СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. РОЛЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ
1.1 Техническая характеристика объекта автоматизации котельной на базе котла Vitoplex
1.2 Описание основного котельного оборудования, используемого в тепловом процессе
1.3 Анализ котельного оборудования как объекта автоматизации
Выводы по главе
2. РАЗРАБОТКА САУ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПЕРЕД ПОТРЕБИТЕЛЕМ
2.1. Обоснование требования к САУ и выбор способа управления
2.2. Обоснование способов регулирования параметров САУ
2.3. Расчет и анализ системы управления котельной.
Выводы по главе
3. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ СА КОТЕЛЬНОЙ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
3.1. Разработка функциональной схемы автоматизации котельной при модернизации
3.2 Разработка технической структуры САУ теплотехнического процесса
3.3 Разработка рекомендаций по управлению СА котельной при изменении температуры внешней среды
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных проблем предприятий и производств в разные периоды экономического и индустриального развития общества являлась автоматизация ручного труда. С каждым годом автоматизация представляет из себя все более расширенное понятие, которое содержит в себе новые отдельные проблемы собственного научного и технического прогресса: роботизация, компьютеризация, сети интернет благодаря которой начинают появляться все более развитые системы передачи данных такие как GSM, Wi-Fi, GPRS. Как бы то не было основное назначение автоматизации остается неизменным – это упрощение или полное исключение непосредственного управления механизмами человеком. На производстве, в котором налажен процесс автоматизации основная роль работника сводится к мониторингу, настройке, корректировке и обслуживанию средств автоматизации: исполнительные механизмы, программируемые логические контроллеры (ПЛК), органы регулирования и управления. Эксплуатация средств автоматизации требует от рабочего персонала высокой уровня квалификации.
Актуальность автоматизации на производствах, связанных с теплоэнергетикой, занимает одно из основных мест среди всех видов промышленности. Теплотехнические процессы в теплоэнергетике характеризуются: непрерывной работой, быстрым переходным процессом, механизацией основных установок, компенсацией разницы между выделяющейся и потребляемой тепловой энергии. Всё это объясняет высокий уровень развития автоматизации в сфере тепловой энергетики. Для повышения КПД (путем сокращения переходного процесса, а также сохранения стабильных параметров на заданных уровнях), надежности и бесперебойной работы оборудования, используемого в системе, а также, повышая производительность труда необходимо совершенствовать автоматизацию тепловых процессов.
Так же стоит учитывать, что на точность и качество управления могут повлиять субъективные факторы такие, как состояние здоровья и утомление работника. Для того чтобы снизить воздействие субъективных факторов на протекание технологического процесса, ручное управление стараться заменить автоматическим, где управление реализуется автоматическими устройствами без участия работника.
Одним из основных объектов в теплоэнергетики считаются тепловые пункты. Тепловой пункт (рис. 1) – это строение или помещение, в котором установлено оборудование, которое позволяет изменять температуру, давление, теплоносителя. Производить контроль и учет за расходом теплоносителя, а также передачу на верхний уровень АСУТП, как правило это операторская станция. Тепловые пункты разделяют на три вида:
Индивидуальный тепловой пункт (ИТП) – предназначен для снабжения одного объекта (здания) теплоносителем для передачи тепловой энергией. В большинстве случаев ИТП располагается в технических или подвальных помещениях. В некоторых случаях может располагаться в отдельно.
Блочный тепловой пункт (БТП) – как правило изготавливается на производстве в виде готового блока в котором оборудование установлено максимально компактно и рационально. Может состоять как из одного, так и нескольких блоков.
Центральный тепловой пункт (ЦТП) – предназначен для обеспечения теплоносителем нескольких объектов (зданий, промышленных объектов). Как правило располагается в отдельно стоящем здании.
В стандартном тепловом пункте имеются следующие системы служащие для передачи тепловой энергии потребителям:
Горячее водоснабжение (ГВС) – основное назначение данной системы — это снабжение горячей водой потребителей, разделяются на закрытые и открытые.
Отопительная система – служат для обогрева помещений с целью поддержания в них заданной температуры воздуха, разделяются на зависимые и независимые схемы присоединения.
Вентиляционные системы – эти системы служат для нагрева воздуха, который поступает в вентиляционные шахты здания.
Рис. 1. Принципиальная схема теплового пункта
Основным источником тепла для тепловых пунктов являются теплогенерирующие объекты: котельные и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Котельные – это совокупность устройств служащие для образования пара или горячей воды. Котельные разделяются на производственные, отопительные и отопительно-производственные. Основным оборудование котельной является котел. Котлы разделяются на паровые, жаротрубные и водогрейные. Теплоэлектроцентраль – один из видов тепловой электростанции, которая помимо производства электроэнергии, производит также тепловую энергию для централизованного снабжения крупных потребителей тепла (крупные производства, городские тепловые сети).
