Разработка автоматической системы управления водогрейным котлом КВГМ
Введение
Оборудование большинства тепловых станций
эксплуатируется 15-20 и более лет, его физический ресурс исчерпан, оно морально
устарело.
Наилучшим решением в этой ситуации является
разработка полномасштабных интегрированных автоматизированных систем управления
технологическим процессом (АСУ ТП) взамен устаревших систем, а также внедрение
современного технологического оборудования, позволяющего максимально
использовать возможности систем управления и тем самым добиться качественно
нового уровня технологии. По сравнительным оценкам такой подход экономически
оправдан и по размерам затрат на внедрение, и по показателям эффективности
(экономии энергоресурсов, снижению аварийности, более рациональному
использованию оборудования), а также привлекательности в силу возможности
реализовывать широкий круг экологических мероприятий и повысить общую культуру
производства.
В процессе эксплуатации котлов, оснащенных
релейно-контактной автоматикой, нередко возникают аварийные режимы. Для
определения предаварийных режимов необходим определенный уровень квалификации
обслуживающего персонала, а своевременное регулирование процесса производства
тепловой энергии требует постоянного наблюдения за параметрами процесса со
стороны оператора. Конечно, промышленность и сейчас выпускает широкий диапазон
водогрейных и паровых котлов. Но, к сожалению, большинство систем автоматики,
поставляемых в комплекте с котельными установками, по-прежнему реализовано на
основе релейно-контактных элементов. Кроме того, большое количество котельных установок,
эксплуатируемых практически во всех регионах Украины, имеют еще достаточный
запас ресурса, их полная замена не оправданна.
Современные автоматизированные системы
управления котельной и котельными агрегатами по отдельности включают систему
управления водогрейным отделением, содержащую:
автономные системы управления водогрейными
котлами;
систему управления сетевой установкой.
верхний уровень представлен сервером и клиентами
системы супервизорного управления, которые находятся на компьютерах под управлением
операционной системы;
средний уровень - это непосредственно система
управления котлом (вспомогательным оборудованием) расположенная в
непосредственной близости от управляемого оборудования и реализованная на базе
управляющего контроллера. Шкаф управления котлом содержит также контроллер
автоматики безопасности, вторичные реле, диалоговую панель, световую и звуковую
аварийную сигнализацию;
нижний уровень представлен датчиками и
исполнительными механизмами, а так же устройствами локальной автоматики -
частотно-регулируемыми приводами дымососа и вентилятора.
Основными функциями автоматизированной системы
управления (АСУ) котельными являются:
автоматический пуск и останов оборудования;
дистанционное управление оборудованием;
настройка параметров управления;
информационное обслуживание оперативного
персонала о ходе технологического процесса и работе технологического
оборудования;
документирование и архивирование информации:
архивы технологических параметров, действий оператора, тревог;
диагностику и анализ аварийных ситуаций;
наладочные функции удаленного конфигурирования и
программирования контроллеров с операторских станций.
диагностика текущего состояния технологического
оборудования и системы управления;
по агрегатный технический учет расходов топлива (газа)
и выработки продукта (тепла);
реализация функций автоматики регулирования -
регуляторы нагрузки котла и уровня воды в барабане котла реализованы
программным способом, регуляторы разрежения в топке котла и соотношения
«топливо-воздух» реализованные с использованием функций частотного
регулирования;
реализация функций автоматики безопасности и их
дублирование программно-аппаратными средствами с использованием дополнительного
контроллера безопасности.
Кроме того, внедрение таких систем позволяет
снизить влияние человеческого фактора в производственном процессе и вероятность
возникновения аварийных режимов функционирования котла, повысить экологические
характеристики котельной и культуру производственного процесса.
1. Характеристика объекта автоматизации
.1 Описание технологического процесса
Водогрейные котлы предназначены для получения
горячей воды номинальной температурой 150 °С, используемой в системах
отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий и сооружений
промышленного и бытового назначения, а также для технологических целей, и
устанавливаются в котельных, оборудованных системой водоподготовки.
