ДонНТУ   Портал магістрів

Ященко Крістіна Ігоревна

Факультет Комп’ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра Автоматики та телекомунікацій

Спеціальність Управління в технічних системах

Розробка та дослідження системи автоматичного керування районною котельні м. Ясинувата

Науковий керівник: к. т. н., доц.Федюн Роман Валерійович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Введення
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання дослідження
• 3. Аналіз технологічної схеми водогрійної котельні з котлами типу КВГ–6,5
• 4. Аналіз водогрійного котла як об'єкт управління
• 5. Структурна схема САУ
• 6. Математичний опис елементів САУ
• 7. Синтез регулятора температури
• Висновки
• Список літератури

Введення

Обладнання більшості теплових станцій експлуатується 15–20 і більше років, його фізичний ресурс вичерпаний, воно морально застаріло. Найкращим рішенням в цій ситуації є розробка комплексних інтегрованих автоматизованих систем управління технологічним процесом (АСУ ТП) замість застарілих систем, а також впровадження сучасного технологічного устаткування, що дозволяє максимально використовувати можливості систем управління і тим самим досягти якісно нового рівня технології. Впровадження таких систем дозволить знизити аварійність процесу, більш раціонально використовувати обладнання і економити енергоресурси. А також реалізовувати широке коло екологічних заходів і підвищити загальну культуру виробництва.

1. Актуальність теми

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

– знизити експлуатаційні витрати на процес виробництва теплової енергії в умовах районної котельні;

– підвищити ефективність управління об'єктом;

– збільшити річний економічний ефект;

– підвищити економію ресурсів (газу).

2. Мета і завдання дослідження

Мета роботи – розробити систему автоматичного регулювання співвідношення тиску газу в залежності від температури навколишнього середовища.

Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання:

1. Виконати аналіз особливостей функціонування водогрійного котла КВГ–6,5
2. Записати математичний опис елементів САУ
3. Синтезувати регулятор температури
4. Розробка схемотехнічних рішень по системі автоматичного керування котлом КВГ–6,5

3. Аналіз технологічної схеми водогрійної котельні з котлами типу КВГ–6,5

Об'єктом автоматизації є котельня з котлами типу КВГ–6,5. Котельня призначена для опалення виробничих і житлових будівель, а також об'єктів соціального та культурно–побутового призначення. Розглянута районна котельня міста Ясинувата обладнана трьома водогрійними котлами КВГ–6,5 (рис.1).

Котел – теплообмінний пристрій, в якому тепло від гарячих продуктів горіння палива передається воді. Водогрійний котел прямоточного типу складається з трубної системи, укомплектованої в єдиному транспортабельної блоці. Узагальнена технологічна схема водогрійного газового котла наведена на рис.2.

До пальника котла підводять газ і повітря. Повітря подається дутьевим вентилятором. Пальна суміш, яка утворюється в пальнику, запалюється і віддає тепло в топкову камеру. В результаті процесу горіння утворюються газоподібні продукти – димові гази. Їх відсмоктує димосос, а потім викидає в атмосферу. Спалювання здійснюється факельним способом. 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 чинником тривалості горіння є час, витрачений на перемішування газу з повітрям у 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 розрідження і забезпечується повне видалення продуктів згоряння.

Повітря повиненно подаватися в такій кількості, щоб забезпечити повне спалювання палива (1:10) і при цьому виділяється вуглекислий газ СО₂ і пари води Н₂О. Якщо повітря недостатньо, то крім неповноти спалювання, тобто економічних втрат буде забруднення атмосфери так як при цьому виділяються сажа і чадний газ СО, це не припустимо, оскільки СО діє на організм отравляюще, а сажа осаджуючись на поверхнях котлів призводить до перевитрати палива і забруднення атмосфери. Таким чином, необхідно регулювати співвідношення паливо–повітря. Для роботи котла на газовому паливі застосовані 3 подові пальники з прямою щілиною, які встановлюються між секціями вертикальних топкових екранів. Пальник має два ряди отворів діаметром 1,5 мм, розташованих у шаховому порядку.

4. Аналіз водогрійного котла як об'єкт управління

Водогрійна котельня призначена для нагріву води, яка використовується для опалення приміщень. Об'єкт управління – котли, які встановлені послідовно. Вода подається насосами і проходить через них. В котлах знаходяться пальники, до яких підводяться газ і повітря. Повітря подається дутьевим вентилятором, а газ через газо–розподільний пристрій. Пальна суміш, яка утворюється в пальнику, запалюється і віддає тепло в топкову камеру. Так вода нагрівається і подається споживачу. Важливий вплив має температура зовнішнього повітря, щодо якої змінюється кількість газу.

Вихідним впливом є нагріта вода і димові гази, які відсмоктує димосос і викидає в атмосферу .

На функціональній схемі (рис.3) видно, що об'єкт – котел має вхідні впливи – температуру води (Т_в.), тиску газу(Р_г.) і тиск повітря (Р_в), пройшовши через котел на вихід йде підігріта вода(Т_в.) і димові гази(Р_дг.) як результат горіння газу та повітря. Так само важливий вплив має температура зовнішнього повітря(Т_о.с), щодо якої і потрібно регулювати тиск газу.

5. Структурна схема САУ

На рисунку 4 показана структурна схема системи автоматичного керування температурою води на виході з водогрійного котла КВГ – 6,5.

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

Таким чином, згідно структурної схеми САУ (рис.4) необхідно отримати модель елементів САУ, а також виконати синтез алгоритму керування, що реалізуються регулятором температури води РТ.