Тепловые пункты связаны с источниками и потребителями тепла с помощью тепловых сетей (ТС). ТС разделяются на первичные магистральные сети, основное назначение которых соединение тепловых пунктов с теплогенерирующими производствами, и вторичные ТС, соединяющие тепловые пункты с конечными потребителями.
В данной выпускной работе будет рассмотрен один теплогенерирующий объект, который представляет из себя блок модульную котельную, которая обеспечивает передачу тепловой энергии с помощью тепловых сетей до здания и сооружений, которые участвуют в проекте теплоснабжения.
Актуальность темы обусловлена тем, что в существующей системе автоматизации присутствует ряд проблем, которые могут сказываться на правильной работе котельной. Основным недостатком рассматриваемой блок модульной котельной является отсутствие альтернативного источника энергии, помимо газа, что является прямым нарушением требования к надежности (безотказной работе) системы. Для этого основным предложением по модернизации блок модульной котельной является подбор нового оборудования для возможности работы на альтернативном источнике энергии. Технические решения, принятые в работе, должны соответствовать требованиям экологических, санитарно-гигиенических противопожарных и других норм, действующих на территории Российской Федерации.
Новизна темы ВКР заключается в разработке системы альтернативного топливоснабжения, учитывающей характеристики котельной, зарубежного котлового оборудования. Предложенная система альтернативного топливоснабжения учитывает количество потребляемого тепла на объекте и дает время для устранения неисправности на линии основного топливоснабжения (газа).
Практическая значимость заключается в разработке рекомендаций по модернизации котельной и её оборудования, а именно одного из горелочного устройства, установкой резервуара в помещение котельной и корпуса топливного шкафа для возможности пополнения запасов дизельного топлива, даже в момент работы котлового оборудования.
1. РОЛЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ
1.1 Техническая характеристика объекта автоматизации котельной на базе котла Vitoplex
Среди всех отраслей промышленности по уровню автоматизации одну из ведущих мест занимает автоматизация теплотехнических процессов. Главной задачей автоматизации теплотехнических процессов в теплоэнергетике является поддержании постоянного баланса между потребляемой и вырабатываемой тепловой энергии. Не менее важными задачами, которые ставятся перед автоматизацией теплотехнических процессов остается поддержание непрерывной работы оборудования, а также быстрый переходный процесс. В автоматизацию котельных входит: контроль теплотехнических процессов, автоматическое регулирование, управление дистанционно, технологическую защиту, блокировки технологического процесса и аварийную сигнализацию. [6]
Теплотехнический контроль за процессом работы котлов и оборудования осуществляется с помощью приборов производящих автоматическую запись параметров согласно заданному промежутку времени или при возникновении аварийной ситуации. Для демонстрации параметров в режиме «реального времени» используют показывающие измерительные прибор. Все приборы работают в автоматическом режиме и ведут постоянный контроль за процессами, протекающих в котельной. С появлением информационно-вычислительных машин, а также беспроводных систем передачи данных показывающие и пишущие устройства осуществляют передачу параметров на операторские станции, которые могут находится в значительном отдалении от котельной. Показывающие приборы устанавливаются на щитах и оборудовании которые располагаются непосредственно в помещении котельной.
За обеспечение непрерывной работы оборудования и процессов, протекающих в котле, горелке, исполнительных механизмах, а также регулирующих органах отвечают системы автоматического управления и регулирования.
Для того чтобы дежурный персонал, находящийся в операторской станции, мог осуществлять пуск и остановку котельной установки, а также регулировать и переключать исполнительные механизмы используют системы дистанционного управления и передачи данных.
Некоторые процессы, проходящие при пуске и остановке оборудования котельной, во избежание аварийных ситуаций требуют последовательных действий, в связи с этим используют технологические блокировки. При срабатывании технологической защиты остановку оборудования в правильной последовательности так же осуществляют технологические блокировки.
Информацию о состоянии оборудования, оповещению о приближении контролируемых параметров к опасным значениям, и при возникновении аварийных ситуациях в котельной, передается на операторские станции при помощи устройств световой и звуковой сигнализации.
