Ахметжанов Равіль Дамірович

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження
• 3. Аналіз водогрійного котла ТВГ-8М як об'єкта автоматизації
• 3.1 Формалізація об'єкта управління
• 4. Розробка структурної схеми САУ
• 5. Розробка математичних моделей основних елементів САУ
• Висновки
• Список літератури

Вступ

Технологічні процеси, що відбуваються в котельному агрегаті під час його роботи, характеризуються рядом взаємопов'язаних параметрів. Зміна одного з них повинно відображатися на всіх інших параметрах: тиску пари, кількості повітря, що подається, кількість подаваного в топку палива і відсмоктуються димових газах, витраті живильної води.

Автоматизація котелень передбачає здійснення автоматичного регулювання виробничого процесу, автоматичний теплотехнічний контроль, дистанційне керування і сигналізацію про відхилення від нормального експлуатаційного режиму. Автоматизація котельних установок може бути частковою, при якій здійснюється автоматизація окремих видів обладнання, або комплексної, при якій експлуатація котельні установки відбувається без постійного обслуговуючого персоналу.

В процесі експлуатації котлів, оснащених релейно-контактної автоматикою, нерідко виникають аварійні режими. Для визначення передаварійних режимів необхідний певний рівень кваліфікації обслуговуючого персоналу, а своєчасне регулювання процесу виробництва теплової енергії вимагає постійного спостереження за параметрами процесу з боку оператора. Звичайно, промисловість і зараз випускає широкий діапазон водогрійних і парових котлів. Але, на жаль, більшість систем автоматики, що поставляються в комплекті з котельнями установками, як і раніше реалізовано на основі релейно-контактних елементів. Крім того, велика кількість котельних установок, що експлуатуються практично у всіх котелень, мають ще достатній запас ресурсу, їх повна заміна не виправдання.

Основним завданням автоматизації котельної установки є регулювання: подачі повітря і палива в залежності від навантаження котлів за умови підтримки постійним тиску пара в парових котлах або температури води в водогрійних котлах.

Автоматичне регулювання подачі повітря і палива в залежності від навантаження котла, температури води в заданих межах і регулювання тяги (розрідження в топці) називається автоматизацією процесу горіння.

1. Актуальність теми

Магістерська робота присвячена актуальній задачі розробки системи автоматичного управління водогрійної котельні. Яка допоможе:

• знизити експлуатаційні витрати на процес виробництва теплової
• енергії в умовах районної котельні;
• підвищити ефективність управління об'єктом;
• підвищити економію по ресурсам (газу);
• збільшити річний економічний ефект.

2. Мета і задачі дослідження

Мета розробки – підвищення ефективності процесу нагріву води в котлах за рахунок розробки системи автоматичного управління, що дозволить підтримувати постійну температуру води на виході з котла, а також знизити експлуатаційні витрати на процес її нагрівання.

Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання:

1. Виконати аналіз особливостей функціонування водогрійного котла ТВГ-8М
2. Розробити структурну схему САУ.
3. Виконати синтез САУ.
4. Перевірити працездатність системи.

3. Аналіз водогрійного котла ТВГ-8М як об'єкта автоматизації

Котельня системи централізованого теплопостачання міського мікрорайону призначена для опалення виробничих та житлових будівель, а також об'єктів соціального та культурно-побутового призначення. Найчастіше, такі котельні реалізуються на основі водогрійних котлів, які працюють на природному газі.

Котельня призначена для нагріву робочої рідини (води) для системи опалення або пароснабжения, розташована в одному технічному приміщенні, використовуються при централізованому теплопостачанні будівель. Вже згадана районна котельня обладнана водогрійними котлами ТВГ-8М (рис.1)

На рис. 1 позначені: 2 – мережевий насос; 3 – рециркуляционний насос; 4 – живильний насос; 6 – бак живить води; 7 – Водопідготовча установка; 8 – підігрівач сирої води; 9, 10 – підігрівачі хімочіщенной води; 11 – дефератор; 12 – охолоджувач випаровування; 13 – лінія перепуску.

Водогрійний котел – це пристрій, призначений для отримання гарячої води за рахунок тепла, що виділяється при спалюванні палива. Теплофікаційний водотрубний газовий водогрійний котел ТВГ-8М є прямоточний секційний теплогенератор з примусовою циркуляцією води, обладнаний окремим димососом і вентилятором. Узагальнена технологічна схема водогрійного газового котла приведена на рис.2.

Котлел ТВГ-8М обладнають подовими дифузійними пальниками (4 шт.), Повітря до яких подають дутьевим вентилятором ДВ (без примусової подачі повітря до пальників котли задовільно працюють при навантаженнях до 40% номін.). Пальники встановлюють в відсіках котла між двосвітними екранами, кожна з пальників має два ряди отворів, діаметром 1,5 мм, розташованих у шаховому порядку. Горюча суміш, яка утворюється в пальнику, запалюється і віддає тепло в топку. В результаті процесу горіння утворюються газоподібні продукти – димові гази. Вони надходять в конвективний газохід через отвір висотою 800 мм над розділової стінкою, а потім димосос ДС викидає їх в атмосферу. Температура газів, що відходять за котлом 190-210 °С.

