Ахметжанов Равиль Дамирович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Анализ водогрейного котла ТВГ-8М как объекта автоматизации
• 3.1 Формализация объекта управления
• 4. Разработка структурной схемы САУ
• 5. Разработка математических моделей основных элементов САУ
• Выводы
• Список источников

Введение

Технологические процессы, происходящие в котельном агрегате во время его работы, характеризуются рядом взаимосвязанных параметров. Изменение одного из них должно отражаться на всех остальных параметрах: давлении пара, количестве подаваемого воздуха, количестве подаваемого в топку топлива и отсасываемых дымовых газах, расходе питательной воды.

Автоматизация котельных предусматривает осуществление автоматического регулирования производственного процесса, автоматический теплотехнический контроль, дистанционное управление и сигнализацию об отклонениях от нормального эксплуатационного режима. Автоматизация котельных установок может быть частичной, при которой осуществляется автоматизация отдельных видов оборудования, или комплексной, при которой эксплуатация котельной установки происходит без постоянного обслуживающего персонала.

В процессе эксплуатации котлов, оснащенных релейно-контактной автоматикой, нередко возникают аварийные режимы. Для определения предаварийных режимов необходим определенный уровень квалификации обслуживающего персонала, а своевременное регулирование процесса производства тепловой энергии требует постоянного наблюдения за параметрами процесса со стороны оператора. Конечно, промышленность и сейчас выпускает широкий диапазон водогрейных и паровых котлов. Но, к сожалению, большинство систем автоматики, поставляемых в комплекте с котельными установками, по-прежнему реализовано на основе релейно-контактных элементов. Кроме того, большое количество котельных установок, эксплуатируемых практически во всех котельных, имеют еще достаточный запас ресурса, их полная замена не оправданна.

Основной задачей автоматизации котельной установки является регулирование: подачи воздуха и топлива в зависимости от нагрузки котлов при условии поддержания постоянным давления пара в паровых котлах или температуры воды в водогрейных котлах.

Автоматическое регулирование подачи воздуха и топлива в зависимости от нагрузки котла, температуры воды в заданных пределах и регулирование тяги (разрежения в топке) называется автоматизацией процесса горения.

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;
• повысить экономию по ресурсам (газа);
• увеличить годовой экономический эффект.

2. Цель и задачи исследования

Цель разработки – повышение эффективности процесса нагрева воды в котлах за счет разработки системы автоматического управления, что позволит поддерживать постоянную температуру воды на выходе из котла, а также снизить эксплуатационные затраты на процесс её нагрева.

Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ особенностей функционирования водогрейного котла ТВГ-8М
2. Разработать структурную схему САУ.
3. Выполнить синтез САУ.
4. Проверить работоспособность системы.

3. Анализ водогрейного котла ТВГ-8М как объекта автоматизации

Котельная системы централизованного теплоснабжения городского микрорайона предназначена для отопления производственных и жилых зданий, а также объектов социального и культурно-бытового назначения. Чаще всего, такие котельные реализуются на основе водогрейных котлов, которые работают на природном газе.

Котельная предназначена для нагрева рабочей жидкости (воды) для системы отопления или пароснабжения, расположена в одном техническом помещении, используются при централизованном теплоснабжении зданий. Рассматриваемая районная котельная оборудована водогрейными котлами ТВГ-8М (рис.1).

На рис. 1 обозначены: 2 – сетевой насос; 3 – рециркуляционный насос; 4 – питательный насос; 6 – бак подпитывающей воды; 7 – водоподготовительная установка; 8 – подогреватель сырой воды; 9, 10 – подогреватели химочищенной воды; 11 – дефэратор; 12 – охладитель испарения; 13 – линия перепускания.