При эксплуатации котельного оборудования одним из основных условий работы является безопасность труда рабочего персонала. Для реализации данного условия необходимо соблюдать действующие нормы и акты, в их число входят:
ПУЭ Правила устройства электроустановок изд.7;
НПБ 249 — 97 Светильники. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний;
ГОСТ 12. 1. 019 — 2009 Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты;
ГОСТ 10434 — 82 Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические условия;
СО — 153 — 34. 21. 122 — 2003 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений;
РД 34. 21. 122 — 87 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений;
ГОСТ 12. 4. 011 — 89 Средства защиты работающих. Общие требования и классификация;
СНиП 12-03-2001 Безопасность труда в строительстве;
СП 89. 13330. 2012 «Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП II — 35 — 76»;
ГОСТ 32144 — 2013 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная;
ГОСТ 12.1.038 — 82 Электробезопасность. Система стандартов безопасности труда. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.
Свод правил СП 6.13130.2013 Системы противопожарной защиты. Электрооборудование. Требования пожарной безопасности.
На основании приведенных документов уполномоченные лица эксплуатирующей организации обязаны разработать ведомственные инструкции, учитывающие специфику конкретного объекта. В зависимости от реализуемого проекта данный список актов и норм может расширятся и дополнятся. [6]
В выполняемой выпускной квалификационной работе объектом автоматизации является блок модульная котельная на базе котла Vitoplex с закрытым присоединением системы отопления и одноступенчатой системой горячего водоснабжения (ГВС).
Блок модульная котельная (рис. 2), (рис. 3) представляет собой отдельно стоящее здание, по назначению котельная относится к отопительным. Степень огнестойкости – 4, категория здания котельной по взрывопожарной и пожарной опасности – В4.
В помещении котельной установлено: котел водогрейный типа «Vitoplex 100- PV1B» производства ООО «Viessmann», газовое горелочное (горелка) устройство типа R91A, насос циркуляционный сетевого контура «Wilo» IL65/170-11/2, рециркуляционный насос котлового контура «Wilo» IL50/170-1,1/4, высоконапорный центробежный насос ХВС «Wilo» Helix First V 405-5/16/E/S/400-50, а также расширительные баки.
Блок модульная котельная имеет высокую степень автоматизации, которая позволяет ей работать без прямого участия оператора. Изменять температуры теплоносителя в зависимости от температуры внешней среды, а также при необходимости отсекать подачу газа за счёт электромагнитного отсечного клапана, прекращая тем самым работу горелочного устройства. Производить контроль за рациональным использованием тепловой энергии и теплоносителя, а так учет и запись параметров расхода, массы, температуры, давления. Может производить контроль за тепловыми и гидравлическими режимами работы систем теплоснабжения и теплопотребления.
Предусмотренное проектом оборудование предусмотрено для работы при температуре до 115℃ и не попадает под категорию опасных производственных объектов согласно приложению 1 116-ФЗ.
Рис. 2. План размещение котлоагрегатов в помещении котельной
Рис. 3. Фасад блок модульной котельной
Характеристика котельной и условия эксплуатации:
район расположения котельной – Ленинградская область, Приозерский район, Сосновское сельское поселение, д. Новожилово;
снеговой район – 4;
ветровой район – 2;
нормативный напор ветра – 18 кг/м2;
условие эксплуатации здания – отапливаемое;
степень огнестойкости – 2;
класс конструктивной пожарной опасности – С0;
категория здания по взрывопожарной опасности – В;
габаритные размеры котельной (ДхШхВ) – 11800х10200х3580 мм;
высота дымовых труб – 12000 мм.
Метеорологические и климатические условия района расположения блок модульной котельной:
вес снегового покрова Wо = 240 кг/м2;
скоростной напор ветра Sо = 30 кг/м2.
температура воздуха наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92 – минус 24℃;
температура воздуха наиболее холодного месяца – минус 6,6℃;
средняя температура за отопительный сезон – минус 1,3℃;
число часов работы системы отопления в сутки – 24 часа;
продолжительность отопительного сезона – 213 дней;
температура воздуха в помещении котельного зала в холодный период +5℃;
температура воздуха в помещении котельного зала в теплый период не более +26℃.
Основные параметры котла Vitoplex:
объем газа камера сгорания – 2,35 м3;
допустимое рабочее давление — 0,6 Мпа;
расход газа на один агрегат — 228,72 м3/час;
тепловая мощность котла – 2,0 МВт;
объем котловой воды – 1715 л;
допустимая температура подачи (температура срабатывания защитного ограничителя температуры) — 110℃;
допустимая рабочая температура – 95 ℃;
габаритные размеры (ДхШхВ) – 2822х1280х1970 мм;
общая масса – 3055 кг;
Характеристики пара, воды, дымовых газов и топлива:
температура теплоносителя в подающий магистрали (отопительный период) – 95 ℃;
температура теплоносителя в обратной магистрали (отопительный период) – 70 ℃;
температура теплоносителя в подающий магистрали (межотопительный) – 70℃;
температура теплоносителя в обратной магистрали (межотопительный период) – 35 ℃;
давление теплоносителя на выходе из котельной — 0,55 Мпа;
давление теплоносителя на входе котельной – 0,3 Мпа;
давление газа на вводе в котел – 0,05 Мпа;
расход газа на три агрегата — 686,17 м3/час;
температура уходящих газов – 215 ℃;
расход в прямом трубопроводе контура отопления – 206,4 т/ч;
расход в обратном трубопроводе контура отопления — 206,4 т/ч;
расход в трубопроводе подпитки контура отопления — 2,9 т/ч.
