Разработка проекта модернизации системы управления теплоснабжением

Размещено на http://www.allbest.ru/

АННОТАЦИЯ

Пояснительная записка содержит 88 страниц, в том числе 19 рисунков, 14 таблиц, 23 источника. Графическая часть выполнена на 7 листах формата А1.

Целью дипломного проекта является разработка проекта модернизации системы управления теплоснабжением.

Для достижения указанной цели в дипломном проекте произведена замена существующей системы управления технологическим процессом на систему управления при помощи частотно-регулируемого привода, управляемого контролером Ремиконт Р-130.

Разработанная в ходе дипломного проекта АСУ ТП позволит реализовать следующие возможности:

- первичный сбор и контроль технологических параметров;

- автоматическое регулирование технологических параметров в соответствии с регламентными требованиями;

- изменение режимов работы насосного агрегата;

- улучшение условий труда технологического персонала;

- повышение производительности оборудования;

- уменьшение энергетических затрат.

Правильность принятых решений при проектировании системы управления проверена с помощью пакета моделирования MATLAB. Приведен расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения проекта модернизации системы управления теплоснабжением. Рассмотрены вопросы защиты персонала от загазованности и нехватки освещения.



Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. Анализ объекта автоматизации

1.1 Описание технологического процесса

1.2 Описание применяемого оборудования

1.2.1 Устройство центробежных насосов

1.2.2 Парогенератор ДЕ-16-14ГМ

1.2.3 Водоподогреватели

1.2.4 Трубопроводы

1.3 Анализ применяемых методов и средств контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров

2. Автоматизация системы управления

2.1 Разработка функциональной схемы автоматизации

2.2 Разработка структуры системы управления

2.3 Выбор и обоснование технических средств автоматизации

2.3.1 Выбор и обоснование микропроцессорного контролера

2.3.2 Выбор и обоснование датчиков

2.3.3 Выбор преобразователя частоты

2.4 Разработка функциональной схемы электропривода

2.5 Расчет параметров двигателя

2.6 Механические характеристики электродвигателя

2.7 Расчет и выбор элементов силовой части электропривода

2.7.1 Расчет автономного инвертора

2.7.2 Расчет выпрямителя

2.7.3 Индуктивность дросселя

2.7.4 Блок управления

2.7.5 Выбор тахогенератора

2.7.6 Выбор датчика тока

3. Исследование моделируемой системы управления

3.1 Передаточная функция регулятора скольжения

3.2 Передаточная функция инвертора знака

3.3 Передаточная функция регулятора частоты

3.4 Передаточная функция регулятора тока

3.5 Передаточная функция управляемого выпрямителя

3.6 Передаточная функция инвертора тока

3.7 Передаточная функция АД

3.8 Передаточная функция датчика скорости

3.9 Передаточная функция датчика обратной связи по току

3.10 Структурная схема электропривода

3.11 Анализ устойчивости системы

4. Организационно-экономическая часть

4.1 Расчет экономической эффективности

4.2 Расчет окупаемости капитальных вложений

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Анализ опасных и вредных факторов в помещении котельной

5.2 Освещение

5.3 Вентиляция

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Один из наиболее известных примеров парадоксально неэффективной технологии - это применяемая в российских городах система центрального отопления. Само по себе центральное отопление - очень эффективный способ и при правильном применении заметно превосходит, например, электроотопление как с термодинамической, так и с экономической точек зрения. На практике, однако, ни для кого не секрет, что нерегулируемые нагревательные элементы почти всегда дают либо недостаточно тепла (потребитель мерзнет), либо слишком много (потребитель вынужден открывать окно), и очень редко - именно столько, сколько действительно необходимо. Причины такого положения лежат как в производственно-технической (дефицит теплоизолирующих материалов, ошибки при согласовании элементов системы), так и в экономической (проектировщики исходили из предположения о неограниченных запасах дешевого природного топлива) и политической (строить как можно больше квартир для народа) областях. Последнее соображение имело приоритет перед качеством жилья. В результате сейчас потребляется значительно больше топлива и электроэнергии чем это необходимо. Пример центрального отопления не единичен, но он иллюстрирует большую часть технической инфраструктуры страны. (Ради справедливости следует отметить, что и на Западе многие системы центрального отопления были спроектированы на базе неправильных предпосылок и плохого планирования; поэтому они значительно менее эффективны, чем могли и должны быть.)

Несмотря на развитие централизованного теплоснабжения от ТЭЦ, в нашей стране действуют и вводятся в эксплуатацию десятки тысяч различных по назначению и оснащению котельных.

Котельные, работающие на газе и жидком топливе, относятся к сложным видам инженерного оборудования. Технологические процессы, реализуемые в теплоэнергетических установках, отличаются разнородностью и сложностью.

На таких объектах занято большое количество обслуживающего персонала различных профессий. В таких условиях надежную эффективную работу теплоэнергетического оборудования невозможно обеспечить без автоматизации функции контроля, регулирования и сигнализации. Автоматизация теплоэнергетического оборудования является основной задачей технического прогресса направленного на экономию различных ресурсов, улучшение условий работающих, уменьшение загрязнения воздушного бассейна городов и населенных пунктов.

Автоматизация позволяет повысить производительность труда, сократить численность обслуживающего персонала, улучшить условия труда, обеспечить безопасные условия работы. При этом повышается производительность оборудования, улучшается качество получаемой продукции, уменьшаются энергетические и сырьевые затраты.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) - предназначены для оптимизации технологических процессов производств и повышение их эффективности путем автоматизации, базирующейся на использовании современных средств вычислительной и микропроцессорной техники и эффективных методов и средств контроля и управления.

