Блочно-модульные котельные установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Подбор основного оборудования

1.1 Котлоагрегаты

2. Подбор газовой горелки

3. Подбор вспомогательного оборудования

4. Сетевой насос

5. Выбор циркуляционного насоса

6. Выбор циркуляционного насоса на вентиляцию

7. Подпиточный насос

8. Теплообменник

9. Подбор расширительных баков для котлов

10. Подбор установки систем умягчения воды

11. Автоматизация

11.1 Общие сведения об автоматизации

11.2 Автоматизация котельных малой мощности

11.3 Автоматизация котельной

12. Описание технологического процесса

13. Требования к системе автоматизации

14. Разработка автоматизированной системы управления

15. Структурная схема автоматизированной систем

16. Выбор средств автоматизации

17. Выбор ПЛК

18. Выбор преобразователей температуры

19. Выбор преобразователей давления

20. Выбор исполнительных механизмов

21. Выбор сигнализаторов загазованности

22. Схема внешних проводок

23. Разработка алгоритмов управления и экранных форм

23.1 Разработка алгоритмов управления

23.2 Разработка алгоритма управления котловым каскадом

23.3 Разработка алгоритма регулирования технологического параметра

23.4 Разработка экранных форм

24. Социальная ответственность

24.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности

25. Опасные производственные факторы

25.1 Поражение электрическим током

25.2 Пожаро-взрывоопасные факторы

25.3 Термические опасные факторы

26. Вредные производственные факторы

26.1 Недостаточная освещенность рабочей зоны

26.2 Повышенный уровень шума

26.3 Повышенный уровень общей вибрации

26.4 Вредные вещества 1-4 класса

26.5 Экологическая безопасность

26.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Заключение



Введение

газовый котельный насос котел

Блочно-модульные котельные установки - это небольшие котельные, состоящие из нескольких модулей, которые консолидируются по месту установки. Данные котельные могут работать на различных типах топлива, как газ, мазут. Наиболее распространённым видом топлива для таких котельных установок является природный газ.

Разработка и применение блочно-модульных газовых котельных установок связано с их автономностью, мобильностью, быстроте установки и изготовлении. Их применение предназначено для отопления, снабжения паром и горячим водоснабжением производственные предприятия, жилые комплексы, сельскохозяйственные объекты.

В связи с широкой областью применения все чаще на рынке появляются новые технологии направленные на повышение эффективности, работоспособности, надёжности и безопасности газовых блочно-модульных котельных установок.



1. Подбор основного оборудования

1.1 Котлоагрегаты

Количество котельных агрегатов определяется делением расчетных нагрузок на паро - или теплопроизводительностью того или иного котельного агрегата. В результате расчета было подобрано 3 котла марки Vitoplex 100 PV1 (рисунок 1).

Для нужд отопления и вентиляции требуется как минимум два котла один из которых будет работать в средне - отопительный период, когда тепловая нагрузка снижается, или, в случае аварии, может служить резервным. В проектах газовых котельных следует принимать заводские и типовые компоновки котлоагрегатов в соответствии с основными требованиями к проектированию.

Котел должен быть:

- газовый;

- водогрейный;

- автоматизированный.

В котельной установке любого типа максимальная величина нагрузок должна соответствовать установленной теплопроизводительности агрегатов без резервного.

Каждый котел комплектуется двумя предохранительными клапанами для защиты котла от превышения допустимого избыточного давления, датчиком температуры котловой воды, устройством ограничения давления, смотровым стеклом, отверстием для чистки.

Основные технические характеристики котла приведены в таблице 1.



Таблица 1

Технические данные котла марки Vitoplex 100 PV1

Наименование	Размерность	Величина
1	2	3
Теплопроизводительность	кВт	1350
Вид топлива		газ
Доп.избыточное рабочее давление	бар	6
Объем котловой воды	л	1324
Аэродинамическое сопротивление	Па	400
Габаритные размеры( дл, шир, выс.)	мм	2665х1375х1550
Полная масса котла с теплоизоляцией	кг	2525
Коэффициент полезного действия	%	94
Температура уходящих газов	?С	215
Допустимая t	?С	95

Рисунок 1 Водогрейный котёл «Vitoplex 100 PV1»



2. Подбор газовой горелки

Расчет тепловой мощности горелки вычисляется по формуле:

(1)

где - мощность котла, кВт;

- КПД котла,

- расчетная тепловая мощность горелки.

Найдём расчёт тепловой мощности горелки по формуле (2):

Номинальная мощность тепловой установки -

КПД тепловой установки -

Расчетная мощность горелки -

Сопротивление котла -

В результате расчета принимаем газовую горелку диаметром 1 марки Weishaupt WM-G 20/2-А (рисунок 2).

Технические характеристики газовой горелки приведены в таблице 2.

Таблица 2

Технические данные газовой горелки марки Weishaupt WM-G 20/2-А

Наименование	Размерность	Величина
1	2	3
Мощность	кВт	250-2100 кВт
Топливо		газ
Давление подключения газа	мбар	15-300
Диаметр присоединительного фланца	мм	25
Максимальный расход	м3/ч	57
Минимальный расход	м3/ч	14,5



Рисунок 2 Общий вид газовой горелки марки «Weishaupt WM-G 20/2-А»



3. Подбор вспомогательного оборудования

В состав вспомогательного оборудования обычно входят:

- тяговое устройство;

- дутьевая установка;

- питательные или сетевые насосы;

- устройства подготовки питательной воды, идущей на питание паровых котлов, или подпиточной воды, идущей на восполнение утечек в тепловой сети;

- трубопроводы;

- контрольно-измерительные приборы;

- средства регулирования и управления;

- устройство топливоподачи.



