Разработка системы автоматизации теплового пункта

Система вентиляции (СВ). Предназначена для обеспечения подогрева поступающего в вентиляционные системы зданий наружного воздуха. Теплоснабжение системы вентиляции, также как и системы отопления может осуществляться по зависимой или независимой схеме.

Цели:

· Оптимизация потребления тепловой энергии;

· Поддержание комфортных параметров воды в системах теплопотребления;

· Сокращение затрат на обслуживание ТП;

Задачи модернизации:

· Установка двухходовых клапанов, регулирующих расход теплоносителя;

· Подбор электроприводов к двухходовым клапанам;

· Подбор температурных датчиков;

· Подбор управляющих контроллеров;

· Подбор частотного преобразователя к насосам ГВС;

· Подбор преобразователя давления, для управления частотным преобразователем насосами ГВС

· Выбор коммутационно - защитной аппаратуры;

· Выбор навесного электротехнического шкафа для размещения элементов системы управления;

2.3.3 Технические требования

Технические требования к разрабатываемой системе автоматизации ТП:

· Поддержание температуры воды в системе отопления в пределах от 45 до 95 ^оС с точностью регулирования температуры в пределах 1^оС от заданного значения;

· Поддержание температуры воды в системе ГВС 65 ^оС с точностью регулирования температуры в пределах 1^оС от заданного значения;

· Поддержание давления воды в системе ГВС 6 кгс/см² с точностью регулирования давления 0,1 кгс/см² от заданного значения

2.3.4 Исходные данные

Исходные данные для разработки системы автоматизации ТП:

· Температура теплоносителя на вводе тепловой сети от 65 до 105^оС (в зависимости от температуры уличного воздуха);

· Температура холодной воды 5 ^оС;

· Давление холодной воды 2,5 кгс/см²;

3. Разработка функциональной схемы системы автоматизации ТП

На основании технического задания, разработана функциональная схема системы автоматизации ТП, представленная в приложении А.

На функциональной схеме обозначены следующие элементы:

ЭРТ - электронные регуляторы температуры. Получают данные от преобразователей температуры, проводят сравнительный анализ заданной температуры с фактической и на основании этого отправляют сигналы к электроприводам двухходовых клапанов (открытие/закрытие)

TE - преобразователи температуры. Измеряют температуру окружающей среды (погружные датчики - температуру теплоносителя, наружный - температуру уличного воздуха соответственно).

ПЧ - преобразователь частоты. Регулируют частоту вращения двигателей повысительных насосов ГВС.

PE - Датчик давления. Измеряет давление воды в прямом трубопроводе системы ГВС.

ЭРТ 1 получает сигналы от датчика температуры воды в подающем трубопроводе системы отопления и датчика уличной температуры, по показаниям датчика уличной температуры он рассчитывает требуемую температуру на подачу в систему отопления, согласно заложенного в него температурного графика, далее рассчитанная температура сравнивается с фактической и подается сигнал на электропривод двухходового клапана СО ( закрытие или открытие) с целью изменения расхода сетевой воды на подогрев теплообменного аппарата для достижения требуемой температуры в системе отопления.

ЭРТ 2 получает сигналы от датчика температуры воды в подающем трубопроводе системы ГВС, сравнивает заданную температуру с фактической и подает сигнал на электропривод двухходового клапана ГВС ( закрытие или открытие) с целью изменения расхода сетевой воды на подогрев теплообменного аппарата для достижения требуемой температуры в системе ГВС.

ПЧ получает сигнал от преобразователя давления, установленного в подающем трубопроводе системы ГВС, сравнивает измеренное давление с заданным и в зависимости от этого изменяет частоту вращения двигателя насоса ГВС для достижения заданного давления в системе.

Питание ЭРТ 1,2 выполняется от однофазной сети переменного тока 220 В, 50 Гц, питание ПЧ выполняется от трехфазной сети переменного тока 380 В, 50 Гц.

Подключение ЭРТ 1,2, ПЧ к сети и подключение насосов к ПЧ, осуществляется через КЗА.

На основании функциональной схемы производится расчет и выбор оборудования.

4. Расчет и выбор оборудования

При подборе двухходовых клапанов в системах теплопотребления основным требованием является пропускная способность.

