Автоматическая система управления питания котельных агрегатов

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 разряжения 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 впуске 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 основе 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.

3. Определение параметров объекта регулирования

3.1 Идентификация передаточной функции объекта

Данные для расчёта даны в методическом указании для выполнения курсовой работы.

По данным экспериментальной кривой разгона технологического объекта управления строим кривую:

Данные экспериментальной кривой ТОУ.

Р, кПа	80,0	80,1	80,1	80,2	80,3	80,8	81,1	81,5	83,0	84,0	87,9	90,0
t, с	0	20	40	60	100	160	200	250	400	500	1000	3000

По данным экспериментальной кривой разгона технологического объекта управления строим кривую разгона:

t, c	Р, кПа
0	80
20	80,1
40	80,1
60	80,2
100	80,3
160	80,8
200	81,1
250	81,5
400	83
500	84
1000	87,9
3000	90
t+tзапазд, c	Р, кПа
125	80
145	80,3477904
165	80,68348499
185	81,00750444
225	81,62212801
285	82,46620234
325	82,9811261
375	83,57557446
525	85,07354092
625	85,87267565
1125	88,29651937
3125	89,95056761

С помощью касательной к экспериментальной кривой в точке перегиба определяем Тоб и ф: Тоб=600 с, Фо = 125 с

По формуле:

строим эквивалентную кривую с запаздыванием на 180 сек.

Рис.3 Кривая разгона объекта

Найдем среднеквадратическое отклонение экспериментальных данных от теоретической кривой:

,

где Р1(ti)-экспериментальное значение давления в момент времени ti, Р2(ti)-расчетное значение давления в момент времени ti, n - число расчетных точек.

теор	экспер.	Ti
80,00	80,20	125
81,00	80,90	185
81,62	81,00	225
82,47	82,00	285
82,98	82,15	325
83,58	82,40	375
84,80	84,00	500
88,11	88,00	1000
89,80	90,00	3000

= 0,41

Исходя из этого, в дальнейших расчетах будем использовать эквивалентный объект, описываемый с точностью 41% дифференциальным уравнением 1-го порядка с самовыравниванием и запаздыванием со следующей передаточной функцией:

Найдем величину коэффициента усиления объекта:

, Ко=0,5

Передаточная функция объекта имеет вид:

4. Выбор типового регулятора АСР и определение параметров его настройки

В любой АСР управляющее воздействие на объект регулирования формируется автоматическим регулятором в соответствии с принятым алгоритмом регулирования и требуемым качествам АСР.

Необходимым условием надежной устойчивой работы АСР является правильный выбор типа регулятора и его настроек, гарантирующий требуемое качество регулирования.

Существует множество методик выбора регулятора. Воспользуемся методикой, основанной на анализе вида передаточной функции объекта регулирования.

В зависимости от свойств объектов управления, определяемых его передаточной функцией и параметрами, и предполагаемого вида переходного процесса выбирается тип и настройка линейных регуляторов.

Основные области применения линейных регуляторов определяются с учетом следующих рекомендаций:

И - регулятор со статическим ОР - при медленных изменениях возмущений и малом времени запаздывания (фо/То<0.1);

П - регулятор со статическим и астатическим ОР - при любой инерционности и времени запаздывания, определяемом соотношением фо/То<0.1;

ПИ - регулятор - при любой инерционности и времени запаздывания ОР, определяемом соотношением фо/То<1;

ПИД - регуляторы при условии фо/То<1 и малой колебательности исходных процессов.

В нашем случае (АСР влажности) подходящим является ПИ-регулятор, т.к. по условиям задачи на объект действуют возмущения, вызывающие отклонения уровня, соответствующие 5 % при перестановке регулирующего органа и по виду переходного процесса и передаточной функции. Если при дальнейших расчетах окажется, что ПИ-регулятор не удовлетворяет заданным условиям, нам необходимо выбрать более сложный (и следовательно, более дорогой) ПИД - регулятор, который имеет лучшие показатели регулирования.

