Система управления котлом

Содержание

 

Аннотация 4

ВВИДЕНИЕ 5

1 Описание технологического процесса 7

2 Разработка системы оптимального управления паровым котлом 12

2.1 Разработка математической модели процесса парообразования 12

2.2 Формулировка задачи оптимального управления 19

3 Описание схемы автоматизации 26

3.1 Обоснование точек контроля, регистрации, регулирования и сигнализации 26

3.2 Обоснование выбранной системы (систем) средств автоматизации 31

3.3 Описание локальных контуров регулирования 34

4 Обоснование контура регулирования, подлежащего расчету 41

5 Проведение эксперимента 44

5.1 Подготовка и проведение эксперимента 44

5.2 Снятие кривой разгона по основному каналу 48

5.3 Снятие кривой разгона по внутреннему каналу 52

5.4 Снятие кривой разгона по каналу возмущения 53

6 Обработка экспериментальных данных 55

6.1 Обработка кривой разгона основного канала 56

6.2 Обработка кривой разгона внутреннего канала 62

6.3 Обработка кривой разгона внешнего возмущения 65

7 Расчет схемы регулирования 72

7.1 Расчет одноконтурной системы регулирования 72

7.2 Расчет каскадной системы регулирования 74

7.3 Расчет комбинированной системы регулирования 81

8 Моделирование рассчитанной системы регулирования 86

8.1 Переходные процессы в одноконтурной системе регулирования 86

8.2 Переходные процессы во внутреннем контуре каскадной системы регулирования 90

8.3 Переходные процессы в каскадной системе регулирования 94

8.4 Переходные процессы по возмущению в комбинированной системе регулирования без компенсирующего устройства и с компенсирующим устройством 98

9 Анализ качества переходных процессов и выбор системы регулирования 102

10 Реализация рассчитанной системы регулирования 109

10.1 Описание рассчитанной системы управления 109

10.2 Программная реализация каскадно-комбинированной САР 118

10.3 Описание схемы сигнализации и блокировок 122

11 Монтаж средств автоматизации 128

12 Расчет регулирующего органа поз. 29в на подаче питательной воды в котел 138

13 Разработка системы плавного переключения между фильтрами №1 и №2 с автоматической регенерацией отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды 146

13.1 Постановка проблемы 146

13.2 Способ решения проблемы 147

13.3 Имитационное моделирование на основе сетей Петри 157

14 Надежность средств автоматики 164

15 Охрана труда и безопасность жизнедеятельности 168

15.1 Охрана труда в РФ 168

15.2 Свойства используемых и получаемых веществ 171

15.3 Классификация производства 174

15.4 Мероприятия по технике безопасности 176

15.5 Санитарно-технические мероприятия 180

15.6 Пожарная безопасность 182

15.7 Расчет предохранительного клапана на пару котла ДКВР 20-13 183

16 Экономическая часть 190

16.1 Анализ рыночных перспектив и производственных возможностей ОАО «Уралкалий» 190

16.2 Анализ действующего производства 191

16.3 Расчет производственной мощности на БКПРУ-3 ОАО «Уралкалий» 195

16.4 Экономические расчеты и обоснования по проекту 201

16.5 Расчет численности персонала и расходов на оплату труда 204

16.6 Расчет калькуляции себестоимости пара 213

16.7 Сравнительный анализ себестоимости пара 217

16.8 Анализ и оценка изменения себестоимости производства пара по технико-экономическим факторам 218

16.9 Расчет основных экономических показателей производства 223

Заключение 237

Список литературы 239

 

 

Аннотация

 

Темой данного дипломного проекта  является автоматизация процесса парообразования  в котле ДКВР-20-13 на  «Третьем Березниковском калийном производственном рудоуправлении» ОАО «Уралкалий». Данный дипломный проект освещен в основных разделах.

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой в дипломной  работе темы.

В первом и втором разделах дается краткое описание оборудования и  технологии ведения процесса парообразования, производится моделирование и расчет системы оптимального управления. В  разделе оптимального управления разработана  система оптимального управления паровым  котлом. По критерию удельный расход попутного  газа на 1 Дж тепла, передаваемого потребителю. Оперативно определяются оптимальные  значения расхода попутного газа и воды, являющиеся заданиями в  контуры их стабилизации на нижнем уровне.