Для первого контура системы отопления проектный расход теплоносителя составляет 8,7 т/ч. Выберем двухходовой клапан VB2 ДУ 50 фирмы Danfoss с пропускной способностью 16 т/ч.

Для первого контура системы ГВС проектный расход теплоносителя составляет 9,4 т/ч. Выберем двухходовой клапан VB2 ДУ 50 фирмы Danfoss с пропускной способностью 16 т/ч.

Внешний вид VB2.

4.2 Выбор электроприводов двухходовых клапанов.

Для двухходового клапана системы отопления выберем электропривод AMV 20 фирмы Danfoss, характеристики:

Скорость хода штока - 15 с на 1 мм.

Напряжение питания 220В переменного тока.

Потребляемая мощность 1,15 ВА.

Рабочая температура окружающей среды 0-50^оС.

Корпус IP54.

Для двухходового клапана системы отопления выберем электропривод AMV 30 фирмы Danfoss, характеристики:

Скорость хода штока - 3 с на 1 мм.

Напряжение питания 220В переменного тока.

Потребляемая мощность 7 ВА.

Рабочая температура окружающей среды 0-50^оС.

Корпус IP54.

Внешний вид AMV 20, AMV 30.

4.3 Выбор датчиков температуры

В качестве погружных датчиков температуры выберем погружные датчики температуры теплоносителя ESMU фирмы Danfoss, характеристики:

Длина погружной части 100 мм.

Рабочий диапазон температур 0+140 ^оС.

Корпус IP 54.

Внешний вид ESMU.

В качестве уличного датчика температуры выберем датчик температуры воздуха теплоносителя ESMT фирмы Danfoss, характеристики:

Рабочий диапазон температур -50 +50 ^оС.

Постоянная времени менее 15 мин.

Корпус IP54.

Внешний вид ESMT.

4.4 Выбор контролеров

В качестве контроллера, управляющего системой автоматики узла присоединения отопления, выберем электронный регулятор температуры ECL 210 производства фирмы Danfoss с электронным ключом управления А266. Данный погодный контроллер имеет функции управления электроприводом AMV20 по алгоритму поддержания заданной температуры теплоносителя, подаваемого в СО, согласно заданного в нем температурного графика.

Регулятор конфигурируется под выбранное приложение с помощью электронного ключа программирования ECL.

Регулятор имеет ряд особенностей:

-- оснащен улучшенной функцией погодной компенсации регулируемой температуры (настройка температурного графика осуществляется по 6 точкам);

-- обеспечивает поддержание комфортных параметров при оптимальном энергопотреб- лении;

-- ограничивает температуру теплоносителя, возвращаемого источнику теплоснабжения, и его расход в зависимости от температуры наружного воздуха, способствуя снижению потребляемой энергии;

-- минимальная ручная настройка регулятора благодаря применению электронных ключей программирования;

-- функции ведения архива температуры и сигнализации об аварии.

Технические характеристики:

Напряжение питания 220 В переменного тока.

Крепежный комплект - на стену/на DIN-рейку.

Внешний вид ECL 210.

В качестве контроллера, управляющего системой автоматики узла присоединения ГВС, выберем электронный регулятор температуры ECL 110 производства фирмы Danfoss с программным приложением 116. Данный температурный контроллер имеет функции управления электроприводом AMV30 по алгоритму поддержания заданной температуры теплоносителя, подаваемого в ГВС, согласно заданного в нем уставки.

Технические характеристики:

Напряжение питания 220 В переменного тока.

Крепежный комплект - на стену/на DIN-рейку.

Корпус IP54.

Внешний вид ECL 110.

4.5 Выбор датчика давления

В качестве датчика давления выберем преобразователь давления MBS300 фирмы Danfoss, технические характеристики:

Диапазон измеряемого давления 0…10 бар.

Выходной сигнал 4..20 мА.

Диапазон рабочих температур -40+80 ^оС.

Корпус IP 54.

Внешний вид MBS3000.

Расчет мощности преобразователя частоты:

Номинальный ток электродвигателя насоса Grundfos CR 5-10, I_н = 4,5 А, номинальное напряжение U_н = 380 В, мощность, Р = 2,2 кВт.