Для создания автоматизированной системы
управления процессами выработки горячей воды, реализуемыми водогрейными
котлами, в первую очередь необходимо определить цель создания системы и ее
назначение, а также провести обследование котла и его технологического
оборудования как объекта предстоящей автоматизации. В процессе обследования
надо составить перечень технологического оборудования, указать на его
исправность, определить режимы работы и эксплуатационные характеристики:
энергопотребление, вид топлива, производительность и др., а также
контролируемые и управляемые параметры, перечень критических и опасных значений
параметров процесса.
Водогрейный котел КВГМ-50, представляет собой
довольно сложный технологический агрегат. Общий вид представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Общий вид котла КВГМ-50
.2 Режимы работы объекта
Котел КВГМ-50 обладает большим количеством контролируемых
и управляемых параметров, функционально котел и его оборудование можно
разделить на несколько частей (см. рисунок 2):
- система подачи топлива;
- система подачи воздуха;
- горелочные устройства;
- топка;
- система подачи воды;
- барабан котла.
Котел состоит из стального цилиндрического
корпуса, внутри которого расположен циркуляционный контур, снаружи корпуса
закреплен газоотводящий короб, снизу к корпусу крепится охлаждаемая циклонная
топка.
Верхнее отверстие корпуса закрыто охлаждаемой крышкой.
С наружи корпус котла обшит листом, между которым и стенкой корпуса проложен
теплоизолирующий материал.
Рисунок 2 - Функциональная схема котла
Котел состоит из стального цилиндрического
корпуса, внутри которого расположен циркуляционный контур, снаружи корпуса
закреплен газоотводящий короб, снизу к корпусу крепится охлаждаемая циклонная
топка. Верхнее отверстие корпуса закрыто охлаждаемой крышкой. С наружи корпус
котла обшит листом, между которым и стенкой корпуса проложен теплоизолирующий
материал
Котел имеет следующие режимы функционирования:
- розжиг;
- основной режим;
- останов.
1.3 Конструкции агрегатов и установок, входящих
в ТОУ
Анализ режимов работы показал, что наиболее
сложным с точки зрения управления является основной режим с динамически
изменяющимися нагрузками и исправность котла во многом зависит от уровня
давления пара и количества воды в барабане котла. Существующая система
управления водогрейным котлом является релейно-контакторной и как следствие
имеет низкое быстродействие, в результате чего возникают наиболее частые
отклонения параметров от номинальных режимов и работе на предельных значениях,
что приводит к неисправностям котла.
В связи с тем, что существующая
система управления не позволяет стабилизировать температурный режим отходящей
воды с точностью в
водогрейном баке возникают частые и резкие изменения подачи воды в котел. Такие
перепады вызывают значительные температурные напряжения в металле экономайзера,
и не позволяет достичь равномерности подачи воды и как следствие поддержания
оптимального уровня подогреваемой воды в баке.
Наряду с этим создание необходимого
давления пара в котле и его поддержание на заданном уровне обеспечиваются
созданием соответствующих температурных режимов. Они достигаются сжиганием
некоторого количества топлива (природного газа). В свою очередь процесс
сжигания также имеет критические моменты. Химическая сторона горения природного
газа представляет собой реакцию окисления горючих элементов молекулами
кислорода. Для горения используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в
топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого
вентилятора. Соотношение газ - воздух составляет примерно 1:10.
Из-за устаревшего оборудования
регулирование соотношения газ-воздух система управления не может стабильно
поддерживать требуемое соотношение. При функционировании котла наблюдаются
неравномерность режимов недостатка воздуха.
При недостатке воздуха в топочной
камере происходит неполное сгорание топлива, и несгоревший газ выбрасывается в
атмосферу, что ведет к снижению экологических характеристик котельной и
нерациональному использованию топлива. Избыточная же подача воздуха в топочную
камеру приводит к полному сгоранию топлива. Однако при этом происходит
охлаждение топки, что также снижает эффективность агрегата. Кроме того, остатки
кислорода и азот, присутствующий в воздухе, будут образовывать двуокись азота,
что также недопустимо, поскольку это соединение вредно для человека и
окружающей среды. Поэтому регулирование подачи воздуха для сжигания топлива
необходимо как физически, так и экономически.
