использование близких к нему по составу и характеристикам углей Ирша-Бородинского и Мугунского разрезов.

1.1 Конструкция и работа котла

Топливо, сжигаемое в топке, выделяет определенное количество тепла, которое воспринимается активными поверхностями нагрева котла. Обычно это экранные водонагревательные трубки, которые, спускаясь из барабана котла, опоясывают топочное пространство и создают замкнутый контур циркуляции воды.

Тепло, передаваемое экранным трубам горячими газами, заставляет воду в трубах вскипать, и в последних образуется водяная смесь. Плотность такой смеси меньше плотности воды, поэтому нагретая пароводяная эмульсия подымается вверх по трубам и попадает в барабан котла, где пар отделяется от воды и занимает верхний объем барабана. По опускным необогреваемым трубам, которые внизу котла соединены с обогреваемыми трубами, на место ушедшей в барабан котла эмульсии поступает новая вода и снова образуется эмульсия, подымающаяся вверх. Таким образом, в котле создается постоянная циркуляция воды.

Образующийся пар собирается в барабане котла и через пароперегреватель поступает в паровую турбину. Продукты сгорания топлива (в виде топочных газов) отсасываются дымососом. На своем пути топочные газы омывают трубки пароперегревателя и водяного экономайзера. Вторичное использование тепла дымовых газов повышает коэффициент полезного действия, так как тепло используется для повышения энергетических показателей пара, а подогретая питательная вода, поступая в барабан, не охлаждает находящуюся там воду. Подогретая вода после водяного экономайзера поступает через питательный клапан в барабан, восполняя потери воды с отбираемым паром.

Топливо в топку поступает через отсечной клапан и регулирующий орган. Нормальный режим горения топлива обеспечивается подачей в топку воздуха от вентилятора. Для того чтобы поддерживать экономичный и устойчивый режим котельного агрегата, нужно прежде всего выбрать параметр, который лег бы в основу регулирования подачи топлива в топку.

В индивидуальных котельных агрегатах, работающих каждый на свою турбину, таким параметром является давление пара в барабане котла. Действительно, если в топке сгорает столько топлива, сколько требуется для образования пара, покрывающего его расход, то давление в барабане котла будет неизменным. Иначе говоря, подвод тепла к котельному агрегату от сгорающего топлива, с учетом коэффициента полезного действия, должен соответствовать уходу тепла с отбираемым паром.

Если количество пара, поступающего в топку, превышает расход тепла с уходящим паром, то парообразование в котле будет протекать более интенсивно и давление в барабане увеличится. Если количество тепла, отбираемое с паром, превышает тепло, подаваемое с топливом, давление в барабане котла будет падать.

Количество тепла, подаваемого в топку, может изменяться по причине изменения состава и калорийности топлива. Но, если считать, что состав подаваемого топлива не меняется, что соответствует действительности для газового и жидкого топлива, то изменение подачи топлива может быть вызвано только одной причиной - изменением количества отбираемого пара. Поэтому процесс регулирования подачи топлива называется регулированием нагрузки котла, а регулятор, ведущий этот процесс, называется регулятором нагрузки. автоматизация котлоагрегат барабан котел

Регулятор получает импульс давления в барабане котла и передает команду на исполнительный механизм, который перемещает регулирующий орган топлива. Регулятор не просто передает команду на регулирующий орган, он ее обрабатывает в соответствии с законами регулирования. Дело в том, что процесс образования пара в котле имеет определенную инерционность, т.е. с изменением подачи топлива не сразу изменяется количество выработанного пара. Причиной этого является то, что сам процесс образования пара происходит во времени, кроме того, часть тепла тратятся на нагревание топочных масс котла.

Для обеспечения процесса горения топлива в топку должно быть подано определенное количество воздуха, кислород которого необходим для полного сгорания топлива. Избыток подаваемого воздуха вызовет повышенный унос тепла с топочными газами и приведет к переохлаждению топочного пространства, а недостаточная подача воздуха - к неполному сгорания топлива.

В топку всегда подается небольшой избыток воздуха по сравнению с тем, который нужен для полного сжигания топлива. Этот избыток определяется коэффициентом избытка воздуха, который устанавливается при тепловых испытаниях котлоагрегата. Задача автоматического регулирования заключается в обеспечении подачи воздуха в строгом соответствии с этим коэффициентом. Если характеристика системы «топливо - регулирующий орган» линейна, т.е. перемещение регулирующего органа прямо пропорционально количеству топлива, подаваемого в топку, то сигнал о количестве подаваемого топлива можно снять с датчика дистанционной передачи исполнительного механизма регулирующего органа топлива. Этот сигнал воспринимается регулятором избытка воздуха, который отдает команду исполнительному механизму, служащему приводом направляющего аппарата вентилятора.