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

В настоящее время в республике Башкортостан многие тепловые станции требуют модернизации. Оборудование таких станций потребляют большое количество электроэнергии, морально устарело. Агрессивная политика РАО ЕС и предприятий - поставщиков электроэнергии заставляет потребителей энергии задумываться о стоимости энергоносителей и предпринимать адекватные действия для компенсации своих потерь.

Известно, что максимальную эффективность от модернизации такого оборудования можно обеспечить применением частотно - регулируемых приводов.

Примерами могут служить результаты, которые были получены после внедрения и эксплуатации систем с частотным регулированием в г. Санкт-Петербурге.



1. Анализ объекта автоматизации

1.1 Описание технологического процесса

Системой теплоснабжения называется комплекс устройств по выработке, транспорту и использованию теплоты.

Снабжение теплотой потребителей (систем отопления, вентиляции, на технологические процессы и горячее водоснабжение зданий) состоит из трех взаимосвязанных процессов: сообщение теплоты теплоносителю, транспорта теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя. В соответствии с этим каждая система теплоснабжения состоит из трех звеньев: источника теплоты, трубопроводов и систем теплопотребления с нагревательными приборами.

Теплоносителем называется среда, которая передает теплоту от источника теплоты к нагревательным приборам систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

По виду теплоносителя системы теплоснабжения делятся на две группы - на водяные и паровые системы теплоснабжения. Из названия ясно, что в водяных системах теплоснабжения основным теплоносителем служит вода, а в паровых - пар. В нашей стране для городов и жилых районов в качестве теплоносителя используют воду.

Эффект передачи теплоты при применении воды заключается в том, что непрерывно двигающаяся от источника теплоты по трубопроводам и нагревательным приборам вода в последних за счет соприкосновения с относительно холодной их поверхностью охлаждается (снижает температуру) и тем самым передает часть переносимой с ней теплоты воздуху помещения в системах отопления. В системах вентиляции горячая вода отдает теплоту нагреваемому наружному воздуху, а в системах горячего водоснабжения - водопроводной воде. Следовательно, до систем теплопотребления (нагревательных приборов) вода имеет более высокую температуру, чем после них.

С эксплуатационной точки зрения теплоноситель должен обладать качествами, позволяющими проводить центральную (из одного места, например, котельной) регулировку тепловой отдачи систем теплопотребления. Необходимость изменять расходы теплоты в системах отопления и вентиляции вызвана переменными температурами наружного воздуха.

Регулирование расхода тепла на отопление, а, следовательно, температуры воды в тепловых сетях ведут по отопительному графику, в котором каждой температуре наружного воздуха соответствует определенная температура воды подаваемой в тепловую сеть и возвращаемой в котельную. Расчетную температуру воды для небольших систем принимают равной 95?C в подающей лини и 70?C в обратной. Для крупных котельных расчетный перепад температуры обычно принимают равным 150-70?C. Расчетный расход тепла определяют по расчетной наружной температуре, которая зависит от метеорологических условий данной местности.

Если вырабатываемый в котельной или на ТЭЦ теплоноситель - пар или вода полностью расходуется в местных системах у потребителей и охлажденная вода или пар в котельную не возвращается, то такую систему теплоснабжения называют открытой или разомкнутой. Если теплоноситель отдает свое тепло в местных системах и частично или полностью возвращается в котельную, такую систему называют закрытой или замкнутой.

В проекте рассматривается закрытая двухтрубная водяная система теплоснабжения источником теплоты, которой является паровая районная котельная.

Двухтрубные системы с тепловой сетью, состоящей из двух теплопроводов - подающего и обратного, являются самыми распространенными. В этом случае по подающему теплопроводу вода подается к потребителям, а по обратной линии от потребителей охлажденная вода подается на ТЭЦ или в районную котельную. Применение в основном двухтрубных систем вызывается тем, что они пригодны для снабжения теплотой однородных потребителей, т.е. систем отопления и вентиляции, работающих по одинаковым режимам. При этом вся тепловая энергия подается одного потенциала, т.е. вода одинаковой температуры при заданной температуре наружного воздуха.

При районном теплоснабжении источник теплоты - районная котельная может быть паровой или водогрейной с установкой в ней паровых или водогрейных котельных агрегатов. В том и в другом случае это надо особенно подчеркнуть в котельной вырабатывается только один вид энергии - тепловая энергия, для выработки которой и сжигается топливо в топках котельных агрегатов.

Схема централизованного теплоснабжения от паровой котельной представлена на рисунке 1.1. В этом случае в котельной подготавливаются два теплоносителя - вода и пар и имеются два вида тепловых сетей - паровые и водяные.

Рисунок 1.1 - Схема теплоснабжения от паровой промышленной котельной

В котельном агрегате К происходит образование пара путем сжигания топлива. Насыщенный пар подается к водоподогревателям В, откуда нагретая вода по теплопроводам (подающему П и обратному О) тепловой сети циркулирует при помощи сетевых насосов СН: по подающему - к потребителям теплоты, а по обратному - от потребителей теплоты к насосам и снова в водоподогреватели. В системах потребителей вода охлаждается, передавая часть своего теплового потенциала. Пар, отдавая свое тепло, в системе водоподогревателей образует конденсат, который сливается в бак. Из бака конденсат питательными насосами ПН подается в котельный агрегат для повторного парообразования. Перед сетевыми насосами вода проходит грязевик Гр, где из воды удаляются взвешенные механические примеси (окалина, песок, коррозионные отложения и другие частицы, как-либо попавшие в трубопроводы при монтаже или ремонтах).

