Размещено на http://www.allbest.ru/

Список используемых сокращений

АВР - автоматический ввод резерва;

АР - автоматическое регулирование;

АСР - автоматизированная система регулирования

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом;

БИС - большие интегральные схемы;

БП - база правил;

ИК - измерительный канал;

ИМ - исполнительный механизм;

ИО - информационное обеспечение;

КПП - конвективный пароперегреватель

ЛСУ - локальная система управления;

НР - нечеткий регулятор;

ОР - ошибка регулирования;

ПВД - подогреватель высокого давления;

ПО - пароохладитель;

ППП - потолочный пароперегреватель;

ПТ - паровая турбина;

ПМК - программно-математический комплекс;

ПТК - программно-технический комплекс;

РИМ - реальный импульсный регулятор;

РК - регулятор корректирующий;

РО - регулирующий орган;

РС - регулятор стабилизирующий;

СБИС - сверхбольшие интегральные схемы;

ТЗ - технологическая защита;

ТС - технологическая сигнализация;

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль;

УВ - управляющее воздействие;

ФП - функция принадлежности;

ХОВ - химически очищенная вода;

ЧАП - частотная аппроксимация;

ШИМ - широтно-импульсный модулятор;

ШПП - ширмовый пароперегреватель;

KKS - Kraftwerk Kennzeichen System (система обозначений для электростанций)

P&ID - Piping and Instrumentation Diagram - cхема технологических трубопроводов и КИПиА.

Реферат

Рассмотрены вопросы разработки АСУТП парового котла БКЗ-210-140 Ярославской ТЭЦ-2.

В ходе работы проведен анализ барабанного котла как технологического объекта регулирования, сформированы основные положения концепции разрабатываемой АСУТП, сформулированы требования, технологические задачи управления и технические задачи на контроль, регулирование и сигнализацию. Разработана P&ID-диаграмма регулирования температуры перегретого пара и сквозная информационно-функциональная структура управления, сформирована заказная спецификация на приборы контроля и измерения. Разработана математическая и имитационная модели конвективного пароперегревателя.

Рассмотрены двухконтурные схемы регулирования температуры перегретого пара, произведена их настройка. Разработана схема регулирования с использованием регулятора, построенного на нечеткой логике. Проведены исследования влияния режима работы парогенератора на качество регулирования.

Выпускная квалификационная работа на тему состоит из пояснительной записки, содержащей 104 страницы, 69 рисунков, 12 таблиц. Графические материалы включают в себя 6 листов формата А1.

Введение

Уровень автоматизации тепловой электростанции -- один из самых важных показателей эффективности производства энергии и конкурентоспособности на рынке электроэнергии и мощности. На большинстве Российских ТЭЦ средства контроля и управления технологическим процессом производства энергии (АСУТП) морально и физически устарели. Уровень их АСУТП не обеспечивает конкурентоспособность производства энергии по надежности, качеству технических средств, объему функций и уровню информативности.

Температура перегрева пара на выходе котла является одним из важнейших технологических параметров. Важность данного параметра обусловлена следующими причинами:

· металл труб котельного агрегата находится в особенно тяжелых условиях работы;

· повышение температуры выше допустимых значений может привести к аварии вследствие появления ползучести металла, повышенных тепловых расширений и ряда других причин;

· надежность работы турбины при повышении температуры пара ограничивается предельными тепловыми расширениями ее элементов;

· понижение температуры перегретого пара снижает экономичность работы котла и ТЭЦ в целом, кроме того, значительное понижение температуры пара перед турбоагрегатом приводит к недопустимому повышению влажности в последних ступенях турбины и эрозии лопаток, следствием чего оказывается увеличение удельного расхода пара, а в некоторых случаях и аварийный останов турбоагрегата.

В современной теории автоматизации методы построения систем управления, основанные на нечеткой логике, нечетких множествах и лингвистических переменных, получают все большее распространение. Прежде всего, это обусловлено рядом преимуществ, которые предоставляют данные нечеткие методы разработчику систем управления.

Одним из основных преимуществ нечетких методов является возможность работы с размытыми или плохо определенными данными, оперируя ими на более высоком уровне. Данное преимущество является очень важным при работе со сложными системами, для которых учет всех параметров традиционными методами является либо невозможным, либо чрезмерно трудоемким.

Поскольку теория лингвистической переменной предполагает описание моделей объектов и алгоритмов систем управления в терминах естественного языка, то это делает их прозрачными и легкими для понимания, облегчает дальнейшую эксплуатацию и модернизацию. Применение терминов естественного языка позволяет напрямую использовать знания экспертов предметной области или опытных операторов для построения моделей объектов и алгоритмов управления.

Нечеткие лингвистические регуляторы являются нелинейными и применимы для управления нелинейными объектами. Нечеткие методы можно применять совместно с традиционными алгоритмами управления, используя наилучшие черты различных подходов.

В условиях жесткой международной конкуренции применение нечетких методов должно повысить привлекательность отечественной продукции, снизить издержки при ее производстве.

Нечеткие методы продолжают интенсивно развиваться. Появляются публикации, описывающие новые нечеткие методы, а так же не исследованные ранее аспекты их использования.

1. Формирование основных положений концепции разрабатываемой АСУТП

Технический облик АСУТП определяется, как правило, в виде технических требований или технического задания. При больших информационных масштабах указанные документы создают «размытый» облик системы.

В этом случае целесообразно формирование технического облика создаваемой АСУТП в виде отдельного документа - концепции.

Под концепцией понимается наиболее общая руководящая система взглядов на технический облик системы управления и на технологию перехода от существующей СКУ к новой полномасштабной АСУТП энергоблока[1].

1.1 Анализ объекта управления

Исходными данными для выполнения бакалаврской работы является котел БКЗ-210-140 (Е-210-13,8-560) Ярославской ТЭЦ-2.

