ДонНТУ   Портал магистров

Ященко Кристина Игоревна

Факультет Компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра Автоматики и телекоммуникаций

Специальность Управление в технических системах

Разработка и исследование системы автоматического управления районной котельной г. Ясиноватая

Научный руководитель: к.т.н., доц. Федюн Роман Валерьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Анализ технологической схемы водогрейной котельной с типа котлами КВГ–6,5
• 4. Анализ водогрейного котла как объект управления
• 5. Структурная схема САУ
• 6. Математическое описание элементов САУ
• 7. Синтез регулятора температуры
• Выводы
• Список источников

Введение

Оборудование большинства тепловых станций эксплуатируется 15–20 и более лет, его физический ресурс исчерпан, оно морально устарело. Наилучшим решением в этой ситуации является разработка полномасштабных интегрированных автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) взамен устаревших систем, а также внедрение современного технологического оборудования, позволяющего максимально использовать возможности систем управления и тем самым добиться качественно нового уровня технологии. Внедрение таких систем позволит снизить аварийность процесса, более рационально использовать оборудование и экономить энергоресурсы. А также реализовывать широкий круг экологических мероприятий и повысить общую культуру производства.

1. Актуальность темы

Магистерская работа посвящена актуальной задаче разработки системы автоматического управления водогрейной котельной. Которая поможет:

– снизить эксплуатационные затраты на процесс производства тепловой энергии в условиях районной котельной;

– повысить эффективность управления объектом;

– увеличить годовой экономический эффект;

– повысить экономию по ресурсам (газа).

2. Цель и задачи исследования

Цель работы – разработать систему автоматического регулирования соотношения давления газа в зависимости от температуры окружающей среды.

Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ особенностей функционирования водогрейного котла КВГ–6,5
2. Записать математическое описание элементов САУ
3. Синтезировать регулятор температуры
4. Разработка схемотехнических решений по системе автоматического управления котлом КВГ–6,5

3. Анализ технологической схемы водогрейной котельной с типа котлами КВГ–6,5

Объектом автоматизации является котельная с котлами типа КВГ–6,5. Котельная предназначена для отопления производственных и жилых зданий, а также объектов социального и культурно–бытового назначения. Рассматриваемая районная котельная города Ясиноватая оборудована тремя водогрейными котлами КВГ–6,5 (рис.1).

Котел – теплообменное устройство, в котором тепло от горячих продуктов горения топлива передается воде. Водогрейный котел прямоточного типа состоит из трубной системы, укомплектованной в едином транспортабельном блоке. Обобщенная технологическая схема водогрейного газового котла приведена на рис.2.

К горелке котла подводятся газ и воздух. Воздух подается дутьевым вентилятором. Горючая смесь, которая образуется в горелке, воспламеняется и отдает тепло в топочную камеру. В результате процесса горения образуются газообразные продукты – дымовые газы. Их отсасывает дымосос, а затем выбрасывает в атмосферу.

Сжигание осуществляется факельным способом. При сжигании газового топлива необходимо обеспечить: хорошее предварительное перемешивание газа с воздухом, ведение процесса с малыми избытками воздуха, разделение потока смеси на отдельные струи. Подогрев газовоздушной смеси и химическая реакция горения протекают очень быстро. Основным фактором длительности горения является время, затраченное на перемешивание газа с воздухом в горелке. От быстроты и качества перемешивания газа с необходимым количеством воздуха, зависит скорость и полнота сгорания газа, длина факела топки и температура пламени. Для процесса горения дымососом создается необходимое разряжение и обеспечивается полное удаление продуктов сгорания.

Воздух должен подаваться в таком количестве, чтобы обеспечить полное сжигание топлива (1:10) и при этом выделяется углекислый газ СО₂ и пары воды Н₂О. Если воздуха недостаточно, то кроме неполноты сжигания, т.е. экономических потерь будет загрязнение атмосферы так как при этом выделяются сажа и угарный газ СО, это не допустимо, так как СО действует на организм отравляюще, а сажа осаждаясь на поверхностях котлов приводит к перерасходу топлива и загрязнению атмосферы. Таким образом, необходимо регулировать соотношение топливо–воздух.

Для работы котла на газовом топливе применены 3 подовые горелки с прямой щелью, которые устанавливаются между секциями вертикальных топочных экранов. Горелка имеет два ряда отверстий, диаметром 1,5 мм, расположенных в шахматном порядке.

