Система автоматизации управления процессом приготовления горячей воды в котельной на более современную

ВВЕДЕНИЕ

По уровню автоматизации теплоэнергетика занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой и электрической энергии в любой момент времени должна соответствовать потреблению(нагрузке). Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро. Так же, в данное время в экономике наблюдается тенденция, при которой играет одну из ведущих ролей в управлении производством продукции и ее следующей реализации. Этим объясняется высокое развитие автоматизации в тепловой энергетике.

В котельной установке, представляющей собой совокупность устройств и механизмов для сжигания топлива и получения пара, получают горячую воду или водяной пар, соответствующего давления и температуры. Котельная установка состоит из одного или нескольких рабочих и резервных котельных агрегатов и вспомогательного оборудования, размещаемого в пределах котельного цеха или вне его. Одна из основных оставляющих в современных котельных установках является водогрейным котлом. Водогрейным котлом считается устройство, обогреваемое продуктами сгорания топлива или горячими газами, и служащее для подогрева воды, используемой в качестве теплоносителя.  Они могут применяться как для отопления зданий (в системах центрального отопления), так и для приготовления горячей воды и подачи ее к месту потребления для технологических целей, для хозяйственных и бытовых нужд (в системах горячего водоснабжения).

		Спрос на газовые водогрейные котлы на российском рынке сегодня достаточно высок. Объясняется это многими причинами, главной из которых, пожалуй, является экономичность подобных отопительных устройств, что немаловажно в условиях перманентного роста цен на энергоносители.

		При автоматизации котельной автоматизируются все основные и вспомогательные технологические процессы. Это ведет к освобождению обслуживающего персонала от необходимости регулировать эти процессы вручную. Внедрение специальных автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха. Эксплуатация котлов должна обеспечивать надежную и эффективную выработку пара требуемых параметров и безопасные условия труда персонала. Для выполнения этих требований эксплуатация должна вестись в точном соответствии с законоположениями, правилами, нормами и руководящими указаниями, в частности, в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов» Госгортехнадзора, «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей», «Правилами технической эксплуатации теплоиспользующих установок и тепловых сетей» и др.

	Но даже такой  современный котел во многом зависит от параметров настроек регулирующего устройства.  Чтобы добиться желаемого качественного управления нагревания воды в котле, быстрой работоспособности, и моментальной отработки поступаемого сигнала на исполнительный механизм необходимо внедрять новые технологии, такие как микропроцессор. Это будет способствовать рациональному использованию энергоресурсов и сбалансированной работе системы, уменьшению аварийных ситуаций из-за человеческого фактора, быстрой окупаемости оборудования. 

	

	

	

	

	

	

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

	Глава I. Описание технологического процесса нагрева теплоносителя. Ознакомление с характеристиками водогрейного котла и элементами системы автоматизации, установленными до модернизации.

1.1 Описание технологического процесса. Технологическая схема

В котельной малой мощности ПАО «МОЭК» установлены три  котла типа UnicalEllplex 420 , каждый мощностью по 1,75 МВт или 1,5 Гкал/ч, предназначенные для выработки горячей воды, температурой 95 °С в сетевой линии.

В шкафной распределительный пункт топливо (газ) поступает в горелочное устройство. Воздух поступает в горелку при помощи дутьевого вентилятора. В системе происходит смешивания газа и воздуха, получая газо-воздушную смесь. Затем по соответствующей программе происходит розжиг котла: напряжение поступает на трансформатор зажигания, а затем на контрольный электрод запальника. Затем включается клапан « большого горения » и от запальника зажигается основная горелка. Вода в котле начинает подогреваться. Подогретая вода по котловой линии поступает в теплообменник, где происходит передача тепловой энергии, подогревая сетевую воду, которая идет на технологические нужды и на отопления предприятия.