В третьем и четвертом представлена информационная модель, приводится обоснование  параметров, подлежащих контролю, регулированию  и сигнализации, обосновываются решения  по автоматизации, выбираются средства автоматизации, так же производится обоснование контура регулирования  подлежащего расчету и переход  к структурной схеме для расчета.

В пятом, шестом и седьмом разделах проводится снятие экспериментальных  кривых разгона по основному, внутреннему  и возмущающему каналам и их обработка. Производится аппроксимация кривых разгона, и определяются передаточные функции. Переходные процессы моделируются в пакете «MATLAB». Подбираются оптимальные настройки регулятора в программе «Калькулятор передаточных функций» и определяется наилучшая АСР.

В девятом разделе производится анализ качества переходных процессов, полученных в предыдущем разделе.

В десятом разделе рассмотрена  реализация каскадно-комбинированной АСР на микропроцессорном контроллере SIMATIC S7-300 и описывается сигнализация для данного процесса.

В одиннадцатом разделе описывается  монтаж средств автоматизации.

В двенадцатом разделе приводится расчет регулирующего органа и его  выбор.

В тринадцатом разделе дипломного проекта, разрабатывается система  плавного переключения между фильтрами  №1 и №2 с автоматической регенерацией отсеченного Na-катионитового фильтра 2 ступени умягчения воды.

В четырнадцатом разделе производится расчет надежности каскадной системы  автоматического регулирования (управления) уровня в барабане котла.

В пятнадцатом разделе рассмотрены  основные направления государственной  политики в области охраны труда, мероприятия по ТБ и произведен расчет предохранительного клапана на пару котла ДКВР 20-13.

В шестнадцатом разделе рассчитывается экономический эффект и срок окупаемости  проекта.

В заключении дается краткое описание проделанной работы и ее результаты.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

На химических предприятиях автоматизации  уделяется особое внимание. Это объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, чувствительностью их к нарушению режима, вредностью условий работы, взрыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ и т.д. В сложных технологических процессах отклонение параметра от нормы может привести к авариям, взрывам, пожарам, порчи большого количества сырья.

Автоматизация в настоящее время  развивается особенно динамично, она  проникает во все сферы человеческой деятельности и характеризуется широким внедрением вычислительной техники, открывающим путь к резкому повышению производительности труда.

Автоматизация приводит к повышению  основных показателей эффективности производства: увеличению количества, повышению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшает затраты сырья и энергии, обеспечивает уменьшение численности основных рабочих, снижение капитальных затрат на строительство зданий, удлинение сроков межремонтного пробега оборудования.

Проведение некоторых современных  технических процессов возможно только при условии их полной автоматизации (процессы, осуществляемые на атомных  установках, в паровых котлах высокого давления и другие). При ручном управлении такими процессами малейшее замешательство человека и несвоевременное воздействие его на процесс могут привести к серьёзным последствиям.

Комплексная автоматизация процессов (аппаратов) химической технологии предполагает не только автоматическое обеспечение нормального хода этих процессов с использованием различных автоматических устройств (контроля, регулирования, сигнализации), но и автоматическое управление пуском и остановкой аппаратов для ремонтных работ и в критических ситуациях.

Автоматизация это высший этап машинного производства, когда человек частично или полностью освобождается от выполнения операций регулирования и управления.

Цель дипломного проекта – произвести автоматизацию процесса парообразования в котле ДКВР-20-13 на  «Третьем Березниковском калийном производственном рудоуправлении» ОАО «Уралкалий».[1]

 

1. Описание технологического процесса

 

Современная котельная установка  представляет собой сложное техническое сооружение. Она состоит из котельного агрегата ДКВР-20-13 и котельного вспомогательного оборудования. Продукцией котельного цеха является насыщенный водяной пар требуемых параметров, используемый на технологические нужды.

В состав котельного агрегата входят: паровой котёл, топка, водяной экономайзер, обмуровка, а также арматура.

Котёл типа ДКВР-20-13 представляет собой  вертикально-водотрубный двухбарабанный паровой котёл с естественной циркуляцией. Котёл имеет два одинаковых по длине и диаметру барабана. Топочная камера полностью экранирована трубами. Для повышения экономичности работы котёл снабжают чугунным водяным экономайзером, который позволяет снизить температуру уходящих газов.

К вспомогательному котельному оборудованию относятся тягодутьевые и питательные устройства, оборудование водоподготовки, топливоподачи, системы шлакозолоудаления и золоулавливания, а также контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации.

