Разработка автоматизированной системы управления котлового агрегата

Содержание
Введение….…………………………………………………………………….......7
1 Технологическая часть…………………………………………………………..8
1.1 Описание промышленной котельной………..……..………………………...8
1.1.1 Общие сведения………………………………………………………….......8
1.1.2 Характеристика котельной…………………………………………………..8
1.1.3 Описание технологического процесса подготовки воды……………….....9
1.1.3.1 Химводоочистка…………………………………………………………...9

1.1.3.2 Процесс обработки воды………………………………………………...10

1.1.3.3 .Деаэрирование воды…………………………………………………….11
1.1.4 Работа котла КВ-ГМ-23,26-150…………………………………………….13
1.1.4.1 Функционирование котла………………………………………………...15

1.2 Автоматическое регулирование котла………………………………………17

1.3 Основные задачи автоматической системы регулирования процесса
горения в котле………………………………………………………………..17

1.3.1 Автоматическое регулирование нагрузки котлового агрегата…………..19

1.3.2 Автоматическое регулирование экономичности процесса горения
(подачи воздуха)……………………………………………………………..19

1.3.3 Автоматическое регулирование разрежения в топке котла……………...20
1.4 Системно-технический анализ ТП подогрева сетевой воды………………20

1.4.1 Составление и анализ макроструктуры ТП подогрева сетевой воды…...20

1.4.2 Составление и анализ микроструктуры ТП подогрева сетевой воды…...21
1.5 Выбор технических средств………………………………………………….23

1.5.1 Выбор базового ПЛК……………………………………………………….26

1.5.2 Сравнительный анализ КИП……………………………………………….29

1.5.3 Выбор расходомера...……………………………………………………….30

1.5.4 Перечень измерительных приборов……………………………………….31

2 Основная часть………………………………………………………………….37

2.1 Разработка структуры математической модели котлового агрегата объекта
управления…………………………………………………………………….37

2.1.1 Построение структурной схемы котла КВ-ГМ-23,26-150 как объекта
управления…………………………………………………………………...37

2.1.2 Математическое описание установленных каналов управляющих и
возмущающих воздействий выделенных простейших объектов
котельной с помощью передаточных функций…………………………..38

2.2 Постановка задачи проектирование системы автоматического управления
котла КВ-ГМ-23,26-150………………………………………………………40

2.2.1 Анализ существующей системы автоматизации…………………………40

2.2.2 Обзор современных технологий автоматизации для данного вида
объектов……………………………………………………………………...41

2.2.3 Критика прототипа системы автоматизации……………………………...41

2.2.4 Формулирование задач проектирования………………………………….42

2.2.5 Формулирование критериев автоматического управления……………...42

2.2.6 Метрологические характеристики технологических параметров ТП котла
КВ-ГМ-23,26…………………………………………………………………45

2.2.7 Основные решения по автоматизации…………………………………….47

2.3 Разработка структурных схем подсистем управления……………………..48

2.3.1 Разработка структуры каналов измерения технологических
параметров…………………………………………………………………...48

2.3.2 Разработка структурных схем подсистем автоматического
регулирования……………………………………………………………….51

2.3.3 Разработка алгоритмических схем подсистем управления……………...53
2.3.3.1 Подсистемы автоматической защиты…………………………………..57
2.4 Разработка функциональной схемы автоматизации……………………….58

2.5 Проектирование программного обеспечения……………………………….58

2.5.1 Разработка ПО для МПК…………………………………………………...58

3 Безопасность жизнедеятельности……………………………………………...59

3.1 Анализ условия труда на котельной «Кокжиек»…………………………...59

3.2 Анализ влияния вредных и опасных производственных факторов на
организм человека…………………………………………………………….59

3.3 Шум. Защита от шума………………………………………………………...60

3.4 Влияние вибрации…………………………………………………………….61

3.5 Воздействие вредных газов…………………………………………………..61

3.6 Взрывоопасность помещений. Способы тушения пожаров……………….62

3.7 Расчет искусственного освещения методом коэффициента использования
для машинного зала…………………………………………………………..63