Вода пред тем как попасть в котёл проходит несколько стадий - это водоподготовку и химводоочистку. Очистка обеспечивает работу котлов, трубопроводов и теплообменников без образования в них отложений и шлама, а также полное отсутствие любых видов коррозии. Это достигается путем: 

- умягчением воды на Na-катионитовых фильтрах, где удаляются ионы Са и Mg дающие основной компонент отложения - твердую трудноудаляемую накипь; 

-осветлением и обезжелезиванием воды на осветлительных фильтрах, где удаляются взвешенные вещества, механические примеси и соединения железа, дающие рыхлые отложения и шлам;

-введением в подпиточную воду контуров сернистого натрия Na2S03 для связывания кислорода и предотвращения кислородной коррозии.



Рисунок 1.1Технологическая схема

Топливом является газ, который подаётся с газораспределительного

пункта.

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

-процесс горения топлива;

-процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой.





Рисунок 1.2 Схема обвязки котельного агрегата 


Горение топлива является сплошным физико-химическим процессом. Химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его горючих элементов кислородом, проходящий при определённой температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива. Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: сжигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.

Значение теплоотдачи заключается в теплопередачи тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива, воде, которую следует нагреть. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит циркуляция воды, а снаружи они омываются горючими топочными газами. Количество тепла, передаваемое через единицу площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Величина напряжения ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю. Интенсивность коэффициента теплопередачи зависит от разности температур теплоносителей, от площади поверхности нагрева. Также нагрев воды зависит от скорости её протекания относительно поверхности нагрева.



1.2 Перечень проводимых технологических операций: 

А) Подготовительные работы по пуску котельной

Если котельная пускается в работу после полного останова, то необходимо:

- не входя в котельную, если пуск в темное время, включить у входа взрывобезопасное освещение, открыть дверь и определить по запаху, нет ли газа в помещении;

- проверить состояние приточно-вытяжной вентиляции, открыть для проветривания двери котельной;

- убедившись в отсутствии газа в помещении, включить основное освещение;

- проверить записи в журнале и наличие письменного распоряжения на растопку котлов, которое должен сделать ответственный за газовое хозяйство котельной;

- проверить состояние газового оборудования котельной: вся арматура должна быть закрытой, а свечи открытыми;

- вызвать работников предприятия обслуживающего газовое хозяйство для снятия заглушки с газопровода, пуска газа в котельную и запуска ГРУ;

- произвести внешний осмотр котла и его вспомогательного оборудования, убедится в отсутствии заглушек и окончании ремонтных работ. Убрать посторонние предметы;

- произвести заполнение внутренних контуров котлов и теплотрассы химочищеной водой;

- при достижении во внутренних контурах котлов давления 2 атм., а в обратном трубопроводе теплосети давления 1 кгс/см.2 включить насосы внутренних контуров и теплосети. Спустить воздух из внутренних контуров и теплосети черезвоздушники и воздухосборники. Добиться устойчивого гидравлического режима внутренних контуров котлов и теплосети;

- проверить работу ГРУ на свечу, давление газа до и после ГРУ. Проверить отсутствие утечек газа в ГРУ, на всем оборудовании и трубопроводах котельной;

- проверить положение трехходовых кранов манометров;

- вызвать слесаря КИПиА для включения в работу систем автоматизации котельной;

 - проверить автоматику безопасности котлов в соответствии с инструкцией, с записью в журнал.

Б) Розжиг котла

Розжиг котла допускается только после выполнения в полном объеме подготовительных работ по пуску котельной и при наличии письменного распоряжения ответственного за газовое хозяйство котельной.

Произвести опрессовку ручных газовых кранов в следующей последовательности :

- закрыть свечу, давление на манометре не должно подниматься. Если давление поднимается, значит не герметичен кран № 1. Вызвать работников предприятия обслуживающего газопровод котельной для восстановления герметичности крана;

- приоткрыть кран №1, на манометре появится давление. Закрыть кран №1. Давление на манометре не должен падать. Если давление падает - значит не герметичен кран №2 или свеча. Принять меры к восстановлению герметичности. Растопка котла с негерметичными кранами запрещается.

