Модернизация системы автоматизации парового котла ТП-38 «Обуховоэнерго» с разработкой САУ давлением пара за котлом на базе ПТК

Современный мощный котельный агрегат требует самого тщательного контроля, управления и обслуживания.

Контроль и управление котлоагрегатом сводятся к обеспечению в каждый данный момент требуемой теплопроизводительности при заданных параметрах, а также к обеспечению надежности и экономичности работы котлоагрегата.

Обслуживание котлоагрегата во время работы — задача весьма сложная, так как отдельные элементы котла очень сильно разобщены (общая высота котлоагрегата равна 15 м). Поэтому крайне желательна замена ручного труда по управлению котлоагрегатом работой автоматических устройств.

Автоматизация теплоэнергетических установок обеспечивает:

уменьшение численности обслуживающего персонала и повышение производительности его труда за счет расширения зон обслуживания, изменение характера и облегчение условий труда обслуживающего персонала, улучшение постоянства параметров тепловой и энергетической энергии, отпускаемых потребителю, более надежную работу оборудования, повышение использования производственной мощности оборудования, более высокую экономичность работы электростанции.

Объем применения средств автоматизации определяется достигаемым при этом экономическим эффектом — экономия топлива и электроэнергии, повышением производительности труда обслуживающего персонала за счет расширения зон обслуживания, облегчением условий труда, улучшением качества отпускаемой энергии, повышением надежности работы оборудования.

Кроме экономических соображений, объем комплексной автоматизации электростанций определяется совершенством и подготовленностью к автоматизации оборудования, а также наличием средств автоматизации. Поэтому для каждого объекта объем автоматизации должен устанавливаться отдельно.

1. Описание и анализ котлоагрегата ТП-38

Объектом автоматизации является котел станционный № 4, заводской № 19/ТП-38 типа ТП-38 установленный в котельном цеху ООО «Обуховоэнерго» г. Санкт-Петербурга.

" Обуховоэнерго" производит электрическую и тепловую энергию, обслуживая часть территории Невского района Санкт-Петербурга (около 550 жилых домов), а также территорию «ГОЗ Обуховский завод». Установленная электрическая мощность «Обуховоэнерго» составляет 37 тыс. кВт, тепловая — 385 Гкал/ч. В составе генерирующих мощностей — две паровые турбины, четыре энергетических котла.

1.1 Техническая характеристика котлоагрегата ТП-38

Котел станционный № 4, заводской № 19/ТП-38 типа ТП-38, изготовлен Таганрогским заводом в декабре 1965 года.

Котел вертикально — водотрубный, однобарабанный с сухопарником.

Циркуляция воды в котле — естественная.

Расчетная паропроизводительность котла Дк — 150 т/час.

Расчетное давление пара в барабане Р = 34 кгс/см2.

Расчетное давление пара за пароперегревателем Р = 32 кгс/см2.

Температура перегретого пара tп/д = 420 °C.

Котел П — образной компоновки.

Топочная камера полностью экранирована и предназначена для сжигания жидкого и газообразного топлива. Топка оборудована четырьмя горелками, расположенными на боковых стенках.

Для сжигания газообразного и жидкого топлива используются мазутные форсунки, вмонтированные по оси горелок. Котел снабжен: пароперегревателем, расположенным в верхней части топочной камеры, водяным экономайзером и воздухоподогревателем, расположенным, в конвективной шахте котла. Перед воздухоподогревателем (со стороны входа холодного воздуха, после дутьевых вентиляторов) установлен калорифер для подогрева воздуха.

Основные данные котла представлены в таблице 1.

1.2 Основные данные котла

Таблица 1 — Основные данные котла ТП-38

Данные теплового расчета

1) Паропроизводительность котла Д — 150 т/ч.

2) Давление в барабане котла Р — 34 кгс/см2.

3) Температура питательной воды Тп.в. — 100−160 °С

4) Температура перегретого пара Тп.п. — 420 °С

5) Теоретическая температура горелки Тг — 1943 °C.

6) Температура газов на выходе из топки Тт — 1100 °C.

7) Температура газов перед первой частью пароперегревателя Тґпе — 969 °C.

8) Температура газов перед второй частью пароперегревателя Т" пе — 757 °C.

9) Температура газов перед водяным экономайзером Т эк — 579 °C.

10) Температура газов перед воздухоподогревателем Твп — 325 °C.

11) Температура уходящих газов Тух — 186 °C.

12) Температура воды за экономайзером — 254 °C.

13) Температура воздуха за воздухоподогревателем — 168 °C.

14) Температура холодного воздуха Т х.в. — 30 °C.

15) Температура воздуха после подогрева в калорифере Тк — 80 °C.

16) Температура газов за кипятильным пучком Тф — 1048 °C.

17) Объем котла:

водяной — 25,6 м³,

паровой — 15,6 м³,

питательный — 1,08 м³

18) Сопротивление тракта от дутьевого вентилятора до места забора горячего воздуха — 166 мм.вод.ст.

19) Полный напор дутьевого вентилятора — 378 мм в.ст.

На рисунке 1.1 и на листе 10.02.11−75 097 АКУ.4 представлен продольный разрез котла ТП-38.

Рис. 1.1 — Продольный разрез котла ТП-38

Барабан котла Барабан расположен параллельно фронту котла и подвешен к каркасу на двух подвесках.

Барабан — сварной, из ст. 20К, толщиной 45 мм, с приварными днищами. Внутренний диаметр барабана — 1510 мм, длина цилиндрической части 9503 мм. На днищах расположены лазы, закрывающиеся изнутри пазовыми затворами.