Номинальные параметры котла БКЗ-210-140 приводятся в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Номинальные параметры

№ п/п	Наименование параметра	Значение	Ед. измерен.
1	Паропроизводительность	210	т/ч
2	Давление свежего пара	13,8	МПа
3	Температура перегрева	560	оС
4	Температура питательной воды	230	оС
5	Температура уходящих газов	170	оС
6	Водяной объем котла	62	м3
7	Паровой объем котла	32	м3
8	Расчетный КПД котла	92	%

Паровой котел Е-210-13,8-560 (модель БКЗ-210-140) однобарабанный, вертикально водотрубный, с естественной циркуляцией предназначен для получения пара высокого давления при сжигании мазута и газа.

Компоновка котла выполнена по П - образной схеме. Топка расположена в первом, восходящем газоходе. Во втором, нисходящем газоходе, расположен водяной экономайзер и воздухоподогреватель. В верхнем горизонтальном газоходе расположен пароперегреватель.

1.1.1 Топочная камера

Топочная камера по всей высоте прямоугольного сечения, имеет размеры (по осям труб) 9536 * 6656 мм и объём 992 м³.

Стены топочной камеры полностью экранированы трубами диаметром 60 * 5.5, сталь 20, с шагом 64 мм. Экраны топки разделены на 14 самостоятельных циркуляционных контуров. Экранные трубки каждого контура входят в камеры диаметром 273 * 36, сталь 20. Паровая смесь из верхних камер боковых и фронтового экранов отводится в барабан трубами ф133 * 10, сталь 20, а из камер заднего экрана трубами ф133 * 10, сталь 12Х1МФ. Подвод котловой воды из барабана к нижним камерам экранов осуществляется трубами ф133 * 10, сталь 20.

Топочная камера оборудована горелочными устройствами типа «тонкие струи» для сжигания торфа, в количестве 4 штук, расположенными на фронтовой стене топки, и шестью мазутными горелками, расположенными на боковых стенках топки. Растопка котла предусматривается 6-ю мазутными форсунками механического распыливания, вмонтированными горелки.

Шлакоудаляющие устройства состоят из шлакоприёмной течки, шнекового транспортёра и шлаковой дробилки.

Для размола фрезерного торфа с фронта котла установлены четыре молотковые мельницы типа ММТ-1300/2004/735 с гравитационными сепараторами.

1.1.2 Барабан котла и сепараторные устройства

Котёл имеет 1 сварной барабан с внутренним диаметром 1600 мм и с толщиной стенки 112 мм, из стали 16ГНМ.

Для получения качественного пара в котле применены схема двухступенчатого испарения и соответствующие сепарационные устройства.

Первая ступень испарения (чистый отсек) расположена непосредственно в барабане котла.

Солёными отсеками служат выносные сепарационные циклоны (по 2 циклона на каждой стороне котла). Такая схема обеспечивает нужное качество пара при питании котла водой с солесодержанием до 100 мг/литр при продувке не выше 3%.

В выносную сепарационную ступень (вторую ступень испарения) включены блоки боковых стен топки, соединяющиеся с циклонами трубами ф133 * 10, сталь 20, циклоны, в свою очередь, соединены с барабаном котла также трубами ф133 * 10, сталь 20.

Каждый блок циклонов состоит из 2-х труб ф426 * 36, сталь 20 с расположенными в них дырчатыми подпорными листами и антикавитационными крестовинами.

В первой ступени сепарационными устройствами являются внутрибарабанные циклоны с барботажной промывкой пара и жалюзийные сепараторы.

Питательная вода поступает в барабан по 12 трубам ф60 * 5.5. сталь 20 в раздающие короба. 50% питательной воды через отверстия в коробах направляется на промывочные щиты. Протекает по ним и сливается в водяной объём барабана. Остальная часть питательной воды из раздающих коробов сливается непосредственно в водяной объём помимо промывочных щитов.

Пароводяная смесь из экранной системы котла поступает распределительные короба, расположенные в барабане, откуда она направляется во внутрибарабанные циклоны. Вода, отсепарированная в циклонах, сливается в водяной объём барабана: пар, поднимаясь вверх, проходит через первичный жалюзийный сепаратор, расположенный непосредственно над циклоном, а затем проходит в барабане через слой воды, текущей по промывочным листам, и попадает во вторичный сепаратор: далее, через дроссельный дырчатый лист пар проходит в пароперегреватель котла.

Средний уровень воды в барабане котла должен поддерживаться на 200 мм ниже геометрической оси барабана. Отклонение уровня от среднего не более 50 мм.

Для обеспечения равномерного нагрева барабана при растопках котла предусмотрен паровой обогрев котла от постороннего источника насыщенным паром давлением 40-140 ата.

1.1.3 Пароперегреватель

Пароперегреватель выполнен с учётом склонности сжигаемого топлива к шлакованию. Пароперегреватель радиационно-конвективного типа. Радиационная поверхность выполнена в виде ширмовых поверхностей, расположенных в топке, и трубопотолочного перекрытия. Конвективные поверхности пароперегревателя в верхнем поворотном газоходе котла. Регулирование температуры перегретого пара осуществляют путем впрыска «собственного» конденсата в пароохладителях 1 и 2 ступени.