6. Математичний опис елементів САУ

Згідно структурної схеми САУ (рис.4), об'єктом управління є водогрійний котел, вихідний величиною якої є температура води на виході котла ТЕ(t), а вхідними величинами – витрата газу FE(t), витрата повітря FВ(t) і температури Т(t). Звідси можна отримати структурну схему моделі водогрійного котла, яка наведена на рис.5.

Експериментальним шляхом визначено зміна витрати газу і температури мережної води на виході з котла КВГ–6,5 при зміні положення регулюючого клапана на 10%, що наведено на рис. 6.

З графіків (рис. 6) видно, що при зміні положення регулюючого органу на 10% витрата газу на котел зміниться по експоненті з 230 м³/годину до 255 м³/год, а температура мережної води на виході з котла зміниться з 90 ºС до 95 ºС транспортним запізнюванням.

Передатна функція за допомогою зміни температури мережної води на виході з водогрійного котла (згідно рисунку 6) буде мати вигляд:

а час перехідного процесу 180 секунд (виходячи з рис.6)

підставивши коефіцієнти, отримаємо:

При спалюванні палива в топкову камеру має бути певна кількість повітря, що містить кисень для горіння. Для спалювання 1 кг палива необхідно подати кількість повітря з коефіцієнтом передачі k_c, цей коефіцієнт індивідуальний для кожного котла і виду палива і в нашому випадку k_c=0,1. Тобто для того, щоб процес горіння був максимально економічним необхідно подати 1 частина палива і 10 частин повітря. Де

а час перехідного процесу 180 секунд (виходячи з рис.6) ,підставивши коефіцієнти, отримаємо:

Для передатної функції W_т(р) час перехідного процесу 180 секунд ,k_в – буде мати вигляд:

передатна функція W_т(р)

В якості виконавчого механізму, що змінює витрату подається в котел газу, є електричний однооборотный механізм (МЕО–100), який управляє дисковим затвором. Номінальний час повного ходу – 25 секунд, а k_МЭО:

Передатна функція W_мэо(p) може бути описана:

В якості виконавчого механізму, що змінює кількість (витрата) подається в котел повітря, є відцентровий дутьевой вентилятор ВДН– 9 з асинхронним приводним електродвигуном 4А1606УЗ.

Ця передавальна функція справедлива для випадку, коли потокозчеплення статора є величина постійна. Динамічні властивості дуттєвого вентилятора ДДН–9 з достатнім ступенем точності можна описати інерційною ланкою першого порядку з наступною передавальної функцією:

де k_вд – коефіцієнт передачі вентилятора дуттєвого:

T_дв – постійна часу дуттєвого вентилятора,Т_дв=2,5с.

7. Синтез регулятора температури

ПІД – регулятор реалізує самий гнучкий закон управління, який ефективний при управлінні складними об'єктами. Передатна функція пропорційно – інтегрально – диференціального закону регулювання:

Так як об'єкт управління – водогрійний котел містить ланка запізнення, то для вибору закону регулювання застосовується метод налаштування, який заснований на використанні кривої перехідного процесу, отриманої при ступінчастій зміні задаючої дії (рис.6).

По кривій перехідного процесу отримали наступні параметри:

Наведеної кривої розгону відповідають передавальні функції наступного виду:

деа параметри T і визначаються експериментально – проведенням дотичній до перехідній характеристиці об'єкта (рис.6).

Підставивши передатну функцію об'єкта в передатну функцію регулятора, ідеальну для об'єктів із запізненням

і зробивши наближену заміну, допустиму в області низьких частот

отримаємо

Для об'єкта, що має інерційну частина другого порядку, найкращим буде ПІД–регулятор. Дійсно, якщо підставити передатну функцію в загальну формулу ідеального регулятора і врахувати заміну, то отримаємо:

Для найбільш раціональної апроксимації об'єктів з s –подібною перехідною характеристикою – моделі з двома однаковими сталими часу параметри ПІД–регулятора повинні бути рівні:

Підставивши в структурну схему САУ настроювальні параметри ПІД–регулятора, отримали модель замкнутої САУ температурою води на виході водогрійного котла з ПІД–законом управління, яка в термінах пакета simulink наведена на рис. 7.

Для оцінки якості управління в САУ з розробленим ПІД–законом управління виконано моделювання процесу зміни температури води на виході водогрійного котла при зміні збурюючої дії на 20ºС (в момент часу t=1500 c) і зміни задаючого впливу на 20ºС (в момент часу t=2000 c).

Виконане моделювання з використанням даної моделі показало задовільну якість управління температурою води на виході водогрійного котла (рис.8), як за допомогою задаючого впливу, так і за каналом збурюючої дії.

В САУ з ПІД–регулятором спостерігається відсутність усталеної помилки управління, як за допомогою задаючого впливу, так і за каналом збурюючої дії (рис.8). Також покращився швидкодію САУ по обох каналах управління порівняно з САУ без регулятора.

На рисунку видно, чітко виражені значення перехідних характеристик. Червоним кольором показана реакція системи з ПІД–регулятором. До моменту часу 1500с. система працює стабільно при 70 ºС. В момент часу 1500с надходить рівноваги вплив. Після цього моменту спостерігаємо реакцію системи на рівноваги вплив і температура підвищується до 90 ºС.

Висновки

В даній роботі виконаний теоретичний синтез регулятора температури води на виході водогрійного котла. Отриманий математичний опис водогрійного котла показало, що він є статичним об'єктом із запізненням. З урахуванням цієї особливості здійснено вибір ПІД–закон управління та визначено його настроювальні параметри. Виконане в даній роботі моделювання показало задовільну якість управління температурою води на виході водогрійного котла, як за допомогою задаючого впливу, так і за каналом збурюючої дії.

Список літератури

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