Топочные газы должны быть полностью удалены. Полного удаления продуктов сгорания можно достичь обеспечением определенной производительности дымососа. Для того чтобы топочные газы не выбивались из топки наружу, необходимо поддерживать определенное разряжение в топке котла. Вместе с тем, увеличение этого разряжения приводит к повышенному подсосу воздуха через неплотности в стенках котлоагрегата. В котел подается неподогретый воздух. Повышаются потери с отходящими газами, так как возрастает скорость дымовых газов, нерационально увеличивается расход электроэнергии на привод дымососа. Все это ведет к уменьшению коэффициента полезного действия котла.

Импульс разряжения снимается в верхней части топочной камеры в связи с тем, что в нижней части топки могут быть различного рода подсосы.

Поэтому, поддерживая разряжение в верхней части топки, можно быть уверенным, что в других частях топки разряжение может быть только больше, но не меньше. Импульс разряжения передается на регулятор, который через исполнительный механизм поворачивает направляющий аппарат дымососа.

Регулирование уровня в барабане котла осуществляется регулятором. Команда уровня передается на регулирующий клапан. При снижении уровня клапан открывается, при увеличении уровня - открывается.

Такой представляется упрощенная картина регулирования уровня. На самом деле на уровень в барабане котла влияет целый ряд факторов: тепловая нагрузка топки, давление пара в барабане котла, расход пара из барабана котла и подача питательной воды в барабан.

В установившемся состоянии теплового режима количество тепла, воспринимаемое экранными трубами, во времени постоянно и количество образовавшегося пара в котле соответствует количеству пара, отбираемому потребителем. При этом количество пузырьков пара в экранных трубках постоянно и постоянна плотность и объем пароводяной эмульсии.

Любое нарушение установившегося состояния теплового режима приводит к изменению соотношения между средним содержанием пара и воды в экранных трубах.

При увеличении тепловой нагрузки топки количество тепла, передаваемое поверхностям нагрева, увеличивается, следовательно, увеличивается интенсивность парообразования. Увеличение количества пузырьков пара в пароводяной эмульсии приводит к увеличению ее объема, что сказывается на уровне в барабане котла - уровень увеличивается. Увеличение давления в барабане котлоагрегата приведет к уменьшению содержания пара в пароводяной эмульсии, так как при повышенном давлении часть пузырьков пара в сконцентрируется и превратится в воду. Поэтому при повышении давления уровень будет понижаться.

Рассмотрим процесс изменения уровня при возмущении теплового процесса в случае увеличения нагрузки на котел.

Увеличение потребления пара потребителями при неизменной подаче топлива приведет к уменьшению давления в барабане котла, что вызовет увеличение объема пароводяной эмульсии, так называемое «набухание». В результате эффекта «набухания» уровень в барабане котла довольно значительно возрастет. Величина изменения уровня зависит от теплонапряженности поверхностей нагрева и количества воды, содержащейся в котле.

В котлах с большим водяным объемом, не имеющих экранных поверхностей, изменение уровня при изменении нагрузки почти не ощущается. В котлах с одним барабаном «набухание» уровня может достигнуть величины порядка сотен миллиметров.

Увеличение уровня в барабане котла воспринимается регулятором как сигнал к снижению подачи питательной воды. Уменьшение количества питательной воды, подаваемой в барабан котла, приведет к увеличению температуры воды, а следовательно, к еще большему «набуханию». Однако с увеличением нагрузки котла количество воды, уходящей в виде пара, увеличивается, что, в конце концов, приведет к устойчивому снижению уровня в барабане.

Таким образом, увеличение нагрузки сначала приведет к резкому увеличению уровня в результате «набухания», а затем к снижению его в результате повышенного расхода воды.

Для того чтобы регулятор реагировал на причины, вызывающие изменение уровня, он должен воспринимать сигналы не только уровня в барабане котла, но и расхода пара, а часто и расхода питательной воды, подаваемой в котел. Причем сигнал расхода пара подают в регулятор со знаком, обратным сигналу уровня.