Внутренний объем, барабана котла двумя перегородками разделен на 3 части. Две боковые камеры меньшего объема являются солеными отсеками, средняя часть — чистый отсек.

Внутри чистого отсека расположены два коллектора питательной воды с вырезами в верхней части с козырьками над ними. К каждому коллектору присоединены 4 питательных трубопровода, по которым вводится питательная вода от экономайзера.

Для аварийного сброса воды при перепитках котла смонтирована линия аварийного сброса воды.

Из соленых отсеков выведены на фронт котла по две трубы ш 83 мм для водомерных колонок и по одной трубе непрерывной продувки.

Экраны Котел имеет хорошо развитую радиационную поверхность нагрева, состоящую из экранов топки и фестона перед кипятильным пучком.

Фронтовой экран образован из 72 труб ш83 мм, из ст. 20 с зазором, между трубами 100 мм. Нижним, концом трубы вварены в фронтовой коллектор, верхняя часть труб защищает обмуровку нак-лонного потолка топки. Верхние концы труб фронтового экрана вварены в чистый отсек барабана котла.

Левый и правый боковые экраны выполнены каждый из 70 труб ш83 мм из ст. 20, с шагом, между трубами 100 мм. По конструктивному выполнению левый экран является зеркальным отображе-нием правого.

Трубы каждого из этих экранов нижними концами вварены в нижние коллекторы боковых экранов, верхними концами — в верхние коллекторы боковых экранов. Коллекторы цельнотянутые из ст. 20 ш273 мм, толщиной стенки 26 мм с приварными электросваркой донышками.

Как нижние так и верхние коллекторы глухими перегородками разделяются на 2 части, ближняя к фронту — меньшей длины и в нее вварены 16 труб экрана (чистый отсек), задняя часть коллектора большей длины и в нее вварены 54 трубы экрана (соленый отсек).

К фронтовой части нижнего коллектора приварены 3 водоопускных трубы ш 108 мм из чистого отсека, к задней части — 8 труб ш 108 мм из соленого отсека.

Из фронтовом части верхних коллекторов выходит по 3 паро-перепускных трубы ш 108 мм в чистый отсек барабана, а из задней части — по 16 перепускных труб ш 83 мм в соленые отсеки барабана.

Нижние коллекторы боковых экранов имеют по одной продувочной точке из каждой части коллектора.

Задний экран котла образован из 72 труб ш83 мм из ст. 20 с шагом между трубами 100 мм. Нижние концы труб, образуя задний скат холодной воронки, вварены в задний коллектор холодной воронки. Коллектор цельнотянутый из ст. 20 с приварными донышками и с двумя штуцерами для присоединения продувочных вентилей.

К коллектору приварены 10 водоопускных труб ш108 мм по 5 труб идущих из правого и левого вертикальных коллекторов котла. Верхние концы труб заднего экрана образуют фестон и вварены в чистый отсек барабана котла.

Конвективный пучок За фестоном расположена конвективная поверхность нагрева котла, выполненная в виде пучка труб ш83 мм в количестве 108 шт. Трубы расположены в три ряда, шаг между рядами — 400 мм.

Верхним концом трубы конвективного пучка вварены в чистый отсек барабана, нижние концы в коллектор конвективного пучка.

Коллектор конвективного пучка цельнотянутый ш325 из ст. 20 с приварными донышками. Имеет 2 штуцера для присоединения вен-тилей периодической продувки коллектора.

К коллектору приварены 8 труб ш133 мм, питающих конвективный пучок водой из чистого отсека барабана.

Экономайзер Экономайзер не кипящего типа выполнен из труб ш38/31мм из стали 20 имеет 2 параллельно включенных по воде секции: правую и левую.

Змеевики экономайзера расположены горизонтально. Как правая, так и левая секции экономайзера состоят из 2 пакетов — верхнего и нижнего, включенных по воде последовательно. Пакеты объединяются промежуточным коллектором.

Каждая секция экономайзера имеет 3 коллектора: входной, промежуточный и выходной.

К входному коллектору с двух его торцов подводится питательная вода, которая по змеевикам нижнего пакета поступает в проме-жуточный коллектор, а из него по змеевикам верхнего пакета направ-ляется в верхний — выходной коллектор. Из выходного коллектора по 4 водоперепускным трубам (с каждой стороны слева и справа) вода поступает в чистый отсек барабана котла.

Входные коллекторы экономайзера соединяются с чистым отсеком барабана котла с помощью трубопровода рециркуляции. Каждый из входных коллекторов имеет по одной дренажной точке для спуска воды из экономайзера и замены гильзы для термометров.

При растопках котла, когда питательный трубопровод закрыт, расход воды через экономайзер может быть равен нулю и в экономайзере может происходить кипение воды, а при открытии вентилей на питательной линии могут происходить гидроудары. Поэтому для обеспечения расхода воды через экономайзер предусмотрена линия рециркуляции «барабан-экономайзер».

Воздухоподогреватель Для подогрева воздуха перед подачей его в горелки котла за счет тепла отходящих газов на котле имеется воздухоподогреватель.

При работе котла с воздухоподогревателем улучшаются условия сжигания топлива, и увеличивается КПД котла.

Котел снабжен воздухоподогревателем трубчатого типа. Одноходовой по газу, четырех ходовой по воздуху; выполнен из труб ш 51/48, состоит из 2 секции верхней и нижней, а каждая секция — из четырех кубов.

Предохранительная арматура Для предотвращения разрушения котлов при превышении рабочего давления на котле установлены 6 пружинных предохранительных клапанов. 4 клапана установлены на сухопарнике и два клапана установлены на коллекторе перегретого пара.