3.8 Воздействие электрического тока…………………………………………...65

3.8.1 Расчет защитного заземления……………………………………………...66

4 Экономическая часть…………………………………………………………...70

4.1 Описание промышленной котельной………………………………………..70

4.2 Расчет первоначальных инвестиций………………………………………...70

4.3 Расчет ожидаемого денежного потока………………………………………74

4.4 Экономическая оценка эффективности……………………………………..75

4.4.1 Расчет чистой текущей стоимости NPV…………………………………..76

4.4.2 Расчет внутренней нормы прибыли IRR…………………………………..77

4.4.3 Расчет окупаемости инвестиций РР……………………………………….78

4.4.4 Расчет индекса рентабельности инвестиции PI…………………………..79

Заключение………………………………………………………………………..80

Список сокращений………………………………………………………………81

Список литературы…………………………………………………………….....82

Приложение А…………………………………………………………………….83
1 Технологическая часть

1.1 Описание промышленной котельной

1.1.1 Общие сведения

В зависимости от характера тепловых нагрузок котельные установки
принято разделять на следующие типы:
- производственные котельные – котельные, предназначенные для
снабжения теплотой технологических потребителей;
- производственно-отопительные котельные
–котельные,
осуществляющие теплоснабжение технологических потребителей, а
также дающие теплоту для отопления, вентиляции и горячего
водоснабжения промышленных сооружений;
- отопительные котельные - вырабатывающие тепловую энергию
только для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения
жилых, общественных, промышленных зданий и сооружений.
- В зависимости от характера производства и работы агрегатов, установленных на предприятии, снабжаю
отопление жилые помещение, жилищно-коммунальные нужды требуют круглосуточной
подачи горячей воды.
В котельной установке установленная теплопроизводительность всех
агрегатов должна соответствовать максимальной нагрузке.
В производственных котельных расход пара или горячей воды зависит
от мощности производственных установок и характера их работы.

1.1.2 Характеристика котельной

Котельная предназначена для выработки перегретого пара и воды. В
котельной «Кокжиек» установлены три котловых агрегата два поровых, один
водогрейный. Два котла Е-2,5-0,9г и один котел КВ-ГМ-23,26-150. Основное
топливо, используемое котельной, является природный газ QH = 8200 ккал/кг,
на случай отсутствия основного топлива имеется резервное топливо,
представляющее собой мазут марки 100 QH = 9300 ккал/кг.
Теплоносителями котельной «Кокжиек», являются вода температурой
90 – 40 0С с постоянной и переменной температурой на выходе из котельной и
перегретый пар давлением 5,4 кг и температурой 150 0С.
Система теплоснабжения отопительной котельной закрытая т.е. вода
находится в замкнутом цикле. Постоянно в теплосети находится 6,5-7,1 тыс.
м3 воды. Водоподготовка проходит несколько стадий: Na-катионирование,
после чего вода поступает в теплосеть.
Производительность котельной: по перегретой воде – 10 Гкал/час и по пару
– 5 т/час.
1.1.3 Описание технологического процесса подготовки воды

1.1.3.1 Химводоочистка

В состав химводоочистки отопительной котельной входят: блок Na-
катионитовых фильтров I и II ступени, NaCl-ионитовый фильтр.
Источниками водоснабжения химводоочистки является техническая
вода, подаваемая с центрального водопровода.
- Блок Na-катионитовых фильтров.
Далее вода поступает на Na-катионитовые фильтры I ступени, оттуда
вода поступает через бак в подпиточный деаэратор теплосети.
- Эксплуатация Na-катионитовых фильтров
Блок Na-катионитовых фильтров (см. рисунок 1.1) состоит из 3-х
фильтров 1-ой ступени; 2-х фильтров 2-ой ступени. Фильтр имеет диаметр
3400 мм. Na-катионитовые фильтры загружены сульфоуглем на высоту 2500
мм.
Фильтр состоит из следующих элементов: корпуса, нижнего и верхнего
распределительных устройств, подводящих и отводящих трубопроводов,
запорной арматуры, КИП пробоотборных устройств и фильтрующей загрузки.
Корпус фильтра цилиндрический, сварной, из листовой стали, снабжен двумя
лазами. Верхний лаз предназначен для загрузки фильтрующего материала,
ревизии и ремонта верхнего распределительного устройства, а также для
периодического осмотра состояния поверхности фильтрующего материала.
Нижний лаз предназначен для монтажа нижних распределительных
устройств, их периодической ревизии и ремонта. Корпус фильтра рассчитан
на избыточное давление 6 кгс/см2, превышать которое запрещается.
Верхнее распределительное устройство представляет собой трубчатую
систему типа "паук" с отверстиями и служит для подвода обрабатываемой
воды и регенерационного раствора, а также для отвода воды при взрыхлении
катионита. Нижнее распределительное устройство представляет собой
трубчатую систему со щелями приблизительно 0,4 мм и служит для
равномерного распределения по всему сечению фильтра проходящей через
него воды, отвода умягченной, отмывочной воды я регенерационного
раствора, а также для подвода воды для взрыхления катионита.осветленная вод
фильтрующий слой цемент умягченная водаРисунок 1.1 - Схема Na-катионитового фильтра