По имеющимся данным, выбирается ближайший преобразователь частоты, который имеет номинальный ток I_{Н_ПЧ} не ниже требуемого для двигателя и напряжение на выходе U_{Н ПЧ} соответствующее номинальному напряжению электродвигателя.

Был выбран преобразователь частоты FC 200 фирмы Danfoss.

Внешний вид FC 200.

Технические характеристики :

Напряжение 380 В переменного тока.

Мощность 3,0 кВт.

4.7 Выбор коммутационно-защитной аппаратуры

Для защиты оборудования от токов короткого замыкания были выбраны однополюсные и трехполюсные автоматические выключатели с характеристикой C IEK. Автоматические выключатели используются для монтажа на DIN рейку и имеют одинаковое конструктивное исполнение

Внешний вид автоматических выключателей IEК.

Были выбраны автоматические выключатели:

· В качестве вводного автоматического выключателя, трехполюсной, ток 16 А.

· Для защиты преобразователя частоты и асинхронных двигателей насосов ГВС: трехполюсной автоматический выключатель, номинальный ток 10А.

· Для защиты асинхронных двигателей насосов отопления: трехполюсные автоматические выключатели, номинальный ток 6А.

· Для защиты ЭРТ Comfort 210/110, однополюсные автоматические выключатели, номинальный ток 2 А.

Для коммутации электрических цепей питания преобразователя частоты и двигателей насосов ГВС, а также двигателей насосов отопления были выбраны контакторы ПМУ0910 током 9А фирмы Schneider Electric .

Внешний вид контактора фирмы Schneider Electric.

Для защиты электродвигателей насосов от перегрева были выбраны тепловые реле RTL 1U4 фирмы Schneider Electric.

Внешний вид теплового реле RTL 1U4 фирмы Schneider Electric.

Для коммутации электрических цепей датчиков «сухого хода» и размножения контактов с целью устройства системы диспетчеризации выбраны промежуточные реле CR-M230AC4 с логическими розетками CR-M4LS фирмы АВВ.

Внешний вид промежуточного реле CR-M230AC4 и логической розетки CR-M4LS фирмы АВВ.

Для защиты от правильного чередования фаз выбрано реле контроля фаз EL-11M-15 фирмы IEK.

Внешний вид реле контроля фаз EL-11M-15 фирмы IEK.

4.8 Выбор средств сигнализации

В качестве средств сигнализации выбраны лампы AD22DS 220 В фирмы IEK.

Внешний вид лампы AD22DS фирмы IEK.

4.9 Выбор электротехнического шкафа

Для размещения оборудования управления системой автоматизации, был выбран универсальный навесной электротехнический щит отопления и ГВС 850х650х300 завод Энерготехника, Спб. Степень защиты IP54.

Внешний вид щита отопления и ГВС.

4.10 Выбор кабельной продукции

Для подведения питания к щиту управления был выбран 5-ти жильный кабель ВВГнг сечением 4,0 мм².

Внешний вид кабеля ВВГнг.

Для подключения электроприводов двухходовых клапанов систем отопления и ГВС 4-х жильный провод ПВС сечением 1,0 мм².

Внешний вид провода ПВС.

Для подключения насосв системы отопления используемый кабель было решено заменить на 4-х жильный кабель NYM сечением 1,5 мм².

Внешний вид кабеля NYM.

Для подключения насосв системы ГВС используемый кабель было решено заменить на 4-х жильный кабель ВВГЭнг сечением 1,5 мм².

Внешний вид кабеля ВВГЭнг.

Для подключения датчиков сухого хода используемый кабель было решено заменить на 4-х жильный провод ПВС сечением 1,0 мм².

Для подключения датчиков сухого хода выбран 2-х жильный провод ШВВП сечением 0,75 мм².

Внешний вид провода ШВВП.

Для подключения датчиков давления к частотному преобразователю выбран 2-х жильный экранированный провод КММ сечением 0,35 мм² с уелью предотвращения наводок и возможных помех.

Внешний вид провода КММ.

Для защиты кабелей и проводов от внешних механических воздействий была выбрана труба ПВХ гофрированная д. 16.

Внешний вид трубы ПВХ гофрированной.