Давление срабатывания клапанов:

клапана пароперегревателя — 34,7 кгс/см2,

контрольные клапаны (2 шт. на сухопарнике) — 35,0 кгс/см2,

рабочие клапаны (2 шт. на сухопарнике) — 35,7 кгс/см2,

Водоуказательные приборы Для контроля уровня воды в барабане котла установлены следующие водоуказательные приборы:

— две водоуказательных колонки, показывающие уровень воды в чистом отсеке,

— одна водоуказательная колонка, показывающая уровень воды в соленом отсеке,

— сниженный указатель уровня в чистом отсеке барабана,

— регистрирующий прибор на щите управления котлом показывающий (регистрирующий) уровень воды в чистом отсеке.

Описание технологического процесса.

Принципиальная технологическая схема парового барабанного котла ТП-38 работающего на природном газе показана на рисунке 1.2 и на листе 10.12.11−75 097 АКУ.4.

Рис. 1.2 — Принципиальная схема технологического процесса производства пара Котлоагрегат ТП-38 относится к классу паровых котлов с П-образным профилем — это две вертикальные призматические шахты, соединенные вверху горизонтальным газоходом. Первая шахта — большая по размерам — является топочной камерой (топкой).

Производительность котлоагрегата ТП-38 составляет 150 т/час, давлением пара 3.4 МПа, температурой пара 420 oC). Котел барабанный, с естественной циркуляцией, с камерным сжиганием топлива.

В котле происходит нагрев воды, ее испарение и перегрев образовавшегося пара. В качестве топлива используется природный газ. Котел предназначен для работы в закрытых помещениях.

Теплоносителем являются продукты сгорания — дымовые газы. Горение топлива происходит в вертикальной топочной камере, образованной экранными трубами. Верхние и нижние концы труб введены в сборные коллекторы. На противоположных стенках топки расположены по две газо-мазутных горелки типа ГМУ-30, с помощью которых

сжигается топливо. В обогреваемых газами трубах, образующих топку и конвективную шахту, образуется насыщенный водяной пар. Пароводяная смесь поступает в верхние коллекторы, а из них в барабан-паросборник и выносные сепараторы-циклоны. В барабанах и циклонах происходит отделение пара от воды. По не обогреваемым опускным трубам и стоякам котловая вода поступает в нижние коллекторы экранов. После барабанов и циклонов пар направляется в пароперегреватель, где он перегревается горячими дымовыми газами, а затем идет потребителю.

Питание котла водой производится через экономайзер, в котором вода предварительно подогревается. Горячий воздух необходимый для горения, подается в топку через короба из воздухоподогревателя, обогреваемого горячими дымовыми газами. Движение дымовых газов по трактам котла осуществляется за счет работы дымососа Д-15,5. Подача воздуха производится высоконапорным вентилятором ВД-15,5.

Поступая к котлу, питательная вода (94.5т/ч, 3,0 МПа, 145 oC) направляется в водяной экономайзер, из первой ступени экономайзера питательная вода подается в конденсатор далее во вторую ступень экономайзера, а затем в барабан. Насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель, а далее через ГПЗ к потребителю. Воздух поступает с напора дутьевого вентилятора на воздухоподогреватель, где нагревается до 200 oC и подается к горелкам котла (в топочную камеру). Разрежение продуктов сгорания в топке котла 20 Па. Продукты сгорания с температурой 1180 oC поступают на пароперегреватель. Затем с температурой 520 oC, давлением 100 Па. и 2% содержанием кислорода направляются к экономайзеру, на входе которого температура 300 oC и давление 700 Па. Продукты сгорания после воздухоподогревателя с температурой 130 oC направляется в дымосос. Природный газ (6000−10 000 нм3/ч) поступает к горелкам по газопроводу при температуре 4 oC и давлении 40 кПа.

Котел оборудован:

1. трубопроводами топлива, питательной воды и пара

2. электрифицированной арматурой, исполнительными механизмами и эл. двигателями (далее везде ИМ)

3. датчиками и приборами контроля теплотехнических параметров ИМ., датчики и приборы контроля теплотехнических параметров образуют согласно функциональной принадлежности и пространственного расположения, следующие технологические (функциональные) подсистемы котла:

— топливопроводов и газо-воздуховодов (ТГВ)

— газо-мазутных горелок (ГМГ-30)

— трубопроводов питательной воды и пара (ТПВП) Режимная карта котла ТП-38 представлена в таблице 1.1

Таблица 1.2 — Режимная карта котла ТП-38

1.3 Описание основного оборудования

Дымососы На котле для отсоса дымовых газов установлены два дымососа, находящиеся на отметке 0 м. Газоходы котла объединены между собой.

Ходовая часть дымососа вращается на двух подшипниках. Для смазки подшипников применяется турбинное масло. Уровень масла проверяется по указателю уровня. Уровень масла должен быть не ниже нижней риски (отметки). Для охлаждения подшипников используется техническая вода. Показания температуры подшипников измеряется датчиком и выводятся на щит измерений. Температура подшипников должна быть не выше 80 0С.

Для регулирования разряжения в топке котла на всасе дымососов установлены шибера. Регулировка положения шиберов перед дымососом производится со щита управления котлом.

Характеристика дымососов Дымососы Д-15,5×2ц двухстороннего всасывания.

Электродвигатель: ДА30−12−55−8

Производительность, 151 000 м3/час Напор, 244 мм.вод.ст.

Число оборотов, 730 об/мин Напряжение, 6000 В Сила тока номинальная, 30 А.

