ДонНТУ   Портал магістрів

Бурда Ілля Володимирович

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра автоматики і телекомунікацій

Спеціальність Управління в технічних системах

Дослідження і розробка системи автоматичного керування технологічним процесом хімічної водоочистки в умовах ТЕЦ – ПВС Донецького металургійного заводу

Науковий керівник: доц., к. т. н., Жукова Наталія Вікторівна

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Формалізація об'єкта управління
• 3. Огляд досліджень та розробок
• 4. Синтез системи автоматичного регулювання рівня pH
• 5. Аналіз динаміки САР рівня рН
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Автоматизація є одним з основних напрямків науково–технічного прогресу. Підвищення продуктивності праці досягається в основному за рахунок підвищення потужності агрегатів і їх автоматизації. До числа найважливіших технологічних процесів на ТЕЦ–ПВС відносяться процеси отримання хімічно чистої води, використовуваної в якості теплоносія. Цех хімічного очищення води – це комплекс потужних установок для попереднього очищення і хімічного знесолення води, що йде на заповнення втрат теплоносія, для пом'якшення води, використовуваної в тепломережі, для очищення конденсату турбін і конденсату, що повертається з виробництва.

Автоматизація водопідготовчих установок, крім зниження трудовитрат на обслуговування і підвищення надійності роботи установки, дає техніко – економічний ефект за рахунок оптимізації і інтенсифікації процесів технологічних процесів і забезпечення отримання води гарантованої якості.

Перехід до вищих стадій автоматизації ХВО, в тому числі до повної автоматизації, включаючи хімічний контроль і логічне управління за допомогою керуючих систем (АСУ), не дає істотного скорочення персоналу (внаслідок збільшення персоналу цеху КВП і А), але значно підвищує надійність роботи обладнання при одночасному підвищенні технічного рівня автоматизованого обладнання і дозволяє значно інтенсифікувати роботу установок і поліпшити умови праці персоналу.

Метою роботи є розробка системи автоматичного регулювання рівнем Рh води, на виході з освітлювача.

1. Актуальність теми

Цех ТЕЦ–ПВС (теплоелектроцентраль – паровоздуходувная станція) розташований на території Донецького металургійного заводу і призначений для забезпечення споживачів технологічною парою, теплом, а також вироблення електроенергії. ТЕЦ–ПВС в зимовий (опалювальний) період працює по тепловому графіку, влітку – по електричному графіку з використанням надлишків доменного і коксового газів.

ТЕЦ–ПВС складається з наступних цехів: котельний цех, машинний цех, хімічне очищення води та електроцех. Безаварійна і економічна експлуатація обладнання ТЕЦ в значній мірі обумовлюється комплексом технологічних заходів з очищення води.

Хімводоочищення призначається для приготування води, придатної для живлення котлів. Поживна вода являє собою суміш конденсату турбін і додаткової води, яка подається з хімводоочищення. Щоб не випадала накип в трубах, що утворюють поверхню нагріву котлів, вода не повинна містити солей [1]. Для видалення солей додаткова вода проходить через систему спеціальних фільтрів, встановлених у будівлі хімводоочистки, яке розташоване на території ТЕЦ–ПВС.

Концентрований вапняне молоко являє собою суспензію, тому в осередку, щоб уникнути осідання частинок вапна, для постійного перемішування підведений повітря.

Насосами–дозаторами вапняне молоко подається в нижній конус освітлювача. Туди ж подається сира вода, попередньо підігріта до температури 35°С і пройшла через воздухоотделітель. Вода піднімається у верхню частину освітлювача, де потрапляє в збірний жолоб, а потім через збірний кишеню в трубопровід, по якому самопливом надходить на механічні фільтри. В освітлювачі проводиться обробка вихідної води вапном, в результаті чого відбувається часткове пом'якшення води, зниження органічних речовин і заліза. Метод заснований на зв'язуванні іонів, що підлягають видаленню, в малорозчинні сполуки, обложені у вигляді шламу, що видаляється потім з оброблюваної води [2].

Вапнувати вода після освітлювачів подається в загальний колектор, звідки надходить на механічні двокамерні фільтри.

2. Формалізація об'єкта управління

Технологічна схема хімічної водоочистки в умовах ТЕЦ–ПВС Донецького металургійного заводу виробляється реагентним способом. Цей метод найбільш широко використовують для нейтралізації кислих стічних вод. Матеріально–інформаційні потоки процесу представлені на рис 2.

Оскільки в кислих і лужних виробничих стічних водах практично завжди присутні іони металів, то дозу реагенту визначають з урахуванням виділення в осад солей важких металів. В якості реагентів використовується гашене Са(ОН)₂ і негашене СаО вапно. Вапно для нейтралізації застосовують у вигляді вапняного молока 5%–й концентрації. Час контакту стічних вод і реагенту для кислих стічних вод, що містять розчинені іони важких металів, має бути не менше 15 хв [3].

На рисунку 3 освітлювач розглянуто як об'єкт управління.

Вихідними параметрами освітлювача є рівень pH води на виході з освітлювача, який необхідно підтримувати на певному значенні для підтримки якості хімічно очищеної води.

