Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

На предприятиях промышленности и ЖКХ, где требуется большое количество тепловой энергии в виде пара и горячей воды, котельные оборудованы разнообразными паровыми и водогрейными котлами, произведёнными 30 и более лет назад.

Внедрение систем автоматизированного управления паровыми и водогрейными котлами, построенных на основе программируемых контроллеров, позволяет автоматизировать процесс производства тепловой энергии в котлах и значительно упростить контроль и управление этим процессом. Применение такой системы повышает эффективность функционирования котлоагрегата за счет снижения потребления энергоресурсов, рационального сжигания топлива, использования технологического оборудования, оперативного управления оборудованием и технологическим процессом. Кроме того, внедрение таких систем позволяет снизить влияние человеческого фактора в производственном процессе и вероятность возникновения аварийных режимов функционирования котла. Повышение экологических характеристик котельной и культуру производственного процесса. Благодаря программному управлению система автоматически отслеживает все параметры текущих процессов, реализуемых водогрейными и паровыми котлами, и управляет технологическим оборудованием, обеспечивая нормальное и безаварийное функционирование котельной установки. Кроме того, система контролирует исправность оборудования и при возникновении поломок и аварийных ситуаций сигнализирует об этом обслуживающему персоналу.

1. Актуальность темы

Показателем качества функционирования системы является удельный расход топлива, который должен быть минимальным. Однако непосредственное оперативное управление этим показателем не представляется возможным, так как его вычисление связано с достаточно длительным интегрированием расхода топлива и нагрузки энергоблока. Поэтому предпринимались многочисленные поиски косвенной регулируемой величины, поддержание которой на том или ином уровне гарантировало бы достаточно приемлемую близость удельного расхода к минимуму.

Известно, что высокое качество сгорания топлива возможно только при вполне определенном подводе воздуха в топку. Азот, содержащийся в воздухе, в горении не участвует и, нагреваясь, уносит значительное количество теплоты. Так как в воздухе содержится по объему около 21 % кислорода и 79 % азота и некоторых других газов, то теоретически необходимый для сжигания газа объем воздуха больше требующегося для реакции горения объема кислорода в 100:21=4,76 раза, а на каждый использованный кубический метр кислорода приходится 79:21=3,76 м3 азота.

Зная состав горючих газов (другого топлива) и реакции горения, можно подсчитать теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 м3 газа (для природного газа требуется 17,3 массовых доли воздуха на одну долю газа).Однако если в топку подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно. Объясняется это тем, что трудно так перемешать топливо с воздухом, чтобы к каждой молекуле горючих было подведено необходимое количество молекул кислорода. Поэтому на практике приходится подавать воздуха больше, чем теоретически необходимо, т.е. работать с избытком воздуха. При этом часть воздуха проходит через топку, не реагируя с топливом. Размер избытка или недостатка определяется коэффициентом избытка воздуха , который показывает отношение действительного количества воздуха, расходуемого на горение, к теоретически необходимому. Коэффициенту избытка воздуха соответствует определенное процентное соотношение k углекислого газа и кислорода в дымовых газах.

Таким образом, контроль качества процесса горения можно вести по содержанию CO2 и O2 в дымовых газах. Оптимальные значения коэффициента расхода воздуха по отношению к расходу топлива определяют при тепловых испытаниях котлоагрегата. Управление подачей воздуха должно вестись с довольно высокой точностью и обеспечивать отклонение значения CO2 не более чем на ±0,5 % (при колебаниях содержания CO2 в уходящих газах в среднем 8–12 %)

Схема анализа технологического процесса горения топлива

Рисунок 1 –Схема анализа технологического процесса горения топлива

На рис. 1а представлена схема анализа технологического процесса горения топлива в условиях парового котла как объекта управления с точки зрения материальных потоков и их информационных переменных.

Основной технологической целью процесса качества горения является обеспечение содержания O2 в отходящих газах, поэтому стабилизацию концентрации O2 в уходящих газах необходимо обеспечить путем изменения расхода воздуха Fв. Поэтому в качестве регулируемой величины необходимо принять концентрацию в отходящих газах, а регулирующее воздействие реализовать изменением расхода воздуха FВ.

Для улучшения качества регулирования, а также обеспечения оптимального значения коэффициента расхода воздуха по отношению к расходу топлива необходимо предусмотреть систему регулирования соотношения расхода воздуха FВ в зависимости от расхода газа (топлива) FГ.

В качестве параметров контроля необходимо выбрать концентрацию воздуха в отходящих газах, расход воздуха FВ, расход газа FГ, давление газа PГ, давление воздуха PВ;

На основании проведенного анализа составляем функциональную схему процесса автоматического управления процессом качества горения топлива (рис.1б).

