Повышение эффективности работы парового котла ДЕ-1014-ГМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Среди паровых котлов в России одним из самых распространенных являются газомазутные вертикально-водотрубные паровые котлы ДЕ-10-14ГМ с естественной циркуляцией предназначены для выработки насыщенного или слабоперегретого пара, используемого на технологические нужды промышленных предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Данные котлы выпускаются с 1991 года и используются на многих промышленных котельных.

С появлением современных систем автоматизации котлового оборудования актуальной становится задача модернизации систем автоматики данных котлов. Внедренная еще в 90 годах прошлого века котельная автоматика кардинально не соответствует требованиям существующих на сегодняшний день СНиП и правил безопасности. Не выполняются требования контроля герметичности газовых блоков, автоматического (без участия оператора) розжига горелок котла, автоматического регулирования параметров. Как правило, все системы работают в ручном режиме, что абсолютно недопустимо по требованиям безопасности. Кроме того, ручное регулирование мощности котла и параметров горения (соотношения топливо/воздух) приводит к неэффективному использованию топлива в режимах избытка или недостатка воздуха для горения.

В условиях отсутствия надлежащей системы автоматизации происходит увеличение численности персонала, понижается точность регулируемых параметров а также надежность всей теплоэнергетической установки, что влечет за собой нарушение безопасности труда и его непроизводительность.

Объектом данной работы является паровой котел ДЕ-1014-ГМ, предназначенный для выработки пара промышленному потребителю.

Предметом исследования в данной работе является система автоматизации котла ДЕ-1014-ГМ, назначение которой заключается в:

1. Защите от аварий. Система автоматики выполняет остановку котлоагрегата в случае отклонения регулируемых параметров от заданных границ.

2. Регулирование процесса горения топлива в топке котла, которая заключается в автоматической подаче топлива в топку в зависимости от давления пара на выходе и его температуры.

3. Сигнализация персонала в случае отклонения регулируемых параметров от заданных пределов.

4. Регистрации и сборе данных о режиме работе котла и таких параметров как: уровень воды в барабане котла, расход пара на выходе из котла, температуры пара на выходе из котла.

Целью данной работы является повышение эффективности работы парового котла ДЕ-1014-ГМ.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Анализ котлоагрегата как объекта управления.

2. Разработка функциональной, структурной схемы автоматизации, выбор технических средств автоматизации.

3. Разработка принципиальной электрической схемы.

Данная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Во введении мы рассмотрели актуальность работы, описали объект и предмет автоматизации, сформулировали цели и поставили задачи для достижения этих целей. В первой главе сделали описание технологического процесса, обосновали выбор регулируемых, контролируемых и сигнализирующих величин и постановку задачи.

Во второй главе представлен эскизный проект, который состоит из разработке структурной схемы, описания САУ и анализа парового котла как объекта управления.

В третьей главе представлен технический проект, включающий в себя разработку функциональной и принципиально электрической схемы, а также выбор технических средств автоматизации и расчета АСР. В заключении подведены итоги выполнения бакалаврской работы.

1. Техническое предложение

1.1 Описание технологического процесса

Технологический процесс в паровом котле - это процесс сгорания топлива и выработки пара при нагреве воды. На рисунке 1 представлена технологическая схема котла.

Рисунок 1 - Технологическая схема котла

1-барабан; 2-топочная камера; 3-горелочное устройство; 4-первичная газовая смесь; 5-топочный экраны; 6-фестон; 7-опускные трубы; 8-нижние коллекторы; 9,10-экономайзеры; 11-трубопровод; 12-паропровод; 13-конвективный пароперегреватель, 14-пароохладитель; 15- ширмовый пароперегреватель; 16,17- воздухоподогреватели; 18- промежуточный пароперегреватель; 19- подача холодного воздуха; 20- уходящие газы; 21- радиационный пароперегреватель; 22- отводящие трубы.

Горение топлива- это процесс химического соединения горючих элементов с кислородом воздуха сопровождающийся резким повышением температуры с выделением значительного количества тепла. В результате горения образуются газообразные вещества (дымовые газы) и очаговые остатки в виде золы. Для обеспечения устойчивого горения топлива только подача значительного количества воздуха недостаточно, требуется предварительный нагрев топлива до определенного значения, эта температура называется температурой воспламенения, каждое топливо в зависимости от химического состава имеет различную температуру воспламенения.

Горение жидкого топлива происходит в основным в парогазовой среде т.е после того как в результате предварительного подогрева оно переходит из жидкого состояния в газообразное- это объясняется тем, что температура кипения жидкого топлива ниже температуры его воспламенения. Быстрота горения определяется скоростью испарения его с поверхности. Скорость испарения с поверхности резко увеличивается при распылении топлива на отдельные капли с помощью форсунок. Процесс горения газообразного топлива состоит из трех стадий:

1. Смешение горючего газа и воздуха (образование горючей смеси).

2. Нагревание его до температуры воспламенения.

3. Горение.

Коэффициент избытка воздуха- теоретическое количество воздуха рассчитываемое по формуле при подаче в топку котла для полного сгорания топлива недостаточно, это обуславливается тем, что невозможно произвести идеального смешения топлива с воздухом, поэтому вводится коэффициент избытка воздуха a, он представляет собой отношение действительного количества воздуха, необходимого для сгорания топлива к теоретически необходимому.[7, 18-20]

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, ее испарения и нагрева полученного пара.

Котельной установкой называют комплекс устройств и механизмов предназначенных для производства тепловой энергии в виде пара или горячей воды.

Обеспечить сгорание топлива и отдачу теплоты от продуктов сгорания топлива к рабочему тел, а также удалить продукты сгорания топлива; подать рабочее тело- воду, сжатую до необходимого давления, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить в пар, отделить влагу от пара, а иногда и перегреть пар, обеспечить надежную

работу всех элементов установки. Для осуществления перечисленных процессов котельная установка должна включать в себя:

1. Теплогенератор

2. Хвостовые области нагрева

3. Пароперегреватель

4. Воздухоподогреватель

5. Экономайзер

6. Горелочные устройства

Водяной пар используется для технологических нужд в промышленных предприятиях и получения электрической энергии, в сельском хозяйстве, а также для нагрева воды, направляемой для отопления, вентиляции и ГВС.