4. Сетевой насос

Подбор насосов котлового контура для котлов Vitoplex 100 PV1 мощностью 1350 кВт.

Общая производительность котельной 4,05МВт (3,0Гкал/час).

Насосы устанавливаются в котельных с водогрейными котлами для частичной подачи горячей сетевой воды в трубопровод, подводящий воду к водогрейному котлу. Напор насосов греющего контура должен преодолевать гидравлическое сопротивление трубопроводов при расчетном максимальном расходе сетевой воды и потери напора в сетевом теплообменнике, теплообменнике - охладителе, котле и арматуре.

Для подбора сетевого насоса требуются следующие формулы:

Где - потери давления в системе отопления (сопротивление абонента с.о.), кПа;

- потери давления в системе абонента, кПа;

- потери давления в регуляторах, кПа;

- потери давления в подогревателе горячего водоснабжения, кПа;

- потери давления в элеваторе.

(4)

где - суммарные потери давления в контуре, кПа;

- сопротивление на источнике теплоты, кПа;

- сопротивление в трубопроводе, кПа.

(5)

где требуемый напор сетевого насоса, кПа;

напор на всасывающем патрубке насоса, кПа.

(6)

где напор сетевого насоса, кПа.

В котельной должен быть установлен насос марки Wilo IL 80/160-11/2 3~ (рисунок 3).

Технические характеристики сетевого насоса Wilo IL 80/160-11/2 3~ представлены в таблице 3.

Таблица 3

Техническая характеристика сетевого насоса Wilo TOP - SD 65/15

Показатель	Численное значение
1	2
Производительность, м3/ч	133
Напор, м	32
Мощность электродвигателя, кВт/ об/мин	11/2900
Электропитание, В	3*380
Масса, кг	157

Рисунок 3 Сетевой насос «Wilo TOP - SD 65/15»

5. Выбор циркуляционного насоса

Циркуляционный насос - один из главных элементов отопительной системы и горячего водоснабжения. Главная функция этого устройства состоит в обеспечении принудительного движения жидкой среды по определенному замкнутому контуру (циркуляция). Благодаря действию насоса обеспечивается более быстрое перемещение теплоносителя в системе.



6. Выбор циркуляционного насоса на вентиляцию

Расход воды, требуемый для выбора циркуляционного насоса, находится по формуле:

В результате расчета к установке принимаем насос марки Wilo TOP-SD 50/7 3~ PN6/10 (рисунок 5).

Технические характеристики циркуляционного насоса Wilo TOP-SD 50/7 3~ PN6/10 представлены в таблице 4.

Таблица 4

Технические характеристики циркуляционного насоса Wilo TOP - SD 50/15 3~ PN6/10

Показатель	Численное значение
1	2
Производительность, м3/ч	3,6
Напор, м	6
Мощность электродвигателя, кВт/ об/мин	0,61/2800
Электропитание, В	230/400
Масса, кг	16,6

Рисунок 4 Насос «Wilo TOP-SD 50/7 3~ PN6/10»

7. Подпиточный насос

Для подбора подпиточного насоса использованы следующие формулы:

(10)

где объем воды в системе отопления, м³;

м³/ГКал;

максимальная тепловая нагрузка, ГКал.

(8)

гдеобъем воды в системе теплоснабжения, м³;

объем воды в системе отопления, м³;

объем воды в источнике отопления, м³. Вычисляется следующим образом:

,м³, (9)

где - объём котловой воды в 1 котле, м³;

- объём котловой воды во 2 котле, м³.

,м³, (10)

где величина утечки теплоносителя, м³;

, кПа, (11)

где статический напор в системе, кПа;

высота здания, м.

, кПа, (12)

где требуемый напор подпиточного насоса, кПа;

сопротивление подпиточной линии, кПа.

, кПа, (13)

где напор подпиточного насоса, кПа.

Устанавливаются два подпиточных насоса марки Wilo MVI 206/PN16 3~ (рисунок 8).

Насосы установлены на нулевой отметке и подают подпиточную воду из бака подпиточной воды в обратную линию тепловой сети.

Технические характеристики подпиточного насоса марки Wilo MVI 206/PN16 3~ представлены в таблице 5.

Таблица 5

Технические характеристики подпиточного насоса марки MVI 206/PN16 3~

Показатель	Численное значение
1	2
Производительность, м3/ч	3,0
Напор, м	45
Рабочее давление, бар	16
Электропитание, В	400



Рисунок 5 Насос «Wilo MVI 206/PN16 3~»



8. Теплообменник

Теплообменник устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости.

В дипломном проекте к установке принимаем водоводяные рекуперативные теплообменники, которых теплопередача от греющего теплоносителя к нагреваемому происходит через разделяющую их стенку трубы и в качестве теплоносителя используется горячая вода. Предусмотрена независимая схема подключения тепловой сети. В соответствии с тепловой схемой сетевой теплообменник рассчитываем на полную тепловую нагрузку для системы теплоснабжения Q_сет = 3,0 Гкал/ч. Подбор теплообменного аппарата приведён в таблице 6 и 7.