Характеристика питательной воды к котлу:
кислород растворённый — ≤ 20 мкг/кг;
общая жёсткость воды — ≤ 50 экв/кг;
рН – 8,5 ÷ 9,5;
аммиак — ≤ 20 мкг/кг;
гидразин – 20 ÷ 60 мкг/кг;
трилон Б – 0,5 ÷ 1,0 мкг/кг;
железо (Fe+3) – ≤ 100 мкг/кг;
медь (Cu+2) – ≤ 10 мкг/кг.
Характеристики рабочего топлива (природный газ):
Метан – 98 %;
Этан – 0,10 %;
Азот – 1,60 %;
Углекислород – 0,30;
Содержание влаги – 10 г/м3
Низшая теплота сгорания – 8400 ккал/м3.
Характеристика дымовых газов за котлом Vitoplex (при работе на газе):
содержание RO2 – 8 -10 %;
содержание О2 – 1- 5 %;
коэффициент избытка воздуха – 1,1 ÷ 1,4; %;
содержание СО2 — ≤ 7000 мкг/кг;
содержание NОx — ≤ 150 мкг/кг;
1.2 Описание основного котельного оборудования, используемого в тепловом процессе
Котел Viessmann Vitoplex 100-PV1B (рис. 4) – используются для отопления складских, производственных, жилых и административных зданий, а также для обеспечение горячего водоснабжения в них. Котел Vitoplex 100 работает, как на жидкостном, так и на газовом топливе. Основное назначение котла — это теплоснабжения объектов без непосредственного забора носителя из теплосети. Одним из основных преимуществ котла Vitoplex 100 является компактность конструкции, благодаря которой облегчается его подача к месту установки. Компактность конструкции котла позволяет обходится малой монтажной высотой.
Рис. 4. Изображение котла Vitoplex 100
AGA — Сборник уходящих газов, E — патрубок опорожнения, KR — обратная магистраль котла, KRG — контроллер котлового контура, KTS — датчик температуры котла, KV – подающая магистраль котла, R2 — отверстие для чистки котла, SA — патрубок аварийной линии (предохранительный клапан).
За счёт широких проходов между жаровыми трубами, большого водонаполнения и сквозного водяного пространства гидравлическое сопротивление со стороны водяного контура настолько мало, что передача тепла котловой воде осуществляется за счет естественной циркуляции под действием сил тяжести. Принудительная циркуляция посредством насоса котлового контура совершенно не требуется. Благодаря большому водонаполнению котла Vitoplex 100 достигается увеличение длительности включенного состояния горелки, что позволяет снизить частоту включений и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. [7] Газовая горелка R91A (рис. 5) – является основным горелочным устройством, которое производит нагрев теплоносителя(воды) в котле Vitoplex 100. Горелки R91A производятся в форме моноблока из высококачественного алюминия и имеют встроенный воздушный вентилятор. Горелки этой серии имеют шумопоглащающий кожух воздушного вентилятора (воздухозаборника), что позволяет обеспечить низкие показатели по уровню шума. По типу управления горелки R91A (P91A) производятся с двумя типами регулирования: модулируемое или прогрессивное (плавно-двухступенчатое). Сочетание систем безопасности и регулировки делает эти горелки крайне надежными, простыми в обслуживании и эксплуатации. Горелка Unigas R91A имеют уникальную головку сгорания для получения диффузионного пламени с высокой излучательной характеристикой, а также с низким содержанием NOx в отходящих газах. Электрический сервопривод, установленный на воздушной коробке, оказывает одновременное воздействие, как на воздушные заслонки, так и на дроссельный клапан, который регулирует подачу газа пропорционально воздуху. Это происходит благодаря регулируемым тягово-кулачковым механизмам, они позволяют оптимизировать параметры отходящих газов, и, следовательно, повысить КПД сжигания. Широкий диапазон, исполненний данной модели, позволяет реализовать самые сложные технические идеи. [8]
Рис. 5. Общий вид горелки R91A
1- Панель с мнемосхемой с пусковым включателем, 2 — газовый фильтр, 3 — блок контроля герметичности, 4 — группа газовых клапанов, 5 — электрический Щит, 6 – крышка, 7 — сопло + головка сгорания, 8 – фланец, 9 — варьируемый сектор Фланец, 10 – сервопривод, 11 – глушитель, 12 — индикатор воздушной заслонки, 13 — реле давления воздуха.
