Автоматизация газового парового котла

[Гуренко Данил]

Исполнитель: Гуренко Данил Иванович, гр. 041об
Научный руководитель: Рыбалев Андрей Николаевич

    Введение
    С целью обеспечения необходимых требований эксплуатации
производственных помещений по снабжению паром для оборудования на предприятии необходим котельный цех, в состав которого входит котел и оборудование, обеспечивающее его функционирование.
Автоматизация функционирования котельного оборудования в настоящее время реализуется с помощью промышленных устройств регулирования «ОВЕН».
    Информационные технологии и материальная база управляющих
устройств активно развиваются, поэтому существующая система
автоматизации является устаревшей и небезопасной для эксплуатации
котельных установок.
    В бакалаврской работе рассматривается проектирование
автоматизированной системы управления котельными установками с
использованием современных средств промышленной автоматизации на основе программно-технических комплексов.

    Описание парового газового котла
    Котел по производству промышленного пара является комплексом котельных устройств, представляющих в совокупности котельную установку, основой которой являются теплообменные устройства, предназначенные для передачи тепла, получаемого при горении топлива, к воде, преобразующейся в промышленный пар.
Объектом управления является паровой котел марки ДКВр (рисунок 1.1), основными характеристиками которого являются:
- производство насыщенного пара 4 тонн в час,
- рабочее давление насыщенного пара 1,3 Мпа,
- температура насыщенного пара 194°С,
- топливо: природный газ (по умолчанию), мазут.


    Рисунок 1 - Котел ДКВр-4

1 - горелка, 2 - трубы топочных экранов, 3 - верхняя емкость, 4 - датчик давления, 5 - клапаны сброса давления, 6 - трубы воды питания, 7 - деаэрационная установка пара, 8 - камера дожигания, 9 - кипятильные трубы, 10 - устройство обдува, 11 - нижняя емкость, 12 - трубопровод для продувки.

    Технологический процесс производства пара
Основой технологического процесса производства пара является выработка пара при нагревании воды за счет повышения температуры при сгорании газа.
    На выходе горелки природный газ (метан) сгорает факелом в топке. Для сгорания необходим воздух, который из атмосферы подается в топку вентилятором. Учитывая высокий уровень теплоты сгорания газа требуется достаточно большой объем воздуха - примерно 10 куб.м.
Высокотемпературные продукты сгорания газа нагревают трубы топочных экранов, по которым протекает вода и смесь воды с паром. При этом температура топочных экранов повышается до температуры 990°С. Далее продукты сгорания после перемещения по котловым газоходам нагревают кипятильные трубы и экономайзер. Отдавая тепло, они остывают до 125°С и выбрасываются в атмосферу, нагнетаемые в трубу вентилятором дымососа.
    Механические и химические фильтры очищают воду, питающую систему котла, которая далее подвергается деаэрации. При этом процессе вода нагревается паром чуть выше температуры кипения, и из нее выделяется воздух (кислород и углекислый газ). Затем воздух выбрасывается в атмосферу, а деаэрированная вода поступает в гидра аккумулятор и применяется для подпитки котла через верхнюю емкость, предварительно подогреваясь в экономайзере.
Для функционирования котельной установки необходима циркуляция воды естественным путем. Циркуляция осуществляется тремя путями:
- через трубы топочного экрана,
- через трубы кипячения,
- через боковые топочные экраны, левого и правого.
    Топочная вода, находящаяся в верхней емкости сливается вниз к топочным экранам, также к ним подводится вода из нижней емкости. Подводимая вода распределяется по топочным экранам. При кипении воды образуется смесь воды и пара, которая в соответствие с правилами теплообмена перемещается в верхнюю емкость. В верхней емкости происходит паропроизводство. При этом процессе выделяющийся насыщенный пар перенаправляется в основной паропровод котельного цеха, куда поступает производимый пар от всех котельных агрегатов котельного цеха. Оставшаяся от процесса паропроизводства вода поступает в емкость, где находится вода подпитки котла.