4.11 Выбор провода и комплектующих щита управления

Для соединения оборудования в щите управления выбран провод ПВ-3 сечением от 0,75 до 2,5 мм2 белого цвета и синего цвета.

Внешний вид провода ПВ3.

Внешний вид клемм зажимных МА2.5/5.

Для соединения проводов в клеммах зажимных были выбраны наконечники гильзы под соответствующие сечения проводов.

Внешний вид наконечников.

Для установки оборудования в щите была выбрана DIN-рейка перфорированная с ограничителями.

Внешний вид DIN-рейки.

Для укладки проводы в щите был выбран кабель канал перфорированный 25х30 и 40х30.

Внешний вид кабель канала перфорированного.

Для ввода проводов в щит были выбраны сальники с классом защиты IP68.

Внешний вид сальника.

На основании разработанной функциональной схемы и выбранного оборудования была выполнена разработка принципиальной электрической схемы по управлению системой отопления. Данная схема приведена в приложении Б к данному дипломному проекту.

На схеме мы видим, напряжение питающей сети подается на основной выключатель QS1, далее поступает на вводной автоматический выключатель QF1. Питающая фаза подается на электронный регулятор температуры ECL210 через автоматический выключатель QF5, приходит на клемму 9 ЭРТ. Датчик температуры уличного воздуха и датчик температуры в подающем трубопроводе системы отопления подключаются к клеммам 27,30 и 29,30 ECL210 соответственно. Электропривод двухходового клапана СО подключается к клеммам 6,7 и 10 регулятора температуры. С клеммы 6 приходит сигнал на закрытие, с клеммы 7 - на открытие, клемма 10 - нейтраль.

Питание насосов системы отопления осуществляется от автоматических выключателей QF2, QF3. Включение насосов выполняется путем выбора режима выключателей SA-1 и SA-2. Выключателем SA-1 выбирается режим работы - «ручной» или «автоматический», выключатель SA-2 служит для того какой насос запустить в ручном режиме, 1-й или 2-й. Для коммутации электрических цепей питания двигателей насосов используются контакторы КМ1 и КМ2, совместно с тепловыми реле КК1 и КК2 для осуществления защиты от перегрева. Защиту от «сухого хода» насосов осуществляет реле КРI-35. Также от этого реле выводятся сигнальные линии через промежуточные реле К1 - К7 для возможности устройства системы диспетчеризации. Защиту от неправильной фазировки осуществляет реле контроля фаз UZ. Для световой сигнализации о режимах работы используются лампы HL1 - HL7.

На основании разработанной функциональной схемы и выбранного оборудования была выполнена разработка принципиальной электрической схемы по управлению системой горячего водоснабжения. Данная схема приведена в приложении В к данному дипломному проекту.

На схеме мы видим, питающая фаза подается на электронный регулятор температуры ECL110 через автоматический выключатель QF7, приходит на клемму 21 ЭРТ. Датчик температуры в подающем трубопроводе системы ГВС подключается к клеммам 3 и 4 ECL110. Электропривод двухходового клапана ГВС подключается к клеммам 20, 24 и 25 регулятора температуры. С клеммы 24 приходит сигнал на закрытие, с клеммы 25 - на открытие, клемма 20 - нейтраль.

Питание частотного преобразователя, управляющего насосами системы ГВС осуществляется от автоматического выключателя QF4. Включение насосов выполняется путем выбора режима выключателей SA-1 и SA-2. Выключателем SA-1 выбирается режим работы - «ручной» или «автоматический», выключатель SA-2 служит для того какой насос запустить в ручном режиме, 1-й или 2-й. Для коммутации электрических цепей питания двигателей насосов используются контакторы КМ3 и КМ4, совместно с тепловыми реле КК3 и КК4 для осуществления защиты от перегрева. Защиту от «сухого хода» насосов осуществляет реле КРI-35. Также от этого реле выводятся сигнальные линии через промежуточные реле К8 - К11 для возможности устройства системы диспетчеризации. Преобразователь давления MBS 3000 подключается к клеммам 12 и 53 ПЧ. Для световой сигнализации о режимах работы используются лампы HL8 - HL13.

