K003726 Дипломная работа Технологический процесс нагрева сетевой воды

Реферат

Вкр  страницы,  рисунков,  таблиц,  источников,  приложения.

КОТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ, АВТОМАТИЗАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС,ДАТЧИКИ НИЖНЕГО УРОВНЯ, КОНТРОЛЛЕР, ИНТЕРФЕЙС ОПЕРАТОРА, УПРАВЛЕНИЕ, УРОВЕНЬ, ДАТЧИКИ, УРОВЕНЬ, ТЕМПЕРАТУРА, РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ, СИГНАЛИЗАЦИЯ.

Объектом исследования является котельная установка ДЕ-16-14-ГМ.

Цель работы - создание автоматизированной системы управления технологическим процессом парового котла.

Содержание

Введение 4

1 Технологический процесс нагрева сетевой воды 5

1.1 Общая характеристика котельной установки 5

1.2 Описание технологического процесса 8

2 Автоматизация процесса управления паровым котлом ДЕ-16-14-ГМ 11

2.1 Структура автоматизированной системы управления 11

2.2 Описание функциональной схемы автоматизации котла 12

2.3 Выбор технических средств для автоматизации котельного агрегата 15

3 Выбор микропроцессорного контроллера для системы автоматизациикотла ДЕ-16-14-ГМ 21

3.1 Общие сведения о программируемых логических контроллерах 21

3.2Назначение микропроцессорного контроллера  21

3.3 Сравнительный анализ программируемы логических контроллеров 22

3.4 Выбор проектной конфигурации контроллера  27

3.5 Выбор программного средства для разработки интерфейса оператора 29

3.6 Описание разработанного интерфейса оператора 32

3.7Тип используемого кабеля для связи компонентов системы автоматизации 40

4 Расчет системы автоматического регулирования давления в барабане котла 42

4.1 Идентификация объекта  42

4.2 Расчет оптимальных настроек дискретного ПИ-регулятора 44

Заключение 51

Список использованных источников 52

Приложение А  54

Приложение Б 55

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Введение

Автоматизация - это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем.

Автоматизация освобождает человека от необходимости непосредственного управления механизмами. В автоматизированном производстве роль человека сводится в наладке, регулировке, обслуживанию средств автоматики и наблюдению за их действием.

Автоматизация производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности.

По уровню автоматизации теплоэнергетика занимает одно из ведущих позиций среди других отраслей промышленности. Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов, при этом в любой момент времени выработка тепловой энергии должна соответствовать потреблению.

Паровой котел является энергетической установкой, в процессе эксплуатации которой изменяются связанные между собой технологические параметры. Автоматизация котлов обеспечивает надежную и эффективную выработку пара требуемых параметров и безопасные условия труда персонала.

Объектом исследования является котельная установка ДЕ-16-14-ГМ.

Цель работы - создание автоматизированной системы управления технологическим процессом парового котла.

1 Описание и характеристика технологического процесса нагрева сетевой воды

1.1 Общая характеристика котельной установки

Котельная установка - совокупность устройств и механизмов, предназначенных для получения водяного пара или горячей воды за счет теплоты сжигаемого топлива.

Котельная в свой состав включает следующее оборудование:

 котел ДЕ-16-14-ГМ;

 емкость для питательной воды Е-1;

 горелка AMR-7-G;

 дутьевой вентилятор ВДН-9;

 дымосос ДН-11,2;

 калорифер;

 экономайзер ЭП1-334;

 газопроводы и трубопроводы.

Рассмотрим подробнее конструкцию котла ДЕ-16-14-ГМ.

Паровые вертикальные водотрубные котлы типа ДЕ предназначены для выработки насыщенного или перегретого до температуры 225°С пара, используемого на технологические нужды, отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Котлы этого типа выпускаются на номинальную паропроизводительностью 4; 6,5; 10; 16 и 25 т/ч при рабочем давлении 1,4 и 2,4 МПа (14 и 24 кгс/см2).

