Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Автоматизации Технологических Процессов

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по курсу АТП

Тема: "Автоматизация САР расхода топлива барабанного котла"

ПЕРМЬ

Содержание

Введение

1. Общие сведения об объекте регулирования

1.1 Схема работы котельной

1.2 Принципиальная технологическая схема котлоагрегата

1.3 Регулирование процесса горения и парообразования

2. Описание технологического процесса и технологической схемы объекта

3. Характеристика объекта управления

3.1 Анализ существующих схем регулирования тепловой нагрузки

3.2 Анализ схем регулирования экономичности процесса горения

3.3 Анализ существующих схем регулирования разряжения в топке

4. Получение объекта модели

4.1 Расчет одноконтурной САР давления топлива

4.2 Расчет одноконтурной САР давления пара в котле

5. Расчет каскадной САР

6. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР

7. Моделирование САР с учетом нелинейностей

7.1 Нечувствительность

7.2 Насыщение

7.3 Люфт

8. Выбор технических средств автоматизации

Введение

котлоагрегат тепловая нагрузка горение разряжение

Учитывая, что автоматизация процессов горения дает до 10 % экономии топлива, становится ясным повышенный интерес к комплексной автоматизации котельных.

Комплексная автоматизация котельных может быть наиболее успешно осуществлена лишь при наличии высоконадежных, универсальных средств автоматизации.

Себестоимость тепловой энергии в котельных 60 - 70 % составляют затраты на топливо. Потребление топлива, расходуемого на получение пара и горячей воды для теплоснабжения промышленных предприятий, составляет значительную долю в тепловом балансе страны. В связи с этим важнейшей задачей является снижение удельного расхода топлива.

1. Общие сведения об объекте регулирования

1.1 Схема работы котельной

Вода из обратной линии тепловых сетей поступает к сетевым насосам. Туда же подводится вода от подпиточных насосов. Для обеспечения надежности работы котельных с паровыми котлами обязательно удаление из воды растворенных в ней коррозионно-активных газов - кислорода и свободной углекислоты. Эти газы вызывают коррозию поверхности нагрева и трубопроводов котельных и тепловых сетей. Деаэрация воды основана на повышении ее температуры до кипения, при котором происходит выделение газов из воды. Надежность работы поверхностей нагрева котельных агрегатов и систем теплоснабжения зависит от качества питательной и подпиточной воды. Поэтому водопроводная вода, перед использованием ее в качестве подпиточной, подвергается химической очистке. При прохождении через систему ХВО вода подвергается механическому фильтрованию, выпариванию минеральных и органических примесей, умягчению и т.д.

Вода подается в котел, где она превращается в перегретый пар.

1.2 Принципиальная технологическая схема котлоагрегата

Принципиальная технологическая схема барабанного парогенератора показана на рис. 1.1.

Процесс парообразования происходит в подъемных трубах циркуляционного контура 2, снабжающихся водой из опускных труб 3 и экранирующих камерную топку 1, в которой сжигается топливо Q_Т. Для поддержания процесса горения с определенным коэффициентом избытка в топку подается с помощью вентилятора ДВ воздух q_b, предварительно нагретый в воздухоподогревателе 9.



Рис. 1.1. Принципиальная технологическая схема барабанного парогенератора

Образовавшиеся в результате процесса горения продукты сгорания (дымовые газы) Q_Г отсасываются из топки дымососом ДС, проходят через поверхности нагрева водяного экономайзера 8 и воздухонагревателя 9 и удаляются в атмосферу через дымовую трубу. Насыщенный пар из барабана 4 перегревается до требуемой температуры в пароперегревателе 5, 6 за счет радиации факела и конвективного обогрева топочными газами.

1.3 Регулирование процесса горения и парообразования и задачи автоматического регулирования

Основными регулируемыми величинами парогенератора являются расход перегретого пара D_п.п., его давление P_п.п.. и температура t_п.п.. При этом расход пара является переменной величиной, а его давление и температура поддерживаются в пределах допустимых отклонений, что обусловливается требованиями заданного режима работы турбины или иного потребителя тепловой энергии.

