Парогенератори і утилізатори тепла

Міністерство освіти та науки України УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ Кафедра електротехніки і автоматики Курсовий проект

на тему:

«Парогенератори і утилізатори тепла»

Виконав:

студент 4 курсу, ФПМіКІС спеціальності АУТП-41

Садовнік С. І

Перевірив:

Клепач М. І

Рівне 2004

Кафедра електротехніки і автоматики Завдання на курсовий проект по дисципліні «Автоматизація технологічних процесів»

П.І. П студента Садовнік Сергій Іванович

Тема курсового проекту Парогенератори та утилізатори тепла

3. Вихідні дані до курсового проекту___________________________

_________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________

4. Зміст пояснювальної записки (перелік питань, що підлягають розробленню) ___________________________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Перелік графічних матеріалів__________________________________

__________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. Дата видачі «_____"___________2004 р.

7. Керівник проекту Клепач М. І

8. Завдання прийняв до виконання «______» ___________2004 р.

9. Термін захисту курсового проекту «______» _________2004 р.

Студент Садовнік С.І.

Керівник Клепач М.І.

Зміст

• Вступ
• 1. Аналіз технологічного процесу
• 1.1 Опис технологічного процесу
• 1.1.1 Опис конструкції об'єкта
• 1.2 Матеріальний і тепловий баланс технологічного об'єкта
• 1.3 Визначення і аналіз факторів що впливають на технологічний процес
• 1.4 Обгрунтування номінальних значень параметрів технологічного процесу та допустимих відхилень від цих значень
• 1.5 Технологічна карта
• 2. Розроблення системи автоматичного керування технологічним процесом
• 2.1 Аналіз статичних та динамічних характеристик об'єкту по окремих каналах зв’язку
• 2.1.1 Система автоматичного регулювання і контролю співвідношення газ-повітря
• 2.1.2 Система автоматичного регулювання і контролю тиску в топці котла
• 2.1.3 Система автоматичного контролю тиску
• 2.1.4 Система автоматичного контролю температури
• 2.1.5 Система автоматичного відсічення газу
• 2.2 Обґрунтування необхідності контролю, регулювання і сигналізації технологічних параметрів
• 2.3 Визначення функціональних ознак системи автоматизації
• 2.4 Вибір технічних засобів автоматизації
• 2.5 Опис функціональної схеми автоматизації (ФСА)
• 2.5.1 Система автоматичного регулювання і контролю теплового навантаження
• 2.5.2 Система автоматичного регулювання і контролю живлення парогенератора
• 3. Розрахунок системи автоматичного регулювання
• 3.1 Математичний опис процесу
• 3.2 Вибір типу перехідного процесу
• 3.3 Визначення закону регулювання
• 3.4 Розрахунок оптимальних настрою вальних параметрів регулятора
• 3.5 Побудова перехідного процесу розрахованої САР
• 3.6 Розрахунок показників надійності
• Список літераткри

Вступ

Автоматизація — це застосування комплексу засобів, що дозволяють здійснювати виробничі процеси без особистої участі людини, але під її контролем. Автоматизація виробничих процесів приводить до збільшення випуску, зниженню собівартості і поліпшенню якості продукції, зменшує чисельність обслуговуючого персоналу, підвищує надійність і довговічність машин, дає економію матеріалів, поліпшує умови праці і техніки безпеки.

Автоматизація звільняє людину від необхідності безпосереднього керування механізмами. В автоматизованому процесі виробництва роль людини зводиться до налагодження, регулювання, обслуговування засобів автоматизації і спостереженню за їхньою дією. Якщо механізація полегшує фізичну працю людини, то автоматизація має мету полегшити так само і розумову працю. Експлуатація засобів автоматизації жадає від обслуговуючого персоналу високої технічної кваліфікації.

За рівнем автоматизації теплоенергетика займає одне з ведучих місць серед інших галузей промисловості. Теплоенергетичні установки характеризуються безперервністю процесів, що протікають у них. При цьому вироблення теплової й електричної енергії в будь-який момент часу повинно відповідати споживанню (навантаженню). Майже всі операції на теплоенергетичних установках механізовані, а перехідні процеси в них розвиваються порівняно швидко. Цим пояснюється високий розвиток автоматизації в тепловій енергетиці.

Автоматизація параметрів дає значні переваги:

забезпечує зменшення чисельності робочого персоналу, тобто підвищення продуктивності його праці;

приводить до зміни характеру праці обслуговуючого персоналу;

збільшує точність підтримки параметрів виробленої пари;

підвищує безпеку праці і надійність роботи устаткування;

збільшує економічність роботи парогенератора.

Автоматизація парогенераторів містить у собі автоматичне регулювання, дистанційне керування, технологічний захист, теплотехнічний контроль, технологічні блокування і сигналізацію.

Автоматичне регулювання забезпечує хід безупинно протікаючих процесів у парогенераторі (живлення водою, горіння, перегрів пари й ін.)