Водогрейный котел – это устройство, предназначенное для получения горячей воды за счет тепла, выделяемого при сжигании топлива. Теплофикационный водотрубный газовый водогрейный котел ТВГ-8М представляет собой прямоточный секционный теплогенератор с принудительной циркуляцией воды, оборудованный отдельным дымососом и вентилятором. Обобщенная технологическая схема водогрейного газового котла приведена на рис.2.

Котлел ТВГ-8М оборудуют подовыми диффузионными горелками (4 шт.), воздух к которым подают дутьевым вентилятором ДВ (без принудительной подачи воздуха к горелкам котлы удовлетворительно работают при нагрузках до 40% номин.). Горелки устанавливают в отсеках котла между двухсветными экранами, каждая из горелок имеет два ряда отверстий, диаметром 1,5 мм, расположенных в шахматном порядке. Горючая смесь, которая образуется в горелке, воспламеняется и отдает тепло в топочную камеру. В результате процесса горения образуются газообразные продукты – дымовые газы. Они поступают в конвективный газоход через проем высотой 800 мм над разделительной стенкой, а затем дымосос ДС выбрасывает их в атмосферу. Температура отходящих газов за котлом 190—210°С.

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. Если достигнуть соотношения расхода воздуха в соответствии с подачей топлива, процесс сжигания будет осуществляться с максимальной экономичностью.

Для уменьшения интенсивности наружной коррозии труб водогрейных котлов необходимо поддерживать температуру воды на входе в котлы выше температуры точки росы дымовых газов. Минимально допустимая температура воды на входе в котлы при работе на природном газе равна 70 °С. Для обеспечения этого необходимо подавать некоторое количество горячей воды, вышедшей из водогрейных котлов, снова на вход в котел для смешения с водой из обратного трубопровода и подпиточной водой. Линию, по которой перекачивают нагретую воду с выхода котла на его вход, так же, как и специальный насос РН, называют рециркуляционными (рис. 2).

Наличие линий рециркуляции и перепуска воды приводит к специфичным режимам работы водогрейных котлов. Водогрейные котлы надежно работают лишь при условии поддержания постоянства количества воды, проходящей через них. С другой стороны, при качественном регулировании теплопотребления в стационарном режиме требуется постоянство расхода теплоносителя в тепловой сети, постоянство разницы давлений в прямом и обратном трубопроводах у потребителя для реализации проектных гидравлических настроек теплопотребления. Ручная настройка операторами вышеперечисленных контуров регулирования с помощью обычных задвижек без средств автоматизации, регуляторов не приводят к экономически оправданным результатам.

В котельной одновременно как, правило, работают 2 котла, поэтому целесообразно использовать каскадно-связанное регулирование с главным регулятором. Он воспринимает изменение температуры наружного воздуха и температуры прямой воды, т.е. в общем коллекторе. Воздействует главный регулятор на регуляторы топлива всех котлов. Кроме того, на регулятор топлива подается сигнал от датчика температуры воды на выходе из котла и от датчика температуры обратной воды. Таким образом, подача топлива изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха, температуры в общем коллекторе, температуры воды за котлом и температуры обратной воды.

Воздух должен подаваться в таком количестве, чтобы обеспечить полное сжигание топлива. Если воздуха недостаточно, то кроме неполноты сжигания будет ещё и загрязнение атмосферы. Если воздуха будет избыток, то будет унос тепла в трубу. Таким образом, необходимо регулировать соотношение топливо-воздух.

Топливо может идти разного качества, и расчетный коэффициент соотношения может оказаться не оптимальным. Для повышения качества необходимо контролировать полноту сжигания топлива по содержанию кислорода в дымовых газах. Таким образом, регулятор воздуха будет изменять подачу воздуха в зависимости от расхода топлива, расхода воздуха, с коррекцией по содержанию кислорода в дымовых газах.

Для процесса горения в топке должно быть создано разряжение, если оно будет недостаточным, то возможно погасание пламени. Если слишком велико, то отрыв пламени от горелки. Разряжение регулируется в зависимости от расхода воздуха, изменением производительности дымососа.