Мощность электродвигателя, 250 кВт.

На газоходах котла ст. № 4 установлены следующие запорно-регулирующие устройства:

— 4 шибера перед электрофильтрами

— перед каждым дымососом по два шибера с электроприводом Вентиляторы На котле для подачи воздуха в топку котлов необходимого для горения топлива на отметке 0,0 м установлены дутьевые вентиляторы, по одному на каждый котел. Забор воздуха на вентилятор производится из помещения котельного отделения. Напорные воздуховоды от вентиляторов объединяются в один воздуховод и направляются в воздухоподогреватель.

Дутьевые вентиляторы состоят из следующих узлов: ходовой части, улиткообразного корпуса с всасывающим и нагнетательным патрубками, рабочего колеса и направляющих аппаратов.

Ходовая часть состоит из вала, который вращается на двух подшипниках. Для смазки подшипников применяется турбинное масло. Уровень масла проверяется по указателю уровня. Уровень масла должен быть не ниже нижней риски (отметки). Для охлаждения подшипников используется вода.

Направляющие аппараты, с помощью которых регулируется подача воздуха, установлены на всасе вентилятора, они имеют поворотные лопатки. Все поворотные лопатки имеют общий поворотный механизм, с помощью которого они могут поворачиваться на одинаковый угол.

Воздух по воздуховоду через направляющий аппарат подводится к центру колеса и за счет центробежной силы отбрасывается от центра к периферии, нагнетается в воздуховод и дальше подводится к горелкам и в топку котла.

Для повышения температуры уходящих газов (для предотвращения низкотемпературной коррозии) на котле установлена линия рециркуляции и калорифер. Горячий воздух после воздухоподогревателя поступает через трубу на которой установлен шибер и вновь идёт на всас вентилятора и нагрев в воздухоподогреватель. За счет того, что в воздухоподогреватель поступает более горячий воздух, температура уходящих газов повышается. Из-за повышенного расхода воздуха через вентилятор, нагрузка на вентиляторе увеличивается.

Характеристика дутьевых вентиляторов.

Вентилятор: ВД 15,5.

Тип электродвигателя: 4А 315−84

Производительность: 74 100 м3/час Напор: 378 мм.вод.ст.

Мощность электродвигателя: 200 кВт Число оборотов: 730 об/мин Напряжение: 6 кВ

1.4 Характеристика КТС

На котлоагрегате ТП-38 для оценки технического состояния и технико-экономических показателей оборудования используется штатная система измерений и регулирования, реализованная на локальных средствах автоматизации.

Система автоматического регулирования построена на регулирующих приборах РПИБ и РС29.1.12 производства МЗТА. Оперативный контроль и управление основными технологическими процессами осуществляется с группового щита ГрЩУ, вспомогательного оборудования — с местных щитов управления.

Температура контролируется с помощью датчиков типа ТСМ, ТСП, ТХА, ТХК, давление и расход — с помощью технических манометров, контактных манометров, вакуумметров, дифманометров ДМ-3583М [3], датчиков МС2000.

В качестве вторичных приборов используются приборы серии КСД-2, РП-160.

В качестве исполнительных механизмов к регулирующим органам используются МЭО и КДУ. Для управления исполнительными механизмами типа МЭО использованы бесконтактные реверсивные магнитные пускатели ПБР, для КДУ — пускатели ПМЕ.

Для анализа содержания кислорода в дымовых газах применяется твердоэлектролитный анализатор кислорода в дымовых газах ТДК-3М «Оксимесс», ООО «НПФ Циркон», г. Москва.

Применяемые технические средства приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 — КТС контуров регулирования котлоагрегата ТП-38

Краткое описание применяемого оборудования.

Регуляторы РПИБ-III

РПИБ-III регулятор пропорционально интегральный бесконтактный. На сегодняшний день морально устаревший. Предназначен для работы с дифференциально-трансформаторными индуктивными преобразователями (до 3 штук). Снят с производства.

Регуляторы РС29 [4]

Функции, выполняемые прибором: суммирование сигналов от дифференциально — трансформаторных преобразователей (в пределах 0 — 10 мГн) и сигналов постоянного тока (модификация РС29.1), формирование выходных сигналов для воздействия на управляемый процесс в соответствии ПИ законом регулирования. Пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования реализуется совместно с исполнительным механизмом; трёхпозиционным и двухпозиционным; сигнализация предельных отклонений сигнала рассогласования; индикация выходов.

Манометр дифференциальный ДМ 3583 М [3]

Преобразователи ДМ-3583М предназначены для преобразования разности давлений в выходной унифицированный сигнал взаимной индуктивности с линейной зависимостью. Преобразователи применяются с вторичными приборами, регуляторами, сигнализаторами и другими устройствами автоматики, работающими от сигналов взаимной индуктивности или постоянного тока.

Принцип действия преобразователей ДМ-3583М основан на изменении деформации чувствительного элемента (мембранного блока) при действии на него разности давлений, приводящего к перемещению сердечника дифференциально-трансформаторного преобразователя, которое преобразуется в пропорциональное значение выходного сигнала взаимной индуктивности. Условное обозначение, диапазон изменения взаимной индуктивности, климатическое исполнение преобразователей ДМ-3583М приведены в таблице 1.4. В таблице 1.5 указаны основные технические данные дифманометров.

Таблица 1.4 — Характеристики ДМ-3583М

Основные технические данные сведены в таблицу 1.5.