- Открыть газовый кран на опуске к котлу и через открытую свечу в течение 10 минут произвести продувку газопровода. Открыть газовый кран перед фильтром.

- Включить верхний клавишный выключатель на корпусе горелки. Далее растопка котла будет производиться автоматически. Диспетчер обязан четко представлять и контролировать процесс растопки и в случае неправильной работы автоматики остановить котел.

Растопка проводится в следующей последовательности.:

- производится опрессовка газовых клапанов(при положительном результате опрессовки включится вентилятор, открывается в положение большого горения воздушный шибер и происходит вентиляция топки);

- закрывается воздушный шибер горелки в растопочное положение;

- открываются газовые клапаны, и загорается горелка;

- после 30 с. прогрева котла регулировка мощности горелки будет производиться автоматически в зависимости от выбранного положения выключателей на корпусе горелки.

Если во время растопки котла диспетчер заметит отклонения в работе программы розжига или какие-либо другие непонятные явления, то он обязан немедленно прекратить растопку котла и сообщить об этом лицу ответственному за газовое хозяйство котельной. Повторить розжиг котла разрешается производить только после устранения неисправностей лицам, производящим техобслуживание котла и автоматики безопасности.

- Сделать запись в журнале о растопке котла.

В) Нормальная эксплуатация котла

Во время работы котла оператор или персонал диспетчерской службы обязан производить обходы котельной с периодичностью утвержденной администрацией предприятия- владельца котельной. 

При этом должнывыполняться следующие работы:

-внешний осмотр оборудования котельной, средств и приборов КИПиА;

-контроль работы котлов в соответствии с режимной картой;

-устранение обнаруженных неисправностей. Если обнаруженную неисправность оператор не может устранить своими силами, то необходимо поставить в известность ответственного за котельную и сделать соответствующую запись в журнале;

- контроль температуры воды в теплой сети на соответствие температурному графику или полученным указаниям;

- визуальный контроль процесса горения топлива в топке и по выходящим из дымовой трубы газам;

- визуальный контроль плотности газовых трактов и газоходов котлов;

- запись параметров работы оборудования с периодичностью установленной администрацией в ведомости показаний манометров путем установки их «0» один раз в смену;

- поддерживать температуру на входе в котлы не ниже 53 °С, а на выходе - не ниже 60 °С.

Г) Остановка котла

Плановой останов котла производится по письменному распоряжению начальника котельной. Клавиши управления горелкой переводятся в положение «0». При этом закрываются топливные клапана, и останавливается вентилятор горелки. Оператор обязан убедиться, что горение в топке прекратилось. Далее следует закрыть краны на опуске к котлу и перед горелкой, открыть свечу безопасности. После выполнения всех мероприятий по остановке котла сделать запись в журнале с указанием причин остановки и выполненных работ. Сливать воду из котла (при необходимости) следует при температуре не выше 70 °С.

Д) Аварийная остановка котла

Котлы должны быть аварийно остановлены оператором в следующих случаях:

- срабатывание автоматики безопасности;

- при достижении контролируемыми параметрами аварийных значений и отказе автоматики безопасности;

- при обнаружении неисправностей предохранительных клапанов;

- при прекращении действия всех насосов, осуществляющих циркуляцию воды через котел;

- при обнаружении трещин, выпучен, пропусков в сварных швах, обрывов анкерных связей, появлении течей в трубопроводах и элементах котла;

- при исчезновении напряжения на всех КИПиА и устройствах дистанционного управления;

 - при возникновении пожара в котельной, угрожающего оборудованию и персоналу.

Аварийный останов котла производится путем перевода клавиш управления горелкой в положение «0». Закрываются оба газовых крана, отключается выключатель электропитания котла на электрощите котельной. При необходимости закрывается водяная арматура котла (при утечках).

Делается запись в журнале с указанием причин аварийного останова и сообщается о произошедшем ответственному за котельную.