Пар из барабана котла по 6-ти трубам ф133 * 10, сталь 20 поступает в камеры ф219 * 26, сталь 20, потолочного пароперегревателя. Который выполнен из труб ф32 * 4, сталь 20, и закрывает весь потолок котла, как над топкой, так и над поворотной камерой. Трубы потолочного пароперегревателя переходят в змеевики «холодного пакета». После «холодного пакета» пар по 6 трубам ф133 * 13, сталь 20, попадает в 8 крайних ширм. Пройдя крайние ширмы, пар 8-ю трубами ф133 * 10, сталь 12Х1МФ, подаётся в пароохладители 1 ступени (камеры ф273 * 25, сталь 12Х1МФ). После регуляторов пар по 8 трубам ф133 * 10, сталь 12Х1МФ, поступает в 8 средних ширм. Ширмовый пароперегреватель выполнен из труб ф32 * 4, сталь 12Х1МФ. Из средних ширм по 8 трубам ф133 * 10, сталь 12Х1МФ пар подаётся во входные камеры ф273 * 25, сталь 12Х1МФ «горячего» пакета пароперегревателя, откуда поступает в 10 крайних микроблоков «горячего» пакета, выполненных из труб ф32 * 4. сталь 12Х1МФ. Пройдя крайние микроблоки, пар попадает в промежуточные камеры ф273 * 36. сталь 12Х1МФ и из них перебрасывается в 8 задних микроблоков «горячего» пакета пароперегревателя, выполненных из труб ф32 * 5, сталь 12Х1МФ. Из средних микроблоков пар по 8 трубам ф133 * 17, сталь 12Х1МФ, поступает в камеры пароохладителей 2 ступени. После регуляторов пар по 10 трубам ф133 * 17, сталь 12Х1МФ направляется в 10 крайних микроблоков выходного пакета (4 ступень) пароперегревателя, выполненных из труб ф32 * 5,сталь 12Х1МФ. Пройдя крайние микроблоки пар поступает в промежуточные камеры ф273 * 45, сталь 12Х1МФ 4-й ступени пароперегревателя и из них направляется в 8 средних микроблоков 4-й ступени. Из средних микроблоков пар поступает в паросборную камеру.

Переброс пара из крайних ширм и микроблоков в средние выполняется для уменьшения «разверки» температуры пара.

1.1.4 Установка для получения собственного конденсата

Для получения конденсата на впрыск в пароохладители, котельный агрегат оборудован змеевиковыми конденсаторами. Охлаждение пара в конденсаторах осуществляется питательной водой, прошедшей первую (по ходу воды) ступень водяного экономайзера.

Подача конденсата в пароохладители осуществляется за счёт перепада давления, созданного паровыми эжекторами, расположенными в камерах пароохладителя (1 ступень), а также за счёт падения давления пара между барабаном и камерой пароохладителя 2 ступени.

Для слива избытка конденсата в барабан сборный коллектор соединяется с барабаном трубами ф133 * 10,сталь 20.

1.2 Технологическая задача системы регулирования температуры перегретого пара

Температура перегрева пара на выходе котла относится к его важнейшему параметру, определяющему экономичность работы турбины, надежность эксплуатации котла и турбины.

Номинальное значение температуры перегретого пара на выходе - 560^оС .

Температура перегретого пара для барабанных котлов зависит от тепловосприятия пароперегревателя и паровой нагрузки.

Тепловосприятия пароперегревателя определяется топочным режимом, чистотой поверхности нагрева, избытком воздуха, качеством топлива.

Изменение паровой нагрузки приводит к перераспределению тепловосприятия между конвективной и радиационной частями пароперегревателя и изменению температуры перегретого пара на выходе с котла.

По характеру восприятия тепла пароперегреватель котлов радиационно-конвективный. Радиационная часть включает в себя настенный экран и потолочные трубы над топочной камерой.

Далее перегретый пар поступает в ширмовой (полурадиационный) пароперегреватель, размещенный в поворотной камере котла и затем в конвективный пароперегреватель, расположенный в опускной газовой шахте котла.

Температура перегретого пара регулируется посредством впрыска из пароохладителей, расположенных по тракту пароперегревателей, конденсата полученного из насыщенного пара в конденсаторах котла.

Конденсат впрыскивается за счет разности давления пара в барабане котла и в месте впрыска (в пароохладителе).

На котлах имеется два тракта пароперегревателей - левого и правого и соответственно два выхода перегретого пара с котла.

Охлаждающий конденсат в пароохладитель подается через свой регулирующий клапан, который управляется исполнительным механизмом вручную, дистанционно или автоматически.

Если температура повысилась, то регулирующий прибор включается на «больше», и ИМ идет на открытие, тем самым несколько открывает клапан, увеличивая расход конденсата на впрыск.

Если температура понизилась, то ИМ включается регулирующим прибором на закрытие клапана впрыска.

Сразу после изменения расхода охлаждающего конденсата на пароохладитель будет изменяться температура перегретого пара за ним (на его выходе) и здесь вступит в работу дифференциатор (где формируется сигнал по скорости изменения температуры перегретого пара на выходе пароохладителя) временно препятствующий дальнейшему включению регулятора в том же направлении.

Установка по ходу перегретого пара нескольких пароохладителей позволяет более качественно регулировать температуру перегретого пара на выходе с котла и одновременно защитить металл предвключенных ступеней пароперегревателя от перегрева.

При изменении количества охлаждающего конденсата, подаваемого на пароохладитель, температура перегретого пара за впрыском изменяется быстро, примерно через 5?10 секунд, на выходе котла или следующим впрыском - через 1?2 минуты.

Основной импульс - температура перегретого пара на выходе конвективного пароперегревателя T''_к (на выходе с котла, перед впрыскивающим пароохладителем); дополнительный импульс - исчезающий импульс от дифференциатора по температуре после пароохладителя T''_впр.

Импульс от дифференциатора является положительным в том, что его скоростная термопара по ходу перегретого пара установлена раньше основной и раньше реагирует на изменение температуры перегретого пара, причем реагирует не на величину температуры, а на скорость изменения температуры и чем больше эта скорость, тем больше сигнал, подаваемый с дифференциатора.

Поэтому, не дожидаясь значительного отклонения температуры (величины зоны чувствительности регулятора), а при наличии только начавшегося изменения температуры дифференциатор уже выдает сигнал на регулятор, причем фаза сигнала зависит от направления отклонения температуры перегретого пара (в сторону повышения или понижения).

Схема регулирования температуры перегретого пара показана на рис. 1.1.

Технологическая задача управления сводится к выполнению требований стабилизации температуры пара на выходе из котла с заданной точностью. Актуальность такой задачи определяется экономическими соображениями и соображениями надёжности.