Насос циркуляционный «Wilo» IL65/170-11/2 (рис. 6) — предназначен для поддерживания стабильного напора в трубопроводе, по которому циркулирует теплоноситель. Насос «Wilo» IL65/170-11/2 одноступенчатый центробежный насос с сухим ротором линейного типа, предназначенный для установки в трубах или на фундаменте. Блочное исполнение с низким уровнем шума и вибрации с промежуточным корпусом и неподвижно присоединенным стандартным мотором с фланцевым креплением.
Технические характеристики насоса:
Габаритная длина (L0/мм) — 430мм;
Номинальная мощность мотора (P2 / кВт) – 11 кВт;
Максимальное рабочее давление – 16 Бар;
Частота вращения (n/об/мин) – 2900 об/мин;
Вес, прим. (m/кг) – 150 кг
Рис. 6. Общий вид и габаритные размер насоса «Wilo» IL65/170-11/2
Рециркуляционный насос «Wilo» IL50/170-1,1/4 (рис. 7) – предназначен для поддержания и контроля давления в контуре отопления. Установлены данные насосы над котлами Vitplex 100 с целью повышения гидравлической циркуляционной мощности системы. Представляет из себя одноступенчатый центробежный насос с сухим ротором линейного типа. Блочное исполнение позволяет снизить уровень шума и вибрации. Промежуточные корпус присоединен к унифицированному мотору с фланцевым креплением, не зависящим от направления вращения скользящим торцевым уплотнением в кожухе.
Технические характеристики насоса:
Габаритная длина (L0/мм) — 340мм;
Номинальная мощность мотора (P2 / кВт) – 1,1 кВт;
Максимальное рабочее давление – 16 Бар;
Частота вращения (n/об/мин) – 1400 об/мин;
Вес, прим. (m/кг) – 58 кг.
Рис. 7. Общий вид и габаритные размеры насоса «Wilo» IL50/170-1,1/4
Высоконапорный центробежный насос Helix First V 405-5/16/E/S/400-50 (рис. 8) – предназначенной для восполнения потерь воды котлового контура. Агрегаты такой модели изготовлены из устойчивых к химическому воздействию материалов. Конструкция гидравлических узлов обеспечивает высокий К.П.Д, оптимальную подачу и удаление пузырьков попавшего в систему воздуха. Вал насоса и вал стандартного электродвигателя IEC соединены друг с другом посредством продольно-свертной муфты. Отдельный подшипник качения соединительного элемента гарантирует оптимальное восприятия осевых усилий.
Технические характеристики насоса:
Габаритная длина (L0/мм) — 204мм;
Номинальная мощность мотора (P2 / кВт) – 0,75 кВт;
Максимальное рабочее давление – 16 Бар;
Частота вращения (n/об/мин) – 1450 об/мин;
Вес, прим. (m/кг) – 29,2 кг.
Рис. 8. Общий вид и габаритные размеры Helix First V 405-5/16/E/S/400-50
Расширительный бак Reflex N1000 (рис. 9) — расширительный бак выполняет две важные функции. Первое — это расширительный бак работает для компенсации тепловых расширений в системе. При нагреве теплоноситель увеличивается в объёме, для того чтобы не повредить трубопровод и котел (котлы тоже рассчитаны на определенное давление) устанавливается расширительный бак на отопление. При отсутствии расширительного бака избыток теплоносителя начинает искать другой путь к выходу, давление в системе повышается до тех пор, пока в самом слабом месте не образуется течь. Второе для чего нужен расширительный бак — это компенсировать гидроудары в системе отопления. Циркуляционный насос (если он управляется автоматически в зависимости от температуры в доме) может включаться и выключаться. При включении насоса давление на короткий промежуток времени значительно повышается, то есть, как раз и происходит то, что называется гидравлическим ударом. Чтобы этот удар не повлиял отрицательно на устройства системы отопления, расширительный бак и компенсирует избыточное давление. Это своего рода буфер системы отопления. Бак имеет металлический корпус, состоящий из двух половин, завальцованных друг с другом. С одной стороны, находится горловина для присоединения к системе отопления. С обратной стороны имеется ниппель, через который закачивается воздух. Внутри корпуса находится диафрагма.
Технические характеристики расширительного бак Reflex N1000:
Рабочее давление – 6 бар;
Макс. рабочая температура — 120 °C;
Объем — 1000 л;
Вес – 120 кг.