Дистанційне керування дозволяє черговому персоналу пускати і зупиняти парогенераторну установку, а так само переключати і регулювати її механізми на відстані, з пульта, де зосереджені пристрої керування.

Теплотехнічний контроль за роботою парогенератора й устаткування здійснюється за допомогою показуючих і самописних приладів, що діють автоматично. Прилади здійснюють безупинний контроль процесів, що протікають у парогенераторній установці, чи ж підключаються до об'єкта виміру обслуговуючим персоналом, або електронно-обчислювальною машиною. Прилади теплотехнічного контролю розміщають на панелях, щитах керування по можливості зручно для спостереження й обслуговування.

Технологічні блокування виконують у заданій послідовності ряд операцій при пусках і зупинках механізмів парогенераторної установки, а так само у випадках спрацьовування технологічного захисту. Блокування виключають неправильні операції при обслуговуванні парогенераторної установки, забезпечують відключення в необхідній послідовності устаткування при виникненні аварії.

Пристрої технологічної сигналізації інформують черговий персонал про стан устаткування (у роботі, зупинене і т.п.), попереджають про наближення параметра до небезпечного значення, повідомляють про виникнення аварійного стану парогенератора і його устаткування. Застосовуються звукова і світлова сигналізація.

Експлуатація парогенераторів повинна забезпечувати надійне й ефективне вироблення пари необхідних параметрів і безпечні умови праці персоналу. Для виконання цих вимог експлуатація повинна вестися в точній відповідності з законоположеннями, правилами, нормами і провідними вказівками, зокрема, відповідно до «Правил безпечної експлуатації парових котлів» Держтехнагляду, «Правилами технічної експлуатації електричних станцій і мереж», «Правилами технічної експлуатації тепловикористовуючих установок і теплових мереж» і ін.

На основі зазначених матеріалів для кожного парогенератора повинні бути складені посадові і технологічні інструкції з обслуговування устаткування, ремонту, техніці безпеки, попередженню і ліквідації аварій і т.п. Повинні бути складені технічні паспорти на устаткування, виконавчі, оперативні і технологічні схеми трубопроводів різного призначення. Знання інструкцій, режимних карт роботи парогенератора і зазначених матеріалів є обов’язковим для персоналу. Знання обслуговуючого персоналу повинні систематично перевірятися.

Експлуатація парогенераторів виконується по виробничих завданнях, що складаються за планами і графіками вироблення пари, витрати палива, витрати електроенергії на власні нестатки, обов’язково ведеться оперативний журнал, у який заносяться розпорядження керівника і записи чергового персоналу про роботу устаткування, а так само ремонтну книгу, у яку записують зведення про замічені дефекти і заходи щодо їхнього усунення.

Повинні вестися первинна звітність, що складається з добових відомостей по роботі агрегатів і записів реєструючих приладів і вторинна звітність, що включає узагальнені дані по парогенераторах за визначений період. Кожному парогенератору присвоюється свій номер, усі комунікації забарвлюються у визначений умовний колір, установлений ДСТУ. Установка парогенераторів у приміщенні повинна відповідати правилам Держтехнагляду, вимогам техніки безпеки, санітарно-технічним нормам, вимогам пожежної безпеки.

1. Аналіз технологічного процесу

1.1 Опис технологічного процесу

Парогенератором називається комплекс агрегатів, призначених для одержання водяної пари. Цей комплекс складається з ряду теплообмінних пристроїв, зв’язаних між собою для передачі тепла від продуктів згоряння палива до води і пари. Вихідним носієм енергії, наявність якого необхідно для утворення пари з води, служить паливо.

Основними елементами робочого процесу, що здійснюється в котловій установці, є:

1) процес горіння палива;

2) процес теплообміну між продуктами згоряння та водою;

3) процес пароутворення, що складає з нагрівання води, її випару і нагрівання отриманої пари.

Під час роботи в котлоагрегатах утворяться два взаємодіючих один з одним потоки: потік робочого тіла і потік теплоносія, що утвориться в топці.

У результаті цієї взаємодії на виході об'єкта виходить пара заданого тиску і температури.

Однієї з основних задач, що виникає при експлуатації котлового агрегату, є забезпечення рівності між виробленою і споживаною енергією. У свою чергу процеси пароутворення і передачі енергії в котлоагрегаті однозначно зв’язані з кількістю речовини в потоках робочого тіла і теплоносія.

Горіння палива є суцільним фізико-хімічним процесом. Хімічна сторона горіння являє собою процес окислювання елементів палива киснем, що протікає при визначеній температурі і супроводжується виділенням тепла. Інтенсивність горіння, а так само економічність і стійкість процесу горіння палива залежать від способу підведення і розподілу повітря між частками палива. Умовно прийнято процес спалювання палива поділяти на три стадії: запалювання, горіння і допалювання. Ці стадії в основному протікають послідовно в часі, частково накладаються одна на іншу.