Таблица 6

Подбор теплообменного аппарата

	Ед. изм.	Греющая среда	Нагреваемая среда
1	2	3	4
Тип среды		Вода	Вода
Тепловая нагрузка	Гкал/ч	3,0
Массовый расход	т / ч	87	87
Температура среды на входе в ПТО	С	105	70
Температура среды на выходе из ПТО	С	80	95
Допускаемые потери напора в ПТО, макс.	м.в.с.	3	3
Рабочее давление, макс.: 6 кгс/смІ.	Рабочая температура, макс.: 115 С
Результаты расчета
Марка теплообменника.	Alfa Laval T2-BFG
Максимальное давление	Бар.	32
Площадь теплообмена	м2	150
Масса	кг	617
Расход среды	т/ч	50	50
Потери давления	кПа	2,9	2,7
Максимальная рабочая температура	°С	150

Таблица 7

Подбор теплообменного аппарата

Габариты
1	2	3
Высота	мм	380
Длина	мм	140
Ширина	мм	285

На рисунке 6 показан общий вид пластинчатого теплообменника фирмы Alfa Laval T2-BFG мощностью 1,73 Гкал/ч.

Рисунок 6 Общий вид пластинчатого теплообменника фирмы Alfa Laval T2-BFG



9. Подбор расширительных баков для котлов

Система отопления представляет собой замкнутый контур, заполненный теплоносителем (вода или незамерзающая жидкость - антифриз). Поэтому, незначительное увеличение объема теплоносителя при повышении температуры может создать давление, превышающее предел прочности отдельных элементов системы, а уменьшение объема при понижении температуры может вызвать разрыв струи и нарушение циркуляции. Для предотвращения этих явлений в системах отопления служит расширительный бак. Для подбора расширительного бака необходимо знать вид теплоносителя, общий объем теплоносителя в системе, коэффициент расширения теплоносителя в системе, начальное и максимально допустимое значение давления и коэффициент заполнения расширительного бака при заданных условиях работы. По формуле 3.7.1 вычисляем объем расширения теплоносителя:

, л, (14)

где - объем расширительного бака, л;

- коэффициент расширения теплоносителя в системе;

- общий объем теплоносителя в системе, л;

- начальное давление в расширительном баке, атм;

- максимально допустимое значение давления, атм;

- коэффициент заполнения расширительного бака при заданных условиях работы.

По формуле 18 находим полный объем расширительного бака:

, л, (15)

где - полный объем расширительного бака, л;

- объем расширительного бака, л;

- коэффициент запаса равный 1,25 (или 25%).

В результате расчетов подберем расширительные баки.

Для компенсации температурного расширения и поддержания постоянного напора в системах в котельной установлены расширительные баки Reflex:

- на обратном сетевом трубопроводе - 4 шт;

- в контуре котлов на линии - 3 шт.;

На рисунке 7 показан общий вид расширительного бака фирмы Reflex N 200/6

Рисунок 7 Общий вид расширительного бака фирмы Reflex N 200/6



10. Подбор установки систем умягчения воды

Одним из наиболее распространенных видов химводоподготовки воды является система умягчения воды. Умягчение воды - это процесс удаления из воды солей щелочноземельных металлов, в основном кальция и магния (Ca и Mg). Концентрация солей кальция и магния обуславливает так называемую жесткость воды. Чем выше концентрация данных солей, тем выше жесткость воды.

Оценка исходных данных. Исходя из представленных данных лабораторного анализа исходной воды и требований, предъявляемых к качеству воды, корректировке подлежат следующие параметры (16):

Таблица 8

Исходные данные

Показатель	Единицы измерения	Концентрация	Требующееся значение для паровых котлов
1	2	3	4
Жесткость	мг-экв/л	3,4	0,7
рН	ед.	7,0 принимается	7,0-11,0
Железо	мг/л	0,39	Не нормируется
Растворенный кислород	мкг/кг	-	50

В результате обменных реакций из обрабатываемой воды удаляются ионы Ca2+ и Mg2+, а в обрабатываемую воду поступают ионы Na+, анионный состав воды при этом не изменится.

Осуществлять метод натрий - катионирования предлагается на установке умягчения периодического действия кабинетного типа. Установка состоит из бака-солерастворителя, внутри которого размещается фильтр, и блока управления. Корпус фильтра изготовлен из полиэтилена высокой плотности с наружным покрытием из стекловолокна на эпоксидной смоле. В корпусе имеется верхнее резьбовое отверстие для установки дренажно-распределительной системы, загрузки фильтрующих материалов, крепления блока управления. Бак-солерастворитель используется для автоматического приготовления раствора поваренной соли, предназначенного для проведения регенерации загрузки. В качестве загрузки используются импортные сильнокислотные катионообменные смолы в Na-форме.

Для приготовления регенерационного раствора предлагаем использовать таблетированную поваренную соль, производимую нами специально для этой цели. Регенерация осуществляется путем обработки ионообменной смолы раствором поваренной соли из бака-солерастворителя. Концентрированный раствор соли в баке-солерастворителе образуется в результате ее контакта с соответствующим объемом воды. Для получения концентрированного солевого раствора необходим контакт избыточного количества соли с водой, для чего в солевом баке всегда должен находиться запас соли не менее чем на 2 - 3 регенерации. Показателем насыщенности солевого раствора является наличие нерастворенной соли в баке при продолжительном контакте соли с водой (в течение не менее 4-5 ч). Регенерация производится без применения специальных насосов за счет давления исходной воды (засасывание солевого раствора производится по принципу инжекции). Периодическая загрузка соли в бак осуществляется обслуживающим персоналом. Сигнал к началу регенерации поступает от встроенного водосчетчика, регистрирующего объем воды, прошедшей через установку. Работа установки полностью автоматизирована и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала. Во всех операциях процесса регенерации одного фильтра используется исходная вода.



11. Автоматизация

11.1 Общие сведения об автоматизации

Понятие автоматизация в настоящее время употребляется в самом широком смысле слова и служит для обозначения комплекса мероприятий технического и организационного характера, направленных на замену или облегчение труда человека с помощью разнообразных средств: от простых устройств и механизмов до сложных вычислительных комплексов.