В результате явления «набухания» уровень в барабане котла изменяется на столько быстро, что регулятор не может повлиять на величину этого отклонения. Даже полное закрытие клапана питательной воды в момент увеличения нагрузки почти не уменьшает отклонение уровня в процессе «набухания». Но если позволить регулятору полностью закрыть питательный клапан, то возникает опасность упуска уровня в последующий период, когда уровень начнет устойчиво снижаться за счет несоответствия подачи воды в барабан и расхода пара.

Поэтому при введении в регулятор сигнала по расходу пара процесс регулирования будет выглядеть следующим образом: в первый период после увеличения нагрузки регулятор, приняв сигнал увеличенного расхода пара, выдаст команду на питательный клапан и он начнет открываться; в следующий период начнется «набухание», этот сигнал заставит регулятор прекратить команду на открытие питательного клапана. Если после этого уровень в барабане не установится, а будет изменяться, то этот сигнал изменения уровня, не скомпенсированный сигналом расхода, снова приведет к перемещению питательного клапана до восстановления уровня.

Если питательный насос подает на параллельно работающие котлы, то при отключении одного из них давление, создаваемое питательным насосом, увеличится (вследствие уменьшения нагрузки насоса). Увеличение давления приведет к повышенному количеству воды, подаваемой в оставшиеся в работе котлы, вследствие чего уровень в них повысится. Для предупреждения подобного явления в регулятор заводят еще один сигнал - по расходу питательной воды.

Автоматический процесс регулирования теплового режима котельного агрегата, работающего на турбину, осложняется еще тем, что турбина и котел как объект регулирования имеют разные скорости разгона, т.е. скорости восстановления номинала параметра. Турбина может изменять потребление пара со скоростью, сопоставимой со временем закрытия регулирующих клапанов. Изменение выработки пара котлом происходит значительно медленнее. Поэтому при резком сбросе или наборе нагрузки давление пара в паропроводе перед турбиной может значительно меняться.

Для защиты от резкого повышения давления в паропроводе служит быстровключающаяся редукционно-охладительная установка (БРОУ). При сбросе нагрузки, когда давление пара быстро растет и регулятор нагрузки не успевает привести агрегат в нормальный режим, давление может подняться выше определенного предела, тогда регулятор давления открывает клапан БРОУ и сбрасывает излишек пара в конденсат турбины.

Обычно давление, на которое настроен регулятор давления, несколько выше настройки регулятора нагрузки, и до тех пор, пока регулятор нагрузки не приведет давление в барабане в норму, регулятор с помощью БРОУ будет поддерживать давление несколько выше нормального.

На тракте газового топлива обязательно устанавливается отсечной клапан. Его задачей является обеспечить отсечку газа в случае погасания факела в топке котла, иначе газ может выходить в помещение котельной. В качестве датчика погасания пламени используется фотоэлемент или термопара. Ток, проходя по обмоткам соленоида отсечного клапана, удерживает его в открытом состоянии. При погасании пламени выходной сигнал термопары уменьшается и клапан закрывается. При розжиге котла клапан открывается вручную.

Следовательно, котел представляет собой сложную динамическую систему с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами. Система управления барабанным котлом включает автономные системы регулирования процессов горения и парообразования, температур перегрева пара, питания и водного режима.

2. Постановка задачи регулирования параметров технологического процесса

Котлоагрегат является энергетической установкой, в процессе эксплуатации которой с высокой динамикой изменяется связанные между собой технологические параметры. Автоматизация параметров дает значительные преимущества: обеспечивает уменьшение численности рабочего персонала, т.е. повышение производительности его труда, приводит к изменению характера труда обслуживающего персонала, увеличивает точность поддержания параметров вырабатываемого пара, повышает безопасность труда и надежность работы оборудования, увеличивает экономичность работы парогенератора. Автоматическое регулирование обеспечивает ход непрерывно протекающих процессов в парогенераторе (питание водой, горение, перегрев пара и др.).