	1.3.  Исходные данные водогрейной котельной малой мощности	

Котельная состоит из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. При установке паровых котлов дополнительно предусматривают конденсатные баки, насосы для перекачки конденсата и теплообменники.Размеры помещений котельной определяются габаритами размещаемого в них оборудования с соблюдением требований, обеспечивающих удобство монтажа, эксплуатации и ремонта оборудования. Как правило, все котлы располагают фронтом по прямой линии параллельно наружной стене, в которой имеются окна.

Проходы между котлами принимают не менее 0,7 м.

Расстояние между фронтом котлов и противоположной стеной принимается в зависимости от вида топлива, способа его подачи в котельную, типа котлов и их размещения. Для котлов с механическими топками это Расстояние должно быть 2 м. При сжигании газа и мазута расстояние от выступающих частей горелок до стены котельной должно быть не менее 1 м. Расстояние между котлами производительностью до 4 т/ч принимается равным 1–1,5 м, а производительностью более 4 т/ч – не менее 2 м.

Для обслуживания арматуры и контрольно-измерительных приборов в котельной устанавливают площадки и лестницы с металлическими ограждениями высотой 1 м. Ширина площадок и лестниц 600 – 800 мм.

Таблица 1- Данные водогрейной котельной малой мощности

№ п/п

Показатель

Размерность

Значение

1

Место нахождения котельной 

г. Москва

1.1.

Вид застройки (промышленная зона, жилой или административный сектор)

жилой и административный сектор

1.2.

Назначение котельной (центральная, автономная, пиковая)

центральная

2

Климатические данные:



2.1.

Температура наиболее холодной пятидневки

°С

-29

2.2.

Средняя температура воздуха за отопительный период

°С

-22

2.3.

Расчетная летняя температура воздуха

°С

24,8

2.4.

Продолжительность отопительного периода

сут/год

236

3.

Расчетная тепловая нагрузка на нужды:



3.1.

- отопления

Мкал/ч

800

3.2.

- горячего водоснабжения

Мкал/ч

500

4.

Система теплоснабжения:



4.1.

Вид (открытая или закрытая)

закрытая

4.2.

Количество трубопроводов 

двухтрубная

4.3.

Вид прокладки трубопроводов 

Подземная канальная

4.4.

Схема присоединения системы теплоснабжения (зависимая - элеваторная или насосная; независимая)

зависимая

4.5.

Тип компенсаторов тепловых удлинений

П – образные

4.6.

Тип устанавливаемых отопительных приборов у потребителя (радиаторы, регистры, конвекторы)

радиаторы

4.7.

Температурный график отпуска тепловой энергии

°С

95/70

4.8.

Температура горячей воды

°С

60

4.9.

Гидравлическое сопротивление





- системы отопления и вентиляции

кПа

112



- системы горячего водоснабжения

кПа

30

4.10.

Водяной объем







- системы отопления

м3

5,6



- системы горячего водоснабжения

м3

1,5

5.

Источник водоснабжения

городской водопровод

5.1.

Жесткость исходной воды

мг-экв/м3

5

5.2.

Температура исходной воды (зимний и летний период)

°С

5/15

6.

Источник топливоснабжения

городской газопровод

6.1.

Вид топлива

Природный газ

6.2.

Теплотворная способность

ккал/м3

8788

6.3.

Плотность

кг/ м3

0,8

6.1.

Минимальное давление газа на входе в котельную

МПа

0,1

6.2.

Максимальное давление газа на входе в котельную

МПа

0,6

	

1.4 Температурный график 

Температурный график определяет режим работы тепловых сетей, обеспечивая центральное регулирование отпуска тепла. По данным температурного графика определяется температура подающей и обратной воды в тепловых сетях, а также в абонентском вводе в зависимости от наружной температуры.

В водяных системах количество поступающего тепла можно изменять путем изменения расхода воды G (количественное регулирование), а также температуры воды Т (качественное регулирование) или изменением G и Т одновременно (качественно-количественное регулирование). Это видно из формулы - Q= G(T1-T2) ккал/ч.

