Система автоматизации на котлоагрегатах
Министерствообразованияи науки РеспубликиКазахстан
Павлодарскийгосударственныйуниверситетим. С. Торайгырова
Кафедра«Компьютерныесистемы»
КУРСОВАЯРАБОТА
подисциплине:«Автоматизированноепроектирование»
натему: «Системаавтоматизациина котлоагрегатах»
-
Выполнили: студентыгр. АСУ-51
АбильшаиховаК.Б. ОкатенкоН.В.
БещембаеваМ.М.
МакзымовЕ.Ж.
Проверил: ИшимцевР.Ю.
Павлодар,2003
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ | ||||
| Технологическийучасток образованияпара, как объектАСУ | ||||
| Технологияпарообразованияи оборудование | ||||
| Описаниетехнологическогопроцессапроизводствапара | ||||
| Технологическаяинструкцияпо эксплуатациипаровых котлов | ||||
Описаниетехнологическогооборудованиядля производствапара | ||||
Электрическиестанции, ихместо в технологическомпроцессепарообразования | ||||
Описаниесистемы управлениякотлоагрегатом | ||||
| Выборпринципиальныхтехническихрешений | ||||
| Задачауправления,ее декомпозиция. | ||||
| Котельныеустановкикак объектрегулирования | ||||
Техническоезадание насоздание новойАСУ | ||||
Требования,предъявляемыек системеавтоматизированногоуправления | ||||
Требованияк контроллерам | ||||
| Требованияк информационнымпотокам | ||||
Выборосновныхтехническихрешений поуправляющемуи вычислительномукомплексу,ПО системы,пульту оператора,полевой автоматикии сети. | ||||
Выборсредств полевойавтоматики(ПА) | ||||
| Требованияк программномуобеспечению(ПО) | ||||
| Требованияк сети | ||||
ПроектАСУ | ||||
Функциональнаясхема автоматизации | ||||
| 4.2 | Структурапрограммно-техническогокомплекса | |||
| 4.3 | Структурнаясхема контурауправления | |||
| 4.4 | Схемаинформационныхпотоков | |||
| 5. | Специальныйвопрос: АРМоператораузла. | |||
Заключение | ||||
Списокиспользуемойлитературы | ||||
Введение
Энергетикаявляется ведущимзвеном современногоиндустриальноразвитого народногохозяйства.Понятием «энергетика»охватывается,как известно,широкий кругустановок дляпроизводства,транспортаи использованияэлектрическойи тепловойэнергии и всехдругих энергоносителей,как-то: сжатыйвоздух, искусственныйкислород и др.В их числе особоважное значениеимеет электроэнергияв силу универсальностиеё примененияв промышленности,на транспортеи в быту и большойтранспортабельности– на многиесотни километровпри минимальныхпотерях.
В СССР, какв принципе исейчас в Казахстане,примерно 85%электроэнергиипроизводитсяна тепловых электростанциях(ТЭС), важнейшимзвеном которыхявляются котельныеустановки,вырабатывающиепар для турбогенераторов.
В дальнейшем,при учетестроительствамощных гидроэлектростанций(ГЭС) и болееширокогопромышленногоосвоения атомныхэлектростанций(АЭС), процент«топливнойэлектроэнергии»несколькоснизится, новсе же он составит,по- видимому,не мене 80% общегоеё производства.В общем, топливномбалансе странырайонные тепловые электростанциизанимают около15%, а, включаянаходящиесяв системепромышленныхпредприятий– примерно 25%.Значительнобольшое количествотоплива, порядка35%, потребляетсяпромышленностьюдля производственныхцелей, а оставшиеся40% приходитсяна все видытранспортаи коммунальноехозяйство. Еслиучесть широкоераспространениена водном ижелезнодорожномтранспортепаросиловыхустановок иприменениеразличныхкотлов в коммунальномхозяйстве,можно констатировать,что не менее55-60% производимогов стране топливасжигается втопках котловтого или иногоназначения.
Нужно указатьдалее, чтопромышленнаяэнергетикаявляется наиболеесложным энергетическимкомплексом.
В его составвходят, помимообычных котельныхустановок ипаросиловыхустановок,специальныевоздуходувныеи кислородныестанции, промышленныепечи различногоназначения,газификационныеаппараты, сушильныеи теплообменныеустройства,тепловые игазовые сети,а также многообразноеэлектрооборудованиепромышленныхпредприятий.
При выработкепара исходнымирабочими веществамиявляются: топливо,окислитель- в основномкислород атмосферноговоздуха и питательнаявода, из которойполучаетсяпар нужныхпараметров,а производственнымиотходами –охлажденныедымовые газыи шлакозоловыеостатки топлива.Дымовые газыполучаютсяпри сжигании(окислении)топлива в специальномустройстве– топке.
Теплообразующихсяздесь горячихдымовых газовиспользуетсядалее поверхностяминагрева дляподогревапитательнойводы, её испаренияпри определенномдавлении, перегреваполученногопара, а такжедля нагревавоздуха, поступающегов топку дляокислениягорючих элементовтоплива.
Дымовыегазы, пройдяуказанныетеплоиспользующиеустройства,выбрасываютсязатем в атмосферу.Вместе с нимиуносится частьзолы топлива,а остальнаяеё часть в видесплавленногошлака выпадаетв нижней частитопки, откудаона и выводится- непрерывноили периодически.
Сочетаниетопки и теплоиспользующихповерхностейименуетсякотельнымагрегатом;котельнаяустановкаявляется болеешироким понятием,включающимдополнительноустройствадля приготовления и ввода в топкутоплива, вентиляторыдля подачивоздуха и отводав атмосферуохлажденныхдымовых газов,питательныенасосы и другое,более мелкоевспомогательноеоборудование.
Промышленноеприменениепара имеет насегодня почтидвухвековуюисторию, считаясо времен Ползунова(1728-1766 гг.) и Уатта(1736-1819 гг.), историюнепрерывногопрогресса вобласти паровыхдвигателейи паровых котлов.Однако значительныедостижениябыли достигнутыв этих областяхв 1930-1940 гг. За этотсравнительновесьма ограниченныйотрезок временив котельнойтехнике достигнутов количественноми качественномотношенияхзначительнобольше, нежелиза все предыдущие150 лет.
Большиесдвиги котельнойтехники в1930-1640гг., отражаяобщее ускорениетемпов промышленно-техническогопрогресса,обуславливаютсяв основномбурным развитиемза эти годыэлектроэнергетиковсвязи с интенсивнымростом энерговооруженностинародногохозяйства,большой концентрациеймощностей иприменениемтранспортаэлектроэнергиина огромныерасстояния.Нужно указать,что до Октябрьскойреволюциикотлостроенияв СССР фактическине было, как имногих другихотраслей тяжелойпромышленности,а вся сравнительнонебольшаяпотребностьв паровых котлахпокрываласьимпортом ихиз Германиии Англии. Начинаяс 1928-1930 гг. у нассоздаетсясобственнаяи мощная топочно-котельнаяпромышленность,концентрируемаяна ряде специализированныхзаводов, важнейшимииз которыхявляютсяТаганрогский,Подольский,Барнаульскийи Белгородский.
Технологическийучасток образованияпара, как объектАСУ
Технологияпарообразованияи оборудование
1.1.1 Описаниетехнологическогопроцесса производствапара
Технологическаясхема производствапара на паротурбиннойэлектрическойстанции спрямоточнымикотлами и сжиганиемтвердого топливав пылевидномсостояниипоказана нарис.1. Твердоетопливо в видекусков поступаетв приемно-разгрузочноепомещение вжелезнодорожныхвагонах. Вагонызаталкиваютсяв вагоноопрокидывателии вместе с ними,поворачиваясьвокруг своейоси примернона 180°, разгружаютсяв расположенныениже бункера.С помощьюавтоматическихпитателейтопливо поступаетна ленточныеконвейерыпервого подъема,передающиеего в дробилки.Отсюда потокизмельченноготоплива— дробленки(размеры кусочковтоплива неболее 25 мм)конвейеромвторого подъемаподается вбункера котельной.Далее дробленкапоступает вуглеразмолъныемельницы, гдеокончательноизмельчаетсяи подсушивается.Образовавшаясятопливно-воздушнаясмесь поступаетв топочнуюкамеру.
Рис.1 Технологическаясхема производствапара
1-штабельугля; 2- ленточныйтранспортер;3 и 4-бункер; 5-вагоноопрокидывательс железнодорожнымвагоном; 6- дробильныйзавод; 7- бункердробилки; 8- углеразмольнаямельница; 9-первичныйвоздух; 10- пылевоздушнаясмесь; 11- горелки;12- фронт котла;13- паровой котел;14- топочная камера;15- вторичныйвоздух; 16- НРЧ;17- СРЧ; 18- ВРЧ; 19- перегретыйпар; 20- конвективныйпароперегреватель;21- забор воздухаиз помещения;22- забор наружноговоздуха; 23- коробхолодноговоздуха; 24- промежуточныйпаронагреватель;25- горизонтальныйгазоход; 26- конвективнаяшахта (вертикальныйгазоход); 27- экономайзер;28- питательнаявода; 29- воздухоподогреватель;30- дутьевойвентилятор;31- золоуловитель;32- дымосос; 33- дымоваятруба; 34- шлакозоловойканал.
Примечание:парогенераториногда называюттакже котлоагрегатом,или паровымкотлом.
В отечественнойэнергетикенаиболее широкоераспространениеполучили паровыекотлы с П-образнымпрофилем - этодве вертикальныепризматическиешахты, соединенныевверху горизонтальнымгазоходом.Первая шахта- большая поразмерам - являетсятопочной камерой(топкой). Взависимостиот мощностиагрегата исжигаемоготоплива ееобъем колеблетсяв широких пределах- от 1000 до 30000 м3 иболее. В топочнойкамере по всемупериметру ивдоль всейвысоты стенобычно располагаютсятрубные плоскиесистемы — топочныеэкраны. Ониполучают теплотупрямым излучениемот факела иявляютсярадиационнымиповерхностяминагрева. Всовременныхагрегатахтопочные экранычасто выполняютиз плавниковыхтруб, свариваемыхмежду собойи образующихсплошную газо-плотную(газонепроницаемую)оболочку.Газо-плотнаяэкранная системапокрыта оболочкойиз теплоизоляционногоматериала,которая уменьшаетпотери теплотыот наружногоохлаждениястен агрегата,обеспечиваетнормальныесанитарно-гигиеническиеусловия в помещениии исключаетвозможностьожогов персонала.
Вторая вертикальнаяшахта и соединяющийее с топочнойкамерой горизонтальныйгазоход служатдля размещенияповерхностейнагрева, получающихтеплоту конвекцией,и потому называютсяконвективнымигазоходами,а сама вертикальнаяшахта—коллективнойшахтой. Поверхностинагрева, размещаемыев конвективныхгазоходах,получили названиеконвективных.
После отдачитеплоты топочнымэкранам продуктысгорания покидаюттопку притемпературе900—1200°C (в зависимостиот вида топлива)и поступаютв горизонтальныйгазоход.
Помере движенияв трубах топочныхэкранов водапревращаетсяв пар. Поверхностинагрева, в которыхобразуетсяпар, являются испарительными, парообразующими.В прямоточномкотле испарительнаяповерхностьнагрева располагаетсяв нижней частитопки и потомуназываетсянижней радиационнойчастью (НРЧ).При СКД в нейразмещаетсярадиационныйэкономайзер.Вода, поступающаяв паровой котел,называетсяпитательнойводой.
Питательная вода содержитпримеси. В процессепарообразованияувеличиваетсясодержаниепара, вода приэтом упаривается,а концентрацияпримесей возрастает.При достижении определенных концентрацийв конце зоныпарообразованияна внутреннейповерхноститруб образуютсяотложения ввиде накипи.Теплопроводностьотложений вдесятки разменьше теплопроводностиметалла, изкоторого выполненыповерхностинагрева. Этоухудшаеттеплопередачук рабочей средеи при интенсивномобогреве втопочной камереприводит кперегревуметалла труб,снижениюпрочности иразрыву поддействиемвнутреннегодавления рабочейсреды.
Поверхностьнагрева, в которойзавершаетсяпарообразованиеи осуществляетсяпереход к перегревупара, называютпереходнойзоной. В этойзоне преимущественнои образуютсяотложения. Дляоблегченияработы металлав ранних конструкцияхпрямоточныхкотлов переходнуюзону выносилииз топочнойкамеры в конвективныйгазоход, гдеинтенсивностьобогрева примернона порядокменьше - вынесеннаяпереходнаязона. В настоящеевремя прямоточныекотлы питаютсяпрактическичистой водойи накипь необразуется,поэтому в современныхкотлах вынесеннойпереходнойзоны не делаюти рабочая средаиз НРЧ поступаетнепосредственнов вышерасположенныетопочные экраны, в которых паруже перегревается- радиационныйпароперегреватель.Он может состоятьлибо из двухповерхностейнагрева: среднейрадиационнойчасти (СРЧ) иверхней радиационнойчасти (ВРЧ),включенныхмежду собойпо пару последовательно,либо толькоВРЧ, включеннойнепосредственноза НРЧ. Из ВРЧчастично перегретыйпар поступаетв последнююпо ходу параповерхностьнагрева,расположеннуюв конвективномгазоходе —конвективныйпароперегреватель,в котором ондоводится донеобходимойтемпературы.Из конвективногопароперегревателяперегретыйпар заданныхпараметров(давления итемпературы)направляетсяв турбину. Каки любая конвективнаяповерхностьнагрева, конвективныйпароперегревательпредставляетсобой системубольшого числапараллельновключенныхмежду собойтрубчатыхзмеевиковиз стальныхтруб, объединенныхна входе и выходеколлекторами.
Температурапродуктовсгорания законвективнымпароперегревателемдостаточновысока (800—900°С).Частично отработавшийв турбине парснова направляютв паровой котелдля вторичного(промежуточного)перегревадо температуры,обычно равнойтемпературепара, выдаваемогоосновнымпароперегревателем.Этот пароперегревательполучил названиепромежуточного.
На выходеиз промежуточногопароперегревателяпродукты сгоранияимеют еще высокуютемпературу(500—600°С) и поэтомусодержащуюсяв них теплотуутилизируютв конвективномэкономайзере.В него поступаетпитательнаявода, котораяподогреваетсядо температуры,меньшей температурынасыщения.При этой температуревода поступаетв НРЧ. За экономайзеромтемпературапродуктовсгорания составляет300—450°C и более.Дальнейшаяутилизациятеплоты осуществляетсяв следующейконвективнойповерхностинагрева дляподогревавоздуха – воздухоподогревателе.Воздухоподогревательчасто представляетсобой системувертикальныхтруб, черезкоторые проходятпродукты сгорания,а между трубами—нагреваемыйвоздух. Температуравоздуха навходе в воздухоподогреватель(холодный воздух)30— 60°C, на выходе(горячий воздух)250—420°С в зависимостиот топлива испособа егосжигания.
При сжиганиитвердого топливав пыле видномсостояниигорячий воздухделят на двапотока. Первичныйвоздух служитдля подсушкитоплива приразмоле и транспортаготовой топливнойпыли черезгорелки в топочнуюкамеру. Температуратопливно-воздушнойсмеси 70—130°С.Вторичныйвоздух поступаетчерез горелкив топку непосредственно(минуя мельничнуюсистему) притемпературеза воздухоподогревателем.
После воздухоподогревателяпродукты сгоранияимеют уже достаточнонизкую температуру(110—160°С). Дальнейшаяутилизациятеплоты этихпродуктовсгоранияэкономическинецелесообразна,и их выбрасываютдымососомчерез дымовуютрубу в атмосферу.Они получилиназвание уходящихгазов,
В результатесжигания топливаостается зола,которая в основноймассе уноситсяпродуктамисгорания. Ееулавливаютв золоуловителе,размещаемомперед дымососом.Этим предотвращаетсяабразивныйизнос дымососови загрязнениеатмосферызолой. Уловленнаязола удаляетсяустройствамизолоудаления.Часть золывыпадает внижнюю частьтопки и такженепрерывноудаляется черезсистему золошлакоудаления.
Технологическаясхема производствапара с барабаннымикотлами отличаетсялишь конструкциейи работой самихпаровых котлов.В этом случаеобразующаясяв топочныхэкранах пароводянаясмесь поступаетв барабан.Выделившийсяв барабанепрактическисухой пар поступаетв пароперегреватель,а затем в турбину.
Из рассмотрениятехнологическойсхемы производствапара на рис.1следует, чтов состав котельнойустановкивходят:
топливныйтракт — комплексэлементов, вкотором осуществляетсяподача, дроблениеи размол твердоготоплива, еготранспортировкаи подача в топочнуюкамеру длясжигания.Топливныйтракт включаетдробильноеоборудование,транспортеры,бункер дробленоготоплива, углеразмольнуюмельницу исоединяющиеее с топочнойкамерой пылепроводы.До бункеровдробленкитопливо перемещаетсяконвейерами;сопротивлениепо топливномутракту, начинаяс мельницы,преодолеваетсянапором, создаваемымвентилятором;
водопаровойтракт, представляющийсобой системупоследовательновключенныхэлементовоборудования,в которых движетсяпитательнаявода, пароводянаясмесь и перегретыйпар. Водопаровойтракт включаетследующиеэлементыоборудования:экономайзер,топочные экраныи пароперегреватели;
воздушныйтракт, представляющийсобой комплексоборудованиядля приемкиатмосферного(холодного)воздуха, егоподогрева,транспортировкии подачи в топочнуюкамеру. Воздушныйтракт включаеткороб холодноговоздуха,воздухоподогреватель (воздушнаясторона), коробгорячего воздухаи горелочныеустройства;
газовыйтракт—комплексэлементовоборудования,по которомуосуществляетсядвижениепродуктовсгорания довыхода в атмосферу;он начинаетсяв топочнойкамере, проходитчерез пароперегреватели,экономайзер,воздухоподогреватель(газовая сторона),золоуловительи заканчиваетсядымовой трубой.
Воздушныйи газовый трактысоединяютсямежду собойпоследовательно.Так образуетсягазовоздушныйтракт. Переходот одного кдругому осуществляетсяв объеме топочнойкамеры. Здесьвоздух транспортируютдутьевымивентиляторамии соответствующийвоздушный трактна участкевентилятор— топка находитсяпод давлениемвыше атмосферного.Продукты сгораниятранспортируютдымососами,расположеннымипосле котла,в связи, с чемтопка и всегазоходы находятсяпод разрежением.Такую схемутяги и дутьяназываютуравновешенной,или сбалансированной.
Транспортвоздуха дотопки и продуктовсгорания довыхода в атмосферуможно такжеобеспечитьтолько дутьевыми вентиляторами- без дымососов.Топка и газоходыв этом случаебудут находитьсяпод некоторымизбыточнымдавлением –наддувом.
1.1.2 Технологическаяинструкцияпо эксплуатациипаровых котлов
Параметрыкотлов. Типыи параметрыэнергетическихпарогенераторов(котлов) стандартизированы(ГОСТ 3619-76). В соответствиис ГОСТ котлы,изготовляемыеТКЗ, имеют давление,производительностьи другие характеристики,равные одномуиз указанныхв таблице 1 комплектовзначений.
Таблица1.1 Основныепараметрыэнергетическихкотлов, изготовляемыхТКЗ (по ГОСТ3619-76)
| Показатели | Барабанныекотлы | Прямоточныекотлы | |||
Давлениепара на выходеиз котла, кгс/см2 | 100 115 220 - 215 540 - | 140 155 420 480 500 - 230 560 - | 140 155 670 200 243 545 545 | 140 - 1800 500 240 515 515 | 255 - 1000 2650 3950 300 800 1200 265 545 545 |
Давлениепара в барабане,кгс/см2 | |||||
| Производительностькотла, т/ч | |||||
| Электрическаямощностьэнергоблокас одним котлом,МВт | |||||
Температурапитательнойводы, C0 | |||||
Температурапервичногопара, C0 | |||||
Температурапромежуточногопара, C0 | |||||
Давление,температураи количествопара, возвращаемогоиз турбины вкотел дляпромежуточногоперегрева,зависят оттепловых особенностейтурбины и ненормируются.
