2.1 Разработка технического задания на автоматизацию

Паровой котел является сложным объектом автоматического регулирования с большим числом регулируемых параметров и регулирующих воздействий. В топку котла подаются топливо и воздух, а отсасываются дымовые газы; в барабан котла подается питательная вода, а отбирается насыщенный пар.

Автоматизацией называется управление и контроль технологического процесса без непосредственного участия производственного персонала. Автоматизация котельного оборудования может быть частичная и полная (комплексная). При частичной автоматизации автоматизируются отдельные участки производства и узлы оборудования; при комплексной автоматизируется весь технологический цикл или процесс, все технологическое оборудование.

Автоматизация котельной включает: автоматическую технологическую сигнализацию отклонений рабочих параметров; автоматическую защиту и блокировку; дистанционное управление и контроль; автоматическое управление и регулирование.

Регулирование процессов, протекающих в паровом котле, можно разбить на следующие контуры:

1. Регулирование давления пара на выходе котла.

В каждый момент времени в топке котла должно сгорать столько топлива, чтобы количество пара, вырабатываемое котельным агрегатом, соответствовало количеству потребляемого пара, т.е. внешней нагрузке котла. Показателем такого соответствия является давление пара на выходе котла. Если при сгорании топлива выделяется больше тепла, чем это необходимо для производства потребляемого количества пара, то излишнее тепло аккумулируется в котле, что приводит к росту давления. Наоборот, если топливо подается в недостаточном количестве, то потребность в паре покрывается частично за счет тепла, аккумулированного в котловой воде, а давление пара при этом падает. Таким образом, подача топлива должна производиться так, чтобы обеспечить постоянное давление пара на выходе котла. Регулирующее воздействие осуществляется за счет изменения положения клапана на линии топливоподачи, снабженного электроприводом.

2. Регулирование подачи воздуха по концентрации О₂ и СО в дымовых газах.

Подача воздуха в топку обеспечивает наиболее экономичный режим горения топлива. При недостатке воздуха происходит неполное сгорание топлива и образуется вредное для человека и окружающей среды соединение СО.

При избытке воздуха газ сгорает полностью, но в этом случае, часть полученного тепла идет на нагрев не вступившего в реакцию кислорода, что экономически недопустимо.

Поэтому необходимо поддерживать соответствие между количеством подаваемого топлива и количеством воздуха. Регулирующее воздействие осуществляется подачей сигнала на изменение положения направляющего аппарата вентилятора.

3. Регулирование уровня воды в барабане котла.

Параметром, характеризующим баланс между отводом пара и подачей воды в котел, является уровень воды в барабане котла. Надежность работы котла во многом определяется качеством регулирования уровня. При снижении уровня ниже допустимого предела происходит нарушение циркуляции в экранных трубах, в результате чего повышается температура стенок обогреваемых труб и происходит их пережег. Чрезмерное повышение уровня может привести к снижению эффективности внутрибарабанных сепарационных устройств.

Регулирующее воздействие осуществляется на изменение расхода питательной воды.

Технологические блокировки выполняют в заданной последовательности ряд операций при пусках и остановках механизмов парогенераторной установки, а так же в случаях срабатывания технологической защиты. Блокировки исключают неправильные операции при обслуживании парогенераторной установки, обеспечивают отключение в необходимой последовательности оборудования при возникновении аварии.

Устройства технологической сигнализации информируют дежурный персонал о состоянии оборудования (в работе, остановлено и т.п.), предупреждают о приближении параметра к опасному значению, сообщают о возникновении аварийного состояния парогенератора и его оборудования. Применяются звуковая и световая сигнализация.

Блокировки обеспечивают защиту котла, обеспечивая отсечку топлива при исчезновении напряжения питания и при отклонении технологических параметров от нормы:

-при погасании факела горелки;

-при повышении/понижении уровня воды в барабане котла выше/ниже нормы;

-при понижении разряжения в топке;

-при повышении давления пара в барабане котла;

-при понижении давления газа перед горелкой.

Выведем дифференциальные уравнения объекта автоматизации, технологическая схема котла ДЕ-10-14 ГМ изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема парового котла

Математическую модель данного объекта можно представить с помощью уравнений гидро- и термодинамики.

Составим уравнения гидродинамики.

При горении топливной смеси происходит химическая реакция углеводорода с кислородом типа A+BP с выделением тепла.

Согласно теоретическому описанию, математическая модель должна содержать два уравнения гидродинамики (по числу исходных компонентов реакции, которых в данном случае два - А и В).

Запишем дифференциальное уравнение для процесса идеального смешения с учетом интенсивности источников вещества для компоненты А.

где - концентрация вещества А(топливо);

- объем зоны I;

- средняя скорость смеси топлива с кислородом.

Так, как источником вещества является химическая реакция, то

Для реакции между исходными компонентами А и В (типа A+B>P)

где n - показатель степени реакции (он в различных реакциях имеет величину в пределах от 0 до 3). Пускай, порядок реакции n = 1.

К - коэффициент скорости реакции, зависящий от температуры реакции:

,

где

- предэкспоненциальный множитель,

- энергия активации,

- универсальная газовая постоянная,

- абсолютная температура.

Тогда, можем записать

Аналогично, для вещества В (кислород воздуха).

