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

1.1 Описание технологического процесса Водогрейные котлы предназначены для получения горячей воды номинальной температурой 150 °C, 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

1.2 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

2.1 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;

— проверку соответствующего давления подачи топлива на горение;

— 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.

2.2 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.

2.3 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.

2.4 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.

Рисунок 5 — Функциональная схема технической реализации принципов управления положения аэрошибера.

3. Алгоритм работы АСУ ТП

3.1 Описание режимов функционирования объекта В общем случае все режимы функционирования технологического процесса управления котлом можно разделить на следующие группы:

1. Розжиг;

2. Основной режим;

3. 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

4.1 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;

Д1 — датчик.

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:

1. Обеспечивает нулевую статическую ошибку регулирования;

2. 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;

3. 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:

.

4.2 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.

2. Ицкович А. М. Котельные установки. М.: Нашиц, 1958, 226 с.

3. Ктоев А. С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1990, 464

4. Лохматов В. М. Автоматизация промышленных котельных. Л.: Энергия, 1970, 208 с.

5. Фейерштейн В. С. Справочник по автоматизации котельных. М.: Энергия, 1972, 360 с.

6. Фаников В. С., Витальев В. П. Автоматизация тепловых пунктов. Справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1989. 256 с.