Дренажные и распределительные устройства фильтров должны быть
установлены горизонтально с отклонениями ± 2 мм на 1 м, но не более ± 5 мм
на всю длину распределительных трубок. Фронт фильтров оборудован
трубопроводами, запорной арматурой, пробоотборными устройствами для
отбора проб поступающей и обработанной воды/манометрами на входном и
выходном трубопроводах фильтров и расходомерами на трубопроводах,
подающих воду на фильтр для обработка и взрыхления. После
гидравлического испытания фильтра его днище бетонируют
гидротехническим бетоном 1:3:6 с верхней цементной оттяжкой состава 1:3,
высотой 50 - 60 мм и железнением поверхности. При использовании цемента
марки "400" и выше заполняют битумом Б-V с наполнителем антрацитом
крупностью до 25 мм при верхней стяжке, высотой 50-60 мм. из мастики
битуминоль марка Н-2. В фильтр, предварительно частично заполненный
водой, гидротранспортером или вручную загружают фильтрующий материал
и, после повторного гидравлического испытания проводят взрыхляющую
промывку для удаления мелочи и грязи; после чего фильтр включают в
работу.

1.1.3.2 Процесс обработки воды

Процесс обработки воды заключается в последовательном прохождении
воды через Na-катионитовые фильтры, где происходит умягчение воды.
Умягчение воды катионированием осуществляется в процессе фильтрования
ее через слой сульфоугля, частицы которого содержат катион натрия,
способный к объемному разделению на накипеобразующие катионы кальция
и магния. В результате этого в профильтрованной умягченной воде
содержатся лишь натриевые соли, обладающие большой растворимостью и не

образующие отложений на внутренней поверхности теплообменных
аппаратов и парогенераторов.
Указанные реакции обмена могут быть представлены следующими
уравнениями, где буквой R обозначен сложный комплексный анион
катионита.

Ca (HCO3)2 + 2NaR = CaR2 + 2NaHCO3
Mg (HCO3)2 + 2NaR = MgR2 + 2NaHCO3
CaCl2 + 2NaR = CaR2 + 2NaCl
MgCl2 + 2NaR = MgR2 + 2NaCl
CaSO4 + 2NaR = CaR2 + Na2SO4
MgSO4 + 2NaR = MgR2 + Na2SO4

Как видно из уравнений, в процессе умягчения изменяется не только
солевой состав, но и состав катионита.
Прошедшая через Na-катионитовые фильтры вода содержит только
NaCl и частично NaHCO3, Na2SO4.

1.1.3.3 Деаэрирование воды

Химочищенная вода с помощью насосов А-315М4-У3 подается в
деаэратор водогрейного котла.
Вакуумный деаэратор ДВ-200 (см. рисунок 1.2) иначе термический
деаэратор работают под давлением ниже атмосферного, что составляет –0,5
кгс/см2.
Термическая деаэрация воды основана на использовании закона Генри
(закон о растворимости газов в жидкости). Согласно этому закону

