• Введение
• Технологический процесс производства пара к котлах КВ-КС-4 с топкой НТКС как объект автоматизации
• Критический обзор известных технических решений по автоматизации технологического процесса регулирования высоты кипящего слоя.
• Обоснование направления автоматизации технологического процесса регулирования высоты кипящего слоя
• Предложенное решение
• Заключение
• Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ <<<

В настоящее время в нашей стране очень остро стоит вопрос об энергосбережении, сбережении полезных ископаемых и поддержании очень хрупкого экологического равновесия. Это прежде всего связано с все более ухудшающимися условиями добычи полезных ископаемых, упадком угольной промышленности, экономической нестабильностью страны в целом и в итоге все большего загрязнения окружающей среды. Под действием этих факторов, перед директорами предприятий стоит главный вопрос о более рациональном использовании имеющихся энергетических возможностей. Для этого необходимо применять более высокоточную аппаратуру, которая позволит более рационально использовать имеющиеся энергоресурсы и тем самым увеличивать экономический эффект данного предприятия, улучшая при этом экономическое и экологическое состояние страны.

Целью данного курсового проекта является повышение производительности котлоагрегата и эффективности ведения технологического процесса получения тепла, а следовательно, и повышение экономического эффекта путем разработки принципиально новой системы автоматического контроля и регулирования уровня кипящего слоя в топке твердотопливного котлоагрегата основанного на базе уже существующих средств измерения с повышенной чувствительностью и высоким классом точности, что обеспечило бы более надежную и эффективную работу объекта автоматизации с применением систем автоматики нового поколения.

На сегодняшний день такие фирмы как: Atmel, Allen-Bradley, Siemens, Adam, Intel и многие другие (в том числе и отечественные производители) изготавливают новую аппаратуру контроля и управления - контроллеры. Котроллеры позволяют не только выполнять функции ранних систем автоматизации, но и обладают совершенно новыми, труднореализуемыми ранее возможностями (передача и отображение большого количества информации, связь с удаленными объектами и многое другое). Но самым существенным их достоинством является высокая надежность и долговечность, наработка на отказ некоторых контроллеров достигает 100 тыс. ч.

Еще одним преимуществом контроллеров является то, что в процессе разработки программы можно проверить ее работоспособность, не используя установку которую автоматизируют или процесс производства - появляется возможность моделирования работы установки или технологического процесса.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ПАРА В КОТЛАХ КВ-КС-4 С ТОПКОЙ С НТКС КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ <<<

Котельными установками называют устройства, предназначенные для производства пара или горячей воды заданных параметров для энергетических, технологических и отопительных целей.

Одним из способов производства пара или горячей воды заданных параметров является применение твердотопливных котельных установок с низкотемпературным кипящим слоем (рис. 1). На рисунке приняты следующие обозначения: 1 - обмуровка котла; 2 - топка; 3 - воздухораспределительная решетка; 4 - циклон; 5 - пластинчатый конвейер; 6 - пневматический забрасыватель ЗП-600; 7 - зола; 8 - качающийся питатель; 9 - течка; 10 - сопло возврата уноса; 11 - эжектор; 12 - воздухо-подающая труба; 13 - дымовые газы.

Рисунок 1 - Схема котла с топкой низкотемпературного кипящего слоя.

Кипящий слой - совокупность полидисперсных твердых частиц, через которые продувается ожижающий воздух со скоростью выше первой критической скорости (скорости ожижения) и ниже второй критической скорости (скорости уноса или пневмотранспорта).

Водогрейный стационарный прямоточный котел безбарабанной вертикальной компоновки КВ-КС-4 с топкой низкотемпературного кипящего слоя тепловой мощностью 4 МДж предназначен для сжигания высокозольных углей (до 75%) с фракцией 0…13 мм. Предназначен для получения горячей воды с давлением до 1 МПа и номинальной температурой 950С. Топочная камера этого котла сзади и с боков экранирована трубами диаметром 51х22,5мм с шагом 100 мм, входящими в коллектор диаметром 159х4,5 мм. поверхности нагрева выполнены в виде экранных панелей, располагаемых по стенам топочной камеры. Конвективно-радиационная поверхность представляет собой горизонтальные пакеты змеевиков из труб диаметром З8 х Змм, расположенные в конвективном газоходе сверху над топкой.

Котел оборудован провальной однотрубной колпачковой воздухораспределительной решеткой. Решетка состоит из установленного в бункерах воздухораспределительного коллектора, изготовленного из трубы диаметром 426 х 9 мм, к которой приварены 128 патрубков диаметром 38 х 3,5 мм с воздухораспределительными колпачками. В колпачках диаметром 48 мм для выхода воздуха равномерно по окружности расположены 8 отверстий диаметром 7 мм.