3.1 Формализация объекта управления

Выполненный выше анализ особенностей водогрейного котла позволяет получить схему основных каналов управления и взаимосвязи технологических параметров (рисунок 3).

Управляющими величинами, являются:

1. расход газа F_в(м³/ч);
2. расход воздуха F_г(м³/ч);
3. температура воды °С.

4. Разработка структурной схемы САУ

На основании выполненного ранее анализа особенностей применяемого водогрейного котла как объекта автоматизации, а также принимая во внимание концепцию построения САУ, разработана структурная схема системы автоматического управления водогрейным котлом (рис 4).

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

5. Разработка математических моделей основных элементов САУ

Согласно структурной схеме САУ (рис. 5) получим модель элементов САУ. Отсюда можно получить структурную схему модели водогрейного котла, которая приведена на рисунке 5.

На рисунке 5 показано, что объектом управления является водогрейный котел, выходной величиной которой является температура воды на выходе котла Т_E (t), а входными величинами – расход газа F_E(t), расход воздуха F_B(t) и обратная температура Т(t).

Экспериментальным путем определено изменение расхода газа и температуры сетевой воды на выходе из котла ТВГ-8М.

Реальные значения величин k, T и τ находят из экспериментальных данных или конструктивных расчетов.

Передаточная функция по каналу изменения температуры сетевой воды на выходе из водогрейного котла будет иметь вид:

где – передаточная функция объекта без запаздывания.

а время переходного процесса 180 секунд, подставив коэффициенты, получим:

При сжигании топлива в топочную камеру должно быть определенное количество воздуха в нашем случае K_c=10. То есть для того чтобы процесс горения был максимально экономичным необходимо подать 1 часть топлива и 10 частей воздуха. Тогда передаточные функции W_B(p) и WT(p) будут иметь вид:

В качестве исполнительного механизма, изменяющего расход подаваемого в котел газа, является электрический однооборотный механизм (МЭО) который управляет дисковым затвором. Номинальное время полного хода – 30 секунд. Он может быть описан следующей передаточной функцией:

В качестве исполнительного механизма, изменяющего количество (расход) подаваемого в котел воздуха, является центробежный дутьевой вентилятор ВДН-11.2, который описан следующей передаточной функцией:

где T_M – электромагнитная постоянная времени электродвигателя, с;

T_ЭМ – механическая постоянная времени электродвигателя, с;

kД – коэффициент передачи электродвигателя.

Динамические свойства дутьевого вентилятора ВДН-11.2 с достаточной степенью точности можно описать инерционным звеном первого порядка со следующей передаточной функцией, гдеT_ВД – постоянная времени дутьевого вентилятора, T_ВД=2с и коэффициент передачи дутьевого вентилятора k_ВД равен:

где T_T = 15-20 – постоянная времени термопары, с;

m_T – номинальный статический коэффициент преобразования (крутизна характеристики) термопары, мВ/°С.

В качестве типового регулятора выбираем ПИД-регулятор. Так как он является универсальным. Используя этот регулятор можно получить любой закон регулирования, так как в него входят все составляющие других законов. Еще одним достоинством ПИД-регулятора является его возможность упреждать ожидаемое отклонение регулируемой величины, реагируя только на уже имеющееся отклонение. Он вырабатывает дополнительное регулирующее воздействие, пропорциональное скорости отклонения регулируемой величины от заданного значения.

Для настройки параметров регулятора используются возможности пакета Simulink. При нажатии на кнопку Tune в окне параметров блока PID Controller производится автоматическая настройка выбранного регулятора.

В результате автоматической настройки получены следующие значения параметров регулятора температуры: k_П=2.762; k_И=0.01; k_Д=-46.463.

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 20 °С (в момент времени t=1500 c) и изменении задающего воздействия на 20 °С (в момент времени t=2000 c).

Выводы

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

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

Список источников

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.