Таблица 1.5 — Основные технические характеристики ДМ-3583М

Преобразователи давления МЭД-22 364, МЭД-22 365

Преобразователи давления (манометры, вакуумметры и мановакуумметры) типа МЭД, взаимозаменяемые моделей 22 364 и 22 365 предназначены для непрерывного преобразования избыточного или вакуумметрического давления в унифицированный выходной сигнал переменного тока, основанный на изменении взаимной индуктивности.

Технические данные:

Верхний предел измерений — 60 кгс/см2

Измеряемая среда — газ Класс точности прибора 1; 1,5

Выходным сигналом приборов является взаимная индуктивность между первичной и вторичной цепями дифференциально-трансформаторного преобразователя, зависящая от значения измеряемого давления. Значения индуктивности составляют 0−10 мГ.

Питание первичной обмотки дифференциально-трансформаторного преобразователя прибора осуществляется от вторичного устройства переменным током 125мА 50Гц.

Исполнительные механизмы Механизм исполнительный электрический однооборотный МЭО-250/63−0.25.

Механизмы исполнительные МЭО-250−92К перемещают рабочие органы неполноповоротного принципа действия (шаровые и пробковые краны, поворотные дисковые затворы, заслонки). Принцип работы электроисполнительных механизмов МЭО-250−92К заключается в преобразовании электрического сигнала поступающего от регулирующего или управляющего устройства во вращательное перемещение выходного вала. Исполнительные механизмы МЭО-250−92К устанавливаются вблизи регулирующих устройств и связываются с ними посредством тяг и рычагов. Исполнительные механизмы МЭО-250−92К изготовляются с датчиком обратной связи (блоком сигнализации положения выходного вала) для работы в системах автоматического регулирования. Виды блоков сигнализации положения — индуктивный БСПИ, реостатный БСПР, токовый БСПТ.

Состав исполнительного механизма МЭО-250−92К электродвигатель АИР-56А4;

тормоз механический;

редуктор;

ручной привод;

блок сигнализации положения реостатный БСПР Технические характеристики МЭО-250 представлены в таблице 1.6.

Таблица 1.6 — Технические характеристики МЭО-250

Климатические исполнения: У2 (от -30 до +50 °С); Т2 (от -10 до +50°С). Напряжение питания и частота питания — 220/380 V частотой 50 Hz. Режим работы механизма — S4, частота включений до 320 в час при ПВ до 25%. Максимальная частота включений до 630 в час при ПВ до 25%.

Для управления исполнительным механизмом (МЭО) используются трёхфазные асинхронные электродвигатели типа АИР 56 А4 У3.

Технические характеристики электродвигателя типа АИР 56 А4 У3 приведены в таблице 1.7. Данные взяты из справочной литературы.

Таблица 1.7 — Технические характеристики асинхронного двигателя

Габаритные и присоединительные размеры МЭО-250 изображены на рис. 1.3.

Рис. 1.3 — Габаритные размеры МЭО-250

Колонка дистанционного управления КДУ.

КДУ предназначена для работы в системах автоматического регулирования тепловых процессов. Применяется совместно с электронными регулирующими ПИ приборами типа РПИБ. КДУ II/П комплектуется концевыми и путевыми выключателями и индукционным датчиком положения. Питание колонок осуществляется переменным током промышленной частоты напряжением 380 В 50 Гц. Внешний вид колонки изображен на рисунке 1.4.

Рис. 1.4 — Колонка дистанционного управления КДУ Управление исполнительным механизмом производится при помощи реверсивного магнитного пускателя.

2. Технико-экономическое обоснование системы управления

2.1 Анализ существующей системы управления давлением пара за барабаном котла

Существующая система автоматизации реализована на базе локальных средств автоматики с регуляторами РПИБ и РС29.1.12.

Схемой автоматического регулирования предусматриваются следующие регуляторы:

давлением пара за барабаном котла.

регулятор общего воздуха.

регулятор разряжения в топке.

регулятор питания.

регулятор непрерывной продувки.

Краткая характеристика контуров регулирования приведена в таблице 2.1

Таблица 2.1 — Краткая характеристика контуров регулирования котлоагрегата ТП-38

САУ давлением пара за котлом.

Назначение — поддерживать заданное давление пара путем изменения подачи топлива при колебаниях давления пара при изменении его расхода.

Система автоматического управления представлена на рис. 2.1. САУ состоит из регулирующего прибора РПИБ-III (поз. 1−2), работающего в ПИ-режиме, датчика давления МЭД-2364 (поз. 1−1) и колонки дистанционного управления КДУ-II (поз. 1−4) с регулирующим органом. Регулируемое давление пара непрерывно измеряется датчиком давления, преобразуется в сигнал индуктивности 0−10 мГ и поступает на регулятор. Если сигнал с датчика МЭД-2364 (поз. 1−1) равен заданной величине, оба сигнала равны и компенсируют друг друга, то система регулирования находится в покое. Если давление пара отклонится в какую-либо сторону от задания, то сигнал рассогласования обрабатывается регулятором, который затем вырабатывает управляющий дискретный сигнал 24 В. Этот сигнал поступает на соответствующий контакт пускателя ПМЕ (поз. 1−3), который приводит в действие исполнительный механизм. Регулирующий орган будет перемещаться в направлении, необходимом для ликвидации сигнала рассогласования и восстановления заданного давления пара.

Рис. 2.1 — САУ давлением пара за котлом Перечень технических средств САУ указан в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Состав САУ давлением

ГПЗ — главная паровая задвижка.

САУ разрежением в верхней части топки котла.

Назначение — поддерживать заданное значение разрежения 20−40 Па в верхней части топки котла, путем изменения угла поворота лопастей направляющего аппарата дымососа.