Розрахунок процесу горіння звичайно зводиться до визначення кількості повітря в м³, необхідного для згоряння одиниці чи маси обсягу палива кількості і складу теплового балансу і визначенню температури горіння.

Значення тепловіддачі полягає в теплопередачі теплової енергії, що виділяється при спалюванні палива, води, з якої необхідно одержати пару, або пари, якщо необхідно підвищити її температуру вище температури насичення. Процес теплообміну в парогенераторах йде через водогазонепроникні теплопровідні стінки, що називаються поверхнею нагрівання. Поверхні нагрівання виконуються у виді труб. Усередині труб відбувається безупинна циркуляція води, а ззовні вони омиваються гарячими топковими газами, а також сприймають теплову енергію випромінюванням. У такий спосіб у котлоагрегаті мають місце усі види теплопередачі: теплопровідність, конвекція і випромінювання. Відповідно поверхня нагрівання підрозділяється на конвективну і радіаційну. Кількість тепла, передана через одиницю площі нагрівання в одиницю часу — зветься тепловою напругою поверхні нагрівання. Величина теплової напруги обмежена, по-перше, властивостями матеріалу поверхні нагрівання, по-друге, максимально можливою інтенсивністю теплопередачі від гарячого теплоносія до поверхні, від поверхні нагрівання до холодного теплоносія.

Інтенсивність коефіцієнта теплопередачі тим вища, чим вища різниця температур теплоносіїв, швидкість їхнього переміщення щодо поверхні нагрівання і чим вища чистота поверхні.

Утворення пари в котлоагрегатах протікає за визначеною послідовністю. Вже в екранних трубах починається утворення пари. Цей процес протікає при великих температурі і тиску. Явище випаровування полягає в тому, що окремі молекули рідини, що знаходяться в її поверхні і володіють високими швидкостями, а отже, і більшої в порівнянні з іншими молекулами кінетичною енергією, переборюючи силові впливи сусідніх молекул (поверхневий натяг), вилітають у навколишнє середовище. Зі збільшенням температури інтенсивність випаровування зростає. Процес зворотний пароутворенню називають конденсацією. Рідина, що утвориться при конденсації називають конденсатом. Вона використовується для охолодження поверхонь металу в пароперегрівниках.

Пара, утворена в котлоагрегаті, підрозділяється на насичену і перегріту. Насичену пару у свою чергу поділяють на суху і вологу. Якщо на теплоелектростанціях потрібна перегріта пара, то для його перегріву встановлюється пароперегрівники, у яких для перегріву пари використовується тепло, отримане в результаті згоряння палива і вихідних газів.

1.1.1 Опис конструкції об'єкта

Парогенератор складається з одного чи декількох робочих і резервних котельних агрегатів (рис.1) і допоміжного устаткування, розташовуваного в межах котельного цеху або поза ним.

Рідке чи газоподібне паливо по паливопроводах котельні 1 і котельного агрегату 2 подається в мазутні форсунки, або газові пальники 4 і в міру виходу з них згоряє у виді смолоскипа в топковій камері.

Стіни топкової камери покриті трубами 5, називаються топковими екранами. У результаті безупинного горіння палива в топковій камері утворяться нагріті до високої температури газоподібні продукти згоряння. Продукти згоряння ззовні омивають екранні труби і випромінюванням (радіацією) і частково конвективним шляхом передають теплоту воді і пароводяній суміші, що циркулює усередині цих труб.

Продукти згоряння, охолоджені в топці до температури 1000−1200 ⁰С, безупинно рухаючись по газоходах котельного агрегату, омивають спочатку розріджений пучок кип’ятильних труб 7, потім труби пароперегрівника 9, економайзера 12 і повітропідігрівника 14, прохолоджуються до температури 150−200С⁰ і димотягом 16 через димар 17 видаляються в атмосферу.

Рух повітря і продуктів згоряння по газоходах котельного агрегату забезпечується тягонагнітальною установкою (вентилятор 15, димотяг 16 і димар 17).

Живильна вода (конденсат і додаткова попередньо підготовлена вода) після підігріву живильним насосом подається в колектор 13 водяного економайзера 12. В економайзері вода нагрівається до температури, близької до температури кипіння при тиску в барабані котла, а іноді частково випаровується в економайзерах киплячого типу і направляється в барабан 8 котла, до якого приєднані труби топкових екранів 5 і фестона 7. З цих труб у барабан котла надходить пароводяна суміш, що утворилася. У барабані відбувається відділення (сепарація) пари від води. Насичена пара потім направляється в збірний колектор 11 і пароперегрівник 9, де він перегрівається до заданої температури. Перегріта пара зі змійовиків пароперегрівника надходить у збірний колектор 10. Звідси він через головний запірний вентиль по паропроводу котельного агрегату 18 направляється в головний паропровід 19 котельні до споживачів. Вода, що відокремилася від пари в барабані змішується з живильною водою, по опускних трубах, що не обігріваються, підводиться до колекторів 6 екранів і з них надходить у піднімальні екранні труби 5 і фестон 7, де частково випаровується, утворивши пароводяну суміш. Отримана пароводяна суміш знову надходить у барабан котла.