Изтаблицы 1.1 видно,что в наиболеекрупных котлах,оборудованныхпромежуточнымпаронагревателем,температурапара меньше,чем в агрегатахпроизводительностьюот 420 до 500 т/ч безпромежуточногоперегрева пара.Частично этообъясняетсятем, что в крупныхкотлах прибольшой ширинегазоходовтруднее избежатьнеравномерногообогрева дымовымигазами отдельныхтруб. Крометого, при наличиив котле какпервичного,так и промежуточногопаронагревателейих выходныеучастки, в которыхтемпературапара имеетнаибольшеезначение, приходитсяразмещать взоне болеевысоких температурдымовых газов,чем в котлахбез промежуточногопаронагревателя.Поэтому котлыс промежуточнымперегревом пара работаютпри болеезначительномпревышениитемпературыметалла трубнад температуройпроходящегов них пара. Приодинаковойи даже при болеевысокой температурестенок трубтемпературапара должнаиметь у этихкотлов несколькоменьшее значение.
Маркировкакотлов. Различаютполную маркировкупо ГОСТ и сокращеннуюзаводскуюмаркировкукотлов. Наиболеешироко заводыприменяютсокращеннуюмаркировку,состоящую изнесколькихбукв и цифр.Первой для всехкотлов ТКЗявляется букваТ («Таганрогский»).Следующие буквыуказывают типкотла: букваП означаетпылеугольный,М- мазутный, Г-газовый, т.е.рассчитанныйна сжиганиегазообразноготоплива. К этимбуквам можетдобавлятьсябуква П- прямоточныйили Е- с естественнойциркуляциейводы.
1.1.3 Описаниетехнологическогооборудованиядля производствапара
Котлыбывают паровыеи водогрейные.
Паровойкотел - устройство,имеющее топку,обогреваемоепродуктамисжигаемогов ней топливаи предназначенноедля полученияпара с давлениемвыше атмосферного,используемоговне самогоустройства.
Водогрейныйкотел - устройство,имеющее топку,обогреваемоепродуктамисжигаемогов ней топливаи предназначенноедля нагреванияводы, находящейсяпод давлениемвыше атмосферногои используемойв качестветеплоносителявне самогоустройства.
Котел-утилизатор- паровой иливодогрейныйкотел, в которомв качествеисточника теплаиспользуютсягорячие газытехнологическогопроцесса.
Котел-бойлер - паровойкотел, в паровомпространствекоторого размещеноустройстводля нагреванияводы, используемойвне самогокотла, а такжепаровой котел,в естественнуюциркуляциюкоторого включенотдельно стоящийбойлер.
Стационарныйкотел – котел,установленныйна неподвижномфундаменте.
Передвижнойкотел – котел,имеющий ходовуючасть илиустановленныйна передвижномфундаменте.
Паронагреватель– устройство,предназначенноедля повышениятемпературыпара выше температурынасыщения,соответствующейдавлению вкотле.
Экономайзер– обогреваемоепродуктамисгорания топливаустройство,предназначенноедля подогреваили частичногоиспарения воды,поступающейв паровой котел.
Паровойкотел вместес дополнительнымиустройствами,представляющимисобой различныеаппараты,предназначенныедля преобразованияхимическойэнергии топливав тепловуюэнергию пара,называетсякотлоагрегатом.
Несколькокотлоагрегатов,объединенных в общем, помещении,образуют котельнуюустановку.
Котельнаяустановка можетсостоять и изодного котлоагрегата.
Котельныеустановки впромышленностипредназначаютсядля выработкипара, применяемогов паровых двигателях(паровых машинахи паровых турбинах)и при различныхтехнологическихпроцессах(варка, выпаривание,сушка и т.п.), атакже для отопления,вентиляциии бытовых нужд.
Поэтомув зависимостиот назначенияразличаютследующиеразновидностикотельныхустановок:
Энергетические- вырабатывающиепар для паровыхдвигателей;
Производственно-отопительные– вырабатывающиепар для потребностейпроизводства,отопления ивентиляции;
Отопительные– вырабатывающиепар для отопления производственных и жилых помещений;
Смешанногоназначения– вырабатывающиепар для снабженияодновременнопаровых двигателей,технологическихнужд и отопительно- вентиляционныхустановок.
Основнымиэлементамисовременногокотлоагрегатаявляются котел,топка, паронагреватель,экономайзер,воздухонагреватель,а также обмуровкаи каркас.
Дляуправленияработой котельногоагрегата иобеспечения нормальнойи безопаснойего эксплуатациион снабжаетсяконтрольно- измерительнымиприборами,приспособлениями,автоматамии арматурой.Сюда относятся:манометры,предохранительныеклапаны и устройства,водоуказательныеприборы, вентилии задвижки,служащие дляподключенияили отключениякотлоагрегатовот паровых,питательныхи спускных(продувочных)трубопроводов.
Топкаи газоходыкотла снабжаютсягарнитурой.В её составвходят: фронтовыедверцы, гляделки,лазы и шиберыв газоходах,люки для обдувкикотлоагрегатаот сажи и золы,взрывныепредохранительныеклапаны.
Вспомогательнымиустройствамикотлоагрегатаили котельнойустановки вцелом являются:питательныетрубопроводыи паропроводы,воздухопроводы,питательныенасосы и баки,оборудованиеводоподготовки,вентиляторыи дымососы,золоуловители,дымовая труба,склады длятоплива, устройствадля подачитоплива, удалениезолы и шлака.
Рабочимителами, участвующими в процессеполучениягорячей водыили пара дляпроизводственно– техническихцелей и отопления,служат вода,топливо и воздух.
Паровойкотел являетсяосновным элементомкотлоагрегата,он представляетсобой теплообменное устройство,через металлическиестенки которогопроисходитпередача теплаот горячихпродуктовгорения топливак воде для полученияпара.
Паропроизводительностькотельнойустановки илиеё мощностьпредставляетсобой суммупаропроизводительностей отдельныхкотлоагрегатов,входящих в еёсостав.
Паропроизводительностькотлоагрегатаопределяетсяколичествомкилограммомили тонн пара,производимогоим в час, обозначаетсябуквой D и измеряетсяв кг/ч или т/ч.
Топочноеустройствокотлоагрегатаслужит длясжигания топливаи превращенияего в химическойэнергии в теплонаиболее экономичнымспособом.
Пароперегревательпредназначендля перегревапара, полученногов котле за счетпередачи емутепла дымовыхгазов.
Водянойэкономайзерслужит дляподогревапоступающейв котел питательнойводы тепломуходящих изкотла дымовыхгазов.
Воздухоподогревательпредназначендля подогревапоступающегов топочноеустройствавоздуха тепломуходящих газов.
Топливныйсклад предназначендля хранениятоплива; егооборудуютмеханизмамидля разгрузкии подачи топливав котельнуюили к топливоподготовительномуустройству.
Топливоподготовительноеустройствов котельных,работающихна пылевидномтопливе, служитдля измельчениятоплива допылевидногосостояния; егооборудуютдробилками,сушилками,мельницами,питателями,вентиляторами,а также системойтранспортерови пылегазопроводов.
Устройстводля удалениязолы и шлаковсостоит измеханическихприспособлений:вагонеток илитранспортеровили тех и других,вместе взятых.
Устройстводля подготовкипитательнойводы состоитиз аппаратови приспособлений,обеспечивающихочистку водыот механическихпримесей ирастворенныхв ней накипеобразующихсолей, а такжеудаления изнеё газов.
Питательнаяустановкасостоит изпитательныхнасосов дляподачи водыв котел поддавлением, атакже соответствующихтрубопроводов.
Тяго–дутьевоеустройствосостоит издутьевыхвентиляторов,системы газо– воздуховодов,дымососа идымовой трубы,обеспечивающихподачу необходимогоколичествавоздуха в топочноеустройство,движение продуктовсгорания погазоходам иудаления продуктовсгорания запределы котлоагрегата.
Устройствотепловогоконтроля иавтоматическогоуправлениясостоит изконтрольно– измерительныхприборов иавтоматов,обеспечивающихбесперебойноеи согласованнуюработу отдельныхустройствкотельнойустановки для выработкинеобходимогоколичествапара определеннотемпературыи давления.
В даннойкурсовой работепредлагаетсяавтоматизациясистемы сиспользованиемпаровых котлов,входящих вкотлоагрегаты.
Такой выборобуславливаетсятем, что в Павлодаре,в частностина ТЭЦ, используютсякотлоагрегаты,в основе которых - паровые котлывысокойпаропроизводительности,которые снабжаютгород теплом,горячей водойи электроэнергией,а для промышленныхпредприятий(например, ОАО«АлюминийКазахстана»),находящихсяв черте города,они вырабатываютеще и пар, необходимыйдля технологическогопроцесса.
Рассмотримустройствопарового котла.
Котелпредставляетсобой металлическийсосуд, герметическизакрытый,обогреваемыйгорячими газамии предназначенныйдля получениягорячей водыили насыщенноговодяного парадавлением вышеатмосферного.
Котелпредставляетсобой цилиндрическийсосуд с выпуклымиднищами. Такаяформа приданакотлу как наилучшаяпо условиямпрочности длясосудов, работающихпод давлением.Этот котелсостоит изнаружного идвух внутреннихцилиндров. Кним привареныупомянутыевыше выпуклыеднища (переднееи заднее).
Вовнутреннихцилиндрах,называемыхжаровыми трубами,размещенытопки, имеющие горизонтальныеколосниковыерешетки. Каждаятопка имееттопочную дверцудля загрузкитоплива.
Подколосниковойрешеткой имеетсяпространство,которое называется зольником ипредназначенодля сбора золы,провалившейсяпри горениитоплива, а такжедля подводавоздуха в топку.
Пространствомежду наружными внутреннимцилиндрамислужит длязаполненияего водой ипаром, получающимсяпри работекотла.
Частьобъема котла,всегда заполненнаяводой до определенногоуровня, называетсяводяным пространством.
Тачасть внутреннегообъема котла,которая приработе постояннозаполненапаром, называется паровымпространством.Паровоепространствонеобходимодля сбора пара,образующегов котле, и в тоже время длятого, чтобыдать пару времявыделить увлеченные им частицыводы.
Рис.2 Паровойдвухжаротрубныйкотел
1- барабанкотла; 2- предохранительныеклапаны; 3- главныйпарозапорныйвентиль; 4-влагоотделитель;5- лаз для осмотра;6- обратный клапан;7- запорный вентильна питательнойлинии; 8- термическийводоумягчитель;9- днище котла;10- манометр насифонной трубке;11- водоуказательныестекла; 12- паропроводныекраны; 13- спускныевентили; 14- топочныедверцы; 15- колосниковаярешетка; 16- жароваятруба; 17- опорныестулья; 18- обмуровкакотла.
Поверхностькипящей водыв котле, отделяющаяводяной объемот парового,называетсязеркалом испарения.
Питательныйобъем (питательноеустройство)располагаетсямежду низшими высшим уровнямиводы в котле.Вода, заключеннаяв питательномобъеме, можетбыть превращенав пар без питаниякотла водой,поэтому этотобъем в процессеработы котламожет бытьзаполнен товодой, то паром.Назначениеего – датьвозможностькочегару болеелегко регулироватьработу котла.
Поверхностьметаллическихстенок котла,омываемая свнутреннейстороны водой,а с наружной– газами, называетсяповерхностьюнагрева, измеряетсяв квадратныхметрах и обозначаетсяHk.
Поверхностьнагрева подсчитываетсясо стороны,обогреваемойгазами.
Поверхностьнагрева, воспринимающаялучистое теплогорящего слоятвердого топливаили факелажидкого илигазообразноготоплива в топке,называетсярадиационнойповерхностьюнагрева.
Поверхностьнагрева остальныхчастей котла,воспринимающаятепло горячихдымовых газоввследствиесоприкосновенияс ними, называетсяконвективной.
Впаровом котлегорячими газамиомываетсятолько та частьего, котораяс внутреннейстороны охлаждаетсяводой. Омываниегорячими газамитой части котла,которая с внутреннейстороны соприкасаетсяс паром, недопускаетсяввиду возможногоперегреваметалла стеноккотла и образованияна них отдулин,могущих привестик разрыву стенкии взрыву котла(исключениемявляются вертикальныестоячие котлы,у которых частьжаровой трубысоприкасаетсяс наружнойстороны с газами,а с внутренней– с паром). Линия,отделяющаяобогреваемуюгазами поверхностьот необогреваемой,называется огневой линией.
Воизбежаниеобнажениястенок котлаи для обеспечениянадежностии безопасностиего работынаинизшийдопустимыйуровень водыв барабане,омываемомгазами, долженрасполагатьсяна 100 мм вышеобогреваемыхгазами стенокповерхностинагрева.
Длянаблюденияза уровнем водыв котле устанавливаютсяводоуказательныеприборы (водоуказатели).На приборахнаинизший инаивысшийдопустимыеуровни водыв котле отмечаютсяметаллическимистрелками,прикрепленнымик водоуказателю.
Наинизшийуровень воды должен бытьне менее чемна 25 мм выше нижнейвидимой кромкистекла водоуказателя,а наивысшийуровень долженбыть не менеечем на 25 мм нижеверхней видимойкромки стеклаводоуказателя;сверх этогоуровня нельзянакачиватьводу в котелв целях предотвращениявыброса водыв паропровод.
Расстояние между наивысшимии наинизшимиуровнями выбирают(в зависимостиот размеровкотлов) от 50 до100 мм.
Крометого, на этихуровнях ставятсяпароводопробныекраны, при помощикоторых можнотакже определить,находится лиуровень водыв допустимыхпределах.
Давлениепара в котледолжно бытьпостоянно приего работе; ононазываетсярабочим давлениеми контролируетсяманометром,устанавливаемомна сифоннойизогнутойтрубке, снабженнойтрехходовымкраном.
На случайпревышениядавления парасвыше рабочегона котле устанавливаютпредохранительныеклапаны, которыеавтоматическивыпускаютизбыток парав атмосферу.
Кромеуказанныхконтрольныхприборов, накотле устанавливаются:питательныйклапан и вентиль,через которыйв котел подаетсяпитательнаявода; паровойзапорный вентиль,через которыйотбираетсяпар из котла;спускныеприборы-вентили,устанавливаемыев самой нижнейчасти котладля периодическойпродувки отосевшей грязи(шлама) и спускаводы.
Циркуляцияводы в котле.Во время горениятоплива частьтепла передаетсякотлу непосредственноизлучениемот горящегослоя топлива.Горячие газыдвижутся погазоходам иотдают теплометаллическимстенкам котла,омываемымизнутри водой.Тепло, воспринятоенаружной стенкойкотла, вследствиехорошей теплопроводностиметалла передаетсяводе, находящейсяв котле. Водаподогреваетсяот температуры,при которойона поступаетв котельнуюустановку, дозаданной температурыили до температурыкипения призаданном давлениипара. Затемпроисходитиспарение воды,т.е. превращениеее в насыщенныйпар при постоянныхрабочем давлениии температуре.
Слои воды,соприкасающиесяс поверхностяминагрева котла,нагреваютсябыстрее, чемслои воды, несоприкасающиесяс ними, и какболее легкиеподнимаются,а на их местопритекает болеехолодная, вследствиечего и создаетсядвижение ее,которое называетсяциркуляцией.
Наиболеепростая схемациркуляцииводы в паровомкотле приведенана рис1.
Рис.3Схема циркуляцииводы в цилиндрическоми паротрубномкотах.
а – цилиндрическийкотел; б – водотрубныйкотел
обогреваемая подъемнаятруба;
верхнийбарабан;
необогреваемаяопускная труба;
нижнийбарабан.
При естественнойциркуляцииконтур образуетсяобогреваемойтрубой 2, необогреваемойтрубой 4 и двумябарабанами1 и 3, к которымэти трубыприсоединены.
Пока труба2 не нагревается,температураводы в замкнутомконтуре одинаковаи циркуляцияотсутствует.Как тольконачнется нагревтрубы 2, удельныйвес воды в нейсделаетсяменьше, чемудельный весхолодной водыв трубе 4, и вследствиеэтого образуетсянапор, под действиемкоторого водав трубе 2 станетподниматься,а холодная водабудет поступатьпо трубе 4. Приэтом начнетсяциркуляция,которая будеттем энергичнее,чем сильнеенагрев трубы2. Циркуляциябудет наиболеесильной, когданачнетсяпарообразованиеи труба 2 будетчастично заполненапароводянойсмесью, значительноболее легкой,чем вода.
У простыхцилиндрическихкотлов контур,по которомудолжна происходитьциркуляцияотсутствует,поэтому циркуляцияу этих котловочень слабая,а это связанос малой паропроизводительностьюкотлов и возможностьюаварий.
У рядаконструкцийкотлов обогреваютсяопускные иподъемные трубыциркуляционногоконтура, причемвторые сильнее,первые слабее.У таких котловчасто происходитнарушениециркуляциипо ряду причин:вследствиенеравномерностиобогрева параллельноработающихтруб, недостаточнойскорости водыв отдельныхрядах труб,шлакообразованиятруб и другихпричин.
Поэтому вцелях обеспечениянадежностициркуляцииу многих современныхкотлов опускныетрубы делаютнеобогреваемыми.
Во времяодного оборотаводы по циркуляционномуконтуру испаряетсяот 2,5 до 6% от всегоколичестваводы, циркулирующейв контуре; поэтомудля полногоиспарения водадолжна сделатьот 15 до 40 оборотов.Это число называетсякратностьюциркуляции.
Кромеестественнойциркуляции,в ряде конструкцийкотлов применяетсяпринудительнаяпри помощинасосов, приэтом кратностьциркуляциизначительноуменьшаетсяв сравнениис естественнойциркуляциейи равна 4-6 оборотам.
Непрерывноедвижение водыв паровом котлесмывает с поверхностинагрева паровыеи газовые пузырьки,что способствуетулучшениютеплопередачи,а также предохраняетстенки котлато разъедания(коррозии).
Одновременнос этим циркуляцияводы способствуетсмыванию осадков,выделяющихсяиз воды и отводуэтих осадковв нижнюю частьего, откуда онисистематическиудаляютсяпосредствомпродувки.
Подогревводы и парообразованиепроисходитбыстрее в болеетонких слояхводы. Перемещениенагретых частицводы в котлеусиливаетсяс появлениемпузырьков пара,так как удельныйвес пароводянойсмеси меньше,чем удельныйвес воды.
При достижениинормальногорабочего давленияпара в котлеоткрываютзапорный паровойвентиль, и парпоступает попаропроводук месту своегопотребления.С этого моментаподдерживаютпостоянноедавление; приэтом и температураводы в котлебудет такжепостоянной.
В случаепрекращенияподачи топливав топку принеизменномрасходе парадавление итемператураводы будетснижаться; принеизменномгорении топлива и подаче егов топку и прекращениирасхода парадавление параи температурыбудет повышаться.
Количествоводы в котлепо мере превращенияее в пар уменьшается,и для поддержаниянормальногоуровня нужноподавать свежуюводу в котелнасосом. Этавода называетсяпитательнойводой.
Вода, находящаясяв котле, называетсякотловой водой.
Количествопара в килограммах,снимаемое скаждого квадратногометра поверхностинагрева котла,называетсянапряжениемповерхностинагрева.
Количествопара, получаемогоиз котла в течениечаса в килограммахили тоннах,называетсяего паропроизводительностью.
Паропроизводительностькотла зависитот его конструкции,поверхностинагрева, количестваи качествасжигаемоготоплива, чистоты поверхностейнагрева, правильногообслуживанияи других условийи являетсяосновным показателемего работы.
В соответствиис законамифазового переходаполучениеперегретогопара характеризуетсяпоследовательнымпротеканиемследующихпроцессов:подогревапитательнойводы до температурынасыщения,парообразованияи, наконец, перегреванасыщенногопара до заданнойтемпературы.Эти процессыимеют четкиеграницы протеканияи осуществляютсяв трех группахповерхностейнагрева. Подогревводы до температуры насыщенияпроисходитв экономайзере,образованиепара – в парообразующей(испарительной)поверхностинагрева, перегревпара – в пароперегревателе.