Рис. 9. Общий вид расширительного бака Reflex N1000
Управление горением происходит за счет программируемого логического контроллера SMH2010С-1121-01-5 который установлен в щите ЩУГ.
Контроллер SMH2010С-1121-01-5 (рис. 10) — это компактный, быстродействующий программируемый контроллер (ПК), предназначенный для операций управления в системах. Панельное исполнения контроллера позволяет использовать его одновременно и, как операторскую панель, устанавливаемую снаружи электротехнических шкафов, в соответствующие отверстия. Программное ядро, установленное на контроллере, позволяет при помощи специального инструментального пакета SMLogix, работающего под ОС семейства MS Windows, создавать пользовательские программы управления для контроллера на языке функциональных блоков (FBD).
Рис. 10. Лицевая и задняя панель ПЛК SMH2010С-1121-01-5
1 — место для установки батареи, 2 — разъем для программирования XP3, 3 — разъем для подключения батареи XP4, 4 — уплотняющая прокладка (только для исполнения IP 65), 5 — место установки скобы для крепления контроллера на дверцу электротехнического щита, 6 — светодиод наличия питания, 7 — светодиод работы порта COM1 (RS-485), 8 — светодиод работы порта COM2 (RS-232/RS-485), 9 — джампер JP2 (перемычка для подключения питания нагрузки от внутреннего выпрямителя), 10 — джампер JP1 (перемычка для подключения в сеть терминала порта COM1), 11 — дисплей; 12 — разъем XP6, порт COM2 (RS-232/RS-485), тип RJ12, 13 — клеммный блок XP1, 14 — клеммный блок XP2; 15 — функциональные кнопки, 16 — цифровые кнопки, 17 — кнопки «стрелки», 18 — джампер JP3 (перемычка для подключения в сеть терминала порта).
Для измерения давления теплоносителя в подающей и обратной магистрали используется компактный преобразователь давления MBS 3200.
Преобразователь давления MBS 3200 (рис. 11) – производства компании Danfoss, служит для измерения давления в средах с высокой температурой, он обеспечивает точное измерение давления даже в агрессивных условиях окружающей среды. Обширный диапазон преобразователей давления предусматривает выходные сигналы 4 — 20 мА, 0 — 5 В, 1 — 5 В, 1 — 6 В и 0 — 10 В. В данном датчике предусмотрено средство измерения абсолютного и относительного давления, различные варианты подсоединений импульсных линий давления и электрических соединений, а также в различные диапазоны измерения от 0 – 1 до 0 – 600 бар. Преобразователь давления MBS 3200 обладает рядом преимуществ: высокая рабочая температура, защиты от радиопомех, высокая степень электромагнитной совместимости, прочная конструкция. Все эти характеристики позволяют преобразователю соответствовать наиболее строгим требованиям, которые предъявляются к промышленным установкам.
Рис. 11. Общий вид преобразователь давления MBS 3200 Danfoss
Технические характеристики преобразователя давления MBS 3200 Danfoss:
Диапазон измерения — 0 — 600 бар;
Выходной сигнал — 4-20 мА, 0-5 В, 1-5 В, 1-6 В и 0-10 В;
Рабочая температура — от -40 до 125° C;
Степень защиты – IP65;
Погрешность – 1%.
Реле давления РД-2Р-0,6МПа-G1/4 (рис. 12) – производства компании ООО «Росма», служит для переключения электрических цепей в зависимости от разницы давлений в жидких средах температурой до 110 ℃. Принцип работы реле, следующее: если значение давления в системе достигает определенной уставки, которую задают заранее, происходит переключение однополюсного перекидного контакта, и реле срабатывает, замыкая или размыкая электрическую цепь. В момент, когда давление изменяется на величину настраиваемого дифференциала, реле возвращается в исходное положение. Данное реле предназначено для работы в системах теплоснабжения, водоснабжения и вентиляции.
Рис. 12. Общий вид реле давления РД-2Р-0,6МПа-G1/4
Технические характеристики реле давления РД-2Р-0,6МПа-G1/4:
Рабочая температура – 0 …+110°C;
Рабочая температура, температура окружающей среды – до + 70℃;
Диапазон показания – 0 …0,6 Мпа;
Электрические хар-ки — 8 А ~220 В; 16 А ~110 В;
Корпус – оцинкованная стали, пластик;
Степень защиты – IP42.
Датчик температуры ТСП-1199/41 (рис. 13) — производства компании ООО «Энергоприбор», служит для измерения температуры теплоносителя в подающей и обратной магистрали. Основной принцип работы датчика основан на изменении сопротивления встроенного чувствительного элемента в зависимости от изменения температуры теплоносителя. Представляет из себя тонкостенный металлический корпус которые присоединён к объекту измерения (теплоносителю), в котором располагается платиновый или медный чувствительный элемент с выводными проводами.