Система автоматического управления представлена на рис. 2.2. САУ состоит из регулирующего прибора РПИБ-III (поз. 2−2), работающего в ПИ-режиме, датчика давления ДТ-2 (поз. 2−1) и колонки дистанционного управления КДУ-II (поз. 2−3) с регулирующим органом НА (поз. 2−4). Регулируемое давление пара непрерывно измеряется датчиком давления, преобразуется в сигнал индуктивности 0−10 мГ и поступает на регулятор. Если сигнал с датчика ДТ-2 (поз. 2−1) равен заданной величине, оба сигнала равны и компенсируют друг друга, то система регулирования находится в покое. Если давление пара отклонится в какую-либо сторону от задания, то сигнал рассогласования обрабатывается регулятором, который затем вырабатывает управляющий дискретный сигнал 24 В. Этот сигнал поступает на соответствующий контакт пускателя ПМЕ (поз. 2−3), который приводит в действие исполнительный механизм. Регулирующий орган будет перемещаться в направлении, необходимом для ликвидации сигнала рассогласования и восстановления заданного давления пара.

Рис. 2.2 — САУ разрежением в верхней части котла Перечень технических средств САУ указан в таблице 2.3

Таблица 2.3 — Состав САУ давлением

САУ уровнем воды в барабане котла.

Назначение — поддержать уровень воды в барабане постоянным с точностью ±20 мм при изменении расхода пара.

Система автоматического регулирования изображена на рис 2.3. САУ состоит из регулирующего прибора РС29.1.12 (поз. 3−4), работающего в ПИ-режиме, датчика уровня воды в барабане котла ДМ-3583М (поз. 3−2), преобразователя расхода пара ДМ-3583М (поз. 3−3), преобразователя расхода питательной воды МС2000 (поз. 3−1) и электрического исполнительного механизма МЭО-250/63−0,25 (поз.3−5) с регулирующим клапаном.

САУ уровнем воды в барабане — трехимпульсная. Регулятор РС29.1.12 (поз. 1−4) получает сигнал пропорциональный изменению уровня воды в барабане котла от датчика ДМ-3583М (поз. 1−1) и корректирующие сигналы по расходу питательной воды от датчика МС2000 (поз. 1−3) и датчика расхода пара ДМ-3583М (поз. 1−3). Прибор сравнивает эти сигналы с сигналом задатчика. При появлении сигнала рассогласования регулятор, воздействуя на количество питательной воды протекающей через регулирующий орган, по ПИ-закону, восстанавливает равновесие системы.

Рис. 2.3 — САУ уровнем в барабане котла Перечень технических средств САУ указан в таблице 2.4

Таблица 2.4 — Состав САУ уровнем в барабане котла

САУ соотношением «топливо-воздух».

Назначение — поддерживать заданное соотношение между давлением топлива и давлением воздуха на горелках во всем диапазоне нагрузок котла согласно режимной карте. Необходимые данные получены при теплотехнической наладке.

САУ соотношением «топливо-воздух» изображена на рис 2.4.

САУ состоит из регулирующего электронного прибора РПИБ-III (поз. 4−3) работающего в ПИ-режиме, датчика давления воздуха ДТ-2 (поз. 4−2), датчика расхода газа ДМ-3583М (поз. 4−1), пускателя ПМЕ и колонки дистанционного управления КДУ-II (поз. 4−4) с регулирующим органом (направляющий аппарат вентилятора).

Рис. 2.4 — САУ соотношением «топливо-воздух»

Сигнал пропорциональный изменению расхода газа, преобразуется датчиком расхода газа ДМ-3583М (поз. 4−1) и посылается на регулятор РПИБ-III (поз. 4−3), где он сравнивается с сигналом от датчика давления воздуха ДТ-2 (поз 4−2). При данном расходе газа в топку подается определенное количество воздуха согласно режимной карте котла. Всякое изменение расхода газа вызовет изменение сигнала датчика и регулятор должен восстановить соотношение сигналов датчиков, т. е. соотношение «давление топлива — давление воздуха». Давление газа является задающим параметром для регулятора воздуха, изменяющего подачу воздуха вслед за изменением расхода газа, т. е. регулятор воздуха, является следящим.

Перечень технических средств САУ указан в таблице 2.5.

Таблица 2.5 — Состав САУ соотношением «топливо-воздух»

Регулирование температуры перегретого пара осуществляется дистанционно путем изменения положения факела.

Регулирование расхода котловой воды в линии непрерывной продувки осуществляется дистанционно по результатам химического анализа.

Анализ качества управления существующей САУ давлением пара за котлом САУ предназначена для автоматического поддержания давления пара за барабаном котла за счет изменения подачи топлива (природный газ) на горелки котла.

Существующая система управления построена на базе локального регулятора РПИБ-III. Для оценки качества работы системы регулирования проанализируем работу САУ давлением пара за барабаном котла ТП-38 ООО «Обуховоэнерго».

Допустимые значения максимальных отклонений основных технологических параметров в нормальных эксплуатационных условиях при постоянном заданном значении нагрузки котла указаны в таблицу 2.5.

Таблица 2.6 — Допустимые значения максимальных отклонений тех. параметров

Аппроксимируем тренд давления пара (см. рис 2.5) при работе САУ за 8 часов работы плавной кривой и выполним необходимые вычисления.

Рис. 2.5 — Тренд давления пара за барабаном котла ТП-38

Затем нужно определить среднеарифметическое значение параметра (математическое ожидание) по формуле

2,94 [МПа]

Произведем проверку, подчиняются ли эти остаточные случайные отклонения закону Гаусса. Для этого рассчитаем среднеквадратическое отклонение ряда дискретных значений параметра (стандарт) у по формуле Бесселя.