В целяхнепрерывногоотвода теплотыи обеспечениянормальноготемпературногорежима металлаповерхностейнагрева рабочеетепло в них –вода в экономайзере,пароводянаясмесь в парообразующихтрубах и перегретыйпар в пароперегревателе - движетсянепрерывно.При этом водав экономайзереи пар в пароперегревателедвижутся однократноотносительноповерхностинагрева. Придвижении водыв экономайзеревозникаютгидравлическиесопротивления,преодолеваемыенапором, создаваемымпитательнымнасосом. Давление,развиваемоепитательнымнасосом, должнопревышатьдавление вначале зоныпарообразованияна гидравлическоесопротивлениеэкономайзера.Аналогичнодвижение парав пароперегревателеобусловленоперепадомдавления, возникающиммежду зонойпарообразованияи турбиной.
В парообразующихтрубах совместноедвижение водыи пара и преодолениегидравлическогосопротивленияэтих труб вкотлах различныхтипов организованопо – разному.Различаютпаровые котлыс естественнойциркуляцией,с принудительнойциркуляциейи прямоточные.
Агрегаты,в парообразующихтрубах которыхдвижение рабочеготела создаетсяпод воздействиемнапора циркуляции,естественновозникающегопри обогревеэтих труб, называетсяпаровыми котламис естественнойциркуляцией.
В парообразующихтрубах можноорганизоватьдвижение рабочеготела принудительно,например насосом,включеннымв контур циркуляции,такие агрегатыназываютсякотлами смногократнойпринудительнойциркуляцией.
Электрическиестанции, ихместо в технологическомпроцессепарообразования
Электрическаястанция представляетсобой промышленноепредприятиедля выработкиэлектрическойэнергии. Основноеколичествоэнергии в СССРи в крупных иэкономическиразвитых странахпроизводилисьна тепловыхэлектростанциях(ТЭС), использующиххимическуюэнергию сжигаемогоорганическоготоплива. Электрическуюэнергию вырабатываюттакже на тепловыхэлектрическихстанциях, работающихна ядерномгорючем, - атомныхэлектрическихстанциях (АЭС)и на электростанциях,использующихэнергию потоковводы, - гидроэлектростанциях.
Независимоот типа электростанцииэлектрическуюэнергию, какправило, вырабатываютцентрализованно.Это значит, чтоотдельныеэлектрическиестанции работаютпараллельнона общую электрическуюсеть и, следовательно,объединяютсяв электрическиесистемы, охватывающиезначительнуютерриториюс большим числомпотребителей,уменьшаеттребуемуюрезервнуюмощность, снижаетсебестоимостьвырабатываемойэлектроэнергииза счет рациональнойзагрузкиэлектростанций,входящих вэлектрическуюсистему, и позволяетустанавливатьагрегаты большойединичноймощности. Широкопользуютсяи централизованнымснабжениемтеплотой в видегорячей водыи пара низкогодавления,вырабатываемыхна некоторыхэлектростанцияходновременнос электрическойэнергией.Электрическиестанции, электрическиеи тепловыесети, а такжепотребителиэлектрическойэнергии и теплотыв совокупностисоставляютэнергетическуюсистему. Отдельныеэнергетическиесистемы соединяютмежсистемнымисвязями повышенногонапряженияв объединенные энергетическиесистемы.
Тепловыеэлектростанции.Основными тепловымиэлектрическимистанциями наорганическом топливе являютсяпаротурбинныеэлектростанции,которые делятсяна конденсационные(КЭС), вырабатывающиетолько энергетическуюэнергию, и теплофикационные(ТЭЦ), предназначенныедля выработкиэлектрическойи тепловойэнергии.
Паротурбинныеэлектростанциивыгодно отличаютсявозможностью сосредоточенияогромной мощностив одном агрегате,относительновысокой экономичностью,капитальныминаименьшимизатратами наих сооружениеи короткимисроками строительства.ОсновнымитепловымиагрегатамипаротурбиннойТЭС являютсяпаровой котели паровая турбина.
Паровойкотел представляетсобой системыповерхностейнагрева дляпроизводствапара из непрерывнопоступающейв него водыпутем использованиятеплоты, выделяющейсяпри сжиганиитоплива, котороеподается втопку вместес необходимымдля горениявоздухом. Поступающуюв паровой котелводу называют питательнойводой. Питательнаявода подогревается до температурынасыщения,испаряется, а выделившийсяиз кипящей(котловой) водынасыщенныйпар перегревается.
Присжигании топливаобразуютсяпродукты сгорания- теплоноситель,который вповерхностяхнагрева отдаеттеплоту водеи пару, называемыйрабочим телом.После поверхностейнагрева продуктысгорания приотносительнонизкой температуреудаляются изкотла черездымовую трубув атмосферу.На электростанцияхбольшой мощностидымовые трубывыполняютвысотой 200-300м ибольше, чтобыуменьшитьместные концентрациизагрязняющихвеществ в воздухе.В результатегорения топливаостаются золаи шлак, которыетакже удаляютсяиз агрегата.
Описаниесистемы управлениякотлоагрегатом
В даннойкурсовой работеопишем системууправленияТЭЦ, в основекоторой лежитработа котлоагрегата,причем будемделать ссылки,касающиесянепосредственноработы ТЭЦ-1города Павлодара.
Схемакотлоагрегата,работающегона пылевидномугле, приведенана рис.4 (приложение1).
Топливос угольногосклада последробленияподается конвейеромв бункер сырогоугля 1, из которогонаправляетсяв систему пылеприготовления,имеющую углеразмольнуюмельницу 2. Воздухом,нагнетаемымспециальнымвентилятором3, пылевидноетопливо транспортируетсяпо трубам кгорелкам 4 (гдесжигается ввиде факела14, состоящегоиз светящихсяпродуктовсгорания (дымовыхгазов)) топкикотла 5, находящегосяв котельной6. Стены топочнойкамеры (топки)делаются изогнеупорногокирпича, а навнутреннейстороне их (состороны факела)закрепленытак называемыеэкранные трубы(экраны). В нижнюючасть этих трубчерез коллекторы15 поступаетнагретая дотемпературыкипения вода,а из верхнейчасти (посленагрева водытеплотой, излучаемойфакелом) выходитсмесь пара сводой, котораяпо трубам 16отводится вбарабан 17. В этомбарабане, находящемсяснаружи котлоагрегатаи вне зоны обогрева,пар отделяетсяот воды, котораяпо опускнымтрубам 18 вновьподводитсяк нижним коллекторам15. В барабанекотлоагрегатаотделившийсяот воды паримеет температурукипящей поддавлением воды(обычно 300-350
)и называетсянасыщеннымпаром. Однакодля увеличенияк.п.д. ТЭЦ целесообразноподнять еготемпературудо 550-570 .Для этой целинасыщенныйпар из барабанапо трубам 19направляютв пароперегреватель20, состоящийиз трех частей:радиационной,ширмовой иконвективной.Газы на путик верхней частитопки несколькоохладились(и потому пересталисветиться), ноеще обладаютдостаточновысокой температурой(около 900-1000 ).Пройдя пароперегреватель,пар приобретаетнеобходимуюдля работытурбины температуру540-565 (такназываемыйперегретыйпар), а дымовыегазы охлаждаютсядо 400-500 .Перегретыйпар из трубокпароперегревателя20 собираетсяв коллекторе21, из которогозатем по паропроводунаправляетсяк турбине. Теплотууходящих изпароперегревателядымовых газовцелесообразноиспользоватьдля предварительногонагрева испаряемогозатем в экранахводы, а такжеи воздуха,необходимогодля сжиганиятоплива. Длятакого подогреванужное дляполучения параколичествоводы (ее называютпитательнойводой) пропускаютчерез специальнуюзмеевиковуютрубную систему22, называемуюэкономайзером.Вода для питаниякотла нагнетаетсяпитательнымнасосом 8 избака питательнойводы 7, имеющегодеаэрационноеустройство.Питательнаявода, проходяпо змеевикамснизу вверхподогреваетсяпочти до температурыкипения, послечего из верхнейчасти экономайзерапо соединительнымтрубам (23-24 трубы)поступает вбарабан 17. Нужныйдля сжиганиятоплива воздухзасасываетсядутьевым вентилятором9 и подается имчерез воздухоподогреватель25, в которомнагреваетсядымовыми газамидо температуры250-350
по специальным коробам к горелкам4. Подача в топкугорячего воздухаоблегчаетвоспламенениетоплива, обеспечиваетего полноесжигание иповышает температуругорения. Ввоздухоподогревателе25 целесообразнопропускатьвоздух снаружитруб, а газы потрубам.За счетэкономайзераи воздухоподогревателятемпературадымовых газовможет бытьснижена дотемпературы110-130
,при которойих направляютв специальнуювращающуюсямашину – дымосос11, отсасывающийуходящие газыиз котлоагрегатагазы и выбрасывающийих в дымовуютрубу 12. Присжигании твердоготоплива лопаткидымососовнеобходимозащищать отистирания золойспециальноустановленнымизолоуловителями10. Степень очисткиуходящих газовтакими золоуловителямидолжна бытьочень высокой(со степеньюулавливания99,5% все твердыхчастиц), чтотребуется дляустранениязагрязненияокружающейсреды (атмосферы)эоловыми выбросамииз дымовойтрубы, которуюдля этой жецели сооружаютвысотой 200-300 м. Уловленнаяиз дымовыхгазов пылевиднаязола и выпавшийв нижнюю частьтопки шлакудаляются, какправило, в потокеводы по каналам,а затем образующаясяпульпа откачиваетсяспециальнымибагерныминасосами 13 иудаляется потрубопроводам.Однако в связис тем, что золаможет использоватьсядля нужд строительства,например какинертная добавкав бетон (а дляэтой цели онадолжна выводитьсяиз котельнойв сухом виде),в последнеевремя интенсивновнедряетсятранспорт золыв сухом виде– обычно с помощьювоздушногопотока.
Поступающийиз котлоагрегатапар приводитво вращениеротор паровойтурбины, наодном валу скоторым устанавливаетсяэлектрическийгенератор.После вводав турбину паррасширяетсяв каналахспециальногопрофиля (соплах),где за счетразницы в давлениипара до и послесопла скоростьпара меняетсяот 34-40 до 400-500 м/с сувеличениемпри этом егокинетическойэнергии. Чембольше разницав давлениипара, входящегои выходящегоиз нее, тем большаяработа можетбыть полученас каждой единицымассы пара(килограммаили тонны). Всовременныхтурбинах отработанныйпар уходит вконденсаторпри давленияхв 25-30 раз меньших,чем давлениевоздуха наповерхностиземли.
Удалениепара, достигающегов конце работыего в турбинестоль низкихдавлений, значительнооблегчается,если превратитьего в воду. Причинаэтого заключаетсяв том, что массаводы при данномдавлении занимаетзначительноменьший объем,чем эта же массав виде пара.Превращениепара в водупроисходитпри соответствующемего охлаждениии называетсяконденсациейпара.
В турбиннойустановкеэлектростанциидля конденсациипара послетурбины устанавливаетсяспециальныйаппарат, называемыйконденсатором,а турбину, вкоторой паррасширяетсядо столь низкогодавления,конденсационнойтурбиной.
В основеработы ТЭС лежит известныйзакон сохраненияэнергии, которыйгласит: энергияне исчезаети не создаетсявновь, а можетлишь превращатьсяиз одного видав другой.
НазначениеТЭС состоитв том, чтобытепловую энергиюпоступающеготоплива преобразовыватьв электрическую.Однако преобразовыватьвсю энергиютоплива вэлектрическуюна конденсационнойэлектростанциинельзя, так какзначительнуючасть тепла,полученногоот топлива,приходитсябесполезноотводить черезконденсатор.Решение этойпроблемы –теплофикация.
На ТЭЦустанавливаютсяспециальноготипа, позволяющиеотбирать частьрасширяющегосяв них пара дляподачи егопотребителям.Оставшаясячасть параиспользуетсядля нагревагорячей водыобычно от 75
до 115 .При такомиспользованиитепло отработанногов турбине паране уходит спроточной водойв реку, а используетсядля целейтеплоснабжения.Примеромтакой теплоэлектроцентралиявляется ПавлодарскаяТЭЦ-1, котораяснабжает потребителейне толькоэлектроэнергией,но также и тепломв виде пара игорячей воды.Пар направляетсяна фабрики изаводы, гдеиспользуетсядля целейпроизводства.Горячая водаиспользуетсядля отоплениязданий и нуждгорячеговодоснабжения(бани, ванны,души, бассейны).
Выбор принципиальныхтехническихрешений
Постановкаи декомпозицияобщей задачи
Системауправлениясовременнымитепловымиэлектростанциямиавтоматизированаи имеет двауровня:
Автоматизированнаясистема управленияотдельнымитехнологическимипроцессами(АСУТП);
Управлениетепловойэлектростанцией(АСУ ТЭС). К числуустройствавтоматики тепловыхэлектростанцийотносятсятехнологическиезащиты, блокировкаи сигнализация,регуляторыи системыавтоматики.
Технологическиезащиты энергетическихи блоков обеспечиваютих отключениепри аварийныхрежимах; падениивакуума турбин;резком отклонениипараметровпара от проектных;сбросах нагрузок;отключениитягодутьевыхмеханизмов;прекращениипитания котлоагрегатов;прекращенииподачи топлива.
Автоматическоерегулированиетепловых процессовосуществляетсяс помощью системавтоматическогорегулирования.
Главнаяособенностьпроизводствапара состоитв относительноневысокойскорости протеканиятехнологическогопроцесса и егонепрерывности.Организациятакого способапроизводствабудет болееэффективнойв случае автоматизации,посколькупроцесс будетидти равномерно,сократитсячисленностьобслуживающегоперсонала,удлинится срокслужбы оборудования,сократитсярасход сырья,топлива иэлектроэнергии,увеличитсяпроизводительностьаппаратуры.Также следствиемавтоматизациипроизводстваможно считатьоблегчениеусловий трудаи снижениесебестоимостипроизводствапара.
Автоматизацияпроизводствапара заключаетсяв автоматическомконтроле ирегулированииподачи питательнойводы, процессагорения, температурыперегретогопара, водногорежима, паропроизводительностикотлоагрегатов,разрежениев топке котлапутем установкиконтрольно-измерительныхприборов ирегулирующихустройств.
Котельныеустановки какобъект регулирования
Котельнаяустановкаявляется сложнымкомплексоммашин и механизмов,работающихв едином технологическомпотоке (рис.5,Приложение2).
Вобъем котельнойустановки,кроме основногопроизводства,могут входитьнесколькоцехов: подготовкиводы, подготовкии транспортировкитоплива, теплоснабженияпотребителейсетевой водой для отопленияи водой длягорячеговодоснабженияи др.
В каждом изэтих цеховнаходятсяагрегаты идвигатели,многие из которыхавтоматизированы,блокированымежду собойили входят всистему АСУ(автоматическуюсистему управления).
Но все этивспомогательныецехи и установкилибо направленына созданиебесперебойнойработы котлоагрегатаи турбин ТЭЦ,либо являютсяустройствами,призваннымираспределятьэнергию, вырабатываемуютеплосиловойустановкой.
Основнымэнергоемкимагрегатом, откоторого зависитэкономичнаяработа тепловойстанции, остаетсякотельныйагрегат. Поэтомуособое значениепридаетсясистеме регулированиятепловогопроцесса котельногоагрегата.
Рис. 5 Схемакотельногоагрегата сосновнымиточками регулирования:
1 – топка котла,2 – барабан котла,3 – пароперегреватель,4 – экономайзер,5 – турбина, 6 –дымосос, 7 –вентилятор,ОК – отсечныйклапан, РОТ –регулирующийорган топлива,РК – регулирующийклапан питательнойводы, ИМ – исполнительныймеханизм, РУ– регуляторуровня, РД –регулятордавления, БРОУ– быстровключающаясяредукционно– охладительнаяустановка, Д– диафрагма,РТ – регулятортяги, РИВ – регуляторизбытка воздуха,КР – корректирующийрегулятор, РН– регуляторнагрузки, t –термопара.
Топливо,сжигаемое втопке 1, выделяетопределенноеколичествотепла, котороевоспринимаетсяактивнымиповерхностяминагрева котла.Обычно этоэкранныеводонагревательныетрубки, которые,спускаясь избарабана котла,опоясываюттопочное пространствои создают замкнутыйконтур циркуляцииводы.
Тепло, передаваемоеэкранным трубамгорячими газами,заставляетводу в трубахвскипать, и ва последнихобразуетсяпароводянаясмесь. Плотностьтакой смесименьше плотностиводы, поэтому нагретая пароводянаяэмульсия подымаетсявверх по трубами попадает вбарабан котла,где пар отделяетсяот воды и занимаетверхний объембарабана. Поопускнымнеобогреваемымтрубам, которыевнизу котласоединены собогреваемымитрубами, наместо ушедшейв барабан котлаэмульсии поступаетвода и сноваобразуетсяэмульсия,подымающаясявверх. Такимобразом, в котлесоздаетсяпостоянная циркуляцияводы.
Образовавшийсяпар собирается в барабанекотла 2 и черезпаронагреватель3 поступает впаровую турбину5. продукты сгораниятоплива (в видетопочных газов)отсасываютсядымососом 6.
На своем путитопочные газыомывают трубки пароперегревателя3 и водяногоэкономайзера4.
Вторичноеиспользованиетепла дымовыхгазов повышаеткоэффициентполезногодействия, таккак теплоиспользуетсядля повышенияэнергетическихпоказателейпара, а подогретаяпитательнаявода, поступаяв барабан, неохлаждаетнаходящуюсятам воду. Подогретаявода послеводяного экономайзерапоступает черезпитательныйклапан РК вбарабан, восполняяпотери водыс отбираемымпаром.
Топливо втопку (в данномслучае горючийгаз) поступаетчерез отсечныйклапан ОК ирегулирующийорган РОТ. Нормальныйрежим горениятоплива обеспечиваетсяподачей в топкувоздуха отвентилятора7.
Для того чтобыподдерживатьэкономичныйи устойчивыйрежим котельногоагрегата, надо,прежде всего,выбрать параметр,который легбы в основурегулированияподачи топливав топку. В индивидуальныхкотельныхагрегатах,работающихкаждый на своютурбину, такимпараметромявляется давлениепара в барабанекотла. Действительно,ели в топкесгорает столькотоплива, сколькотребуется дляобразованияпара, покрывающегоего расход, тодавление вбарабане котлабудет неизменным.Иначе говоря,подвод теплак котельномуагрегату отсгорающеготоплива, с учетомкоэффициентаполезногодействия, долженсоответствоватьуходу теплас отбираемымпаром.
Если количествопара, поступающегов топку, превышаетрасход теплас уходящимпаром, то парообразованиев котле будетпротекать болееинтенсивнои давление вбарабане увеличится.Если количествопара тепла,отбираемоес паром, превышаеттепло, подаваемоес топливом,давление вбарабане котлабудет падать.
Количествотепла, подаваемого в топку, можетизменятьсяпо причинеизменениясостава икалорийноститоплива. Но,если считать,что составподаваемоготоплива неменяется, чтосоответствуетдействительностидля газовогои жидкого топлива,то изменениеподачи топливав топку можетбыть вызванотолько однойпричиной –изменениемколичестваотбираемогопара. Поэтомупроцесс регулированияподачи топливаназываетсярегулированиемнагрузки котла,а регулятор,ведущий этотпроцесс, называетсярегуляторомнагрузки.
РегуляторРН получаетимпульс давленияв барабанекотла и передаеткоманду наисполнительныймеханизм ИМ,который перемещаетрегулирующийорган топливаРОТ. Регуляторне просто передаеткоманду нарегулирующийорган, он еёобрабатываетв соответствиис законамирегулирования.Дело в том, чтопроцесс образованияпара в котлене сразу изменяетсяколичествовыработанногопара. Причинойэтого являетсято, что сам процессобразованияпара происходитво времени,кроме того,часть теплатратится нанагреваниетопочных масскотла.
Представимсебе в развернутомвиде переходной процесс послеизмененияотбора параили, иначе говоря,возмущениясистемы регулирования.Пусть в результатеувеличенияотбора парадавление вбарабане упало.Для того, чтобыотдать командуна восстановлениедавления, регулятордолжен учесть,на какую величинуупало давление,а зачастую, ис какой скоростьюоно падает.Когда подачатоплива в топкуувеличится,часть увеличеннойподачи теплауйдет на нагревтопочной кладки,деталей топочногоустройства,металла экранныхтрубок и т.д.Следовательно,для того, чтобыускоритьвосстановлениедавления вбарабане котла,регулятордолжен податькоманду, учитывающуюэтот повышенныйрасход тепла.