Автоматизация -- исторически обусловленное, подготовленное всем предшествующим развитием материального производства направление, порожденное научно-техническим прогрессом. Классическое определение автоматизации дал К. Маркс: «Когда рабочая машина выполняет все движения, необходимые для обработки сырого материала, без содействия человека и нуждается лишь в контроле со стороны рабочего, мы имеем перед собой автоматическую систему машин, которая, однако, способна к постоянному усовершенствованию в деталях».

Техническое устройство называют автоматическим, если оно функционирует и управляется без непосредственного участия человека длительное время. Совокупность технических средств автоматизации (ТСА), выполняющих определенную целевую задачу без участия человека, представляет автоматическую систему. Системой принято называть объединение элементов любой физической природы, рассматриваемых как связное целое, для общей цели -- функционирования. Следует различать автоматические и автоматизированные системы, последние допускают периодическое вмешательство человека в деятельность автоматов со строго определенными функциями[3].

11.2 Автоматизация котельных малой мощности

Отопительные и отопительно-производственные котельные занимают одно из ведущих мест среди потребителей топливных ресурсов, причем их доля в общем энергетическом балансе страны составляет около 50%.

В настоящее время в городах эксплуатируются более 120 тыс. котельных, и в перспективе они будут иметь немаловажное значение. Индустриализация сельского строительства также требует значительного количества котельных малой мощности.

Техническая эксплуатация котельных «малой энергетики» связана с трудоемкими процессами. Для ее совершенствования требуется автоматизация и механизация основных технологических процессов. Важнейшей задачей автоматизации и механизации является обеспечение энергетического и материального баланса установки при оптимальном КПД, минимальных потреблении топливно-энергетических ресурсов, загрязнении окружающей среды, при экономичной и безопасной работе на любых нагрузках.

История автоматизации началась именно с регулирования паровых котлов. Ее современное состояние позволяет, увеличив экономичность котлоагрегатов, повысить безопасность, надежность и точность работы оборудования, обеспечить снижение численности обслуживающего персонала, облегчение его труда.

Наибольшая эффективность автоматической эксплуатации котельных предполагается при полной и комплексной автоматизации устройств основного и вспомогательного оборудования. Как известно, к первому относится сам котлоагрегат, дымососы и вентиляторы, ко второму -- насосно-деаэраториая установка, химводоочистка, теплофикационная установка, станция перекачки конденсата, ГРС, склад мазута (угля) и топливоподача.

Уровень автоматизации котельных зависит от следующих основных технических факторов:

1. назначения котла. По виду и параметрам энергоносителя котлы делятся на паровые, водогрейные, с высокотемпературным органическим теплоносителем (ВОТ). В качестве ВОТ применяются дифснильная смесь (ДФС), дитолилметан (ДТН) и дикулилметан (ДКМ) с температурой не более 310...380°С. Сюда входят стационарные и передвижные котлы, котлы-боилеры и котлы-утилизаторы;

2. конструкции котла и его оборудования (барабанный, прямоточный, чугунный секционный с наддувом, микрокотел), вида тяги и т. п.;

3. вида топлива (твердое, жидкое, газообразное, пылевидное, комбинированное (газомазутное)) и тина топлизосжигающего устройства (ТСУ);

4. вида потребителя (производственный, отопительный, индивидуальный и т. п.);

5. числа котлов в котельной.

При составлении схемы автоматизации предусматривают основные подсистемы автоматического регулирования, технологической защиты, дистанционного управления, теплотехнического контроля, технологической блокировки и сигнализации.

Автоматическое регулирование обеспечивает нормальный режим работы котла (материальный и энергетический баланс) независимо от нагрузки. Дистанционно управляют вспомогательными механизмами, а также розжигом котла (иногда на расстоянии до 20 км и более). Технологические защиты предотвращают возникновение аварийных режимов котлоагрегата и вспомогательного оборудования. С помощью приборов теплотехнического контроля ведут непрерывное наблюдение за процессами, протекающими в котельной. Технологические блокировки обеспечивают заданную последовательность операций управления, исключая возможность неправильных операций, взаимодействуют с технологической защитой. Звуковая и световая сигнализация информирует обслуживающий персонал о состоянии оборудования, предупреждает о возникновении аварийной ситуации.

Объем автоматизации зависит от вида котлоагрегата, схемы котельной и определяется СНиП II-35--76[3].

11.3 Автоматизация котельной

Схема автоматизации котельной обеспечивает:

-контроль основных параметров работы тепломеханического оборудования;

-автоматическое регулирование процесса сжигания топлива;

-автоматическое регулирование температуры воды, поступающей к котлам;

-учет количества выработанной тепловой энергии;

-автоматическое управление насосами;

-сигнализацию в котельной.

Автоматическое регулирование выполняется системами автоматики горелок, устройствами цифрового программного управления контуром котловой воды Thermo EBM

Автоматическое управление насосами выполняется программируемым логическим контроллером:

-чередование рабочего и резервного сетевых насосов по времени;

-автоматический ввод в работу резервного насоса при аварии рабочего.

Приборы световой сигнализации сосредоточены на блоках управления горелок, устройствах цифрового программного управления, сигналы состояния оборудования отображаются на щите автоматики в котельной.