Вместе с тем отсутствие разряжения в
топке приводит к обгоранию горелок и нижней части топки, дымовые газы при этом
пойдут в помещение цеха, что сделает невозможной работу обслуживающего
персонала. Таким образом, создание и поддержание разряжения в топке котла
является необходимым условием для поддержания топки под наддувом.
Кроме того, подготовка котла к
розжигу представляет собой довольно трудоемкий и кропотливый процесс, при
котором проводятся проверка исправности технологического оборудования и
многочисленные замеры параметров. Результаты подготовительного процесса
определяют возможность запуска и использования котла по назначению, так как
исправность котла и его безопасность обусловливаются обеспечением поддержания
на заданном уровне необходимых параметров процесса.
Таким образом, нормальное протекание
процесса, реализуемого водогрейным котлом, требует выполнения множества условий,
и несоблюдение хотя бы одного из них может вызвать аварийную ситуацию и выход
из строя дорогостоящего оборудования. Все это обусловливает необходимость
постоянного слежения за параметрами и немедленного реагирования на отклонение
их от нормы.
Все вышесказанное определяет цель
создания системы - обеспечение оптимальных производственно-экономических,
технологических и технических параметров работы котла.
Выделим объект автоматизации. Нашей
задачей является разработка автоматизированной системы управления аэрошибером
рекуператора. Общий вид аэрошибера представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Общий вид аэрошибера.
2. Разработка АСУ ТП
.1 Задачи АСУ ТП
Основой разработки АСУ ТП является построение
моделей производственных процессов, а также процессов сбора и обработки
информации о ходе этих процессов. Общая цель моделирования подчинена цели любых
естественно - научных исследований - прогнозировать результаты предстоящих
экспериментов.
Система управления водогрейным котлом КВГМ
должна выполнять автоматический контроль параметров и оперативное управление
технологическим оборудованием в зависимости от значений параметров процесса
производства тепловой энергии в котлах во всех режимах функционирования. Исходя
из вышесказанного, определяется ряд задач, которые должна решать
автоматизированная система управления котлом (АСУ водогрейного котла) и его
технологическим оборудованием в различных режимах эксплуатации.
При подготовке котла к запуску система должна
осуществлять:
- проведение проверок исправности
технологического оборудования;
- проведение замеров параметров.
При запуске котла:
- проверку контроля герметичности
запорной арматуры при использовании в качестве топлива газа;
- наполнение котла водой до требуемого
уровня;
- подачу воздуха на горение и создание
соответствующего давления подачи воздуха;
- создание соответствующего разряжения
в топке;
- подачу топлива и розжиг.
Для предотвращения вывода из строя котла и
обеспечения безопасности САУ водогрейного котла должна блокировать розжиг котла
в следующих случаях:
- при обнаружении неисправности
оборудования и нарушении герметичности клапанов горелок;
- при недопустимом давлении топлива на
вводе;
- при недопустимом пониженном или
повышенном уровне воды в барабане котла;
- при отсутствии необходимого
разряжения в топке.
.2 Режимы работы системы
В зависимости от условий работы и характера
выполнения исполнительных команд система может реализовывать следующий режим
работы:
- Автоматический - управление с ЭВМ. В
данной системе управления в БД хранятся указания на автоматические действия,
которые выполняются в определенных ситуациях. Специальная таблица БД указывает,
при каком значении некоторого параметра вызывается исполнительная команда.
- Ручной - управление мастером на
местном щите.
.3 Функциональная структура проектируемой
системы
Существующая система на предприятии должна иметь
два уровня системы управления, так все данные фиксируются на местном щите
мастера и на ЭВМ оператора.