Останній елемент котельного агрегату по ходу газоподібних продуктів згоряння — повітропідігрівник 14. Повітря в нього подається нагнітальним вентилятором 15, і після підігріву до заданої температури по повітропроводу 3 направляється в топку.

Керування робочим процесом котельних агрегатів, нормальна і безперебійна їхня експлуатація забезпечуються необхідними контрольно-вимірювальними приладами, апаратурою і засобами автоматики.

Необхідність у тих чи інших допоміжних пристроях і їх елементах залежить від призначення котельної установки, виду палива і способу його спалювання. Основними параметрами котлів є: паропродуктивність, тиск і температура живильної води, ККД.

Рис. 1 Схема парогенератора:

Паливопроводи парогенератора.

Паливопроводи котельного агрегату.

Повітропровід.

Газові пальники.

Топкові екрани.

Колектори екранів.

Фестон.

Барабан котла.

Пароперегрівник.

Збірний колектор1.

Збірний колектор2.

Економайзер.

Колектор економайзера.

Повітропідігрівник.

Нагнітальний вентилятор.

Димотяг.

Димар.

Паропровід котельного агрегату.

Головний паропровід.

1.2 Матеріальний і тепловий баланс технологічного об'єкта

1.3 Визначення і аналіз факторів що впливають на технологічний процес

Зміна тиску пари в барабані котла можна використовувати в якості імпульсу для регулювання кількості теплоти. Зв’язок між топкою і барабаном здійснюється шляхом теплопередачі від продуктів згорання. Отже, котел можна розглянути як складний об'єкт регулювання, який складається з 2-ох послідовних ланок: топки і барабана. Регулюючим параметром є тиск пари в барабані, регулюючим збуренням — зміна подачі топлива і повітря в топку котла, а зовнішнім збуренням — зміна споживання палива. При зміні подачі палива і повітря в топку (1 ланка) змінюється кількість тепла сприйнятого екраном і барабаном (2 ланка), тобто змінюється вплив 1-ї ланки на 2-гу. На величину тиску пари впливає також подача живильної води, тобто зміна її рівня в барабані.

1.4 Обгрунтування номінальних значень параметрів технологічного процесу та допустимих відхилень від цих значень

Основними параметрами котла є:

Паропродуктивність;

Тиск пари;

Температура пари.

Додаткові параметри:

Витрата палива;

Витрата повітря;

Тиск палива;

Розрідження;

Рівень в барабані.

1.5 Технологічна карта

Вихідні дані та технологічні параметри до розрахунку парогенератора приведені у таблиці 1.

Таблиця 1.

2. Розроблення системи автоматичного керування технологічним процесом

2.1 Аналіз статичних та динамічних характеристик об'єкту по окремих каналах зв’язку

2.1.1 Система автоматичного регулювання і контролю співвідношення газ-повітря

Вимір витрати газу і повітря виробляється методом перемінного перепаду. Перепад тиску на діафрагмі ДКС 0,6−100-А/Г-1 і діафрагмі ДКС 0,6−400 — А/Г-1 виміряється перетворювачем САПФІР-22ДД — 2420. Сигнал 0−5мА з перетворювача надходить на блок витягу кореня БИК — 1 призначеної для лінеаризації статичної характеристики перетворювача САПФІР-22ДД. Сигнал 0−5 ма з блоку витягу кореня БИК — 1 надходить на вторинний прилад ДИСК — 250−2121 і на регулятор РС 29.0.12.

У регуляторі РС 29 відбувається підсумовування двох сигналів, що надходять, а потім порівняння їхній із заданим значенням. Якщо регульований параметр відхиляється від заданого значення, то на вході електронного блоку регулятора з’являється сигнал неузгодженості. При цьому на виході регулятора виробляється імпульсний сигнал (24В), що подається на підсилювач У29.3. Підсилювач У29.3 керує виконавчим механізмом МЭО 40/10−0,25, що за допомогою регулюючого органа змінює подачу повітря. У даній системі ведеться корекція по кисні (ПРО2) у газах, що відходять. Сигнал з індикатора на кисень «Альфа» через вторинний прилад ДИСК — 250−2121 надходить на регулятор РС 29.0.42, на його виході утвориться сигнал, що є коригувальним для регулятора РС 29.0.12.

2.1.2 Система автоматичного регулювання і контролю тиску в топці котла

Тиск у топці парогенератора виміряється за допомогою перетворювача САПФІР — 22 ДІВ — 2310. Сигнал з перетворювача надходить на вторинний прилад ДИСК — 250−2121 і на регулятор РС 29.0.12. У випадку відхилення регульованого параметра регулятор РС 29, що за допомогою підсилювача В 29.3 живить електродвигун механізму виконавчого МЭО 40/10−0.25Р, що змінює положення направляючих апаратів димотяга.