Необходимо обеспечить оперативный вывод информации о текущем состоянии любого требуемого параметра, его отклонении от оптимального установленного и о самом оптимальном значении этого параметра. Список контролируемых параметров приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Основные контролируемые параметры

Наименование параметра	Требуемое значение	Преобразователь	Модуль
Температура перегретого пара	440°С	ТСПУ-205	ADAM-4013
Температура питательной воды	I04° С	ТСМУ	ADAM-4013
Уровень в барабане котла		Метран 22М-ДД	ADAM-4017
Давление питательной воды	6 кГ/см2	Метран 22М-ДИ	ADAM-4017
Давление пара в барабане котла	44 кгс/см2	Метран 22М-ДИ	ADAM-4017
Давление перегретого пара	39 кгс/см2	Метран 22М-ДИ	ADAM-4017
Расход питательной воды		Метран 22М-ДД	ADAM-4017
Расход перегретого пара	75 т/ч	Метран 22М-ДД	ADAM-4017

3. Параметрический синтез системы автоматического регулирования

3.1 Аппроксимация переходной характеристики объекта апериодическим звеном I порядка

Аппроксимация переходной характеристики объекта - это определение передаточной функции (математической модели объекта) по кривой разгона.

Таблица 3.1

Давление пара в барабане котла Р, кгс/см² и время регулирования t, мин

t	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150	160	170	180	190	200	210
Р	0	0,8	2,0	4,0	6,8	10	13,5	17,4	21	24,5	27,7	30,5	33	35,5	37,5	39,0	40,5	41,6	42,5	43,3	43,8	44,0

По данным таблицы 3.1 построим экспериментальную переходную характеристику.

Рис. 3.1. Экспериментальная переходная характеристика объекта

1) Определяем на кривой (рис.3.1) участок запаздывания . Для этого проводим касательную к точке перегиба переходной характеристики объекта до пересечения ее с осью абсцисс. Постоянная запаздывания равна длине участка от начала координат до точки пересечения касательной с осью абсцисс.

= 15 мин.

2) Определяем постоянную времени Т, для этого на оси ординат откладываем значение равное 0,63*y_уст(t) и находим время t^*.

,

где Т - постоянная времени,

- величина запаздывания.

Ведем прямую до пересечения с графиком, из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и получаем t^*= 100 мин.

Т = 100-15 = 85 мин,

где К - коэффициент усиления объекта,

Y_уст. - установившееся давление (в барабане котла).

3) Подставляем найденные значения в исходную передаточную функцию. Получаем передаточную функцию первого порядка:

,

4) Проверяем правильность определения передаточной функции объекта с помощью программы ASOTAR. Строим переходную характеристику по полученной передаточной функции, полученную расчетную передаточную характеристику сравниваем с экспериментальной переходной характеристикой, совмещая одну с другой (см. рис.3.2).

Рис.3.2. Совмещенные расчетная и экспериментальная переходные характеристики

5) В таблицу заносим ряды значений теоретической и экспериментальной переходной характеристики, а также значения разницы между ними (см. табл.3.2). Находим ошибку аппроксимации.

Таблица 3.2

t	Рэксп.	Ррасч.		t	Рэксп.	Ррасч.
15	0,8	0	1,136364	120	33,0	34	-3,86364
20	2,0	1	2,272727	130	35,5	36,6	-2,27273
30	4,4	3,3	1,590909	140	37,5	38,2	-1,59091
40	6,8	6	2,045455	150	39	39	0
50	10,0	10,0	0	160	40,5	39,8	0,454545
60	13,5	13,5	0	170	41,6	40	2,272727
70	17,4	17,8	-1,36364	180	42,5	41,5	2,272727
80	21	22	-2,27273	190	43,3	42,5	1,818182
90	24,5	25,1	-2,5	200	43,8	43,5	0,681818
100	27,7	28,6	-3,63636	210	44	44	0
110	30,5	31,5	-4,54545



_max = 4,545%, что не превышает нормы.

Из таблицы и рисунка видно, что погрешность не превосходит допустимую погрешность в 5%. Отсюда делаем вывод, что выбранный метод аппроксимации вполне подходит для данной передаточной функции.

W(p)=

3.2 Выбор закона регулирования

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 3 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:

1) свойства объекта;

2)максимальную величину отклонения;

3) принятый для данного технологического процесса вид типового переходного процесса;

4)допустимые значения показателей качества процесса регулирования (динамическая ошибка у_1доп; статическая ошибка у_ст.доп; время регулирования t_р.доп).

В соответствии с требованиями технологии в качестве заданного выбирают один из типовых переходных процессов:

1) апериодический;

2) 20%-ым перерегулированием;

3) с минимальной квадратичной площадью отклонения.

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 < у_{1доп ,}

где у_1доп - максимально допустимое в системе регулирования динамическое отклонение выходной величины.