В котельной предусмотрена передача сигнала следующих аварии:

-Загазованность помещения природным газом

-Загазованность помещения угарным газом

-Закрытие газового клапана

-Отклонение температуры теплоносителя в контуре котлов

-Отклонение давления теплоносителя в контуре котлов

-Утечка теплоносителя в контуре котлов

-Утечка теплоносителя в контуре теплосети

-Неисправность насосов

-Неисправность горелок

-Пожар в помещении котельной

-Несанкционированный доступ в помещение котельной

Электрические проводки автоматизации выполняются кабелями марки ПВС, МКЭШ открыто в металлических лотках.

Схема автоматизации газоснабжения обеспечивает:

-контроль основных параметров;

-световую и звуковую сигнализацию в котельной;

-контроль загазованности помещения метаном и угарным газом.

Контроль загазованности помещения осуществляется сигнализатором загазованности на природный газ Seitron RGD METMP1 и сигнализатором загазованности Seitron RGD СООMP1 на угарный газ. Сигнализатор загазованности природным газом устанавливается на расстоянии 100-200мм ниже уровня потолка.

Сигнализатор загазованности угарным газом устанавливается на высоте 1,6-1,8м от уровня пола.

Котельная оборудована системой автоматического оповещения обслуживающей организации об аварийных ситуациях, отклонениях в работе котельной посредством передачи данных через сотовую сеть.

Электрические проводки автоматизации выполняются кабелями марки ПВС, МКЭШ в металлических лотках. Изделия для прокладки электрических проводов учтены в комплекте ЭОМ.

Для обеспечения безопасности людей от поражения электрическим током при прикосновении проектом предусматривается защитное заземление приборов и электроаппаратуры, для чего все открытые проводящие части последних присоединить к нулевому защитному проводнику(РЕ),в качестве которого используется третий проводник однофазной трехпроводной сети или специальный защитный проводник, входящий в состав контрольного кабеля.

Для обеспечения безопасности людей от поражения электрическим током при прикосновении проектом предусматривается защитное заземление приборов и электроаппаратуры, для чего все открытые проводящие части последних присоединить к нулевому защитному проводнику(РЕ),в качестве которого используется третий проводник однофазной трехпроводной сети или специальный защитный проводник, входящий в состав контрольного кабеля.



12. Описание технологического процесса

Технологическая схема блочно-модульной газовой котельной установкой.

Исходная вода подается из колодца или центральной магистрали водоснабжения на специальные водоподготовительные установки. Вода должна соответствовать требованиям, отраженным в паспорте на котловые агрегаты позиция К1. После водоподготовительных установок вода по трубопроводу Т7 подается в бак запаса воды позиция К14. Бак емкостью две тысячи литров оснащен механическим уровнемером с клапаном, при снижении уровня воды в баке открывается клапан и осуществляется наполнение бака до заданного уровня. После заполнения бака, приступают к заполнению котловых агрегатов, котлового и сетевого контура с помощью насосов подпитки позиция К12. Циркуляция теплоносителя в котловом контуре осуществляется с помощью котловых насосов позиция К4 и насоса загрузки теплообменника сети позиция К5. Для подогрева воды в сетевом контуре используются два теплообменника позиция К6. Оба теплообменника находятся в рабочем режиме, для поддержания значений температуры согласно заданным значениям, в трубопроводе подачи Т4 температура должна поддерживаться в пределах от 90 до 100 °С. В обратном трубопроводе сети Т3 температура должна поддерживаться в пределах от 70 до 75 °С. После заполнения всех аппаратов и контуров осуществляется запуск котельной. Первоначально запускаются горелочные устройства позиция К2 и осуществляют нагрев воды в котловых агрегатах. После того, как температура внутри котловых агрегатов достигла заданного значения, запускаются котловые насосы и насос загрузки теплообменника отопления. Электроприводы позиция М1 и позиция М2 служат для защиты котлового агрегата от перегрева. 19 Вода с помощью насосов циркуляции отопления позиция К11 осуществляют циркуляцию воды от котельной до потребителя по трубопроводу Т4 и обратно по трубопроводу Т3. Приточная установка позиция К8 необходима для поддержания заданной температуры в помещении котельной и осуществляет постоянный приток воздуха необходимый для функционирования горелочных устройств. Теплоносителем для приточной установки является гликоль. Бак запаса гликоля рассчитан на 250 литров, после заполнения бака запаса осуществляется заполнение контура циркуляции гликоля через обратный трубопровод гликоля Т6 с помощью насоса подпитки гликоля позиция К10. После заполнения контура гликоль циркулирует по контуру с помощью насоса циркуляции позиция К9.



13. Требования к системе автоматизации

Автоматизированная система управления технологическим процессом блочно-модульной газовой котельной должна иметь иерархическую структуру и производить обмен данными согласно стандартизированным протоколам. Подбор контрольно-измерительных приборов выполняется согласно анализу технологического процесса.

Автоматизированная система управления блочно-модульной газовой котельной должна отвечать следующим требованиям: - автоматическое и ручное управление котловыми агрегатами; - автоматическое регулирование температуры в котловом контуре; - автоматическое регулирование температуры в контуре отопления; - автоматическое регулирование температуры в контуре приточной вентиляции; - автоматическая защита насосов от сухого хода; - автоматическая защита котловых агрегатов.



14. Разработка автоматизированной системы управления

Постоянное присутствие персонала на котельной не требуется, согласно нормативным документам. Как правило, достаточно применения GSMоповещателя в котором программируются аварийные ситуации, при возникновении которых прибор отправляет сообщение ответственному лицу. Данный способ автоматизации не обеспечивает должное качество отпускаемого тепла и увеличивает сроки простоя.

