Автоматизация работы котельной
Введение
Производственные котельные предназначены для
обеспечения паром и горячей водой технологических процессов промышленных
предприятий (технологического теплоснабжения). Проектирование котельных этого
типа осуществляется строго в соответствии с заданиями главных технологов
производства и технологическими картами оборудования. При этом учитываются
максимальные значения параметров теплоносителей. Если необходимы другие
параметры, то проектируется деление по контурам со снижением показателей до
уровня требуемых.
В современном мире трудно представить себе жизнь
без использования топлива, причем не в первобытном смысле - путем сжигания и
только, а с максимальным использованием его теплового потенциала. Имеется ввиду
использование теплоты сгорания топлива для ведения технологических процессов ,
а также в энергетических установках непосредственно или путем передачи ее с
помощью промежуточного теплоносителя. Самые распространенные теплоносители -
водяной пар и вода.
В настоящее время в России огромное количество
котельных установок, которые в подавляющем большинстве морально и физически
устарели, что приводит к значительным потерям тепла при производстве пара и
подогреве воды. В связи с этим вопросы повышения технического уровня котельных,
в частности, их эффективности и надежности, имеют важное народнохозяйственное
значение и поэтому являются основными в деятельности многих
научно-исследовательских и конструкторско-технологических организаций.
В основном, котельные установки являются
неотъемлемой составной частью большинства промышленных и общественных
комплексов (химических, нефтеперерабатывающих, газовых, автомобильных,
научно-исследовательских). Основная задача котельных - бесперебойное
обеспечение объекта паром и горячей водой с заранее установленными параметрами.
Следовательно, отказ котельных установок приводит к простою всего комплекса
или, как минимум, его большую часть, а это колоссальные убытки.
1. Характеристика котельной
Котельная №3 расположенная в г. Новый Уренгой на
территории ОАО «Уренгойтеплогенерация-1»
Котельная вырабатывает насыщенный пар с рабочим
давлением 14 МПа. Пар предназначен для производственных нужд завода.
Котельная вырабатывает тепло, идущее на
отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и технологические нужды
предприятия (паровые котлы ДЕ-25-14).
Основным видом топлива в котельной является
природный газ, резервным - мазут.
Водоснабжение котельной осуществляется из
городского водопровода.
Забор воздуха на горение осуществляется с улицы
и непосредственно с котельного помещения с помощью дутьевых вентиляторов.
Тяга дымовых газов осуществляется дымососами,
установленными отдельно для каждого котла.
Система теплоснабжения, для нужд отопления и
вентиляции, закрытая. Регулирование качественное по отопительному графику с
температурой 70 - 95 оС.
Пароводяные подогреватели сетевой воды и
горячего водоснабжения установлены непосредственно в котельной.
Подпитка котлов производится химически
очищенной, деаэрированной водой с температурой 104 оС.
По газопроводу заводской сети газ подается к газорегуляторной
установке (ГРУ). Выходное давление газа 3 кгс/см2. Расход газа на котел ДЕ
25-14 ГМ составляет 1778 нм3/ч (по данным Бийского котельного завода). На котле
ДЕ 25-14 ГМ устанавливается одна горелка типа ГМП-16. Требуемое давление перед
горелкой 2500 кгс/м2.
Оборудование котельной
Паровой котёл ДЕ-25-14 ГМ газомазутный
вертикально-водотрубные паровые с естественной циркуляцией типа Е (ДЕ)
производительностью 25 т/ч предназначен для выработки насыщенного или
слабоперегретого пара, используемого на технологические нужды промышленных
предприятий, в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
Топочная камера котлов размещается сбоку от конвективного пучка, оборудованного
вертикальными трубами, развальцованными в верхнем и нижнем барабанах. Основными
составными частями котлов являются верхний и нижний барабаны, конвективный
пучок, фронтовой и боковой экраны, образующие топочную камеру.
На котле ДЕ 25-14 ГМ производительностью 25 т/ч,
пароперегреватель - вертикальный, дренируемый из двух рядов труб.