Температура перегретого пара на выходе парогенератора относится к важнейшим параметрам, определяющим экономичность и надежность работы паровой турбины и энергоблока в целом. Стабилизация температуры пара на отдельных участках и на выходе тракта первичных и вторичных пароперегревателей обеспечивает поддержание минимальной влажности пара в последних ступенях паровой турбины, повышает безопасность работы металлов, а также экономичность установки. С повышением параметров пара требования к точности поддержания температуры возрастают, так как металл ряда поверхностей нагрева работает в условиях, близких к предельным.

Автоматическое регулирование перегрева пара должно обеспечивать поддержание температуры перегретого пара в заданных пределах. Так в соответствии с требованиями ПТЭ допустимые длительные отклонения температуры перегретого пара от номинального значения, например, для параметров пара Р_пе=13,8 МПа и t_пе=560^оС составляют в сторону увеличения +5^оС, а в сторону уменьшения -10^оС. Нормами установлено, что в установившихся режимах работы парогенератора отклонение температуры пара от номинальных значений не должно превышать ±1% в заданном диапазоне нагрузок. При этом диапазон нагрузок, в котором поддерживается номинальная температура пара, определяется в зависимости от конструктивных особенностей парогенератора.

Температура перегрева пара для барабанных котлов зависит от тепловосприятия пароперегревателя и паровой нагрузки. При постоянстве паровой нагрузки тепловосприятие перегревателей определяется топочным режимом и может изменяться в зависимости от загрязнения поверхностей нагрева, избытка воздуха, изменений состава топлива и т. п. Изменения паровой нагрузки приводят к перераспределению тепловосприятия между конвективной и радиационной частями перегревателя и изменениям температуры пара на выходе. Скорость и величина изменения температуры пара при колебаниях нагрузки в основном определяются статической характеристикой пароперегревателя.

Благоприятная с точки зрения регулирования статическая характеристика может быть обеспечена при выполнении радиационно-конвективных пароперегревателей. Чисто конвективный пароперегреватель обладает той особенностью, что его тепловосприятие, а, следовательно, и температура увеличиваются с ростом нагрузки. Это происходит вследствие увеличения объема и скорости газов с ростом нагрузки, так как это приводит к интенсификации конвективного теплообмена.

При увеличении расхода топлива, т.е. с ростом нагрузки парогенератора возрастает температура газов на выходе из топки. Количество тепла, уносимое газами из топки, увеличивается. В связи с этим удельное тепловосприятие радиационных поверхностей нагрева в топке уменьшается, так как изменение полного тепловыделения топки соответствует росту нагрузки. Таким образом, рост тепловосприятия радиационного пароперегревателя отстает от увеличения расхода пара, и температура пара будет уменьшаться по мере повышения нагрузки. При рациональном размещении радиационной и конвективной частей пароперегревателя по зонам температур газов и определенном соотношении их поверхностей нагрева возможен вариант, когда с ростом нагрузки повышение тепловосприятия конвективной части пароперегревателя будет компенсироваться снижением тепловосприятия его радиационной части.

В динамическом отношении пароперегреватель представляет собой объект регулирования с распределенной по длине емкостью. Особенностью такого объекта регулирования является наличие запаздывания изменения температуры на выходе из пароперегревателя после возникновения возмущения. Точное аналитическое определение динамических характеристик пароперегревателей затруднено, поэтому при эксплуатации парогенераторов динамические характеристики пароперегревателей во многих случаях определяются на основе экспериментальной снятой кривой разгона.

1.3 Назначение и цели создания АСУТП

1.3.1 Назначение системы

АСУТП предназначена для поддержания заданного температурного режима в паровом тракте котла.

1.3.2 Цели создания системы

При создании системы контроля и управления должны быть достигнуты следующие цели:

1) Поддержание заданного значения температуры пара на выходе котла при номинальной нагрузке с максимальным отклонением менее 1% от номинального значения температуры.

2) Обеспечение устойчивой работы автоматических регуляторов (отсутствие автоколебаний) и ограниченная частота их включения, которая при постоянной нагрузке котла не должна превышать шести включений.

1.4 Требования к системе

1.4.1 Общие требования к АСУТП

Требования к структуре АСУТП

Разрабатываемая АСУТП должна соответствовать общим требованиям, установленным ГОСТ 24.104-85, а также требованиям, изложенным в РД 34.90.501-95.

АСУТП должна разрабатываться как всережимная многоуровневая иерархическая система функционально распределенного цифрового управления.

АСУТП должна разрабатываться как человеко-машинная система, работающая в реальном масштабе времени и позволяющая оператору-технологу, во взаимодействии с техническими и программными средствами управления, контроля и преобразования информации, обеспечить эффективное управление технологическим процессом.

Основа АСУТП - единый ПТК. Основные средства отображения информации на постах управления - цветные графические видеотерминалы и связанные сними функциональные клавиатуры.

Нижний уровень АСУТП строиться на базе контроллеров, выполняющих функции сбора и обработки информации, поступающей с датчиков, а также формирование и выдачу управляющего воздействия на исполнительные устройства, регулирующие органы, механизмы собственных нужд и т.д. На верхнем уровне должны быть организованы рабочие места для оперативного персонала, а также вычислительные, архивные, инженерные станции. Внутрисистемные коммуникации должны быть организованы на базе локальных вычислительных сетей со стандартной шинной технологией. Система контроля и управления должна быть открытой с возможностью расширения состава входных сигналов и команд управления.

1.4.2 Требования к функциям АСУТП

Состав функций АСУТП должен быть достаточным для работы во всех эксплуатационных режимах (нормальном, переходном, аварийном).

Во всех режимах должно обеспечиваться:

- безопасность персонала;

- целостность оборудования;

- защита окружающей среды.