Вместе с тем,когда процессустановитсяв новом режиме,все части котлапрогреваются,и эта добавочнаяпорция тепла,если её не снять,приведет кповышеннойвыработке пара,а, следовательно,к увеличениюдавления вышенормы.
Все это должнобыть учтенорегулятором:после началаперестановкирегулирующегооргана подачатоплива увеличится;давление начнетвосстанавливаться;по мере приближениядавления кнорме регулятордолжен замедлятьдвижениерегулирующегооргана и прекратитьего перестановку,когда давлениедостигнетнормы.
Однако в силувышесказанныхпричин, а такжеошибок регулятора,инерционностиисполнительногомеханизма ирегулирующегооргана, процессредко на этомзаканчивается.Чаще всегорегулирующийорган к моментувосстановлениядавления занимаетположение,соответствующееповышенной,против требуемого,подачи топлива.Поэтому давлениев котле будетрасти и процессрегулированиябудет повторятьсяс обратнымзнаком.
Пройдутнесколькоколебаний всейсистемы, преждечем процессустановится.Такие колебанияявляются оченьнежелательнымидля котельногоагрегата, таккак, кроме того,что такой режимявляется оченьнеэкономичным,он приводитк тепловымперегрузками деформациямвсех частейкотла. Правильныйвыбор регулятораи его точнаянастройказаметно уменьшаютпереходныйпроцесс и улучшаютрежим работыкотла.
Для обеспеченияпроцесса горениятоплива в топкудолжно бытьподано определенноеколичествовоздуха, кислородкоторого необходимдля полногосгорания топлива.Избыток подаваемоговоздуха вызоветповышенныйунос тепла стопочнымигазами и приведетк переохлаждениютопочногопространства,а недостаточнаяподача воздуха– к неполномусгоранию топлива.Поэтому соответствующаярасходу топливаподача воздухаявляется второйзадачей, которуюдолжен обеспечиватьрежим автоматическогорегулирования.
В топку подаетсянебольшойизбыток воздухапо сравнениюс тем, которыйнужен для полногосжигания топлива.Этот избытокопределяетсякоэффициентомизбытка воздуха,который устанавливаетсяпри тепловыхиспытанияхкотлоагрегата.Задача автоматическогорегулированиязаключаетсяв обеспечении подачи воздухав строгомсоответствиис этим коэффициентом.Если характеристикасистемы «топливо- регулирующийорган» линейна,т.е. перемещениерегулирующегооргана прямопропорциональноколичествутоплива, подаваемогов топку, то сигнало количествеподаваемоготоплива можноснять с датчикадистанционнойпередачиисполнительногомеханизмарегулирующегооргана топлива.Этот сигналвоспринимаетсярегуляторомизбытка воздухаРИВ, которыйотдает командуисполнительномумеханизму ИМ,служащемуприводомнаправляющегоаппарата вентилятора7.
Топочныегазы должныбыть полностьюудалены. Полногоудаления продуктовсгорания можнодостичь обеспечениемопределеннойпроизводительностидымососа 6. Длятого чтобытопочные газыне выбивалисьиз топки наружу,необходимоподдерживатьопределенноеразряжениев топке котла.Вместе с тем,увеличениеэтого разряженияприводит кповышенномуподсосу воздухачерез не плотностив стенкахкотлоагрегата.В котле попадаетне подогретый воздух. Повышаютсяпотери с отходящимигазами, так каквозрастаетскорость дымовыхгазов, нерациональноувеличиваетсярасход электроэнергиина привод дымососа.Все это ведетк уменьшениюкоэффициентаполезногодействия котла.
Импульсразряженияснимается вверхней частитопочной камерыв связи с тем,что в нижнихчастях топкимогут бытьразличногорода подсосы.Поэтому, поддерживаяразряжениев верхней частитопки, можнобыть уверенным,что в другихчастях топкиразряжениеможет бытьтолько больше,но не меньше.Импульс разряженияпередаетсяна регуляторРТ, которыйчерез исполнительныймеханизм поворачиваетнаправляющийаппарат дымососа.
Регулированиеуровня в барабанекотла осуществляетсярегуляторомРУ. Командауровня передаетсяна регулирующийклапан РК. Приснижении уровняклапан открывается.При увеличенииуровня – прикрывается.
Такой представляетсяупрощеннаякартина регулированияуровня. На самомделе на уровеньв барабанекотла влияетцелый ряд факторов.К этим факторамотноситсятепловая нагрузкатопки, давлениепара в барабанекотла, расходпара из барабанакотла и подачапитательнойводы в барабан.
В установившемсясостояниитепловогорежима количествотепла, воспринимаемоеэкраннымитрубками, вовремени постояннои количествообразовавшегосяпара в котлесоответствуетколичествупара, отбираемомупотребителем. При этом количествопузырьков парав экранныхтрубках постояннаплотность иобъем пароводянойэмульсии.
Любое нарушениеустановившегосясостояниятепловогорежима приводитк изменениюсоотношениямежду среднимсодержаниемпара и воды вэкранных трубах.
При увеличениитепловой нагрузкитопки количестватепла, передаваемоеповерхностяминагрева, увеличивается,следовательно,увеличиваетсяинтенсивностьпарообразования.Увеличениеколичествапузырьков парав пароводянойэмульсии приводитк увеличениюобъема, чтосказываетсяна уровне вбарабане котла– уровеньувеличивается.Увеличениедавления вбарабанекотлоагрегата приведет куменьшениюсодержанияпара в пароводянойэмульсии, таккак при повышенномдавлении частьпузырьков парасконденсируетсяи превратитсяв воду. Поэтомупри повышениидавления уровеньбудет понижаться.
Рассмотримпроцесс измененияуровня привозмущениитепловогопроцесса вслучае нагрузкина котел.
Увеличениепотребленияпара потребителямпри неизменной подаче топливаприведет куменьшениюдавления вбарабане котла,что вызоветувеличениеобъема пароводянойэмульсии, такназываемое«набухание».В результате эффекта «набухания» уровень в барабанекотла довольнозначительновозрастет.Величина изменения уровня зависит от тепло напряженности поверхностей нагрева иколичества воды, содержащейся в котле.
В котлах сбольшим водянымобъемом, неимеющих экранных поверхностей, изменение уровня приизменениинагрузки почти не ощущается.В котлах с однимбарабаном исильно развитым топочным экраном« набухание» уровня можетдостигнутьвеличины порядкасотен миллиметров.
Увеличениеуровня в барабане котла воспринимаетсярегуляторомкак сигнал кснижению подачипитательной воды. Уменьшениеколичества питательнойводы, подаваемой в барабан котла,приведет кувеличениютемпературы воды, а, следовательно, к еще большему«набуханию».Однако с увеличениемнагрузки котлаколичествоводы, уходящейв виде пара,увеличивается,что в концеконцов приведет к устойчивомуснижению уровняв барабане.
Таким образом,увеличение нагрузки сначалаприведет крезкому увеличениюв результате«набухания»,а затем к снижениюего в результатеповышенногорасхода воды.
Для того чтобырегуляторреагировална причины,вызывающиеизмененияуровня, он долженвосприниматьсигналы нетолько уровняв барабанекотла, но и расходапара, а частои расхода питательнойводы, подаваемойв котел. Причемсигнал расходапара подаютв регуляторсо знаком, обратнымсигналу уровня.
В результатеявления «набухания»уровень в барабанекотла изменяется настолькобыстро, чторегулятор неможет повлиятьна величинуэтого отклонения.Даже полноезакрытие клапанапитательнойводы в моментувеличениянагрузки почтине уменьшаетотклонениеуровня в процессе«набухания».Но если позволитьрегуляторуполностьюзакрыть питательныйклапан, то возникаетопасностьупуска уровняв последующийпериод, когдауровень начнетустойчивоснижаться засчет несоответствияподачи водыв барабан ирасхода пара.
Поэтому, привведение врегуляторсигнала порасходу парапроцесс регулированиябудет выглядетьследующимобразом: в первыйпериод послеувеличениянагрузки регулятор,приняв сигналувеличенногорасхода пара,выдаст командуна питательныйклапан и онначнет открываться;в следующийпериод начнется«набухание»,этот сигналзаставит регуляторпрекратитькоманду наоткрытие питательногоклапана. Еслипосле этогоуровень в барабанене установится,а будет изменяться,то этот сигнализмененияуровня, нескомпенсированныйсигналом расхода,снова приведетк перемещениюпитательногоклапана довосстановленияуровня.
Если питательныйнасос подаетводу на параллельноработающиекотлы, то приотключенииодного из нихдавление, создаваемоепитательнымнасосом, увеличится(впоследствииуменьшениянагрузки котла).Увеличениедавления приведетк повышенномуколичествуводы, подаваемойв оставшиесяв работе котлы,вследствиечего уровеньв них повысится. Для предупрежденияподобногоявления в регуляторзаводят ещеодин сигнал– по расходупитательнойводы.
Автоматическийпроцесс регулированиятепловогорежима котельногоагрегата, работающегона турбину,осложняетсяеще тем, чтотурбина и котелкак объектрегулированияимеют разныескорость разгона,т.е. скоростивосстановленияноминала параметра.Турбина можетизменять потреблениепара со скоростью,сопоставимойс временемзакрытия регулирующихклапанов. Изменениевыработки паракотлом происходитзначительномедленнее.Поэтому прирезком сбросеили наборенагрузки давлениепара в паропроводеперед турбинойможет значительноменяться.
Для защиты от резкогоповышениядавления впаропроводе служит быстровключающаясяредукционно-охладительная установкаБРОУ. При сбросенагрузки, когдадавление парабыстро растети регуляторнагрузки неуспевает привестиагрегат в нормальныйрежим, давлениеможет поднятьсявыше определенногопредела, тогдарегулятордавления РЛоткрываетклапан БРОУи сбрасываетизлишек парав конденсаттурбины.
Обычно давление,на котороенастроен регуляторРД, нескольковыше настройкирегулятора нагрузки, и дотех пор, покарегуляторнагрузки РН не приведетдавление вбарабане внорму, регуляторРД с помощьюБРОУ будетподдерживатьдавление нескольковыше нормального.
На тактегазового топливаобязательноустанавливаетсяотсечный клапанОК. Его задачейявляется обеспечитьотсечку газав случае погасанияфакела в топкекотла, иначегаз может выходитьв помещениекотельной. Вкачестве датчикапогасанияпламени используетсяфотоэлементили термопара.Ток, проходяпо обмоткамсоленоидаклапана ОК,удерживаетего в открытомсостоянии. Припогасаниипламени выходнойсигнал термопарыуменьшается,и клапан ОКзакрывается.При розжигекотла клапанОК открываетсявручную.
Штрих пунктиромпоказаны связиавтоматически,когда котелработает нев индивидуальномрежиме, а в групповом– несколькокотлов работаютна один паропровод.В этом случаенельзя вестирегулированиетолько индивидуальнымирегуляторамиРН, так как припадении давленияв магистралионо упадет ина барабанекаждого котла.Регуляторнагрузки каждогоагрегата будетстремитьсявосстановитьдавление. Нотак как агрегатыимеют разнуюинерционность,то те из них,которые менееинерционны(у которых скоростьразгона больше),быстрее наберут необходимуюмощность ибыстрее восстановитдавление. Новосстановлениедавления набарабане - этото же, что восстановлениедавления намагистральномпаропроводе.Поэтому регуляторыкотлов с большейинерционностьюперестанутнабирать нагрузку.Таким образом,котлы окажутсязагруженныминеравномерно.
Поэтомуна электростанцияхс общими паропроводами(поперечнымисвязями междукотлами и турбинам)применяютсясхемы каскадногорегулированиядавления парас главнымкорректирующимрегулятором.
Импульсдавления отбираетсяв характернойточке общегопаропроводаи посылаетсяна корректирующийрегулятор КР.Корректирующийрегулятор всвою очередьменяет заданиеосновным регуляторам.Сигнал к основномурегуляторукотла в этомслучае приходитот какого –либо другогопараметра,например отрасхода паракотлом. РегуляторРН подает командуна расход топливав зависимостио количестваотбираемогопара из котла,но при колебанияхдавления вмагистралиглавный регуляторКР изменяетзадание основномурегулятору:у более инерционныхкотлов заданиеувеличивается,а у менее инерционных– уменьшается.
3.2Техническоезадание насоздание новойАСУ
3.2.1. Требования,предъявляемыек системеавтоматизированногоуправления
Автоматизированнаясистема управлениятехнологическимпроцессом (АСУТП) – это автоматизированнаясистема управлениядля выработкии реализацииуправляющихвоздействийна технологическийобъект управления.В
соответствиис принятымкритериемуправленияАСУ ТП свойственныследующиепризнаки:-АСУ ТП – эточеловеко-машиннаясистема, в которойчеловек играетважнейшую роль,принимая вбольшинствеслучаев содержательноеучастие в выработкерешений поуправлению;
-автоматическиеустройствав АСУ ТП - управляющиевычислительныекомплексы (УВК), выполняющиетрудоемкиеоперации посбору, обработкеи переработкеинформации;
-цель функционированияАСУ ТП – оптимизацияработы объектапутем соответствующеговыбора управляющихвоздействий.
АСУТП нового поколенияобеспечиваютавтоматизированныйпроцесс принятиярешений поуправлениютехнологическимобъектом какединым целым.Для этого в АСУТП применяютсяразличные“интеллектуальные”автоматическиеустройствапереработкиинформации,и прежде всего– современныепрограммно-техническиекомплексы.
Исходяиз особенностейтехнологии,оборудованияи поставленныхзадач управленияна котлоагрегате,а также из общихпринциповпостроениясовременныхсистем автоматизированногоуправлениявыделим требованияпредъявляемыесистеме. Системаавтоматизированногоуправлениядолжна:
вестипостоянныйконтроль надтехнологическим процессом,состояниемтехнологического оборудования;
обеспечитьвозможностьуправленияпроцессамии оборудованиемс помощью средствполевой автоматики;
обрабатыватьпоказанияаналоговыхи дискретныхдатчиков ивести мониторингтехнологическогопроцесса спомощью пультовуправления;
производитьдиагностику и сигнализацию нарушений и аварийныхситуаций с ихпротоколированием;
обеспечитьвозможностьдистанционногоуправления регулирующими исполнительнымимеханизмами,запорнымипневмоклапанами
и пуском-остановомприводов насосов,а также ведениеистории ихсостояния;
вестилокальноерегулирование,в основномавтоматическая стабилизациятехнологическихпараметров(расход, уровеньи т.п.);
производитькаскадное управлениерасхода питающегогидрата. В составалгоритмаверхнего каскадауправлениявходят:
алгоритмуправленияпроизводительностьюучастка;
алгоритмраспределениянагрузки междусгустителями;
производитьрасчет и прогнозсводных технологическихи технико-экономическихпараметрови оперативныйконтроль надними в часовом,сменном и месячномразрезах;
обеспечитьсвязь с существующейобщезаводскойуправляющейсетью ПЭВМ;
производитьхранение ипредставлениезначений измеренныхи расчетныхвеличин.
Так жеследует незабывать, чточеловек (выполняющийглавенствующуюроль в управлениипроцессом)подверженвлиянию множествавнешних факторов.Поэтому следуеттакже предусмотретьвозможностьслежения задействиямиоператора,наложить рядограниченийна ввод управляющихвоздействий.
3.2.2 Требованияк контроллерам
Контроллер– это вычислительноеустройство,спрограммированноедля примененияв промышленностис учетом требованийв надежности,безотказностив работе и простотыв обслуживании.
Главноекачество, покоторому следуетпроводить выборконтроллера– это быстродействие.Контроллеркроме этогодолжен обладатьследующимисвойствами:
Компактность;очень удобнамодульнаяструктураконтроллера,позволяющаягибко подбиратьконфигурацию,исходя изпотребностизаказчика;
Наличиерезервныхмодулей (неменее одногомодуля каждоготипа) должноиметься в наличиина случайнеобходимостизамены модуля.
Время, предоставленноена замену модуля,начиная с моментавыхода его изстроя, должнобыть с вероятностью95 % - 1час.
3.2.3 Требованияк информационнымпотокам
Всервере УВКдолжны сохранятьсяданные, полученныеобработкойпоказанийдатчиков, врезультатетехнико-экономическихрасчетов ирасчетов поалгоритмамуправления.Ниже в таблице3.1 приведеныориентировочныеколичественныехарактеристикиобъемов сохраняемыхданных в текущей(ТБ) и архивной(АБ) базе данных.
Необходимопредусмотретьдля обменаинформациеймежду создаваемымкомплексоми существующейсетью ИУС через систему связи типа Ethernet: оборудование,алгоритмыобмена информациейи программное обеспечениесо стороны комплекса.
Таблица3.1 Характеристикаинформационныхбаз данных
| Характеристикисохраняемыхмассивов | Количествовеличин в ТБ | Длительностьхранения вТБ | Период перекачкиданных в архив | Количествовеличин в АБ | Время храненияв архиве |
| Тренды секундныхзначений величин | 200 | 1 час | по требованию | 100 | 5 суток |
| Тренды среднеминутных значенийвеличин | 1000 | 5 суток | 8 час | 100 | 2 месяца |
| Трендысреднечасовыхзначений величин | 1000 | 5 суток | 8 час | 300 | 2 месяца |
| Трендысреднесменныхзначений величин | 300 | 2 месяца | 8 час | 150 | 2 года |
| Протоколнарушений(диагностируемыевеличины) | 800 | 5 суток | 8 часов | 300 | 2 месяца |
Циклработы контуроврегулированияи опроса датчиков- не более 1 секунды.Максимальноевремя передачисообщения отлюбого датчикадо пульта – 2секунды, от пульта оператора до регулирующего органа – 2 секунды,максимальноевремя ожиданиявидеокадра– 2 секунды.
Выборосновныхтехническихрешений поуправляющемувычислительномукомплексу, ПОсистемы, пультуоператора,полевой автоматикии сети
ВыборУВК
Выбор наиболееприемлемоговариантаавтоматизациипредставляетсобой многокритериальнуюзадачу, решениемкоторой являетсякомпромиссмежду стоимостью,техническимуровнем, затратамина сервисноеобслуживаниеи другимипоказателями.
По результатампроведённойработы: постановкии декомпозициизадачи управления;анализа существующегоуровня автоматизации;техническогозадания наавтоматизациюкомплексатехническихсредств - выявляетсянеобходимостьпроведениятендера повыбору типауправляющеговычислительногокомплекса исредств полевойавтоматики.
Тендер —мероприятие,с помощью которогоможно выбратьоптимальноерешение, проводяанализ по несколькимкритериям сразличнойстепенью важности.
Этапы проведениятендера:
1. Формированиеперечня участвующихв тендере вариантов.
2. Выбор совокупностикритериев, покоторым должныоцениватьсясравниваемыеварианты.
3. Анализхарактеристиккаждого варианта(составлениесравнительныхтаблиц: техническиххарактеристик,надёжныххарактеристик,стоимостныхпараметров).
4. Оценка каждоговарианта независимымиэкспертами.
Анализ результатарешения многокритериальнойзадачи выбораи принятиеокончательногорешения.
Сформируемперечень управляющихвычислительныхкомплексов,участвующихв тендере:
контроллер“Ремиконт”Р-110 со SCADA-пакетом“Пилот”;
контроллерGE FANUC со SCADA-пакетом“Cimplicity”;
контроллерTREI со SCADA-пакетом“КРУГ”.
Выбор типаУВК осуществляемна основаниипроведениятендера средивышеназванныхкомплексов.По каждому изпредложенныхвариантов былапроработанадокументация,проведен сбордополнительныхматериалов.Вся документациябыла приведенак виду, дающемунаиболее полноеи точное представлениео комплексахи позволяющемулегко проводитьсравнениевариантов повыбраннымкритериям(таблица 3.2).Рассматриваемыеварианты оцениваютсяэкспертами- специалистамипо контрольно-измерительнымприборам иавтоматизации.Они проведутобъективныйи обоснованныйанализ и сопоставлениепредставленныхвариантов покаждому изкритериев.Оценка сопоставляемыхвариантовпроставляетсяпо десятибалльнойшкале и приведенав таблице 3.3.