концентрация какого-либо газа, растворенного в жидкости,
прямо пропорционально зависит от концентрации газа в парогазовой смеси над
жидкостью. Таким образом, если концентрация газа в парогазовой смеси
падает до нуля, то и растворимость его в жидкости также снижается до нуля.
Концентрация газа в смеси определяется его парциальным давлением,
т.е. давлением, которое он имел бы, если бы один занимал весь
рассматриваемый объем. В итоге можно выразить закон Генри так:
растворимость газа в воде прямо пропорциональна его парциальному
давлению над водой.
Кипение жидкости происходит при такой температуре, при которой
давление паров жидкости по величине равно полному давлению над кипящей
водой, и тогда парциальные давления газов в парогазовой смеси над кипящей
водой практически близки к нулю, т.е. согласно закону Генри, растворимость
газов в кипящей воде равна нулю.
Нулевая растворимость газов может быть достигнута при любой
температуре кипения, а значит и при температуре кипения ниже 100 0С. Таким
образом, деаэрацию воды можно осуществить при давлении ниже
атмосферного, т.е. в вакууме.
В вакуумном деаэраторе 90-95 % кислорода выделяются из воды в виде
пузырьков, остальная часть – путем диффузи
Большая часть пара, около 70-90 %, поступающего в вакуумный
деаэратор, расходуется на нагрев воды и конденсируется. Конденсат
смешивается с основным поток воды, остальная часть пара проходит через
всю колонку. Этот пар вентилирует колонку и сдувает с поверхности воды
выделяющиеся газы. Парогазовая смесь отсасывается из деаэратора
вакуумными насосами. Деаэратор представляет собой цилиндр,
расположенный вертикально, в котором имеются две ступени дегазации:
струйная и барботажная.
Химочищенная вода по трубе поступает в колонку деаэратора на
дырчатую тарелку. Затем вода через отверстия стекает на перепускную
тарелку, откуда через отверстие в виде сегмента поступает на барботажный
лист. Греющий пар подается под барботажный лист, образуя паровую
подушку, и, проходя через щели листа и слой воды, подвергает воду
обработке. Пар, прошедший барботажный лист, движется в верхнюю часть
колонки, пересекая струйный поток между тарелками нагревает и деаэрирует
воду. При этом некоторая часть его конденсируется и только после
прохождения охладителя выпара вся остальная часть полностью
конденсируется. Конденсат из охладителя выпара сливается самотеком в
колонку деаэратора. Выделившиеся газы удаляются через трубу.
Деаэрированная вода отводится из колонки через трубу.
вакуумный насос
выпар дырчатая тарелка перепускная тарелка перепускная
тарелка барботажный
лист пар деаэриро-
ванная
вода
Рисунок 1.2 - Схема деаэратора
Вакуумные водокольцевые насосы предназначены для создания вакуума
в закрытых аппаратах. Для работы насосов не требуется очистк
поступающего в них воздуха и газа, а также допускается попадание в насос
жидкостей с засасываемым воздухом.
Вверху внутренняя поверхность водяного кольца касается ступицы
колеса и препятствует проникновению воздуха с нагнетательной стороны на всасывающую сторону.
На первом полуобороте рабочего колеса внутренняя поверхность
водяного кольца постепенно удаляется от ступицы. Образующийся между
лопатками насоса свободный объем заполняется воздухом из всасывающего
патрубка через всасывающее окно в торцевой крышке корпуса насоса.
На протяжении второго полуоборота колеса внутренняя поверхность
приближается к ступице. Воздух, находящийся между лопатками, сжимается
и вытесняется в нагнетательный патрубок через специальное окно в корпусе
насоса.
В водокольцевых насосах перемещение воздуха из всасывающего
патрубка в нагнетательный совершается непрерывно.
Так как газ, выходящий из нагнетательного патрубка, выбрасывает и
воду, причем в том же количестве, которое поступило в насос из водопровода,
то для отделения воды от газа и сбора ее предусмотрен водоотделитель.
Водоотделитель представляет собой небольшой бак, в верхней части которого
предусмотрено отверстие для отвода воздуха наружу, в нижней же части
приварена сливная труба для воды.

1.1.4 Работа котла КВ-ГМ-23,26-150

Деаэрированная вода подается в водогрейный котел КВ-ГМ-23,26-150,
где нагревается до 40 - 450С и поступает в теплосеть «Кокжиека». Газо-
мазутный котел тепло производительностью 20 Гкал/ч выполнен по П-
образной схеме (см. рисунок 1.3) и может быть использован как в
отопительном режиме (70-1500С), так и в пиковом (90-1500С).
Рисунок 1.3 - Схема котла КВ-ГМ-23,26-150

Топочная камера имеет горизонтальное расположение в котле и задняя
стена конвективной шахты с поворотным экранам (см. рисунок 1.4) из труб
диаметром 60x3 мм с шагом 64 мм. Конвективная поверхность нагрева,
расположенная в вертикальном, полностью экранированном газоходе, состоит
из U-образных ширм из труб диаметром 28х3 мм. Каждый блок (топочный и
конвективный) имеет опоры, приваренные к нижним коллекторам. Опоры,
расположенные на стыке конвективного блока и топочной камеры,
неподвижны. Ширмы в пакетах расположены параллельно фронту котла и
расставлены таким образом, что их трубы образуют шахматный пучок.
Боковые стены конвективной шахты закрыты трубами диаметром 83х3,5 мм с
шагом 128 мм, служащими одновременно стояками ширм. Стояки сдвинуты
относительно друг друга на 64 мм, что обеспечивает возможность размещения
ширм в плане шахты в виде гребенок с шагами шахматного конвективного
пучка. Все трубы, образующие экранные поверхности котла, вварены
непосредственно в коллекторы диаметром 219х10 мм. Несущий каркас у котла
КВ-ГМ-23,26-150 отсутствует.
При работе на мазуте котлы КВ-ГМ-23,26-150 по воде должны
включаться по прямоточной схеме: вода подводится в поверхности нагрева
топочного блока, отводится из конвективных поверхностей нагрева. Котел
имеет дренажные и воздушные вентили с запорной арматурой,
обеспечивающие возможность удаление воды и осадков из нижних участков
всех элементов котла и удаление воздуха из верхних участков котла.
Рисунок 1.4 - Схема циркуляций воды в котле КВ-ГМ-23,26-150

Взрывные предохранительные клапаны установлены на потолке
топочной камеры. На фронтовой стенке котла устанавливаются газо-мазутная
горелка РГМГ-20П и вентилятора ВДН-12,5 мощностью 30кВт с вращением
1000 об/мин. Устанавливаются на задней части котла дымосос ДН-17
мощностью 55 кВт с вращением 750 об/мин....