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

В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры. [8, 57-63]

Природный газ, основную горючую часть которого составляет метан СН4 (94%), по топливопроводу котла поступает в горелку и по мере выхода из нее сгорает в виде факела в топочной камере. Воздух для поддержания процесса горения подается с помощью вентилятора.

В результате непрерывного горения топлива в топочной камере образуются нагретые до высокой температуры газообразные продукты сгорания. Они омывают снаружи барабан с циркулирующей внутри водой и пароводяной смесью. Затем продукты сгорания, охлажденные в топочной камере, непрерывно двигаясь по газоходам котла, омывают вначале пучок труб пароперегревателя, затем экономайзер и воздухоподогреватель, охлаждаются и дымососом удаляются через дымовую трубу в атмосферу. [9, 43]

Питательная вода предварительно проходит через фильтры механической и химической очистки и подается в экономайзер. После подогрева в экономайзере вода подается по питательным линиям в барабан котла. Пар, образуемый в котлоагрегате, подразделяется на насыщенный и перегретый. Насыщенный пар в свою очередь делится на сухой и влажный. Так, как на теплоэлектростанциях требуется перегретый пар, то для его перегрева устанавливается пароперегреватель, в которых для перегрева пара используется тепло, полученное в результате сгорания топлива и отходящих газов. Полученный перегретый пар идет на технологические нужды.

Воздух подается в воздухоподогреватель и, подогревшись, подается в горелку для смешивания с топливом.

1.2 Описание котлоагрегата

Таблица 1- Технологические параметры котла ДЕ-1014-ГМ

Параметр	ед. изм.	min	норма	max
Производительность	т/ч	9,5	10,0	10,5
Температура перегретого пара	С	535	540	545
Давление в барабане котла	МП	1,33	1,40	1,47
Температура питательной воды после экономайзера	С	190	200	210
Расход природного газа	м/ч	237,5	250,0	262,5
Содержание О в отходящих газах	%	1,33	1,40	1,47
Температура отходящих газов	С	180,5	190,0	199,5
Давление газа перед горелками	МП	0,0475	0,0500	0,0525
Разрежение в топке	мм. вод. ст.	4,75	5,00	5,25
Уровень в барабане	мм	-100	0	+100
Расход питательной воды	м/ч		17
Давление питательной воды	МП	1,805	1,900	1,995
Рабочее (избыточное) давление теплоносителя на выходе, МПа (кгс/см2)	кгс/см2	12,3	13,0	13,7

Котёл ДЕ-10-14ГМ-О (Е-10-1,4ГМ) - паровой котёл, основными элементами которого являются верхний и нижний барабаны, топка, образованная экранированными стенками, с горелкой и пучок вертикальных труб между барабанами.

Все газомазутные котлы ДЕ имеют опорную наклонную раму, которая опирается на фундамент. На раму передается масса элементов котла и воды, обвязочного каркаса, натрубная обмуровка и обшивка. Переднее днище нижнего барабана имеет неподвижную опору, а остальные опоры скользящие. На заднем днище нижнего барабана установлен репер (указатель) для контроля теплового расширения элементов котла при работе и растопке.

Котельные агрегаты состоят из верхнего и нижнего барабанов одинаковой длины, которые соединены между собой коридорно-расположенными вертикальными изогнутыми трубами и образуют соответственно первый и второй газоходы конвективной поверхности нагрева. Продольный шаг кипятильных труб вдоль барабана 90 мм, а поперечный - 110 мм. Котлы паропроизводительностью 4; 6,5; 10 т/ч в конвективных пучках имеют продольные металлические перегородки 5 по всей высоте газохода с окном (от фронта котла) спереди, что обеспечивает разворот топочных газов в пучке на 180° и выход газов в экономайзер через заднюю стенку котла. Котлы паропроизводительностью 16 и 25 т/ч таких перегородок не имеют, и газы идут по всему сечению газохода к фронту котла, выходят из котла, а затем по газовому коробу, размещенному над топочной камерой, направляются в водяной экономайзер, расположенный в хвостовой части котла.

Для всех типоразмеров газомазутных котлов ДЕ диаметры верхнего и нижнего барабанов -1000 мм, расстояние между барабанами по осям - 2750 мм. Ширина топочной камеры всех котлов по осям экранных труб - 1790 мм, средняя высота топочной камеры - 2400 мм. Барабаны котлов изготавливают из стали 16 ГС и толщиной стенки 13 и 22 мм, соответственно для избыточного давления 13 и 23 кгс/см2. Все трубы радиационной и конвективной поверхности нагрева развальцованы в барабанах и имеют наружный диаметр 51 Ч 2,5 мм, чем достигается лучшая естественная циркуляция в контурах котла. В нижнем барабане размещены перфорированные трубы для периодической продувки и парового прогрева воды от соседних котлов при растопке, а также штуцеры для спуска воды.

Топочная камера котла находится сбоку (справа) от конвективного пучка и отделена от него слева газоплотной перегородкой 6 из труб, установленных с шагом 55 мм и сваренных между собой металлическими полосками. Концы труб газоплотного экрана 6 обсажены до38 мм, выведены в два ряда и уплотнены гребенкой, примыкающей к трубам и барабану. В задней части газоплотного экрана, на расстоянии 700 мм от задней стенки котла, имеется окно для выхода топочных газов из топки в конвективный пучок.

Подовый, правый боковой топочный экран и потолок топки согласно своей конструкции оснащаются длинными изогнутыми трубами, установленными с шагом 55 мм. Концы труб такого плана разводятся в два ряда и соединяются непосредственно с верхним и нижним барабанами на вальцовке. Нижняя часть топки выкладывается слоем огнеупорного кирпича - торкрет. Шамотный кирпич также укладывается на боковую часть нижнего барабана в топке и крепится на шпильках на боковую часть верхнего барабана в топке между газоплотным и потолочным экранами.