Рис. 13. Датчик температуры ТСП-1199/41
Технические характеристики датчика температуры ТСП-1199/41:
Диаметр монтажной части датчика D – 4 мм;
Длина монтажной части L – 160 мм;
Время термической реакции (не более) – 8 с;
Диапозон измерений — -50…+200 ℃;
Класс допуска – B;
Схема соединения внутренних проводов – четырехпроводная;
Длина кабеля – 2 м;
Защитный термостат LS1 (рис. 14) — производства компании «IMIT» представляет из себя предохранительный термостат капиллярного типа серии LS1 с однополюсным переключателем. Срабатывание термостата происходит при изменении давления внутри чувствительного элемента погружного типа. Данная модель термостата применяется в системах автоматического регулирования или защиты от перегрева теплотехнического оборудования, котельных установок, отопительных и нагревательных приборов.
Рис. 14. Общий вид защитного термостата LS1
Технические характеристики защитного термостата LS1:
Температура срабатывания – 110 ℃;
Длина капиллярной трубки – 1000 мм;
Миним. допустимый радиус изгиба капилляра – 5 мм;
Габаритные размеры чувствительного элемента — 6,5х95 мм;
Количество контактных зажимов: 2 шт;
Допускаемый ток коммутации: 15А.
Предельный термостат в комплекте с ручкой TR2 (рис. 15) — производства компании «IMIT» предназначен для настройки и поддержания в автоматическом режиме заданной температуры теплоносителя в отопительных котлах, теплогенераторах, других нагревательных аппаратах и установках, использующих при работе газ. Принцип работы термостата основан на расширении жидкости. Данный термостат является одним из наиболее востребованных однополюсных приборов для контроля температуры жидкости в отопительном оборудовании. Чувствительный элемент в виде колбы и капилляр изготовлены из меди.
Рис. 15. Общий вид предельного термостата в комплекте с ручкой TR2
Технические характеристики предельного термостата TR2:
Диапазон регулирования — 0 … 87,5 ± 2,5 ºС;
Длина капилляра — 1500 мм (покрытием ПВХ);
Размеры чувствительного термобаллона — Ø 6,5×95 мм;
Максимальная температура термобаллона — 130 ºС;
Максимальная нагрузка на контакты — НЗ -16(6)А / 250 В,НО — 6(4)А / 250 В;
Вылет регулировочного штифта — 19 мм;
Угол поворота регулировочного штифта — 270º.
Датчик AGS54 (рис. 16) – датчик производства компании «Thermokon Sensortechnik» предназначен для измерения температуры окружающей среды, может устанавливаться, как снаружи здания, так и внутри него. Датчик может быть укомплектован различными термосопротивлениями а также преобразователями в стандартные сигналы 0-10 В или 4 -20 мА и протоколы LON и RS485, что позволяет подключить его к широкому ассортименту контроллеров. Особенностью датчика AGS54 является наличие гильзы, в которой располагается измерительный элемент с защитой SI-Protection. Особая конструкция гильзы вне монтажной коробки позволяет получить более быстрый отклик на изменение температуры среды.
Рис. 16. Общий вид датчик AGS54
Технические характеристики датчика AGS54:
Диапазон измерений — -35 .. +90 °C;
Термосопротивление — PT1000;
Подключение — по 2-х проводной схеме;
Размеры корпуса — 65 x 50 x 44,5 мм;
Степень защиты — IP65.
1.3 Анализ котельного оборудования как объекта автоматизации
В разделе 1.2 было рассмотрено основное оборудование котельной на базе котла Vitoplex. Двумя основными агрегатами, которые осуществляют нагрев теплоносителя являются котел Vitoplex 100-PV1B (рис. 5) и газовая горелка R91A (рис. 6). Для анализа оборудования, используемого в котельной, нужно понимать какие цели ставятся перед каждым агрегатом, который участвует в теплотехническом процессе для этого приведем структурную схему (рис. 17). [3]
При подаче электропитания и запроса на включение горелки, менеджер горения производит предпусковой самоконтроль: проверку герметичности газовой арматуры, проверку давления воздуха, проверку давления газа, осуществляет продувку, проводит проверку зажигания. Если алгоритм пройден без помех, то горелка запустится при полном открытии воздушной заслонки, вентилятор начнёт нагнетать воздух, газовый клапан откроется, включится трансформатор розжига, произойдёт воспламенение газа. Горелка начинает работу. На вводе газа в котельную установлен медленно-взводимый запорный электромагнитный клапан, обеспечивающий отключение подачи газа в следующих случаях:
неисправность цепей защиты, включая исчезновение напряжения;
достижение второго порога (1% метана от объема воздуха в котельной) загазованности помещения котельной – мгновенно;
достижение концентрации оксида углерода 5ПДК (100мг/м3) – мгновенно;
срабатывание пожарной сигнализации – мгновенно.