Технико-экономические показатели КВ-КС-4

Теплопроизводительность агрегата, МВт	4
Давление воды в выходном коллекторе, МПа:
номинальное	0,6...1
минимально допустимое	0,4
Предельная температура воды, 0С:
на входе	70
на выходе	95
Массовый расход, кг/с:
воды	33,3
топлива	0,21...0,26
Температура уходящих газов, 0С	160
Потери давления в газовом тракте, Па	250
Расчетные потери давления в газовом тракте, МПа	0,25
КПД, %	82
Зольность сжигаемого топлива, %	15...75

Топливо подается с фронта котла забрасывателем ЗП- 600, который крепится к фронтальной плите от топки ЗП - РПК. С фронта топки используются плиты шуровочная и зольниковая, установленные ниже забрасывателя. Над забрасывателем установлен угольный ящик каскадно - лоткового типа. Под топкой установлено устройство выгрузки золы, позволяющее удалять золу равномерно по площади топки.

Функциональной схемой автоматизации котлоагрегатов предусматривается контроль следующих параметров:
1 температура отходящих газов, 2 давление дутьевого воздуха, 3 разряжение в топке котлоагрегата, 4 температура воздуха при розжиге, 5 температура в слое, 6 температура горячей воды, 7 расход горячей воды, 8 давление после вентилятора возврата уноса, 9 ток двигателя вентилятора, 10 ток двигателя дымососа, 11 давление до и после фильтра жидкого топлива, 12 давление на трубопроводе жидкого топлива перед горелкой, 13 температура газов перед экономайзером, 14 температура газов перед дымососом, 15 разряжение перед дымососом, 16 уровень кипящего слоя.

Одним из важнейших параметров характеризующий оптимальную работу котла является, регулирование и стабилизация уровня кипящего слоя в интервале 0 …0,8 м. Для топок низко температурного кипящего слоя это условие является одним из основных условий оптимизации технологического процесса сжигания угля. При повышении уровня кипящего слоя выше 0,8 м повышается вероятность уноса частиц угля из топки, что приводит к зашлаковке дымохода, повышению выброса вредных веществ в атмосферу и наконец просто к недожогу и перерасходу количества топлива приходящегося на получение единицы продукта заданных параметров. При полном осаждении слоя происходит спекание не догоревших частиц угля и образование так называемого "коржа", зависающего на воздухораспределительной решетке, что несомненно ведет к аварийной остановке котлоагрегата. Регулирование осуществляется изменением количества подаваемого в топку воздуха с коррекцией по количеству подаваемого в топку топлива для поддержания постоянной величины коэффициента избытка воздуха, что обеспечивает наибольшую полноту сгорания топлива, а следовательно, способствует наиболее оптимальному использованию топливных ресурсов и существенно снижает выбросы вредных веществ в атмосферу.

КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОТЫ КИПЯЩЕГО СЛОЯ В ТОПКАХ С НТКС <<<

На данный момент единственной известной и реально применяющейся на твердотопливных котлоагрегатах, оборудованных топкой с НТКС, является одноконтурная система автоматического регулирования уровня кипящего слоя на основе серийно выпускаемого раннее промышленного регулятора серии Р.25. Эти регуляторы безнадежно устарели как морально так и физически, они не позволяют создать систему управления, позволяющую обрабатывать огромный объем информации, поступающей не только непосредственно о состоянии контролируемого параметра, но и весь тот объем информации о состоянии параметров технологического процесса получения конечного продукта так или иначе влияющих на контролируемый параметр. Данная система выполняла узкоспециализированную функцию по регулированию уровня кипящего слоя, так как регуляторы Р.25 имеют ограничения по функциональным возможностям. Управление существовавшей в САУ осуществлялось практически постоянно в ручном режиме из - за невозможности предусмотреть всех нюансов управления технологическим процессом, существовавшими на тот момент аппаратными средствами. Так же главным фактором, определившим создание новой САР на основе микроконтроллеров является не только моральное и физическое устаревание регуляторов Р.25, но и то, что они сняты с производства и уже не выпускаются.

На данный момент применение микроконтроллера, как ядра системы автоматики, открывает огромные, практически неограниченные, возможности по моделированию и совершенствованию систем автоматики.

ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОТЫ КИПЯЩЕГО СЛОЯ <<<

Таким образом в виду устаревания существующей ныне САР предлагается построение САР уровня кипящего слоя на основе серийно выпускающегося микроконтроллер фирмы ATMEL. Микроконтроллеры дают полную свободу действия при создании САУ, САР или САК. Их возможности могут ограничиваться лишь количеством входных и выходных сигналов а также объемом памяти контроллера, необходимой для хранения программы или динамических данных, изменяющихся в процессе отслеживания технологического процесса. Прежде работавшая система автоматизации кроме регулирования высоты кипящего слоя путем изменения объема подаваемого в топку воздуха, больше не выполняла никаких функций. Однако при создании САР на микроконтроллере регулирование высоты кипящего слоя в ней будет осуществляться не только по перепаду давления, создаваемому на самом кипящем слое, но и исходя из соотношения количества подаваемых в топку топлива и воздуха, по так называемому коэффициенту избытка воздуха. К тому же внедрение микроконтроллерной техники позволяет существенно уменьшить габариты средств автоматизации в сочетании с существенным расширением их потенциальных возможностей в сфере решения стоящих перед оператором задач, повышением надежности средств автоматизации, увеличением срока их эксплуатации и уменьшают энергопотребление систем автоматики в целом. К тому же в одном микроконтроллере можно объединить несколько систем автоматики, промоделировав технологический процесс и представив их в виде блоков программ связанных между собой определенными условиями и с входными и выходными портами микроконтроллера. Одним из преимуществ техники на микроконтроллерах является ее высокое быстродействие, что зачастую позволяет существенно оптимизировать процесс регулирования, так как позволяет отслеживать и обрабатывать быстро меняющиеся параметры технологического процесса, мгновенно внося поправки в управляющие воздействия и тем самым предотвращая возможные сбои в ходе технологического процесса.

ПРЕДЛОЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ <<<

Исходя из вышеперечисленного принимая во внимание поставленную перед нами задачу можно приступать к построению структурной схемы системы автоматического поддержания оптимальной высоты кипящего слоя. Структурная схема приведена на рис.2.

Рисунок 2 - Структурная схема системы автоматики

где: БГР 1 - блок гальванической развязки; ОМК - однокристальный микроконтроллер;

ИМ - исполнительный механизм; ПБР - 3А - пускатель бесконтактный реверсивный

В структурную схему входят датчики высоты кипящего слоя, расхода подаваемого в топку твердого топлива тахогенераторного типа, температуры кипящего слоя на термопарах и расхода воздуха. Все сигналы от датчиков поступают на порты микроконтроллера приема информации от внешних устройств. Все выходные каналы, идущие на коммутационные аппараты исполнительных механизмов проходят через блоки гальванической развязки.

Все данные, поступающие на микроконтроллер обрабатываются в нем согласно введенной в него программе и в результате происходит оценка ведения технологического процесса и при необходимости выработка управляющего воздействия для приведения контролируемых параметров к заданным.

При помощи блока ключей управления производятся операции по переключению режимов работы САР (ручное/автоматическое), а так же непосредственное управление ходом технологического процесса оператором в случае переключения на ручной режим управления.

Блок индикации представляет собой панель на которую выведена вся световая индикация о ходе технологического процесса и может содержать мнемоническую индикацию построенную на ЖКИ, светодиодах и обычных лампах накаливания (крайние положения направляющего аппарата).

Работа САР производится следующим образом:
При подаче питания на все узлы, система производит опрос подключенных датчиков, занося информацию о состоянии контролируемых параметров в память контроллера. Информация с датчиков поступает на входные порты микроконтроллера и далее записывается в памяти, для дальнейшей оценки. При переводе система в автоматический режим оценка контролируемых параметров и выработка управляющих воздействий осуществляется программно без участия человека в соответствии с предварительно заложенной в микроконтроллер программой. Так же осуществляется постоянная индикация состояния контролируемых параметров и режимов работы котлоагрегата. При переводе системы в ручной режим, управление технологическим процессом производится оператором вручную через блок ключей управления, однако индикация информации о состоянии контролируемых параметров и режимах работы котлоагрегата и САР в целом производится по умолчанию автоматически. При обработке информации о ходе технологического процесса, вырабатываемые управляющие воздействия через блок гальванической развязки БГР2, выполненный на серино-выпускаемых оптопарах, где происходит отделение цепей микроконтроллера от внешних электрических цепей, что существенно сокращает вероятность его повреждения., и далее поступают на бесконтактный реверсивный трехфазный пускатель серии ПБР - 3А, выполненный на тиристорных ключах, который в свою очередь включает исполнительный механизм типа МЭО направляющего аппарата дутьевого вентилятора. Информация о крайних положениях направляющего аппарата дутьевого вентилятора поступает с концевых выключателей исполнительного механизма типа МЭО на мнемощит оператора.

Сигнал от манометрического преобразователя поступает на аналоговый вход Х3 порта А.

Принципиальная электрическая схема разработанной САР уровня кипящего слоя приведена на рисунке 3. Сар выполнена на микроконтроллере серии AT90S8535-8PI в промышленном исполнении (PI), т.е. температура окружающей среды от -40 до +85 °С. Микросхема имеет 8 каналов ввода аналоговых сигналов (ADC0 - ADC7) один последовательный приемопередатчик (выводы RXD и TXD)

Рисунок 3 - Принципиальная электрическая схема САР уровня кипящего слоя.