В котельной предусмотрена химводоочистительная установка по подготовке воды (ХВО). В ней подготавливается вода перед заполнением сети в начале эксплуатации и во время эксплуатации; подача воды осуществляется подпиточным насосом ППН. В ХВО вода может умягчаться, освобождаться от растворенных кислорода и углекислоты, а также от нерастворимых механических примесей.

Умягчение воды устраняет интенсивное образование накипи, а удаление из воды кислорода, углекислоты и нерастворимых примесей предотвращает возникновение коррозии и загрязнение элементов систем теплоснабжения.

Подпиткой тепловых сетей называется процесс восполнения потерь или разбора воды из теплопроводов или систем потребителей теплоты.

Подпиточные насосы выбираются по расходу, обеспечивающему восполнение потерь в системе теплоснабжения. В закрытых системах теплоснабжения утечка воды принимается равной 0,5% объема воды в трубопроводах системы с присоединенными к ней абонентами. При этом производительность насоса выбирается на двойной расход с учетом подачи воды в аварийных ситуациях. При открытых системах теплоснабжения производительность подпиточных насосов выбирается с учетом покрытия суммарных расходов воды при максимальном потреблении ее на горячее водоснабжение и утечек в системе. Подпиточные насосы должны создавать напор, обеспечивающий преодоление давления в обратной линии перед сетевыми насосами, а также гидравлическое сопротивление трубопроводов.

Сетевые насосы водоподогревательных установок выбираются по расходу сетевой воды на напор, обеспечивающий покрытие гидравлических сопротивлений сети, подогревателей сетевой воды, охладителей конденсата, а также водогрейных котлов, если они установлены. Сетевые насосы устанавливаются на обратной линии сетевой воды и работают при температуре воды не более 70° С.

В данном дипломном проекте будет модернизирована система управления транспортом теплоносителя в системе теплоснабжения.

1.2 Описание применяемого оборудования

1.2.1 Устройство центробежных насосов

Центробежный насос (рисунок 1.2) представляет собой улиткообразный корпус, в котором на оси с числом 500-3000 об/мин быстро вращается лопастное рабочее колесо. Поступающая по всасывающей линии через боковое отверстие (патрубок) вода захватывается лопатками, приводится во вращательное движение и благодаря развивающейся центробежной силе выбрасывается (гонится) из корпуса насоса по нагнетательной линии с определенной скоростью с определенным давлением. Одновременно с ним через всасывающие трубы поступают новые порции воды, и таким образом получается непрерывная подача воды. Расположение всасывающих и нагнетательных отростков (патрубков) может быть различным. Насос может иметь впуск воды не только с одной стороны колеса, но и с обеих его сторон, тогда получается насос с двусторонним впуском воды.



Рисунок 1.2 - Центробежный насос: 1 - корпус; 2 - манометр на нагнетательном трубопроводе; 3 - краник для заливки насоса; 4 - манометр на всасывающем трубопроводе; 5 - лопастное колесо

В зависимости от высоты подъема воды насосы (условно) разделяются на три группы: низкого давления, подающие воду на высоту примерно до 15 м; среднего давления для подачи на высоту примерно 35-40 м и высокого давления, поднимающие воду на большие высоты. Центробежные насосы высокого давления изготовляют обычно многоколесными-многоступенчатыми, т.е. несколько рабочих колес расположены в одном корпусе последовательно одно за другим к окруженным направляющими аппаратами. Вода через всасывающую трубу поступает в первое колесо, увлекается им, по отводному каналу идет во второе колесо и т. д., пока не попадает в нагнетательный патрубок.

Производительность центробежного насоса зависит от частоты вращения лопастного колеса и прямопропорциональна частоте вращения. Если обозначить производительность через букву Q, а частоту вращения лопастного колеса через букву n то можно записать.

и т. д.



Таким образом, при увеличении числа оборотов насоса в два раза количество подаваемой им воды также увеличивается вдвое; при увеличении числа оборотов втрое количество подаваемой воды увеличивается в три раза и т.д.

Высота подъема воды насосом пропорциональна квадрату частоты вращения лопастного колеса.

и т. д.

В результате получим

и т. д.

Отсюда видно, что оказывается невозможно, изменяя величину Q насоса, не изменять значение Н, или наоборот, так что при переменных давлениях, если, например, насос качает воду непосредственно в сеть труб, где напоры меняются, изменяются и количества подаваемой насосом воды; или, если количество воды в трубах, забираемой из сети, изменяется, то также изменяется и давление у насоса.

Высота всасывания воды центробежными насосами небольшая, она не превышает 4-5 м, только при исключительно хороших условиях может быть порядка 5,5-6 м. С повышением температуры всасываемой воды высота всасывания уменьшается. При температуре поднимаемой воды не более чем на 26-25?C высоту всасывания принимают: а) при коротких (например, в 20-30 м) всасывающих линиях - в пределах 5,5-6,0 м; б) при всасывающих линиях средней длины (например, 40-60 м) в пределах 4,5-5 м; в) при длинных (например, 75-150 м) всасывающих линиях - в пределах 3,5-4 м. Для насосов, перекачивающих воду при температуре 45-50?C, высоту всасывания следует брать не более 1,75-2 м, а при температуре 50-60?C следует брать нулевой. В этом случае лучше подавать воду в насос даже с некоторым напором.

Под высотой всасывания понимают сумму геометрической высоты всасывания (вертикальное расстояние от самого низкого уровня воды в источнике до оси насоса) и высоты сопротивлений движению воды. При вычислении последних необходимо тщательно учитывать местные сопротивления: при проходе воды через приемный клапан с сеткой, через колена, задвижки и прочее. Эти сопротивления могут быть большими по сравнению с общим сопротивлением по длине линии.

