СОДЕРЖАНИЕ стр.
Введение 7
1.Описание и анализ объекта автоматизации 10
1.1Техническая характеристика объекта автоматизации 11
1.2Описание технологического процесса 15
1.3Описание основного оборудования 23
1.4Характеристика КТС 26
2.Технико-экономическое обоснование системы управления 31
2.1Анализ существующей системы автоматизации 32
2.2Выбор и обоснование системы управления 33
2.3Экономическая оценка системы управления 36
2.3.1Расчет экономического эффекта для системы ’’Оmron’’ 36
2.3.2Расчет экономического эффекта для системы ’’Advantech’’ 41
3.Разработка системы управления 46
3.1Математическое описание объекта управления 47
3.2Анализ возмущающих воздействий 56
3.3Синтез системы управления 56
3.4Выбор и расчет технических средств 58
3.5Расчет и анализ системы управления 63
4.Разработка системы автоматизации и выбор КТС 70
4.1Выбор КТС системы автоматизации 71
4.2Разработка функциональной схемы автоматизации 75
5.Автоматическая защита технологического оборудования 79
5.1Характеристика систем автоматических защит 80
5.1.1Описание существующих защит 80
5.1.2Характеристика КТС автоматических защит 81
5.2Описание существующей системы автоматической защиты 83
5.3Выбор КТС САЗ 84
5.4Разработка САЗ 86
5.4.1Разработка логической схемы 86
5.4.2Разработка технической структуры 87
6.Безопасность объекта 88
6.1Охрана труда 89
6.2Защита населения в чрезвычайных ситуациях 93
7.Расчет экономического эффекта 98
7.1Расчет капитальных затрат 100
7.2Расчет экономии текущих затрат 100
7.3Расчет и распределение прибыли 101
7.4Выбор эффективного варианта 102
7.5Расчет экономического эффекта 103
Заключение 105
Список используемых источников литературы 106
ВЕДОМОСТЬ ПРОЕКТА
Nо фор- Обозначение Наименование кол. Nо приме-
док. мат листов экз. чание
1 А4 21.02.00-955-385 Котельный цех Сегежской 1 1
АКУ.1 станции биологической
очистки. Котел ДКВР10-13
Автоматизация.
Ведомость проекта.
2 А4 21.02.00-955-385 Автоматизация. 110 1
АКУ. 2 Пояснительная записка
3 А3 21.02.00-955-385 Схема функциональная 1 1
автоматизации
4 А3 21.02.00-955-385 Схема технической
структуры комплекса
технических средств
5 А3 21.02.00-955-385
РЕФЕРАТ
Данная работа состоит из семи основных глав. Заданием было предусмотрено разработать систему управления процессом сжигания топлива в топке парового котла ДКВр 10/13.
В первом разделе была дана характеристика объекта управления и основного оборудования, описание технологического процесса получения пара и рассмотрен процесс горения, а также описание существующей системы автоматизации.
Второй раздел был сосредоточен на выборе и экономической оценке новой системы управления. Была рассмотрена существующая система автоматизации, были перечислены недостатки существующей системы автоматизации и обозначены требования предъявляемые к разрабатываемой системе.
Третий раздел включает в себя разработку системы управления. В разделе представлено: математическое описание объекта управления, анализ возмущающих воздействий, синтез системы управления, а также расчет и анализ системы управления процессом горения по предлагаемой схеме автоматизации.
Четвертый раздел посвящен выбору комплекса технических средств.
В пятом разделе представлено описание автоматической системы защиты технологического оборудования.
Шестой раздел содержит описание мер по обеспечению охраны труда, а также характеристику химического оружия и меры защиты населения в чрезвычайных ситуациях.
В седьмом разделе рассчитан экономический эффект разработанной системы управления.
Также были сделаны некоторые выводы касающиеся экономической эффективности автоматизации и дано технико-экономическое обоснование предложенной новой системы управления.
Введение
В настоящее время системы автоматизированного управления стали неотъемлемой частью практически всех сфер материального производства. Применение автоматизированных систем управления (АСУ) значительно способствует повышению надёжности и экономичности работы оборудования производственных процессов и в частности теплоэнергетических производств, а также решению экологических проблем.
Рассмотренные системы применяются как для управления отдельными машинами и агрегатами, так и для управления сложными технологическими комплексам, в которых эти машины и агрегаты объединяются в единую систему.
Повышение единой мощности технологического оборудования в значительной мере предопределяет современную автоматизацию, которая способствует росту производительности труда и коренным образом меняет роль человека в процессе производства продукции.