Техническая характеристика котла типа ДЕ-16-14-ГМ приведена в таблице 1.1

Таблица 1.1 – Характеристика котла типа ДЕ-16-14-ГМ

Наименование Марка

ДЕ-16-14-ГМ

Паропроизводительность, т/ч 16

Давление пара, МПа 1,4

Температура пара, °С

насыщенного

перегретого 194

225

    Продолжение таблицы 1.1

Расход топлива:

Газ, м3/ч

Мазут, кг/ч 1154

1087

Температура газов на выходе из топки, °С

На газе

На мазуте 1192

1145

Температура газов за котлом, °С

На газе

На мазуте 310

363

Температура уходящих газов, °С

На газе

На мазуте 147

173

КПД:

Газ, %

Мазут, % 93

90

Объем топочной камеры, м3 22,5

Теплонапряжение объема топки, кВт/ м3

На природном газе

На мазуте 514

520

Поверхность нагрева

радиационная

конвективная 49,2

115

Тип горелки AMR-7-G

Конвективный пучок образован коридорно-расположенными вертикальными трубами D51x2,5 мм, раз¬вальцованными в верхнем и нижнем барабанах (про¬дольный шаг труб 90мм, поперечный шаг 110 мм, в среднем ряду труб поперечный шаг принят 120 мм).

Диаметр верхнего и нижнего барабанов составляет 1000 мм, расстояние между барабанами 2750 мм, для экранов и конвектив¬ного пучка применены трубы 051x2,5 мм.

Ширина то¬почной камеры 1790мм (по осям экранных труб). В зависимости от паропроизводительности котлов изменяются глубина топочной камеры (для паропроизводительности 4 т/ч — 1980 мм, для паропроизводительности 25 т/ч — 6960 мм) и свя¬занная с ней глубина конвективного пучка. Средняя высота топочной камеры 2400 мм.

Фронтовой экран образован четырьмя трубами, присоединенными непосредственно к верхнему и нижнему барабанам.

Циркуляционная схема всех паровых котлов типа Е(ДЕ) одинакова и включает четыре экра¬на (фронтовой, задний и два боковых) и конвективный пучок. Боковые экраны и конвективный пучок котлов всех типоразмеров, а также фронтовой экран котлов паропроизводительностью 16 и 25 т/ч присоединены непосредственно к верхнему и нижнему барабанам. Зад¬ние экраны всех котлов объединяются нижними (горизонтальными) раздающими и верхними (наклонными) собирающими коллекторами, присоеди¬ненными к барабанам. Другие концы коллекторов объ¬единены необогреваемой рециркуляционной трубой D76х3,5 мм. В котлах паропроизводительностью 16 и 25 т/ч  применена двух¬ступенчатая схема испарения.

Вторая ступень испарения включает первые по ходу газов трубы конвективного пучка и опускные необогре¬ваемые трубы D159x4,5 мм.

В водяном пространстве верхнего барабана размеще¬ны питательная труба и труба для ввода фосфатов, в паровом пространстве установлены сепарационные  уст¬ройства. Нижние барабаны всех котлов снаб¬жены устройствами для парового прогрева воды при растопке и штуцерами для спуска воды.

Первичными сепарационными устройствами первой ступени испарения являются размещенные в верхнем барабане направляющие щиты и козырьки, обеспечи¬вающие подачу пароводяной смеси на уровень воды. Вторичные сепарационные устройства выполнены в виде горизонтальных жалюзийных сепараторов с дыр¬чатыми листами. Сепарационными ус¬тройствами второй ступени испарения являются про¬дольные щиты, организующие движение пароводяной смеси на торец барабана, а затем вдоль него к поперечной перегородке, разделяющей отсеки. Чистый и солевой от¬секи сообщаются по пару через окно над поперечной пе¬регородкой, а по воде — через подпиточную трубу.

Пароперегреватель выполняется вертикаль¬ным из двух рядов труб D51x2,5 мм.

Для снижения температуры дымовых газов, уходящих из котла, и подогрева питательной воды применяется водяной экономайзер, выполненный из чугунных труб. Установка экономайзера также обеспечивает экономию топлива.

В качестве теплопроизводящего узла в котле  используется автоматическая газовая горелка промышленного назначения AMR-7-G.