Постоянное присутствие персонала с возможностью перманентного контроля текущих параметров и управления автоматизированной системы обеспечит повышение надежности работы котельной установки и обеспечит оперативное устранение или предотвращение возникновения аварийной ситуации. Для этого будет осуществлен подбор средств автоматизации в соответствии с требованиями SCADA- системы.



15. Структурная схема автоматизированной системы

Структурные схемы определяют основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи и служат для общего ознакомления с изделием. На структурной схеме раскрывается взаимодействие между функциональными частями технологического процесса. Структурная схема автоматизированной системы состоит из трех уровней. Первый уровень включает в себя датчики и исполнительные механизмы. Второй уровень состоит из аналогово-цифровых преобразователей, пускателей, программного логического контроллера. Третий уровень включает в себя персональный компьютер с установленным программным обеспечением.

Структурная схема автоматизированной системы управления блочномодульной котельной установки представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 Структурная схема автоматизированной системы



16. Выбор средств автоматизации

Средства автоматизации, с помощью которых будет осуществляться управление процессом должны быть выбраны технически грамотно и экономически обоснованно. Конкретные типы автоматических устройств выбирают с учётом особенности объекта управления и принятой схемой управления (местное или централизованное). В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожароопасность и взрывоопасность, агрессивность и токсичность сред, число параметров, участвующих в управлении, физико-химические свойства, а также требования к качеству контроля и регулирования, а именно дальность передачи сигналов информации от места установки измеряемых преобразователей до пунктов контроля и управления. Для обеспечения технологических процессов различных отраслей промышленности средствами контроля и автоматического регулирования существует единая Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Поэтому, все средства автоматизации, выпускаемые в Российской Федерации, определяются соответствующим нормативным документом и включаются в ГСП.



17. Выбор ПЛК

Для реализации работы автоматизированной системы управления блочно-модульной газовой котельной необходимо выбрать контроллер с возможностью установки модулей расширения в связи с большим количеством контролируемых параметров. Контроллер будет глобально управлять всей котельной, отсюда требование к высокой степени надежности контроллера. Доступность контроллера и комплектующих к нему также влияет на работу оборудования, в случае выход из строя, необходимо в кротчайшие сроки осуществить ремонт или замену оборудования. Исходя из представленных выше требований, для реализации работы разрабатываемой системы будут рассмотрены контроллеры, представленные в таблице 9.

Таблица 9

Сравнение технических характеристик ПЛК

В связи с проблемами международной логистики у дистрибьютеров компании Siemens и производителя контроллера Matrix возникли сложности с поставками оборудования и компонентами. У контроллера ПЛК 200 оптимальные, усредненные показатели технических характеристик, на основании этого данный контроллер будет применен для разработки проекта автоматизированной системы управления блочно-модульной газовой котельной. Внешний вид контроллера представлен на рисунке 10.

Рисунок 10 Внешний вид контроллера ПЛК 200



18. Выбор преобразователей температуры

В данной системе необходимо измерять уровень, давление и температуру в различных точках. Поскольку, в данном проекте температура не превышает двухсот градусов Цельсия, то для измерения температуры наиболее подходящим первичным преобразователем будет термометр сопротивления с выходным цифровым сигналом. Применение датчиков со встроенным аналогово-цифровым преобразователем позволяет проводить более точные измерения контролируемых величин. Выбор будет производится между Овен ДТС, Элемер ТПУ.

Проанализировав представленные в таблице характеристики и учитывая особенности технологического процесса наиболее подходящей моделью термометров сопротивления будет ОВЕН ДТС075М.RS. Данный преобразователь температуры имеет номинальную статическую характеристику 100П, наиболее подходящую для реализации данного технологического процесса. Также он имеет преимущество в стоимости и установлении рабочего режима. Внешний вид преобразователя сопротивления представлен на рисунке 11.

Рисунок 11 Термометр сопротивления ОВЕН ДТС075М.RS



19. Выбор преобразователей давления

Выбор приборов для измерения давления будет произведен среди следующих преобразователей: Овен ПД100И RS-485, Элемер АИР-20/М2-МВ.

Проанализировав представленные в таблице характеристики и учитывая особенности технологического процесса, для измерения давления был выбран преобразователь давления АИР-20/М2-МВ представленный на рисунке 12.

Рисунок 12 Преобразователь давления АИР-20/М2-МВ

АИР-20/М2-МВ соответствует требованиям технологического процесса в виде температуры контролируемой среды. Также у выбранного преобразователя вдвое выше срок эксплуатации.

Для получения информации об уровне какой-либо жидкости, находящейся в ёмкости, используются специальные измерительные средства - датчики уровня, иначе «уровнемеры». Многообразие типов датчиков измерения уровня, объясняется тем, что различные контролируемые жидкости имеют различные свойства, и для измерения их уровня в уровнемерах используются принципы действия, основанные также на различных физических методах, в зависимости от контролируемой жидкости. Для сравнения рассмотрим датчики Метран Rosemount 3300 и ПДУ-RS характеристики.

Для измерения уровня будет применен датчик ПДУ-RS, поскольку он наиболее точно подходит для реализации работы системы. Температура измеряемой среды наиболее приближена к измеряемой, выше срок службы и наиболее приемлемая цена.

Внешний вид уровнемера представлен на рисунке 13.

Рисунок 13 датчик уровня ОВЕН ДУ



20. Выбор исполнительных механизмов

Для регулирования температуры в данном технологическом процессе применяются задвижки с электроприводом. Для корректного подбора оборудования в таблице 5 будут приведены сравнительные характеристики для следующих исполнительных механизмов: Гранрар KR15 и VANTA 24-006-908.