Основными функциональными этапами автоматизации технологических процессов является:
• автоматический контроль (измерение) текущих значений параметров технологического процесса;
• автоматическая технологическая сигнализация о состоянии основного и вспомогательного оборудования;
• автоматическая защита основного и вспомогательного оборудования от аварийных повреждений в процессе эксплуатации;
• дистанционное управление, или управление машинами, механизмами и устройствами на расстоянии;
• автоматическое непрерывное регулирование технологических процессов и управление основными вспомогательными установками;
• автоматическое дискретное (прерывистое) управление, обеспечивающее включение или отключение регуляторов, машин, механизмов и устройств в заданной последовательности [13].
За последнее десятилетие существенно изменились состав и структура технологических средств, применяемых в автоматизированных системах управления технологическими процессами.
Автоматизированные системы управления, реализованные на базе современной вычислительной техники, давно уже стали неотъемлемой частью или принадлежностью технологического оборудования, комплексная поставка которого для вновь создаваемых производств без АСУТП немыслима.
Дальнейшее совершенствование производства, усложнение реализуемых технологий приводят к такой ситуации, при которой управление технологическим процессом, выполнение требуемого режима эксплуатации и технологического регламента возможны лишь при посредстве АСУТП, отвечающим самым современным требованиям [12].
Современные распределённые АСУ ТП создаются на основе локальных вычислительных сетей и нового поколения микропроцессорных контроллеров с широким спектром функциональных возможностей.
Конечной целью разработки и внедрения АСУТП является улучшение технико- экономических показателей функционирования автоматизированной промышленной установки.
В данной работе разрабатывается подсистема управления процессом сжигания топлива в паровом котле типа ДКВР 10/13.
1.Описание и анализ
объекта автоматизации
1.1.Техническая характеристика объекта автоматизации.
Котельная служит источником теплоснабжения здания и сооружения Станции Биологической Очистки «Сегежского ЦБК». В зале котельной установлено два паровых котла типа ДКВР-10-13 производительность 10 тонн в час и рабочим давлением 13 кгс/см2 . Назначение котельного агрегата состоит в получении насыщенного пара с температурой 250 0С для целей технологии и отопления производственных помещений. Рисунок котла представлен на рис. 1.1.
Котлы состоят из двух барабанов (нижнего (7) и верхнего (9)), конвективного пучка труб (8) и топочного экрана. Конвективный пучок труб разделен металлической перегородкой, что обеспечивает необходимую скорость газового потока. Для включения топочного экрана в циркуляционный контур в котле предусмотрены коллекторы: верхний (6) и нижний (10) коллекторы заднего экрана, коллекторы фронтового экрана (3), нижний коллектор заднего экрана. Котлы ДКВР могут работать на топливе различных видов. Для работы на том или ином топливе котлы комплектуются соответствующими топочными устройствами. В данном случае котел оснащен камерной топкой для сжигания газа и мазута и газо-мазутными горелками (1).
Котлы ДКВР являются унифицированными. Они представляют собой двухбарабанные вертикальноводотрубные котлы с естественной циркуляцией. При естественной циркуляции в результате разности плотностей воды и пароводяной смеси в различных участках циркуляционного контура создается движущий напор, который расходуется на создание скорости и преодоление всех сопротивлений в контуре.
Котлы типа ДКВР паропроизводительностью 10 т/ч изготовляются с укороченным верхним барабаном. Котлы полностью экранированы. Они имеют фронтовой, задний и боковые (перекрещивающиеся на потолке) экраны. Схема движения в этих котлах пролетного типа, т.е. конвективные пучки труб омываются одним потоком дымовых газов, не изменяющим своего направления. Эти котлы имеют несущий каркас, на который опирается нижний барабан. Верхний барабан, как и у других котлов типа ДКВР, опирается на трубную систему. Все котлы типа ДКВР и особенно с повышенным рабочим давлением работают на химически очищенной деаэрированной воде. В котле применена двухступенчатая схема испарения (из-за большой требовательности к качеству питательной воды) с выносным циклоном (4) во второй ступени. Это позволяет эксплуатировать котел с повышенным солесодержанием котловой воды, не ухудшая качество пара.
Котлы ДКВР –10 поставляются тремя транспортабельными блоками (передний и задний топочные блоки и блок конвективного пучка) в облегченной обмуровке.