Первый (нижний уровень) должен осуществлять
контроль результатов измерений и непосредственное цифровое управление по
датчикам, исполнительным механизмам, выполнение необходимых переключений по
командам верхнего уровня, автоматическим переключениям.
Второй (верхний уровень) выполняет функции
отображения данных о состоянии технологического процесса, архивировании
полученных данных. Кроме того, на этом уровне нужно организовать сохранение
всех изменений всех параметров, которые осуществил оператор, в базу данных,
справочную систему и удобный интерфейс.
.4 Концептуальная модель регулирования положения
аэрошибера рекуператора
Построение концептуальной (содержательной)
модели конкретного объекта является первым этапом моделирования. Основным содержанием
этого этапа является переход от словесного описания к его математической
модели. Как управляемый объект, положение аэрошибера характеризуется следующими
параметрами (рис. 4):
1. входные:
- температура T
в
рекуператоре.
- давление P
в рекуператоре.
2. выходные:
- угол поворота L
исполнительного механизма МЭО .
Рисунок 4 - Структура регулирования положения
аэрошибера.
Управляющим воздействием может служить:
температура T в рекуператоре.
2.5 Функциональная схема автоматизации процесса
Цель работы создать систему управления
положением аэрошибера, тем самым предохранить рекуператор от перегрева.
Требуется регулировать параметр T,
а так же контролировать давление P.
Техническая реализация контроля наиболее проста
при использовании датчиков температуры и давления. Сигнал от которых поступает
на регулятор, который управляет исполнительным механизмом. Функциональная схема
реализации изображении на рисунке 5.
Состав системы автоматического регулирования
представлен в табл. 1:
Таблица 1 - Состав САР.
1.
Прибор показывающий, записывающий. Датчик температуры N1809 FA-T1
|
-10
- 150 р.
|
TIR
|
2.
Прибор показывающий, записывающий. Датчик измерения давления SITRANS P, серия
DS II
|
20
- 32 бар.
|
PIR
|
3.
Автоматический регулятор системы.
|
ПИTIRC
|
|
4.
Исполнительный механизм МЭО-250/63-0.25-99(91)
|
240Вт
|
МЭО
|
Рисунок 5 - Функциональная схема технической
реализации принципов управления положения аэрошибера.
3. Алгоритм работы АСУ ТП
.1 Описание режимов функционирования объекта
В общем случае все режимы функционирования технологического
процесса управления котлом можно разделить на следующие группы:
1. Розжиг;
2. Основной режим;
. Останов.
Для корректной работы необходима инициализация
начальных параметров. Должна быть проверка аварийных состояний и диагностика
исполнительных устройств и механизмов, проведение замеров параметров.
В основном режиме производится опрос датчиков,
по данным от которых производится регулирование с учетом начальных параметров.
Для предотвращения вывода из строя и обеспечения безопасности САУ водогрейного
котла должна блокировать розжиг котла в аварийных случаях.
Функционирование объекта можно представить
алгоритмом, который отображает работу системы. Каждый блок представляет собой
отдельную подпрограмму-алгоритм.
Рисунок 6 - Полная блок-схема алгоритма работы
водогрейного котла
3.2 Описание алгоритма
Работа системы начинается с инициализации
начальных параметров.
На втором этапе осуществляется корректность
работы системы и проверка аварийных состояний. Затем диагностируются горелки.
После нагрева производиться позонное
регулирование температурой.
Необходимо так же контролировать давление. Для
этого производится опрос датчика. Показания датчика сравнивается с заданным
параметром, и после этого производиться регулирование давления в топке. При
достижении заданного значения производится проверка подачи воздуха, диагностика
управления аэрошибером. После чего датчик опрашивается повторно. Если давление
больше давление задания - авария, если меньше - управление передается дальше.
Контроль за подогревом воды осуществляется при
помощи опроса датчика температуры. Согласно условию сравнения с заданными
параметрами либо открывается заслонка, или продолжается нагрев.