2.1.3 Система автоматичного контролю тиску

Тиск газу, повітря, а також води виміряється манометрами ОБМ.

2.1.4 Система автоматичного контролю температури

Вимір температури виробляється за допомогою термоелектричних термометрів ТХА — 0179. Сигнал з термоелектричних термометрів надходить на вторинний реєструючий прилад КСП — 023.

2.1.5 Система автоматичного відсічення газу

Відсічення газу виробляється:

При підвищенні тиску пари на виході з парогенератора, а так само при відключенні тиску чи газу повітря перед пальниками, для чого проектом передбачені датчики тиску типу ДД;

При наявності полум’я в топці парогенератора за допомогою приладу контролю полум’я Ф.34.2;

При зниженні температури пари на виході з парогенератора за допомогою термоелектричного термометра ТХА-0179 і приладу, що реєструє, ДИСК-250−2121;

При надмірному живленні парогенератора водою і випуску води з барабана за допомогою сигналізатора рівня ЭРСУ-3.

Для оповіщення використовується світлова сигналізація АС-220 і звукова СС1.

2.2 Обґрунтування необхідності контролю, регулювання і сигналізації технологічних параметрів

Регулювання живлення котлових агрегатів і регулювання тиску в барабані парогенератора головним чином, зводиться до підтримки матеріального балансу між відводом пари і подачею води. Параметром, що характеризує баланс, є рівень води в барабані парогенератора. Надійність роботи котлового агрегату багато в чому визначається якістю регулювання рівня. При підвищенні тиску, зниження рівня нижче допустимих меж, може привести до порушення циркуляції в екранних трубах, у результаті чого відбудеться підвищення температури стінок труб, що обігріваються, і їх перегорання.

Підвищення рівня також веде до аварійних наслідків, тому що можливе надходження води в пароперегрівник, що призводить до виходу його з ладу. У зв’язку з цим, до точності підтримки заданого рівня пред’являються дуже високі вимоги. Якість регулювання живлення також визначається рівністю подачі живильної води. Необхідно забезпечити рівномірне живлення парогенератора водою, тому що часті і глибокі зміни витрати живильної води можуть викликати значні температурні напруги в металі економайзера.

Барабанам парогенератора з природною циркуляцією властива значна здатність акумуляції, що виявляється в перехідних режимах. Якщо в стаціонарному режимі положення рівня води в барабані визначається станом матеріального балансу, то в перехідних режимах на положення рівня впливає велика кількість збурень. Основними з них є. зміна витрати живильної води, зміна парозбору парогенератора при зміні навантаження споживача, зміна паропродуктивності при зміні навантаження топки, зміна температури живильної води.

Регулювання співвідношення газ-повітря необхідно як чисто фізично, так і економічно. Відомо, що одним з найважливіших процесів, що відбуваються в парогенераторі, є процес горіння палива. Хімічна сторона горіння палива являє собою реакцію окислювання елементів палива молекулами кисню. Для горіння використовується кисень, що знаходиться в атмосфері. Повітря подається в топку у визначеному співвідношенні з газом за допомогою нагнітального вентилятора. Співвідношення газ-повітря приблизно складає 1/10. При чому іноді в топковій камері відбувається неповне згоряння палива. Тоді не згорілий газ буде викидатися в атмосферу, що економічно й екологічно не припустимо. При надлишку повітря в топковій камері буде відбуватися охолодження поверхні, хоча газ буде згоряти цілком, але в цьому випадку залишки повітря будуть утворювати двоокис азоту, що екологічно неприпустимо, тому що це з'єднання шкідливе для людини і навколишнього середовища.

Система автоматичного регулювання розрядження в топці парогенератора зроблена для підтримки топки під надувом, тобто щоб підтримувати сталість розрядження (приблизно 4 мм. рт. ст.). При відсутності розрядження полум’я смолоскипа буде притискатися, що приведе до обгорання пальників і нижньої частини топки. Димові гази при цьому підуть у приміщення цеху, що робить роботу обслуговуючого персоналу неможливою і небезпечною.

У живильній воді наявні розчинені солі, припустиме кількість яких визначається нормами. У процесі паротворення ці солі залишаються в воді і поступово накопичуються. Деякої солі утворять шлак — тверда речовина, що кристалізується в котловій воді. Більш важка частина шлаку скоплюється в нижніх частинах барабана і колекторів.