Поставляются котлы блоком, включающим верхний и
нижний барабаны с внутрибарабанными устройствами, трубную систему экранов и
конвективного пучка (в случае необходимости - пароперегреватель), опорную раму,
изоляцию и обшивку.
Котёл ДЕ-25-14 ГМ оборудован системой очистки
поверхностей нагрева, может работать в диапазоне давлений 0,7-1,4 МПа.
В качестве хвостовых поверхностей нагрева котлов
применяются стальные или чугунные экономайзеры.
. Описание схемы автоматического управления
работой котла КВГМ-100
Работа водогрейного котла проходит в несколько
стадий. Ходом процесса управляет автоматическая система, точно соблюдающая все
условия.
Системы автоматики современных котлов выполняют
следующие функции:
) автоматическое регулирование параметров
работы:
• давления пара в барабане паровых котлов
или температуры горячей воды для водогрейных;
• расхода воздуха на горение (соотношение
расходов газ воздух);
• разрежения в топке;
• температуры перегрева пара;
) автоматическая защита котла (автоматика
безопасности) отключением подачи газа при следующих предаварийных показателях:
• повышение давления пара для паровых
котлов и температуры горячей воды для водогрейных;
• повышение или понижение давления газа
перед горелками;
• понижение давления воздуха перед горелками;
• понижение разрежения в топке;
• погасание факела;
• отключение циркуляционных насосов для
водогрейных котлов;
• отключение электроэнергии;
) световая и звуковая сигнализация при
срабатывании автоматики по п. 2;
) дистанционный контроль ряда параметров,
выносимых на щиты управления и контроля. Набор параметров определяется
проектной организацией, как правило, это разрежение в топке, давление воздуха
за вентилятором, температура продуктов горения по дымовому тракту, силы тока
электролвигателей дымососа и вентилятора и т.д.;
) дистанционное управление направляющими
аппаратами дымососа и вентилятора, питательным клапаном, регулирующим органом
на газопроводе;
) полуавтоматический или автоматический
пуск котла.
Измерение температуры воды из теплосети проводится
с помощью термопреобразователя сопротивления ТСМ-0879 (3к-3а) и вторичного
прибора КСМ-3 ( мост автоматический самопишущий, шкала измерения 0…1000С)
поз.(3к-3), также по месту стоит термометр технический прямой с оправой ТТП-5
(3к1). Температура воды на выходе из котла термопреобразователь
сопротивления-система измерения, регистрации и регулирования( ТСМ-0879 (3к-4а),
КСМ-3 с сигнализирующим устройством; также по месту термометр технический
прямой с оправой ТТП-5(3к2)).Температура уходящих газов -термоэлектрический
преобразователь ТХК , диапазон измерений 0…3000С (3к-5а) вторичный- КСП-3 (
потенциометр автоматический самопишущий, шкала 0…3000С).
Давление воды на входе в котел -система
измерения, регистрации и регулирования (преобразователь давления типа
МЭД-22364-манометр электрический дифференциальный (3к-23а) , верхний предел
измерений давления избыточного 1,6 Мпа, вторичный прибор - КСД-3 шкала 0…25
кгс/см2(3к-23),на трубопроводе установлен технический манометр МП-250мм шкала
0…25кгс/см2 ). Давление воды на выходе из котла -система измерения, регистрации
и регулирования (преобразователь давления типа МЭД-22364 (3к-24а) , верхний
предел измерений давления избыточного 1,6 Мпа, вторичный прибор - КСД-3 шкала
0…25 кгс/см2(3к-24),на трубопроводе установлен технический манометр МП-250мм
шкала 0…16кгс/см2(3к-7)) . Давление газа после регулирующей заслонки измеряется
дифманометром-преобразователем мембранным ДМ-3583М (3к-25а) Р=0,4 кгс/см2 ,
вторичный прибор КСД-3с сигнализирующим устройством . На трубопроводе
установлен манометр МП-4у(3к-8). Измерение давления газа перед диафрагмой
,давление газа на запальники горелок котла, давление газа перед запальниками
котла - манометр МП-4у(3к-9,3к-10,14,15,16). Давление газа перед горелками
котла измеряется с помощью МТН (манометр для точных измерений), шкала 0…0,6
кгс/см2 (3к-11,3к-12,3к-13). Давление воздуха в общем воздухопроводе котла и
давление перед каждой горелкой котла -система измерения, контроля,
регулирования (датчик реле напора ДН-2,5 с сигнализирующим устройством шкала
0…250кгс/см2 ,прибор на щите напоромер НМП-52М1(3к-17,18,19,20) шкала
0…250кгс/см2 ).