5. Анализ динамических характеристик АСР с типовым регулятором

Принято для расчета переходных процессов АСР технологических объектов (химических, металлургических, а также предприятий стройиндустрии) применять метод расчета переходных процессов по возмущению со стороны регулирующего органа. Задание регулятору определяется как правило по показателям качества конечного продукта (или полупродукта), поэтому задание регулятора не меняют, а процесс регулируют посредством воздействия на регулирующий орган, через который, как правило, идут основные возмущения. Определяем переходный процесс АСР по возмущающему воздействию на регулирующий орган. В этом случае передаточная функция замкнутой системы определяется по формуле

Wз (p) = Wоб (p) / (1 + Wоб (p) * Wрег (p))

Регулирующий орган и объект регулирования представлены передаточной функцией (5.2).

Wоб (p) = Ко * е - ф*р / (То p + 1)

В программном продукте Simulink передаточная функция Wоб(р) представлена последовательно соединенными звеньями: апериодическим и звеном запаздывания (рис.6).

Рис. 6. Структура объекта регулирования в программном продукте Simulink.

ПИ-регулятор представлен двумя, суммирующимися в итоге, звеньями: пропорциональным Wп(р)=Kp и интегрирующим Wи = 1 / Ти * p . Передаточная функция регулятора, таким образом, определяется по формуле (5.3):

Wрег (p) = Wп + Wи = Кр + 1 / Ти * p

где Wп - усилитель

Wи - интегратор

В программном продукте Simulink структура регулятора будет выглядеть следующим образом

Рис.5. Структура ПИ-регулятора в программном продукте Simulink.

Структурная схема АСР, соответствующая ее функциональной схеме с обобщенным объектом регулирования и обозначенным регулятором представлена на рисунке 5

Рис. 6 Структурная схема АСР.

Данная схема детализируется для расчета замкнутой АСР и приводится к виду

Рис. 7. Структурная схема замкнутой автоматической системы управления, состоящей из объекта и регулятора

В качестве выходной величины системы рассматривают чаще управляемую величину х (отражающую для технологических объектов параметр качества конечной продукции или полуфабриката), либо отклонение управляемой величины от заданного значения (ошибка управления).

В качестве входной (возмущающей) величины замкнутой системы управления рассматривают:

а) возмущения со стороны регулирующего органа - по каналу управления ув (перемещение выходного сигнала исполнительного механизма, равное перемещению регулирующего органа);

б) внешнее возмущения Z;

в) возмущение по заданию х0, связанная с изменением заданного значения управляемой величины.

Передаточные функции замкнутой системы при равенстве нолю других входных воздействий имеют следующий вид:

а) по каналу управления (возмущение со стороны регулирующего органа) Хвх.с.=Ув:

,

б) при внешнем возмущении Хвх.с.=Z:

,

в) при возмущении по заданию Хвх.с.=Х0, если выходная величина - управляемая величина:

.

Учитывая, что для большинства технологических процессов стройиндустрии характерны возмущения со стороны регулирующего органа, будем придерживаться формулы

По условию задачи обобщенный объект регулирования, представляющий последовательное соединение апериодического звена первого порядка и звена запаздывания, выражается следующей передаточной функцией:

,

где k0 - коэффициент передачи объекта;

T0 - постоянная времени объекта;

- запаздывание объекта.

Передаточная функция ПИ-регулятора представлена параллельным соединением пропорциональной (Kp=75) и интегральной (1/(Tиp)) составляющих, где Tи= 0,1 :

.

С помощью специальных символов программного продукта Simulink создаем схему расчета переходного процесса по возмущению со стороны регулирующего органа

Рис. 8 Структурно-математическая схема расчета переходного процесса по возмущению со стороны регулирующего органа в программном продукте Simulink.