Вертикальные трубы заднего топочного экрана не имеют обсадных концов и приварены к нижнему и верхнему наклонным коллекторам диаметром 159 Ч 6 мм. Верхний коллектор заднего топочного экрана приварен к верхнему барабану с наклоном вниз, а нижний коллектор - к нижнему барабану с наклоном вверх. Кроме того, верхний и нижний коллекторы объединены не обогреваемой трубой диаметром 76 Ч 3,5 мм, которая замурована в шамотный кирпич обмуровки. По рециркуляционной трубе происходит сток воды из верхнего коллектора в нижний при отделении ее из пароводяной смеси. Для защиты от теплового излучения коллекторов заднего топочного экрана они снабжены двумя изогнутыми трубами, развальцованными в нижний и верхний барабаны (на схеме не показаны).

Фронтовой экран топки котлов образован четырьмя изогнутыми трубами, развальцованными в верхний и нижний барабаны, что позволяет разместить на фронтовой стене амбразуры горелки и лаз. Лаз совмещен с взрывным клапаном. (В первой серии котлов производительностью 4…10 т/ч фронтовой экран имел вертикальные трубы, приваренные к коллекторам, аналогично конструкции заднего топочного экрана). Котлы производительностью 4…10 т/ч имеют по две модернизированные горелки ГМГ или по одной ГМ, а котлы производительностью 16 и 25 т/ч - горелки ГМ-10 и ГМП-16.

Кроме того, у котлов производительностью 4…10 т/ч в топке впереди заднего топочного экрана установлены два ряда труб по шесть штук (всего двенадцать труб), которые развальцованы в верхний и нижний барабаны и являются направляющими экранами для закрутки и хода движения топочных газов из топки в кипятильный пучок труб. Котлы ДЕ производительностью 4…10 т/ч выполнены с одноступенчатым испарением, а в котлах с производительностью 16 и 25 т/ч применено двухступенчатое испарение с внутрибарабанным солевым отсеком.

У котлов ДЕ паропроизводительностью 16 и 25 т/ч в барабанах на расстоянии 1,5 м от задней стенки установлены перегородки, которые образуют чистый, расположенный в передней части котла, и солевой отсеки. В верхнем барабане перегородка установлена до середины парового пространства, а в нижнем - сплошная перегородка, отделяющая вторую ступень испарения от первой.

В качестве сепарационных устройств первой ступени испарения используются установленные в верхнем барабане щитки и козырьки, направляющие пароводяную смесь из экранных труб на уровень воды. Для выравнивания скоростей пара по всей длине барабана все котлы (всех производительностей) снабжаются верхним дырчатым пароприемным потолком. Все котлы, за исключением котлов, характеризующихся паропроизводительностью до 4 т/ч, в своем оснащении перед пароприемным потолком имеют горизонтальный жалюзийный сепаратор. Сепарационными устройствами второй ступени испарения являются продольные щитки, при помощи которых движение пароводяной смеси направляется в торец барабана к поперечной перегородке, служащей для разделения отсеков.

На котлах паропроизводительностью 4…10 т/ч периодическая продувка совмещается с трубой непрерывной продувки. На котлах 16 и 25 т/ч периодическая продувка производится из чистого и солевого отсеков, а непрерывная продувка осуществляется из солевого отсека верхнего барабана. Качество котловой (продувочной) воды нормируется по общему солесодержанию (сухому остатку) без учета абсолютной щелочности.

Для производства перегретого пара устанавливают пароперегреватель. На котлах 4…10 т/ч пароперегреватель выполнен змеевиковым из труб диаметром 32 Ч 3 мм, а на котлах 16 и 25 т/ч -двухрядным из труб 51 Ч 2,5 мм. В качестве хвостовых поверхностей нагрева применяются стандартные чугунные водяные экономайзеры ЭП 2.

Обмуровка боковых стен, общей толщиной 100 мм, выполнена натрубной и состоит из шамотобетона (25 мм) по сетке и изоляционных (асбестовермикулитовых) плит. Обмуровка фронтовой и задней стен, общей толщиной 100 мм, состоит из шамотобетона (65 мм) и изоляционных плит; для котлов производительностью 16 и 25 т/ч толщина теплоизоляционных плит 256…300 мм. Обмуровка котла снаружи покрывается металлической листовой обшивкой для уменьшения присосов воздуха в газовый тракт.

Котлы оборудованы стационарными обдувочными аппаратами, расположенными с левой стороны конвективного пучка. Обдувочная труба, с целью повышения надежности работы, выполняется из жаропрочной стали. Вращение трубы для обдувки производится вручную при помощи шкива и цепи. Для обдувки труб котла используется сухой насыщенный или перегретый пар с давлением не менее 0,7 МПа. Котлы оборудованы индивидуальным дутьевым вентилятором и дымососом.

1.3 Обоснование необходимости контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров

Регулирование питания котельных агрегатов и регулирование давления в барабане котла главным образом сводится к поддержанию материального баланса между отводом пара и подачей воды. Параметром, характеризующим баланс, является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котельного агрегата во многом определяется качеством регулирования уровня. При повышении давления, снижение уровня ниже допустимых пределов, может привести к нарушению циркуляции в экранных трубах, в результате чего произойдет повышение температуры стенок обогреваемых труб, и их пережег. [7, 69]

Повышение уровня также ведет к аварийным последствиям, так как возможен заброс воды в пароперегреватель, что вызовет выход его из строя. В связи с этим, к точности поддержания заданного уровня предъявляются очень высокие требования. Качество регулирования питания также определяется равенством подачи питательной воды. Необходимо обеспечить равномерное питание котла водой, так как частые и глубокие изменения расхода питательной воды могут вызвать значительные температурные напряжения в металле экономайзера.