Тягомеры дифференциальные ДТ2-50(3к-26а)
применяются в схемах автоматического регулирования в качестве первичных
приборов, в данном случае для измерения разрежения в топке котла, вторичный
прибор КСД-3 с сигнализирующим устройством.
Разрежение за котлом контролируется при помощи
тягонапоромера жидкостного ТНЖ-Н (3к-22) шкала 0…25 кгс/см2 .
Расход воды через котел измеряется
дифманометром-преобразователем мембранным ДМ-3583М (3к-27а) Р=100КПа ,
вторичный прибор КСД-3с сигнализирующим устройством, шкала 0…1600кгс/см2 .
Расход газа на котел измеряется дифманометром-преобразователем мембранным
ДМ-3583М (3к-28а) Р=100КПа , вторичный прибор КСД-3с сигнализирующим устройством,
шкала 0…6300м3/ч .
Для электророзжига и контроля факела запальников
и горелок (3к-39,40,41) используется прибор контроля факела Ф-34-2.
Контур регулирования соотношения газ-воздух.
Регулирование происходит путем измерения давления газа дифманометром-преобразователем
мембранным ДМ-3583М (3к-38а) Р=63КПа и воздуха ДМ-3583М (3к-38б) Р=2,5КПа.
Сигналы поступают в регулятор расхода РП-4П(3к-38д) и сравниваются с
электрическим сигналом задатчика РДЗ-12 (3к-38в), затем сигнал идет на
пускатель бесконтактный реверсивный ПРБ-2М (3к-38г), который включает
электрический механизм МЭО -100/63(3к-38е).
Контур регулирования нагрузки котла.
Регулирование происходит путем измерения давления газа
дифманометром-преобразователем мембранным ДМ-3583М (3к-36а) Р=63КПа . Сигнал
поступает в регулятор РП-4П(3к-36б) и сравнивается с электрическим сигналом
задатчика РДЗ-12 (3к-36в), затем сигнал идет на пускатель бесконтактный
реверсивный ПРБ-2-3М (3к-36г), который включает электрический механизм МЭО
-100/63(3к-36д).
Контур регулирования разрежения в топке котла.
Датчиком напора тяги дифтрасформаторным ДТ2-50(3к-37а) измеряем величину
давления газа в топке котла. Электрические сигналы от датчика поступают в
регулятор РП-4П(3к-37) и сравнивается с электрическим сигналом задатчика РДЗ-12
(3к-37б), при равенстве нулю этих сигналов, выходной сигнал от регулятора
отсутствует. При расхождении регулятор PIC вырабатывает сигнал, который в
электронных блоках регулятора усиливается и преобразуется. Далее сигнал
подается на ключ SA1, предназначенный для переключения режимов управления
«автоматический - полуавтоматический». Выходной сигнал с ключа SA1 подается на
усилитель мощности NS. Затем усиленный сигнал идет на пускатель бесконтактный
реверсивный ПРБ-2-3М (3к-37в), который включает электрический механизм МЭО
-100/63(3к-37г). Исполнительный механизм изменяет положение газового клапана
это приводит к изменению расхода газа. Кнопочный переключатель SB1 предназначен
для установленного включения электродвигателя исполнительного механизма в ручном
режиме управления.