Таблица 3.2СравнительныехарактеристикиУВК
Сравниваемыйпараметр | РемиконтР-110, г.Чебоксары,Россия | GEFanuc, General Electric,(США, Япония) | TREIGMBH, (Германия) | |
1Назначение,функции | Многоцелевойконтроллердля решениязадач автоматическогорегулирования: -локальное; -каскадное; -ПИД-закон; -супервизорное; -статическоеи динамическоепреобразованиесигналов. | Многоцелевой,многофункциональныйконтроллердля созданияраспределенныхАСУТП, позволяетстроить локальные,каскадныеАСУТП, наращиватьемкость контроллерапутем присоединенияплат расширения. | Многофункциональноеустройствоавтоматическогоконтроля иуправления.Предназначендля управлениятехнологическимипроцессами,воспринимаетсигналы первичныхпреобразователей,выполняетпрограммнуюобработкусигналов ит.д. | |
2Архитектуратопологии | 1ИРПС – PC, V=500кБт/сек 2Ethernet, RPS-плата. | 1JeniusBus 2Ethernet (TCP) RS485или RS232 | 1ИРПС, RS232/485 2Ethernet (TCP/IP) | |
3 УСО, информацияо входных/выходныхсигналах, тип,нестандартныемодули УСО ит.д. | АЦП-Вх.Аналог. –64, ЦАП-Вых.аналог.–64, ДЦП-Вх.дискрет.–126, ЦДП-Вых.дискрет.–126, РГ– модули гальваническойразвязки –16 каналов | AI–Вх.аналог. –128 (на4, 8 каналов), AQ-Вых.аналог. –64 (на4, 8 каналов), I– Вх. дискрет.– 512 Q-Вых. дискрет.– 512 (I и Q на 16, 32 каналов) | CU– блок центральный– 4-12 плат EU– блок расширения4-16 плат IOB– плата I/O – 16 каналов AIB– плата аналоговоговвода – 16 каналов | |
4Тип микропроцессора | К580 | CPU363,существуюти другие типы. | CPU386/486,ISA-шина | |
5Совместимостьс PC | PC386 и выше | PC486и выше | PC486и выше | |
6Конструктивы,габариты, внешнийвид, конструкцияподключенияканалов. | Основа– шкаф, каркас(0,5м0,5м)на 16 модулей,включая 3 модуля(ПРЦ, ОЗУ, ПЗУ). Подключениеканалов: задняяклемная колодка,клемно-блочныесоединителии другая коммуникация.Наличие блокапитание, вентилятора. | Базоваяплата -(0,4м0,15м)на 10 модулей,включая 2 модуля(питания, СPU). Простотаи удобствокоммутациисигналов налицевой сторонеконтроллера,безотверточноесоединение. | 12/16местный CU и EU(483400365мм), каркасмонтажный,блок питания5/12 В, интерфейспроцессорный. Канал– съемный элементконструкцииплаты ввода/вывода(осуществляетфункции нормированияи гальваническойразвязки) | |
7Программирование,языки программирования,функциональныеблоки. | Программирование,конфигурированиеалгоблоковс использованиемтерминовавтоматизации,не требуетязыков программирования. | Унифицированнаясистема программирования– язык релейнойлогики (лестничныхдиаграмм). ПОпрограммирования–VersaPro. | Программа“TREI-5B” – реализуетфункции конфигурированияконтроллера,метрологическогообеспеченияи тестированияканалов ввода/вывода.Технологическийязык КРУГОЛ. | |
8Возможностьпрограммированияс пульта | 1.Панель оператора– функциональныеклавиши, индикаторы. 2.Связь с ПЭВМ. | 1.Наличие пульта. 2.Более удобноепрограммированиес ПЭВМ. 3. Изменениеконфигурациии настроекнепосредственнов процессеуправления. | 1Управленияпри помощистандартнойклавиатуры 2Управлениес ПЭВМ | |
| 9SCADA-пакет | “Пилот” -позволяетвыполнятьмнемосхемы,динамизировать -работает салармами,трендами, панелямиуправления -прост в эксплуатации -не сохраняетданные в формате.dbf -работает подDOS | “Cimplicity” -позволяетсоздаватьбазы данныхреальноговремени - многофункциональныйграфическийредактор -алармы, сигнализация -протоколирование,тренды -работает подWindows -не русифицирован | “Круг-2000”интегрированныйпакет программдля построенияинформационнойи управляющихсистем в составе: -графическийредактор -редактор динамики -редактор печатныхдокументов -архивная станция | |
Таблица 3.3 Оценки экспертовпо рассматриваемымвариантам
| Показатель | Оценки1 эксперта | Оценки2 эксперта | Оценки3 эксперта | ||||||
| Р110 | Fanuc | TREI | Р110 | Fanuc | TREI | Р110 | Fanuc | TREI | |
1Решаемые функции,возможностиконтроллеров | 7 | 9 | 8 | 8 | 9 | 9 | 7 | 9 | 8 |
| 2Совместимостьс PC | 7 | 9 | 8 | 7 | 8 | 8 | 7 | 9 | 8 |
| 3УдобствоSCADA-пакета | 7 | 8 | 7 | 7 | 8 | 7 | 6 | 8 | 7 |
4Возможностьработы всети | 7 | 9 | 8 | 6 | 8 | 8 | 7 | 9 | 8 |
5Цена одноговхода/ выхода | 9 | 6 | 6 | 9 | 6 | 5 | 9 | 6 | 6 |
| Среднийбалл: | 7,4 | 8,2 | 7,4 | 7,4 | 7,8 | 7,4 | 7,2 | 8,2 | 7,4 |
В таблице3.4 приведенысводные результатыпроведениятендера по типуУВК.
Таблица 3.4 Сводные результатыоценки УВК
| ТипУВК | Средняяоценка всехэкспертов |
| РемиконтР-110, “Пилот” | 7,33 |
| GEFanuc, “Cimplicity” | 8,07 |
| TREI,“Круг-2000 ” | 7,40 |
По результатампроведениятендера в качествеуправляющеговычислительногокомплекса длясоздания АСУТПвыбираем микропроцессорныйконтроллерGE Fanuc со SCADA-пакетом “Cimplicity”.
Описаниепрограммнотехническогокомплекса -контроллерGeneralElectric - Fanuc и SCADA пакетCIMPLICITY. В основуразработкисистемы положеныследующиеосновные принципы:
построениена современныхвысоконадежныхтехническихи программныхсредствах;
обеспечениевозможностифункционированияУВК в качествеодного из звеньевинтегрированнойавтоматизированнойсистемы диспетчерскогоконтроля иуправлениякотлоагрегатом;
обеспечениевозможностикак поэтапноговнедрениякомпонентовУВК, так и внедрениявсего УВК вцелом;
созданиехороших условийработы операторови обслуживающегоперсонала.
Для построениясистемы выбраны:
программируемыелогическиеконтроллерысерии 90-30 GE Fanuc [10];
программноеобеспечениедля созданияинтерфейсаHMI Cimplicity.
Такой выборобусловлентем, что:
контроллерысерии 90-30 фирмыGE Fanuc обладаютвысокой эксплутационнойнадежностью,что подтвержденосертификатами(производствоконтроллеровимеет сертификаткачества ISO 9001,контроллерыимеют сертификатГосстандартаРоссии каксредство измерения,сертификатTUV на применениев системахпротивоаварийнойзащиты на объектахкласса от 1 до5 по классификацииDIN VDE 0801).
возможностьнепосредственногоподключенияширокой номенклатурыдатчиков безпромежуточногопреобразования(нормализации).
возможностьсопряженияс другими системамиавтоматизациии системамиавтоматизациивышестоящихуровней сиспользованиемширокой номенклатурыстандартныхпротоколовобмена. В томчисле наличиекоммуникационногомодуля, позволяющегоподключатьконтроллерк сети Ethernet с протоколомTCP/IP. При таком подключенииконтроллерявляется узломв сети и можетбыть виден слюбого другогоузла этой сети.
возможностьпереноса частиалгоритмовуправлениянепосредственнона контроллер(при помощиприкладногопрограммногообеспеченияVersaPro), что увеличиваетбыстродействиеи надежностьсистемы автоматизациив целом.
контроллерысерии 90-30 фирмыGE Fanuc имеют модульноепостроение,незначительныегабаритныеразмеры, чтообеспечиваетудобство монтажаи эксплуатации.
КонтроллерыFanuc - совместногопроизводствафирм GE (США) иFanuc(Япония). Cimplicity –базовый пакетэтих контроллеров,кроме него сGE Fanuc могут работатьFix (Индасофт,Москва).
Контроллерыпредставляютсобой терминальныебазы на 10 или5 модулей (блокпитания, процессор,модули ввода-вывода,специальныемодули). Одинконтроллерсостоит изчетырех довосьми терминальныхбаз в зависимостиот мощностипроцессора(см. рис 2.2).
Рис 2.2 Общийвид контроллераGE Fanuc
Модуливвода-вывода8, 16, 32 канальные(модули на 4 и8 каналов - сгальваническойразвязкой).Номенклатурамодулей оченьширокая: дискретные- до 220 В., аналоговыекроме 0-5 мА (используются0-20 мА или 0-10 В), милливольты,термопары,термосопротивления,дифтрансформаторныхнет. Дискретныемодули имеютиндикациюсостояниякаждого канала.Максимальнаяемкость контроллерасоставляетпри 8 терминальныхбазах 216 аналоговыхвходов, 416 дискретныхвходов и 416 дискретныхвыходов.
Для программированияи конфигурированияконтроллераиспользуетсяVersaPro под Windows – всепреимуществапрограмм поОС Windows, язык релейныхи лестничныхдиаграмм, работас программой(редактирование)в режиме on-line иoff-line с отображениемтекущих значений.Программа -графическоеполе, слевавходы, справа- выходы, посерединевставляютсяблоки (например,триггеры, сумматоры,звено ПИД-преобразования),описываютсяих входные/выходныепеременныеи соединяютсяпроводникамиили ссылками.Возможна вставкаподпрограмм.Документированиев различныхвидах.
Для разработкиавтоматизированногорабочего места(АРМ) используетсяSCADA-пакет Cimplicity. Обладаетвсеми достоинствамисовременногоSCADA-пакета. Средаразработки- англоязычная.Рабочее пространстворазработчикавыглядит встиле такихраспространенныхпрограмм какVisual Basic или Проводникоперационнойсистемы Windows. Можноперемещатьсяпо разделампроекта, создаваяи редактируяотдельныеэлементы иприложения(тренды, архивы,тревоги, доступ,база данныхреальноговремени и др.).Интерфейсоператора -русский. Возможнасвязь с информационнойсистемой предприятия(прямое считываниеи запись данныхв базы на сервере)- дополнительныхтехническихи программныхсредств нетребуется.Важной особенностьюявляется встроенныйязык программирования - Microsoft Visual Basic, обмен сИУС реализованс его помощью- команда пишетсяодин раз, далееизменяетсятолько имя базыи номер описателя.Иногда дляорганизациирабочих местпроще в серверсистемы установитьдополнительнуюопцию - Web Gateway и тогдас любой ПЭВМсети заводаможно просматриватьтекущее состояниесистемы черезInternet Explorer в форматестраниц HTML.
Для обслуживанияавтоматическихрегуляторов,приборовтеплотехническогоконтроля, устройствтехнологическойзащиты блокировкисигнализациии других средствавтоматизациивместе с ихкоммуникациямии другими элементамина электростанцииорганизуетсяцех тепловойавтоматикии измерений(ЦТАИ), непосредственноподчиненныйглавному инженеруи действующийна правахсамостоятельнойединицы.
На маломощныхэлектростанциях(не районногозначения) вместоцеха частоорганизуетсялабораторияили группаавтоматикии измеренийс такими жезадачами, ноболее простойструктурой.
На крупныхзаводах с большимколичествомпроизводственныхцехов организуютсяцентральныецехи тепловойавтоматикии технологическогоконтроля,обслуживающиепроизводственныецехи и теплосиловоехозяйствозавода.
Положениео цехе ТАИ средидругих подразделенийпредприятийопределяетсяПравилами,утверждаемымив установленномпорядке. Длявсех работниковэнергетическойпромышленностиобязательнособлюдение«Правил техническойэксплуатацииэлектрическихстанций и сетей».Не менее важныи другие действующиедетективныедокументы иправила, содержащиесведения обобслуживанииэнергетическогохозяйства. Ких числу относятся«Правила техникибезопасностипри эксплуатацииэлектроустановокстанций и подстанций»(ПТБ). Персоналцеха ТАИ получаетправо работатьна электростанцияхтолько послеизучения исдачи экзаменана знание упомянутыхдокументов,после чего имвыдаетсяудостоверение. В своей работеперсоналу цехаТАИ приходитсяпользоватьсямногочисленнымитехническимидокументами:чертежами исхемами установокконтроля иуправления,инструкциямии руководящимиуказаниямизаводов –изготовителейаппаратуры.
Основнаязадача цеха– поддержание в работоспособномсостоянииприборов тепловогоконтроля,авторегуляторови других средствавтоматизации.Цех выполняет большую частьработ по ремонтуприборов иавторегуляторов.В его обязанностивходит такжеповерка измерительныхприборов, настройкарегуляторов,устройств защитблокировкии сигнализациина заданныепараметры. Нацех ТАИ возлагаетсяобязанностьведомственногонадзора засостояниемизмерительныхприборов. Емудоверяетсягосударственноеклеймо, удостоверяющеео соблюденииустановленныхзаконом сроковповерки приборови соответствиинормам погрешностииз измерений.
Для выполнениясвоих задачцех имеет лабораториии мастерские,оснащенныенеобходимымиконтрольнымии образцовымиприборами,стендами,инструментоми станочнымоборудованием.
Увеличениеединичноймощности агрегатови электростанцийв целом и переходна блочнуюкомпоновкуоборудованияпривели к заменедецентрализованногоуправленияагрегатами– централизованным.
Децентрализованноеуправлениехарактернодля электростанций,на которыхкаждый агрегатстанции (котлыи турбины) пускалсяи управлялсяс индивидуальногоили групповогощита управления.При нормальнойработе агрегатобслуживалсясистемойавтоматическихрегуляторов,а щит служиллишь для наблюденияза его работойпо приборам,число которыхбыло относительнонебольшим.Централизованноеуправлениехарактернодля электростанцийс блочнымиустановкамибольшой мощности,когда с мнемосхемына ЭВМ происходитуправлениевсеми агрегатамиблока. На первомэтапе освоенияблока операциипуска и остановкаоборудованиявыполнялисьвручную с помощьюключей дистанционногоуправлениязапорными ирегулирующимиорганами,сосредоточеннымина пультахуправленияблоком. Наблюдениеза ходом процессавелось по приборам,расположеннымна панеляхщита.
По мереусложненияи укрупненияагрегатов числоприборов, необходимыхдля наблюденияза процессом,возрастало.Так, уже на блоках200МВт с барабаннымикотлами персоналдолжен былследить зазначениями560 технологическихвеличин идистанционноуправлять 280органами.Перспективнымиоказалосьприменениесредств вычислительнойтехники дляконтроля заработой и управленияпроисходящимив них процессами.
Информационно– вычислительныемашины могутвыполнять разные функции,начиная отконтроля заработой агрегатов.Машинам можнопоручить сигнализациюи регистрациюаварийныхотклоненийпараметровот нормы; онимогут вычислятьтехнико –экономическиепоказателиТЭП в процессеработы оборудования.Это дает возможностькорректироватьпроцесс, поддерживаяего на оптимальномуровне вручнуюили автоматически.
Однакопоручитьвычислительныммашинам всефункции управленияеще не представляетсявозможным, таккак для этоготребуется,чтобы надежностьих была вышенадежностиосновногооборудованияблока. Без этоговычислительныемашины могутприменяться только каксущественноедополнениек обычной системеавтоматическогорегулирования.
В настоящеевремя наметилосьнескольковариантов(этапов) освоениявычислительныхмашин для управленияагрегатамиэлектростанций.Основные изэтих вариантовследующие:
Применениевычислительноймашины в качествеинформационной(ИВМ). При этоммашина воспринимаетнеобходимоеколичествопараметровработы оборудования(информации),фиксирует ихв своем запоминающемустройстве(памяти машины),сравниваетс заложеннымив памяти нормальными(заданными)величинамии в случаеотклоненияподает сигнал,начинает записьотклонившейсявеличины ивыводит ее наодин из контрольныхприборов, работающихпо вызову. Крометого, при такойсистеме ограниченноечисло наиболееважных величиннепрерывнопоказываетсяи регистрируетсяобычными приборами теплотехническогоконтроля.
Навтором этапеинформационнаямашина, выполняющаяте же функции,что и в п.1, снабжаетсявычислительнымустройствоми производитрасчеты технико- экономическихпоказателей,заменяя работугруппы учета.К таким показателямотносятсяк.п.д. котлоагрегатаи блока в целом,величина отдельныхпотерь тепла,удельный расходэлектроэнергиина собственныенужды и др. Таккак вычислительнаямашина можетвыполнятьрасчеты практическилюбой сложностипо заложеннымв ее запоминающееустройствопрограммамв короткийсрок, то выдаваемыеею сведенияпоступают кдежурномуинженеру иоператорублочного щитауправлениясвоевременнои они успеваютвоздействоватьна процесс внаправленииповышения егоэкономичности(оптимизации).Информационно– вычислительнуюмашину притакой схемеуправлениячасто называют«советчикомоператора»
Следующийэтап (рис. 4) заключаетсяв применениивычислительноймашины в качествеконтроллера.На этом этапевоздействиемашины на органыуправленияпроцессомосуществляется через системуавтоматическогорегулирования(управления).Отличие отпредыдущеговарианта (п.2)заключаетсяв том, что здесьоптимизацияпроцесса выполняетсяне вручнуюоператором,а непосредственномашиной порезультатамрасчета технико– экономическихпоказателейее вычислительнымустройствам.В этом вариантевычислительнаямашина выполняетфункции корректированияпроцесса череззадатчикиавторегуляторов.Запоминающееустройствомашина содержитпрограммы, покоторым онаавтоматическиосуществляетпуск, останов,перевод напониженнуюнагрузку идругие операциипо управлениюагрегатами.Информационнаячасть машинывыполняет теже операции,что и в предыдущихвариантах. Привыходе контроллераиз строя системаавторегулированияи защиты полностьюостается вдействии. Снижаетсялишь экономичностьработы блока.Не требуетсятакже особогобыстродействиямашины, таккак необходимуюскорость выполненияоперацииобеспечиваютавтоматическиерегуляторыи устройствазащиты. Описываемыйвариант соптимизирующейвычислительноймашиной (каскадноеуправление)служит этапомк замене вычислительноймашины всехфункции управленияблоком.
Вариантпрямого управленияблоком с помощьюУВМ предусматриваетмаксимальноеиспользованиевсех возможностей,заложенныхв вычислительноймашине, дляавтоматическогоуправлениятеплоэнергетическимоборудованиемэлектростанций.Обычная системаавтоматическогорегулированияи защиты отсутствует,т.к. ее функциинепосредственновыполняет УВМ,прямо воздействующаяна исполнительныемеханизмыорганов регулированияи управления.Машина выполняетвсе функцииинформационнойи вычислительнойчасти, оптимизируетпроцесс, пускаети останавливаетоборудование,предохраняетего от возникновенияразвития аварий.Этот варианттребует от УВМвысокой надежности,т.к. выход ееиз строя неизбежноприводит костановкевсего блока.Установка жевторой (резервной)машины приводитк неоправданномуувеличениюстоимостисистемы управления.
Рис.6 Схемакаскадногоуправленияблоком, с применениемконтроллера
Операторскаястанция - этомощный интерфейсна базе видеомонитора,обеспечивающийотображениеи адресацию10000 тегов. Такиевозможностив сочетаниис усовершенствованнымуправлениеминформациейделают операторскуюстанцию идеальныминтерфейсомдля системобщезаводского(цехового)управления.Станция позволяетконфигурировать1500 экранных форм,1000 трендов и 260 заказных сообщенийи выводить их на видеомониторывысокого разрешения,распечатыватьи организовыватьих в файлы. Помимопредставленияданных в различныхформах операторскаястанция даётвозможностьиспользоватьпроцессорприкладныхзадач (мощнуюуниверсальнуюЭВМ) для анализаданных расчетови итоговыхотчётов.