На центробежном насосе, как правило, на всасывающей линии устанавливают приемный клапан и запорное устройство; на нагнетательной линии - обратный клапан и запорное устройство, а также вентиль для залива насоса водой перед его пуском и манометр.

Порядок пуска центробежного насоса следующий: осмотреть насос, проверить наличие масла в подшипниках. Далее насос и приемную линию залить водой (если он работает на всасывание), после чего проверить задвижку на напорном трубопроводе. Если задвижка на напорном трубопроводе открыта, то перед пуском ее следует закрыть, так как пуск насоса производится при закрытой задвижке. Далее необходимо проверить уровень масла в подшипниках, в случае надобности масло долить. Затем включить насос в работу. Когда насос наберет нормальное число оборотов, медленно открыть задвижку на нагнетательной линии. При остановке центробежного насоса необходимо вначале закрыть запорное устройство (задвижку на нагнетательной линии), а затем выключить электродвигатель, вращающий его.

Во время работы центробежного насоса следят за показаниями манометра, установленного на нагнетательной линии; за состоянием подшипников насоса; за показаниями амперметра электродвигателя; проверяют состояние сальников насоса, в случае необходимости слегка их осторожно подтягивают.

1.2.2 Парогенератор ДЕ-16-14ГМ

Парогенератором называется комплекс агрегатов, предназначенных для получения водяного пара. Этот комплекс состоит из ряда теплообменных устройств, связанных между собой и служащих для передачи тепла от продуктов сгорания топлива к воде и пару. Исходным носителем энергии, наличие которого необходимо для образования пара из воды, служит топливо.

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной установке, являются:

1) процесс горения топлива

;

2) процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой;

3) процесс парообразования, состоящий из нагрева воды и ее испарения.

Во время работы в парогенераторе образуются два взаимодействующих друг с другом потока: поток рабочего тела и поток образующегося в топке теплоносителя.

В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры.

Образование пара в парогенераторе происходит при постоянном давлении и непрерывном подводе тепла от продуктов сгорания к воде. Образование пара протекает с определенной последовательностью. Уже в экранных трубах начинается образование пара. Этот процесс протекает при больших температуре и давлении. Явление испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие высокими скоростями, а следовательно, и большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовые воздействия соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает. Процесс обратный парообразованию называют конденсацией. Жидкость, образующуюся при конденсации, называют конденсатом. Она используется для охлаждения поверхностей металла в пароперегревателях.

В производстве пара задействованы газомазутные вертикально-водотрубные парогенераторы типа ДЕ (рисунок 1.3) паропроизводительностью 4,45 кг/с (16 т/ч), с абсолютным давлением 1,4 МПа (14 кгс/), общей поверхностью нагрева 600 , предназначены для выработки насыщенного пара, используемого для технологических нужд промышленных предприятий, на теплоснабжение систем отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий.

Рисунок 1.3 - Парогенератор ДЕ-16-14ГМ



Парогенераторы двухбарабанные вертикально-водотрубные выполнены по конструктивной схеме “Д”, характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры.

Основными составными частями парогенератора являются два барабана (верхний и нижний), фронтового, боковых и заднего экранов, образующих топочную камеру, и конвективных труб. Внутренние диаметры барабанов 1000 мм. Длина цилиндрической части барабанов 5500 мм. Межцентровое расстояние установки барабанов 2700 мм.

Снизу в топку подается нужный для сгорания топлива воздух посредством дутьевых вентиляторов. Газ подается по трубопроводу на газовую горелку ГМГП 10. Смешение газа с воздухом в горелке происходит благодаря тому, что газ поступает в смесительную камеру горелки из головок - газопроводных труб несколькими струями под углом к направлению завихренного потока воздуха, поступающего в смесительную камеру из межтрубного пространства горелки.

Продукты сгорания топлива, называемые иначе газами, поступают в котельные газоходы, омывают трубы экономайзера, в которых происходит подогрев питательной воды до температуры 135, поступающей в барабаны котла. Далее дымовые газы проходят в дымоход и поступают в воздухоподогреватель. Из него газы через дымовую трубу выходят в атмосферу. Вода в котел подается по трубопроводу. Пар из барабана котла поступает в паровую сеть (магистраль).

1.2.3 Водоподогреватели

Основным оборудованием теплоподготовительных установок являются водоподогреватели (часто называемые бойлерами). Применяют водоподогреватели для нагрева в котельных с паровыми котлами воды, подаваемой в тепловые сети, водопроводной воды, поступающей в водоподготовительные установки, и для других целей, а также для подогрева воды в тепловых пунктах потребителей.

Водоподогреватели различают: по греющему теплоносителю (пароводяные и водоводяные), по расположению (горизонтальные, вертикальные), по устройству (трубчатые, кожуховые), по числу ходов нагреваемой воды (одноходовые, многоходовые), по емкости нагреваемой воды (скоростные, емкостные), по количеству секций (однокорпусные, многокорпусные или секционные), по характеру нагрузок (основные, пиковые).

Вертикальные пароводяные подогреватели применяют в крупных, а горизонтальные в - небольших котельных. Водоводяные подогреватели применяют в водогрейных котельных и в тепловых пунктах местных систем теплоснабжения. Емкостные подогреватели устанавливают на объектах с неравномерным потреблением воды (например, в душевых).

Водоподогреватели должны быть оснащены термометрами и манометрами, позволяющими контролировать перепады температуры и давления воды. Для контроля за уровнем конденсата в корпусах пароводяных подогревателей предусматривают указатели уровня воды.