. Архитектура системы управления современной
котельной
Проект, по которому строилась производственная
котельная, был разработан в 80-х годах. А за последнее время уровень развития
электроники и микроэлектроники многократно возрос. Существующий уровень
автоматизации перестал удовлетворять возрастающим требования нашего времени.
Низкая надежность и точность аппаратуры приводят к большим экономическим
затратам и ухудшению условий труда.
Многие приборы, установленные здесь, требуют серьезной
конструктивной доработки. Совершенно не продумана система визуализации хода
процесса. Оператор видит не истинные графики изменения рабочих параметров, а
лишь их отображение самопишущими приборами (это очень неудобно). При
возникновении необходимости у оператора просмотреть ход процесса одной из
прошлых смен, ему понадобится потратить много времени, чтобы отмотать
диаграммную бумагу назад.
Основная цель разработки новой системы -
повышение экономической эффективности производства.
Основные функции создаваемой системы заключаются
в следующем:
Управление работой технологического объекта;
Предоставление возможности оперативного
контроля;
Ведение информационной базы об объекте
управления;
Мониторинг процесса.
Основываясь на практике внедрения автоматических
систем управления на других предприятиях подобного профиля, предлагается
установить на промышленную котельную одну из систем, предназначенную для
решения задач автоматического управления технологическим процессом в реальном
масштабе времени, имеющую распределенную структуру и взаимодействующую с
объектом управления через микропроцессорный контроллер. Информация о
контролируемых и регулируемых параметрах будет поступать на контроллер. Он
будет её обрабатывать и выдавать управляющие воздействия, согласно заложенной в
него программы. Далее информация об объекте управления передается на ведущую
систему, которая управляет работой самого контроллера. Введение такой иерархии
позволяет четко распределить функции между системами. Ведущая система будет
установлена на ПЭВМ, прочно вошедшую во все сферы человеческой деятельности и
доказавшую свое право на существование.
Основные функции контроллера будут заключаться в
следующем:
Получение контролируемых параметров от объекта
управления;
Передача данных параметров на ПЭВМ;
Управление ходом технологического процесса путем
выработки управляющих сигналов и передачи их соответствующим устройствам,
согласно заложенному алгоритму работы.
Замена контроллером, существующего сейчас
оборудования, позволит точно соблюдать технологические условия производства
продукта, что приведет к повышению его качества. Значительно уменьшится время,
затрачиваемое рабочим персоналом, на обслуживание оборудования. Понизятся
материальные затраты, связанные с поверкой и ремонтом приборов. Размер рабочих
площадей, на которых установлено данное оборудование во много раз сократится,
что позволит использовать их в других целях.
Огромное количество самописцев и показывающих
приборов будет заменено на одну локальную техническую станцию, содержащую в
себе ПЭВМ, программное обеспечение и средства отображения информации. Вся
информация будет стекаться сюда, что значительно облегчит работу оператора и
повысит качество оперативного контроля. После внедрения системы в целом,
облегчится оперативный контроль и управление, повысится безопасность условий
труда. Нельзя забывать и о том, что переход на более современное оборудование,
приведет к повышению моральной культуры производства и даст толчок рабочему
персоналу к своему профессиональному совершенствованию.
Установив на котельной микропроцессорные
контроллеры и систему автоматизированного управления технологическим процессом,
можно добиться положительного результата. Система автоматизированного
управления будет взаимодействовать с объектом управления через контроллер и
позволит убрать практически всё устаревшее оборудование.
Примером подобного решения является АСУ ТП двух
водогрейных котлоагрегатов. Система разработана и внедрена совместными усилиями
ЗАО «АМАКС» и ПКП «Стелсе».
обеспечение безопасного технологического режима
котельных агрегатов;
снижение расходов топлива и электроэнергии;
увеличение срока службы технологического оборудования;
снижение вредных выбросов в атмосферу;
улучшение условий труда эксплуатационного
персонала.