Исходя из данных представленных в таблице 6, следует вывод, что оптимально подходящим по цене и производительности является исполнительный механизм Гранрар KR15.

Внешний вид исполнительного механизма представлен на рисунке 14.

Рисунок 14 Внешний вид исполнительного механизма Гранрар KR 15



21. Выбор сигнализаторов загазованности

Сигнализаторы загазованности применяются в помещении котельного зала для контроля утечек метана. Необходимо, чтобы сигнал от сигнализатора был цифровой и это позволило бы оператору контролировать данный параметр в режиме реального времени.

Наиболее подходящим под технологические условия сигнализатором загазованности является Seitron SGWME0NX в связи с более обширным радиусом действия, наименьшей 30 погрешностью измерения и более длительным сроком эксплуатации.

Внешний вид сигнализатора загазованности представлен на рисунке 15.

Рисунок 15 Внешний вид сигнализатора загазованности



Функциональная схема автоматизации

является техническим документом, в котором определена функциональноблочная структура отдельных узлов автоматического регулирования технологического процесса. На функциональной схеме в виде условных изображений показаны все системы автоматического контроля, регулирования, дистанционного управления, сигнализации разрабатываемой системы.



22. Схема внешних проводок

Схема внешних проводок - комбинированная схема, которая показывает электрические и трубные связи между приборами и средствами автоматизации, установленными на технологическом оборудовании, вне щитов и на щитах, а также подключения проводок к приборам и щитам. Для данной выпускной квалификационной работы были разработаны две схемы внешних соединений



23. Разработка алгоритмов управления и экранных форм

23.1 Разработка алгоритмов управления

Разработка алгоритма управления является важнейшей частью автоматизированной системы управления технологическим процессом. Для реализации работы автоматизированной системы управления технологическим процессом были реализованы следующие алгоритмы управления: -алгоритм управления котловым каскадом; -алгоритм регулирования технологического параметра.

23.2 Разработка алгоритма управления котловым каскадом

Для управления котловым каскадом был реализован следующий алгоритм работы. Если температура в котловом контуре опустилась ниже заданного значения, то запускается котловой агрегат с учетом некоторой задержки времени, которую задает оператор. Задержка на включение должна быть длительнее, чем на отключение котлового агрегата, это обусловлено элементарной техникой безопасности и условиями эксплуатации агрегата. При резком запуске котлового агрегата, заполненного холодной водой, можно повредить стенки котла и разорвать агрегат. При остановке допустимо использовать экстренное выключение. Блок-схема алгоритма представлена на рисунке 15



Рисунок 15 Блок-схема алгоритма

23.3 Разработка алгоритма регулирования технологического параметра

Объектом регулирования в данном технологическом процессе является температура воды в трубопроводе Т4. Теплоноситель циркулируя по трубопроводам Т1 и Т2 с помощью теплообменников позиция К6 осуществляет нагрев воды в контуре отопления. Контроль температуры осуществляется с помощью датчика температуры позиция ТТ-15. В контуре отопления поддерживается значение температуры согласно заданному установленному значению, при превышении температуры на выходе трубопровода подачи отопления ПЛК выдает управляющее воздействие на привод исполнительного механизма и осуществляет подпитку трубопровода подачи Т1 из обратного трубопровода Т2 тем самым понижая температуру перед теплообменником.

Редуктор представлен безынерционным звеном с коэффициентом 0,03. Смоделированная модуль системы в Simulink представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 Модель системы автоматического регулирования в Simulink

Далее необходимо настроить ПИД-регулятор и подобрать корректные коэффициенты, для этого используем средства математического пакета Matlab. Полученные коэффициенты представлены на рисунке 17.

Рисунок 17 Коэффициенты ПИД-регулятора

После настройки ПИД-регулятор необходимо запустить симуляцию.

Показания осциллографа представлены на рисунке 18.

23.4 Разработка экранных форм

Управление автоматизированной системы осуществляется с использованием SCADA-системы Simple-SCADA. Simple-SCADA - это программный продукт предназначенный для разработки и обеспечения сбора, обработки, отображения и хранения данных в режиме реального времени. Алгоритм управления автоматизированной системой выполнен в среде разработки CoDeSys v.3.5.

На рисунке 19 представлена экранная форма управления блочно-модульной газовой котельной установки.



Рисунок 19 Экранная форма управления АС котельной

Отображение значений технологических параметров осуществляется в соответствии с функциональной схемой автоматизации блочно-модульной газовой котельной. В правой части экранной форму располагаются элементы управления, где задается температура подачи котлового контура, осуществляется ручное открытие и закрытие приводов и включение насосных аппаратов. В самом низу располагается кнопка аварийной остановки котельной.



24. Социальная ответственность

24.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности

В данной выпускной квалификационной работе главной задачей является разработка автоматизированной системы управления блочно-модульной газовой котельной установкой.

Постоянно присутствующий персонал котельной находится в отделенном от технологического оборудования помещении - диспетчерской. Диспетчерская представляет собой помещение площадью 16 м2 и высотой потолка 2,8 м.

Стены помещения изготовлены из негорючих сэндвич-панелей. Диспетчерская имеет естественное освещение за счет одного окна шириной 1430 мм и высотой 1400 мм и искусственное освещение, обеспечиваемое четырьмя светодиодными, линейными светильниками мощностью 34 Вт.

В данном помещении располагаются: шкаф для хранения рабочей одежды и средств индивидуальной защиты, рабочий стол, персональный компьютер, с помощью которого осуществляется управление технологическим процессом.