Для изготовления водоподогревателей чаще всего применяют латунные, трубы более устойчивые, чем стальные, против коррозии. Наружные поверхности водоподогревателей, как и других теплообменных аппаратов, должны быть покрыты тепловой изоляцией, если температура греющей среды в них превышает 60?C.

1.2.4 Трубопроводы

Трубопроводы предназначены для соединения между собой всего действующего оборудования: парогенераторов, насосов, теплообменных аппаратов и т. д.

Трубопроводы состоят из системы труб и арматуры предназначенной для отключения отдельных трубопроводов и их участков, регулирования количества транспортируемого теплоносителя и его направления.

В настоящее время все элементы трубопроводов выполняются по отраслевым стандартам (ОСТ). Расчет диаметров трубопроводов производится по расходу протекающей среды и рекомендуемым значениям скорости.

Материал и толщина стенок трубопроводов выбираются в зависимости от давления и температуры протекающей среды в соответствии с правилами Гостехнадзора. Трубопроводы изготовляют из бесшовных электросварных труб.

При сооружении трубопроводов трубы между собой и с арматурой соединяют посредством сварки или фланцев. В настоящее время трубы соединяют между собой, кА правило сваркой, а фланцевые соединения применяют только при установке арматуры работающей с низким давлением. Для высокого давления применяется бесфланцевая арматура, соединяемая с трубопроводом посредством сварки.

Изменение температуры трубопровода вызывает изменение его длины. Каждый метр стальной трубы при изменении температуры на 100 К меняет свою длину на 1,2 мм. При изменении длины под влиянием температуры в трубопроводе возникают значительные термические напряжения способные вызвать его разрушение. Во избежание этого необходимо предусматривать возможность свободного перемещения трубопровода в определенных направлениях для компенсации изменения его длины под воздействием температуры.

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов осуществляется либо установкой компенсаторов, либо изгибами трубопровода, специально предусматриваемыми при его трассировке.

Схема трубопроводов теплосети должна быть простой и надежной, а устанавливаемая на трубах арматура должна обеспечивать выполнение необходимых в эксплуатации переключений без нарушения технологического процесса работы основного и вспомогательного оборудования.

Для уменьшения тепловых потерь, а также во избежание ожога обслуживающего персонала все трубопроводы покрываются тепловой изоляцией.

1.3 Анализ применяемых методов и средств контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров

Основным технологическим процессом, происходящим в системе теплоснабжения, является циркуляция, подогретой воды (теплоносителя) в бойлере, по всей тепловой сети.

Для разработки системы управления теплоснабжением определим основные технологические параметры теплоносителя, которые необходимо контролировать и поддерживать в определенных значениях для нормальной работы системы.

Параметрами теплоносителей называют температуру и давление. Вместо давления в практике эксплуатации широко пользуются другой единицей - напором.

Напор и давление связаны зависимостью

где Н - напор, м;

Р - давление, Па;

с - плотность теплоносителя, кг/м³;

g -ускорение свободного падения, м/с².

Сетевой насос за счет создаваемого давления обеспечивает поступление воды в систему водоподогревателей и циркуляцию ее по всей тепловой сети. Система водоподогревателей состоит из пяти линий. В каждой из этих линий имеется два бойлера предварительного нагрева и один бойлер основного нагрева. В бойлерах предварительного нагрева сетевая вода нагревается конденсатом, который образуется после прохождения пара по бойлеру основного нагрева. В бойлере основного нагрева вода нагревается паром, поступающим из парогенератора. Пар в бойлер поступает под постоянным давлением и постоянной температурой . Изменение температуры нагрева сетевой воды в бойлере происходит за счет изменения подаваемого количества пара (увеличение или уменьшение подачи газа в топку котла). В данной системе теплоснабжения для нагрева сетевой воды задействован один парогенератор и одна линия водоподогревателей.

В системе водоподогревателей теплоноситель (вода) может нагреться до температуры выше положенной по отопительному графику. Для поддержания заданной температуры в системе предусмотрена редукционно-охладительная установка (РОУ), принцип работы которой основан на подмешивании подогретой воды обратной сетевой водой. Основным оборудованием РОУ является регулятор температуры Р25.2 задние температуры, которому подается с пульта управления.

Давление перед сетью потребителей должно поддерживаться в определенных значениях Повышение давления перед сетью потребителей может привести к нарушению сварных соединений трубопроводов, а понижение давления может привести к нарушению циркуляции воды в сети потребителей.

Основным параметром, характеризующим нормальную работу системы, являются показания давления на обратной линии сетевой воды. Эти показания снимаются электро - контактным манометром и передаются на пульт управления. При понижении давления до значения срабатывает сигнализация и происходит остановка работы парогенератора до устранения причин падения давления. Понижение давления обычно сопровождается увеличением расхода сетевой воды (неполадки в системе). Для определения увеличения расхода сетевой воды на подпиточной линии установлен расходомер сигнал, которого передается на пульт управления. Общее количество используемой воды в системе теплоснабжения . Нормальным расходом является расход, при котором процент подпитки равен 0,25% от общего количества сетевой воды.

Одним из методов модернизации системы управления теплоснабжением является внедрение систем с частотно - регулируемыми приводами насосных агрегатов. Именно этот метод позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой из сети электрической мощности, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшения условий труда и увеличения срока службы оборудования.