6. Построение переходного процесса АСР с использованием ПИ-регулятора

6.1 Построение переходного процесса при помощи пакета Simulink

В результате моделирования в пакете Simulink с помощью выполненной схемы (рис. 8.) мы получили переходную и амплитудо-фазовочастотную характеристики по возмущению со стороны регулирующего органа.

Рассмотрим переходную характеристику:

Рис. 9 Переходная характеристика САР с ПИ - регулятором

· Время регулирования составляет 258 с.

· Установившееся значение - 1.0

· Время нарастания - 54 с

· Статическая ошибка - 0

· Перерегулирование - 2 %

Чтобы получить логарифмические амплитудные и фазовые характеристики, по которым можно определить запасы устойчивости по амплитуде и фазе необходимо разомкнуть систему

Рис.10. Годограф системы автоматического регулирования температуры

Из рис.10 видно, что система является устойчивой, т.к. годограф не охватывает точку с координатой (-1j, 0) (критерий Найквеста).

По полученным показателям качества переходного процесса и запасам устойчивости можно сделать вывод о соответствии этих параметров заданным. Что в свою очередь должно обеспечивать стабильную работу системы.

6.2 Расчет одноконтурной цифровой АСР

Рис.11 Структурная схема одноконтурной цифровой САР

Рассчитаем параметры дискретного регулятора по имеющимся значениям непрерывного регулятора:

Кр=4,5

Ти=142,8

Такт квантования -

То=60

Уравнение, описывающее динамику дискретного ПИ-регулятора:

Где k - дискретный аргумент.

По методу трапеций:

, qo = = 5.44

, q1 = = -3.55

Разностное уравнение, описывающее дискретный ПИ-регулятор:

7. Выбор технических средств автоматизации

7.1 Датчики

7.1.1 Пружинный манометр

Для измерения давления топлива перед горелкой используются пружинные манометры со встроенным преобразователем для дистанционной передачи показаний. Тоже самое используется для измерения давления пара и воздуха в воздухопроводе.

Трубчатые пружины представляют собой кругообразно согнутые трубки с овальным поперечным сечением. Давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону этой трубки, в результате чего овальное поперечное сечение принимает почти круглую форму. В результате искривления пружинной трубки возникают напряжения в кольцах трубки, которые разгибают пружину. Незажатый конец пружины выполняет движение, пропорциональное величине давления. Движение передаётся посредством стрелочного механизма на шкалу. Для измерений давления до 40 или 60 бар применяются, как правило, согнутые с углом витка около 2700, кругообразные пружины. Для измерений давления с более высокими значениями используются пружины с несколькими лежащими друг над другом витками и одинаковым витковым диаметром (винтовая пружина) или со спиралеобразными витками, лежащими в одной плоскости (плоская спиральная пружина). Трубчатые пружины обладают сравнительно низким перестановочным усилием. Поэтому их защита от перегрузки может проводиться только с ограничениями. Показания лежат в диапазоне от 0 ...0,6 до 0 ... 7000 бар при точности показаний (классе) от 0,1 до 4,0%.

7.1.2 Электроконтактный манометр

Для измерения давления в газопроводе в режиме проверки герметичности клапанов достаточно электроконтактного манометра.

Электроконтактные (сигнализирующие) манометры традиционно базируются на механических контактах. В некоторых вариантах исполнения таких приборов с целью повышения механической прочности контакта устанавливаются магнитные элементы. Разные производители используют различные варианты корпусов и компановок, но принцип работы таких устройств сохраняется. На рис.1а показан электроконтактный манометр, выпускаемый нашей компанией, и состоящий из двух частей: измерительной части манометра и электроконтактной приставки. Электроконтактный манометр с традиционными электрическими контактами обеспечивает работу цепи с разрывной электрической мощностью при токе 0,7…1 А около 10 ВА(Вт), с магнитным поджатием, при тех же значениях тока, - 30 ВА(Вт).

Электроконтактные манометры: а - манометр с электроконтактной приставкой; б и в - электроконтактные манометры ЭКМ160 и ЭКМ100 на основе микровыключателей; г - передаточный механизм с микровыключателями.