Процессы горения и парообразования тесно связаны. Количество сжигаемого топлива, а точнее, тепловыделение в топке в установившемся режиме должно соответствовать количеству вырабатываемого пара.

Показателем тепловыделения Q_Т является тепловая нагрузка D_q, которая характеризует количество тепла, воспринятого поверхностями нагрева в единицу времени. С другой стороны, количество вырабатываемого пара должно соответствовать количеству пара, потребляемому турбиной. Косвенным показателем этого соответствия является давление пара перед турбиной, которое по условиям экономичности и безопасности должно поддерживаться с высокой точностью.

Процесс сжигания топлива должен осуществляться с максимальной экономичностью. Топливо, поступающее в топку, должно сгорать по возможности полностью, а потери выделившегося тепла при его передаче поверхностям нагрева должны быть минимальными.

В современных энергетических парогенераторах осуществляется факельный способ сжигания топлива. Косвенным показателем устойчивости факела в топочной камере является постоянство разрежения в ее верхней части. В целом регулирование процессов горения и парообразования сводится к поддержанию близ заданных значений следующих величин:

1) давления перегретого пара P_п.п.. и тепловой нагрузки D_q;

2) экономичности процесса горения, т. е. избытка воздуха в топке, определяемого содержанием O₂ за пароперегревателем;

3) разрежения в верхней части топки S_Т.

2. Описание технологического процесса и технологической схемы объекта.

Рис. 2.1. Технологическая схема котла .

1 - Калорифер

2 - Вентилятор

3 - Телоутилизатор

4 - Дымосос

5 - Экономайзер

6 - Топка

7 - Барабаны котла

Характеристика котла БКЗ-50-39ГМ:

· паропроизводительность- 50 т/ч (номинальная);

- 60 т/ч (максимально устойчивая);

· давление в барабане- 39 атм;

· температура перегретого пара- 430 ⁰С;

· расход воды - 50 т/ч (номинальный);

- 65 т/ч (максимальный);

· расход газа- 5650 нм³/ч (при производительности 60 т/ч);

Котел оснащен:

· шестью газовыми горелками;

· дутьевым вентилятором типа ВД-18 с характеристикой 75600 м^З/ч, 450 мм.вод.ст.;

· дымососом ДН-19ГМ с характеристикой 133400 м^З/ч, 150 ⁰С.

Рис. 2.2. Функциональная схема САР расхода топлива с коррекцией по давлению пара в барабане котла.

Котёл состоит из верхнего и нижнего барабанов, соединенных опускными и подъемными трубами. Радиантная зона топки котла защищена экранными трубами. Пароперегреватель имеет две выносные коллекторные камеры: входную и выходную. Змеевики пароперегревателя расположены в конвекционной зоне топки котла. Для более полного использования тепла уходящих газов установлен экономайзер, в котором питательная вода дополнительно подогревается. Тракт дымовых газов заканчивается дымовой трубой. Воздух для сжигания топливного газа подаётся принудительно вентилятором с электроприводом.

3. Характеризация объекта управления

Задачей системы автоматического управления паровым котлом является поддержание давления пара на выходе из котла в соответствии c технологическими требованиями. Регулирование осуществляется изменением подачи топлива в топку котла. При качественном способе регулирования температуры пара на выходе из котла определяет его тепло-производительность.

По каналу регулирования "расход топлива-давление пара" паровые котлы характеризуются значительной инерционностью.

Кроме того, в пределах допустимых отклонений следует поддерживать следующие величины:

o разрежение в топке - регулируется путем изменения положения заслонки, находящейся между топкой и дымососом, отсасывающего газы из топки;

o оптимальный избыток воздуха - регулируется изменением положения заслонки, находящейся между топкой и дутьевым вентилятором, нагнетающего в топку воздух;

К возмущающим факторам относятся: пульсации давления топлива и воздуха, изменение расхода сетевой воды, изменение температуры воздуха и т.п.

Таким образом, паровой котел как объект управления представляет собой динамическую систему с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами.

Система управления паровым котлом включает САР тепловой нагрузки, соотношения "топливо-воздух" и разряжения в топке.