Функциональную структуру АСУТП образует набор и взаимодействие следующих функций:

Базовые оперативные информационно-вычислительные функции:

Сбор и первичная обработка информации

Сбор и первичная обработка аналоговых сигналов:

Источниками аналоговой информации являются:

- датчик с нормированным выходным сигналом 0-5 мА, 4-20 мА;

- термопары и термометры сопротивления;

- нормирующие преобразователи с выходным сигналом 4-20 мА.

Опрос аналоговых сигналов осуществляется контроллерами периодически с временем цикла не превышающим 1.5 сек.

С циклом опроса должна происходить первичная обработка входных сигналов:

- компенсация температуры холодных спаев;

- линеаризацию характеристик в соответствии со стандартными градуировками;

- фильтрацию;

- масштабирование;

- алгебраические преобразования;

- одновременную обработку результатов измерений параметров, полученных в разных шкалах.

С циклом опроса должна выполняться проверка выхода сигнала за уставки. В системе должна обрабатываться только достоверная информация. Достоверность каждого сигнала оценивается:

- проверкой минимального выходного сигнала для датчиков 4-20 мА;

- проверкой входных модулей ПТК;

- программной проверкой по технологически связанным параметрам.

Для каждого сигнала необходимо иметь возможность задания двух предупредительных и двух аварийных уставок.

Сбор и первичная обработка дискретных сигналов:

Источниками дискретных сигналов являются:

- концевые выключатели;

- блок-контакты пускателей;

- контакты реле;

- контакты ключей управления.

Регистрация текущих событий

Подсистема регистрации событий предназначена для регистрации параметров в нормальных режимах работы оборудования и должна решать следующие задачи:

- регистрация текущих значений аналоговых параметров;

- регистрация состояния дискретных параметров;

- регистрация значений важных текущих параметров за заданный интервал времени;

- регистрация текущих событий по дискретным параметрам и отклонениям аналоговых параметров за данный интервал времени;

- регистрацию числа включений и времени работы отдельных технологических агрегатов за длительный промежуток времени;

- регистрацию изменений состояния контуров регулирования (переключение в автоматический режим или дистанционный, изменение структуры регулирования, изменение задания).

1.5 Разработка технического задания на контроль, регулирование и сигнализацию

1.5.1 Техническое задание на систему теплового контроля

Основным регулируемым параметром являются температура пара за третьей ступенью КПП правого тракта и температура пара за третьей ступенью КПП левого тракта.

Основные технические требования на систему теплового контроля изложены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Техническое задание на систему теплового контроля

№ п/п	Параметр теплового контроля	Номинальное значение	Характеристика среды	Место установки вторичного прибора	Вид контроля	Погрешность ИК
1	2	3	4	5	6	7
1	Температура пара за ПО1 tвпр1	499 oС	Перегретый пар	На щите	IR	1%
2	Температура пара за второй ступенью КПП левого тракта tПРКПП2	537 oС	Перегретый пар	На щите	IRС	1%
3	Температура пара за ПО2 tвпр2	499 oС	Перегретый пар	На щите	IR	1%
4	Температура пара за второй ступенью КПП правого тракта tЛКПП2	537 oС	Перегретый пар	На щите	IRСAS	1%
5	Температура пара за ПО3 tвпр3	537 oС	Перегретый пар	На щите	IR	1%
6	Температура пара за третьей ступенью КПП левого тракта tПРКПП3	560 oС	Перегретый пар	На щите	IRС	1%
7	Температура пара за ПО4 tвпр4	537 oС	Перегретый пар	На щите	IR	1%
8	Температура пара за третьей ступенью КПП правого тракта tЛКПП3	560 oС	Перегретый пар	На щите	IRСAS	1%
9	Давление перегретого пара в левом тракте паропровода котла PПРКПП	13.73МПа	Перегретый пар	На щите	IRAS	1%
10	Давление перегретого пара в правом тракте паропровода котла PЛКПП	13.73МПа	Перегретый пар	На щите	IRAS	1%

1.5.2 Техническое задание на сигнализацию и защиту

Технологическая сигнализация предназначена для извещения оперативного персонала о нарушениях в протекании технологического процесса. Технологическая сигнализация должна включать в себя:

- предупредительную сигнализацию при выходе за пределы технологических параметров, характеризующих работу оборудования;

- аварийную сигнализацию при аварийных отклонениях параметров, срабатывании технологических защит.

Предупредительная сигнализация осуществляется отображением желтым цветом соответствующих элементов на мнемосхеме операторской станции и включением кратковременных звонков. Аварийная сигнализация свидетельствует об имеющейся серьезной опасности, предупредительная -- о возможном нежелательном развитии событий в дальнейшем. Аварийная сигнализация осуществляется отображением красным цветом соответствующих элементов на мнемосхеме операторской станции и включением постоянного звукового сигнала (сирены).

В случае выхода из строя датчиков, обрыва информационных линий или внутренней неисправности аппаратуры автоматики соответствующие показания датчиков на экране операторской станции будут изображены белым цветом.

В любой момент оператор может вызвать список текущей сигнализации, выяснить причину ошибки и ее проквитировать. После квитирования звуковая сигнализация снимается, а мигание в ноле узла заменяется на ровное свечение -- желтое для предупредительной и красное для аварийной сигнализации.

Световая сигнализация осуществляется с помощью сигнальных ламп с двухцветным кодированием состояния объекта или же с помощью двухламповых или одноламповых табло. На светящихся транспарантах табло высвечивается надпись, указывающая причину появления сигнала.

Появление каждого нового сигнала должно сопровождаться включением звукового сигнала. Прекращение действия звукового сигнала должно производиться оперативным персоналом либо автоматически по истечении заданного времени.

Подсистема технологических защит предназначена для автоматического управления оборудованием при возникновении аварийных ситуаций. Она должна предотвратить развитие аварийной ситуации и обеспечить защиту персонала и технологического оборудования

Технологические защиты, действующие на останов котла:

- отключение двух регуляторов впрыска;

- повышение температуры перегретого пара за котлом;

- понижение температуры перегретого пара за котлом;

- повышение давления пара в пароперегревателе.

