Автоматизация процессов в котельной установке

 

Министерство общего и профессионального образования  Российской Федерации

Российский Государственный Университет  нефти и газа им. И.М.Губкина

Филиал в г. Оренбурге

 

 

 

 

 

Кафедра: «Автоматизация технологических процессов и производств»

 

Специальность: 22.03.01                                                Группа: АТП-05

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине: «Автоматизация технологических процессов в    

                                      нефтяной и газовой промышленности»

 

 

 

Тема: «Автоматизация процессов в котельной установке »

 

 

 

 

 

 

     Выполнил:                                                                                 

 

     Проверил:                                                                                   Еремеев С.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург – 2010

СОДЕРЖАНИЕ.

 

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………...……...3

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ………………………….4

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА САР ………………………….....5

РАСЧЕТ И ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩЕГО  ОРГАНА (КЛАПАНА).……………………………………………………………………...8

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР РЕГУЛЯТОРА ……………..…………..11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….25

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ….……………………...….26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Автоматика управления включает:

 

1. Автоматика пуска и остановка котла.

Автоматика  пуска и остановки котла предусматривает процесс пуска при помощи определенной временной программы пуска т.е. невозможность подачи газа на горелку котла без выполнения процессов подготовки котла к пуску без наличия:

А)давления воды в котле;

Б)подачи воздуха на горелки;

В)наличие разряжения в топке котла;

Г)наличие давления газа в подводящем газопроводе ;

Д)наличие напряжения в сети управления.

       Программа пуска определяется временную последовательностью выполнения данных подготовительных операций и её за блокирование при несоблюдении любых из этих условий.  

2. Автоматика регулирования технологического процесса.

Автоматика регулирования  поддерживает заданные параметру работы котлоагрегата в пределах нагрузок от 40% в режиме «малого» горения и  до 100%  в режиме «большого» горения.

Регулирующим органом  системы автоматики является затвор регулирующий дисковый 32КЧ915бк1 с электроприводом  МЭО-4/10-025, установленный в газовом  коллекторе котла.

3. Автоматика безопасности работы котлового оборудования.

Автоматика безопасности работы котлового оборудования прекращает подачу газа к горелкам при возникновении следующих предъаварийных состояний работы котла:

• повышение давления газа на горелках;
• понижение давления газа на горелках;
• повышение давления воды на выходе;
• понижение давления воды на выходе;
• повышение температуры воды на выходе из котла;
• понижение разряжения в топке котла;
• погасание факела горелки;
• отключение электроэнергии;
• неисправность автоматики.

 

 

 

1.ОПИСАНИЕ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

 

Котельная предназначена для выработки  тепло энергии и подачи её потребителю. Различают потребителей пара и потребителей горячей воды, в зависимости от этого в котельной используются паровые или водогрейные котлы.

Рассмотрим работу котельной  с водогрейными котлами типа КСВ-2,9 (Гкал/час) с горелками типа БИГ-2/12.

Котел - устройство обеспечивающие преобразование тепловой энергии сжигания топлива (газа) в тепловую энергию  теплоносителя (вода).

Котел оборудован установкой хим. водопадкачки питания воды обеспечивающий необходимые параметры жесткости воды, подпиточными и сетевыми насосами обеспечивающие давление в котле и теплосети и дымоходов для отвода продукта сгорания из топочной котлов, а также системы автоматизации обеспечивающей процессы управления и безопасности эксплуатации работы котлов.

 Основным  параметром регулирования процесса горения в топке котла является Т воды на выходе из котла это обеспечивается регулированием подачи расхода газа на горение.

На подводе газопровода  перед горелками устанавливается  клапан 32КЧМ915бк1. Он обеспечивает задание Т на выходе  из котла +25%-10%  от установленного параметра .Для этого в схеме автоматизации предусматриваем режим «малого» и режим «большого» горения.

Процесс регулирования  происходит при изменении расхода  тепло энергии потребителями  при этом изменение t воды в следствии чего изменяется Т воды на выходе из котлов, что являются управляющим импульсом для отработки сигнала управления на изменение расхода газа на горелки.

 

 

 

 

 

 

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА САР

 

Исходными данными процесса горения в котельной является газ, который  попадая в котел и сгорая там преобразуется в тепловую энергию теплоносителя и дымовые газы.

Для оптимизации работы котельной установки необходимо знать зависимость температуры воды на выходе из котла от изменения расхода газа на горелке. Рис.№2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                          Tводы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Регулирующий

         орган

 

Qгаз Рводы

 

 

 

Рис.2 - Зависимость температуры воды на выходе из котла от изменения расхода газа на горелке

 

Пусть расход воды на входе  — Q_вх=const и P=const => Q_вх=Q_вых=const, тогда температура в котле тоже не меняется, т. е. Т=const. Если F— это сечение трубы, то материальный баланс запишется так:

F=DТ_в/dt=DQ_р 
F –сечение трубопровода

 

т. е. Изменение температуры  на выходе приведет к изменению расхода  газа на входе, а изменение температуры  на выходе — это есть функция от расхода и проходного сечения клапана, т. е. DQ_вых=f(Т, проходное сечение клапана).

Тогда если линеаризовать  эту зависимость, то DQ_вых=к₁Df+к₂DQ_p, где к₁ и к₂ — базовые коэффициенты.

К1 – зависит от конкретного  применяемого оборудования: марка котла, его КПД, материал труб т.д.)