В результате получаем систему уравнений

Стационарный режим описывается путем приравнивания нулю производных по времени в уравнениях. Получим систему уравнений статики:

Перейдем к процессам термодинамики.

Газовый тракт котла можно условно поделить на две зоны. Обозначим их I и II.

Запишем уравнение теплового баланса:

Входящим теплом в первую зону у нас будут: тепло, пришедшее с воздухом ; тепло, пришедшее с газом ; тепло, полученное от реакции горения углеводородов .

Выходящим теплом в этой зоне является: тепло, потраченное на подогрев воды в котле и последующее парообразование ; тепло, потраченное на подогрев пара в пароперегревателе ; оставшееся тепло, ушедшее в зону II .

Аналогично, для зоны II входящим теплом является тепло, перешедшее с зоны I , а выходящим будет: тепло, потраченное на нагрев воды в экономайзере ; тепло, ушедшее на подогрев воздуха в воздухоподогревателе ; тепло, ушедшее с дымовыми газами .

Таким образом имеем систему уравнений статики:

гдеС - удельная теплоемкость вещества;

m - масса вещества;

q_т - удельная теплота сгорания топлива;

V_т - объем сгораемого топлива;

л - удельная теплота парообразования.

Оптимизация и автоматизация работы котлоагрегата состоит в регулировании подачи воздуха по концентрации O2 и СO. Подача воздуха в топку обеспечивает наиболее ээкономичный режим горения топлива. Регулирование соотношения газ-воздух необходимо как чисто физически , так и экономически. Известно, что одним из важнейших процессов , происходящих в котельной установке , является процесс горения топлива. Химическая сторона горения топлива представляет собой реакцию окисления горючих элементов молекулами кислорода. Для горения используется кислород, находящийся в атмосфере. Воздух в топку подается в определенном соотношении с газом посредством дутьевого вентилятора .

При недостатке воздуха в топочной камере происходит неполное сгорание топлива. Образованное вредное для человека и окружающей среды соединение СО будет выбрасываться в атмосферу, что экономически и экологически не допустимо.

При избытке воздуха в топочной камере будет происходить охлаждение топки, хотя газ будет сгорать полностью, часть полученного тепла идет на нагрев не вступившего в реакцию кислорода, что экономически недопустимо. Также в этом случае остатки воздуха будут образовывать двуокись азота , что экологически недопустимо, так как это соединение вредно для человека и окружающей среды.

Регулирующее воздействие осуществляется подачей сигнала на изменение положения направляющего аппарата вентилятора под управлением ЭВМ.

График зависимости выделяемого тепла (Q) О2 и СО от соотношения расхода газа к воздуху приведено на рисунке 2.2

Рисунок 2.2 График зависимости

Оптимизацию технологических процессов производят, используя в качестве критерия эффективности управления различные технико-экономические показатели функционирования объекта управления.

Следовательно, при оптимизации основным критерием эффективности являются наиболее оптимальное соотношение количества топлива к полученному теплу от его сгорания.

2.2 Разработка алгоритма автоматизации

Для оптимизации работы котла будет использована ЭВМ. Алгоритм работы ЭВМ описан ниже. Задачей работы ЭВМ является регулировании подачи воздуха по концентрации O2 и СO.

Приводятся алгоритм и его схема управления заслонкой направляющего вентилятора:

Концентрация O2>0

1.1 Начало

1.2 Счётчик i=0

1.3 Считывание текущего расхода воздуха (Fi , шага регулирования ?Fв)

1.4 Считывание текущих значений концетраций QО2i и QСОi

1.5 Если концетрация QO2i > 0

1.6 Сравнить концентрацию QО2i c QO2i-1. Если концентрация QО2i > QO2i-1 перейти на шаг 1.8

1.7 Если концентрация QО2i < QO2i-1 перейти на шаг 1.9

1.8 Составляем задание Fвi+1 =Fвi-?F Перейти на шаг 1.10

1. 9 Составляем задание Fвi+1 =Fвi+?F

1.10 I=i+1

1.11 Перейти на шаг 3.

Концентрация O2=0 , CO>0

2.1Начало

2.2Счётчик i=0

2.3Считывание текущего рас хода воздуха (Fi , шага регулирования ?Fв.)

2.4Считывание текущих значений концентраций QiО2 и QiСО

2.5Сравнить концентрацию QСOi c QCOi-1. Если концентрация QCOi-1 > QCOi-1 перейти на шаг 2.7

2.6Если концентрация О2i < O2i-1 перейти на шаг 10

Рисунок 2.3 Алгоритм оптимизации работы котлогрегата

2.7Составляем задание Fвi+1 =Fвi+?F

2.8 Перейти на шаг 2-10

2.9Составляем задание Fвi+1 =Fвi-?F

2.10 I=i+1

2. 11Перейти на шаг 3.

Концентрация O2=0 , CO=0

3.1Начало

3.2Счётчик i=0

3.3Считывание текущего расхода воздуха Fi , ?Fв

3.4 Считывание текущих значений концентраций QiО2 и QiСО

3.5 Выполнить остановку котла, если да - перейти на шаг 3.7

3.6 Перейти к шагу 3.

3.7 Остановить котёл.

Схема алгоритма представлена на рисунке 2.3