При спалюванні газового палива необхідно забезпечити: гарне попереднє перемішування газу з повітрям, ведення процесу з малими надлишками повітря, поділ потоку суміші на окремі струмені. Підігрів газоповітряної суміші і хімічна реакція горіння протікають дуже швидко. Основним фактором тривалості горіння є час, витрачений на перемішування газу з повітрям в пальнику. Від швидкості і якості перемішування газу з необхідною кількістю повітря, залежить швидкість і повнота згоряння газу, довжина факела топки і температура полум'я. Для процесу горіння димососом створюється необхідне розрядження і забезпечується повне видалення продуктів згоряння. Якщо досягти співвідношення витрати повітря відповідно до подачею палива, процес спалювання буде здійснюватися з максимальною економічністю.

Для зменшення інтенсивності зовнішньої корозії труб водогрійних котлів необхідно підтримувати температуру води на вході в котли вище температури точки роси димових газів. Мінімально допустима температура води на вході в котли при роботі на природному газі дорівнює 70 ° С. Для забезпечення цього необхідно подавати деяку кількість гарячої води, що вийшла з водогрійних котлів, знову на вхід в котел для змішування з водою із зворотного трубопроводу і подпиточной водою. Лінію, по якій перекачують нагріту воду з виходу котла на його вхід, так само, як і спеціальний насос РН, називають рециркуляционний (рис. 2).

Наявність ліній рециркуляції і перепуску води призводить до специфічним режимам роботи водогрійних котлів. Водогрійні котли надійно працюють лише за умови підтримання сталості кількості води, що проходить через них. З іншого боку, при якісному регулюванні теплоспоживання в стаціонарному режимі потрібно сталість витрати теплоносія в тепловій мережі, сталість різниці тисків в прямому і зворотному трубопроводах у споживача для реалізації проектних гідравлічних налаштувань теплоспоживання. Ручна настройка операторами перерахованих вище контурів регулювання за допомогою звичайних засувок без засобів автоматизації, регуляторів не призводять до економічно виправданим результатами.

В котельні одночасно як, правило, працюють 2 котли, тому доцільно використовувати каскадно-пов'язане регулювання з головним регулятором. Він сприймає зміна температури зовнішнього повітря і температури прямої води, тобто в загальному колекторі. Впливає головний регулятор на регулятори палива всіх котлів. Крім того, на регулятор палива подається сигнал від датчика температури води на виході з котла і від датчика температури зворотної води. Таким чином, подача палива змінюється в залежності від температури зовнішнього повітря, температури в загальному колекторі, температури води за котлом і температури зворотної води.

Повітря повинен подаватися в такій кількості, щоб забезпечити повне спалювання палива. Якщо повітря недостатньо, то крім неповноти спалювання буде ще й забруднення атмосфери. Якщо повітря буде надлишок, то буде винесення тепла в трубу. Таким чином, необхідно регулювати співвідношення паливо-повітря.

Паливо може йти різної якості, і розрахунковий коефіцієнт співвідношення може виявитися не оптимальним. Для підвищення якості необхідно контролювати повноту спалювання палива за вмістом кисню в димових газах. Таким чином, регулятор повітря буде змінювати подачу повітря в залежності від розходу палива, витрати повітря, з корекцією за вмістом кисню в димових газах.

Для процесу горіння в топці має бути створено розрядження, якщо воно буде недостатнім, то можливо згасання полум'я. Якщо занадто велике, то відрив полум'я від пальника. Розрядження регулюється в залежності від витрати повітря, зміною продуктивності димососа.

3.1 Формалізація об'єкта управління

Виконаний вище аналіз особливостей водогрійного котла дозволяє отримати схему основних каналів управління і взаємозв'язку технологічних параметрів (рис. 3).

Керуючими величинами, є:

1. витрата газу F_в(м³/ч);
2. витрата повітря F_г(м³/ч);
3. температура води °С.

4. Розробка структурної схеми САУ

На підставі виконаного раніше аналізу особливостей застосовуваного водогрійного котла як об'єкта автоматизації, а також беручи до уваги концепцію побудови САУ, розроблена структурна схема системи автоматичного управління водогрійним котлом (рис 4).

Об'єкт регулювання САУ – водогрійний котел, його вихідний параметр – температура води на виході з котла, яка змінюється в залежності від зміни температури зовнішнього повітря, температури зворотної мережної води і витрати газу, що подається. Кількість (витрата) повітря, що подається в топку котла визначає економічність процесу горіння і пов'язане з витратою газу, що подається через коефіцієнт співвідношення газ-повітря – Kс. Возмущающими впливами є зміна зовнішньої температури повітря і температури зворотної мережної води.