Технические данные котла приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Технические данные котла ДКВР – 10 – 13
Наименование Размерность Значение
1. Номинальная паропроизводительность т/ч 10
2. Давление пара в барабане кгс/см2 13
3. Поверхность нагрева котла:
• радиационная
• конвективная м2
49.6
202
4. Объем котла
• паровой
• водяной м3
2.56
9.04
5. Объем воды по водоуказательному стеклу м3 0,45
6. Время испарения этого объема мин 1.3
7. Объем топочной камеры м2 32
8. Потери тепла с уходящими газами % 8.3
9. Потери тепла от наружного охлаждения % 0.5
10. Коэффициент избытка воздуха за котлом - 1.2
11. То же за котлоагрегатом - 1.3
12.Кпд котла % 89.5
13. Кпд котлоагрегата % 92.4
1.2. Описание технологического процесса.
Для поддержания процесса активного испарения воды в верхнем барабане котла в топке сжигается топливо. Основное топливо— газ, резервное— мазут. Состав и характеристика мазута приводится в таблице 1.3., газа в таблице 1.2.
Результаты анализа жидкого топлива Таблица 1.2.
№ п/п Наименование определения Размерность Условные обазначения Рабочае вещество Сухое вещество
1 Влажность % Wр 24,72
2 Теплотворная способность Кдж/кг Qр; Qc 27914 28513
3 Сера летучая % Sр; Sc 1,35 2,39
4 Водород по расчёту % Hр; Hc 4,14 7,32
5 Плотность г/см3 r=0,9889
Состав горючего газа Таблица 1.3.
№ п/п Наименование компонентов газа Условные обозначения Процентное содержание Ккал
1 Двуокись углерода СО2 0
2 Кислород О2 0,41
3 Водород Н2 0
4 Окись углерода СО 0
5 Метан СН4 0,742
6 Этан С2Н6 0,57
7 Этилен С2Н4 0
8 Пропан С3Н8 0,16
9 Изобутан С4Н10 0,03
10 Нормальный бутан С4Н10 0,04
11 Бутилен С5Н12 0
12 Изопентан С5Н12 0
13 Нормальный пентан С5Н12 0
14 Азот N2 0,87
15 Теплота сгорания
при 20 0С Qвр 8865
16 Теплота сгорания
при 20 0С Qнр 7989
Вода после химической очистки поступает в деаэратор, где происходит удаление растворенных в воде газов – O2 и СО2. Затем вода питательными насосами подается в верхний барабан котла. В процессе естественной циркуляции, возникающей в испарительных поверхностях нагрева, образовавшаяся пароводяная смесь, направляется в верхние коллекторы, а из них в барабан-паросборник и выносные сепараторы-циклоны [2].
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 насыщенный пар направляется потребителю. Воздух необходимый для горения забирается летом с улицы, а зимой из помещения котельной и подается в топку через горелки. Подача воздуха производится высоконапорным вентилятором.
Мазут поступает в котельную от мазутопровода высокого давления через ГРП, где происходит снижение давления с 9 кгс/см2 до 4 кгс/см2. Мазут по подзем¬ному мазутопроводу из ГРП подаётся через изолирующие фланцы, поступает в общий коллектор, проходящий вдоль фронта котла. Подача мазута на котлы осуществляется непосредственно от общего коллектора и че¬рез ответвления на горелки. После ГРП мазут поступает в регулирующее устройство среднего давления, с регулятором РДУК2Н-200-50 для котлов ДКВР 10/13 давление дополнительно снижается до 0,3 кгс/см2. В регулирующем устройстве мазут проходит через фильтр, очищаясь от механических приме¬сей; далее проходит через предохранительный запорный клапан (ПЗК), кото¬рый перекрывает подачу топлива в случае аварийной ситуации. Перед каждым котлом установлены для учета расхода топлива расходомерные диафрагмы, об¬щие газовые задвижки с электроприводом.
Разрежение продуктов сгорания в топке котла минус 2 мм. в. ст. Продукты сгорания с температурой 1180 oC поступают на пароперегреватель. Продукты сгорания после воздухоподогревателя с температурой 130 oC направляется в дымосос. Движение дымовых газов по трактам котла осуществляется за счет работы дымососа.
Топки котлов оборудованы горелками типа ГМГБ-5,6. Воздух в горелку подаётся из общего воздушного короба. Перед каждой горелкой установлены контрольная и рабочая задвижки. Розжиг котла произ¬водиться либо от электрозапальника, либо от ручного запальника. Мазутные форсунки— паро-механические.
Для удаления продуктов горения установлен дымосос. Для аварийной отсечки топлива, при срабаты¬вании аварийной защиты, на мазутопроводе к котлу установлен клапан отсекатенль ПКН.