3.1 Анализ существующих схем регулирования тепловой нагрузки

3.1.1. Регулирование тепловой нагрузки по схеме "задание-расход топлива"

В данной схеме регулирования регулятор нагрузки котла получает сигнал от датчика давления пара в котле и воздействует на регулирующий орган, изменяя подачу топлива к котлу.

Рис.3.1. Структурная схема регулятора нагрузки парового котла.

3.2 Анализ схем регулирования экономичности процесса горения

3.2.1 Регулирование экономичности по схеме "топливо - воздух"

Данная схема регулирования применяется при сжигании в топке котельного агрегата жидкого или газообразного топлива с постоянной теплотой сгорания. В этом случае расход воздуха изменяется системой автоматического регулирования пропорционально расходу сжигаемого топлива. Изменение расхода жидкого или газообразного топлива обычно производится достаточно точно, поэтому схема "топливо - воздух" наряду с простотой исполнения и надежностью обеспечивает также экономичное ведение процесса горения.

Регулятор соотношения топлива и воздуха получает два импульса: по расходу (давлению) топлива и давлению воздуха. В соответствии с графиком соотношения "топливо-воздух" регулятор воздействует на направляющий аппарат дутьевого вентилятора.

Рис.3.2.Структурная схема регулятора воздуха по соотношению "топливо - воздух".

3.2.2. Регулирование экономичности по схеме "топливо - воздух" с коррекцией по давлению пара в котле

Введение дополнительного корректирующего сигнала по давлению пара в котле повышает точность поддержания оптимального количества топлива в системе регулирования экономичности при изменении качественного состава топлива, топочных возмущений и т.д.



Рис.3.3.Структурная схема регулятора топлива с коррекцией по давлению.

3.3 Анализ существующих схем регулирования разряжения в топке

3.3.1 Регулирование разряжения по схеме "задание - разряжение"

В данном случае регулирующее устройство получает импульс по разряжению в топке от датчика разряжения и воздействует на направляющий аппарат дымососа, поддерживаю заданное оптимальное значение разряжения в топке.

Рис.3.4.Структурная схема регулятора разряжения.

3.3.2. Регулирование разряжения с использованием динамической связи от регулятора воздуха

Такая схема регулирования применяется для улучшения качества регулирования в переходных режимах в системах регулирования разряжения котельных агрегатов большой производительности. Динамическая связь позволяет компенсировать все возмущения в топке, которые возникают при работе регулятора воздуха.

Рис.3.5. Структурная схема регулятора разряжения с динамической связью.

4. Получение объекта модели

Чтобы рассчитать САР, необходима математическая модель объекта управления, т.е. уравнения, которые описывают процессы, происходящие в системе.

Модель динамики объекта получена методом активного эксперимента. Он заключается в снятии переходных характеристик и определении по ним коэффициентов передаточной функции. Переходная характеристика - это решение дифференциального уравнения системы при ступенчатом входном воздействии и нулевых начальных условиях. Данная характеристика, как дифференциальное уравнение, характеризует динамические свойства линейной системы (стационарность свойств объекта, линейность объекта регулирования, сосредоточенность параметров объекта).

Для определения динамических характеристик объекта регулирования получены кривые переходных процессов соответственно при возмущениях регулирующим органом - расходом (давлением) топлива.

4.1 Расчет одноконтурной САР давления топлива

При ступенчатом открытии регулирующего клапана на 10 % получена зависимость изменения давления топлива, в общем топливопроводе с течением времени. При этом давление возросло на 0.3 кПа, что составляет 15 % от диапазона его измерения. Отсюда:

Коэффициент передачи измерительного преобразователя:



Коэффициент передачи исполнительного механизма:

Коэффициент передачи системы по каналу давление топлива равен:

Время запаздывания объекта

Рис. 4.1 Кривая разгона по каналу давление топлива.

Производится нормирование полученной кривой разгона с использованием следующей формулы:



Кривая разгона объекта может быть аппроксимирована передаточной функцией вида:

Кривая инерционной составляющей, была аппроксимирована в Linreg следующей передаточной функцией:

Погрешность аппроксимации - СКО = 0.0025

Рис 4.2. Модель одноконтурной САР давления топлива



Рис 4.3. КЧХ объекта

Для правильного функционирования регулятора необходимо рассчитать оптимальные настройки. Расчет настроек регулятора проводится двумя методами: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача.