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель работы можно сформулировать следующим образом: обеспечение минимального удельного расхода топлива, повышение качества процесса сгорания топлива, за счет оптимального соотношения расходов «топливо-воздух» с коррекцией по температуре направляемого в топку котла воздуха

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Проанализировать технологические схемы процесса сгорания топлива.
  2. Проанализировать технологический процесс горения топлива как ОУ с точки зрения основных материальных потоков и информационных переменных.
  3. Разработать функциональную схему и выполнить выбор аппаратных средств для реализации САУ
  4. Выполнить синтез САУ.
  5. Проверить работоспособность САУ методом математического моделирования.

Объект исследования: котел ДКВР–6,5/13 ГМ.

3. Обзор исследований и разработок

Известно, что высокое качество сгорания топлива возможно только при вполне определенном подводе воздуха в топку. В существующих системах автоматизации представлена схема «топливо–воздух», которая решает данную задачу (рис.2). Регулятор подачи воздуха в топку РВ воздействует на регулирующий орган подачи воздуха. На его вход подается разность между действительным расходом воздуха Gв и его заданным значением G3в, которое вырабатывается в командном блоке (КБ) в зависимости от изменения расхода топлива Gт по заранее составленной режимной карте. Режимная карта может быть скорректирована подачей воздействия (коэффициенте избытка воздуха)[6].

Функциональная схема автоматизации соотношения «топливо-воздух»

Рисунок 2 –Функциональная схема автоматизации соотношения «топливо–воздух»

Заметим, что, поскольку расход топлива меняется регулятором давления пара, приведенную схему следует рассматривать как часть автономной двумерной системы, управляющей одновременно давлением пара и качеством сгорания топлива. Далее рассмотрим способ поддержания оптимального соотношения топливо – воздух котельной установки являющейся управление подачи воздуха на основе анализа состава дымовых газов, в данном случае по сигналу, пропорциональному содержанию кислорода или окиси углерода и формируемому газоанализаторами. Возможная структурная схема системы управления приводом вентилятора показана на рис.3.

Структурная схема системы управления электроприводом вентилятора

Рисунок 3 –Структурная схема системы управления электроприводом вентилятора

Система содержит два контура: основной и дополнительный. Основным контуром регулирования подачи воздуха в топку является контур на основе анализа воздуха по количеству остаточного кислорода в дымовых газах. Обязательным сигналом обратной связи для работы основного контура является аналоговый сигнал от датчика газоанализатора. Сигнал задания на содержание кислорода (задано в микропроцессорном программируемом контроллере) и сигнал обратной связи сравниваются, сигнал рассогласования поступает в систему регулирования на аналоговый или цифровой регулятор Wрег02.

При розжиге котла и на начальном участке его производительности состав отходящих газов мало отличается от состава поступающего в топку воздуха. Поэтому система управления, замкнутая по сигналу газоанализатора, неэффективна, и возникает необходимость в дополнительном контуре. Дополнительный контур работает по заданному соотношению «топливо – воздух». Задающим сигналом для работы системы управления электропривода вентилятора по дополнительному контуру является сигнал датчика давления газа.

4. Методика решения задачи и текущие результаты

Основным контуром регулирования подачи воздуха в топку является контур на основе анализа воздуха по количеству остаточного кислорода в дымовых газах. Обязательным сигналом обратной связи для работы основного контура является аналоговый сигнал от датчика газоанализатора.

Выход концентрации воздуха на уставку 5,7% требует настройки внешнего регулятора по концентрации. Поскольку канал по управлению «концентрация – расход воздуха» обладает большой инерционностью, а также исходя из практики необходимо выбрать ПИД–закон управления:

ПИД-закон управления

Анализ динамики основных элементов каскадной САР был проведен на основе схемы моделирования, приведенной на рис.4

Схема моделирования двухконтурной САР концентрации кислорода в уходящих газах

Рисунок 4 –Схема моделирования двухконтурной САР концентрации кислорода в уходящих газах

Из схемы САР (рис. 4) видно, что выход регулятора концентрации является задающим воздействием для внутреннего контура соотношения «газ –воздух». Далее следует модель внутреннего контура соотношения, рассмотренные выше.

Графики переходных процессов регулятора соотношения, воздуходувки и давления воздуха при отработке уставки концентрации на 5,7%

Рисунок 5 – Графики переходных процессов регулятора соотношения, воздуходувки и давления воздуха при отработке уставки концентрации на 5,7%

Результаты автоматической настройки обеспечили заданные требования по качеству переходного процесса (рис. 5): апериодический характер переходного процесса с перерегулированием 9%; время установления (регулирования) tp=5000сек=1,3 часа.