Провідним нерегульованим потоком є витрата вапняного молока, а веденим регульованим – витрата вихідної води.

3. Огляд досліджень та розробок

На даний момент найбільш поширені системи управління за відхиленням на основі промислових регуляторів типу ПІД і його варіацій (рис.4).

Р – регулятор рівня pH води в освітлювачі;

ВМ – виконавчий механізм, двигун повертає заслінку подачі вихідної води;

РО – регулюючий орган, заслінка подачі води;

ОУ – об'єкт управління (освітлювач);

Д – вимір рівня pH води на виході з освітлювача.

У замкнутих САР керуючий вплив формується в безпосередній залежності від керованої величини. У замкнутій системі сигнал з виходу датчика Д, що вимірює вихідну величину, надходить на вхід системи.

Для регулювання процесів нейтралізації добре себе зарекомендували безперервні ПІ – або ПІД – регулятори. Для забезпечення стійкого регулювання pH застосовують спеціальні системи з двома регулюючими клапанами. Клапан для грубого регулювання з великим умовним діаметром налаштований на максимальний діапазон зміни вихідного сигналу регулятора. І клапан, службовець для точного регулювання, розрахований на меншу пропускну здатність і налаштований на незначні відхилення рівня pH від заданого значення. Таким чином, при незначному відхиленні pH регулювання ведеться клапаном внутрішнього контуру, якщо відхилення перевищують задану похибку, то клапаном зовнішнього контуру з більшою пропускною здатністю.

4. Синтез системи автоматичного регулювання рівня pH

Спільною особливістю регулювання pH є нелінійність їх статичних характеристик [4], пов'язана з нелінійної залежністю pH від витрати реагентів. На рис.5 показана крива титрування, що характеризує залежність pH від витрати реагенту.

З рис.5 випливає, що діапазон зміни рівня pH становить від 3 ... 14 од. Для різних заданих значень pH на цій кривій можна виділити три характерних ділянки: перший (середній), що відноситься майже до нейтральних середовищ, близький до лінійного і характеризується великим коефіцієнтом посилення. Другий і третій ділянки, відносяться до сильно лужним або кислим середах, мають найбільшу кривизною.

В умовах технологічної схеми очищення вихідної води, що розглядається в бакалаврської роботи, нейтралізація проводиться реагентним способом. Цей метод найбільш широко використовують для нейтралізації кислих вод.

Оскільки в кислих і лужних виробничих стічних водах практично завжди присутні іони металів, то дозу реагенту визначають з урахуванням виділення в осад солей важких металів. В якості реагентів використовується гашене Са(ОН)₂ і негашене СаО вапно. Вапно для нейтралізації застосовують у вигляді вапняного молока 5%–й концентрації. Час контакту стічних вод і реагенту для кислих стічних вод, що містять розчинені іони важких металів, має бути не менше 15 хв [5].

Виходячи з вимог, що пред'являються до рівня pH = 11 од, можна зробити висновок, що при отчистке прагнуть зробити воду більш лужною. Аналізуючи малюнок можна зробити висновок, що робоча точка, в районі якої можна формалізувати процес нейтралізації знаходиться ближче до третього ділянці, але ще в лінійній зоні. Дана обставина дозволить досить точно описати процес нейтралізації диференціальним рівнянням першого порядку з запізненням [6–7].

При аналізі технологічної схеми очищення було встановлено, що подача реагенту (вапняного молока) подається дозатором ДІМБА–40 з постійною продуктивністю 40 м³/год [6]. Витрата вихідної води, яку необхідно нейтралізувати, становить 250 м³/год.

При розробці концепції САР рівня pH, встановлено, що керуючим впливом є потік вихідної води. Тому математична модель об'єкта управління може бути представлена у вигляді передавальної функції по каналу управління «рівень pH – витрата вихідної води» з запізненням:

де , T₀ = 100 c; τ = 40 c. Вибір постійної часу об'єкта обумовлено часом контакту стічних вод і реагенту для кислих стічних вод, яке повинно бути не менше 15 хв.

Схема моделювання ОУ наведена на рис.6. На схемі рівень обмежений реальними технологічно можливими даними 3 – 14 од.

Перехідна характеристика рівня pH приведена на рис. 7. Час перехідного процесу ОУ становить близько 10 хв, плавний апериодический процес без перерегулювання. Таким чином, модель адекватно відображає динаміку і є спроможною. Дана модель ОУ буде базовою при побудові САР рівнем pH.

5. Аналіз динаміки САР рівня рН

Перехідна характеристика рівня рН приведена на рис. 8. На графіку зображено не тільки перехідний процес рН, а й сигнал задає впливу.

З графіка рис. 8. видно, що система відповідає вимогам якості регулювання: час регулювання становить t_p = 20 хв, перерегулирование відсутня, ? = 0%.