В качестве основного топлива на производстве используется попутный нефтяной газ, в качестве резервного топлива мазут.

Ниже на рисунке 1.1 приведена структура  производства пара.

 

Рисунок 1.1 – Структура производства пара

 

Насыщенный водяной пар используется на технологические нужды других основных цехов, горячая хозяйственно-питьевая вода поступает в систему хозяйственно-питьевого  водоснабжения и используется на хозяйственно-бытовые нужды. Характеристики основного сырья и энергоресурсов приведены ниже в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1

Характеристики основного сырья  и энергоресурсов

№ п/п	Наименование	Показатель	Норма
1	2	3	4
1	Исходная вода	Общая жесткость, мг·экв/дм3 Щелочность общая, мг·экв/дм3 Хлориды, мг·экв/дм3	22,0 1,5-2,6 Не нормируются
2	Кварцевый песок	Размер зерен, мм	0,5-1,5
3	Катионит марки КУ2-8 ГОСТ 20298-74	Размер зерен, мм	0,3-1,25
4	Топливо нефтяное мазут ГОСТ 10585-99, Марка 100	Вязкость кинематическая, сСт при 80 °С, не более Температура вспышки в  открытом тигле, °С, не более Массовая доля механических примесей, %, не более Массовая доля воды, %, не более  Теплота сгорания (низшая) в  пересчете на сухое топливо кДж/кг, не менее	118   110   1,0 1,0 39900
5	Попутный нефтяной газ	Теплота сгорания низшая, МДж/м3 (ккал/м3) при 20°С и 101,325 кПа, не менее Область значений числа Воббе (низшего) МДж/м3 (ккал/м3) Объемная доля кислорода, %, не более Масса механических примесей в 1 м3, не более Давление, МПа	31,8 (7600) 41,2-54,5 (9850-13000) 1,0   0,001 0,5-0,6

 

Продукцией паровой котельной  является насыщенный водяной пар  и горячая хозяйственно-питьевая вода, характеристики которой приведены в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2

Характеристики продукции

№ п/п	Наименование	Показатель	Норма
1	Насыщенный водяной пар	Общая жесткость, Мкг·экв/дм3, не более Температура, °С, не более Давление, МПа, не более	15 160 0,7
2	Горячая хозяйственно-питьевая вода	Температура, °С, не более Давление, МПа, не более	70 0,6

 

Процесс получения пара протекает  в следующем порядке. Центробежными  насосами питательная вода непрерывно подается в барабан котла. Ее давление составляет 14 кгс/см², это выше чем давления вырабатываемого пара. Прежде чем попасть в барабан котла, питательная вода с расходом 15-25 т/ч в зависимости от нагрузки проходит через экономайзер позиция 3, подогреваясь до температуры примерно на 40 °С ниже, чем температура насыщенного пара в котле примерно 190 °С. Барабан котла позиция 6 служит распределителем котловой воды и сборником образующего пара. С помощью опускных труб вода из барабана поступает в нижние коллекторы (сборники или распределители), к которым присоединяются трубы экранов, вертикально установленные по внутренним стенкам топочной камеры. Другим концом экранные трубы присоединяются к барабану котла. Как говорилось, экранные трубы представляют поверхность нагрева котла и предназначены для получения пара, кроме того, они защищают стенки топочной камеры от температуры. В результате радиационного (лучевого) нагрева экранных труб находящаяся в них вода закипает, образовавшиеся пузырьки пара стремятся вверх, увлекая за собой еще не вскипевшую воду. По направлению к барабану котла в трубах экрана образуется поток пароводяной смеси. Так как гидростатическое давление пароводяной смеси (эмульсии) в экранных трубах меньше, чем вес столба воды в опускных трубах, то в замкнутой гидравлической системе (барабан котла — опускные трубы — нижние коллекторы — экранные трубы — барабан котла) образуется устойчивое движение (естественная циркуляция).

Продукты сгорания сначала охлаждаются  в топочной камере котла ДКВР 20-13 позиция 5, отдавая тепло радиационным способом экранным трубам, затем охлаждаются за счет конвекции, проходя через экономайзер позиции 3. Дымовые газы (продукты сгорания) из топки с температурой 360°С и разряжением -0,94 кПа, отсасываются дымососом позиция 4, проходят через водяной экономайзер позиции 3, на выходе температура устанавливается 200 °С выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Для обеспечения нормального режима горения топлива в топку вентилятором позиция 1 подается воздух.