Основной принцип работы котельной — это циркуляция воды, которая после того, как отдаст тепло потребителю, возвращается обратно в котельную для того, чтобы достичь определенной температуры и повторить цикл. Вода котлового контура после котла, благодаря работе циркуляционных насосов котлового контура проходит по подающей магистрали воды, где частично поступает в установки воздушно-отопительных агрегатов типа КЭВ TW, с температурным графиком 95/70°С, которые включаются по датчику температуры внутри помещения. Температура воды в подающей магистрали зависит от времени года и температурной карты, которые составляются для объекта отопления в зависимости от его местоположения, средней температуры в зимнее и летнее время. Через наружные тепловые сети прямая вода поступает на индивидуальные тепловые пункты, которые находятся непосредственно в зданиях потребителей. В них вода распределяется на систему отопления и горячее водоснабжение.
Насосная группа котлового контура подаёт воду по обратной магистрали, температурой 70º C через котлы, где та нагревается до 95-110º С в зависимости от степени горения. Вода, нагретая до необходимой температуры, идёт по прямому трубопроводу до теплообменников, которые располагаются в ИТП каждого здания, где передаёт отопительному контору тепловую энергию при этом остывая до температуры 70ºC. При понижении температуры в отопительном контуре или в ГВС автоматизированный процесс повторяется. Вся вода, находящаяся системе отопления в процессе эксплуатации, претерпевает изменения: при повышении температуры воды она увеличивается, при понижении — уменьшается. Соответственно изменяется внутреннее давление. Однако эти изменения не должны отражаться на работоспособности системы отопления и, прежде всего, не должны приводить к превышению предела прочности и разрушению любых её элементов. Поэтому в систему водяного отопления вводится дополнительный элемент для вмещения расширения объёма воды — расширительный бак. – 3 шт. В случаи падения давления воды в котловом контуре или контуре потребителя срабатывает клапан подпиточного контура и включается насос с частотным регулированием. Вода подпиточного контура поступает в обратную магистрали котельной, проходя при этом через оборудование химподготовки очищая воду от естественных примесей, которые могут быть вредными для здоровья человека, а также могут вывести из строя водопроводное оборудование. [5]
Для контроля за температурой перед потребителем необходимо установить датчик, который будет производить измерения температуры теплоносителя непосредственно на выходе котлоагрегата и передавать данные на ПЛК, который в свою очередь будет производить сравнение между заданным значением температуры воды, и значением температуры воды вначале подающей магистрали.
Котел Vitoplex является сложным объектом автоматического управления с большим числом регулируемых параметров и регулирующих воздействий, предназначена для нагрева воды, которая используется для отопления помещений. В топку котла подаются топливо (газ) и воздух (рис. 18), а отсасываются дымовые газы; в барабан котла подается питательная вода, а забирается нагретая до установленных параметров подающая вода. Возмущающее воздействие оказывает температура наружного воздуха, относительно которой изменяется количество газа. Выходным воздействием является нагретая вода и дымовые газы, которые отсасывает дымосос и выбрасывает в атмосферу. [5]
Рис. 18 Функциональная схема анализа процесса нагрева воды в котле (информационный переменных)
На структурной схеме процесса САУ (рис. 19) видно, что объект – котёл имеет входные воздействия: температуру воды (Тв.), давления газа (Рг.) и давление воздуха (Рв), пройдя через котёл на выход поступает подогретая вода (Тв.) и дымовые газы (Рдг.), как результат горения газа и воздуха. Так же возмущающее воздействие оказывает температура наружного воздуха (То.с), относительно которой и нужно регулировать давление газа. [5]
Рис. 19. Функциональная схема анализа процесса нагрева воды в котле (структурная схема процесса САУ)
Выводы по главе
В первой главе выпускной квалификационной работы были рассмотрены основные технические характеристики и оборудование блок модульной котельной на базе котла Vitoplex. Бала представленная структурна схема котельной и описан принцип действия системы автоматизации и оборудования, участвующее в ней. Для понимания того, как происходит процесс регулирования заданного параметра, была представлена функциональна схема процесса нагрева воды в котле. Исходя из всех предоставленных данных можно сделать вывод, что автоматизации котельной находится на высоком уровне, но имеет один существенный недостаток – отсутствие альтернативного источника энергии, тем самым нарушается одно из основных требований надежности — безотказной работе системы.