Барабанам котла с естественной циркуляцией присуща значительная аккумулирующая способность, которая проявляется в переходных режимах. Если в стационарном режиме положение уровня воды в барабане котла определяется состоянием материального баланса, то в переходных режимах на положение уровня влияет большое количество возмущений. Основными из них являются изменение расхода питательной воды, изменение паросъема котла при изменении нагрузки потребителя, изменение паропроизводительности при изменении при изменении нагрузки топки, изменение температуры питательной воды. [8, 73]

Регулирование соотношения газ-воздух необходимо как чисто физически, так и экономически. Известно, что одним из важнейших процессов, происходящих в котельной установке, является процесс горения топлива. Химическая сторона горения топлива представляет собой реакцию окисления горючих элементов молекулами кислорода. Для горения используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого вентилятора. Соотношение газ-воздух примерно составляет 1.10. При недостатке воздуха в топочной камере происходит неполное сгорание топлива. Не сгоревший газ будет выбрасываться в атмосферу, что экономически и экологически не допустимо. При избытке воздуха в топочной камере будет происходить охлаждение топки, хотя газ будет сгорать полностью, но в этом случае остатки воздуха будут образовывать двуокись азота, что экологически недопустимо, так как это соединение вредно для человека и окружающей среды.

Система автоматического регулирования разряжения в топке котла сделана для поддержания топки под наддувом, то есть чтобы поддерживать постоянство разряжения (примерно 4мм. вод. ст.). При отсутствии разряжения пламя факела будет прижиматься, что приведет к обгоранию горелок и нижней части топки. Дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что делает невозможным работу обслуживающего персонала. [2, 36]

В питательной воде растворены соли, допустимое количество которых определяется нормами. В процессе парообразования эти соли остаются в котловой воде и постепенно накапливаются. Некоторые соли образуют шлам - твердое вещество, кристаллизующееся в котловой воде. Более тяжелая часть шлама скапливается в нижних частях барабана и коллекторов.

Повышение концентрации солей в котловой воде выше допустимых величин может привести к уносу их в пароперегреватель. Поэтому соли, скопившиеся в котловой воде, удаляются непрерывной продувкой, которая в данном случае автоматически не регулируется. Расчетное значение продувки парогенераторов при установившемся режиме определяется из уравнений баланса примесей к воде в парогенераторе. Таким образом, доля продувки зависит от отношения концентрации примесей в воде продувочной и питательной. Чем лучше качество питательной воды и выше допустимая концентрация примесей в воде, тем доля продувки меньше. А концентрация примесей в свою очередь зависит от доли добавочной воды, в которую входит, в частности, доля теряемой продувочной воды.

Сигнализация параметров и защиты, действующие на останов котла, физически необходимы, так как оператор или машинист котла не в силах уследить за всеми параметрами функционирующего котла. Вследствие этого может возникнуть аварийная ситуация. Например, при упуске воды из барабана, уровень воды в нем понижается, вследствие этого может быть нарушена циркуляция и вызван, пережег труб донных экранов. Сработавшая без промедления защита, предотвратит выход из строя парогенератора. При уменьшении нагрузки парогенератора, интенсивность горения в топке снижается. Горение становится неустойчивым и может прекратиться. В связи с этим предусматривается защита по погашению факела. [3, 48]

Надежность защиты в значительной мере определяется количеством, схемой включения и надежностью используемых в ней приборов. По своему действию защиты подразделяются на действующие, на останов парогенератора; снижение нагрузки парогенератора; выполняющие локальные операции.

1.4 Обзор существующих аналогов САУ

На Российском рынке несколько компаний предлагают свои системы автоматического регулирования и контроля параметров котельных установок. Рассмотрим их подробнее

1. Компания "Овен" предлагает САУ водогрейным котлом которая обеспечивает

-обеспечение безопасного технологического режима;

-снижение расходов топлива и электроэнергии;

0-увеличение срока службы технологического оборудования;

-снижение вредных выбросов в атмосферу;

-улучшение условий труда обслуживающего персонала.

2. Компания "Энтророс" предлагает САУ на базе своего микроконтроллера, которая соответствует основным современным требованиям к системам автоматического управления.

3. Молодая компания "Интеграл-Т" предлагает систему автоматического управления котлом. Она предназначена для полуавтоматического и автоматического управления паровыми и водогрейными котлами и котлооагрегатами серии ДКВР, ДЕ, КВГ, КВ-ГМ мощностью до 100 МВт

САУ от компании "Энтророс" обладает всеми современными требованиями, предъявляемых к системам, однако имеют высокую стоимость, в то время как автоматика от компании "Интеграл-Т" обладает более низкой стоимостью, но она не обеспечивает такого уровня слежения и регулирования за технологическими параметрами, а значит имеет более низкий КПД. Среди всех систем самым оптимальным вариантом является САУ предлагаемая компанией "Овен", однако она работает на основе ПЛК100, который во многом уступает предлагаемому в курсовой работе ПЛК110.Система работающая на базе ПЛК110 является не дорогой и хорошо справляется с необходимыми задачами, обладает хорошей надежностью и высоким КПД.

1.5 Постановка задачи

Рассматриваемый технологический процесс предполагает регулирование давления пара на выходе из котла, используя средства автоматизации, приборы измерения и регулирования

Задачей системы автоматического регулирования парового котла является регулирование давления пара на выходе из котла в соответствии с принятым режимным графиком. Если давление пара на выходе из котла будет ниже требуемого, тогда увеличиваем подачу газа, аналогично, при более высоком давлении, уменьшаем подачу газа с помощью регулирующего клапана.

Для решения данной задачи используем универсальный коммуникационный контроллер серии ПЛК110, представляющий собой программируемый промышленный контроллер под управлением операционной системы. Данный контроллер предназначен для организации взаимодействия между оборудованием, имеющим различные интерфейсы и протоколы связи. Использование коммуникационных контроллеров позволяет решить требуемые задачи с использованием минимальных трудовых ресурсов.

2. Эскизный проект

2.1 Структура системы управления

Первый уровень представляет собой совокупность первичных измерительных преобразователей и исполнительных механизмов подключенных к контроллеру ОВЕН ПЛК110.

Второй уровень состоит из компьютера, промышленного исполнения с установленным на нём программным обеспечением. Верхний уровень реализован на базе персональных ЭВМ (ПЭВМ) под управлением современных операционных систем. ПЭВМ совместно со SCADA-системами, образуют современные мощные автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов технологического процесса.

Передача данных между верхними и нижним уровнем АСУ ТП происходит с помощью сетей стандарта EtherNet.

Использование сети EtherNet позволяет подключать к системе дополнительные АРМ, размещённые на удалённых ПЭВМ.