Підвищення концентрації солей у котловій воді вище припустимих величин може привести до віднесення їх у пароперегрівник. Тому солі, що зібралися в котловій воді, віддаляються беззупинною продувкою, що у даному випадку автоматично не регулюється. Розрахункове значення продувки парогенераторів при сталому режимі визначається з рівнянь балансу домішок до води в парогенераторі. Таким чином, частка продувки залежить від відношення концентрації домішок у воді продувній і живильній. Чим краще якість живильної води і вище припустима концентрація домішок у воді, тим частка продувки менше. А концентрація домішок у свою чергу залежить від частки додаткової води, у яку входить, зокрема, частка продувної води, що втрачається.

Сигналізація параметрів і захисту, що діють на зупинку котла, фізично необхідні, тому що оператор, машиніст котла не в силах простежити за всіма параметрами функціонуючого котла. Унаслідок цього може виникнути аварійна ситуація. Наприклад при випуску води з барабана, рівень води в ньому знижується, унаслідок цього може бути порушена циркуляція, що в свою чергу викличе перегорання труб донних екранів. Спрацювання захисту, без зволікання, запобіжить виходу з ладу парогенератора. При зменшенні навантаження парогенератора, інтенсивність горіння в топці знижується. Горіння стає непостійним і може припинитися. У зв’язку з цим передбачається захист по погашенню смолоскипа.

Надійність захисту значною мірою визначається кількістю, схемою включення і надійністю використовуваних у ній приладів. По своїй дії захисту підрозділяються на:

діючі на зупинку парогенератора;

діючі на зниження навантаження парогенератора;

виконуючі локальні операції.

2.3 Визначення функціональних ознак системи автоматизації

2.4 Вибір технічних засобів автоматизації

Комплекс приладів і пристроїв типу «Контур Г» призначений для побудови локальних систем автоматичного регулювання теплотехнічних процесів в енергетиці, промисловому комплексі, системах теплопостачання й опалення. Комплекс містить у собі чотирнадцять виконань багатофункціональних регулюючих приладів з імпульсним виходом типу РС 29 і два виконання трьохпозиційного підсилювача типу В29.

Комплекс «Контур 2» побудований по модельному принципі на сучасній мікроелектронній елементній базі. Характеризується розширеними функціональними можливостями, більш широким використанням сигналів постійного струму, підвищеною точністю і надійністю, істотно меншими габаритами і масою в порівнянні з комплексом приладів «Контур «

Регулюючі прилади типу РС29 забезпечують посилення, демпфірування й індикацію сигналу неузгодженості. Разом з виконавчим механізмом постійної швидкості регулятори формують ПІ, ПІД-законы регулювання і дозволяють здійснювати ручне керування виконавчим механізмом. У них передбачена індикація положення виконавчого механізму, оснащеного реостатними чи індуктивними датчиками положення, а також аналого-релейне перетворення по двох каналах з індексацією спрацьовування.

У залежності від модифікації прилади можуть виконувати додаткові функції: диференціювання сигналів по аперіодичному законі, нелінійне перетворення сигналів, цифрову індикацію одного з чотирьох сигналів по виклику. Конструкція регулюючих приладів відрізняється уніфікацією. Функціональна структура більшості виконань приладів може легко зміняться шляхом перестановки перемичок на спеціальному комутаційному полі, доступному споживачу, що дає можливість здійснювати аналого-релейне перетворення з демпфуванням, вводити сигнали по похідній, здійснювати динамічний зв’язок між регуляторами.

Рис2. Функціональна схема автоматизації парогенератора

2.5 Опис функціональної схеми автоматизації (ФСА)

Функціональна схема систем автоматизації технологічних процесів є основним технічним документом, що визначає структуру і характер систем автоматизації технологічних процесів, а також оснащення їхніми приладами і засобами автоматизації. На функціональній схемі дане спрощене зображення агрегатів, що підлягають автоматизації, а також приладів, засобів автоматизації і керування, зображуваних умовними позначками за діючими стандартами, а також лінії зв’язку між ними.

Схема автоматизації регулювання і контролю парового котлоагрегату передбачають наступні системи:

· система автоматичного регулювання і контролю теплового навантаження котла

· система автоматичного регулювання і контролю живлення парогенератора

· система автоматичного регулювання і контролю співвідношення газ-повітря

· система автоматичного регулювання і контролю розрідження в топці парогенератора

· система автоматичного контролю тиску

· система автоматичного контролю температури

· система автоматичного відсічення газу

2.5.1 Система автоматичного регулювання і контролю теплового навантаження

Регулятор теплового навантаження працює від двох параметрів:

1. Перепад тиску, пропорційний витраті пари створюється на діафрагмі ДКС 10−200-А/Г установленої на паропроводі, перетвориться вимірювальним перетворювачем САПФІР-22ДД-2420 в уніфікований токовий сигнал 0−5 мА. і подається на блок витягу кореня БИК-1, призначений для лінеаризації статичної характеристики перетворювача САПФІР-22ДД, з виходу якого надходить на регулятор РС 29.0.12. І на вторинний прилад ДИСК-250−2121