4. Выбор и расчет оптимальных настроек
автоматического регулятора
.1 Функциональная схема автоматического
управления
Функциональная схема автоматического управления
положением аэрошибера рекуператора представлена на рисунке 7.
З - задание;
ЭС - элемент сравнения;
АУУ - автоматический узел управления;
У - управление;
ИМ - исполнительный механизм;
ОУ - объект управление;
Рисунок 7 - Система автоматического управления.
Конфигурация структурной схемы соответствует
функциональной (рисунок 5). Но вместо пояснения внутри каждого звена
указываются соответствующие передаточные функции:
Рисунок 8 - Структурная схема.
Изменение температуры в рекуператоре
происходит не сразу, поэтому регулирующий орган инерционное звено. Реальная
передаточная функция регулирующего органа в оперативной форме записывается: , в
соответствии выбранному объекту .
Второе звено - АР. Наиболее распространенным на
практике является ПИ-регулятор, который обладает следующими достоинствами:
. Обеспечивает нулевую статическую ошибку
регулирования;
. Достаточно прост в настройке, т. к.
настраиваются только два параметра, а именно коэффициент усиления и
постоянная интегрирования . В таком регуляторе
имеется возможность оптимизации , что обеспечивает
управление с минимально возможной среднеквадратичной ошибкой регулирования;
. Малая чувствительность к шумам в канале
измерения (в отличии от ПИД-регулятора).
Согласно процессу регулирования:
Третье звено - усилитель описывается
безинерционным звеном, т.к. его постоянной времени можно пренебречь:
В соответствии с выбранным
регулятором:
Исполнительный механизм
(электропривод), описывается апериодическим звеном первого порядка и имеет
коэффициент передачи, отличающийся от единицы и достаточно большую постоянную
времени
В ходе работы был принят механизм
МЭО-250/63-0.25, для которого согласно паспортным данным: .
Объект управления - аэрошибер,
является звеном первого порядка, т.к. все процессы, притекающие в нём
описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями первого порядка:
.
.2 Исследование системы
Подставим числовые величины в выражения
передаточных функций:
; ; ;; .
Определим передаточную функцию всей
системы:
Подставим данные:
С помощью пакета Matlab исследуем
систему:
Рисунок 9 - Исследование системы с помощью
пакета Matlab.
Рисунок 10 - Графики исследуемой системы.
По критерию Найквиста система устойчива, т.к.
годограф не захватывает точку (-1; 0j),
(количество положительных переходов равно отрицательным). Система имеет запас
устойчивости по фазе и амплитуде, это видно по частотным характеристикам.
Выводы
В процессе нагрева воды важно учитывать,
контролировать и регулировать ряд параметров для нормального режима
предприятия. Для этого создаются информационные системы управления.
В данной работе мы рассмотрели водогрейный котел
КВГМ. Разработали автоматизированную систему управления аэрошибером
рекуператора.
Система позволяет:
§ регистрацию и сохранение параметров процесса в
БД;
§ контроль за состоянием оборудования и приборов,
контролирующих и регулирующих параметры процесса;
§ выявление предаварийных и аварийных ситуаций;
§ регулирование параметров с помощью мастера
(ручной способ на местном щите) или оператора ЭВМ (автоматический: на ЭВМ).
котел алгоритм аэрошибер
автоматический
Перечень ссылок
1. Герасимов
С.Г. Автоматическое регулирование котельных установок. М.: Госэнергоиздат,
1950, 424 с.
. Ицкович
А.М. Котельные установки. М.: Нашиц, 1958, 226 с.
. Ктоев
А.С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное
пособие. М.: Энергоиздат, 1990, 464
. Лохматов
В.М. Автоматизация промышленных котельных. Л.: Энергия, 1970, 208 с.
. Фейерштейн
В.С. Справочник по автоматизации котельных. М.: Энергия, 1972, 360 с.
. Фаников
В.С. , Витальев В.П. Автоматизация тепловых пунктов. Справочное пособие. М.:
Энергоиздат, 1989. 256 с.