И по формуле нормального распределения

и

Так как и отличаются друг от друга менее чем на 10%, то действительный закон распределения принимаем как нормальный.

Разброс дискретных значений управляемого параметра относительно математического ожидания определяется по величине дисперсии

Далее следует определить границу доверительного интервала отклонения параметра от математического ожидания .

При доверительной вероятности Рдов, равной 0,95

Тогда, , МПа Отсюда получаем 2,92±0,082 МПа.

Согласно требованиям регламента, допустимое значение максимального отклонения давления пара за котлом должно быть равным, то есть находиться в диапазоне 2,79 — 3,0 МПа Исходя из результатов обработки трендов, давление пара будет находиться в диапазоне 2,83 — 3,0 МПа. Следовательно, САУ давлением пара за барабаном котла в целом удовлетворяет требованиям регламента. Но т.к. параметр достигает верхнего предела, целесообразно усовершенствовать САУ давления пара за котлом.

Существующая система управления на базе локального регулятора РПИБ в целом удовлетворяет требованиям, предъявляемым техническим регламентом, но нахождение параметра регулирования у верхней границы нецелесообразно во время эксплуатации котлоагрегата.

У существующей системы есть следующие недостатки.

1. система позволяет реализовать только простые алгоритмы управления;

2. позволяет реализовать только щитовые системы управления;

3. имеет низкий уровень автоматизации и большое количество контрольно-измерительных и преобразовательных приборов, что экономически и технически нецелесообразно;

4. система физически и морально устарела вследствие износа ее составляющих. В связи с этим уменьшаются экономические параметры и производительность котла, приходится снижать его нагрузку, уменьшается надежность системы. Таким образом, поскольку котел ТП-38 является объектом повышенной опасности с точки зрения безопасности работы производственного оборудования, для обеспечения его надежной, безопасной и экономичной работы необходимо внедрение новой САУ котлоагрегата, т.к. старая система автоматизации уже не удовлетворяет повышенным требованиям, предъявляемым к безопасности эксплуатации и обслуживания котлоагрегата.

2.2 Выбор и обоснование системы управления

Учитывая вышеуказанные основные недостатки исходной системы управления, можно сделать вывод об необходимых свойствах проектируемой системы. Требования к надежности, эффективности и функциональности систем управления, установленных на котлах данной ТЭЦ определенно возрастет, что можно обосновать потребность в модернизации существующей САУ или ее полной реконструкции.

Учитывая результаты анализа САУ котла и АСР давления в частности, представлен-ные в предыдущем разделе (п. 2.1.1), при изучении варианта модернизации действующей на котле системы автоматизированного управления был выбран вариант замены исходной систе-мы на новую, безщитовую, централизованную, основанную на базе программируемого логи-ческого контроллера (ПЛК), как отвечающую всем требованиям САУ теплоэнергетическим объектом (коим является рассматриваемый котел) современного уровня.

Централизация, снижающая живучесть системы, в данном случае вызвана, в основном, экономическими причинами (т.к. один комплекс ПЛК современного уровня успешно справля-ется с управлением средних теплоэнергетических объектов) и относительной простотой структуры системы управления в данном случае. Для компенсации снижения живучести сис-темы возможно применить комплекс средств и действий, направленных на резервирование проектируемой системы и обеспечения ее бесперебойной и надежной эксплуатации.

Выбор в качестве управляющей части САУ программируемого логического контроллера позволяет модернизировать исходный комплекс технических средств, заменяя устаревшее и выработавшее срок своей эксплуатации оборудование САУ котла (измерения, исполнительной части, привода арматуры и др.), что, вкупе со сменой уровня автоматизации управляющей час-ти обеспечить определенную новизну проектируемой системе. Применение ПЛК позволяет использовать безщитовой вариант системы управления, предоставляя оператору котла несрав-нимо большее, нежели исходная система (на базе локальных регуляторов), участие в функ-ционировании системы и работе котла, что выражается в максимуме предоставляемой опера-тору информации о системе, возможность непосредственного контроля за процессами и обо-рудованием котла, оперативной перенастройки и диагностики работы САУ.

Целью создания и внедрения автоматизированной системы управления паровыми котлами является достижение оптимальных производственно-экономических, технологических и технических параметров работы котлов за счет внедрения современных и передовых технологий управления. Функционально котел и его оборудование можно разделить на несколько частей (рис. 2.6):

* система подачи топлива;

* система подачи воздуха;

* горелочные устройства;

* система непрерывной продувки котловой воды;

* топка;

* система подачи воды;

* барабан котла.

Рис. 2.6 — Функциональная схема котла

Исходя из функциональной схемы на рис 2.6 требуется реализовать контроль и управление автоматизированной системой управления следующих участков:

— подачи воздуха на горение;

— подачи газа;

— регулирования разрежения в топке;

— регулирования уровня воды в барабане котла [7];

— система управления непрерывной продувкой котла;

Выбор контроллера Рис. 2.7 — Функциональная схема разрабатываемой САУ давлением пара за котлом Из функционально-технологической структуры объекта видно, что разрабатываемая структура контроллера должна обладать следующими свойствами:

классический контроллер образуется набором модулей, установленных в каркас (крейт) и объединенных традиционной параллельной шиной;

контроллер имеет два модуля центрального процессора, взаимодействующего с остальными модулями контроллера через параллельную шину;

остальные модули выполняют в контроллере функции устройств сопряжения с объектом (УСО) или другие вспомогательные функции;

все модули, кроме процессорного, не являются интеллектуальными;

взаимодействие между модулями осуществляется на уровне циклов обращений микропроцессора к внутренним регистрам и ячейкам памяти модулей;

взаимодействие по параллельной шине характеризуется высокими скоростями передачи;

относительно высокое число каналов в контроллере.