Для операторскойстанции управлениякотлоагрегатом рекомендуетсяиспользоватьПЭВМ «Pentium-4» с пакетомCIMPLICITY, которыйобеспечивает:
1) управлениетехнологическимипроцессамис помощьюпромышленныхмикропроцессорныхконтроллерови IBM PC;
2) представлениеобъекта управленияна мнемосхемах,трендах, панеляхуправления;
3) контрользначенийтехнологическихпараметрови обработкааварийныхситуаций вреальном времени;
4) оперативноеуправлениеконтурамирегулирования;
5) накоплениеданных в архивена диске свозможностью дальнейшейобработки;
6) автоматическаягенерацияотчётов.
3.3.1 Выбор средствполевой автоматики(ПА)
В соответствиес функциональнойсхемой автоматическогорегулированияработы котлана базе регуляторов будем использоватьследующиесредства ПА,представленныев таблице 2.
Так как ПАобеспечиваетполучениепервичнойинформации(посредствомдатчиков), наоснове которойскладываетсяпредставлениео состояниитехнологическогопроцесса, тона выбор ПАналагаютсянекоторыеограничения,например:
Температура,влажность,давление, вибрации,при которыхПА нормальноработает;
Класс точностиприбора, допустимыепогрешности;
Выходнойсигнал (он долженбыть стандартным,или иметьвозможностьпреобразованияв такой сигнал).
Расходомер.
К датчикуизмерениярасхода предъявляютсяследующиетребования:
пределыизмерения –0 – 400 м3/ч;
класс точности– 0,5;
измеряемаясреда - пульпаплотностью1,2-1,7 кг/л, температура0–100 0С, содержаниетвёрдого 200-300гр./л;
параметрыокружающейсреды – температура10 – 30 0С, влажность20-60%.
Для проведениятендера взятыдатчики PROMAG-33F иVA-2303. По этим датчикамбыл собранматериал, основныехарактеристикипредставленыв таблице 3.5.
Таблица 3.5Основныехарактеристикирасходомеров
Параметры | Promag33F | VA2303 |
Устойчивостьк внешнимвоздействиям | 1.Температураокружающейсреды от –20 до+600С 2.При установкена открытомвоздухе необходимоустановитькожух для защитыот попаданияпрямых солнечныхлучей 3.Устойчив кударам и вибрациям. | 1.Первичныйпреобразователь– защищён отпопаданиявнутрь пылии воды, устойчивк воздействиютемпературыокр. воздухаот –30 до +55С иотносительнойвлажности95% при температуре35С и более низкихтемпературахбез конденсациивлаги, устойчивк воздействиюатмосферногодавления от84 до 106,7 кПа. 2.Вычислитель– защищён отпопаданиявнутрь пылии воды, устойчивк воздействиютемпературыокр. воздуха от 5 до 55С и относительнойвлажности80% при температуре35С. |
| Точность | 0,01% | Неустойчивыепоказаниярасхода пульпс большимсодержаниемгр. тв/литр. |
Удобствов обслуживании | Возможностьустановкидатчика непосредственнона передатчикеили в удаленииот него. Наличиелицевой панелис жидкокристаллическиминдикатором,индикациясостоянияприбора ивозникновениянеполадок | Большойвыбор типавыходногосигнала,жидкокристаллическийиндикатор,стандартныйпоследовательныйинтерфейсRS232, два вариантакреплениявычислительногоблока (щитовойи настенный). |
Срокслужбы | 18лет | 12лет |
Преобразователирасхода VA2303предназначеныдля преобразованиязначения расходаневзрывоопаснойжидкости, проходящейчерез первичныйпреобразователь,в унифицированныевыходныеэлектрическиечастотныесигналы и сигналпостоянноготока.
РасходомерPROMAG-33F используетсядля измеренияпотока жидкостей,например:
- Кислоты,щелочь, целлюлоза;
- Питьеваявода, сточныеводы, отстойсточных вод;
- Молоко, пиво,вино, минеральнаявода, йогурт,патока, и т.д.
Собранныеданные былипредоставленыинженерамКонтрольно-Измерительных Приборов (КИП)для выставленияоценок по 10 бальнойшкале.
Таблица 3.6Оценки экспертов
| Критерий | Оценки1 эксперта | Оценки2 эксперта | ||
| PROMAG-33F | VA2303 | PROMAG-33F | VA2303 | |
Устойчивостьк воздействиювнешней среды | 8 | 7 | 7 | 6 |
| Точность | 9 | 3 | 9 | 4 |
Удобствов обслуживании | 9 | 6 | 9 | 7 |
| Среднийбалл | 8,6 | 5,3 | 8,3 | 5,6 |
В таблице3.7 приведенысводные оценкиэкспертов.
Таблица 3.7Сводные оценки
| Датчик | Оценка |
| PROMAG-33F | 8.5 |
| VA2303 | 5.5 |
В качествеизмерителярасхода водыбудем использоватьдатчик PROMAG-33F.
Уровнемер.
К датчикуизмеренияуровня предъявляютсяследующиеосновные требования:
пределыизмеренияуровня 3 – 18 м;
требуемыйкласс точности– 0,5;
параметрыизмеряемойсреды – суспензия,температура0-100С, содержание твердого 20 - 70%.
Причинамизамены являютсяфизическийизнос, низкаяточность измерения,зарастаниеотбора. Сравнительнаяхарактеристикаи основныепараметры дляпроведениятендера попредлагаемымвариантаммодернизациипредставленыв таблице 3.8.
Таблица3.8 Сравнительныехарактеристикипредлагаемыхвариантов
Критерийсравнения | ДМ-0,4 | “Сапфир-22ДД” | Микроволновыйуровнемер VEGAPULS-64 |
| Устойчивость квнешним воздействиям | 1Зарастаниеотборногоустройства 2Зависимостьпоказанийприбора отплотностиизмеряемойсреды 3Механическипрочный, достаточнонадежный прибор 4Непосредственныйконтакт сизмеряемойсредой | 1Зарастаниеотборногоустройства 2Зависимостьпоказанийприбора отплотностиизмеряемойсреды 3Высокая надежность,устойчивостьи стабильностьприбора 4Непосредственныйконтакт сизмеряемойсредой | 1Измерениебесконтактнои без износауровня различныхматериалов 2Независимостьот температуры,давления,плотности,шума, составагаза 3Высоконадежный,противостоитэкстремальнымхимическими физическимусловиям 4Безподвижныхчастей и механическогоизноса |
Точность | Предельнаяпогрешность– 1% | Предельнаяпогрешность– 0,5% | Высокаяточность измерения– 0,25% |
| Удобство вобслуживании | 1Широкоеиспользованиеи знание прибораобслуживающимперсоналом 2Простота монтажа 3Необходимпреобразовательтипа НП-П3 4Периодическаяпродувка отборногоустройства. | 1Простота монтажа 2Наличие встроенногоэлектронногоустройствас выходнымсигналом 0-5 мА 3Укомплектовансобственнымблоком питания4БП-36 4Периодическаяпродувка отборногоустройства | 1Некоторыенастроечныеи предналадочныеработы 2Удобство монтажаи “неприхотливость”в обслуживании. 3Малое потреблениеэлектроэнергии,ресурсосберегающий 4Возможностьиндикации инастройкичерез цифровойпорт компьютера |
Выходнойсигнал | 0-5мА | 0-5мА | 0-20мА |
| Стоимость | 10’000тенге | 25’000тенге | 500’000тенге |
Срокслужбы | 7лет | 8лет | 8лет |
Оценкасопоставляемыхвариантовпроставляетсяпо десятибалльнойшкале и приведенав таблице 3.9.
Таблица3.9 Оценки экспертовпо рассматриваемымвариантам
| Показатель | Оценки1 эксперта | Оценки2 эксперта | Оценки3 эксперта | ||||||
| ДМ | Сапфир | Vegapuls | ДМ | Сапфир | Vegapuls | ДМ | Сапфир | Vegapuls | |
Устойчивостьк внешнимвоздействиям | 5 | 6 | 9 | 6 | 7 | 10 | 5 | 7 | 9 |
| Точность | 6 | 7 | 10 | 5 | 7 | 10 | 6 | 8 | 10 |
Удобствов обслуживании | 6 | 7 | 8 | 6 | 7 | 8 | 6 | 8 | 8 |
| Стоимость | 8 | 8 | 6 | 8 | 7 | 5 | 8 | 7 | 6 |
Срокслужбы | 7 | 7 | 7 | 8 | 8 | 7 | 7 | 7 | 7 |
| Среднийбалл: | 6,4 | 7 | 8 | 6,6 | 7,2 | 8 | 6,4 | 7,4 | 8 |
Втаблице 3.10 приведенысводные результатыпроведениятендера поконтрольно-измерительнымприборам.
Таблица3.10 Сводные результатыоценки средствизмерения
Типдатчика | Средняяоценка всехэкспертов |
| ДМ – 0,4 | 6,5 |
| “Сапфир–22ДД” | 7,2 |
Микроволновыйуровнемер | 8,0 |
По результатампроведениятендера в качествеконтрольно-измерительногоприбора дляизмеренияуровня принимаембесконтактныймикроволновыйуровнемер,радарный сенсор“Vegapuls-64”. Данныйвыбор являетсярациональным,сенсоры ориентированына надежность,длительностьв применениии тем самым надолгосрочныеинвестиции.
ПлотномеррадиоизотопныйПР-1027.
ПлотномеррадиоизотопныйПP-1025М предназначендля измеренияплотностижидких среди пульп, контроля(регулирования)технологическихпроцессов.Техническиехарактеристики:
напряжениепитания 220 В. сдопустимымиотклонениямиот +10% до -15%, частотой50 1 Гц;
температураокружающеговоздуха дляблока детектированияот +5 до +40°C, длярегистратораот +5 до +50°C;
относительнаявлажностьокружающеговоздуха до 80%при температуре35°C;
отсутствиемеханическихвибраций длярегистратора;
допускаетсявоздействиена блок детектированиявибрации частотойот 5 до 30 Гц и амплитудойне более 0.1 мм;
допускаетсявоздействиена блок детектированиябрызг воды,падающих влюбом направлении;
допускаетсявоздействиена блок детектированияпылевой смесис частицамиразмером неболее 200 мкм,движущейсясо скоростью5 м/с;
допустимыйугол наклонаблока детектированияот горизонтальнойплоскости неболее 5°.
МеханизмисполнительныйоднооборотныйМЭО-100/25.
Исполнительныймеханизм МЭОс постояннойскоростьюпредназначендля перемещениярегулирующихорганов в соответствиис коммутирующимисигналамиуправляющихустройств.Принцип работымеханизмовзаключаетсяв преобразованиисигнала, поступающегоот регулирующихили управляющихустройств, вовращательноеперемещениевыходного вала.Токовый датчикустанавливаетсяна механизмыс полным ходомвыходного вала0,25 оборотов.
Техническиехарактеристики:
напряжениепитания - 220/380 В.,50Гц;
вибрация- до 30 Гц;
диапазонтемпературыокружающейсреды от - 30 до+ 50°C;
потребляемаямощность - 260 Вт.
Требованияк программномуобеспечению(ПО)
СистемапрограммногообеспеченияCIMPLICITY, предназначенадля работы наразнообразныхкомпьютерныхплатформахи операционныхсистемах.Компьютернаяплатформа, какправило – этоPC – совместимыеперсональныекомпьютеры(WINDOWS 95TM и WINDOWS NTTM).
SCADA – пакет долженотвечать требованиям:
Графическоепредставлениехода технологическогопроцесса, атакже принятойи архивнойинформациив удобной длявосприятия форме (мнемосхемы,таблицы, тренды);
Диагностикаи сигнализациянарушений иаварийныхситуаций с ихпротоколированием;
Возможностьдистанционногоуправлениярегулирующимиисполнительнымимеханизмами;
Надежность.
Для болееэффективногофункционированиясистемы автоматизацииможно предъявитьк Scada-пакету следующиетребования:
Контрольнад технологическимпроцессом,состояниетехнологическогооборудованияи управлениепроцессамии оборудованиемс помощью средствПА (сбор показанийдатчиков).
Преобразованиесигналов отдатчиков.
Обработкаполученнойот датчиковинформации.
Графическоепредставлениехода технологическогопроцесса, атакже принятойи архивнойинформациив удобной длявосприятияформе (мнемосхемы,таблицы, тренды).
Диагностикаи сигнализациянарушений иаварийныхситуаций с ихпротоколированием.
Локальноерегулирование,- стабилизациярасходов ваппараты.
Каскадноерегулирование– стабилизацияплотности подконусамипромывателей.
Возможностьобмена данными(информации)по сети с другимирабочими станциями.
Дистанционноеуправлениерегулирующимиисполнительнымимеханизмами.
CIMPLICITY HMI – пакетпрограмм, созданныйфирмой GE Fanuc дляразработкиПО автоматизированныхрабочих меств АСУ ТП. Пакетработает подуправлениемоперационныхсистем Windows 95, Windows 98 иWindows NT, Unix и других.В состав пакетавходят программы,позволяющиесоздаватьрабочие местатехнологическогои обслуживающегоперсонала навсех уровняхуправлениятехнологией.
ПрограммноеобеспечениеCIMPLICITY HMI имеет следующуюструктуру:
Сервер - базовыевозможности(HMI Server base)
Опции (Options):рецептуры,статическийанализ, пейджер,«горячее»дублирование,Web-сервер …
Клиент -просмоторщик(HMI Viewer) – то же, чтои сервер, нобез собственныхпеременныхи связи с контроллером.
Рекомендуетсяаппаратноеобеспечениедля Intel – платформ:Pentium 90, 64 Мб ОЗУ, 180 Мб.на диске.
Создаваяс помощью CIMPLICITYHMI узел (АРМ) создаетсяпроект. Проектсодержит в себеполное описаниенастроек данногоузла, описаниебазы данных,мнемосхемы.Он записываетсяна диск в отдельныйкаталог, имеющийпо умолчаниюто же имя, и можетбыть перенесенна другой компьютерпростым копированием.
CIMPLICITY Workbench похожна проводникWindows. Окно Workbench разделенона два поля. Влевом отображеныразделы открытогопроекта, а вправом – содержимоетекущего раздела.
Кроме SCADA –пакета, фирмаGE Fanuc выпускаетконтроллерысерии 90-30 и 90-70, относящиесяк программируемымлогическимконтроллерам.Программныйпакет Versa Pro предназначендля конфигурированияи программированияконтроллера.
Программно-техническийкомплексхарактеризуетсянадежностью,хорошимипотребительскимисвойствами,а также высокойскоростьюинформационныхсистем.
Требованияк сети
Необходимопредусмотретьдля обменаинформациеймежду создаваемымкомплексоми существующейсетью черезсистему связитипа Ethernet оборудование,алгоритмыуправленияи программноеобеспечениесо стороныкомплекса.
Цикл работыконтуроврегулированияи опроса датчиков,- не более 1 сек.Максимальноевремя передачисообщения отлюбого датчикадо пульта – 2сек., от пультаоператора дорегулирующегооргана – 2 сек.,максимальноевремя ожиданиясмены видеокадра– 2 сек.
Проект АСУ
Функциональнаясхема автоматическогорегулированияработы котла
Функциональнаясхема системавтоматизациитехнологическихпроцессовявляется основнымтехническимдокументом,определяющимструктуру ихарактер системавтоматизациитехнологическихпроцессов, атакже оснащенияих приборамии средствамиавтоматизации.На функциональнойсхеме даноупрощенноеизображениеагрегатов,подлежащихавтоматизации,а также приборов,средств автоматизациии управления,изображаемыхусловнымиобозначениямипо действующимстандартам,а также линиисвязи междуними.
Схема автоматизациирегулированияи контроляпаровогокотлоагрегатапредусматриваютследующиесистемы:
системаавтоматическогорегулированияи контролятепловой нагрузкикотла;
системаавтоматическогорегулированияи контроляпитания котла;
системаавтоматическогорегулированияи контроляразреженияв топке котла;
системаавтоматическогоконтроля давления;
системаавтоматическогоконтролятемпературы.
На основепринципиальнойтехнологическойсхемы, структуризациизадачи управленияразрабатываемфункциональнуюсхему автоматизации,на которойпоказано всетехнологическоеоборудование,технологическиесвязи, приборыи средстваавтоматизации,обозначеныих установки(по месту, нащите) и позициикаждого прибора.
Функциональнаясхема автоматическогорегулированияпредставленав приложении3.
В схемахавтоматизациипаровых и водогрейныхкотлов, работающихна газообразноми твердом топливе,применяютсяуправляющиеустройстваКУРС-101. Устройствапредназначеныдля работы винтервалетемпературот +5 до +50
приотносительнойвлажности вовсем диапазонерабочих температур30-80%. Питание устройстваосуществляетсяот сети трехфазногопеременноготока напряжением220ВА.УправляющееустройствоКУРС-101 обеспечивает:
автоматическийпуск и остановкотла;
предварительнуювентиляциютопки;
необходимыев пусковойпериод блокировки;
позиционноеавтоматическоерегулированиетепловой мощностикотла;
автоматическуюзащиту приаварийныхситуациях;
рабочуюи аварийнуюсигнализацию;
формированиесигнала авариина диспетчерскийпункт.
Управляющееустройствоконструктивновыполнено поблочно-модульномупринципу ивключает панельуправленияи сигнализации(ПСУ), шкаф споворотнойрамой и шкафмагнитныхпускателей.
Панельуправленияи сигнализации(ПСУ) объединяетмодуль сигнализацииС-02с индикаторнымилампами последующимпараметрам:
предварительнаявентиляция;
температураводы (предельная);давление пара(предельное);
послеостановочнаявентиляция.
Индикаторнаялампа «Работа»сигнализируето нормальнойработе устройства,индикаторныелампы «Газ»и «Мазут» - овиде топлива,на котороевключено устройство.
В панельвключены такжеиндикаторныелампы «Водогр»и «Паровой»,сигнализирующиео режиме работыкотла, на которыйвключено устройство;индикаторнаялампа «Напряжение»,сигнализирующаяо наличии напряженияэлектрическогоисточникапитания навходе в устройство;индикаторнаялампа «АВР пит.насоса», сигнализирующаяоб автоматическомвключениирезервногопитательногонасоса (приработе котлав паровом режиме);индикаторнаялампа «Авария»- о наступленииаварийногорежима по любомупараметру.
МодульсигнализацииС-01 с индикаторнымилампами сигнализируетпервопричинуаварийногоотключениякотла: уровеньнизкий; уровеньвысокий; давлениегаза передрегулирующиморганом высокое;температурамазута низкая;давление топливаперед клапаном– отсекателемнизкое; давлениевторичноговоздуха низкое;давление газаперед горелкойнизкое; давлениепервичноговоздуха низкое;факела нет;клапан – отсекательне закрыт; пламенизапальниканет.
Блок кнопокуправленияимеет кнопку«Пуск» включениялогическойсхемы управляющегоустройстваи пуска котла;кнопку включения«РегулированиеВКЛ» и отключения«РегулированиеОТКЛ» регулированияс модулем К-01;кнопку «Стоп»для отключенияустройстваи приведениясхемы в исходноепредпусковоесостояние.
В системууправленияи сигнализациивключен указательтипа ИПУ положениярегулирующегооргана.
В шкафус поворотнойрамой размещены:блок П-11А дляобеспеченияэлектрическогопитания элементовсхемы; блокУ-04 для управлениядвигателемисполнительногомеханизмаМЭО-4/100; блок Ф-03для подачинапряженияна бобину катушкизажигания(Б-01), установленнуюна горелкекотла.
Перечисленныеустройстваобъединеныв блок управленияБУ-01. Здесь жеразмещены: блокпереключенияБП-01 рода топлива,режима работы(паровой, водогрейный,опробованиепитательногонасоса), питательныхнасосов (№1, №2),опробованияи нормальнойработы вентиляторов,включения иотключениянапряженияна входе устройства;блок Р-01 реле,управляющихэлектромагнитнымиисполнительнымиустройствами;блок Б-1 дляразмещенияи межмодульногомонтажа с помощьюштепсельныхразъемов ижгутов.
Электропусковаяаппаратураразмещаетсяв шкафу магнитныхпускателей.