5. Розробка математичних моделей основних елементів САУ

гідно структурній схемі САУ (рис. 5) отримаємо модель елементів САУ. Звідси можна отримати структурну схему моделі водогрійного котла, яка приведена на рисунке 5.

На рисунке 5 показано, що об'єктом управління є водогрійний котел, вихідною величиною якої є температура води на виході котла Т_E(t), а вхідними величинами – витрата газу F_E(t), витрата повітря F_B(t) і зворотна температура Т(t).

Експериментальним шляхом визначено зміна витрати газу і температури мережевої води на виході з котла ТВГ-8М.

Реальні значення величин k, T і τ знаходять з експериментальних даних або конструктивних розрахунків.

Передавальна функція по каналу зміни температури мережевої води на виході з водогрійного котла матиме вигляд:

де – передавальна функція об'єкта без запізнення.

а час перехідного процесу 180 секунд, підставивши коефіцієнти, отримаємо:

При спалюванні палива в топку має бути певна кількість повітря в нашому випадку K_C = 10. Тобто для того щоб процес горіння був максимально економічним необхідно подати 1 частина палива і 10 частин повітря. Тоді передавальні функції W_B(p) і WT(p) матимуть вигляд:

В якості виконавчого механізму, що змінює витрата подаваного в котел газу, є електричний однооборотний механізм (МЕВ) який управляє дисковим затвором. Номінальний час повного ходу – 30 секунд. Він може бути описаний наступною передавальною функцією:

В якості виконавчого механізму, що змінює кількість (витрата) подається в котел повітря, є відцентровий дутьевой вентилятор ВДН-11.2, який описаний наступною передавальною функцією:

де T_M – електромагнітна постійна часу електродвигуна, с;

T_ЭМ – механічна постійна часу електродвигуна, с;

kД – коефіцієнт передачі електродвигуна

Динамічні властивості дутьевого вентилятора ВДН-11.2 з достатнім ступенем точності можна описати інерційним ланкою першого порядку з наступною передавальною функцією, гдеT ВД – постійна часу дутьевого вентилятора, гдеT_ВД – постоянная времени дутьевого вентилятора, T_ВД=2с і коефіцієнт передачі дутьевого вентилятора k_ВД дорівнює:

где T_T = 15-20 – постійна часу термопари, с;

m_T – нномінальний статичний коефіцієнт перетворення (крутизна характеристики) термопари, мВ/°С.

Як типовий регулятора вибираємо ПІД-регулятор. Так як він є універсальним. Використовуючи цей регулятор можна отримати будь-який закон регулювання, так як в нього входять всі складові інших законів. Ще однією перевагою ПІД-регулятора є його можливість упереджувати очікуване відхилення регульованої величини, реагуючи лише на вже наявне відхилення. Він виробляє додаткове регулюючий вплив, пропорційне швидкості відхилення регульованої величини від заданого значення.

Для налаштування параметрів регулятора використовуються можливості пакета Simulink. При натисканні на кнопку Tune у вікні параметрів блоку PID Controller/q> здійснюється автоматична настройка обраного регулятора.

В результаті автоматичної настройки отримані наступні значення параметрів регулятора температури: k_П=2.762; k_И=0.01; k_Д=-46.463.

Для оцінки якості управління в САУ з розробленим ПІД-законом управління виконано моделювання процесу зміни температури води на виході водогрійного котла при зміні обурює впливу на 20 °С (в момент часу t t=1500 c) зміні задає впливу на 20 °С (в момент часу t=2000 c)

Висновки

У роботі був виконаний теоретичний синтез регулятора температури води на виході водогрійного котла.

Виконане моделювання з використанням даної моделі показало задовільну якість управління температурою води на виході водогрійного котла, як по каналу задає впливу, так і по каналу обурює впливу.

Список літератури

1. Ахметжанов Р.Д., студ.; Федюн Р.В., доц., к.т.н., Особенности автоматического управления водогрейным котлом системы централизованного теплоснабжения городского микрорайона / (ГОУВПО Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, ДНР)
2. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф. Производственные и отопительные котельные. – 2–е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 248 с, ил.
3. Липатников Г.А., Гузеев М.С. Автоматическое регулирование объектов теплоэнергетики. Учебное пособие. Владивосток, Дальневосточный государственный технический университет, 2007г. – 137с
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. ПАО Монастырищенский ОТКЗ машзавод Описание водогрейных котлов ТВГ
6. Рыбалев А.Н. Автоматическое управление энергетическими установками. Учебное пособие. Благовещенск. Амурский государственный университет, 2007г. – 105 с.
7. Файерштейн Л.М., Этинген Л. С, Гохбойм Г.Г. Справочник по автоматизации котельных. М.: Энергия, 1978. - 344 с.