На верхнем уровне АСУ ТП решаются следующие задачи:

-отображение, автоматическую регистрацию и архивирование текущей информации о технологических параметрах, состоянии оборудования;

-дискретное (логическое) управление;

-дистанционное управление исполнительными механизмами запорных и регулирующих органов;

-технологическая защита;

-технологическое конфигурирование.

В операторном зале расположена ЭВМ и операторский пульт для управления технологическим процессом. АРМ оператора имеет следующие устройства ввода/вывода:

-Клавиатура

-Манипулятор

-Монитор

-Принтер

2.2 Техническое обеспечение системы управления

В предлагаемой автоматической системе регулирования основой является программируемый логический контроллер ПЛК110.

Преимущества решения:

-Новый эргономичный контроллер с мощными вычислительными ресурсами.

-Опрашивает счетчики и энкодеры с частотой до 100 КГц и управляет в импульсном режиме сервоприводами и шаговыми двигателями.

-Ведение архива работы оборудования или работа по заранее оговоренным сценариям при подключении к контроллеру USB Flash карт.

-Простое и удобное программирование в системе CODESYS v.2 и CODESYS v.3* через порты USB Device и Ethernet.

-Включение в сети верхнего уровня с использованием Ethernet или GSM-сетей (GPRS).

-4 последовательных порта (RS-232, RS-485) для:

- увеличения количества входов-выходов;

- управления частотными преобразователями;

- подключения панелей операторов, GSM-модемов, считывателей штрихкодов и т.д.

-Невысокая цена для устройств подобного уровня.

-Широкий выбор модификаций для конкретной задачи (питание 220 В и 24 В).

Оптимально для построения распределенных систем управления и диспетчеризации с использованием как проводных, так и беспроводных технологий.

ОВЕН ПЛК110 выполнены в полном соответствии со стандартом ГОСТ Р 51840-2001 (IEC 61131-2), что обеспечивает высокую аппаратную надежность. По электромагнитной совместимости контроллеры соответствуют классу А по ГОСТ Р 51522-99 (МЭК 61326-1-97) и ГОСТ Р 51841-2001, что подтверждено неоднократными испытаниями изделия. Вычислительные ресурсы. В контроллере изначально заложены мощные вычислительные ресурсы при отсутствии операционной системы: высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM9, с частотой 200МГц компании Atmel; большой объем оперативной памяти - 8МБ; большой объем постоянной памяти - Flash память, 4МБ; объем энергонезависимой памяти, для хранения значений переменных - до 16КБ; время цикла по умолчанию составляет 1мс при 50 логических операциях, при отсутствии сетевого обмена. Дополнительно

Широкие возможности самодиагностики контроллера. Встроенный аккумулятор, позволяющий "пережидать" пропадание питания - выполнять программу при пропадании питания, и переводить выходные элементы в "безопасное состояние". Время "пережидания" настраивается пользователем при создании проекта. Встроенные часы реального времени. Возможность создавать и сохранять архивы на Flash контроллера. Условия эксплуатации. Расширенный температурный рабочий диапазон окружающего воздуха: от минус 10 °С до +50 °С. Закрытые взрывобезопасные помещения или шкафы электрооборудования без агрессивных паров и газов. Верхний предел относительной влажности воздуха - 80 % при 25 °С и более низких температурах без конденсации влаги.

Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа. По устойчивости к климатическим воздействиям при эксплуатации ПЛК110 соответствует группе исполнения В4 по ГОСТ 12997-84. По устойчивости к механическим воздействиям при эксплуатации ПЛК110 соответствует группе исполнения N2 по ГОСТ 12997. По устойчивости к воспламенению и распространению пламени FV1 корпус контроллера соответствует ГОСТ Р 51841, разделу 6. Конструктивные особенности. Контроллеры выполнены в компактном DIN-реечном корпусе. Габаритные и установочные размеры отличаются в зависимости от модификации, и приведены в конце раздела. Расширение количества точек ввода-вывода осуществляется путем подключения внешних модулей ввода-вывода по любому из встроенных интерфейсов.

Для измерения и учета технологических параметров используются следующие измерительные преобразователи:

1. Регулирование и контроль уровня воды в барабане котла - ПД 200-ДД.

2. Регулирование и контроль разряжения в топке котла - АДН-1.4.1.

3. Регулирование и контроль давления газа перед горелкой - SIEMENS QRA 73.

4. Контроль давления пара на выходе из котла - ПД100-ДИ.

5. Контроль температуры пара, уходящих газов - ДРТ-1.

6. Учет расхода пара, жидкости - МЕТРАН (150).

7. Давление пара в барабане котла - Метран - 22.

2.3 Предлагаемые системы контроля, регулирования, блокировки

Паровой котел является сложным объектом автоматического регулирования с большим числом регулируемых параметров и регулирующих воздействий. В топку котла подаются топливо и воздух, а отсасываются дымовые газы; в барабан котла подается питательная вода, а отбирается насыщенный пар.

Задача регулирования состоит в том, чтобы поддерживать требуемые условия протекания процесса, восстанавливая их каждый раз, когда они нарушаются. Непрерывно протекающие технологические процессы, как правило регулируются автоматическим регулятором. Объект в котором протекает регулируемый процесс, принято называть регулируемым объектом(объектом регулирования).

Автоматизацией называется управление и контроль технологического процесса без непосредственного участия производственного персонала. Автоматизация котельного оборудования может быть частичная и полная (комплексная). При частичной автоматизации автоматизируются отдельные участки производства и узлы оборудования; при комплексной автоматизируется весь технологический цикл или процесс, все технологическое оборудование.

Автоматизация котлоагрегата включает: автоматическую технологическую сигнализацию отклонений рабочих параметров; автоматическую защиту и блокировку; дистанционное управление и контроль; автоматическое управление и регулирование.

Регулирование процессов, протекающих в паровом котле, можно разбить на следующие контуры:

1. Регулирование давления пара на выходе из котла.