Для устойчивых объектов величина у₁ определяется по равенству:

у₁ = R_д k₀ x_в ,

где R_д - динамический коэффициент регулирования в системах с устойчивыми объектами;

k₀ - коэффициент передачи объекта по каналу регулирующего воздействия;

x_в - регулирующее воздействие, вызывающее такое же изменение регулируемой величины, как и максимальное возмущающее воздействие z_max.

Ориентировочно характер действия регулятора определяют по величине отношения времени запаздывания /Т_о.

Позиционный регулятор ………………………………………/Т_о 0,2.

Регулятор непрерывного действия……………………….0,2 /Т_о 1,0.

Многоконтурная система регулирования……………………../Т_о 1,0.

По значению R_д , 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 t_р. 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:

y_cт y_ст.доп.

Статическую ошибку регулирования определяют по равенству:

у_ст = у*_ст k₀ х_в.

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:

t_p< t_p.доп,

где t_р.доп- заданное максимально допустимое время регулирования.

Для автоматизации системы регулирования давления пара в барабане котла выбрать автоматический регулятор, чтобы переходной процесс был с 20%-м перерегулированием, если данный объект регулирования характеризуется следующими динамическими свойствами:

,

где Т_o = 100 мин - постоянная времени;

_o =15 мин - величина запаздывания;

k_o = 44 (на 1% хода регулирующего органа) - передаточный коэффициент;

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

В качестве закона регулирования выбран ПИ - закон (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 С_о, С₁ - настроечные параметры.

При С₁=0 получаем И - закон регулирования, т.е. ФЧХ =,

При С_о =0 получаем П - закон регулирования, т.е. ФЧХ =.

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 Х_об не придет к заданному значению, ПИ-регулятор будет продолжать перемещать рабочий орган.

При малом значении К_р 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:

W(jщ) = -(C_o+C₁(jщ)) = - (C₁+j(C_o/щ)),

или в показательной форме:

W(jщ) = v(C_o/щ)²+С₁²*е^{j(р/2+arctg(щC1/Со)},

А(щ) = ?(С_о/щ)²+С₁²,

ц(щ) = р/2+arctg(щС₁/С_о).

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

р/2 <ц(щ) < р

ПИ-регулятор является астатическим с двумя параметрами настройки:

С₁=К_{р ,}

С₀= К_р / Т_и ,

где Т_и- время изодрома ,

К_р- коэффициент усиления.

В момент возникновения рассогласования К_р=С₁

х_р=К_р(1+t/T_и)

В момент времени t=T_и:

х_р(t) = 2K_p

Увеличение К_р 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 Х_об не придет к заданному значению, ПИ-регулятор будет продолжать перемещать рабочий орган.

При малом значении К_р 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.

3.3 Табличный способ расчета настроечных параметров регулятора

Для ПИ-регулятора и полученного отношения определяем параметры настройки регулятора.

= 0 : 0,2,

мин,

,

где k_р = С₁ = 1/ = 0,138;

С_о = k_p/Т_и = 0,003;

,

С помощью программы «ASOTAR» строим переходной процесс.

3.4 Определение настроечных параметров методом расширенных АФЧХ

Этот метод базируется:

1) на использовании в качестве критерия, определяющего качество переходного процесса регулирования, степени затухания ш;

2) определении расширенных амплитудно - фазовых характеристик объекта и регулятора;

3) применении основного условия устойчивости.

Степень затухания - величина, характеризующая затухание переходного процесса регулирования, равная отношению разности двух соседних амплитуд колебания (направленных в одну сторону) к первой из них.

где (h_max)₁ и (h_max)₂ - соответственно амплитуды первого и второго полупериода наиболее слабозатухающей составляющей.

Но в непосредственных расчетах используем другой показатель качества, функционально связанный со степенью затухания ш.

Таким показателем является степень колебательности переходного процесса m характеризует затухание его колебательных составляющих процесса регулирования и численно равна абсолютному значению отношения действительной части к коэффициенту при мнимой части корня характеристического уравнения с наименьшим абсолютным значением этого отношения.

Исходным условием при расчете является соотношение:

W(p)_об * W(p)_p = 1,

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

W_об(p)= ,

W_p(p)= - (0,138 +) ,

m = 0,6

где W_об.(р) - передаточная функция объекта;

W_р(р) - передаточная функция регулятора.

Произведя в формулах замену p = щ*(j-m), получаем расширенные АФЧХ.