4. Анализ водогрейного котла как объект управления

Водогрейная котельная предназначена для нагрева воды, которая используется для отопления помещений. Объект управления – котлы, которые установлены последовательно. Вода подаётся насосами и проходит через них. В котлах находятся горелки, к которым подводятся газ и воздух. Воздух подается дутьевым вентилятором, а газ через газо–распределительное устройство. Горючая смесь, которая образуется в горелке, воспламеняется и отдает тепло в топочную камеру. Так вода нагревается и подаётся потребителю. Возмущающее воздействие оказывает температура наружного воздуха, относительно которой изменяется количество газа.

Выходным воздействием является нагретая вода и дымовые газы, которые отсасывает дымосос и выбрасывает в атмосферу .

На функциональной схеме (рис.3) видно, что объект – котёл имеет входные воздействия – температуру воды (Т_в.), давления газа(Р_г.) и давление воздуха (Р_в), пройдя через котёл на выход поступает подогретая вода(Т_в.) и дымовые газы(Р_дг.), как результат горения газа и воздуха. Так же возмущающее воздействие оказывает температура наружного воздуха(Т_о.с), относительно которой и нужно регулировать давление газа.

5. Структурная схема САУ

На рисунке 4 показана структурная схема системы автоматического управления температурой воды на выходе из водогрейного котла КВГ–6,5.

Объект регулирования САУ – водогрейный котёл, его выходной параметр – температура воды на выходе из котла Т_в, которая изменяется в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, температуры обратной сетевой воды и расхода подаваемого газа FE. Количество (расход) воздуха F_в, подаваемого в топку котла определяет экономичность процесса горения и связано с расходом подаваемого газа через коэффициент соотношения газ–воздух – k_с. Возмущающими воздействиями являются изменение наружной температуры воздуха и температуры обратной сетевой воды.

Таким образом, согласно структурной схеме САУ (рис.4) необходимо получить модель элементов САУ, а также выполнить синтез алгоритма управления, который реализуются регулятором температуры воды РТ.

6. Математическое описание элементов САУ

Согласно структурной схемы САУ (рис.4), объектом управления в является водогрейный котел, выходной величиной которой является температура воды на выходе котла ТЕ(t), а входными величинами – расход газа FE(t), расход воздуха FВ(t) и температура Т(t). Отсюда можно получить структурную схему модели водогрейного котла, которая приведена на рис.5.

Экспериментальным путем определено изменение расхода газа и температуры сетевой воды на выходе из котла КВГ–6,5 при изменении положения регулирующего клапана на 10%, что приведено на рис. 6.

Из графиков (рис. 6) видно, что при изменении положения регулирующего органа на 10% расход газа на котел изменится по экспоненте с 230 м³/час до 255 м³/час, а температура сетевой воды на выходе из котла изменится с 90ºС до 95ºС транспортным запаздыванием.

Передаточная функция по каналу изменения температуры сетевой воды на выходе из водогрейного котла (согласно рисунка 6) будет иметь вид:

а время переходного процесса 180 секунд (исходя из рис.6)

подставив коэффициенты, получим:

При сжигании топлива в топочную камеру должно быть определенное количество воздуха, содержащий кислород для горения. Для сжигания 1 кг топлива необходимо подать количество воздуха с коэффициентом передачи k_С, этот коэффициент индивидуален для каждого котла и вида топлива и в нашем случае k_С=0,1. То есть для того чтобы процесс горения был максимально экономичным необходимо подать 1 часть топлива и 10 частей воздуха. Где:

а время переходного процесса 180 секунд (исходя из рис 6) ,подставив коэффициенты, получим:

Для передаточной функции W_т(р) время переходного процесса 180 секунд ,k_в – будет иметь вид:

передаточная функция W_т(р)

В качестве исполнительного механизма, изменяющего расход подаваемого в котел газа, является электрический однооборотный механизм (МЭО–100) который управляет дисковым затвором. Номинальное время полного хода – 25 секунд, а k_МЭО:

Передаточная функция W_мэо(p) может быть описана:

В качестве исполнительного механизма, изменяющего количество (расход) подаваемого в котел воздуха, является центробежный дутьевой вентилятор ВДН–9 с асинхронным приводным электродвигателем 4А1606УЗ.

Данная передаточная функция справедлива для случая, когда потокосцепление статора есть величина постоянная [1].