В каждый момент времени в топке котла должно сгорать столько топлива, чтобы количество пара, вырабатываемое котельным агрегатом, соответствовало количеству потребляемого пара, т.е. внешней нагрузке котла. Показателем такого соответствия является давление пара на выходе котла. Если при сгорании топлива выделяется больше тепла, чем это необходимо для производства потребляемого количества пара, то излишнее тепло аккумулируется в котле, что приводит к росту давления. Наоборот, если топливо подается в недостаточном количестве, то потребность в паре покрывается частично за счет тепла, аккумулированного в котловой воде, а давление пара при этом падает. Таким образом, подача топлива должна производиться так, чтобы обеспечить постоянное давление пара на выходе котла. Регулирующее воздействие осуществляется за счет изменения положения клапана на линии топливоподачи, снабженного электроприводом.

2. Регулирование подачи воздуха по концентрации О2 и СО в дымовых газах.

Подача воздуха в топку обеспечивает наиболее экономичный режим горения топлива. При недостатке воздуха происходит неполное сгорание топлива и образуется вредное для человека и окружающей среды соединение СО.

При избытке воздуха газ сгорает полностью, но в этом случае, часть полученного тепла идет на нагрев не вступившего в реакцию кислорода, что экономически недопустимо.

Поэтому необходимо поддерживать соответствие между количеством подаваемого топлива и количеством воздуха. Регулирующее воздействие осуществляется подачей сигнала на изменение положения направляющего аппарата вентилятора.

3. Регулирование уровня воды в барабане котла.

Параметром, характеризующим баланс между отводом пара и подачей воды в котел, является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котла во многом определяется качеством регулирования уровня. При снижении уровня ниже допустимого предела происходит нарушение циркуляции в экранных трубах, в результате чего повышается температура стенок обогреваемых труб и происходит их пережег. Чрезмерное повышение уровня может привести к снижению эффективности внутрибарабанных сепарационных устройств.

Регулирующее воздействие осуществляется на изменение расхода питательной воды.

Технологические блокировки выполняют в заданной последовательности ряд операций при пусках и остановках механизмов парогенераторной установки, а так же в случаях срабатывания технологической защиты. Блокировки исключают неправильные операции при обслуживании парогенераторной установки, обеспечивают отключение в необходимой последовательности оборудования при возникновении аварии.

Устройства технологической сигнализации информируют дежурный персонал о состоянии оборудования (в работе, остановлено и т.п.), предупреждают о приближении параметра к опасному значению, сообщают о возникновении аварийного состояния парогенератора и его оборудования. Применяются звуковая и световая сигнализация.

Блокировки обеспечивают защиту котла, обеспечивая отсечку топлива при исчезновении напряжения питания и при отклонении технологических параметров от нормы:

-при погасании факела горелки;

-при повышении/понижении уровня воды в барабане котла выше/ниже нормы;

-при понижении разряжения в топке;

-при повышении давления пара в барабане котла;

-при понижении давления газа перед горелкой.

2.4 Анализ парового котла де-1014-гм как объекта управления и выбор структуры системы регулирования

Был сделан анализ парового котла ДЕ-1014-ГМ, в соответствии с рисунком 2. На основании анализа были выбраны регулирующие, регулируемые и возмущающие воздействия.

Рисунок 2 - Анализ парового котла ДЕ-1014-ГМ как объекта управления

Для расчета выбираем каскадную АСР регулирования давления пара на выходе из котла, с возмущением по каналу расхода пара.

3. Технический проект

3.1 Разработка и описание функциональной схемы автоматизации

Руководствуясь ГОСТом 21.404-85 была разработана функциональная схема автоматизации парового котла ДЕ-1014-ГМ, которая соответствует общим требованиям предъявляемым при разработки данных систем автоматики.

Функциональная схема - это основной технический документ, разъясняющий процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях установки. Функциональная схема является поясняющим материалом отдельных видов процессов, протекающих в целостных функциональных блоках и цепях устройства..

Для эффективного регулирования давления на выходе из котла разработана каскадная автоматическая система регулирования. В отличие от одноконтурных АСР, предлагаемая система является менее инерционной, за счет установленного датчика давления в барабане котла, что позволяет системе быстрее реагировать на изменение нагрузки, подавая сигнал регулирующему клапану, установленному на подаче топлива. Датчик измеряет давление на выходе из котла, преобразованный сигнал поступает на регулятор 1-2. Данные о давлении в барабане котла поступают на регулятор 2-3. После регуляторов сигналы обрабатываются контроллером, и через переключатель электрических цепей управляющее воздействие с контроллера поступает на исполнительный механизм 2-5.

Контур контроля разряжения в топке котла

Для поддержания разрежения в топке котла реализована одноконтурная автоматическая система регулирования. Регулятор реализован в контроллере программным путем. Значение разрежения в топке котла измеряется датчиком разрежения поз. 3-1. Сигнал с датчика поступает через устройство ввода на регулятор поз. 3-2. Регулятор поз. 3-2 вырабатывает управляющее воздействие, которое с выхода контроллера поступает на исполнительный механизм поз.3-5. Измерительные сигналы с контроллера подаются для индикации на монитор ЭВМ.

Для поддержания высокого КПД котельной установки и уменьшения выброса вредных веществ необходимо, чтобы коэффициент избытка воздуха был оптимальным. Для этого разработана каскадная АСР. Газоанализатор 4-1 получает информацию о составе уходящих газов и через дистанционную передачу передает ее на регулятор 4-3. Датчик расхода 5-1 получает информацию о расходе воздуха и передает ее на регулятор 5-3. С регуляторов данные обрабатываются контроллером и на исполнительный механизм 5-7 подается управляющее воздействие для поддержания необходимого баланса.

Для поддержания постоянного уровня воды в барабане котла разработана одноконтурная АСР. Данные с уровнемера 6-1 через электропередачу поступают на регулятор, обрабатываются и поступают на исполнительный механизм 6-6. Данная АСР позволяет поддерживать требуемый уровень в барабане котла и не допускает отклонения величины от допустимого диапазона.

В котле также имеется ряд сигнализаций, который прекращает подачу газа, воздуха, воды и откачку дымовых газов в ряде случаев. Если давления газа ниже критического значения. Если давление воздуха не соответствует заданному значению. Если уровень воды в барабане котла ниже минимального уровня или выше максимального уровня. Если отсутствует наличие пламени в топке.