\Рис 4.4. Выход одноконтурной САР давления по заданию

Таблица 4.1. Настройки регуляторов полученные с помощью программы LinReg

Параметр настройки	ПИ-Регулятор (метод Ротача)	ПИД-Регулятор (метод Ротача)
Kp	0,226	0,39
Tи	2,38	1,83
Тд	0	1,84

Рис. 4.5. Выход одноконтурной САР давления по внутреннему возмущению.



Рис 4.6. Варьированная АЧХ одноконтурной САР давления

Сравнение двух методов: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача в табл.4.1. показало что, с настройками ПИ регулятора по методу Ротача В. Я., при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания.

4.2 Расчет одноконтурной САР давления пара в котле

При ступенчатом увеличении давления топлива на 4 % от диапазона его изменения, получена зависимость изменения давления в котле барабана с течением времени. Давление возросло на 2,3%, что составляет 0,03 МПа от диапазона его измерения. Отсюда:

Коэффициент передачи измерительного преобразователя:



Коэффициент передачи исполнительного механизма:

Коэффициент передачи системы по каналу давление топлива равен:

Время запаздывания объекта

Рис. 4.7. Кривая разгона по каналу давление пара.

Производится нормирование полученной кривой разгона с использованием следующей формулы:



Кривая разгона объекта может быть аппроксимирована передаточной функцией вида:

Кривая инерционной составляющей, была аппроксимирована в Linreg следующей передаточной функцией:

Погрешность аппроксимации - СКО = 0.0043

Рис 4.8. КЧХ объекта

Для правильного функционирования регулятора необходимо рассчитать оптимальные настройки. Расчет настроек регулятора проводится двумя методами: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача.

Таблица 4.2. Настройки регуляторов полученные с помощью программы LinReg.

Параметр настройки	ПИ-Регулятор (метод Ротача)	ПИД-Регулятор (метод Ротача)
Kp	2,16	5,18
Tи	19,5	14,17
Тд	0	12

Рис 4.9. Выход одноконтурной САР давления пара в котле по заданию



Рис. 4.10. Выход одноконтурной САР давления пара по внутреннему возмущению.

Сравнение двух методов: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача в табл.4.2. показало что, с настройками ПИ регулятора по методу Ротача В. Я., при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания.

Рис 4.11. Варьированная АЧХ одноконтурной САР давления пара



Рис 4.12. Модель одноконтурной САР давления пара в котле

5. Расчет каскадной САР

Рис. 5.1. Структурная схема САР процесса горения по схеме расход топлива с коррекцией по давлению пара в котле.

Каскадные системы применяются для автоматизации объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования, если можно выбрать менее инерционную по отношению к наиболее опасным возмущениям промежуточную координату и использовать для нее то же регулирующее воздействие, что и для основного выхода объекта.

Вследствие более высокого быстродействия внутреннего контура в каскадной АСР повышается качество переходного процесса, особенно при компенсации возмущений, поступающих по каналу регулирования. При этом инерционность эквивалентного объекта существенно снижается по сравнению с инерционностью с основным каналом регулирования.

Моделирование объекта осуществляется в пакете Matlab Simulink.

Рис. 5.2. Модель эквивалентного объекта в программе MatLab

Подавая ступенчатое возмущение по каналу давления топлива получаем кривую разгона эквивалентного объекта. Производится нормирование и рассчитывается передаточная функция эквивалентного объекта в программе Linreg.

Рис 5.3. Переходная характеристика эквивалентного объекта

Полученную кривую разгона эквивалентного объекта обрабатываем также, как и при идентификации объектов управления по каналам давления топлива и давления пара в котле. В результате получаем передаточную функцию эквивалентного объекта:



Рис 5.4. КЧХ эквивалентного объекта

Для правильного функционирования каскадной системы автоматического регулирования необходимо найти оптимальные настройки основного регулятора. Определим настройки для ПИ- и ПИД-регулятора методом Ротача. Для этого воспользуемся программой LinReg.