2. Сигнал по зміні тиску в барабані парогенератора. Тиск у барабані виміряється за допомогою перетворювача САПФІР-22ДИ-2150. Уніфікований токовий сигнал 0−5 ма з перетворювача надходить на регулятор РС 29.0.12 і на вторинний прилад ДИСК-250−2121

У регуляторі відбувається підсумовування сигналів з перетворювачів із заданим значенням. Якщо ці величини рівні, то регулятор не робить впливу на об'єкт. Якщо регульований параметр відхиляється від заданого значення, то на виході регулятора виробляється імпульсний сигнал, що у підсилювачі В29.3 перетвориться в зміну стану безконтактних ключів. Підсилювач У29.3 має три безконтактних ключі для керування виконавчим механізмом МЭО 40/25−0,25Р, вал якого через систему тяг і важелів зчленований з регулювальним органом КРП 100, що змінює подачу газу в топку парогенератора.

2.5.2 Система автоматичного регулювання і контролю живлення парогенератора

Регулятор живлення парогенератора працює за триімпульсною схемою, використовуючи три виміри:

витрата живильної води;

витрата пари;

рівень у барабані парогенератора.

Витрата живильної води і витрата пари виміряються методом перемінного перепаду. Перепад тиску пропорційний витраті живильної води, створювана на діафрагмі ДКС 10−100-А/Г-1, і перепад тиску пропорційний витраті пари, створювана на діафрагмі ДКС 10−200-А/Г-1 виміряються і перетворяться перетворювачами САПФІР-22ДД-2420 в уніфіковані струмові сигнали 0−5 мА., з виходу вимірювальних перетворювачів САПФІР-22ДД-2420 сигнали подаються на блоки витягу кореня БИК-1, призначені для лінеаризації статичної характеристики перетворювачів САПФІР-22ДД

Сигнали 0−5 мА з блоків БИК — 1 надходять на вторинні прилади ДИСК — 250−2121 і на вихід регулятора РС 29.0.12.

Рівень у барабані парогенератора вимірюється перетворювачем САПФІР-22ДИ-2150 і перетвориться в уніфікований струмовий сигнал 0−5 мА, що подається на вторинний прилад ДИСК — 250−2121 і на вхід регулятора РС 29.0.12.

У випадку відхилення одного з зазначених параметрів регулятор РС 29 впливає за допомогою підсилювача В 29.3 на механізм МЭО 40/25−0,25, що пускає в хід регулювальний орган КРП 100, установлений на трубопроводі живильної води.

3. Розрахунок системи автоматичного регулювання

3.1 Математичний опис процесу

Розглянемо піч, у якій технологічний потік, що проходить по трубах, нагрівається димовими газами, що утворяться при згорянні палива (рис. 1, а).

Задачею регулювання є підтримка заданого значення вихідної температури потоку: вих= ⁰ вих

Рис. 1. Принципова (а) і структурна (б) схеми печі для нагрівання, технологічного потоку

Оскільки температура димових газів практично однакова у всьому об'ємі печі, а температура технологічного потоку є по довжині труби від вх до вих, у першому наближенні динамічні характеристики печі по каналі п-вих можна прийняти аналогічними характеристикам парового теплообмінника, у якому пара, що гріє, замінена димовими газами. Але розглянемо докладніше особливості печей, зв’язані з регулюванням процесів горіння.

Рівняння теплового балансу для потоку, що нагрівається, запишеться у вигляді:

(1)

Температура в зоні горіння м визначається з рівняння теплового балансу для процесу горіння

(2)

Звідси

(3)

де Gт, Gв, Gд, G — витрати палива, повітря, димових газів і потоку, що нагрівається;

Срт, Срв, Срд, Ср — питомі теплоємності речовин;, у, вх — вхідні температури палива, повітря, що нагрівається потоку; _д, вих — вихідні температури димових газів і потоку, що нагрівається; =Gв/Gт — коефіцієнт співвідношення витрат повітря і палива.

З рівняння (1) з врахуванням (3) знаходимо формулу для визначення вихідної температури:

(4)

Якщо т=у, то

(5)

де

Аналіз печі як об'єкта регулювання зводиться до структурної схеми, зображеної на рис. 1, б. Основними збурюваннями прийняті витрата і температура технологічного потоку G і вх, температура повітря у, коефіцієнт теплопередачі kr і тепловтрати q; основними регулюючими впливами — витрата і склад паливної суміші, тобто витрати палива і повітря. До вихідних координат, крім температури вихідного потоку вих і димових газів п, віднесена концентрація кисню в димових газах О₂. По ній оцінюють інтенсивність процесів горіння, оскільки температура в зоні горіння, обумовлена формулою (3), відповідає умовам згоряння палива з теоретично необхідною кількістю повітря, а на практиці печі і топки працюють при надлишку повітря, яке необхідне для повного згоряння палива. Температура горіння зв’язана з витратою повітря екстремальною залежністю: м падає як при надлишку повітря в порівнянні з теоретично необхідним, так і при його недоліку, тому її не можна використовувати як показник інтенсивності процесу горіння.