Если давление пара на выходе котла не соответствует заданному значению. Если отсутствует разряжение в топке. Контуром регулирования, для автоматизации в данной курсовой работе, выбран контур регулирования давления пара на выходе котла, за счёт регулирования подачи газа и питательной воды.

3.2 Выбор технических средств автоматизации

3.2.1 Программируемые логический контроллер ОВЕН ПЛК 110

Контроль и регулирование технологических параметров осуществляется при помощи сбора информации и управления с помощью контроллера ОВЕН ПЛК110.

Коммуникационные контроллеры ОВЕН ПЛК110 предназначены для создания систем автоматического управления технологическим оборудованием в энергетике, на ж/д транспорте, в различных областях промышленности, жилищно-коммунального и сельского хозяйства. Контроллеры также предназначены для создания АСКУЭ, в качестве устройства сопряжения оборудования с различными протоколами и интерфейсами передачи данных.

Рисунок 3 - ПЛК 110

Основными функциями прибора ОВЕН ПЛК 110 являются:

- Надежная среда программирования CoDeSys поставляется бесплатно, CD с дистрибутивом входит в комплект поставки

- Встроенные интерфейсы RS 232, RS 485, Ethernet10/100 Мbit и USB - Device

- Протоколы ОВЕН, ModBus RTU, ModBus ASCII, DCON, ModBus-TCP, Gateway

- Существует возможность применения коэффициента масштабирования

- 60 дискретных точек ввода / вывода у ПЛК 110-60

- Библиотека функциональных блоков, поставляемая бесплатно:

- разработка ОВЕН: ПИД- регулятор с автоматической настройкой, блок управления 3-х позиционными задвижками - стандартная библиотека CoDeSys

- Возможность расширения путем подключения модулей ввода/вывода

- Встроенные часы реального времени

- Аккумуляторный источник резервного питания встроенный

- Конструктивное исполнение - компактное

Основные характеристики ПЛК 110 приведены в соответствии с таблицей 3.

Таблица 3 - Характеристики ПЛК 110

Наименование	Значение
Назначение	Программируемый Логический Контроллер
Кол-во каналов DI(из них быстродействующих)	36 (4)
Кол-во каналов DQ(из них быстродействующих)	24 (4)
Тип DQ	Транзисторный,n-p-n
Порты RS-485	2
Порты RS-232	2 (1 из которых RS-232 debug)
Порт Ethernet	1
Порт USB	1
Протоколы передачи данных	Modbus-ASCII/RTU/TCP, Овен, DCON, GateWay

Область применения: для создания средних и малых систем автоматизации в пищевой, упаковочной промышленности, линий розлива/дозирования, систем "Умный дом" и т.д. Общие сведения о Овен ПЛК110 приведены в соответствии с таблицей 4.

Таблица 4 - Общие сведения

Свойство	Значение
Габаритные размеры	208 ґ 110 ґ 73 мм
Степень защиты корпуса	IP20 со сторон передней панели, IP00 со стороны клемм
Индикация на передней панели	Светодиодная

Условия эксплуатации прибора ОВЕН ПЛК 110 являются:

Контроллер ПЛК110 эксплуатируется при следующих условиях:

1. Закрытые взрывобезопасные помещения или шкафы электрооборудования без агрессивных паров и газов

2. Температура окружающего воздуха от минус 10 до +50 °С

3. Верхний предел относительной влажности воздуха - 80 % при 25°С (Для контроля и регулирования влажности воздуха в помещениях, где будет эксплуатироваться программируемый контроллер, рекомендуется применять датчики влажности Galltec Mela )

4. Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.

По устойчивости к климатическим воздействиям при эксплуатации ПЛК110 соответствует группе исполнения В4 в соответствии с ГОСТ 12997-84. По устойчивости к механическим воздействиям при эксплуатации ПЛК110 соответствует группе исполнения N2 в соответствии с ГОСТ 12997-84.

К ПЛК 110 предлагается линейка модулей ввода/вывода в новых компактных корпусах.

-Модули аналогового ввода

-Модули аналогового вывода

-Модули аналогового ввода/вывода

Новый эргономичный контроллер с мощными вычислительными ресурсами.

- Опрашивает счетчики и энкодеры с частотой до 100 КГц и управляет в импульсном режиме сервоприводами и шаговыми двигателями.

- Ведение архива работы оборудования или работа по заранее оговоренным сценариям при подключении к контроллеру USB Flash карт.

- Простое и удобное программирование в системе CODESYS v.2 и CODESYS v.3* через порты USB Device и Ethernet.

- Включение в сети верхнего уровня с использованием Ethernet или GSM-сетей (GPRS).

4 последовательных порта (RS-232, RS-485) для:

- увеличения количества входов-выходов;

- управления частотными преобразователями;

- подключения панелей операторов, GSM-модемов, считывателей штрих-кодов и т.д.

- Невысокая цена для устройств подобного уровня.

- Широкий выбор модификаций для конкретной задачи (питание 220 В и 24 В).

Программируемые логические контроллеры ОВЕН ПЛК110-60 выполнены в полном соответствии со стандартом ГОСТ Р 51840-2001 (IEC 61131-2), что обеспечивает высокую аппаратную надежность.

По электромагнитной совместимости контроллеры ОВЕН ПЛК110-60 соответствуют классу А по ГОСТ Р 51522-99 (МЭК 61326-1-97) и ГОСТ Р 51841-2001, что подтверждено неоднократными испытаниями изделия.

В контроллере изначально заложены мощные вычислительные ресурсы при отсутствии операционной системы:

1. Высокопроизводительный процессор RISC архитектуры ARM9, с частотой 200МГц компании Atmel;

2. Большой объем оперативной памяти - 8МБ;

3. Большой объем постоянной памяти - Flash память, 4МБ;

4. Объем энергонезависимой памяти, для хранения значений переменных - до 16КБ;

Все контроллеры данной линейки имеют большое количество интерфейсов на борту, работающих независимо друг от друга:

- Ethernet 10/100 Mbps;

- До трех последовательных портов;

- USB Device для программирования контроллера.