Для подачи воздуха в топку котла используется центробежный вентилятор ВДН-9. Для отсасывания дымовых газов из топки котла применяется дымосос одностороннего всасывания ДН-11,2. Приводами для вентиляторов служат электродвигатели[1].

1.2 Описание технологического процесса

Процесс нагрева сетевой воды и горячего водоснабжения (ГВС) в котельной состоит из 2 основных этапов: парообразование воды в котлоагрегате и нагрева сетевой воды и ГВС.

Парообразование обеспечивается сгоранием основного вида топлива в топке. В качестве основного теплоносителя выступает природный газ. Для процесса горения топлива в топке необходим приток подогретого воздуха, нагнетание которого обеспечивается дутьевым вентилятором.

Поступающий под высоким давление природный газ проходит запорную арматуру и очищается от случайных механических примесей в фильтре. Подача природного газа среднего давления  в топку регулируется автоматически, это необходимо для поддержания оптимальных параметров пара на выходе с котла.

В случает перебоев с поступлением природного газа  в котлоагрегате предусмотрен аварийный энергоноситель, в качестве резервного энергоносителя в данном проекте служит мазут, поступающий из насосной.

Получение перегретого пара: нагрев питательной воды до насыщения парообразования происходит в экономайзере, перегрев насыщенного пара происходит  в пароперегревателе.

Движение воды и пароводяной смеси конструктивно организуется таким образом, что восходящие потоки пароводяной смеси изолируются от нисходящих потоков воды, то есть создаются циркуляционные контуры. Циркуляционный контур является замкнутым, так как трубы, составляющие его, соединяются между собой барабанами или коллекторами.

Простейший контур естественной циркуляции имеет обогреваемый и не обогреваемый участки. В обогреваемой части контура происходит интенсивное парообразование, поэтому этот участок контура оказывается заполненным не водой, а смесью кипящей воды с паром. В слабо обогреваемом участке контура (или совсем не обогреваемом) парообразование происходит значительно менее интенсивно или совсем не происходит. Поэтому правый участок контура будет заполнен водой или смесью воды с очень малым количеством пара. Плотность пара значительно меньше плотности воды, нагретой до температуры кипения. Следовательно, пароводяная смесь, заполняющая обогреваемую часть контура, всегда имеет меньшую плотность по сравнению с водой или пароводяной смесью, находящейся в слабо обогреваемом участке контура. Разница весов сообщающихся между собой столбов жидкости нарушает их равновесие, создается движущий напор, который и обеспечивает циркуляцию, то есть круговое движение воды и пароводяной смеси вдоль поверхности нагрева по замкнутому контуру. При непрерывном подводе тепла к поверхности нагрева убыль пара, выносимого из обогреваемой части контура, все время пополняется, в результате чего разность объемных масс в обеих частях контура стабилизируется на определенной величине. Поэтому движение пароводяной смеси будет непрерывным с определенной скоростью. При установившейся циркуляции движущей напор уравновешивается силами сопротивления[1].

В водотрубных котлах с естественной циркуляцией циркуляционный контур состоит из нескольких параллельно включенных более обогреваемых и менее обогреваемых (или совсем не обогреваемых) труб, объединяемых барабанами или коллекторами в замкнутый контур. При этом трубы с восходящим потоком пароводяной смеси называют подъемными, а с нисходящим потоком воды - опускными. Обогреваемые (подъемные) трубы могут вводиться непосредственно в барабан котла или в собирающий коллектор. В последнем случае пароводяная смесь из коллектора отводится в барабан котла с помощью пароотводящих труб. Система параллельных труб, имеющих одинаковое конструктивное оформление и тепловую нагрузку, называется звеном циркуляционного контура. В опускные участки циркуляционного контура обычно поступает вода, несколько недогретая до кипения, так как она смешивается с относительно менее нагретой питательной водой, поступающей в котел. Вследствие недогрева воды кипение ее начинается на некотором расстоянии от начала обогреваемого участка. Часть участка контура, по длине которого производится подогрев воды до температуры кипения, называют экономайзерным участком обогреваемой высоты подъемных труб, та часть контура, где происходит образование и движение пара - паросодержащим участком. Обогреваемый эконономайзерный участок и вся паросодержащая часть контура (как обогреваемая, так и не обогреваемая) вплоть до уровня воды в барабане котла составляют полезную высоту циркуляционного контура.