	

	1.3 Температурный график 95-70?С

			

			

			

			1.4. Водогрейный котел UnicalEllplex 420

			1.4.1. Технические характеристики котла

		В данной работе за объект автоматизации был взят водогрейный котел фирмы Unical марки Ellplex 420 (жаротрубный двухходовой котел с реверсом пламени в топочной камере). Это устройство уже успело  заслужить уважение у компаний-пользователей, благодаря своим уникальным технологиям и удобному обеспечению. 

		Рисунок 1.4 Внешний и внутренний вид котла UnicalEllplex 420

		Рабочее давление: 6 бар,  рабочая температура: 70-95 °С (105 °С - по запросу), КПД: 91,4 - 91,7 %, способность обеспечить отопление помещений: от 1500 до 40 000 м2.

		

		Таблица 2-  Технические характеристики водогрейного котла 

		модель
котла

		тепловая
мощность
мин/ макс,
кВт.

		мощность
горелки
мин/ макс,
кВт.

		объем
воды,
л.

		макс.
рабочее
давление
бар.

		подача/
обратка, мм.
(фланцы)

		диаметр
дымохода,
мм.

		отверстие
под
горелку,
мм.

		вес, кг.

		Ellplex 420

		315-420

		342-459

398

		

		6

		DN 100

		250

		210

796

		

		

		

1.4.2.Основные функциональные особенности

		• Корпус котла эллиптической формы;
• Котел может быть внесен непосредственно через двери ограниченной ширины 80 см и ширины 110 см ;
• Высокая устойчивость к образованию конденсату, благодаря эффекту «охлаждающего ребра» (патент Unical);
• «Плавающая» камера сгорания, топка приварена только к передней стенке котлового блока, при этом задняя часть остается свободной, и может
   деформироваться в осевом направлении. При сжигании топлива технически предусмотрен реверс пламени;

		• Оптимальные эксплуатационные затраты благодаря низкому противодавлению камеры сгорания;
• Высокая механическая прочность;
• Антиконденсатные спиральные турбулизаторы;
• Уменьшение потерь тепла через корпус в связи с увеличенной толщиной тепловой изоляции 80 мм из минеральной ваты и дверей из ультра-легкого  жаропрочного бетона ;
• Регулируемая дверь с двойным открытием в правую или левую стороны;
• Сертифицирован и имеет разрешение на использование;

		• Панель управления котла термостатического типа;
• Изготовлен в соответствии с EN 303 часть 1 – жаровые трубы из цельнотянутой углеродистой стали по DIN 1626.

		

		

		

		

		

		1.4.3 Габариты котла UnicalEllplex 420

		

		

		Рисунок 1.4 Габариты котла

		

	1.5 Логический контроллер SiemensSimatic серии S7-1200

		Регулирующим устройством является микроконтроллер  SiemensSimatic   серии S7-1200. Контроллер S7-1200 имеют компактные пластиковые корпуса со степенью защиты IP20, могут монтироваться на стандартную 35 мм профильную шину DIN или на плоскую поверхность и сохраняют работоспособность в диапазоне температур от 0 до +50 °C. Они способны обслуживать от 10 до 284 дискретных и от 2 до 51 аналогового канала ввода-вывода.

	

		

	Рисунок 1.5Изображение контроллера SiemensSimatic серии S7-1200

	В состав программируемого контроллера S7-1200 вошли модули центральных процессоров (CPU); коммуникационные модули (CM); коммуникационные процессоры (CP); сигнальные модули (SM); платы (SB) ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, технологические модули а также модуль блока питания (PM 1207).

	

	1.5.1Функциональные особенности контроллера

	

	 - Высокое быстродействие, время выполнения логической операции не превышает 0.1 мкс.

	 - Встроенная загружаемая память объемом до 4 Мбайт, расширяемая картой памяти емкостью до 4 Гбайт.