Пуск котла(при включенномэлектрическомпитании и отсутствиисигналов, фиксирующихаварийноесостояниекакого-либопараметра илипредельноесостояниеосновногопараметра –температурыводы или пара)осуществляютнажатием кнопки«Пуск». Послеэтого исполнительныммеханизмомосуществляетсяполное открытиерегулирующихорганов топливаи воздуха (обэтом судят попоказаниямуказателяположения),включаютсямагнитныепускателипервичноговоздуха и вторичноговоздуха, включаетсяотсчет временипредварительнойвентиляции.По истечениивремени предварительнойвентиляции(
с)автоматикавыдает сигнална исполнительныймеханизм,прикрывающийвоздушнуюзаслонку ирегулирующийзаслонку наподаче топливадо 20 % открытия,подается напряжениена катушкузажигания Б-1и на клапанызапальника.Если в течениевремени 
сне произойдетрозжиг запальника,появляетсясигнал «Авария»,включаетсяпослеостановочнаявентиляция,обесточиваютсяклапаны запальникаи катушка зажигания.Продолжительностьпослеостановочнойвентиляции 
с,после чегообесточиваютсяцепи магнитныхпускателейвентиляторов.В случаерозжига запальникаобеспечиваетсяподача напряженияна клапаныотсекателяи обесточиваются катушки зажиганияБ-1. розжиг горелочногоустройствапроисходитв течение
с.Если за этовремя розжиггорелочногоустройстване происходит,включаютсясигнал «Авария»и послеостановочнаявентиляция,обесточиваютсяклапаны запальникаи клапаны –отсекателина линии подачитоплива. Поистечениивремени послеостановочнойвентиляцииобесточиваютсямагнитныепускателивентиляторов.При розжигегорелочногоустройствапо истечениивремени окончанияпуска (
с)регулирующиеорганы топливаи воздуха переводятсяв положение40% открытия. Катушкиклапанов запальникаобесточиваютсячерез с - времени совместнойработы запальникаи горелочногоустройства.Работакотла в режиме40%-ной нагрузкипродолжаетсяв течение времени,оговоренногоинструкциейпо эксплуатациикотла, необходимогодля прогревавсех элементов,после чегоможет бытьвключено кнопкой«РегулированиеВКЛ» автоматическоерегулированиеосновногопараметра котла– температурыгорячей водыили давленияпара. Автоматическоерегулированиеосуществляетсяперемещениемисполнительногомеханизма,регулирующегоподачу топливаи воздуха, вположение 40 и100%.
В случаедостиженияпредельногосостояниярегулируемогопараметрасхемой обесточиваютсяцепи питанияклапанов –отсекателей на линии подачитоплива, происходитперемещениерегулирующихорганов топливаи воздуха вположение20%-ного открытия,включаетсяпослеостановочнаявентиляция,по истечениивремени работыкотла обесточиваютсяцепи питаниямагнитныхпускателейвентиляторов.При снятиисигнала предельногосостоянияпараметрасхемой обеспечиваетсяавтоматическийпуск котла вуказанной вышепоследовательности.
Автоматическоерегулированиеотключаетсянажатием кнопки«РегулированиеОТКЛ», сопровождающимсяпереключениемисполнительногомеханизма вположение до40%-ного открытиярегулирующихорганов топливаи воздуха.
Отключениекотла осуществляетсянажатием кнопки«Стоп», сопровождающимсяобесточиваниемцепей клапанов– отсекателейтоплива, автоматическимперемещениемрегулирующихорганов топливаи воздуха вположение20%-ного открытия,включениемпослеостановочнойвентиляции,обесточиваниемцепей управлениямагнитнымипускателямивентиляторов.
Если впроцессе нормальнойработы или впусковом периодев управляющееустройствопоступит сигналоб аварийномсостояниикакого-либопараметра,загораютсясигнал «Авария»и индикаторнаялампочка,соответствующаяпервопричинеаварии, а такжеиндикаторнаялампочка«Послеостановочнаявентиляция».Одновременнообесточиваютсяцепи управленияклапанами –отсекателямитоплива, чтосопровождаетсяпогасаниемлампы «Работа»;регулирующиеорганы топливаи воздухаперемещаютсяв положение20%-ного открытия.Как толькоистечет времяпослеостановочнойвентиляции,обесточиваютсяцепи управлениямагнитнымипускателямивентиляторов,о чем свидетельствуетпогасаниеиндикаторнойлампочки«Послеостановочнаявентиляция».Снятие сигнала«Авария»осуществляетсянажатием кнопки«Стоп».
Системааварийнойсигнализацииуправляющегоустройствапредусматриваетфиксацию:
пониженияуровня водыв котле;
повышенияуровня водыв котле;
понижениядавления топливаперед клапаном– отсекателем;
понижениядавления первичноговоздуха;
отсутствиязакрытия клапанов– отсекателей.
5.Система автоматическогорегулированияподачи топливав печь спекания
5.1 Решениеэлементарныхзадач анализаСАУ
5.1.1 Ориентировочноеоценивание динамическихпараметровканалов управления
Разгоннаяхарактеристика,полученнаяэкспериментальнымпутем, приведенана рисунке5.1.1.
Экспериментальныекривые обрабатываютизвестнымиметодами, получаяоценки динамическихпараметровзвена управления.Сопоставляякривые Y(t) и U(T), видим,что анализируемыйобъект обладаетсамовыравниванием, являетсянеколебательным и имеет запаздывание.Проведенныеисследованияпоказали, чтомодель печиаппроксимируетсяапериодическимзвеном первогопорядка сзапаздыванием.
коэффициентусиления –
нормированнаяпостояннаязапаздывания- =1(мин);
постояннаявремени - Т=16-1=15(мин).
Переходяк абсолютнымединицам измерения,коэффициентпередачи принимаетзначение:
.Диапазоныколебаний вотносительныхединицах: постояннойвремени 27%,транспортногозапаздывания 33%, коэффициентаусиления 15%.
Диапазоныколебаний вабсолютныхединицах: постояннойвремени Т=154,05,транспортногозапаздывания=1 0,33,коэффициентаусиленияКу=-0,07(-0,01).
Дисперсияколебаний навыходе САУ приотключенномрегулятореравна 2,25(%)2.
Печь спеканияотноситьсяк объектампервой группы,не допускающимрезких колебанийпо управляющемувоздействию.
5.1.2 Определениевременныхнастроек имодельныхэкспериментов
Временныенастройкинатурных имодельныхэкспериментов(дискретностьизмеренияпереходнойхарактеристикии длительностьнаблюденияпереходнойхарактеристики)определяютсяпостояннойвремени итранспортнымзапаздыванием.
Дискретностьизмерения(моделирования)переходнойхарактеристики
должна удовлетворятьследующимусловиям:-
; -
.
Длительностьнаблюденияпереходнойхарактеристики
должна удовлетворятьследующемуусловию: 
.Анализируявыше указанныеусловия, приходимк выводу, что:
-
шаг моделированияпереходнойхарактеристики
=0,45-3; -
длительностьнаблюденияпереходнойхарактеристики
=105-1050.
5.1.3 Численныйрасчет разгоннойхарактеристики
Дифференциальноеуравнение дляисследуемогоканала управленияимеет вид:
Оно же в формеКоши:
и в разностнойформе:
Исходнымиданным дляполученияразгоннойхарактеристикиявляются:
- ранее полученныерезультатыпредварительнойидентификациипараметровканала управления(К=-0,07, Т=15 мин, τ=1 мин);
- выбранныйшаг расчетаи длительностьэксперимента;
- анализ пределовнаблюдаемыхколебаний U,позволяющийзадать величинускачка по входнойвеличине
где t0 – моментначала скачка,
нулевыеначальныеусловия повыходной величине
y(t0)=y(0)=y0=23,8
Расчетывыполнены всреде Excel:
-
№ п/п
T
dt
k
x
y
0
15
0,066
-0,07
59
23,8
1
15
0,066
-0,07
21
23,677
2
15
0,066
-0,07
21
23,566
3
15
0,066
-0,07
21
23,456
4
15
0,066
-0,07
21
23,347
5
15
0,066
-0,07
21
23,237
6
15
0,066
-0,07
21
23,329
7
15
0,066
-0,07
21
23,02
8
15
0,066
-0,07
21
22,913
9
15
0,066
-0,07
21
22,805
На рисунке5.1.2 приведенырезультатырасчета – разгоннаяхарактеристика.
Рисунок 5.1.2Разгоннаяхарактеристика
Ниже приведёнпошаговыйрасчёт значенийразгоннойхарактеристикипо формуле
.Начальныезначения: при
. 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
.5.1.4 Анализпереходныххарактеристик
Для анализапереходныххарактеристикмогут бытьиспользованыспециализированныепрограммы,созданные втой или инойпрограммнойсреде.
На восьмифрагментахрисунка 5.1.3 показаныразгонныехарактеристикизвена при разныхсочетанияхсредних, минимальныхи максимальныхзначений K, T, иτ (исходя изпроцентныхотклоненийпо условиюзадания). Ихзначения вуказаннойпоследовательностиприведены награфиках.
Анализируяэти разгонныехарактеристики,мы видим, чтокоэффициентпередачи невлияет на формупроцесса, онлишь определяетуровень установившихсязначений. Авеличинытранспортногозапаздыванияи постояннойвремени влияютна длительностьпереходногопроцесса.
5.1.5 Анализамплитудно– частотнойхарактеристики
На восьмифрагментахрисунка 5.1.4 построеныАЧХ при разныхсочетанияхзначений параметровканала управления,аналогичныхпредыдущемусочетанию.Анализируяэти характеристики,можно сказатьследующее.Коэффициентпередачи, такжекак и в предыдущемслучае, простоизменяет шкалуординат АЧХ.Аналогичноему транспортноезапаздываниетакже никакне влияет наАЧХ динамическогоканала. А чембольше постояннаявремени, тембыстрее падаетАЧХ, все лучшефильтруянизкочастотныеколебания.
Первый фрагментна рисунке5.1.4 иллюстрируетАЧХ для среднихпараметровканала управления(K=-0,07, T=15 мин, τ=1). А начетырех фрагментахрисунка 5.1.5 приведеныгармоническиеколебания вэтом звене притрех разныхчастотах колебанийвходного сигнала(значения указанына графиках).
В математическомсмысле АЧХ –это модульчастотнойхарактеристикидинамическогозвена, отображаемойкомплекснымчислом. Физическийже смысл трудновоспроизвести,если ее расчетведется нечастотнымиметодами, аиспользуяимитационнуюмодель САУ.
Из проведенныхже выше экспериментовстановитсяочевиден физическийсмысл АЧХ, какфункции отношенияамплитудгармоническихколебаний навыходе системык колебаниямна входе, аргументомфункции служиткруговая частотаколебаний.
Исходя изрезультатовэкспериментов,изображенныхна рисунке5.1.5, можно сделатьвывод, что чембольше частотаизмененияуправляющеговоздействия,тем хуже динамическиехарактеристикиканала управления(управляемаявеличина неуспевает реагироватьна входноевоздействие).
Kср | -0,07 |
Tср | 15 |
ср | 1 |
ср’ | 0,066 |
Kmin | -0,06 |
Tср | 15 |
max | 1,33 |
’ | 0,09 |
Kmin | -0,06 |
Tср | 15 |
min | 0,67 |
’ | 0,045 |
Kmin | -0,06 |
Tmax | 19,05 |
ср | 1 |
’ | 0,05 |
Kmin | -0,06 |
Tmin | 10,95 |
ср | 1 |
’ | 0,09 |
Kmax | -0,08 |
Tср | 15 |
max | 1,33 |
’ | 0,09 |
Kmax | -0,08 |
Tср | 15 |
min | 0,67 |
’ | 0,045 |
Kmax | -0,08 |
Tmax | 19,05 |
ср | 1 |
’ | 0,05 |
Kmax | -0,08 |
Tmin | 10,95 |
ср | 1 |
’ | 0,09 |
5.1.6 ПостроениеэкспериментальныхАЧХ для каналауправленияпри вариацияхего параметровс помощьюимитационнойи частотноймоделей
Первый фрагмент рисунка 5.1.6 иллюстрируетАЧХ для среднихпараметровканала управленияК=-0,07, Т=15 минут, =1минута. Последующиефрагментыотражают АЧХв диапазонеколебанийпараметровканала управления.
На трех графикахприведеныгармоническиеколебания притрех разныхчастотах колебанийвходного сигналапри среднихзначенияхпараметровканала управления:
П/п | ω | T |
| 1 | 1,256 | 5 |
| 2 | 2,093 | 3 |
| 3 | 3,14 | 2 |
АнализируяполученныеАЧХ можно сделатьследующиевыводы:
очевиденфизическийсмысл АЧХ, какфункции отношенияамплитудгармоническихколебаний навыходе системык колебаниямна входе, аргументомфункции служиткруговая частотаколебаний;
Транспортноезапаздываниеникак не влияетна АЧХ динамическогоканала. Чембольше постояннаявремени, тембыстрее падаетАЧХ, все лучшефильтруянизкочастотныеколебания.Коэффициентпередачи простоизменяет шкалуординат АЧХ.
5.2 Постановказадачи анализаи синтеза САУ
Масштабированиеее параметровСАУ
5.2.1 Подготовкаисходных данных
ИсследуемаяСАУ на технологическойустановкеописана в п.5.1. В пункте 5.1.1 поэкспериментальнымданным идентифицированаструктура ипараметрыканала управления.Этого исходногоматериаладостаточнодля определенияпараметровСАУ в сфереинженернойпостановкезадачи.
Параметрыканала управления:
(1)5.2.2 Масштабированиепараметровканала управления
В сферематематическойпостановкезадачи используютсянормированныепараметрыканала управленияи ПИ-регулятораобратной связи:PКУ и PОС.
Обратнаясвязь САУ разомкнута,поэтому требуютсятолько параметрыканала управления:
(2)Среднеезначениенормированнойтранспортногозапаздывания
: 
(3) Предельныезначениянормированнойтранспортногозапаздывания
: 
(4) 
(5) Нормированныйвнешний сигнал:
(6) 5.2.3 Анализнормированныххарактеристикдинамическогозвена
Численныеэкспериментына имитационнойи частотноймоделях каналауправлениябыли проведеныпри трёх разныхзначенияхнормированноготранспортногозапаздывания:
, 
, 
.Результатыданных экспериментовпредставленыв графическомвиде на рисунке5.2.1. 
Рисунок 5.2.1Характеристикиканала управления
Проверкамасштабирования
Возьмем триточки на графикахразгоннойхарактеристикии АЧХ в относительныхединицах ипроверим ихсовпадениена соответствующихграфиках вабсолютныхединицах.Масштабирующиймножитель нашкале частотпри переходеот нормированнойАЧХ к абсолютнойравен 1/Т. Масштабирующиймножитель нашкале значенийдля АЧХ - abs(K). Приумножении накоэффициентымасштабирования,видно, что ихзначения однии те же.
Пересчетв абсолютныхединицах длячастоты производитсяпо следующейформуле:
абс=отн*1/Т (7)
Для точкиА: абс=отн*1/Т=0*1/15=0.
Для точкиВ: абс=отн*1/Т=2*1/15=0,13.
Для точкиС: абс=отн*1/Т=5*1/15=0,33.
Пересчетв абсолютныхединицах дляамплитудыпроизводитсяпо следующейформуле:
Аабс=Аотн*1/Т (8)
Для точкиА: Аабс=Аотн*К=1*0,07=0,07
Для точкиВ: Аабс=Аотн*К=0,45*0,07=0,032.
Для точкиС: Аабс=Аотн*К=0,2*0,07=0,014.
В итоге получаемследующие точкис координатами:
А(0;0,07); В(0,13;0,032); С(0,33;0,014).
Для переходак абсолютнымвыражениямиспользуемследующиеформулы:
tабс=tотн*Т (9)
У=У*К*Уотн (10)
Получаемдля точки D
tабс =1*15=15 У=38*0,07*0,6=1,59
Учитываятот факт, чтоаппроксимацияэкспериментальнойразгоннойхарактеристикидля печи спеканияизображенав трех осях,получаем:
Уабс=Унач+У=23,8+1,59=25,4.
По итогамвычисленийполучаем точкуD с координатами(15;25,4).
Для точкиЕ получаем
tабс =2*15=30 У=38*0,07*0,82=2,18
Учитываятот факт, чтоаппроксимацияэкспериментальнойразгоннойхарактеристикидля печи спеканияизображенав трех осях,получаем:
Уабс=Унач+У=23,8+2,18=25,9
По итогамвычисленийполучаем точкуЕ с координатами(30;25,9).
Точки Д и Епоказаны нарисунке 5.9.
Рисунок 5.2.2Результатывычислений
Анализ временныхи частотныххарактеристикдинамическогозвена первогопорядка сзапаздываниемпозволяетсделать следующиевыводы:
-
НормированнаяАЧХ для звенапервого порядкаявляется постояннойфункцией. Онане зависит отнормированногозапаздывания
; -
Форма разгоннойхарактеристикиy(t) также являетсяпостоянной,если не считатьтранспортногозапаздывания
.Оно сдвигаетна отрезок момент времениначала и моментокончанияпереходногопроцесса, неменяя его формы(крутизныэкспоненты); -
Экспериментына численныхмоделях позволилиопределитьрациональныеначальныезначения ихнастроек
для разомкнутойСАУ. Для звенапервого порядка( 
)рациональновзять 
; -
Нормированиеделает прозрачныммеханизм влияниявнешних параметровдинамическогозвена на егохарактеристики.Так постояннаявремени Тпросто растягиваетв Т раз поотношению кТ=1 разгоннуюхарактеристикуи сжимает частотную.Коэффициентусиления Кувеличиваетв К раз единицушкалы ординатна разгоннойи частотнойхарактеристиках.Равное действиеимеет скачокпо входу
uдля разгоннойхарактеристики.
5.3 ЧастотноемоделированиеСАУ
5.3.1 Моделированиеслучайныхпроцессов
Используетсячетыре (j=1,2,3,4) случайныевеличины(Х1,Х2,Х3,Х4). Былизаданы определенныенастройкиалгоритма,которые приведеныв таблице 5.3.1.
Таблица 5.3.1
Вр.спада | Периодколеб-й гарм.составл-х | Коэффициентусиления | |||||||||
Т0 | Т1 | Т2 | Т3 | Q0 | Q1 | Q2 | Q3 | Qg | Условныепределы | ||
i=0 | i=1 | i=2 | i=3 | i=0 | i=1 | i=2 | i=3 | min | max | ||
X1 | 0.1 | 0.3 | 1 | 4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0.5 | 0 | 50 |
X2 | 0.1 | 0.3 | 1 | 4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0.5 | 0 | 30 |
X3 | 0.1 | 0.3 | 1 | 4 | 0.3 | 0.5 | 0.6 | 0.2 | 0.3 | 0 | 50 |
X4 | 0.5 | 0.8 | 1.5 | 3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0.5 | 0 | 50 |
Рисунок 5.3.1Временныереализациичетырех величин
В таблице5.3.2 приведенырасчеты статистик,которые былиполучены вExcel.
Таблица 5.3.2
x1 | x2 | x3 | x4 | |
Среднее | 24.33897 | 15.37535 | 24.71362 | 24.35974 |
Дисперсия | 1003.482 | 415.6583 | 89.16182 | 936.6768 |
Сумма | 12169.49 | 7687.673 | 12356.81 | 12179.87 |
СКВО | 31.67779 | 20.3877 | 9.442554 | 30.60518 |
Рисунок 5.3.2Автокорреляционныефункции четырехвеличин
Сравниваявременныереализациивеличин по ихвнешнему видуи их статистикипо численнымзначениям,видно следующее:
Х2 отличаетсяот всех остальныхсвоим уровнем,ее среднеезначение 30, тогдакак у остальных- в пределах40-50;
Х3 имеет самуюмаленькуюмощность колебаний, ее дисперсияравна 144, тогдакак у остальныхбольше (600 ед.)2,соответственноее СКВО -12, а уостальных –от 25 до 35 ед.;
Х4 являетсясамой медленноизменяющейсявеличиной, этовидно по времениспада автокорреляционнойфункции (у Х4–0,5 о.е. времени,у остальныхтрех величин– 0,1);
НизкочастотностьХ4 также иллюстрируетфункция спектральнойплотности, вобласти низкихчастот сосредоточенаосновная частьмощности ееколебаний посравнению сХ1-Х3.