 Обеспечение поддержания необходимого уровня воды в котлоагрегате происходит автоматически. Питательная вода поступает в теплый бак Е-1 и поддерживается на определенном уровне. Из емкости вода насосом поступает в экономайзер, где нагревается от отработанных дымовых газов до необходимых параметров и после чего поступает в котел.

Нагревшийся до температуры установленной регламентом пар подается потребителю, согласно требованиям отпуска ГВС и сетевой воды, а также производится коммерческий учет отпущенного тепла.

 

2 Автоматизация процесса управления паровым котлом ДЕ-16-14-ГМ

       2.1 Структура автоматизированной системы управления

Разработанная автоматизированная система управления предназначена для управления работой технологического оборудования котельного агрегата в соответствии с технологическим регламентом.

Целью создания и внедрения автоматизированной системы управления паровым котлом является достижение оптимальных производственно-экономических, технологических и технических параметров работы котла за счет внедрения современных и передовых технологий управления.

Автоматизированная система управления реализует задачи управления технологическим процессом и информационного обслуживания эксплуатационного персонала.

Структура АСУТП является иерархической. На нижнем уровне располагаются датчики давления, перепада давления, температуры, уровня, расхода, исполнительные механизмы, а также средства дистанционного управления исполнительными механизмами (задвижками, клапанами), позволяющие оператору вести технологический процесс в ручном, аварийном режиме или в процессе наладки.

Логика управления реализуется на среднем уровне, где расположен основной модуль системы, базирующийся на промышленном программируемом контроллере, оснащенном необходимыми устройствами ввода/вывода информации.

Контроллер выполняет функции сбора, обработки информации, управления, регулирования и защиты котла от нештатных ситуаций, подачи предупредительной и аварийной сигнализации, блокировок, выдачи сигналов в штатную котельную автоматику.

В верхний уровень системы входят средства, реализующие функции отображения информации в различной форме, ее архивирование и запись, а также функции дистанционного управления основным модулем контроллера путем прямого регулирования или изменения параметров и уставок регулирования.

Техническим средством реализации верхнего уровня является автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора на базе персонального компьютера (рабочей станции).

Функции системы верхнего уровня:

 дистанционное управление параметрами работы котла;

 регистрация (протоколирование) параметров работы котла и их индикация в виде мнемосхем, таблиц, графиков и трендов;

 технологическая сигнализация на экране аварийных режимов, параметров и узлов;

 печать рапортов и отчетов;

 архивация основных параметров и режимов работы котла для последующего экономического анализа и дальнейшей оптимизации технологических процессов;

 просмотр архивной информации за указанный промежуток времени.

           На экране компьютера оператора котельной обеспечивается представление информации о текущем состоянии котла и всех объектов управления, об измеренных значениях контролируемых параметров, а также о срабатываниях защит. Вывод информации на экран выполнен в удобной для восприятия интуитивно-понятной форме[1].

2.2 Описание функциональной схемы автоматизации котла

Функциональная схема системы автоматизации котельного агрегата является основным техническим документом, определяющим структуру и характер системы автоматизации технологического процесса, а также оснащение их приборами и средствами автоматизации. На функциональной схеме дано упрощенное изображение агрегатов, подлежащих автоматизации, а также приборов, средств автоматизации и управления, изображаемых условными обозначениями по действующим стандартам, а также линии связи между ними[1].

Схема автоматизации регулирования и контроля парового котлоагрегата предусматривают следующие системы:

- регулирование давления пара(25а) в барабане котла, путем изменения количества подаваемого топлива в топку котла(кл-5);

- регулирование соотношения топливо-воздух путем изменения количества подаваемого воздуха(11а);

- регулирование разряжения в топке котла путем изменения количества отсасываемого воздуха(21а);

- регулирование уровня воды в барабане котла путем подачи питательной воды(22а);

- регулирования уровня в емкости Е-1 на заданном уровне(18а, кл-3).