Напряжение питания микроконтроллера составляет 5В постоянного тока.

Жидкокристаллический индикатор представляет собой стандартный ЖКИ серии ВС1202А.

Для гальванической развязки выходных цепей микроконтроллера применены оптроны серии АОТ128Б.

Измерение производительности вентиляторов производится дифференциальными манометрами ДКО-3702М. Преобразователи ДКО-3702М предназначены для преобразования разности давлений в выходные унифицированные сигналы постоянного тока с линейной зависимостью 0-5 мА. Сигнал пропорциональный величине производительности вентилятора поступает на аналоговый вход Х6 порта А.

Для управления производительностью вентилятора применяется механизм электрический однооборотный типа МЭО 100/63-0,25У.

Привод МЭО имеет мощность 260Вт. Питание осуществляется от сети трехфазного переменного тока напряжением 380В. Подключение и реверсирование МЭО осуществляется пускателем ПБР-3А - пускатель бесконтактный реверсивный трехфазный.

Сигнал пропорциональный величине температуры кипящего слоя поступает на аналоговый вход Х4 порта А из САР температуры кипящего слоя и изменяется в пределах 0 - 5 В.

Для измерения количества угля подаваемого в топку на объекте предусмотрена установка тахогенераторного датчика постоянного тока типа 1,6-ТГП-2 (рис. 6.8) с номинальной частотой вращения 3000 мин-1 и напряжением 0 - 5 В, режим работы - продолжительный, масса - 0,025кг. Сигнал с тахогенератора поступает на аналоговый вход Х5 порта А.

Рисунок 4 - тахогенератор постоянного тока серии 1,6-ТГП-2.

Индикация положения рабочего органа направляющего аппарата осуществляется по токовому сигналу 0 - 5 мА, вырабатываемого блоком БД - 10 встроенным в МЭО и поступающему на аналоговый вход Х7 пора А.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ <<<

В данной научно-исследовательской работе была смоделирована САР уровня кипящего слоя с применением контроллеров фирмы ATMEL, позволяющая более точно и эффективней контролировать и регулировать ход технологического процесса производства горячей воды или пара в котлоагрегате по величине уровня кипящего слоя. Именно точное регулирование уровня псевдоожиженного низкотемпературного кипящего слоя позволит более эффективно использовать расходный материал и уменьшать выбросы золы и неотработанного топлива в дымовой тракт и далее в атмосферу. Этим самым улучшая технологический процесс, снижая экономические затраты и улучшая экологическое состояние окружающей среды.

При выполнении проекта был разработан алгоритм управления котельной установкой. Составлена структурная схема САР уровня кипящего слоя с коррекцией по коэффициенту соотношения топливо/воздух. Выбраны компоненты для технической реализации модели системы управления.

Несмотря на то, что разработана модель управления одним котлоагрегатом и выбрана соответствующая конфигурация контроллера, при доработке программы для управления несколькими котлоагрегатами, данную систему управления можно устанавливать на реальном объекте. Что позволить снизить габариты и энергопотребление аппаратуры управления, повысить ее надежность, а значит уменьшить вероятность отказа системы управления и энергетические затраты связанные с ее восстановлением. Каждый субблок САР будет выполнен в виде отдельного модуля и в случае отказа, модульная конструкция системы автоматики позволяет в кратчайшие сроки восстановить систему путем замены неработоспособного модуля на исправный.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК <<<

1. Вискин Ж.В. ''Сжигание угля в кипящем слое и утилизация го отходов'', Донецк: "Новый мир", 1997.
2. Махорин К.Е. '' Сжигание топлива в псевдоожиженном слое''.
3. Потапов В. Д. ''Имитационное моделирование производственных процессов в горной промышленности'': Учеб. Пособие для студентов вузов. М.: Высш. школа, 1981.
4. Серезентинов Г. В., Груба В. И. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине "Моделирование объектов и систем управления в горной промышленности". Донецк: ДПИ, 1993.
5. Платунов Е.С. ''Теплофизические измерения и приборы''.
6. Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Збірник наукових праць 1 Всеукраїнської науково-технічної конференції. -Донецьк, ДонДТУ,2001.- 250с.
7. Воинов А.П. Проблемы надежности котельно-топочных систем с кипящим слоем // Пробл. тепло- и массообмена в современ. технол. сжигания и газифик. тв. топлива: Матер. междунар. шк.-семинара. - Минск: ИТМО АН БССР, 1989. - Ч. 3. - С. 43 - 50.
8. Клюев А.С., Товарнов А.Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов.- М.: Энергия, 1970. - 280с.