Технологические требования на защиту и сигнализацию представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Техническое задание на сигнализацию и защиту

№ п/п.	Параметр сигнализации	Номин. значение	Технологическая (предупредительная) сигнализация	Аварийная сигнализация (защита)	Место расположения аппаратуры
			минимум	максимум	минимум	максимум
1	Температура пара за третьей ступенью КПП левого тракта tПРКПП3	560 ?С	550 ?С	570 ?С	475?С	600?С	на щите
2	Температура пара за третьей ступенью КПП правого тракта tЛКПП3	560 ?С	550 ?С	570 ?С	475?С	600?С	на щите
3	Давление перегретого пара в правом тракте паропровода котла PПП	13.73МПа	12.55 МПа	14.22 МПа	10.98МПа	15.1МПа	на щите
4	Давление перегретого пара в левом тракте паропровода котла PПП	13.73МПа	12.55 МПа	14.22 МПа	10.98МПа	15.1МПа	на щите

1.5.3 Техническое задание на автоматическое регулирование

Система автоматического регулирования водопарового тракта котла предназначена для поддержания на номинальном значении заданных технологических параметров:

Диапазоны изменения параметров настройки регуляторов должны быть следующими:

- коэффициента пропорциональности - 0,1-100 с шагом установки не более 0,03;

- времени интегрирования и времени дифференцирования - 2-3000 сек. с шагом установки 0,5 сек.;

- масштабных коэффициентов - 0-2 с шагом установки не более 0,01;

- длительности импульсов, подаваемых от импульсного регулятора на исполнительный механизм 0,125-3 сек.

Датчики, используемые в системе авторегулирования, являются общими с информационной подсистемой и должны обслуживаться специалистами группы КИП цеха АСУ.

Информация о срабатывании защит должна передаваться в подсистему автоматического регулирования через сеть и на уровне дискретных сигналов.

Управляющие функции, которые могут осуществляться при работе с операторской станцией:

- перевод регулятора в режим «ручной»;

- перевод регулятора в режим «автомат»;

- воздействие на регулирующий орган «больше» в ручном режиме;

- воздействие на регулирующий орган «меньше» в ручном режиме;

- изменение задания по регулируемому параметру.

Технические требования на автоматическое регулирование представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4. Техническое задание на автоматическое регулирование

№ п/п	Регулируемый параметр	Номин. знач.	Допустимое отклонение	Характер и величина возмущения	Требования к быстродействию
			кратковременное	длительное
1	Температура перегретого пара за второй ступенью КПП левого тракта	560 ?С	10 ?С	5 ?С	ступенчатое 20% ХРО	5 сек.
2	Температура перегретого пара за второй ступенью КПП правого тракта	560 ?С	10 ?С	5 ?С	ступенчатое 20% ХРО	5 сек.
3	Температура перегретого пара на выходе из левого тракта пароперегревателя	560 ?С	10 ?С	5 ?С	ступенчатое 20% ХРО	5 сек.
4	Температура перегретого пара на выходе из правого тракта пароперегревателя	560 ?С	10 ?С	5 ?С	ступенчатое 20% ХРО	5 сек.

1.6 Разработка P&ID - диаграммы

В течение длительного периода времени в энергетике наблюдается тенденция к упорядочиванию и унификации технологических решений и представления информации о состоянии энергооборудования и протекающих в нем процессов. Существенной составляющей задачи унификации является применение четкой и однозначной системы условных буквенно-цифровых обозначений (далее обозначений), которая позволила бы выделять унифицированные (стандартные) технологические узлы, связанную с ними информацию и задачи управления.

Особую остроту проблема приобретает в связи с тем, что для автоматизации энергооборудования и электростанций в целом все шире применяются программно-технические комплексы (ПТК). Программным путем в этих системах реализуют наряду с обработкой технологической информации функции управления (автоматическое регулирование, дистанционное управление, защиты и блокировки, логическое управление) и представления информации (отображение оперативной и постоперативной информации, предупредительная, аварийная и другая сигнализация, протоколирование, архивирование и хранение данных).

Система обозначений KKS (Kraftwerk Kennzeichen System - система обозначений для электростанций) обладает большими возможностями и учитывает особенности свободно-программируемых микропроцессорных технических средств.

Наряду с обозначением технологического оборудования, исполнительных органов (запорно-регулирующей, предохранительной, отсечной и т.п. арматуры, приводами механизмов собственных нужд), точек измерения, монтажных единиц, устройств автоматизации, зданий и сооружений система KKS позволяет маркировать алгоритмы и программы различного вида и назначения. Например, алгоритмы обработки измеряемых технологических параметров, сигнализации, автоматического регулирования, технологических защит, логического управления: блокировок, АВР, пошаговых программ. А также входные, выходные и промежуточные сигналы этих алгоритмов и программ, кабели и пр.

На PI-диаграмме приведены системы и установки со следующими функциональными кодами:

Н - производство тепла на ископаемом топливе;

НВ - несущие конструкции, оболочки, внутреннее пространство парогенератора;

НВЕ - сосуды под давлением - барабан.

L - паровые, водяные и газовые контуры;

LA - система питательной воды;

LAB - система трубопроводов питательной воды (исключая насосы и подогрев питательной воды) от выхода из бака питательной воды до входного коллектора котла или теплообменника.

LB - система паропроводов;

LBA - система трубопроводов острого пара от выхода из котла или от выхода из теплообменника до главных паровых задвижек турбины или до редукционной установки высокого давления или до байпаса высокого давления или до прочих потребителей (систем).

LBJ - влагоохладитель / перегреватель от входа до выхода.

LC - система конденсата;

LCE - система впрыска основного конденсата от отвода из системы трубопроводов основного конденсата или от отвода из системы трубопроводов конденсата приводной турбины до потребителя.

T - температура;

P - давление;

F- расход;

G - регулирующий орган.