W_об.(m,jщ) = ,

W_p.(m,jщ) = ,

W_об.(m,jщ)=1/W_p(m,jщ)

Решаем систему уравнений:

Решаем систему относительно С_о и С₁:

(3.3.1)

Строим зависимость С_о = f( С₁),подставляя в выражения (3.3.1) частоту щ от 0 до значения, при котором С_о становится отрицательным.



Рис. 3.3. Линия равной степени затухания

С₁ = 0,0969 К_р = С₁

С₀ = 0,0013 С₀ = К_р/Т_и

Оптимальные настройки регулятора:

К_р = 0,0969 T_и = 73,02 мин

Рис. 3.4. Переходная характеристика замкнутой системы

3.5 Оценка качества переходного процесса

Качество переходного процесса оценивается по переходному процессу с оптимальными параметрами регулятора: К_р = 0,0969, T _и = 73,02 мин.

Максимальное отклонение в переходный период (см. рис.3.4).

,

где у - перерегулирование,

Время переходного процесса t_р = 125 мин

Число колебаний N = 1

Время нарастания t_н = 41 мин

Время достижения первого максимума t_max = 56 мин

Степень затухания ш = 1

4. Анализ существующих систем автоматизации

4.1 Процесс регулирования основных участков

На главный регулятор поступают сигналы от датчика давления перегретого пара в магистрали (39 кгс/м²) и от задающего устройства.

На регулятор тепловой нагрузки поступают сигналы от главного регулятора, сигнал от датчика расхода пара (75 т/ч), сигнал от датчика давления в барабане котла (39 кгс/м²) и сигнал от задающего устройства.

На регулятор подачи твердого топлива подается сигнал от регулятора тепловой нагрузки и сигнал от задающего устройства.

На регулятор подачи питательной воды в котел поступают: сигнал от датчика расхода перегретого пара, сигнал от датчика расхода питательной воды (75 т/ч), сигнал от датчика уровня в барабане котла (±315 мм) и сигнал от задающего устройства.

На регулятор температуры перегретого пара поступают: сигнал от датчика температуры перегретого пара за главной паровой задвижкой (440^оС), сигнал от датчиков температуры перегретого пара с правой и слевой сторон котла (440^оС) и сигнал от задающего устройства.

4.2 Базовые приборы для регулирования параметров

Давление питательной воды, давление насыщенного пара в барабане котла, давление перегретого пара измеряют преобразователи давления МЭД в комплекте с прибором типа КСД-2.

Для измерения уровня воды в барабане котла, расхода питательной воды и перегретого пара применяют дифманометр мембранный ДМ-3583М в комплекте с прибором типа КСД-2.

Все технологические процессы регулирования на котле БКЗ-75-39 осуществляются приборами Р-25.

4.2.1 Регулирующие приборы типа Р-25

Регулирующий прибор типа Р-25 формирует, совместно с исполнительным механизмом типа МЭО мощностью до 200 ВА и свыше в комплекте с пускателем любого типа, ПИ - закон регулирования и предназначен для применения в схемах автоматического регулирования и управления технологическими процессами в котельных малой и средней мощности.

Прибор выполняют следующие функции:

1) суммирование сигналов, поступающих от измерительных преобразователей с неунифицированными (естественными) электрическими выходными сигналами, а также корректирующих сигналов постоянного тока или напряжения, введение информации о заданном значении, формирование и усиление сигнала рассогласования;

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

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

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

5) ручное управление исполнительным механизмом;

6) индикацию положения исполнительного механизма;

7) индикацию отклонения параметра (рассогласования).

Техническая характеристика

Питание прибора осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50-60 Гц. Потребляемая мощность до 25 ВМА. Входное сопротивление: для сигнала 0-5 мА не более 100 Ом; для 1-20 мА - 25 Ом; для 0-10 В - 15 Ом.