Для дистанционного розжига горелок установлены запальные устройства с приборами контроля факела типа Ф34.2.
Котел подключается к групповой дымовой трубе. При необходимости котел может работать с индиви¬дуальной дымовой трубой с верхней отметкой 53406мм, установленной непосредственно на каркас котла.
Мазутное хозяйство, корме приёмных ёмкостей, включает три расходные ёмкости объёмом 2000м3 каждая, три группы паромазутных двухходовых по¬догревателей (по две штуки в каждой).
Схема технологического процесса представлена на плакате 1.
Сжигание топлива.
Различные виды газового топлива представляют собой механические смеси газов, как горючих, так и негорючих. Горючая часть состоит из следующих газов: водород Н2, метан СН4, тяжелые углеводороды CmHn (ряд горючих газов: этан, пропан, бутан и т. д.), представляющие собой химические соединения углерода и водорода. В негорючую часть газового топлива входят следующие газы: двуокись углерода (углекислый газ) СО2, азот N2, кислород О2. Негорючую часть газовых топлив принято называть баластом.
При горении газового топлива его горючие составляющие вступают в химическое взаимодействие с кислородом. В результате реакции образуются продукты горения: при горении углерода – углекислый газ СО2, водорода – водяные пары Н2О. Формулы реакций горючих газов с кислородом приведены ниже.
2Н2 + О2 = Н2О + Q (1.1.)
2СО + О2 = 2СО2 + Q (1.2.)
CH4 + 2O2 = СО2 + 2Н2О (1.3.)
При сжигании топлива в топках в большинстве случаев кислород для горения поступает из воздуха.
Азот, содержащийся в воздухе в горении не участвует и, нагреваясь, уносит значительное количество теплоты. Так как в воздухе содержится по объему около 21% кислорода, а азота 79% и очень небольшое количество других газов, то теоретически необходимый для сжигания газа объем воздуха больше требующегося для реакции горения объема кислорода в 100/21= 4,76 раза, а на каждый использованный кубический метр кислорода приходится 79/21=3,76. Уравнения для определения теоретически необходимого и действительного количество воздуха для полного сгорания газообразного топлива приводятся ниже в тепловом балансе котла.
Реакция полного сгорания любого углеводородного газа в воздухе может быть записана в виде уравнения
CmHn + (m + n/4)*(O2 + 3.76N2)=mCO2 + (m/2)*H2O + (m + n/4)*3.76 N2, (1.4.)
где m и n – число атомов соответственно углерода и водорода в молекуле газа. Очевидно, что при неполном сгорании выделение теплоты уменьшается. Кроме того, при образовании в процессе горения сажи и оседании ее на поверхностях нагрева уменьшается теплоотдача к ним от горячих продуктов горения, а потери теплоты с уходящими газами возрастают.
Практически в продуктах горения может быть кислород, который не вступил в реакцию с горючими составляющими или был подан в топку в избыточном количестве. Кроме перечисленных продуктов полного и неполного сгорания в отходящих газах может быть (при наличии в газе сероводорода) незначительное количество сернистого газа SO2 [7].
Правильное ведение топочного процесса определяет экономичность сжигания топлива, а следовательно, и основные топочные потери: с химической неполнотой сгорания топлива и потери с уходящими газами. Уравнения для определения потерь теплоты приводятся ниже в тепловом балансе котла.
Экономичность работы котла определяется тремя основными факторами, зависящими от эксплуатации: во-первых, ведением топочного процесса с минимальными потерями тепла за счет химической неполнотой сгорания топлива, а также поддержанием минимальных присосов холодного воздуха в топку и газоходы котла, что снижает потери тепла с уходящими газами; во-вторых, величиной расхода электроэнергии на собственные нужды; в-третьих, поддержание наружных и внутренних поверхностей нагрева относительно чистыми.
Топочный процесс устанавливается и контролируется по показаниям тягомера и газоанализатора, которые приведены в режимной карте котла соответственно нагрузке на принятом топливе. Регулирование тяги должно вестись так, чтобы разрежение в верхней части топки не должно превышать 2-5 мм.в.ст. Газовое сопротивление котлоагрегата или отдельных элементов его (например, экономайзера) не должно заметно отклонятся от данных режимной карты. При повышении сопротивлении газохода необходимо обдуть его, очистить от шлака, проверить положение заслонки и величину присосов. Последняя должна контролироваться газоанализаторами.
Регулирование тяги и дутья производится одновременно путем дистанционного воздействия на направляющие аппараты, поворотные заслонки (шибера).