	 - Рабочая память емкостью до 150 Кбайт.

	 - Энергонезависимая память емкостью 10 Кбайт для необслуживаемого сохранения данных при перебоях в питании контроллера.

	 - Встроенные дискретные входы универсального назначения, позволяющие вводить потенциальные или импульсные сигналы.

	 - Встроенные аппаратные часы реального времени с запасом хода при перебоях в питании 20 дней.

	 - Встроенные скоростные счетчики с частотой следования входных сигналов до 1 МГц.

	 - Встроенные импульсные выходы с частотой следования импульсов до 1 МГц (только в CPU с транзисторными выходами).

	 - Поддержка функций ПИД регулирования.

	 - Поддержка функций управления перемещением в соответствии с требованиями стандарта PLCopen.

	 - Поддержка функций обновления операционной системы.

	 - Встроенный WEB – сервер,  позволяющий выполнять дистанционную диагностику программируемых контроллеров с использованием стандартного Web браузера.

	 - Парольная защита программы пользователя.

	 - Коммуникационные модули CM 12xx и CP 12xx для подключения контроллера к сети IndustrialEthernet, PROFIBUS DP, обмена данными через последовательные каналы связи, мобильную сеть GSM, каналы связи систем телеуправления.

		

1.6 Термопреобразователи сопротивления ТСМУ

В качестве первичного преобразователя используется датчик температуры ТСМУ-50М. Термопреобразователи сопротивления с выходным унифицированным сигналом имеют в своем обозначении букву У (например, ТСПУ, ТСМУ). Они работают в  Интервале от -50 до 180°С и имеет  пределы допускаемых отклонений ± ? t, °С- 0,25; 0,5 %.



Рисунок 1.6 Изображение Термопреобразователя сопротивления ТСМУ



Арматура ТС бывает двух исполнений: с головкой и без нее. В исследуемой котельной применяется первый тип датчика. В головке ТС имеются контакты, к которым подсоединяются выводные проводники от ЧЭ и сальниковый ввод для линии связи со вторичным устройством. Чувствительные элементы помещаются в защитную арматуру.




Рисунок. 1.7 Внутреннее устройство ТС с головкой

1 — чувствительный элемент; 2 — защитная арматура; 3 — выводы; 4 — изоляция; 5 — герметик; 6 — головка; 7 — клеммная сборка; 8 — зажимы; 9 — жилы кабеля; 10 — кабель; 11 — гайка.

Выводные (от ЧЭ) проводники пропускаются через каналы керамического изолятора, все свободное пространство внутри арматуры засыпается керамическим порошком. В верхней части арматура герметизируется. В головке располагается сборка зажимов, к которой подсоединяются выводные проводники чувствительного элемента и провода внешней линии. На внешней стороне арматуры может располагаться подвижный или неподвижный штуцер. На контролируемом объекте закрепляется защитная гильза, внутри которой закрепляется арматура термопреобразователя сопротивления.Недостатком меди, как материала для термопреобразователя сопротивления, является также малое удельное сопротивление, так как для изготовления ЧЭ при этом требуется много проволоки, что увеличивает размеры ЧЭ и ухудшаютсядинамические свойства ТС.



1.7 Выводы

Котельные, работающие на природном газе становятся все востребовательней. Они прекрасно подходят для решения задач по обеспечению жилых и производственных помещений горячей водой и отоплением. Но для любой коммерческой организации всегда выгодно, чтобы процесс производства не только удовлетворял потребности клиентов, но и не был убыточным. Проанализировав сметы подрядных организаций по закупке и установке оборудования, выяснилось, что основная доля денежных средств идет на приобретение элементов автоматики, их монтажу, ремонту и поддержку программного обеспечения. Так же не малая часть средств уходит на выплату заработной платы нужному количеству рабочего персонала. Все эти факторы в дальнейшем отражаются на конечной стоимости продаваемой потребителю теплоэнергии. Поэтому было принято решение по модернизации автоматической системы котельной и замене некоторых элементов автоматики на более прогрессивные.За счет внедрения микроконтроллера на место блока управления процессом и температурного датчика нового поколения, можно существенно упростить ремонтно-монтажные работы, улучшить экономические показатели, уменьшить рабочий штат и сократить расход топлива для нагрева теплоносителя, что,в свою очередь, приведет к уменьшению вредных выбросов в атмосферу. 