Попробуем разобраться, за счет чего и когда появляется возможность экономии потребляемой энергии приводами насосов и что необходимо делать для того, чтобы эту экономию получить, не нарушая общий ход технологического процесса. Для примера возьмем обобщенную технологическую схему системы, обеспечивающей подачу воды в сеть потребителей с постоянным заданным давлением (рисунок 1.4). Аналогичный подход можно применить и в других технологических системах, где в качестве транспортируемого вещества может быть жидкость или газ.

Рисунок 1.4 - Пример упрощенной технологической схемы с насосным агрегатом

З1, З2 - запорные технологические задвижки;

Р - насосный агрегат;

К₁ - обратный клапан;

Ф - фильтр;

К₂ - регулирующий клапан.

Основными элементами схемы являются запорные технологические задвижки З1 и З2, насосный агрегат Р, обратный клапан К1, фильтр воды Ф и регулирующий клапан К2. В этой схеме можно выделить и основные технологические параметры, среди которых - напор создаваемый источником подачи воды, - напор получаемый после насосного агрегата, - напор перед регулирующим клапаном, - напор в сети потребителей и - расходы воды потребителей сети. Кроме того, можно выделить напор , развиваемый насосным агрегатом, а также потери напора на элементах системы, расположенных между насосным агрегатом Р и сетью потребителей: - потери напора на задвижке З2 и водяном фильтре и - потери напора на регулирующем клапане.

Рассматривая энергетические характеристики технологического процесса объекта, можно написать, что требуемая (полезная) энергия для подачи воды потребителям может быть рассчитана как

Для нормальной работы сети чаще всего необходимо создание постоянного значения напора . Величины расходов определяются потребителями и с течением времени могут меняться. Гидравлическая энергия, развиваемая насосным агрегатом, может быть получена как

,



где сумма расходов составляет общий сетевой расход воды . В идеальном варианте желательно, чтобы сохранялось равенство и . На самом деле между насосным агрегатом и сетью установлены элементы со своими гидравлическими сопротивлениями, на которых теряется часть напора, развиваемого насосным агрегатом,

Таким образом, потери энергии на технологическое обеспечение параметров перекачиваемой жидкости можно определить как

Следовательно, для поддержания заданных технологических параметров сети насос должен развивать гидравлическую мощность, равную

Последнее выражение показывает, что потери энергии в технологическом процессе зависят от расхода сети (технологической нагрузки), определяемого потребителем, и потерь напора на оборудовании насосной станции , которые определяются гидравлическим сопротивлением элементов схемы. В общем случае оценить эти потери напора можно, сравнив показания манометров перед напорной задвижкой 32 и манометра в сетевом трубопроводе. Чем больше разница в их показаниях, тем больше потерь энергии имеет система. Для организации технологического процесса с минимальными энергетическими потерями необходимо, в первую очередь, снизить потери напора между трубопроводом насосного агрегата и сетью потребителей - .

Теперь рассмотрим работу технологического процесса, с точки зрения изменения параметров нагрузки сети - . Для этого воспользуемся известными характеристиками для насосных агрегатов и сети (рисунок 1.5). Кривая 1 соответствует напорной характеристике насосного агрегата, а кривая 2 - гидравлической характеристике сети, где - требуемый статический напор сети. Точка пересечения этих характеристик является идеальной расчетной точкой совместной работы насосного агрегата и сети . При изменении расхода в сети меняется ее гидравлическая характеристика - линии 3-5. Соответственно будут сдвигаться точки пересечения характеристик. Как видно из рисунка, с уменьшением расхода увеличивается давление в сети.

Кроме того, в процессе функционирования в зависимости от режимов работы системы может меняться давление перед насосом, создаваемое источником водоснабжения. Изменения этого давления также отражаются на величине давления в сети потребителей.

Рисунок 1.5 - Характеристики насосного агрегата и сети без регулирования давления

Такой характер взаимосвязи параметров требует установки в системе регулирующих элементов - регулирующих клапанов (иногда их роль выполняют напорные задвижки агрегатов). Эти элементы создают дополнительное гидравлическое сопротивление и позволяют обеспечить стабильное давление в сетевом трубопроводе. При использовании дроссельных элементов происходит распределение напора на элементах системы. Это распределение напора показано на рисунке 1.6, где - падение напора на дроссельном элементе.

Для поддержания заданного давления в сетевом трубопроводе при изменении расхода жидкости приходится изменять гидравлическое сопротивление регулирующего элемента. При этом общая гидравлическая характеристика будет иметь более крутой вид. Величина с таким регулированием неуклонно увеличивается. Таким образом, чем глубже производится дросселирование регулирующим элементом, тем больше энергетических потерь имеет весь технологический процесс.

На величину потерь при дроссельном регулировании влияет не только регулирующий элемент: чаще всего на этапе проектирования выбирается насосный агрегат с определенным запасом напора, а при замене насосных агрегатов новое оборудование может иметь несколько завышенные напорные характеристики. Кроме того, диапазон изменения входных давлений (перед всасывающим патрубком насосного агрегата) оказывает влияние на величину давления за насосным агрегатом. Все эти обстоятельства приводят к тому, что потери энергии в ходе технологического процесса становятся достаточно большими, достигающими 45 и более процентов от номинальной мощности агрегата.

Для решения задачи минимизации потерь, связанных с регулированием давления в сети, необходимо исключить дополнительные гидравлические сопротивления на участке от насосного агрегата до сетевого трубопровода, то есть необходимо полностью открыть всю запорно-регулирующую арматуру. Это можно сделать, если процесс регулирования давления передать насосному агрегату. Теория работы нагнетателей (насосов и вентиляторов) доказывает, что изменение частоты вращения привода нагнетателя изменяет его напорные характеристики.