6. Разработка схемы подключения оборудования

На основании разработанных принципиальных электрических схем была разработана схема подключения оборудования (схема внешних проводок), представленная в приложении Г.

Внешний вид щита управления представлен в приложении Д к данному дипломному проекту.

Щит имеет габаритные размеры 850х650х300, корпус щита имеет степень защиты IP 54. Сбоку вырезаны отверстия, в которе вставлены решетки для вентиляции ПЧ. На дверке щита расположен основной выключатель, переключатели режимов работы насосов и лампы, сигнализирующие о режимах работы.

6.3 Спецификация

Спецификация представлена в приложении Е.

7. Технико-экономическое обоснование

Перед началом разработки составляется перечень всех основных этапов и видов работ, которые должны быть выполнены. По каждому этапу и виду работ указываются их конкретные исполнители.

Распределение работ по этапам, видам и должностям исполнителей приведено в таблице 6.1.

Таблица 7.1 - Таблица распределения работ

7.2.1 Смета затрат на проектные работы

· материалы, оборудование;

· расходы на основную заработную плату;

· расходы на дополнительную заработную плату;

· отчисление на социальные нужды;

· накладные расходы;

· амортизация орг. техники.

Затраты на статью материалы представлены в таблице 6.2.

Таблица 7.2. - Таблица затрат на статью материалы

Расходы по оплате труда включают в себя заработную плату сотрудников, занятых в работе. Дневная ставка определяется месячным окладом и количеством рабочих дней в месяце (22 дня).

Расходы на оплату труда представлены в таблице 6.3.

Таблица 7.3 - Расходы оплаты труда

Размер дополнительной заработной платы работников, непосредственно выполняющих разработку, определяется в процентах от их основной заработной платы и составляет 12%. Дополнительная заработная плата:

Отчисления на социальные нужды 26,3% определяются в процентах от основной и дополнительной заработной платы по формуле:

руб.

Накладные расходы рассчитываются по формуле:

руб.

В данном проекте накладные расходы - это расходы на хозяйственные нужды, оплата мобильной связи и доступа в интернет.

Основные статьи калькуляции сметы затрат приведены в таблице 7.4.

Таблица 7.4 - Статьи калькуляции сметы затрат

В результате произведенных расчетов было выявлено, что затраты на проведение разработки составляют 55980,92 руб.

7.3 Расчет экономической эффективности проекта

7.3.1 Эксплуатационные затраты до установки системы автоматизации

Перечень работ по техническому обслуживанию ТП включает в себя:

Затраты на обслуживание:

,

где: -тарифная ставка эксплуатационного рабочего разряда, руб/час ( руб/ч, ставка взята из интернета.)

-трудоёмкость ремонта работ, час/мес ( час/мес).

= 150 * 60 = 9000 р/мес

7.3.2 Эксплуатационные затраты после установки системы автоматизации

Перечень работ по техническому обслуживанию автоматизированного ТП включает в себя:

Затраты на обслуживание:

,

где: -тарифная ставка эксплуатационного рабочего разряда, руб/час ( руб/ч, ставка взята из интернета.)

-трудоёмкость ремонта работ, час/мес ( час/мес).

= 150 * 4 = 600 р/мес

Ц =111313,54 руб. - расчёт стоимости основных покупных и комплектующих изделий сведён в таблицу 6.5.

Таблица 7.5 - Стоимость покупных и комплектных изделий

ИТОГО: 111313,54 руб.

Транспортно-заготовительные расходы составляют примерно 15% от стоимости покупного изделия:

руб.

Монтаж и наладку будут производить персонал в кол-ве 2-х человек в течение 24 часов, тогда затраты на монтажные работы составляют:

-тарифная ставка монтажника, руб/час ( руб/ч)

-срок эксплуатации (10 лет).

Затраты на ремонт и обслуживание:

руб/мес.

ч. - трудоёмкость работ при проведении регламентного месячного ТО.

7.3.3 Расчёт годового экономического эффекта и срока окупаемости

Установка системы автоматизации ТП приведёт к:

· уменьшению затрат на ТО;

уменьшению затрат на потребляемую тепловую энергию (20-30% от годового потребления);

поддержанию стабильной комфортной температуры в помещениях;

снижению вероятности аварийных ситуаций;

уменьшению износа оборудования;

· повышению производственной безопасности

Проведённые расчёты показывают экономическую целесообразность установки системы автоматизации теплового пункта, так как годовой экономический эффект составляет 84070,55руб. и срок окупаемости 1 год 11 месяцев.