Уровень в барабане котла измеряется преобразователем уровня и преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал.

При отклонении регулируемого параметра от заданного значения, контроллер   вырабатывает сигнал и оказывает влияние на управляющий орган подачи питательной воды.

Для горения топлива используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого вентилятора. Соотношение газ-воздух примерно составляет 1:10.

Измерение расхода газа и воздуха производится вихревым расходомером. Частота вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды, преобразуется в электрический сигнал. Сигнал 4-20 мА с преобразователя поступает на контроллер.

В контроллере происходит суммирование двух поступающих сигналов, а затем сравнение их с заданным значением. Если регулируемый параметр отклоняется от заданного значения, то на входе появляется сигнал рассогласования. При этом на выходе контроллера вырабатывается сигнал, который подается на регулирующий орган, который изменяет подачу воздуха.

Система автоматического регулирования разряжения в топке котла сделана для поддержания топки под наддувом.

Сигнализации подлежат следующие параметры:

- загазованность в помещении котельной(1а);

- давление газа до фильтрующего устройства(2а);

- давление газа подаваемого на свечу(3а);

- давление газа перед регулирующим устройством(4а);

- давление мазута перед регулирующим устройством(15а);

- расход газа перед топкой(12а-12б);

- расход мазута перед топкой(13а-13б);

- расход воздуха перед топкой(14а-14б);

- давление пара в барабане котла(25а);

- температура пара в барабане котла(26а);

- разрежение в топке котла(17а);

- уровень воды в барабане котла(22а);

- уровень воды в емкости Е-1(18а);

- давление дымовых газов перед экономайзером(20а);

- температура дымовых газов перед экономайзером(21а);

- наличие пламени в топке котла(5а);

- температура пара на выходе из котла(27а);

- давление пара на выходе из котла(28а);

- расход пара на выходе из котла(29а-29б).

Оперативный технологический персонал при оповещении его устройствами сигнализации должен принять соответствующие меры по их ликвидации. Если эти меры окажутся не эффективными и параметр, характеризующий состояние объекта управления достигнет аварийного значения, сработают системы противоаварийной защиты, которые автоматически по заданной программе перераспределяют материальные и энергетические потоки, включают и отключают аппараты объекта с целью предотвращения взрыва, аварии, несчастного случая.

Котел подлежит защите при отклонении следующих параметров:

 при повышении или понижении давления топлива перед горелками(10а);

 при погасании факела в топке котла(8а);

 при уменьшении разряжения в топке котла(17а);

 при повышении давления пара в барабане котла(25а).

Защита заключается в автоматическом прекращении подачи топлива при отклонении любого из вышеперечисленных параметров.

2.3 Выбор технических средств для автоматизации котельного агрегата

Контроль над технологическими параметрами котельной, достижение предельных значений которых может привести к аварии, осуществляется современными техническими средствами.

Средства автоматизации должны быть выбраны технически грамотно и экономически обоснованно. Основные критерии, по которым отдается предпочтение тем или иным приборам:

 точность измерений;

 взрывозащищенное исполнение;

 пределы измерения;

 надежность;

 срок службы;

 широкие функциональные возможности.

Применяемые датчики и измерительные преобразователи имеют унифицированные выходные сигналы с одним из следующих параметров: «сухой контакт» (для сигнализации предельных значений технологических параметров); аналоговые (токовые 4-20 мА) сигналы (для контроля и регулирования режимных технологических параметров).

Для контроля, измерения, регистрации, и вычисления различных параметров в технологических аппаратах установки, были рассмотрены следующие технические средства, приведенные ниже.

Для выбора датчика избыточного давления было выполнено сравнение датчиков: Метран-150TG, Сапфир-22ДИ-Вн, Rosemount 3051CG. Технические характеристики приведены в таблице 2.1 [13, 10, 7].