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	



Глава II. Разработка структурной схемы. Выбор типа регулятора. Моделирование переходных процессов и оптимизация настроек регулятора

2.1 Функциональная схема системы автоматизации регулирования температуры теплоносителя

На рисунке 2.1 представлена функциональная схема системы автоматизации контура регулирования температуры котельной установки.



Рисунок 2.1 Функциональная схема системы

автоматизации регулирования температуры теплоносителя

		Под первичными преобразователями подразумеваются – термопреобразователи сопротивления, термоэлектрические преобразователи, датчик расхода воздуха и др., которые передают измерительную информацию о температуре дымовых газов, температуре розжига котла, температуре кипящего слоя, температуре воды до и за контуром охлаждения, расходе воздуха на вторичные приборы и блок логического управления.

Вторичные приборы устанавливаются на щите управления и позволяют контролировать и регистрировать следующие параметры:

а) показание непрерывных измерений температуры кипящего слоя;

б) показание непрерывных измерений температуры розжига котла;

в) показание непрерывных измерений и сигнализация критических значений температуры перед входом в тепловую сеть;

г) многоканальная регистрация температуры кипящего слоя;

д) многоканальная регистрация температуры дымовых газов;

е) показание непрерывных измерений и многоканальная регистрация температуры воды до и за контуром охлаждения.

Блок логического управления получает сигналы от первичных преобразователей и осуществляет управление исполнительными механизмами по заранее заданному алгоритму.

Исполнительные механизмы, получив сигналы с блока логического управления регулируют подачу топлива в топку котла, либо уменьшают или увеличивают количество воздуха, требуемого для горения топлива.

Оператор наблюдает за состоянием технологического процесса и при необходимости может непосредственно управлять исполнительными механизмами, а также вносить необходимые коррективы в алгоритм работы блока логического управления в ходе эксплуатации и ремонта.

2.2 Блок-схемы алгоритма работы системы регулирования воздухоподачи и подачи холодной воды.

На рисунке 2.2 представлена блок-схема алгоритма работы системы регулирования воздухоподачи.

После пуска системы следует установка начальной величины задания расхода воздуха FЗ и задания выдержки времени t. Затем проверяется условие А=1 – наличие блокировки (технологической либо аварийной), и условие В=1 – наличие команды на пуск дутьевого вентилятора. При отсутствии блокировки и появления команды на пуск обеспечивается пуск дутьевого вентилятора и технологический режим измерения расхода воздуха. При этом проверяется условие F=FЗ. В случае соответствия условия проверяется условие С=1 – наличие сигнала аварийного либо технологического останова. При его отсутствии измерительный цикл повторяется. При появлении сигнала на щит управления оператора выдается сигнал о выключении дутьевого вентилятора и его останов.

При несоответствии F=FЗ, в зависимости от полученного неравенства (F>FЗ, FТЗ, Т<ТЗ), обеспечивается соответственно уменьшение либо увеличение подачи топлива на 1 шаг с помощью исполнительного механизма. Затем проверяется условие t2=1 – проверка достижения выдержки времени на установку показаний температуры после переходных процессов и цикл повторяется.

На рисунке 2.3 представлена блок-схема алгоритма работы системы регулирования подачи холодной воды в котел.

После пуска системы следует установка начальной величины задания температуры ТЗ и задания выдержки времени t1 и t2. Затем проверяется условие А=1 – наличие блокировки (технологической либо аварийной), и условие В=1 – наличие команды на пуск питателя топливоподачи. Затем проверяется условие t1=1 – выдержка времени на установку начальных показаний температуры. После проверки выдержки времени происходит переход к технологическому режиму измерения температуры.