L - уровень;

R - регистрация;

C - автоматическое регулирование;

Н - ручное управление;

A - сигнализация;

I - индикация;

Z - блокировка;

S - защита.

N внизу - станционный номер блока;

N вверху - цифровое отображение.

AA - агрегаты: арматура, включая привод, так же и ручной (задвижки, клапаны, арматура);

CT - контур прямого измерения: температура;

CG - положение регулирующего органа

CF - контур прямого измерения: расход, массовый расход;

CP - контур прямого измерения: давление;

CL - контур прямого измерения: уровень;

DT - контур регулирования: температура;

DF - контур регулирования: расход, массовый расход;

DP - контур регулирования: давление;

DL - контур регулирования: уровень.

1.7 Разработка сквозной информационно-функциональной структуры системы управления

Сквозные информационно-функциональные схемы системы управления строятся на основе технической документации и облегчают понимание схем автоматизации.

Область построения условно разделена на 5 частей:

· формирование единого информационного пространства, обработка и контроль достоверности сигналов технических параметров;

· технологическая сигнализация;

· аварийное управление (технологические защиты - в части формирования командного сигнала);

· автоматическое регулирование;

· автоматические блокировки, АВР и управление исполнительными устройствами.

В области «Обработка и контроль достоверности сигналов технологических параметров» размещаются блоки источников технологических параметров и блоки формирования достоверного сигнала. Блок источника технологического параметра изображается в виде овала, внутри которого пишется код (KKS) источника сигнала и краткое пояснение.

В области «Технологическая сигнализация» размещаются блоки условий срабатывания технологической сигнализации. Блок представляет собой прямоугольник, разделенный на две части. В правой части пишется условие срабатывания, аргументом которого является входной параметр. Слева рисуется стрелка вверх, если сигнализация по верхнему пределу срабатывания, вниз - по нижнему пределу срабатывания. Если срабатывание сигнализации происходит по сигналу логического типа (0 или 1), то левая часть оставляется пустой. Кроме того, к блоку подводятся пунктирной линией сигналы на условия ввода/вывода сигнализации, т.к. некоторые сигнализации актуальны только при включенном оборудовании или конкретном состоянии арматуры.

В области «Технологические защиты» размещаются блоки условий срабатывания технологических защит, на вход которых подается сигнал от блока формирователя достоверного сигнала, а выход подсоединен к соответствующему входу исполнительной части алгоритма аварийного управления. Информационная часть технологических защит формирует командный сигнал, который посредством выходного реле защиты подается в исполнительную подсистему автоматических блокировок, срабатывание которых необратимо и приводит к останову котла.

Аварийная сигнализация срабатывает при увеличении температуры перегретого пара >560 ^оС, при снижении температуры перегретого пара <475 ^оС; при повышении давления в пароперегревателе >15.1МПа, при понижении давления в пароперегревателе >10 МПа.

В области «Автоматическое регулирование и логическое управление» показывают структуры. систем автоматического и логического управления режимов работы объекта. Управляющий сигнал от системы автоматического регулирования подают на вход исполнительного устройства (задвижка, регулирующий клапан).

Исполнительное устройство снабжено блоком «Алгоритм управления клапаном» (задвижкой, механизмом) с алгоритмической частью схемы, которая обеспечивает распознавание приоритетов поступающего командного сигнала.

Схема регулирования имеет следующий вид: на вход регулятора подается сигнал (аналоговый) от источника технологического параметра, от регулятора сигнал идет на блок алгоритма управления клапаном, который в свою очередь воздействует на клапан.

Схема сквозной информационно-функциональной структуры системы управления представлена на Рис. 1.3.

1.8 Разработка заказной спецификации на приборы контроля и измерения в системе AutomatiCS

AutomatiCS - это программное средство, которое поддерживает все этапы проектирования - от получения задания на разработку технического обеспечения АСУТП до создания проектного решения и формирования выходной проектной документации в виде чертежей, спецификаций, таблиц и т.д.

Входной информацией АДТ - технологии применительно к СКУ является перечень задач (контуров) управления с набором требований к каждой из них. Основную часть этой информации проектировщик СКУ получает от проектировщика - технолога в виде задания на проектирование (например, давление рабочей среды, диаметр трубопровода, верхний предел измерения, тип привода и т.д.).

Основными структурами данных являются данные об элементах и связях между ними, описания типовых элементов и параметров, проектные документы, данные об истории изменений по проекту. Обеспечение надежного хранения и быстрой обработки такого объема информации требует применения современной системы управления базами данных (СУБД) - MS SQL Server.

Работа с базами данных осуществляется с помощью приложения ACS Administrator [15].

Результаты и выводы

В ходе выполнения данного раздела бакалаврской работы была сформирована концепция на разрабатываемую АСУТП, сформулирована технологическая задача регулирования температуры перегретого пара, основные требования к разрабатываемой АСУТП, составлено техническое задание на систему теплового контроля, автоматическое регулирование и сигнализацию. Была разработана P&ID-диаграмма регулирования температуры перегретого пара, сквозная информационно-функциональная структура и заказная спецификация на приборы контроля и оборудования.

2. Разработка математической и имитационной модели конвективного пароперегревателя

2.1 Общая схема математической модели конвективного пароперегревателя

Построили общую схему математической модели КПП3 с сосредоточенными параметрами (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Общая схема математической модели пароперегревателя с пароохладителем.

P_п', t_п', с_п', i_п',- соответственно давление, температура, плотность энтальпия пара на входе в ПО;

P_п'', t_п'', с_п'', i_п'' - давление, температура, плотность и энтальпия пара на выходе из КПП3;

T_М, с_М, М, с_М - температура, плотность, масса, теплоемкость металла КПП2;

D_п', D_впр'', D_п'', - расход пара соответственно на входе в ПО, выходе из ПО и выходе из КПП3, кг/с;

Q_внеш - подвод теплоты от уходящих газов к металлу, Дж/с;

Q_внутр - теплота передаваемая от металла пару, Дж/с.