О чистоте поверхностей нагрева в процессе работы судят по температуре дымовых газов в газоходах и тепловосприятию поверхностей нагрева, которое сказывается на изменении температуры рабочего тела, воздуха или паропроизводительности котла. Вторичным признаком служит газовое сопротивление. Отклонение этих показателей от режимных параметров при соответствующих нагрузках требует оперативного воздействия. Изменение режимов работы котла производится в соответствии с режимной картой. Режимная карта котла приводится в таблице 1.4.
Режимная карта котла
Таблица 1.4.
Наименование показателя Размерн. Режимы
% 50 70 100
Паропроизводительность котла т/ч 6,2 7,5 10
Теплопроизводительность к/агрегата Гкал/ч 5,2 6,7 8,95
Давление пара в барабане Кг/см2 9,0 9,0 9,0
Количество работающих горелок
шт. 2
Давление мазута передгорелками Кгс/м2 15 18 18
Расход топлива при ст. услов. Кг/час 340 465 685
Давление воздуха перед горелк. Кгс/м2 75 80 95
Разрежение в топке Кгс/м2 2 2 2
Разрежение за котлом Кгс/м2 20 30 50
Разрежение за воздухоподогрев. Кгс/м2 55 82 110
Температура пит. воды перед котлом 0С 100 100 100
Состав газов за котлом:
СО2 углекислый газ % 10,7 10,9 11,2
О2 кислород % 9,5 8,7 7,4
Состав газов за котлоагрегатом:
СО2 углекислый газ % 8,7 9,0 9,2
О2 кислород % 11,2 10,3 9,4
Коэф-т избытка воздуха за котлом __ 1,42 1,39 1,36
Температура газов за котлом 0С 285 295 320
Температура газов за воздухоподогревателем 0С 150 160 180
Потери тепла с уходящими газами % 7,2 7,8 8,3
Потери тепла в окруж. среду % 2,5 2,1 1,4
КПД котлоагрегата % 91,7 92,0 92,0
Ср. эспл. КПД котлоагренгата “брутто” % 92,4
Удельный расход условного топлива на выработку 1Гкал тепла при ср. экспл. КПД “нетто” кг.у.т. 158
Тепловой баланс котла.
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания топлива, определяется по уравнению:
(1.5)
где CO, H2S, ∑(m+n/4)CmHn, O2 – содержание окиси углерода, водорода, сероводорода, различных угдеводородов и кислорода в топливе, %.
Количество воздуха, вычисленное по уравнению, является минимальным для обеспечения полного сгорания топлива при условии, что весь кислород, содержащийся в воздухе и топливе, будет использован при горении.
В реальных условиях для обеспечения полного сгорания топлива приходится подавать значительно большее количество воздуха, чем теоретически необходимое. Это объясняется несовершенством организации процессов горения топлива в топках и главным образом недостаточно тщательным смешиванием топлива с воздухом, вследствие чего часть воздуха не участвует в горении и удаляется из котла вместе с продуктами сгорания. В связи с этим возникает недостаток воздуха (кислорода), что ведет к неполноте сгорания горючих элементов топлива [4].
Количество воздуха, поступившего в топку:
Vд= α т*V0, (1.6)
где V0 – теоритически необходимое количество воздуха, α т – коэффициент избытка воздуха в топке. Он выбирается в зависимости от вида сжигаемого топлива и типа топочного устройства.
Тепловой баланс составляется на 1 м3 топлива. При установившемся тепловом режиме работы тепловой баланс котлоагрегата записывается в виде уравнения:
Qрр=Q1+Q2+Q3+Q5, МДж/кг (МДж/м3) (1.7)
или в процентах от располагаемой теплоты топлива
100=q1+q2+q3+q5, % , (1.8)
где Q1(q1) – теплота, полезно использованная в котлоагрегате на производство пара, МДж/кг (%). Остальные слагаемые в уравнениях представляют собой потери тепла с уходящими газами (Q2 или q2), от химического (Q3 или q3) недожога, в окружающую среду через наружные ограждения котлоагрегата (Q5 или q5).
Полезно использованная теплота определяется по формуле:
Q1=DН( i”-iПВ)/B+ DПР( i’-iПВ)/B, МДж/кг, (1.9)
где DН, DПР – количество отпускаемого сухого насыщенного пара, продувочной воды, кг/с.
Располагаемое тепло на 1 м3 газообразного топлива
Qрр=Qнс + Q в. вн. + iтл , МДж/м3 (1.10)
Qнс=0,01[QH2SH2S + QCOCO + QH2H2 + ∑(QCmHn * CmHn), (1.11