Крім технологічних вимог до режимних параметрів печей накладаються обмеження з умов вибухобезпечності і вимог охорони праці і охорони навколишнього середовища. Зокрема, коефіцієнт співвідношення витрат повітря і палива повинен задовольняти обмеженню н<<�в. Крім того, для запобігання влучення димових газів в атмосферу в печах підтримується розрідження.

3.2 Вибір типу перехідного процесу

Для контуру регулювання тиску вибираємо типовий перехідний процес з мінімальною квадратичною площею відхилення регульованої величини, який володіє найбільшим (до 30%) перерегулюванням, найбільшим часом регулювання і найменшою похибкою в порівнянні з іншими типовими перехідними процесами. Перехідний процес в САР залежить від динамічних характеристик об'єкта регулювання, характеру і величини збурення, від закону регулювання і числових значень параметрів настройки регулятора.

3.3 Визначення закону регулювання

В енергетичній промисловості використовується ПІ, ПІД регулятори неперервної дії, оскільки в замкненому контурі вони підтримують регульовану величину на заданому рівні.

Вихідними даними для вибору закону регулювання є: коефіцієнт підсилення об'єкта К_об, відношення /Т_об, вигляд типового перехідного процесу, допустимі значення динамічної похибки регулювання у_дп і час регулювання.

При застосуванні ПІД регулятора необхідно порівнювати динамічні відхилення регульованої величини у₁ в замкненій системі з допустимою похибкою регулювання у_доп.

При цьому повинна виконуватись умова. Далі регулятор перевіряється на час регулювання t_р у відповідності з умовою t_р доп. Оскільки процес з мінімальною квадратичною площею відхилення регульованої величини, то можна зробити висновок що умови у₁<�у_доп, t_рдоп виконуватись для виконаного ПІД закону регулювання.

3.4 Розрахунок оптимальних настрою вальних параметрів регулятора

Виберемо регулятор РС-29.0.12. Цей регулятор добрий тим, що при вхідному ступінчатому сигналі в ньому реалізується ПІД закон регулювання. Регулятор має на вході демпферний пристрій, що дозволяє згладжувати різкі перепади сигналу на вході в регулятор.

Для оптимального перехідного процесу необхідно оптимально настроїти регулятор.

З довідкової літератури вибираємо відносний час регулювання t_р/Т=17, тобто час регулювання в 17 разів повинен бути більшим за сталу часу Т.

Час інтегрування визначається з формули Т_і=Т_із/К_р, де Т_із — час ізодроми дорівнює 1,3Т₁, К_р — коефіцієнт передаточного коректування пристрою К_р=Т_об/К_обТ₁. Виберемо значення Т_об для Т₁=8,763 с, воно рівне 0,5Т₁.

Тому Т_об=4,3815, К_об=К_р=1,35. Отримане значення К_р=0,37, Т_і=30,79с.

3.5 Побудова перехідного процесу розрахованої САР

Для побудови перехідного процесу розрахованої САР скористаємось програмним забезпеченням, а саме програмою автоматичного моделювання та параметричної оптимізації САР «СІАМ». Процес регулювання реальних САР повинен моделюватись за допомогою типізованих блоків і зв’язків між ними.

На рисунку представлено контур регулювання САР.

В таблиці 2 наведено кінцеві значення розрахунку САР.

Таблиця 2.

3.6 Розрахунок показників надійності

Під надійністю розуміють властивість об'єкта (в даному випадку САР) безперервно зберігати роботоздатний стан на протязі заданого проміжку часу або заданого напрацювання. Розрахунок надійності контуру регулювання тиску проводять по середньо-груповим інтенсивностям відмови блоків, що входять в контур. З довідкової літератури вибираємо інтенсивність відмов для кожного блоку. Для виконавчого механізму ₁=2,5*10^-5 л/год n₁=1, для функціонального блоку ₂=2,0*10^-5 л/год n₂=1, для регулятора ₃=1,5*10^-6 л/год n₃=2. Загальна інтенсивність відмов для контуру

_з=2,510^-51+2,010^-51+1,510^-62=4,810^-5

Середній час наробітку до відмови Т_ср=1/_з=20 833.

Розрахуємо ймовірність безвідмовної роботи контуру регулювання на заданому проміжку часу

Р=е^-t

де t — заданий проміжок часу t=1000 год. Р=е^-0,48=0,635.

Тобто ймовірність безвідмовної роботи контуру регулювання тиску на протязі 1000 год. рівна 65%.

Список літераткри

1. Академія Наук СССР. Ленінград «НАУКА» Ленінградське відділення. 1978р.

2. Під редакцією доктора технічних наук А. П. Ковальова. Москва 1966р.

3. ГОСТ 2.789−74. Апарати теплообмінні. -М. Стандартіздат. 1974р.