Рисунок 5.3.3Функции спектральнойплотности
5.3.2 Определениефизическогосмысла функцииспектральнойплотности
Для этогосмоделируемслучайныйпроцесс X1, такимобразом, чтобыдве из трёх егогармоническихсоставляющихимели относительновысокую амплитуду.Настройкислучайногопроцесса приведеныв таблице 4. Аполученныеграфики автокорреляционнойфункции и функцииспектральнойплотностивеличины X1 нарисунке 5.3.4
Таблица 5.3.3
| Время спада | Период колебанийгарм.составляющих | Коэффициент усиления | Условные пределы | ||||||||
Т0 | Т1 | Т2 | Т3 | Q0 | Q1 | Q2 | Q3 | Qg | |||
| i=0 | i=1 | i=2 | i=3 | i=0 | i=1 | i=2 | i=3 | Min | max | ||
| X1 | 0,2 | 0,4 | 0,3 | 3,14 | 0,8 | 1 | 6 | 6 | 0,5 | 0 | 50 |
Таблица 5.3.4
| Среднее | Дисперсия | Сумма | СКВО | |
| X1 | 31,193 | 22884,99 | 15596,55 | 151,27 |
Рисунок 5.3.4. Автокорреляционнаяфункция и функцияспектральнойплотностивеличины X1
Таким образом,полученныйграфик спектральнойплотностивеличины X1иллюстрируетдва всплеска,которые объясняютсяна основе исходныхданных. Согласноим две из трёхгармоник имеютсущественноболее высокуюамплитуду, а,следовательно,и мощностьколебаний.Переведя ихпериоды колебанийв частоту, получаемте самые всплески:
рад/о.е.; 
рад/о.е.3.3 Идентификацияпараметровслучайногопроцесса
Возьмем вкачестве исходнойсгенерированнуювыше величинуХ1, назовем ееZ и смоделируемеще три еереализации.Допустим, чтоэти реализацииполучены спомощью измерительногоприбора в разныемоменты времени.Они отличаютсяот первой тем,что их временныепараметры былиизменены случайнымобразом от
до 
. Значения параметровалгоритмаформированиячетырех реализацийZ приведены втаблице 5.3.5, а самиреализации- на рисунке5.3.5.Таблица 5.3.5
Вр.спада | Периодколеб-й гарм.составл-х | Коэффициентусиления | |||||||||
Т0 | Т1 | Т2 | Т3 | Q0 | Q1 | Q2 | Q3 | Qg | Условныепределы | ||
i=0 | i=1 | i=2 | i=3 | i=0 | I=1 | i=2 | i=3 | min | max | ||
X1 | 0,1 | 0,3 | 1 | 4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0,5 | 0 | 50 |
X2 | 1,03 | 0,27 | 0,8 | 3,6 | 1,1 | 0,85 | 1,1 | 0,7 | 0,65 | 0 | 30 |
X3 | 0,08 | 0,36 | 0,75 | 5,2 | 1,3 | 0,8 | 0,9 | 1,1 | 0,45 | 0 | 50 |
X4 | 0,115 | 0,33 | 0,9 | 4,4 | 0,85 | 1,3 | 0,75 | 0,8 | 0,55 | 0 | 50 |
Рисунок 5.3.5Четыре реализациивеличины Z
Рисунок 5.3.6Автокорреляционныефункции четырехреализацийZ
Были рассчитаныстатистикиэтих величин.Средние значения(Zср), дисперсии(Dz) и СКВО показанына фрагментахэтого рисунка.Автокорреляционнаяфункция и времяспада ее экспоненциальнойаппроксимации- на рисунке5.3.6, а функцияспектральнойплотности -5.3.7.
Этот материалпозволяетувидеть средниезначения статистиквеличины Z и еедрейф. Получаем:
Zср=41,5±7 ед.;
Dz=975±300(ед)2;
СКВО=30,5±7 ед.;
Tz,сп=0,3±0,4.
В таблицах5.3.4 и 5.3.5 приведенырасчеты статистик,которые былиполучены вExcel.
Таблица 5.3.4
x1 | X2 | x3 | x4 | |
Среднее | 24,33897 | 16,16241 | 24,33043 | 25,21387 |
Дисперсия | 1003,482 | 459,9968 | 1080,297 | 1223,786 |
Сумма | 12169,49 | 8081,207 | 12165,22 | 12606,93 |
СКВО | 31,67779 | 21,44754 | 32,86787 | 34,98265 |
Таблица 5.3.5
Времяспада | Расч.множитель | |
x1 | 0,1 | 0,6 |
x2 | 1,03 | 0,961165049 |
x3 | 0,08 | 0,5 |
x4 | 0,115 | 0,652173913 |
Анализ функцийспектральнойплотностипоказывает,что смоделированныегармоническиесоставляющиеколебаний Z невсегда проявляются,порой их "забивают"случайные шумы.
5.3.4 Расчетдисперсии испектра величинына выходе САУ
Рисунок 5.3.7Функции спектральнойплотностиреализацийZ
Освоивматематическийаппарата частотногомоделирования,попробуемрассчитатьдисперсию испектр на выходесистемы автоматическойстабилизацииплотностишлама, разгружаемогоиз гидростатическогоотстойника.На входе САУдействует целыйкомплекс возмущающихвоздействий.При этом навыходе САУнаблюдаетсяприведенноевозмущение:
u 0, z = y.
Длярасчета спектравыходной величиныобратимся кмодели апериодическогозвена первогопорядка сзапаздыванием.
Задаёмнормированныйпараметр каналауправления:
’ =/T= 1мин./15мин.=0.066 у.е.вр.
В САУвремя нормируетсяпо постояннойT каналауправления.
Задаемнормированныепараметры входаСАУ:
D’z= 1, T’СП= 10 у.е.
Этиммы определяемобласть фильтрацииприведенноговозмущения:
TСП= T’СПT= 10у.е.15мин.= 150мин,
T12= TСП/ T10= 150мин. / 0,3о.е. = 500мин.
ГруборассматриваемаяСАУ может полноценнофильтроватькоррелированныешумы со временемспада в четвертьчаса и закономерныесоставляющиес периодомпоявления 4часа.
Нормированныепараметрырегулятораустанавливаемпо подсказкепреподавателя:
K’Р= 1, K’I= 0,5.
Рассчитываемс помощьюспециализированнойпрограммычастотныехарактеристикиСАУ. Функцияспектральнойплотностивходной и выходнойвеличины САУпоказаны нарис. 5.3.8.
Рисунок 5.3.8Функции спектральнойплотности навходе и выходеСАУ
Нормированнаявыходная дисперсияравна 0,101793 (D’y=0,101793),что означаетснижение входнойдисперсии в9,8 раз.
Определимтеперь степеньснижения диапазонаколебанийстабилизируемойвеличины yпослеподключенияСАУ:
0,32Чтобы рассчитатьабсолютноеСКВО, требуетсязнать дисперсиюшума, подаваемогона вход САУ.Для этого напрактике выбираютотрезок времени,в течение которогорегулятор былотключен, иизучают колебаниявыходной величины.В нашем случаедисперсияколебаний Yравна 0,0009 (т/м3)2,СКВО равно 0,3т/м3.
АбсолютноеСКВО рассчитываемпо формуле:
0,0095т/м3.4СКВО дают наиболеевероятныйдиапазон колебанийстабилизируемойвеличины yв абсолютныхединицах:
Дy= 4y= 40,0095= 0,038 т/м3.
Анализируяэтот материал,мы можем сделатьследующиевыводы:
Расчетныестатистикивыгодно использоватьдля сопоставительногоанализа неслучайныхсвойств изменяющихсяво временивеличин илиодной и той жевеличин, но вразные моментыее "жизни",
Среднийуровень измененийХ(t) фиксируетстатистическаяоценка Хср;
Оценкойскорости колебанийможет служитьвремя спадаавтокорреляционнойфункции, чемона больше,тем медленнеев среднем колеблетсяХ(t);
Анализ спектраколебанийпозволяетдополнительноувидеть, накаких частотахпреимущественнососредоточенамощность колебанийХ(t).
5.4 УстойчивостьСАУ. Классытребованийк качествууправления
5.4.1 Формулированиетребованийк САУ
Рассматриваетсясистема автоматическогорегулирования подачи топливав печь спекания.Для спеканияшихты на глиноземныхзаводах используютсятрубчатыевращающиесяпечи. С однойстороны в печьпоступаеттопливо – угольнаяпыль в смесис воздухом. Сдругой стороныв печь подаетсясырье – и выводятсягазы. Получаемыйпродукт – спек– из печей подаетсяна участокдробления.
Нормальнаяработа печиспеканияхарактеризуетсяопределеннойконцентрациейкислорода вотходящихгазах, по которойкосвенно оцениваютколичествосгораемоготоплива. Чембольше топливасгорает в печи,тем меньшестановитсяконцентрациякислорода вотходящихгазах.
Если концентрацияпо показаниямприбора превышаетзадание, необходимоувеличитьподачу топливав печь, повышаячастоту вращенияпривода.
Системаавтоматическогорегулированияподачи топливав печь спеканияотносится ктем САУ, длякоторых неважно наличиенебольшойстатическойошибки регулирования.Поэтому относимэту системык классу "В"(классификацияСАУ по статическимсвойствам).
Итак, формализовалисьтребованияк САУ в рамкахописаннойклассификации:устойчивость,класс "В", группаII.
5.4.2 Выбор областиработы САУ
Канал управленияв нашей системеидентифицированкак звено первогопорядка сзапаздыванием:S=1. Нами определеносреднее значениенормированноготранспортногозапаздывания:'=0,066.Ориентируясьна желаниеминимизациидисперсии идлительностипереходныхпроцессов,наиболее приемлемойсчитаем рабочийрайон поисканастроек:
K'P- от 2 до 4, K'I- от 1 до 2 (назовемэтот районбазовым).
Ниже приведеныгодографыНайквиста длятрех точек,выбранных награфике областиустойчивостив пространстведля систем типаS=1.
Анализируяграфики, делаемвывод, что системанаиболее устойчивапри значенияхкоэффициентовКр = 2,1 и KI=0,7(т.е. третий график).
Проделаемто же самое для трех точек,выбранных награфике областиработы САУ, приS=1 и '= 0,066.
Для нашейсистемы типаII класса В значениякоэффициентов:
K'P- от 10 до 12, K'I- от 2 до 4.
В этих пределахсистема неустойчива (нижеприведен годографНайквиста призначениях K'P=10, K'I= 2).
Рассмотримповедениесистемы приизмененииоптимальногозначения коэффициентаKI вдиапазоне 30%.
При KI=0,5получаем графики:
При KI=0,9получаем графики:
Используякритерий Найквиста,определилиобласть устойчивостинашей системыи оптимальныезначениякоэффициентов.Выбрали этоткритерий, потомучто он позволяетлегко определить,устойчивасистема илинет с помощьюгодографа.
Определили,что хотя системаи относитсяко второмутипу, при выбранныхтрех точкахзначенийкоэффициентов,она не устойчивав этих пределах.
Заключение
Вданном курсовомпроекте, всоответствиис поставленнойзадачей управления,была предложенамодернизациясистемы управлениякотлоагрегатом.
Была разработанафункциональнаясхема котлоагрегатаи произведенвыбор полевойавтоматики.
В качестветехническойбазы спроектированнойсистемы автоматизациибыл предложенрегулирующиймикропроцессорныйконтроллерGE Fanuc и персональнаяЭВМ. Преимуществоммодернизированнойсистемы являетсяболее точнаяреализацияпроцессарегулирования,основаннаяна цифровойобработкеинформации.
ИспользованиеПЭВМ со SCADA-пакетомCYMPLICITY даёт большиевозможностидля представленияинформациичеловеку, функциейкоторого являетсямногокритериальноеуправлениекотлоагрегатом.
Результатприменения предлагаемоймодернизациисостоит встабилизациипараметровтехнологическогопроцесса, засчёт увеличенияобъёма и качестваобработкиинформации,позволяющейтехнологическомуперсоналуприниматьсвоевременныеи оптимальныерешения привнештатныхситуациях.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙЛИТЕРАТУРЫ:
М.И.Резников, Ю.М.Липов «Паровыекотлы тепловыхэлектростанций»
Н.А.Киселев «Промышленныекотельныеустановки»
«Эксплуатацияпаровых котлови паротрубопроводов»под ред. Божко
Н.ИЕремин, А.Н Наумчик,В.Г Казаков«Процессы иаппаратыглиноземногопроизводства»
Н.А.Киселев «Устройствои эксплуатациякотлов»
В.М.Максимов «Котельныеагрегаты большойпаропроизводительности»
В.Г.Александров«Паровые котлысредней и малоймощности»
«Теплотехника»под редакциейА.П. Баскакова
С.Я.Белинский«Теплофикацияи теплоэлектроцентрали»
«Учети контрольрасхода энергоносителейи тепловойэнергии» подредакцией В.С.Кахановича
«Основыавтоматизациидля металлургов»под редакциейИ.А. Грязновой
Н.Я.Турчин «Инженерноеоборудование тепловыхэлектростанцийи монтажныеработы»
А.С.Клюев, А.Т. Лебедев,С.И.Новиков«Наладка системавтоматическогорегулированиябарабанныхпаровых котлов»
Н.Н.Лариков«Теплотехника»
«Справочникэксплуатационникагазовых котельных»
П.Н.Мануйлов«Теплотехническиеизмерения иавтоматизациятепловых процессов»
В.С.Чистяков«Краткий справочникпо теплотехническимизмерениям»
В.С.Вергазов«Устройствои эксплуатациякотлов». Справочник.
А.М.,В.А.,П.Г.Удыма«Проектирование,монтаж и эксплуатациятепломассообменныхустановок»
Д.Н.Кемельман,Н.Б.Эскин «Наладкакотельныхустановок».Справочник.
Р.Беккер«Теория теплоты».
Инженерныйсинтез основнойсистемы регулирования
Любаясистема регулированиядолжна поддерживатьрегулируемуювеличину снаименьшимиотклонениямиот заданногозначения. Напрактике чащевсего требуемаяточность работыможет быть достигнутаза счет повышениячувствительностирегуляторак отклонениямрегулируемойвеличины. Однакоэто может привестик возникновениюколебаний взамкнутойсистеме автоматическогорегулированияи потере устойчивости.В связи с этимобеспечиваниеустойчивостипри всех встречающихсяна практикережимах работыобъекта автоматизации(для даннойкурсовой работы = это автоматизациикотлоагрегата)являетсяпервоочереднойзадачей проектирования,наладки иэксплуатациисистем регулирования.
Имеетсякотлоагрегат(ОУ). Вода, проходячерез котлоагрегат,нагревается паром с регулируемымрасходом. Необходимосинтезироватьробастнуюсистему автоматическогорегулированиятемпературыводы на выходекотлоагрегата.Управляемойвеличиной Yбудет температураводы на выходе,а управляющимвоздействием U – расходпара на котлоагрегат(процент открытияклапана натрубопроводепара).
Исходныеданные:
U=1
Y= 1+0.01*n=1+0.01*22=1.22,где n – номерварианта
Транспортноезапаздывание:
=2+n/4=2+22/4=7.5
Постояннаявремени
T=10+n/4=10+22/4=15.5
Программныйпакет Р2_0 имитируетработу одноконтурнойлинейной САР.Канал ОУ в немзадан инерционнымзвеном первогопорядка
Рис.1Структурнаясхема одноконтурнойлинейной системыавтоматическогорегулированиястабилизациис ПИ – регулятором.
XY – приведенноевозмущение;YZ – заданноезначение; X1 –контролируемоезначение;
X2 – шумыв канале возмущения; X3 – шумыв канале управления.
Блоки 1…4 –блоки формированиявоздействийXY, X1, X2, X3можно задатьс помощью меандраили синусоиды,их параметры– амплитудаи полупериодколебаний.
Блок 5 – блокформированияYZ (задание).
Блок 6 – компенсаторвозмущения(KB) Х1 - пропорциональноезвено, еслиравно 0, то KBне работает.
Блок 7- каналуправления- инерционноезвено первогопорядка, описываетсятремя параметрами:
K1- коэффициентусиления;
T1- постояннаявремени;
R1 - транспортноезапаздывание.
Блок 8- каналпередачи возмущения X1 - инерционноезвено первогопорядка.
Параметры:K2, T2, R2.
Блок 9- измерительвеличины.
Параметры:К3, Т3, R3. ЕслиT2=R2, тонепрерывноеавтоматическоеизмерение.
Блок 10- ПИД-регулятор.Передаточнаяфункция: - K0(1+L0/p+R0*р).
K0- коэффициентусиления;
L0- постояннаяинтегрирования;
R0 -постояннаядифференцирования.
Анализ реакцийнерегулируемогообъекта управленияна типовыевоздействия.
Строимграфик переходногопроцесса (рис.2)при подаче навход ОУ – меандра.Для этого задаемвходное воздействиес помощью звенаX3. При этомобнуляем приведенноевозмущениеХУ и отключаемПИ – регулятор.
Рис.2 Переходнойпроцесс приподаче на вход- меандра
Строимграфик переходногопроцесса приподаче на входОУ – синусоиды.Входное воздействиезадаем с помощьюзвена X3, иобнуляем приведенноевозмущениеХУ и отключаемПИ – регулятор.
Рис.3 Переходнойпроцесс приподаче на вход– синусоиды
Строим (рис.4)амплитудно-частотнуюхарактеристику(АЧХ) ОУ (инерционногозвена первогопорядка). Дляэтого подаемна вход ОУсинусоидальноевоздействие.С помощью измененияполупериоданаходим значенияамплитуды пографику. Делаемнесколькозамеров, и строимАЧХ. На графике(рис.4) показаназависимостьчастоты отамплитуды.
| Частота | 0,05 | 0,025 | 0,016 | 0,0125 | 0,01 | 0,0083 | 0,0071 |
| Амплитуда | 0,36 | 0,56 | 0,76 | 0,8 | 0,9 | 1 | 1,1 |
Рис.4 Амплитудно-частотнаяхарактеристика
НастройкаПИ – регуляторана наилучшеекачество переходногопроцесса
Для базовогообъекта, характеризующегосяпятью заданнымипараметрами– K1, R1,T1, Т3, R3выполняемнастройку ПИ– регулятора.Для этого подбираемK0, L0, R0(табл.1) и настраиваемсистему нанаилучшеекачество переходногопроцесса.
Таблица 1
| № | К1 | Т1 | R1 | T3 | R3 | K0 | L0 | R0 | Tрег. | Gпер | Kзат. | Tсоб. | Vсоб. |
| 1 | 1,22 | 15,5 | 7,5 | 0 | 0 | 0,885 | 0,105 | 0 | 69 | 20 | 2,5 | 58 | 0,04 |
| 2 | 1,22 | 15,5 | 7,5 | 0 | 0 | 0,895 | 0,095 | 0 | 71 | 16 | 4 | 48 | 0,055 |
| 3 | 1,22 | 15,5 | 7,5 | 0 | 0 | 0,905 | 0,075 | 0 | 47 | 8 | 2,6 | 47 | 0,056 |
| 4 | 1,22 | 15,5 | 7,5 | 0 | 0 | 0,937 | 0,0665 | 0 | 43 | 7,5 | - | - | - |
5 | 1,22 | 15,5 | 7,5 | 0 | 0 | 0,817 | 0,056 | 0 | 27 | - | - | - | - |
Tрег -время регулирования(мин.);
Gпер –перерегулирование,% (Gпер = в);
Kзат –коэффициентзатухания,Kзат=в/а;
Tсоб –период собственныхколебаний,мин.;
Vсоб. –частота собственныхколебаний, Vсоб=2/ Tсоб.
Вывод:
Синтез робастнойСАР, учитывающийдрейф и неточныезнания параметровОУ
Анализируем2 варианта K1,T1, R1 приопределенныхнаилучшихнастройкахПИ регулятора,результатызаносим в таблицу(табл.2)
первый вариант- условно благоприятныйобъект - параметрыобъекта управленияна 30% ниже номинала;
второй вариант– условнонеблагоприятныйобъект – параметрыобъекта управленияна 30% выше номинала.
Таблица 2
| № | K1 | T1 | R1 | T3 | R3 | K0 | L0 | R0 | Tрег | Gпер | Kзат. | Tсоб. | Vсоб |
1 | 0,854 | 10,85 | 5,25 | 0 | 0 | 0,817 | 0,056 | 0 | 72 | 16 | 4 | 60 | 0,1 |
| 2 | 1,586 | 20,15 | 9,75 | 0 | 0 | 0,817 | 0,056 | 0 | 74 | - | - | - | - |