Динамические свойства дутьевого вентилятора ВДН–9 с достаточной степенью точности можно описать инерционным звеном первого порядка со следующей передаточной функцией:

где k_вд – коэффициент передачи вентилятора дутьевого:

T_дв – постоянная времени дутьевого вентилятора,Т_дв=2,5с.

7. Синтез регулятора температуры

ПИД–регулятор реализует самый гибкий закон управления, который эффективен при управлении сложными объектами.

Передаточная функция пропорционально – интегрально – дифференциального закона регулирования:

Так как объект управления – водогрейный котел содержит звено запаздывания, то для выбора закона регулирования применяется метод настройки, который основан на использовании кривой переходного процесса, полученной при ступенчатом изменении задающего воздействия (рис.6).

По кривой переходного процесса получили следующие параметры:

Приведенной кривой разгона соответствуют передаточные функции следующего вида:

гдеа параметры T и определяются экспериментально – проведением касательной к переходной характеристике объекта (рис.6).

Подставив передаточную функцию объекта в передаточную функцию регулятора, идеальную для объектов с запаздыванием

и произведя приближенную замену, допустимую в области низких частот

получим

Для объекта, имеющего инерционную часть второго порядка, наилучшим будет ПИД–регулятор. Действительно, если подставить передаточную функцию в общую формулу идеального регулятора и учесть замену, то получим:

Для наиболее рациональной аппроксимации объектов с s–образной переходной характеристикой – модели с двумя одинаковыми постоянными временипараметры ПИД–регулятора должны быть равны:

Подставив в структурную схему САУ настроечные параметры ПИД–регулятора, получили модель замкнутой САУ температурой воды на выходе водогрейного котла с ПИД–законом управления, которая в терминах пакета simulink приведена на рис. 7.

Для оценки качества управления в САУ с разработанным ПИД–законом управления выполнено моделирование процесса изменения температуры воды на выходе водогрейного котла при изменении возмущающего воздействия на 20ºС (в момент времени t=1500 c) и изменении задающего воздействия на 20ºС (в момент времени t=2000 c).

Выполненное моделирование с использованием данной модели показало удовлетворительное качество управления температурой воды на выходе водогрейного котла (рис.8), как по каналу задающего воздействия, так и по каналу возмущающего воздействия.

В САУ с ПИД–регулятором наблюдается отсутствие установившейся ошибки управления, как по каналу задающего воздействия, так и по каналу возмущающего воздействия (рис.8). Также улучшилось быстродействие САУ по обоим каналам управления по сравнению с САУ без регулятора.

Из рисунка видно, четко выраженные значения переходных характеристик. Красным цветом показана реакция системы с ПИД–регулятором. До момента времени 1500с. система работает стабильно при 70 ºС. В момент времени 1500с поступает возмущающее воздействие. После этого момента наблюдаем реакцию системы на возмущающее воздействие и температура повышается до 90 ºС.

Выводы

В данной работе выполнен теоретический синтез регулятора температуры воды на выходе водогрейного котла.

Полученное математическое описание водогрейного котла показало, что он является статическим объектом с запаздыванием. С учетом этой особенности осуществлен выбор ПИД–закон управления и определены его настроечные параметры.

Выполненное в данной работе моделирование показало удовлетворительное качество управления температурой воды на выходе водогрейного котла, как по каналу задающего воздействия, так и по каналу возмущающего воздействия.

Список источников

1. Ященко К.И., студ.; Федюн Р.В., доц., к.т.н., АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГОРОДСКОЙ КОТЕЛЬНОЙ С ВОДОГРЕЙНЫМИ КОТЛАМИ ТИПА КВГ/ (ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР)
2. Ященко К.И., студент, Федюн Р.В., доц., к.т.н., МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОДОГРЕЙНЫМ КОТЛОМ ТИПА КВГ 6,5/ (ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР)
3. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф. Производственные и отопительные котельные. – 2–е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 248 с, ил.
4. Липов Ю. М. Котельные установки и парогенераторы/Ю.М. Липов, Ю. М. Третьяков. – Москва–Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2003. – 592 с.
5. Рыбалев А.Н. Автоматическое управление энергетическими установками. Учебное пособие. Благовещенск. Амурский государственный университет, 2007г. – 105 с.
6. Липатников Г.А., Гузеев М.С. Автоматическое регулирование объектов теплоэнергетики. Учебное пособие. Владивосток, Дальневосточный государственный технический университет, 2007г. – 137с.
7. ПАО Монастырищенский ОТКЗ машзавод Описание водогрейных котлов КВ–Г