Применение PLC в качестве регуляторов позволит увеличить быстродействие всей АСУТП в целом, сделать процесс регулирования более гибким при помощи выбора наиболее оптимальных настроек регулятора Выбор системы автоматизации будем производить из двух возможных вариантов:

— ПТК «СР6000» производства СКБ «ПСИС» г. Чебоксары[8]

— ПТК «КОНТАР» производства «МЗТА» г. Москва[9]

Таблица 2.7 — Основные данные управляющих контроллеров

ПТК «СР6000» производства СКБ «ПСИС» г. Чебоксары является более предпочтительным, ввиду его централизованной структуры, более низкой цены и преимущества мезонинной организации СР6700:

— Минимальная избыточность (1−3 канала на модуле).

— Снижение эксплуатационных расходов: диагностика до канала, простая процедура замены модулей без настроек и монтажных работ, оптимальный ЗИП.

— Дешевое резервирование процессоров, важных сигналов, естественная живучесть.

— Параллельная обработка данных на мезонинах, обеспечивающая любые структуры и количества информационных связей контроллеров.

— Возможность реализации на единой элементной и конструктивной базе АСУТП различного назначения и сложности.

Процессор СР6782 имеет значительно больший объем памяти, чем основной модуль МС8 ПТК «КОНТАР».

Система является легко масштабируемой, т. е., при необходимости, уже в процессе эксплуатации она может быть расширена без ущерба для работы уже установленной системы.

Простота организации и наглядность систем диспетчеризации как локальных, так и территориально распределенных объектов Контроллеры СР6700 имеет высокую надежность и помехоустойчивость, универсальность применения и преемственность по отношению к традиционным российским датчикам и исполнительным устройствам.

2.3 Экономическая оценка системы управления

Экономичность работы парового котла ТП-38 в значительной мере определяется уровнем его автоматизации ввиду сложности протекающих в нем процессов, надежное управление которыми невозможно без применения средств информационной измерительной техники.

Существующая система автоматизации котла выполнена по принципу локального регулирования. Замена этой системы на современный управляющий комплекс позволит более точно регулировать технологические параметры, повысит надежность работы оборудования.

Также позволит снизить удельные затраты сырья и энергии на единицу производимого пара.

Капитальные вложения на стадии эксплуатации системы управления определяются затратами на приобретение предварительно разработанного комплекса технических средств с последующими монтажными и наладочными работами.

Эти затраты компенсируются в течение срока окупаемости проекта. Расчет экономической эффективности предлагаемой системы на базе контроллера серии «СР6700» представлен в пункте 6.

3. Разработка системы управления

Для создания автоматизированной системы управления процессами выработки пара, 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.

Математическое описание объекта управления.

В данном дипломном проекте рассмотрена автоматизация котла ТП-38 с разработкой САУ давлением пара на выходе котла.

Для построения математической модели объекта управления были сняты разгонные кривые по давлению пара по каналам: управления (подача топлива в топку) и возмущения (расход пара). Для удобства расчетов значения единиц давления были переведены в систему Си. Приведенные ниже разгонные характеристики говорят о том, что изменение давления пара начинается с некоторым запаздыванием ф, характеризующим влияние инерционности топки на динамические свойства котла.

Динамические характеристики объекта управления по каналу управления:

Канал управления: расход топлива (природный газ) в топку котла Qт (м3/ч) — давление пара на выходе котла Рп (кПа).

Рис. 3.1 — График изменения расхода топлива подаваемого на горелки котла ТП-38

Рис. 3.2 — Кривая разгона по давлению пара при управлении расходом топлива По графикам, представленным на рис 3.1 и рис. 3.2 можно рассчитать математическую модель объекта управления по каналу управления:

Объект можно описать передаточной функцией 1-го порядка с запаздыванием.

где:

T-постоянная времени объекта по каналу управления;

Kкоэффициент передачи объекта по каналу управления;

ф — запаздывание по каналу управления.

Найдем параметры модели объекта:

Для определения передаточной функции Wоб (p), необходимо вычислить коэффициент передачи объекта (kоб), постоянную времени объекта (Тоб) и запаздывание в объекте (фоб).

Значения этих величин можно получить непосредственно обработав кривые разгона путем простейших вычислений.

Запаздывание определяем визуально по кривой: фоб = 16 [c].

kоб = ?P / ?Qт = (2824,3−2941,98)/(9340−8000) = 0,088 [кПа / м3/ч]

Для нахождения Тоб найдём Р (t1) и Р (t2), после по кривой разгона определим непосредственно t1 и t2 и вычислим постоянную времени объекта:

Р1 = ДQт*Коб*0.63+Р0 = 1340 * 0,088 * 0,63 + 2824,3= 2898,44 [кПа]

Р2 = ДQт*Коб*0.87+Р0 = 1340 * 0,088 * 0,87 + 2824,3= 2927 [кПа]

t1 = 81 с

t2 = 114 с Тоб = (t1 + t2 — 2ф)/3 = (81+114−2*16) / 3 = 54 [с].

Динамические характеристики объекта управления по каналу возмущения:

Канал возмущения: расход пар Qп (т/ч) — давление пара на выходе котла Рп (МПа).

Для снятия разгонной характеристики котлоагрегата ТП-38 были проведены замеры изменения давления пара при изменении потребления пара турбиной со 95 до 105 т/ч.