8. Безопасность жизнедеятельности

В данном дипломном проекте разрабатывается система автоматизации теплового пункта. Данный комплекс автоматики предназначен для автоматического регулирования температуры теплоносителя в системах отопления и горячего водоснабжения, а также поддержания стабильного давления в системе ГВС.

Основные параметры:

· рабочая температура окружающей среды: от плюс 25 до плюс 35 °С

· относительная влажность воздуха до 90 % при температуре плюс 30 °С и более низких без конденсации влаги;

· атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм рт. ст.).

Находиться система управления в закрытом помещении (помещение теплового пункта). Помещение, в котором реализуется технологический процесс, не относится к помещениям повышенной опасности поражения электрическим током (п.1.1.13 ПУЭ). С точки зрения пожарной опасности помещение относится к категории «Г» (ФЗ от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ Технический регламент о требованиях пожарной безопасности СП 12.13130.2009), в котором содержатся негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени, и (или) горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива.

Система управления рассчитана на работу в ручном и автоматическом режимах. Система работает в автоматическом режиме большую часть времени. Управление системой в ручном режиме выполняется одним человеком стоя.

8.2 Опасные и вредные факторы воздействия

Все опасные и вредные факторы воздействия по своей природе подразделяются в соответствии с ГОСТ 12.0.003-74:

физические (электрический ток, электромагнитные поля, воздух рабочей зоны, шум, вибрация, нерациональная освещённость, факторы пожара и т.д.);

химические: отсутствуют;

биологические: отсутствуют.

8.3 Меры защиты от вредных факторов

8.3.1 Требования к помещения по вибрации пола

Условия труда и защиты от воздействия вибраций предусмотрены ГОСТ 12.1.012-90. Группа условий эксплуатации М9 по ГОСТ 17516-72; при этом вибрация пола помещения при частоте в диапазоне от 1 до 60 Гц должна происходить с ускорением не более 2g. Степень жёсткости по ГОСТ 16962-71: III. Тип вибрации общая. Ограничение воздействия временем.

8.3.2 Меры защиты от шума

Шум и вибрация на производственном участке наносит большой ущерб, вредно действуя на организм человека и снижая производительность труда.

Шум возникает при работе различного производственного оборудования. По происхождению шум бывает механическим, электромагнитным, аэродинамическим и гидравлическим. Шум - это звуки, неблагоприятно воспринимаемые человеческим организмом.

Источниками шума являются повысительные и циркуляционные насосы систем теплопотребления. Требования по безопасности определяются ГОСТ 12.1.003-83. С целью подавления шума выполнена обивка помещения стекловатой, обшитой гипроком. С целью, погашения вибрации трубопроводов, до и после каждого насоса установлены вибровставки.

Допустимый уровень звука не должен превышать 60 дБA.

8.3.3 Освещение производственных помещений

Нормы освещения рабочего места определяются СНиП 23-05-95. Помещение должно быть постоянно, достаточно и равномерно освещено. Необходимо обеспечить отсутствие слепимости и резких теней на освещённых поверхностях. В помещении предусмотрено основное и аварийное освещение, подключение которого выполняется от ГРЩ здания.

Общая освещённость рабочего места должна составлять 300 лк.

8.3.4 Электробезопасность

Разрабатываемая система автоматизации, равно как и системы которые не затронуты в данном проекте должны быть безопасны при эксплуатации, т.е. в любых эксплуатационных ситуациях должна быть исключена возможность поражения обслуживающего персонала и посторонних лиц электрическим током. Перечисленные требования обеспечиваются путём принятия соответствующих схемных решений и выбором конструкций изделия.

Основная мера - заземление всего электрооборудования, щита управления и всех металлических конструкций. Все оборудование выполнено в корпусах со степенью защиты не ниже IP54, что обеспечивает защиту от попадпния пыли и жидкостей.

Электробезопасность системы управления обеспечивается: