Автоматизация управления системой теплоснабжения

Автоматизация управления системой теплоснабжения

1. Состав и характеристика объекта автоматизации

Система теплоснабжения закрытая. Основным топливом для котельной служит газ теплотой сгорания Qн = 8485 ккал/м3 , а резервным, мазут. Котельная оборудована четырьмя котлами ДКВР - 6,5/13 без пароперегревателей. Производительность котла в соответствии с расчетными данными 6,5 т/час (таблица 1).Давление пара 13 кгс/см2. Максимальное количество тепла, выдаваемого котельной в виде горячей воды составляет 100% . Возврат конденсата 10% . Исходная вода для питания котлов - речная осветленная или артезианская.

Рис.1 Котел марки ДКВР

1- экранные трубы; 2- верхний барабан; 3- манометр; 4- предохранительные клапаны; 5- трубы питательной воды; 6- сепаратор пара; 7- предохранительная пробка; 8- камера догорания; 9- перегородки; 10- конвективные трубки; 11- обдувочное устройство; 12- нижний барабан; 13- продувочный трубопровод.

Котельный агрегат ДКВР - 6,5/13 рис.1 комплектуется одноходовым чугунным экономайзером системы ВТН с трубами длиной 3м. Регулятор питания установлен до ВЭК, неотключаемый как по газу, так и по воде. Предусмотрена сгонная линия с автоматическим устройством для ограничения повышения температуры воды после ВЭК выше 1740С. Движение газов в экономайзере сверху вниз. Газы из экономайзера направляются к дымососу, установленному в стенах котельной. Дутьевой вентилятор монтируется под котлом. Забор воздуха вентилятором осуществляется по металлическому воздуховоду.

Топочная камера производительностью до 6,5 т/час включительно разделена кирпичной стеной на собственно топку и камеру догорания, которая позволяет повысить КПД котла за счет снижения химического недожога. Вход газов из топки в камеру догорания и выход газов из котла - ассиметричные.

Установкой одной шамотной перегородки, отделяющие камеру догорания от пучка, и одной чугунной перегородки, образующей два газохода, в пучках создается горизонтальный разворот газов при поперечном отмывании труб.

В котлах с пароперегревателями последние размещаются в первом газоходе с левой стороны котла.

Современные котлы рассчитаны, как правило, на работу в безнакипном режиме и нуждаются в докотловой обработке воды, поэтому в состав тепловых схем включаются установки для приготовления питательной воды: химводоочистка и деаэраторы. Для сбора возвращаемого конденсата и его перекачки устраивается конденсатное хозяйство. В состав тепловой схемы входят также система питания котлов, паропроводы и другие трубопроводы. Для централизованного получения горячей воды в котельной служат водоподогревательные установки. В целях повышения экономичности предусматривается использование воды и теплоты от продувки котлов, а также выпарка из деаэраторов. Из котлов пар поступает в главный паропровод и оттуда направляется к внешним технологическим потребителям, к сетевой подогревательной установке и на собственные нужды котельной установки.

Получившийся при охлаждении пара конденсат от внутренних и внешних потребителей собирается в конденсатный бак. Конденсат составляет основную часть потока питательной воды для котлов; он содержит минимальное количество нелетучих примесей и имеет достаточно высокую температуру. Для освобождения от растворенных газов конденсат перекачивается конденсатными насосами в атмосферный деаэратор.

Потери и утечки конденсата, пара и котловой воды возмещаются добавочной водой, которая приготовляется в химводоочистке. В ее состав входят фильтры, насосы, и теплообменники. Сырая вода подается насосами; перед поступлением в фильтры она подогревается до 15-40?С в водо-водяном и пароводяном теплообменниках. Подогрев воды перед фильтрами производится для устранения конденсации водяных паров из воздуха на холодных поверхностях оборудования и трубопроводах и предотвращения их коррозии. Из фильтров химически очищенная вода поступает в деаэратор: ее подогрев в пароводяном теплообменнике способствует более быстрому и полному прогреву для последующей деаэрации.

Питание котлов производится от групповой питательной установки, включающей центробежные насосы с электроприводом и паровые поршневые насосы. Они забирают воду из деаэратора и через индивидуальные питательные водяные экономайзеры подают ее в котлы.

В состав сетевой водоподогревательной установки входят пароводяные подогреватели, охладители конденсата и насосы. Использование водо-водяных теплообменников для охлаждения конденсата позволяет обеспечить значительное снижение его температуры и уменьшить расход пара на подогрев сетевой воды. По отношению к потоку пара и конденсата сетевая вода движется в водоподогревательной установке противотоком: она проходит сначала через охладитель конденсата, а затем через пароводяные подогреватели. Циркуляция воды в тепловой сети обеспечивается сетевыми насосами. Вода для подпитки тепловой сети приготавливается в общих для всей котельной химводоочистке и деаэраторе. Часть деаэрированной воды забирается из деаэратора подпилочными насосами и подается в обратную линию теплосети.

Работа котлов предусматривается с непрерывной продувкой. Для уменьшения потери теплоты с продувочной водой и воды из системы питания котлов в схеме используется расширитель продувки и охладитель продувочной воды. Образующийся в расширителе продувки пар отводится в деаэратор. В теплообменнике производится нагрев добавочной воды. Продувочная вода после теплообменника отводится в продувочный колодец.

Теплота выпари из деаэратора утилизируются в охладителе выпари. В этом теплообменнике пар, отводимый вместе с газами, конденсируется, а теплота передается химически очищенной воде. Барабан котла ДКВР на давление 13 там изготовляются из стали 16 ГОСТ 5520-69 и имеют внутренний диаметр 1000 мм при толщине 13 мм.

В котлах ДКВР при шаге экранных труб 80 мм стенки верхнего барабана хорошо охлаждаются потоками пароводяной смеси, выходящими из труб боковых экранов и крайних труб кипятильного пучка, что было подтверждено специальными исследованиями температуры стенки барабана при различном снижении уровня воды, а также многолетней практикой эксплуатации нескольких тысяч котлов ДКВР.

На нижней образующей верхнего барабана при расположении его в топочной камере установлены контрольные легкоплавкие пробки. Они предназначены для предупреждения кочегара об отсутствии воды в барабане и увеличении температуры его стенок. Действие пробок основано на том, что при повышении температуры стенки барабана выше 290-300?С легкоплавкий сплав, которым залита пробка, начинает плавиться, и шум пароводяной струи, выходящей через пробку, является сигналом для немедленной остановки котла.

В водяном пространстве верхнего барабана находится питательная труба, труба для ввода фосфатов, в паровом объеме - сепарационные устройства. В нижнем барабане размещаются перфорированная труба для периодической продувки, устройство для прогрева барабана при растопке и штуцер для спуска воды.

Для наблюдения за уровнем воды в верхнем барабане устанавливаются два водоуказательных стекла и сигнализатор уровня. Из переднего днища верхнего барабана отводятся импульсные трубки к регулятору питания.

Для осмотра барабанов и расположенных в них устройств, а также для очистки труб шарошками на задних днищах имеются лазы; у котла ДКВР-20 с длинным барабаном имеется еще лаз на переднем днище верхнего барабана.

У котлов с длинным барабаном водоуказательные стекла присоединены к цилиндрической части барабана, а у котлов с коротким барабаном к переднему днищу. В водяном пространстве верхнего барабана находятся питательная труба, у котлов ДКВР 6,5-13 с длинным барабаном - труба для непрерывной продувки; в паровом объеме - сепарационные устройства. В нижнем барабане установлены перфорированная труба для периодической продувки, устройство для прогрева барабана при растопке и штуцер для спуска воды. Боковые экранные коллекторы расположены под выступающей частью верхнего барабана, возле боковых стен обмуровки. Для создания циркуляционного контура в экранах передний конец каждого экранного коллектора соединен опускной необогреваемой трубой с верхним барабаном, а задний конец - перепускной трубой с нижним барабаном. Вода поступает в боковые экраны одновременно из верхнего барабана по передним опускным трубам, а из нижнего барабана по перепускным. Такая схема питания боковых экранов повышает надежность работы при пониженном уровне воды в верхнем барабане, увеличивает кратность циркуляции. Экранные трубы паровых котлов ДКВР изготовляют из стали 512.5 мм. В котлах с длинным верхним барабаном экранные трубы приварены к экранным коллекторам, а в верхний барабан вальцованы. Шаг боковых экранов у всех котлов ДКВР 80 мм, шаг задних и фронтовых экранов - 80 130 мм. Пучки кипятильных труб выполнены из стальных бесшовных гнутых труб диаметром 512.5 мм.

Концы кипятильных труб паровых котлов типа ДКВР прикреплены к нижнему и верхнему барабану с помощью вальцовки. Циркуляция в кипятильных трубах происходит за счет бурного испарения воды в передних рядах труб, т.к. они расположены ближе к топке и омываются более горячими газами, чем задние, вследствие чего в задних трубах, расположенных на выходе газов из котла вода идет не вверх, а вниз. Топочная камера в целях предупреждения затягивания пламени в конвективный пучок и уменьшения потери с уносом ( Q4 - от механической неполноты сгорания топлива), разделена перегородкой на две части: топку и камеру сгорания. Перегородки котла выполнены таким образом, что дымовые газы омывают трубы поперечным током, что способствует теплоотдаче в конвективном пучке.

Таблица 1. Технологические параметры

Обоснование необходимости контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров.

Регулирование питания котельных агрегатов и регулирование давления в барабане котла главным образом сводится к поддержанию материального баланса между отводом пара и подачей воды . Параметром характеризующим баланс , является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котельного агрегата во многом определяется качеством регулирования уровня. При повышении давления, снижение уровня ниже допустимых пределов, может привести к нарушению циркуляции в экранных трубах, в результате чего произойдет повышение температуры стенок обогреваемых труб и их пережег.

Повышение уровня также ведет к аварийным последствиям, так как возможен заброс воды в пароперегреватель, что вызовет выход его из строя. В связи с этим, к точности поддержания заданного уровня предъявляются очень высокие требования. Качество регулирования питания также определяется равенством подачи питательной воды. Необходимо обеспечить равномерное питание котла водой, так как частые и глубокие изменения расхода питательной воды могут вызвать значительные температурные напряжения в металле экономайзера .

Барабанам котла с естественной циркуляцией присуща значительная аккумулирующая способность, которая проявляется в переходных режимах. Если в стационарном режиме положение уровня воды в барабане котла определяется состоянием материального баланса, то в переходных режимах на положение уровня влияет большое количество возмущений. Основными из них являются : изменение расхода питательной воды, изменение паросъема котла при изменении нагрузки потребителя, изменение паропроизводительности при изменении при изменении нагрузки топки, изменение температуры питательной воды.

Регулирование соотношения газ-воздух необходимо как чисто физически, так и экономически. Известно, что одним из важнейших процессов, происходящих в котельной установке, является процесс горения топлива. Химическая сторона горения топлива 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 примерно составляет 1:10. При недостатке воздуха в топочной камере происходит неполное сгорание топлива. Не сгоревший газ будет выбрасываться в атмосферу, что экономически и экологически не допустимо. При избытке воздуха в топочной камере будет происходить охлаждение топки, хотя газ будет сгорать полностью, но в этом случае остатки воздуха будут образовывать двуокись азота, что экологически недопустимо, так как это соединение вредно для человека и окружающей среды.

Система автоматического регулирования разрежения в топке котла сделана для поддержания топки под наддувом, то есть чтобы поддерживать постоянство разряжения (примерно 4мм.вод.ст.). При отсутствии разряжения пламя факела будет прижиматься, что приведет к обгоранию горелок и нижней части топки. Дымовые газы при этом пойдут в помещение цеха, что делает невозможным работу обслуживающего персонала.

В питательной воде растворены соли, допустимое количество которых определяется нормами. В процессе парообразования эти соли остаются в котловой воде и постепенно накапливаются. Некоторые соли образуют шлам - твердое вещество , кристаллизующееся в котловой воде. Более тяжелая часть шлама скапливается в нижних частях барабана и коллекторов.

Повышение концентрации солей в котловой воде выше допустимых величин может привести к уносу их в пароперегреватель. Поэтому соли, скопившиеся в котловой воде, удаляются непрерывной продувкой, которая в данном случае автоматически не регулируется. Расчетное значение продувки парогенераторов при установившемся режиме определяется из уравнений баланса примесей к воде в парогенераторе. Таким образом, доля продувки зависит от отношения концентрации примесей в воде продувочной и питательной. Чем лучше качество питательной воды и выше допустимая концентрация примесей в воде, тем доля продувки меньше. А концентрация примесей в свою очередь зависит от доли добавочной воды, в которую входит , в частности , доля теряемой продувочной воды.

Сигнализация параметров и защиты, действующие на останов котла , физически необходимы, так как оператор или машинист котла не в силах уследить за всеми параметрами функционирующего котла. Вследствие этого может возникнуть аварийная ситуация. Например при упуске воды из барабана, уровень воды в нем понижается, вследствие этого может быть нарушена циркуляция и вызван пережег труб донных экранов. Сработавшая без промедления защита, предотвратит выход из строя парогенератора. При уменьшении нагрузки парогенератора, интенсивность горения в топке снижается. Горение становится неустойчивым и может прекратиться. В связи с этим предусматривается защита по погашению факела.

Надежность защиты в значительной мере определяется количеством ,схемой включения и надежностью используемых в ней приборов. По своему действию защиты подразделяются на действующие на останов парогенератора; снижение нагрузки парогенератора; выполняющие локальные операции.

Согласно вышеперечисленного автоматизация работы парового котла должна осуществляться по следующим параметрам : по поддержанию постоянного давления пара;

по поддержанию постоянного уровня воды в котле;

по поддержанию соотношения "газ - воздух";

по поддержанию разрежения в топочной камере.

2. Характеристика КТС объекта автоматизации

Для автоматизации котла ДКВР 6,5-13 , который работает на топливе

газ/мазут, использованы комплекты автоматического регулирования на базе системы “Контур 1”, автоматики безопасности и управления (рис.2). Система “Контур 1” освоена Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА) в 1978г. До этого времени МЗТА выпускал электронно-гидравлическую систему “Кристалл”. Данная система представляет собой комплект датчиков, усилителей,

преобразователей и исполнительных механизмов, которые в различных сочетаниях позволяют комплектовать регуляторы разной структуры с постоянной скоростью исполнительного механизма (астатические), с жёсткой обратной связью (статические или пропорциональные) и упругой обратной связью (изодромные) и т.д. Автоматика регулирования. Автоматика регулирования “Контур 1” предназначена для регулирования параметров технологического процесса котлоагрегатов. Каждый автоматический регулятор имеет: датчик (первичный прибор); регулирующий прибор (усилитель); исполнительный механизм; регулирующий орган.

Рис.2 Схема автоматизации объекта

Где:

Д - датчик давления

РУ - регулирующий прибор Р 25.1.1.

П.Б.Р.- пускатель бесконтактный реверсивный

М.Э.О. - исполнительный механизм типа МЭО

Р.О. - регулирующий клапан на питательной линии Схема включает регулирующий прибор, в который поступает сигнал от датчика. Датчик первичный прибор, который воспринимает изменение регулируемого параметра и преобразует его в электрический сигнал. Регулирующий прибор принимает команду в виде электрического сигнала от задатчика, сравнивает её с электрическим сигналом датчика, усиливает имеющуюся разность электрических сигналов и даёт команду на включение исполнительного механизма. Исполнительный механизм воздействует на регулирующий орган. Обратная связь улучшает качество регулирования. Требования к регулированию давления пара в барабане наиболее жёсткие в сравнении с другими котловыми регуляторами. Это вызвано условиями безопасности и надёжности работы котла. Автоматика регулирования проверяется ежемесячно. Для проверки работы регуляторов необходимо: - зафиксировать по прибору на щите котла значение регулируемого параметра; - перевести режим работы регулятора из положения «автомат» на ручное управление; - тумблером в сторону «больше» или «меньше» изменить значение параметра (не более чем на 10 %); - возвратить переключатель режима работы регулятора в положение «автомат». Значение параметра по прибору должно восстановиться до начального.

Измерительный прибор (Датчик давления)

Измерительной задачей является: измерение давления в барабане. В данном случае точность измерения влияет на условие взрывобезопасности, поэтому к ней предъявляются соответствующие требования. Измерение также следует производить дистанционно и для связи с промышленным компьютером датчик должен иметь интерфейс. Принцип действия всех датчиков давления (манометры, мановакууметры, вакуумметры, микроманометры, микромановакууметры, дифференциальные манометры, барометры) основан на измерении деформации чувствительного элемента, которая, как правило, в современных датчиках воспринимается тензометрическим датчиком при использовании преобразователей, принадлежащих электрической ветви, либо выдают пневматический унифицированный сигнал, что нас не устраивает. Преобразователи различных фирм выпускаются с различными классами точности, поэтому относительно погрешности измерения обоснование выбора не является необходимым. Выбор преобразователя имеет смысл лишь по виду и материалу чувствительного элемента, но в данном случае это не имеет значения, ввиду того, что отбор импульсов давления производится через мембранный разделитель. В проекте использован преобразователь избыточного давления с выходным сигналом, способным корректно сообщаться с промышленным компьютером. Используются датчики типа «Метран».

Характеристики измерительных приборов. Устройство и работа датчика «Метран 43»

«Метран 43» позволяет с погрешностью ±0,2 измерять давление в низком диапазоне при высоком статическом давлении Рстат..

«Метран43» модель 3494-01 измеряет среды, такие как: газ, пар, жидкость. Датчик имеет избыточное рабочее давление: 4,0; 6; 10; 25. Основная допустимая приведенная погрешность ±г составляет для всех 0,2; 0,25; 0.5. Его масса не более 3 кг. Выходной сигнал у этого датчика составляет 0-5; 0-20; 4-20; 5-0; 20-0; 20-4,так как характер выходного сигнала линейно возрастающий или линейно убывающий. Диапазон температур измеряемой среды от 40 до 4000С. Датчики устойчивы к воздействию относительной влажности окружающего воздуха до (95 ±3)% при 350С и более низких температурах без концентрации влаги. Степень защиты датчика от воздействия воды по ГОСТу 14254. Энергетическое питание датчиков осуществляется (36±0,72)В постоянного тока.

Материал деталей измерительного блока, штуцера- нержавеющая сталь 12*18 Н10Т, мембрана датчиков- сталь 36НХТЮ, корпус- алюминиевый сплав.

3. Регулирующие приборы

Регулирующие приборы Р25, предназначены для применения в системах автоматического регулирования и управления технологическими процессами (таблица 3).