7.1.3 Уровнемер

Для измерения уровня воды в верхнем барабане используем промышленный уровнемер с дифференциальным манометром

Дифференциальные манометры (дифманометры) сильфонные предназначены для измерения: расхода жидких и газообразных сред по методу переменного перепада давлений; разности давлений жидких и газообразных сред (перепадомеры); уровня жидких сред, находящихся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением (уровнемеры).

7.2 Контроллер

В качестве контроллера я решил выбрать промышленный контроллер «БУК-А1», описание которого приведено ниже.

Блок предназначен для автоматического управления котлом серии КВ-ГМ производительностью до 30Гкал/ч., работающим на газе или мазуте с паромеханическими или ротационными форсунками. Блок применяется совместно с блоком регулирования БР10 или другими регуляторами, имеющими входы задания режимов работы и управления регулирующими органами регуляторов.

Условия эксплуатации:

- температура окружающего воздуха от 5 до 500 С;

- относительная влажность воздуха до 80% при 350С;

- вибрация с частотой от 5 до 25 Гц с амплитудой до 0,1 мм;

- внешние постоянные или переменные (50 Гц) магнитные поля напряженностью до 400 А/м;

- атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм рт.ст.);

- высота над уровнем моря до 1000 м;

- помещение закрытое отапливаемое без непосредственного воздействия солнечных лучей, осадков, ветра, песка, пыли, не взрывоопасное и не содержащее в воздухе примесей агрессивных веществ.

Блок обеспечивает выполнение следующих функций:

а) автоматические пуск и останов котла;

б) аварийная защита, обеспечивающая автоматический останов котла при возникновении аварийных ситуаций, перечисленных в таблице 1, с блокировкой пуска котла и запоминанием первопричины срабатывания аварийной защиты;

Таблица 1

Параметр, ситуация, при которых осуществляется аварийная защита и сигнализация	Надпись у светового индикатора блока в поле с красным контуром
1 Возникла неисправность в цепях защиты	ЗАЩИТА НЕИСПРАВНА
2 Общекотельный параметр не в норме	АВАРИЯ В КОТЕЛЬНОЙ
3 Давление в топке котла высокое (взрыв)	ДАВЛЕНИЕ В ТОПКЕ ВЫСОКОЕ
4 Давление воды на выходе котла не в норме	ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ НЕ В НОРМЕ
5 Температура воды на выходе котла высокая	ТЕМПЕРАТУРА ВОДЫ ВЫСОКАЯ
6 Расход воды через котел низкий	РАСХОД ВОДЫ НИЗКИЙ
7 Разрежение в топке котла низкое	РАЗРЕЖЕНИЕ НИЗКОЕ
8 Аварийно отключился дымосос и/или вентилятор вторичного воздуха	ВЕНТИЛЯТОР ОТКЛЮЧИЛСЯ
9 Давление вторичного воздуха перед горелкой низкое	ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА НИЗКОЕ
10 Давление газа перед горелкой высокое (при работе котла на газе)	ДАВЛЕНИЕ ГАЗА ВЫСОКОЕ
11 Давление первичного воздуха перед горелкой низкое	ДАВЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОГО ВОЗДУХА НИЗКОЕ
12 Ток электродвигателя форсунки не в норме	ФОРСУНКА НЕИСПРАВНА
13 Давление газа перед горелкой или давление мазута после регулирующего органа мазута низкое	ДАВЛЕНИЕ ТОПЛИВА НИЗКОЕ
14 Пламя запальника или горелки отсутствует	НЕТ ПЛАМЕНИ ГОРЕЛКИ
15 Негерметичен любой отсекатель (при работе котла на газе) газа или загазована топка котла	ПРОПУСК ГАЗА
16 Трубопроводная арматура котла не подготовлена к пуску	ПУСК НЕ ПОДГОТОВЛЕН
17 Напряжение питания блока аварийно отключилось	См. примечание
Примечание - При возникновении ситуации 17 световая сигнализация отсутствует, и запоминание причины аварийной ситуации не производится