Рис 5.5. Выход каскадной САР по заданию



Рис 5.6. Выход каскадной САР по возмущению

Таблица 5.1. Настройки регуляторов полученные с помощью программы LinReg.

Параметр настройки	ПИ-Регулятор (метод Ротача)	ПИД-Регулятор (метод Ротача)
Kp	0,78	1,68
Tи	19,3	14,3
Тд	0	13,4

Сравнение двух методов: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача в табл.5.1. показало что, с настройками ПИ регулятора по методу Ротача В. Я., при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания.



Рис 5.7. Варьированная АЧХ каскадной САР

6. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР

Таблица 6.1. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР

Параметр	Одноконтурная САР	Каскадная САР
	По заданию	По возмущению	По заданию	По возмущению
Максимальный выброс	30,5%	25%	23,4%	8,5%
Время регулирования	140 сек	175 сек	130 сек	140 сек
Степень затухания	0,855	0,816	0,889	0,9

Рис 6.1. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР по заданию



Рис 6.2. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР по возмущению

Таким образом, сравнивая работу одноконтурной системы регулирования и каскадной, очевидно, что в каскадной САР при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания, и намного лучше отрабатывает внутренние возмущения, имеет значительно меньшую инерционность, что заметно снижает время переходных процессов в системе.

7. Моделирование САР с учетом нелинейностей

Для более полной оценки качества работы рассчитанной системы автоматизации добавим в нее нелинейности. Модель каскадной САР с учетом нелинейных элементов представлена на рис. 7.1.

Учтем следующие типы нелинейностей:

· Нечувствительность

· Насыщение

· Люфт

7.1 Нечувствительность

Зону нечувствительности определим по формуле:

где D - предел измерения входного сигнала элемента;

K - класс точности элемента.

Таким образом, зона нечувствительности:

Датчик давления топлива: _Р=40*0,01=0,40 кПа;

Датчик давления пара в котле: _P=1600*0,01=16 кПа;

Зона нечувствительности исполнительного механизма, для того что бы он не работал в каждый момент времени. Это можно обеспечить задав 0,5% зону нечувствительности исполнительного механизма;

7.2 Насыщение

Зона насыщения исполнительного механизма ограничивается минимальным и максимальным положениями регулирующего органа и равна: 0 % и 100 %.

7.3 Люфт

Техническими условиями эксплуатации исполнительных механизмов предусмотрено, что люфт исполнительного механизма не должен превышать 5-10%. Зададимся максимально допустимым значением, т.е. 10%.

Рис. 7.1. Схема для моделирования каскадной АСР с нелинейными элементами.

По полученным переходным процессам (Рис. 7.2, 7.3) видно, что в данной системе наличие нелинейных элементов приводит к возникновению статической ошибки в пределах 0,5 % по каналу задания и 0,2 % по каналу возмущения, которую необходимо учитывать в процессе работы АСР.

В целом работа системы с наличием нелинейных элементов отклоняется от работы идеальной каскадной АСР незначительно, но при изменении задания температуры следует учитывать получившееся отклонение.

Рис. 7.2. Переходный процесс каскадной САР по заданию с учетом нелинейных элементов

Рис. 7.3. Переходный процесс каскадной САР по возмущению с учетом нелинейных элементов

8. Выбор технических средств автоматизации

Давление пара в котле 1,20,2 МПа. Для его измерения выбран преобразователь избыточного давления Сапфир - 22ДИ - Ех - 2150 с верхним пределом измерения 1,6 МПа.

§ Пределы измерения:0…1,6 МПа;

§ Выходной сигнал:4…20 мА;

§ Класс точности:1

Преобразователь давления "Сапфир 22М-ДВ-2110"

§ Пределы измерения:0…40 кПа;

§ Выходной сигнал:4…20 мА;

§ Класс точности:1

Для преобразования электрического сигнала с выхода регулятора в пневматический сигнал для управления клапаном регулирования расхода газа, используем исполнительное устройство с I/P преобразователем : ЭП - 0010.

§ Входной сигнал 4-20 мА;

§ Выходной сигнал 0,2-1 кгс/cм²;

§ Давление питания 6 кгс/cм².

Система "Котел" предназначена для контроля и управления котлом

Размещено на Allbest.ru