Проаналізуємо реакцію САР на можливу зміну витрати реагенту вапняного молока. Зміни витрати реагенту прийнято моделювати у вигляді ступеневої сигналу. На практиці в реальних умовах функціонування САР різкі навантаження не припустимі, однак ступінчасті сигнали корисні з точки зору тестування синтезованих регуляторів на відпрацювання можливих збурень. Припустимо, в момент часу 1200 с витрата реагенту змінився з 40 м³/с до 35 м³/с (рис. 9). Це говорить про те, що очищена вода стане більш нейтральною, про що підтверджує рівень рН, що зменшується до 10 од. З графіка рис.9 видно, що система відпрацьовує обурення з подачі реагенту за 20 хв, що відповідає вимогам, що пред'являються до об'єктів даного класу.

На рис.10 наведені графіки перехідних процесів витрати вихідної води, а також ходу регулюючого органу.

Графіки рис.10 підтверджують правильність функціонування САР. При зменшенні витрати реагенту, витрата вихідної води також зменшується щоб уникнути отримання кислого середовища. При цьому РО працює в нормальному режимі в районі 70%, що дозволяє відпрацьовувати обурення як на відкриття, так і закриття. При розглянутому обурення РО трохи закривається, щоб зменшити витрату регульованого потоку вихідної води. [8]

На графіках рис.11 наведені виходи регуляторів зовнішнього контуру – рівня рН і внутрішнього контуру – витрати вихідної води.

Вихідний сигнал зовнішнього регулятора рН (рис.11) фактично встановлює співвідношення потоків вихідної води і вапняного молока. З верхнього графіка випливає, що коефіцієнт співвідношення потоків дорівнює близько 5 од. При зменшенні витрати реагенту регулятор рН, прагнучи відновити заданий рівень рН, відпрацьовує збільшує коефіцієнт співвідношення з 5 од. до 7 од. При моделюванні вихідний сигнал регулятора рівня обмежений можливим діапазоном зміни коефіцієнта співвідношення.

Вихідний сигнал регулятора витрати вихідної води (рис.11) також обмежений необхідним діапазоном 4..20мА і при відпрацюванні збурень не перевищує обмеження, що дає можливість для технічної реалізації даної схеми регулювання.

На рис.12 наведено графік перехідного процесу рівня рН, що відображає зміну задає впливу по рН. У момент часу 2500 сек. відбувається поетапне зміни завдання рівня рН з 10 од. до 8 од. Зміна сигналу уставки САР відпрацьовує за 15 хв., Що відповідає заданим вимогам.

Висновки

1. Отримана математична модель процесу нейтралізації, що є інерційним об'єктом з перехідним запізненням, а також математична модель виконавчого механізму, регулюючого органу, що враховують технологічні реальні обмеження на вхідні і вихідні сигнали.

2. Складена комплексна модель САР, яка є каскадної двоконтурної. П роведен синтез САР. Як законів регулювання по каналу управління рівень рН – витрата вихідної води обраний ПІД–закон, а по каналу регулятора співвідношення потоків вихідної води і вапняного молока ПІ–закон. [9–10] Параметри регуляторів були автоматично оптимізовані засобами блоку PID-control.

3. Результати моделювання показують працездатність САР і можливість застосування розроблених систем, основними показниками якості яких, виступають:

– відсутність статичної помилки;

– час регулювання – близько 20 хв;

– апериодический характер перехідних процесів без перерегулювання

– задовільний час відпрацювання сигналів уставок і збурень;

– компенсація як контрольованих, так і неконтрольованих збурень за рахунок обраного принципу управління по відхиленню.

Перелік посилань

1. Моїсеєв Б.В. Водопідготовка і водний режим котельних установок: Навчальний посібник для студентів очної та заочної форми навчання, спеціальності 140104 Промислова теплоенергетика до курсової та дипломної роботи по Котельням установкам і парогенераторів . – Тюмень: ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2010. — 79 с.
2. Водопідготовка: Процеси і апарати: Учеб. посібник для вузів / Під ред. О.І. Мартинової. — М.: Атомиздат, 1977. — 352 с.
3. Л.О. Штріплінг, Ф.П. Туренко Основи очищення стічних вод і переробки твердих відходів Навчальний посібник — Омськ: Изд—во ОмГТУ, 2005. — 192 с.
4. Л.О. Штріплінг, Ф.П. Туренко Основи очищення стічних вод і переробки твердих відходів Навчальний посібник — Омськ: Изд—во ОмГТУ, 2005. — 192 с.
5. Методи і споруди для очистки стічних промислових вод .
6. В.Д. Дмитрієв Експлуатація систем водопостачання, каналізації та газопостачання. М .: Книга по требованию , 2005, с.379.
7. В. Денисенко ПІД регулятори: питання реалізації (частина друга): Журнал Сучасні технології автоматизації.
8. Глинков Г.М. та ін. Контроль і автоматизація металургійних процесів: Учеб. для ВНЗ / Глинков Г.М. Косирев А.А. Шевцов Є.К. ; Під наук. ред. Глінкова Г.М. — М.: Металургія 1989. — 352с.
9. Клюєв, А.С., товарно А.Г. Налагодження систем автоматичного регулювання котлоагрегатів. М., Енергія , 1970р. — 270 с.
10. Чистяков В.С. Короткий довідник по теплотехнічних вимірів. — М: Вища школа, 1990. — 320с.