Блок выполнен в навесном металлическом кожухе, рассчитанном для монтажа на вертикальной плоскости. Кожух выполнен в виде передней и задней панелей. Передняя панель представляет собой лицевую крышку с отверстиями под органы управления и сигнализации и нанесенными обозначениями этих органов. На задней панели непосредственно размещены трансформаторы питания. К задней панели через стойки последовательно крепятся платы ПВР-А1, ПУ-А1, ПЗС-А1. Сетевое питание поступает на трансформаторы через выключатель, установленный на плате ПЗС-А1 и предохранитель, установленный на задней панели. Выходные напряжения трансформаторов поступают на плату ПВР-А1 через гнездо РП15-9Г, установленное на задней панели, и вилку РП15-9Ш, соединенную жгутом с платой ПВР-А1. Плата ПУ-А1 соединена через жгуты, разъемные соединители ГРПМ-1-45 с платами ПЗС-А1 и ПВР-А1. Плата ПВР-А1 соединена с тремя, а плата ПЗС-А1 - с одним выходными разъемами РП10, расположенными на задней панели снизу. При установке передней панели на место органы управления и сигнализации, распаянные на плате ПЗС-А1, попадают в соответствующие отверстия на передней панели. На задней панели имеется закрываемое окно, обеспечивающее возможность настройки временных интервалов путем распайки диодных перемычек на плате ПУ-А1, а также возможность реализации шагового режима работы блока путем подключения к стойкам Х19:1 и Х19:2 внешнего тумблера при проведении лабораторной проверки или пуско-наладочных работ с котлом.

Для охлаждения элементов в верхней и нижней частях кожуха имеются вентиляционные отверстия.

На задней панели кожуха имеются лапки для крепления блока на вертикальной плоскости.

В приложении приведена функциональная схема автоматизации котла серии КВ-ГМ с применением блока.

Наименования, назначения и рекомендуемые типы (условные обозначения) исполнительных устройств, датчиков и приборов, изображенных на функциональной схеме, приведены в перечне элементов к этой схеме.

В рекомендуемой схеме совместно с блоком применен блок регулирования БР10, обеспечивающий ПИ-регулирование основных параметров котла. Компоненты системы объединены в щите автоматики, куда кроме перечисленных изделий входят регистрирующие приборы, пускатели бесконтактные ПБР-2М для управления электрическими исполнительными механизмами.

8. Заключение

В результате проделанной работы выяснилось, что автоматизация пара в котельной не стоит на месте, а постоянно придумываются и разрабатываются новые приборы, агрегаты, технологии. В частности так же появляются новые датчики и приборы, которые ненамного превосходят по цене своих предшественников, но во многом превосходят их по качествам, все эти достижения позволяют с наименьшими затратами и усилиями производить качественный продукт в короткие сроки.

В процессе выполнения курсовой работы была определена передаточная функция объекта по виду экспериментальной и эквивалентной кривых, подобран ПИ- регулятор, и проведены исследования этого регулятора в среде моделирования MatLab и в частности в пакете Simulink, при этом установлено, что смоделированная система удовлетворяет заданным требованиям к устойчивости и заданным показателям качества.

9. Библиографический список

1. Абдулин С.Ф. «Технические средства автоматизации». Методические указания по выполнению курсовых работ и учебно-методические материалы к самостоятельной работе и индивидуальным заданиям. Омск: Изд-во СибАДИ, 2005.-84 с.

2. Абдулин С.Ф. Технические измерения и приборы в строительстве: Учебное пособие. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2006.-573 с.

3. Руппель А. А. Курс лекций по АТПП., 2005 г.

4. URL http://www.wika.ru/

5. URL http://jumas.ru/

6. URL http://zhurnal.ape.relarn.ru/

7. URL http://www.tenco.ru/

Страницы: 1, 2