Выходные сигналы:

1) импульсы напряжения постоянного пульсирующего тока среднего значения 24 В. Отклонение значений выходного сигнала от заданной величины, при нагрузке 115 Ом: в режиме автоматического управления не более 10%; в режиме ручного управления не более -10% и +20%;

2) диапазон изменения постоянной времени интегрирования Т_и от 5с до 500 + 200с. Диапазон изменения постоянной времени демпфирования Т_дф от 0 до 10. Диапазон изменения длительности интегральных импульсов выходного сигнала t_и от 0,1 до 1 с;

3) диапазон изменения сигнала корректора в процентах от номинального диапазона изменения входного сигнала: для Р25.1 (изменение сигнала переменного тока частотой 50 Гц от 0 до 0,5 В) - от -100 до+100; для Р25.2 (изменение активного сопротивления термопреобразователя сопротивления 46 Ом) - от -50 до +50; для Р25.3 (изменение термо-э.д.с. преобразователя термоэлектрического от 0 до 50 мВ) - от 0 до 100;

4) диапазон изменения сигнала задатчика, в процентах от номинального диапазона изменения входного сигнала: для Р25.1 - от -20 до +20; для Р25.2 - от -7,5 до +7,5; для Р25.3 - от 0 до 21;

5) изменение состояния бесконтактных ключей, допускающих коммутацию пульсирующего постоянного или переменного тока;

6) входные бесконтактные ключи приборов коммутируют переменный частотой 50 Гц, 60 Гц и пульсирующий постоянный ток с амплитудным значением до 1 А при действующем значении тока от 0,1 до 0,5 А и действующем значении напряжения внешнего источника питания выходных цепей;

7) вид нагрузки, подключаемой к внутреннему источнику, для входного сигнала 24 В - активно-индуктивная. Активное сопротивление нагрузки не менее 100 Ом и не более 240 Ом;

Масса прибора не более 5 кг. Средний срок службы приборов не менее 10 лет. Выше указанные допускаемые предельные отклонения параметров и диапазонов их изменения, 90% приборов имеют параметры близкие к номинальным.

Устройство и принцип работы

Во всех модификациях приборов применен субблок Р011, выполняющий функции демпфирования, гальванического разделения, формирования закона регулирования и коммутации выходных цепей. Два других типа субблоков Р012 и Р013, называемые измерительными, выполняют функции суммирования сигналов от датчиков, введение сигнала задания, преобразования сигнала датчика положения рабочего органа исполнительного механизма в сигнал постоянного тока и формирования стабилизированного постоянного напряжения питания.

Во всех модификациях приборов используется один и тот же трансформатор питания.

4.2.2 Манометры дифференциальные мембранные типа ДМ-3583М

Дифманометры предназначены для измерения давления, расхода и уровня.

Приборы представляют собой стационарные измерительные преобразователи перепада давления с унифицированным выходным сигналом переменного тока, основанным на изменении взаимной индуктивности.

Принцип действия дифманометра основан на использовании деформации упругого чувствительного элемента при воздействии на него измеряемого перепада давления.

Под воздействием перепада давления нижняя мембранная коробка сжимается, и жидкость из нее перетекает в верхнюю коробку, которая расширяется, вызывая перемещение сердечника дифференциального трансформатора, которое в свою очередь вызывает изменение взаимной индуктивности между первичной и вторичной цепями дифференциального трансформатора.

Деформация чувствительного элемента происходит до тех пор, пока силы, вызванные перепадом давления, не уравновесятся упругими силами мембранных коробок.

Техническая характеристика

Питание первичной обмотки дифференциально-трансформаторного преобразователя дифманометра осуществляется от вторичного устройства переменным током 125 мА. Частота тока питания 50 Гц. Выходным сигналом дифманометра является взаимная индуктивность между первичной и вторичной цепями дифференциально-трансформаторного преобразователя, зависящая от значения измеряемого перепада давления. Класс точности дифманометра 1,5 (основная погрешность дифманометра не должна превышать 1,5%).

Вероятность безотказной работы дифманометра за 2000 ч. не менее: по метрологическим отказам - 0,92; по внезапным отказам - 0,94. Средний срок службы дифманометра 6 лет.

4.2.3 Преобразователь давления типа МЭД

Прибор предназначен для непрерывного преобразования избыточного или вакуумметрического давления в выходной сигнал переменного тока.

Преобразователь применяется в комплекте со вторичными взаимозаменяемыми дифференциально-трансформаторными приборами и регуляторами в системах контроля и управления (регулирования, сигнализации и т.п.) различных технологических процессов.

В качестве измеряемых сред допускаются жидкости и газы, не имеющие механических включений, не кристаллизирующиеся при температуре, окружающей прибор, и не агрессивные по отношению к медным сплавам и углеродистой стали.