Переходные характеристики регулятора расхода и производительности воздуходувки с учетом накладываемых ограничений показаны на рис.5.

При моделировании САР проанализируем реакцию переходной характеристики по концентрации кислорода на уменьшение температуры воздуха подаваемого в топку. Изменение, а именно, уменьшение температуры приводит к изменению коэффициента соотношения γ(Qo2)*(1-Δkt), а соответственно и уменьшение задания на расход воздуха. Из рис. 5 видно, что переходной процесс управляющего воздействия имеет плавный апериодический характер без всплесков, не выходит за пределы ограничений, что хорошо с точки зрения технических условий эксплуатации котельной установки.

Регулятор концентрации стремиться стабилизировать заданную концентрацию кислорода на выходе, в течение 2000 секунд отрабатывает изменение уставки по соотношению «топливо–воздух», не выходя за допустимый диапазон по концентрации 5,7±5%, что соответствует предъявляемым требованиям к системе.

Выводы

  1. Анализ существующих САУ позволил сформулировать постановку задачи на управление. Необходимо синтезировать и исследовать САУ ТП горения топлива. Схема регулирования процессом качества горения топлива должна учитывать практически все флуктуации качества топлива, температуры подаваемого в топку воздуха. Это может быть обеспечено за счет каскадного регулирования и возможности работы системы автоматизации, как при нормальной производительности котла, так и в режиме розжига.
  2. Определены основные задачи, решение которых позволит разработать эффективную систему управления с энергоемким управлением.
  3. Получена математическая модель процесса сгорания топлива, являющаяся инерционным объектом с переходным запаздыванием, а также математическая модель исполнительного механизма, учитывающая технологические реальные ограничения на входные и выходные сигналы.
  4. Результаты моделирования доказывают работоспособность САР и возможность применения разработанных систем в котельных установках

    Основные показатели качества регулирования следующие:

    -отсутствие статической ошибки;

    -время регулирования – порядка 1,3 часа;

    -апериодический характер переходных процессов с допустимым перерегулированием равным 9%;

    -удовлетворительное время отработки возмущения по температуре воздуха 0,5 часа.

Список источников

  1. Липов Ю. М. Котельные установки и парогенераторы.–Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика, 2003. – 592 с.
  2. Денисенко В. В. ПИД–регуляторы вопросы реализации часть 2// СТА.2008. № 1. с 86–99
  3. Мухин О.А. Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции: Учеб. Пособие для вузов.– Мн.: Выш.шк.,1986–304с.:ил.
  4. Управление вентилятором [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://studopedia.su/17_44596_upravlenie-ventilyatorom.html.
  5. Мухин В.С., Саков И.А. Приборы контроля и средства автоматики тепловых процессов: Учеб. Пособие для СПТУ.– М.: Высш. шк., 1988.– 256с.: ил.
  6. Регулирование нагрузки котла [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://studopedia.su/17_44593_regulirovanie-nagruzki-kotla.html.
  7. Паровые котлы серии ДКВР [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://mmzavod.com.ua/index.php/produktsiya/parovye-kotly/7-parovye-kotly-serii-dkvr.
  8. Система автоматического управления котельной с одногорелочными котлами малой мощности [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://www.syst.ru/vnedren/kot_mm.htm.
  9. Бейрах 3. Я., Вывод уравнений динамики барабанного парового котла, Автомат. и телемех., 1939, выпуск 2, с89–104 [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://www.mathnet.ru/links/2250ff82389342115dd2781d7d2ea28f/at13912.pdf.
  10. Волошенко В. А.Принципиальные схемы паровых котлов и топливоподач: учебное пособие/ А.В. Волошенко, В.В. Медведев, И.П. Озерова; Томский политехнический университет. – Томск: Изд–во Томского политехнического университета, 2011.–100с.
  11. Бородин И.Ф. Автоматизация технологических процессов: учеб. пособие / И.Ф. Бородин, Ю.А. Судник. – М., 2004. – 344 с.
  12. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем: учеб. пособие / Н.И. Овчаренко; под ред. А.Ф. Дьякова. – М., 2000. – 504 с.
  13. Системы автоматизации котлов [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://engineeringsystems.ru/teplogeneriruyuschiye-ustanovki-sistem-teplosnabzheniya/sistemi-avtomatizacii.php.
  14. Гичёв Ю.А. Источники теплоснабжения промышленных предприятий. Часть І: Конспект лекций: Днепропетровск: НМетАУ, 2011. – 52 с.
  15. Автоматика регулирования работы котлов тлов [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-101-kotly/15.htm.