Рисунок 1.6 - Характеристики насосного агрегата и сети с дроссельным регулированием

Кроме того, напор, создаваемый нагнетателем, пропорционален квадрату частоты вращения агрегата. Изменение напорных характеристик насосного агрегата при изменении частоты вращения иллюстрирует рисунок 1.7, на котором кривая 1 соответствует номинальной (при номинальной частоте вращения привода) напорной характеристике, а кривые 2-4 - напорным характеристикам при пониженной частоте вращения.

Если организовать работу привода насосного агрегата таким образом, чтобы он при изменении параметров технологического процесса (расхода в сети и давления на входе агрегата) изменял частоту вращения, то в итоге можно без существенных потерь энергии стабилизировать давление в сети потребителей. При таком способе регулирования исключаются потери напора (нет дроссельных элементов), а значит, и потери гидравлической энергии.

Способ регулирования давления в сети путем изменения частоты вращения привода насосного агрегата снижает энергопотребление еще и по другой причине. Собственно насос как устройство преобразования энергии имеет свой коэффициент полезного действия - отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата.

Рисунок 1.7 - Характеристики насосного агрегата и сети с частотным регулированием

Характер изменения коэффициента полезного действия насоса в зависимости от расхода жидкости при различных частотах вращения представлен на рисунке 1.8. В соответствии с теорией подобия максимум коэффициента полезного действия с уменьшением частоты вращения несколько снижается и смещается влево. Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. Если рассмотреть работу агрегата для расхода меньше номинального (вертикальные линии А и В), то для этих режимов рационально работать на пониженной частоте вращения. В этом случае к.п.д. насоса выше, чем при работе на номинальной частоте вращения. Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счет повышения коэффициента полезного действия самого насоса - преобразования механической энергии в гидравлическую.

Применение частотного регулирования приводов позволяет существенно уменьшить и эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием агрегатов и систем. Например, снижение перепада давления между всасывающим и напорным патрубками насосного агрегата увеличивает срок службы сальниковых уплотнений, практически исключает гидроудары и обеспечивает стабильность давлений в трубопроводах сетей, а также минимизирует затраты на их обслуживание.

Рисунок 1.8 - Изменение КПД насосного агрегата с частотным регулированием при изменении производительности

Практика применения частотных преобразователей для управления насосами доказывает целесообразность не просто включения преобразователя для управления агрегатом, а создания специализированных систем управления технологическим процессом на основе применения программируемого логического контролера. Именно такой подход позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой из сети электрической мощности, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшения условий труда и увеличения срока службы оборудования. Современные преобразователи частоты позволяют получать более 20 параметров состояния электропривода. Соответствующая обработка этих параметров позволяет проводить глубокое диагностирование, как оборудования системы, так и протекающих процессов. Появляется возможность не только реагировать на возникшую аварию, но и предупреждать её, что для энергетических объектов значительно важнее.

2. Автоматизация системы управления

2.1 Разработка функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема автоматизации является одним из основных проектных документов, определяющим структуру и уровень автоматизации технологического процесса участка (цеха) или отдельного объекта и оснащение его средствами автоматизации. Функциональная схема представляет собой чертеж, на котором при помощи условных изображений показывают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, средства автоматизации, включая вычислительную технику.

Функциональная схема автоматизации является основанием для выполнения других схем автоматизации, например, принципиальных электрических и принципиальных гидропневматических схем систем управления, регулирования сигнализации и блокировок, монтажных схем местных центральных щитов и пультов управления.

Схема автоматизации системы теплоснабжения предусматривает следующие действия:

· ручной пуск сетевого насоса;

· автоматическое регулирование параметров сети, после включения системы управления:

· давление в сети;

· температуру в сети;

· автоматическую защиту и остановку сетевого насоса при возникновении аварийных ситуаций;

· дистанционное управление регулирующими исполнительными механизмами;

· автоматизированный сбор и архивирование информации с помощью установленного теплосчетчика - регистратора «ВЗЛЕТ ТСР».

На функциональной схеме, разработанной в проекте, дано изображение исполнительных механизмов, подлежащих автоматизации, а также приборов, средств автоматизации и управления, изображенных условными обозначениями по действующим стандартам, а также линии связи между ними.

Функциональная схема содержит систему дистанционного управления клапаном 1Б, обеспечивающему подмешивание прямой подогретой воды обратной сетевой водой, для регулирования температуры в прямой линии, согласно отопительному графику. Открытие и закрытие клапана производится исполнительным механизмом 1А, с помощью магнитного пускателя 1В подключенного к контролеру.

Регулирование давления в системе теплоснабжения производится сетевым насосом 2А, исполнительный механизм 2Б (двигатель) которого, подключен к сети электропитания, с помощью преобразователя частоты 2Б. Преобразователь частоты изменяет частоту сети электропитания, подаваемую на исполнительный механизм. Изменение частоты сети вызывает изменение числа оборотов вала двигателя и соответственно изменение давления в системе теплоснабжения. Управление преобразователем частоты осуществляется с помощью контролера, который обрабатывает информацию от датчиков и вырабатывает управляющее воздействие. Контроль параметров температуры, давления, расхода осуществляется теплосчетчиком - регистратором «ВЗЛЕТ ТСР».

2.2 Разработка структуры системы управления

Главные показатели, которые должна обеспечить предлагаемая структура системы управления следующие:

- обеспечение безопасного технологического режима работы системы теплоснабжения;

- снижение расхода электроэнергии;

- увеличение срока службы технологического оборудования;

- улучшение условий труда обслуживающего персонала;

- уменьшение потерь связанных с авариями.

В проекте автоматизации системы управления теплоснабжением предусмотрена двух уровневая структура системы управления. Основные задачи управления распределены между уровнями управления.