Для достижения указанных целей приняты следующие
концептуальные решения:
реконструкция системы газоснабжения котельных
агрегатов с установкой блоков газооборудования БГ-5 (производитель ЗАО
«АМАКС»);
применение IBM PC совместимых контроллеров
MicroPC фирмы Octagon Systems и Fastwel и ADAM-5510 фирмы Aclvantech;
• применение на верхнем уровне IBM PC
совместимых персональных компьютеров на базе процессоров Pentium II;
• использование супервизорного режима управления
как основного;
• применение частотно-регулируемых
электроприводов тягодутьевых агрегатов;
• реализация всех эксплуатационных режимов
управления средствами операторских станций пульта управления.
Основными критериями выбора для построения
системы контроллеров MicroPC и ADAM-5510 послужили их соответствие условиям
эксплуатации и высокая надежность.
Блоки газооборудования БГ-5 обеспечивают системе
следующие преимущества:
• исключается возможность загазованности топок
котлов за счет использования в схеме двух быстродействующих запорных клапанов и
клапана утечки между ними, а также специальной системы проверки газовой
плотности арматуры;
• создаются условия для розжига горелок при
пониженном давлении газа, что полностью устраняет возможность «хлопка» в топке;
• обеспечивается управление каждой горелкой, что
позволяет использовать полный рабочий диапазон регулирования горелок,
оптимизирует процесс горения, снижает вредные выбросы.
АСУ ТП позволяет решать следующие задачи:
• автоматическая подготовка котлоагрегата к
розжигу:
• автоматический розжиг горелок котла с
переходом в режим минимальной мощности:
• управление нагрузкой и оптимизация соотношения
газ-воздух каждой из горелок котла;
• управление тепловым режимом котла
(регулирование разрежения в топке, давления воздуха в общем воздуховоде, подачи
газа в котел);
• регулирование температуры сетевой воды на
выходе из котельной в зависимости от температуры наружного воздуха;
• защита, сигнализация и блокировка работы котла
при неисправностях;
• управление с операторских станций
технологическим оборудованием (дымосос, вентиляторы, задвижки);
• обеспечение оперативно-технологического
персонала информацией о параметрах теплового режима и состоянии
технологического оборудования;
• регистрация в режиме реального времени
параметров технологического процесса и действий оперативного персонала;
• протоколирование и архивирование информации;
• представление архивной информации и
результатов расчетов.
Управляющие и информационные функции системы
реализуются соответствующими подсистемами и схемами, выделенными по
функциональным признакам.
Программно-технические средства и иерархия
системы
Комплекс технических средств (КТС) АСУ ТП
является материальной базой, на основе которой в совокупности с программой,
составленной в соответствии с алгоритмами функционирования АСУ ТП, реализуются
задачи управления технологическим процессом и информационного обслуживания
технологического персонала.
Структура КТС является иерархической, распределенной
(рис. 3).
На нижнем уровне располагаются датчики давления
и перепада давления («Сапфир-22»), температуры с нормирующими преобразователями
(ТСПТУ), исполнительные механизмы (МЭО-100, 250), блоки питания (БП-96/24-4,
БП-99/24-2 «Элемер», Wago 230/24-2-228-812), средства выбора режимов
управления, пускатели (ПБР-2, 3), промежуточные реле, блоки бесперебойного
питания серии Sman-UPS фирмы АРС, а также средства дистанционного управления
исполнительными механизмами, с задвижками и клапанами, позволяющие оператору
вести технологический процесс при неисправности АСУ ТП, т. е. предусмотрен и
ручной (аварийный) режим работы.
На среднем уровне системы расположены три блока
УСО-1. Конструктивно они выполнены в виде отдельных шкафов со своими пультами
управления и панелями индикации. Блоки УСО-1 выполняют функции управления
технологическим оборудованием горелки. В них также реализованы локальные
функции защиты и блокировок для каждой отдельной горелки. В состав УСО-1
входят:
• защитный блок, выполненный на базе однокристальной
микроЭВМ и реализующий локальные функции защиты для одной горелки на основе
обработки входных дискретных сигналов и формирования управляющих сигналов для
внешних устройств;
• блок управления, предназначенный для обработки
входных аналоговых и дискретных сигналов и управления внешними устройствами по
заданному алгоритму, представляющий собой контроллер с модулями гальванической
изоляции входных и выходных дискретных сигналов и с выходом в сетевой интерфейс
RS-485.