Рисунок 2.3 Алгоритм работы системы регулирования подачи воды

		2.3 Разработка структурной схемы АСР 

		

		Автоматическая система регулирования имеет замкнутую цепь воздействия: объект регулирования воздействует на датчик, датчик на управляющий элемент (регулятор – Рег.), который воздействует на исполнительный элемент ИМ, а исполнительный - снова на объект  автоматизации ОА.

		

		Рисунок 2.4 Структурная схема АСР 

		

РЕГ – регулятор;

ИМ – исполнительный механизм;

РО – регулирующий орган;

ОА – объект автоматизации;

Дат – Датчик.



В данной системе датчик температуры расположен в трубопроводе на выходе из котла и подключен вместе с задатчиком к соответствующим входам элементам сравнения. При согласовании температуры и заданного значения разность на сигнал поступает на регулятор, выходной сигнал которого подается на исполнительный механизм, он управляет подачей газа и воздуха на грелку.









2.4 Выбор типа регулятора

Требуемое качество регулирования в процессе эксплуатации системы автоматики с регулятором, кроме безусловного требования устойчивости, определяется следующими критериями:

	- минимальное время переходного процесса;

	- отсутствие перерегулирования;

	- минимальная интегральная квадратичная оценка.

Выберем критерий с 20%-м перерегулированием, так как он с наибольшим запасом по устойчивости и соответствует технологическим требованием к системе.

Вторым этапом по выбору регулятора является определение типа регулятора (закона регулирования). Существуют различные таблицы, графики и номограммы по выбору типа регулятора, зависящие от динамических свойств объекта, относительной нагрузки, характера ее изменения.

Основные области применения того или иного типа линейного регулятора:

1)П-регулятор применяют при любой инерционности объекта и небольшим запаздыванием , при небольших изменениях нагрузки.

.

Основной отличительной особенностью П-регулятора является то, что в равновесном режиме этот регулятор поддерживает регулируемый параметр не точно на заданном значении, а немного меньше заданного значения.

2) И-регуляторприменяют в объектах с малой и большой инерционностью объекта в системах с небольшим запаздыванием , при медленных изменениях нагрузки.В этих регуляторах при возникновении рассогласования регулирующий орган начинает перемещаться со скоростью пропорциональной рассогласованию.

.

Достоинством такого регулятора является то, что в равновесном режиме работы он поддерживает регулируемый параметр точно на заданном значении, т.е. статические свойства у него хорошие. 

3)ПИ-регулятор применяют при любой инерционности объекта, больших, но медленных изменениях нагрузки и значительном запаздывании

.

ПИ-регулятор сочетает в себе достоинства П-регулятора (хорошие динамические свойства) и хорошие статические свойства И-регуляторов. В этих регуляторах присутствует изодромная обратная связь (связь, которая присутствует только во время переходного процесса). В результате динамические свойства много хуже, чем у П-регуляторов, но намного лучше, чем у И-регуляторов.

4)ПИД-регулятор применяют в объектах с любой инерционностью при больших и резких изменениях нагрузки, больших запаздываниях.



PID=ПИД означает "proportional=пропорциональный" (вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. Он тем больше, чем больше это отклонение), "integral=интегральный" (пропорционален интегралу по времени от отклонения регулируемой величины. Его используют для устранения статической ошибки), "derivative=дифференциальный" (предназначен для противодействия отклонениям от целевого значения, которые прогнозируются в будущем).

Из всех выше перечисленных регуляторов больше всего для автоматической системы регулирования температуры теплоносителя подходит ПИ-регулятор, так как она представляет из себяинерционное звено второго порядка.



2.5 Моделирование переходных процессов в MatLab

В данной работе объектом управления является подача газа на горелку котла. Это можно охарактеризовать как  инерционное звено 2-го поря.......................