    Возможность автоматизации технологического процесса
    Котельный агрегат представляет собой совокупность нескольких контуров регулирования, характеризуемых значительным количеством параметров регулирования и управляющих воздействий. Автоматизация технологического процесса предусматривает автоматизированное управление параметрами путем воздействия управляющими сигналами.
Для осуществления основных технологических функций в котел поступает природный газ и воздух. В результате сгорания появляются продукты сгорания, которые выбрасываются в атмосферу. В емкости поступает вода, а в результате функционирования котла, она превращается в пар.
    Контурами регулирования этапов технологического процесса превращения воды в насыщенный пар являются:
    - регулирование количества пара, вырабатываемого котлом,
    - регулирование количества воздуха, подаваемого для сгорания топлива, - регулирование величины понижения давления в топке котла,
    - регулирование водяного уровня в котловой емкости.
    При функционировании котельной установки в топочную камеру должно поступать и сгорать такое количество газа, которое должно соответствовать объему пара, потребляемого производством, а значит производимого котлом. Количество вырабатываемого пара оценивается его выходным давлением. Если сгорает больше газа, чем необходимо, то поднимается температура в котле, что повышает давление в топочной камере. В противном случае, когда газа не хватает, недостаточное количество производимого пара компенсируется за счет тепла воды в котле, при этом давление пара уменьшается. Для обеспечения постоянства парового давления необходимо регулировать открытие клапана подачи газа.
    С целью получения оптимальности процесса сгорания природного газа требуется обеспечить подачу определенного объема подаваемого в топочную камеру воздуха. В случае нехватки подаваемого воздуха газ сгорает не полностью, несгоревший остаток уходит в окружающую среду, что приводит к повышенному расходу газа и загрязнению окружающей среды. При превышении количества подаваемого воздуха происходит полное сгорание топлива, однако оставшийся воздух превращается во вредную двуокись азота, что также загрязняет окружающую среду при выбросе в атмосферу. Оптимальное соотношение количеств газа и воздуха составляет пропорцию 1:10. Количество подаваемого воздуха регулируется путем управления скоростью вращения нагнетательного вентилятора.
    Пониженное атмосферное давление в топочной камере необходимо поддерживать для того, чтобы факел горения газа не прижималось ко дну топочной камеры. В противном случае горелка и дно камеры будут подвергаться воздействию высокой температуры, и возможно их прогорание. При этом дымовые продукты сгорания газа попадут в котельный цех, возможно отравление операторов котельной. При превышении некоторого нижнего предела пониженного давления в топочной камере будут происходить подсосы дополнительного воздуха, что будет увеличивать общее количество подаваемого воздуха и приведет к снижению эффективности функционирования котлового агрегата при ухудшении работы вентилятора, удаляющего дым из топочной камеры. Управление необходимым уровнем пониженного давления производится регулированием скорости вращения вытяжного вентилятора.
    Соответствие количества подаваемой в котла агрегат воды и количества производимого пара определяется водяным уровнем в верхней емкости. Для обеспечения качественного производства пара необходимо поддерживать надежное функционирования котельного оборудования. При минимизации уровня воды возможно недостаточное циркуляционное заполнение труб топочных экранов. При этом температура труб недопустимо поднимается и возможен их прожог. При превышении допустимого уровня воды ухудшается функционирование химического и механического фильтров и деаэрационного устройства.
    Управление уровнем воды в емкости производится с помощью управляющего воздействия на клапан подачи воды.

    Устройства для автоматизации
    Управлять всеми процессами автоматизации в нашем случае, как было сказано ранее, будет "ОВЕН" ПЛК 160, имеющий нужное количество Аналоговых входов, дискретных входов и выходов, а так же порты Ethernet и соответственно RS485.

   
    Рисунок 2 - Функциональная схема ПЛК160

    Далее мы взяли сенсорную панель управления СП307, от той же компании "ОВЕН". Необходимость и в тот же момент удобство заключается в том, что можно запрограммировать и визуализировать на экране данной панели, вывод всей необходимой текущей информации по датчикам, работе дымохода, вентилятора и дымососа, выводе аварийной информации, включению, выключению и регулировании параметров, того же пара (на выхода соответственно) и многое другое. Подгонный вариант визуализации указан ниже.

       
    Рисунок 3 - Визуализация сенсорной панели СП307

    Дело не могло обойтись и без частотных преобразователей, опять же от т ой же компании "ОВЕН", модели ПЧВ1. Служат они для регулирования частоты оборотов дымососа, вентилятора и насоса, а так же, чтобы снизить пусковой ток при запуске, чтобы снизить общую нагрузку на систему.

Функции автоматического управления
Функциями автоматического управления:
•   Автоматический розжиг и останов котла;
•   Предпусковой автоматический контроль герметичности газовых клапанов;
•   Поддержание в заданных пределах давления пара на выходе из котла путем позиционного регулирования мощности горелки;
•   Режим работы котла: автоматическое регулирование или режим прогрева;
•   Дискретное регулирование подачи воздуха в соответствии с подачей топлива (большое и малое горение);
•   Автоматическое поддержание уровня воды в барабане путем позиционного управления питательным насосом;
•   Возможность ручного управления питательным насосом;
•   Плановый останов котла;
•   Формирование информации о текущем состоянии и вывод ее на OLED индикатор;
•   Возможность проведения регламентного контроля срабатывания защит котла без отключения котла;
•   Аварийный останов котла с выдачей аварийной звуковой и световой сигнализации, отображение причины останова на OLED индикаторе и запоминание ее;
•   Автоматическую защиту, обеспечивающую останов котла и блокировку его пуска при возникновении аварийных ситуаций:
    o       возможность выбора задействованных защит и включения функции автоматического контроля герметичности с помощью меню
            автомата горения;
    o       связь с верхним уровнем по интерфейсу RS-485 протокол Modbus -- RTU;
    o       функция контроля сетевого напряжения питания.

    Программная часть в процессе написания, поэтому пока поглядеть не на что.

[ran]

Поэма.
Возьмём котел
(А он легко берётся).
А чё бы нам сварить в нём?
Не спеши!
Борща, конечно, вряд-ли мы дождёмся.
Давай-ка  лучше сварим мы...

Шутка. Хороший доклад.