Принцип действия приборов основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации чувствительного элемента - одновитковой трубчатой пружины, подвижный конец, которой соединен резьбовым штоком с плунжером дифференциального трансформатора. Перемещение подвижного конца пружины пропорциональное измеряемому давлению через резьбовой шток передается плунжеру. Перемещение плунжера вызывает изменение значения взаимной индуктивности от 0 до 10 мГ между первичной обмоткой и двумя секциями вторичной обмотки дифференциального трансформатора, включенными встречно.

Верхние пределы измерения: преобразователя модели 22365, Мпа: 2,5(25); 4,0 (40); 6,0 (60); 10,0 (100). Класс точности 1; 1,5. температура окружающей среды от 5 до 50?С. относительная влажность окружающей среды до 80%.

4.2.4 Вторичные показывающие самопишущие и регулирующие приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной схемой КСД-2

Приборы типа КСД-2 предназначены в комплекте с первичными приборами для измерения, регистрации и регулирования (при наличии регулирующего устройства) следующих величин: расхода (газа, жидкости, пара); избыточного давления газа, воздуха; уровня жидкости; разряжения газа. Прибор преобразует измеряемую неэлектрическую величину в выходной электрический параметр - комплексную взаимную индуктивность от 0 до 10 мГн. В зависимости от разновидности встроенных дополнительных устройств приборы КСД-2 могут: осуществлять позиционное и пропорциональное регулирование измеряемого параметра; интегрировать во времени расход жидкости, газа, пара; обеспечивать дистанционную передачу информации.

По виду представления информации приборы являются показывающими и регистрирующими. На предприятии ТЭЦ-7 применяются приборы КСД-2 обыкновенного исполнения УХЛ4.2 по ГОСТ 12997-76. Электрическое питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

Техническая характеристика

Основная погрешность прибора, выраженная в процентах от нормирующего значения, не превышает пределов допускаемых значений, равных: + 1,0 - по показаниям и записи, и передачи показаний; + 1,5 - по сигнализации и задании на регулирование. За нормирующее значение принимают: 10 мГн - для приборов с пределом изменения входного сигнала от 0 до 10 мГн; 20 мГн - для приборов с пределом изменения входного сигнала от -10 до +10 мГн.

Время прохождения указателем всей шкалы не превышает 10 секунд. Номинальная скорость перемещения диаграммной ленты прибора может быть от 20 мм/ч до 2400 мм/ч. Мощность, потребляемая прибором, 25 Вт - без интегрирующего устройства; 30 Вт - с интегрирующим устройством. Масса прибора не превышает 17,5 кг. Прибор рассчитан для работы (обыкновенного исполнения УХЛ4.2) при температуре от 5 до 50 ^оС и относительной влажности от 30 до 80%.

Автоматический самопишущий прибор с дифференциально-трансформаторной схемой типа КСД-2 работает в комплекте с датчиками, имеющими специальную трансформаторную катушку с подвижным сердечником (плунжером), выполненным из мягкой стали. Перемещение сердечника дифференциального трансформатора датчика осуществляется чувствительным элементом и зависит от величины измеряемого параметра.

В прибор КСД-2 встроен аналогичный дифференциальный трансформатор. Сердечник в катушке трансформатора перемещается с помощью профилированного кулачка, поворот кулачка осуществляется реверсивным двигателем. Обмотки катушек датчика (первичный прибор) и прибора КСД-2 включены в дифференциально - трансформаторные схемы.

Первичные обмотки обеих катушек соединены последовательно и питаются от специальной обмотки силового трансформатора усилителя напряжением 24 В. Вторичные обмотки состоят из двух секций, включаемых навстречу друг другу. Вторичные обмотки прибора и датчика соединены по дифференциальной схеме и на выход схемы включен полупроводниковый усилитель. При питании первичных обмоток дифференциальных трансформаторов переменным напряжением во вторичных обмотках индуктируется переменные напряжения, величина и фаза которых зависит от положения плунжера в катушках.

При рассогласованных положениях плунжеров в катушках напряжения, индуктируемые во вторичных обмотках, будут не равны друг другу и на вход усилителя будет подаваться напряжение, величина и фаза которого зависит от положения плунжеров в катушках.

Это напряжение, усиленное полупроводниковым усилителем приведет во вращение реверсивный двигатель, который с помощью кулачка перемещает плунжер в катушке прибора до того момента, пока разность напряжений не станет равной нулю.

Таким образом, каждому положению сердечника дифференциального трансформатора первичного прибора, определяемому величиной измеряемого параметра, соответствует определенное положение сердечника вторичного прибора и, следовательно, определенное положение указателя по шкале прибора.