К2 – зависит от изменения  температуры 

 Тогда

 

и уравнение перепишем  в следующем виде:

    Т_у(dQ_р/dt)+DQ_г=К_у*Df

или

где e^-pty — звено запаздывания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.СТРУКТУРНАЯ СХЕМА САР.

 

Структурная схема одноконтурной САР приведена на рисунке 3.

 

   х_в              W_p.o.(p)            y

                   W_рег.(р)

 

Рис 3. – Структурная  схема САР

 

Передаточная функция расширенного объекта приведена на рисунке 4.

 

 

      e^-pt       W₀(p)    W_и.м.(р)    W_g(p)

 

                  W_р.о.

 

Рис 4. - Передаточная функция расширенного объекта

 

4.РАСЧЕТ И  ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩЕГО ОРГАНА (КЛАПАНА).

 

 

1. Расчет пропускной способности – к_v РО при протекании через него газа:

где F – максимальный расход жидкости (=315м³/ч)

   DР – перепад давления на РО при F_max (=0,02Мпа)

 

 r_ж – плотность жидкости (=0,73г/см³)

 

2. Условная пропускная способность:

Где h=1,2 — коэффициент запаса

    к_vy ³ 19*1,2=22,8 м³/ч

 

по таблице выбираем к_vy = 25

из полученных данных для данного  оборудования выбираем затвор регулирующий дисковый 32КЧ915бк1 с электроприводом Рис 5.

 

Затвор регулирующий дисковый с электроприводом предназначен для использования в качестве регулирующей арматуры на газообразных и жидких средах в системах автоматического  регулирования.

 

 

Рис 5. - Затвор регулирующий дисковый 32КЧ915бк1

 

Параметры дискового затвора:

Обозначение: 32КЧ15бк1.

Условный проход (Ду)— 50, 80, 100, 150 мм.

Условное давление (Ру) — 0,6 МПа.

Рабочая температура  от -10 °С до +200 °С.

Материал основных деталей, соприкасающихся со средой: КЧ30-6; 20×13.

Параметры электропривода

Обозначение: МЭОФ-40/25-0,25-96.

Номинальный крутящий момент, N·m — 40.

Номинальное время полного  хода выходного вала, s —25.

Номинальный полный ход  выходного вала, r — 0,25.

Потребляемая мощность — не более 110 W.

Климатическое исполнение — «Т2».

Степень защиты механизмов IP54 по ГОСТ 14254-6 обеспечивает работу механизма при наличии в окружающей среде пыли и брызг воды.

Рабочее положение механизмов — любое, определенное положением трубопроводной арматуры.

Электрическое питание  механизмов МЭОФ-40/25-0,25-96К осуществляется трехфазным током напряжением: 220/380 или 230/400, или 240/415 V с частотой 50 Hz, или 220/380 V с частотой 60 Hz, механизмов МЭОФ-40/25-0,25-96 — однофазным током напряжением: 220, 230, 240 V с частотой 50 Hz или 220 V с частотой 60 Hz.

Механизмы изготавливаются с одним из следующих блоков сигнализации положения выходного вала: реостатным БСПР, индуктивным БСПИ, токовым БСПТ — с унифицированным сигналом 0-5, 0-20 mA по ГОСТ 26.011-80.

 

Нелинейность датчиков блоков сигнализации положения ± 2,5%. Возможно изготовление механизмов с блоками концевых микропереключателей БКВ без датчиков положения выходного вала.

Средний срок службы механизмов не менее 15 лет.

Механизмы могут быть изготовлены во взрывозащитном исполнении.

Механизмы имеют взрывобезопасный уровень взрывозащиты «Искробезопасная цепь» и «Взрывонепроницаемая оболочка» с маркировкой «I Exibd II BT4».

Габаритные и присоединительные  размеры затвора регулирующего  дискового 32КЧ915бк1 с электроприводом  МЭОФ-40

Рис 6. - Габаритные и присоединительные размеры затвора регулирующего дискового 32КЧ915бк1

5.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР РЕГУЛЯТОРА

 Исходя из передаточной функции  объекта

 

1.  Исходя из технического процесса, известно, что минимальный расход газа в котле

                

                  =0.15

 

 

 

 

 составляет 10%, а максимальный — 25%. Тогда  

,где F — сечение трубы.

2. Коэффициент усиления исполнительного механизма

 

 

 

 

 

 

  

(РО, клапана) — 5%:

 

Для удобства расчета  воспользуемся специальной программой «АТР» на ЭВМ рис 7.

Рис 7. – Общий  вид программы

 

 

Вводим эти данные и методом Никольса-Циглера находим параметры регуляторов Рис 8.

Рис 8. – Параметры регуляторов

Получили следующие  настройки:  П_кр=0,08947

       П-регулятор   П₁=0,04474

       ПИ-регулятор     П₁=0,04026    П₂=0,02398

       ПИД-регулятор   П₁=0,05368    П₂=0,05994    П₃=0,01250

 

Выберем П – регулятор с параметром П1, и подставим эти  значения  в программу расчета переходного процесса одноконтурной САР. В результате получаем показатели качества процесса:

Рис 9. - Переходный процесс при использовании П-регулятора

 

        1)  Интегральная квадратичная  ошибка - I² = 14138,69;      

        2)  Динамическая погрешность -  Y_мах = 20,7174;

        3)  Время регулирования – t_рег. = 60.

 

 

Рис 10. - Переходный процесс при использовании ПИ-регулятора