Так же в контроллерах данной линейки поддержана возможность работы по любому нестандартному протоколу по любому из портов, что позволяет подключать устройства с нестандартным протоколом (электро-, газо-, водосчетчики, считыватели штрих - кодов и т.д.).

Дополнительные характеристики ПЛК110-60

Широкие возможности самодиагностики контроллера.

Встроенный аккумулятор, позволяющий "пережидать" пропадание питания - выполнять программу при пропадании питания, и переводить выходные элементы в "безопасное состояние". Время "пережидания" настраивается пользователем при создании проекта.

Встроенные часы реального времени.

Возможность создавать и сохранять архивы на Flash контроллера.

Программирование

Программирование контроллеров осуществляется в профессиональной, распространенной среде CoDeSys v.2.3.x, максимально соответствующей стандарту МЭК 61131:

- поддержка 5 языков программирования, для специалистов любой отрасли;

- мощное средство разработки и отладки комплексных проектов автоматизации на базе контроллеров;

- количество логических операций ограничивается только количеством свободной памяти контроллера;

- практически неограниченное количество используемых в проекте счетчиков, триггеров, генераторов.

Перед использованием контроллер ПЛК110 необходимо запрограммировать, т.е. создать пользовательскую программу.



Рисунок 4 - Схема подключения контактных датчиков к входам ПЛК110

Рисунок 5 - Схема расположения и назначение клемм на ПЛК110-220.60.Р

После создания пользовательская программа может быть сохранена в энергонезависимой Flash-памяти контроллера и запускаться на выполнение после включения питания. Программирование осуществляется с помощью ПО CoDeSys 2.3 (версии 2.3.9.9). Для связи со средой программирования CoDeSys может использоваться один из интерфейсов контроллера: RS-232-Debug, USB-Device или Ethernet.

По способу защиты от поражения электрическим током контроллер ПЛК110 соответствует классу II по ГОСТ 12.2.007.0-75. 5.2 При эксплуатации и техническом обслуживании необходимо соблюдать требования ГОСТ 12.3.019-80, "Правил эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правил охраны труда при эксплуатации электроустановок потребителей". Открытые контакты клемм контроллера при эксплуатации находятся под напряжением величиной до 250 В. Любые подключения к контроллеру и работы по его техническому обслуживанию производятся только при отключенном питании контроллера и подключенных исполнительных механизмов. Не допускается попадание влаги на контакты выходных соединителей и внутренние элементы контроллера. Запрещается использование контроллера при наличии в атмосфере кислот, щелочей, масел и иных агрессивных веществ. Подключение, регулировка и техническое обслуживание контроллера ПЛК110 должны производиться только квалифицированными специалистами, изучившими настоящее руководство по эксплуатации.

При монтаже контроллеров необходимо учитывать меры безопасности. При монтаже для контроллера предварительно подготавливается место в шкафу электрооборудования. Конструкция шкафа должна обеспечивать защиту контроллера от попадания в него влаги, грязи и посторонних предметов. Контроллер закрепляется на DIN-рейку или внутреннюю стену шкафа защелками вниз.

Установка контроллеров на DIN-рейке осуществляется в следующей последовательности: 1. Производится подготовка на DIN-рейке места для установки контроллера в соответствии с размерами. 2. Контроллер устанавливается на DIN-рейку 3. Контроллер с усилием прижимается к DIN-рейке 4. Для съема контроллера с DIN-рейки в проушину защелки вставляется острие отвертки, и защелка отжимается, после чего контроллер отводится от DIN-рейки. При съеме ПЛК110-60 две защелки отжимаются одновременно.

Подключение осуществляется стандартным кабелем КС2 "ПЛК-Панель" (не входит в комплект поставки, приобретается отдельно), кабелем для программирования (кабель КС1 из комплекта поставки) или кабелем, изготовленным по схеме. Подключение необходимо производить при отключенном напряжении питания контроллера и подключаемого устройства. Длина кабеля не должна превышать трех метров. Порт Debug RS-232 в основном предназначен для программирования ПЛК через СОМ порт ПК. В случае необходимости подключения к порту Debug RS-232 иных устройств, имеющих выходной интерфейс RS-232C, необходимо воспользоваться кабелем КС2 "ПЛК-Панель" (не 37 38 входит в комплект поставки, приобретается отдельно) или кабелем, самостоятельно изготовленным. Порт Debug RS-232 может работать в двух режимах (зависящих от типа используемого кабеля): - для кабеля КС1 порт работает в режиме обмена по протоколу Gateway; - для других кабелей порт работает в стандартном режиме. Определение (детектирование) режима работы порта осуществляется при включении питания ПЛК.

Подключение модема к контроллеру осуществляется через последовательный порт Debug RS-232 или через порт RS-232 с помощью кабеля КС3 "ПЛК-Модем" (не входит в комплект поставки, приобретается отдельно). На кабеле КС3 "ПЛК-Модем" необходимо установить переключатель в положение "ON", если ПЛК110 будет использоваться для связи со средой CoDeSys, и в положение "OFF" в случае работы по остальным протоколам. Подключение к интерфейсу Ethernet выполняется восьмижильным кабелем "витая пара". На кабель устанавливаются оконечные соединители без экрана. Ответная часть кабеля подключается к Ethernet-концентратору, к сетевой плате ПК или к иному оборудованию. При подключении к концентратору используется стандартный (прямой) кабель, согласно EIA/TIA-568A, при подключении к сетевой плате или к иному оборудованию используется кабель Up-Link

3.2.2 Преобразователь давления ОВЕН ПД100

Для измерения давления пара на выходе из котла используем датчик ОВЕН ПД100 модели 115, изображенный на рисунке 6.

Датчики ОВЕН ПД100 модели 115 представляют собой преобразователи давления с измерительной мембраной из нержавеющей стали и "полевым корпусом" с кабельным вводом под гибкий кабель 6 - 8 мм.

Данная модель характеризуется повышенной устойчивостью к эксплуатации в тяжелых условиях (в условиях Крайнего Севера и т.п.) и наличием взрывозащищенного исполнения 1ExdIICT6Gb.

Преобразователи предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами.

...