Таблица 2.1 - Технические характеристики датчиков избыточного давления

Параметр Метран-150TG Сапфир-22ДИ-Вн Rosemount 3051CG

Предел измерения,кПа   0,16  Верхний предел 0,16   min  6,22

Погрешность измерений, % ± 0,075 ± 0,5  ± 0,065

Питание, В 15-42  15-42 10,5...42

Межповерочный интервал 3 3 12

Выходной сигнал, мА 4...20   4...20  4...20

Для измерения избыточного давления  и давления разрежения в топке котла выбран датчик давления Rosemount 3051CG, так как погрешность измерений ниже среди рассмотренных датчиков. В этих датчиках используется сенсор на базе емкостной ячейки.  

Давление процесса через разделительную мембрану и заполняющую жидкость передается на измерительную мембрану, расположенную между пластинами конденсатора. Под воздействием измеряемого давления мембрана прогибается и в результате изменяется электрическая емкость ячеек, образованных сенсорной мембраной и пластинами конденсатора. Генерируемый электрический сигнал преобразуется в цифровой и передается на микроконтроллер.

Для выбора датчика расхода было выполнено сравнение датчиков: ДРГ.М, Метран 350, Rosemount 8800D.Технические характеристики приведены в таблице 2.2 [14, 13, 7].

Таблица 2.2 - Технические характеристики датчиков измерения расхода

Параметр ДРГ.М Метран 350 Rosemount 8800D

Измеряемая среда       Газ, газы газ, пар, жидкость газ, пар, жидкость

                                                                                        Продолжение таблицы 2.2

Температура, °C рабочей среды От -40 до +150   От -50 до +200  От -40 до +427

Погрешность, % ±1,5 ±1 ±1,35

Избыточное давление измеряемой среды, МПа  От 0 до 16    От 0 до 25     От 0 до 25

Выходной сигнал, мА 4...20  4...20  4...20

Для измерения расхода газа и воздуха, подаваемых к котлу, предпочтение отдается вихревому расходомеру Rosemount 8800D. У этого датчик наиболее подходящий диапазон температуры рабочей среды.

Принцип действия расходомера основан на определении частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы. Частота вихрей пропорциональна объемному расходу.

Для выбора датчика перепада давления было выполнено сравнение датчиков: Метран-150-CD, Yokogawa EJX430A, Rosemount 3051CD.Технические характеристики приведены в таблице 2.3 [13, 11, 7].

Таблица 2.3 - Технические характеристики датчиков разности давления

Параметр Метран-150-CD Yokogawa EJX430A Rosemount 3051CD

Выходной сигнал, мА 4…20  4…20  4…20

Погрешность

Измерений, %  ±0,075 ± 0,04 ± 0,04

Конструктивное

исполнение Взрывозащищенное (Ех, Вн)

IP65 стандартное: IP67 искробезопасное: (EExiaIICT5) взрывонепроницаемое: (ЕЕхсШСТ4, Т5, Тб)  Взрывонепроницаемая оболочка 1ЕхdIIСТ6 X;

 Искробезопасность  ЕЕх ia IIС Т5;

Пылезащищенность;

Межповерочный интервал лет 3 5 4

Для измерения перепада давления был выбран датчик Rosemount 3051CD, так как этот датчик работает с уравнительным сосудом и у него подходящая погрешность измерений.

 Для измерения уровня воды в барабане котла применяется двухкамерный уравнительный сосуд, имеющий плюсовую и минусовую камеры. Давление воды плюсовой и минусовой камер передается посредством соединительных трубок датчику перепада давления Rosemount 3051CD. В преобразователях на базе емкостного сенсора давление процесса через разделительные мембраны и заполняющую жидкость передается на измерительную мембрану, расположенную между пластинами конденсатора. Под воздействием измеряемого давления мембрана прогибается и в результате изменяется электрическая емкость ячеек, образованных сенсорной мембраной и пластинами конденсатора. Генерируемый электрический сигнал преобразуется в цифровой и передается на микроконтроллер.

Для выбора датчика температуры было выполнено сравнение датчиков: Yokogawa RM-00 , ТСМ Метран-274, Rosemount 3144Р.Технические характеристики приведены в таблице 2.4  [11, 13, 7].