2.2 Составление систем уравнений для каждого из компонентов моделируемого процесса

Таблица 2.1. Исходные данные для металла [26]

Наименование величины	Обозначение	Размерность	Значение
Теплоёмкость металла	См	Дж/кг??С	522
Наружный диаметр труб	dн	м	0,032
Внутренний диаметр труб	dвн	м	0,024
Количество змеевиков	n	шт.	75
Длина змеевика	l	м	23,222
Плотность металла		кг/м3	7808
Коэффициент теплоотдачи от газов к металлу	?1	Дж/м2?с??С	53.5
Коэффициент теплоотдачи от металла к пару	?2	Дж/м2?с??С	2849.35

Таблица 2.2. Исходные данные пара [26]

Наименование величины	Обозначение	Размерность	Значение
	На входе	На выходе		На входе	На выходе
Температура	tп'	tп''	?С	537	560
Давление	РП'	РП''	Па	13850390	13725490
Расход	Dв	Dв	кг/с	22,5	25,83
Энтальпия	i1	i2	Дж/кг	3325440,8	3492384,8

Таблица 2.3. Исходные данные для впрыскиваемого конденсата [26]

Наименование величины	Обозначение	Размерность	Значение
Температура	tВПР'	?С	230
Расход	DВПР	кг/с	3,33
Энтальпия	iВПР'	Дж/кг	992912,99

Система уравнений для пара [4]:

Закон сохранения массы (ЗСМ):

Закон сохранения энергии (ЗСЭ):

Закон сохранения количества движения:

Уравнения состояния:

Система уравнений для металла:

Закон сохранения энергии:

где М_м - масса металла, кг;

с_м - теплоемкость металла, Дж/кг??С;

t_м - температура металла, ?С;

Q₁ - количество тепла, воспринимаемое металлом от газов, Дж/с;

Q₂ - количество тепла, отдаваемое металлом пару, Дж/с:

?₂ - коэффициент теплоотдачи от металла к пару, Дж/м²?с??С;

F_Н - поверхность теплообмена от уходящих газов к металлу, м²;

?₁ - коэффициент теплоотдачи от газов к металлу, Дж/м²?с??С;

F_ВН - поверхность теплообмена от металла к пару, м².

Система уравнений для впрыскиваемого конденсата:

Уравнение материального баланса:

Уравнение теплового баланса:

2.3 Расчет недостающих характеристик уравнений для статического режима

Статический режим для пара описывается следующей системой алгебраических уравнений [4]:

Решая систему нелинейных уравнений получим:

1)

2) Тогда

Следовательно, коэффициенты сопротивления пара имеют вид:

3) Плотность пара найдена из таблицы свойств воды и водяного пара:

где - средний удельный объём пара в пароперегревателе при =14 МПа и t_п''= 560 ^оС.

4) Теплоемкость пара:

- на входе в пароперегреватель

- на выходе из пароперегревателя

5) Объем пара найдем по формуле:

где l - длина змеевика, м;

n - число змеевиков, шт;

d_вн - внутренний диаметр труб, м.

6) Площади внутренней и наружной поверхностей металла

7) Масса металла равна:

Статический режим для впрыскиваемого конденсата системой следующих алгебраических уравнений:

Теплоемкость:

- пара перед впрыском

- впрыскиваемого конденсата

- пара за впрыском

2.4 Итоговая система математических уравнений для пароперегревателя

Система уравнений для впрыскиваемого конденсата:

Уравнение материального баланса:

Уравнение теплового баланса:

Система уравнений для пара:

Закон сохранения массы (ЗСМ):

Закон сохранения энергии (ЗСЭ):

Закон сохранения количества движения:

Система уравнений для металла:

Закон сохранения энергии:

2.5 Разработка имитационной модели конвективного пароперегревателя

Имитационная модель конвективного пароперегревателя была разработана в среде имитационного моделирования VisSim на основе математической модели.

Рис.2.2. Общий вид имитационной модели

Примечание: поскольку расход пара на входе и выходе КПП3 одинаков, то изменение плотности будет равняться нулю. В этом случае закон сохранения массы для пара можно исключить из модели.

Рассмотрим каждый блок модели.

Рис.2.3. Уравнения для КПП3



Рис.2.4. Уравнения закона сохранения количества движения для пара

Рис.2.5. Уравнение закона сохранения энергии для пара

Рис.2.6. Уравнение закона сохранения энергии для металла

Рис.2.7. Уравнение закона сохранения энергии для дымовых газов

Результаты и выводы

В ходе выполнения данного раздела бакалаврской работы на основе исходных данных была разработана математическая модель конвективного пароперегревателя. Затем на основе полученных систем математических уравнений была построена имитационная модель конвективного пароперегревателя в среде имитационного моделирования VisSim.

3. Методика расчета и синтез регуляторов температуры перегретого пара

3.1 Идентификация динамических характеристик по каналам объекта регулирования

Для определения передаточной функции опережающего участка объекта регулирования и передаточной функции инерционного участка объекта регулирования с модели пароперегревателя были сняты кривые разгона (рис3.1.). котел пар температура регулирование

Для снятия кривых разгона подали на 1 ступенчатое воздействие на закрытие регулирующего органа(15%ХРО) и 2 ступенчатых воздействия на открытие (10%ХРО и 5%ХРО).

Рис.3.1. График положения регулирующего органа.

Рис.3.2.График экспериментальной кривой разгона Ткпп.



Рис.3.3. График экспериментальной кривой разгона Тпо.

Затем с помощью программного комплекса «Тренд» получили соответствующие им переходные характеристики, которые с помощью ПМК «ТЕМП» были аппроксимированы (рис.3.4., рис.3.5.):

Рис.3.4. 1- Исходная переходная характеристика по основному каналу; 2- Аппроксимирующая переходная характеристика по основному каналу

Рис.3.5. 1- ...