На этом уровне реализуются основные управляющие
и информационные функции системы, локальные блокировки и защита, а также
производится первичная обработка информации. По интерфейсу RS-485 через
преобразователь МТВ-485 три блока УСО-1 (по одному на каждую газовую горелку)
связаны с управляющим контроллером котлоагрегата, построенным на аппаратных
средствах MicroPC фирмы Octagon Systems и Fastwel и использующим процессорную
плату 5066 с производительностью Pentium и модули последовательного интерфейса
5558, ввода-вывода UNI096-5, контроллера НГМД/НЖМД 5815 (3,5’’ FDD) в
выставочном каркасе 5278-RM с блоком питания 7115. На IBM PC совместимом
контроллере ADAM-5510 с модулями аналогового и дискретного ввода ADAM-5017 и
ADAM-5052 и с релейным выходным модулем ADAM-5060 реализована система защиты и
блокировок котлоагрегата, которая дублируется также и контроллером MicroPC.
Гальваническую изоляцию между контроллером MicroPC и устройствами нижнего
уровня обеспечивают модули фирмы Grayhill, установленные в клеммные платы
TBI-24L (Fastwel). Контроллеры и модули изоляции размещены в шкафу PROL1NE
фирмы Schroff.
Программное обеспечение контроллеров MicroPC и
ADAM-5510 было разработано при помощи пакета UltraLogik . Программное
обеспечение инженерной станции и станции защиты реализовано на языке ассемблера.
Персональные компьютеры операторских и
инженерной станций связаны по интерфейсу RS-232 (протокол ModBus) с
контроллером MicroPC каждого котла. Программное обеспечение операторских
станций разработано при помощи графической инструментальной системы Трейс Моуд
v4.20 для ОС MS-DOS.
Операторские станции предназначены для
оперативного управления котлоагрегатами и горелками, ведения архива и т. д. Они
полностью равноправны и взаимозаменяемы, в случае выхода из строя одной из них
можно вести управление со второй.
Инженерная станция служит для программирования,
наладки и диагностики контроллеров MicroPC и ADAM-5510, а также используется
для настройки коэффициентов всех регуляторов системы, масштабирования входных
аналоговых сигналов, задания контрольных точек режимных карт, блокировок,
уставок и т. д. Изменение параметров настройки системы управления может
осуществляться в рабочем режиме без установки технологического оборудования.
Рабочие станции верхнего уровня системы
располагаются на столе оператора пульта управления котлоагрегатами .
Такое построение системы повышает ее живучесть,
так как отказ отдельных технических средств на различных уровнях иерархии
приводит лишь к отказу выполнения части функций системы. Высокую надежность АСУ
ТП во многом определяет система электропитания: все блоки УСО-1, контроллеры и
компьютеры запитываются через источники бесперебойного питания Smart-UPS.
Испытания и опытно-промышленная эксплуатация
системы продемонстрировали ее высокие эксплуатационные характеристики и
надежность. Несомненным достоинством внедрения данной АСУТП является
возможность изменения технологических параметров и коррекции алгоритмов работы
системы без остановки оборудования, что крайне важно в условиях непрерывного технологического
процесса.
Литература
котельная автоматизация топливо
1.СНиП
11-35-76 Нормы проектирования котельной установки
.Соколов
Б.А. «Котельные установки и их эксплуатации» : учебник для нач. проф.
Образования /Б.А. Соколов.-2-е изд, испр.-М.: издательский центр
«Академия»,2007.-432с.
.
Интернет-ресурс http://www.superheater.ru
.
Интернет-ресурс http://газхоз.рф
.
Интернет-ресурс http://www.energosovet.ru