Предлагаемая структура системы управления представлена на рисунке 2.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок - 2.1 - Структура системы управления

На нижнем уровне управления располагаются датчики давления, датчики температуры датчики расхода, исполнительные механизмы, пускатели, а также средства дистанционного управления исполнительными механизмами. Вместо датчиков давления, температуры, расхода используются датчики теплосчетчика - регистратора «ВЗЛЕТ ТСР», который измеряет, эти параметры и обеспечивает вывод измерительной информации через последовательный интерфейс RS232. На среднем уровне используется программируемый логический контроллер Ремиконт Р-130, обеспечивающий функции сбора и обработки информации, а также дистанционное управление исполнительными устройствами.

2.3 Выбор и обоснование технических средств автоматизации

Средства автоматизации, с помощью которых будет осуществляться управление процессом, должны быть выбраны технически грамотно и экономически обоснованно.

Конкретные типы автоматических устройств выбирают с учетом особенностей конкретного объекта управления и принятой системы управления.

Выбор конкретных типов средств контроля и автоматизации проводят исходя, из следующих соображений:

для контроля и регулирования одинаковых параметров технологического процесса следует применять одинаковые автоматические устройства, что облегчает их приобретение, настройку, эксплуатацию и ремонт;

следует отдавать предпочтение автоматическим устройствам серийного производства;

класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;

для автоматизации технологических процессов, протекающих в агрессивных средах, следует предусмотреть установку специальных приборов, а в случае применения приборов в нормальном исполнении необходимо предусмотреть их защиту.

На основе вышеизложенных правил и рекомендаций производим выбор конкретных средств контроля и автоматизации.

2.3.1 Выбор и обоснование микропроцессорного контроллера (МК)

За последние годы достигнуты значительные успехи в совершенствовании методов и средств управления технологическими процессами. До появления и широкого освоения промышленностью дешевых программируемых средств (микропроцессоров, ПЗУ, ПЛМ и др.) техническую основу систем автоматизации составляли, с одной стороны, аналоговые и релейные схемы с "жестким" алгоритмом функционирования, а с другой - свободно программируемые управляющие устройства на базе мини - и микро-ЭВМ. В настоящее время в промышленности широкое применение нашел новый класс микропроцессорных средств автоматизации - программируемые контроллеры, появившиеся на базе развития и слияния двух предшествовавших направлений.

Использование контроллера в системе управления имеет ряд преимуществ:

1) контроллер одинаково хорошо работает как в линейных, так и в нелинейных системах управления;

2) в отличие от аналоговых регуляторов контроллер не требует дополнительной аппаратуры;

3) все вычисления производятся по машинным программам, которые при необходимости могут быть изменены;

4) контроллер может регулировать процесс при изменяющемся во времени задании (законе регулирования), причем без подключения дополнительной аппаратуры и без вмешательства оператора.

В настоящее время из-за финансовых трудностей не представляется возможным разработка для конкретного регулируемого электропривода оптимального по составу, функциональным конструктивным требованиям специализированного микропроцессорного устройства, как это делают известные фирмы-производители электроприводов за рубежом. Поэтому в наших условиях единственным вариантом создания современной высокотехнологичной системы управления является применение доступных на отечественном рынке готовых микропроцессорных комплектов.

Выбор контролера произведем, рассмотрев несколько доступных на российском рынке контролеров отечественного и зарубежного производства, учитывая их стоимость и функциональные возможности.



Программируемый контроллер SIMATIC S7-300

Программируемые контроллеры SIMATIC являются базовой системой автоматизации всех отраслей промышленного производства, объединяющей в своем составе стандартную аппаратуру управления и широкую гамму промышленного программного обеспечения.

Программируемый контроллер SIMATIC S7-300 стандартного исполнения предназначен для эксплуатации в нормальных промышленных условиях.

Ключевые особенности контролера SIMATIC S7-300:

- модульный программируемый контроллер предназначен для решения задач автоматизации низкой и средней степени сложности;

- широкий спектр модулей для максимальной адаптации аппаратуры к решению любой задачи;

- высокая гибкость, возможность использования систем распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности;

- удобная конструкция, простота монтажа, работа с естественным охлаждением;

- простота расширения системы в ходе модернизации объекта;

- высокая производительность благодаря наличию большого количества встроенных функций;

- степень защиты IP 20 в соответствии с IEC 529;

- диапазон рабочих температур при горизонтальной установке 0…60°C (-25…60°C - Outdoor);

- при вертикальной установке 0…40°C (-25…40°C - Outdoor);

- относительная влажность 5…95%, без конденсата (RH уровень сложности 2 в соответствии с IEC 1131-2);

- атмосферное давление 795 … 1080 ГПa;

- изоляция цепи =24 В - испытательное напряжение =500В;

- изоляция цепи ~230 В - испытательное напряжение ~1460В.

Характерные особенности структуры ПЛК фирмы Siemens:

1. Два многофункциональных модуля менеджера событий (EVA и EVB). Восьмиканальный генератор (ШИМ) и два 16-разрядных таймера общего назначения в составе каждого менеджера событий обеспечивают:

прямое цифровое управление по шести каналам трехфазным инвертором напряжения в режимах фронтовой, центрированной или векторной ШИМ-модуляции;

управление дополнительными ключами по двум каналам в режимах стандартной фронтовой или центрированной ШИМ-модуляции;

быстродействующую аварийную блокировку выходов ШИМ-генератора по внешнему сигналу;

защиту силовых ключей в стойке инвертора от сквозного тока на базе программируемого генератора «мертвого времени».