Согласно ГОСТ Р ИСО 26000-2012 социальная ответственность (social responsibility) [19] Ответственность организации за воздействие ее решений и деятельности на общество и окружающую среду через прозрачное и этичное поведение, которое:

- содействует устойчивому развитию, включая здоровье и благосостояние общества;

- учитывает ожидания заинтересованных сторон;

- соответствует применяемому законодательству и согласуется с международными нормами поведения;

- интегрировано в деятельность всей организации и применяется в ее взаимоотношениях.

Нормы безопасности эксплуатируемых котельных определяются следующими нормативными документами: 64 СП 89.13330.2012

Котельные установки [20];

Приказ №115 от 24.03.2003г «Об утверждении правил технической эксплуатации тепловых энергоустановок» [21];

ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования» [22]; Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ (ред. От 25.02.2022) [23];



25. Опасные производственные факторы

25.1 Поражение электрическим током

Электробезопасность - это комплекс организационно-технических, мероприятий, направленных на защиту работника от поражения электрическим током. В помещении диспетчерской источником поражения электрическим током может быть компьютер или электроустановочные устройства.

В помещении котельного зала источником поражения электрическим током являются: - прикосновение к токопроводящим частям находящимися под напряжением; - пробой изоляции кабеля. В обязанности оператора не входит обслуживание приборов и электроустановок. Исходя из этого, главным средством защиты оператора от поражения электрическим током являются средства коллективной защиты.

В качестве коллективных средств защиты от поражения электрическим током работника применены следующие меры: - инструктаж по технике безопасности; - предупреждающие знаки безопасности на всех приборах и установках, работающих от электрической сети. Система уравнивания потенциалов и защитное зануление. Согласно ПУЭ 7-го издания [30] на котельных предусматривается защитное соединение проводящих частей для достижения равенства потенциалов для обеспечения электробезопасности. Защитное зануление выполняется в соответствии с ГОСТ 12.1.030-81 «Электробезопасность» [24]. Зануление осуществляется за счет подключения нулевого провода питающей сети к токопроводящей части прибора или установки. При возникновении пробоя изоляции, на нулевом проводе появляется электрический ток и плавкий предохранитель отключает питание подключенного прибора или установки. Воздействие электрического тока на организм может быть тепловым, биологическим, химическим и механическим. Тепловое воздействие подразумевает термические ожоги, биологическое воздействие заключается в отказе нервной системы, остановке сердца, химическое воздействие осуществляется на кровь человека вызывая электролиз, механическое воздействие включает в себя разрыв мягких тканей от удара электрическим током.

25.2 Пожаровзрывоопасные факторы

Пожарная безопасность - комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение безопасности людей, на предотвращение пожара, ограничение его распространения, а также на создание условий для успешного тушения пожара [22].

Источниками возникновения пожаровзрывоопасной ситуации в помещении операторской котельной являются: - короткое замыкание; - ошибочные действия оператора; - взрыв в следствии превышения порога загазованности метаном. Источниками возникновения пожара в помещении котельного зала являются: - короткое замыкание; - некорректная работа оборудования; - возгорание и взрыв в следствии превышения порога загазованности метаном. При возникновении пожаровзрывоопасной ситуации на объекте, оператор должен действовать строго по инструкции, во избежание травм, отравления или гибели.

Порядок действий при возникновении пожара в помещении операторской или котельного зала определяется инструктажам по технике безопасности. К коллективным средствам защиты от пожаровзрывоопасной ситуации в помещении котельного зала и операторской относится следующее: - система пожарной сигнализации; - порошковые огнетушители ОП-4; - система оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре; - система автоматического контроля загазованности; - инструктаж по технике безопасности;



25.3 Термические опасные факторы

Термические опасные факторы на проектируемом производственном объекте являются термические ожоги. Основной рабочей зоной оператора является помещение операторской, в данном помещении термический ожог можно получить лишь в следствии короткого замыкания персонального компьютера, при условии, что оператор коснется токопроводящих частей в момент короткого замыкания. Второй рабочей зоной является помещение котельного зала.

В течении рабочей смены оператор должен соблюдать определенное количество обходов котельного зала. Неизолированными частями оборудования в помещении котельного зала являются передняя и задняя стенка котлового агрегата, дымовая труба, предохранительные клапана, фланцевые соединения. Средствами индивидуальной защиты работника является: спецодежда (специальная униформа, накидки, халаты), защита головы (каски, шапки, шлемы), защитная обувь (сапоги, ботинки), средства защиты рук (перчатки, рукавицы).



26. Вредные производственные факторы

26.1 Недостаточная освещенность рабочей зоны

Недостаточная освещенность рабочего места оператора является одним из основных вредных факторов. Недостаточная освещенность негативное влияние на органы зрения работника, а также, может стать причиной травматизма. Освещенность рабочего места оператора должно позволять оператору следить за процессом работы не напрягая зрение. Причиной недостаточной освещенности в помещении котельного зала или операторской могут быть ошибки проектного решения или неправильное эксплуатация осветительных приборов. Согласно нормативному документу [26], в помещении операторской котельной общая освещенность должна быть не менее 300 люкс.

Естественное освещение в помещении диспетчерской котельной предусматривается за счет установленного окна в помещении. Искусственное освещение представляет собой установку в помещении светильников с учетом требований вышеуказанного нормативного документа. Аварийное освещение предусматривается непосредственно в котельном зале должно обеспечиваться осветительным оборудованием во взрывозащищенном исполнении и подключаться к независимому источнику питания. Освещенность при работе аварийного освещения должна составлять не менее 5 % рабочего освещения и не менее 2 люкс.

26.2 Повышенный уровень шума

Повышенный уровень шума в помещении операторской котельной может привести к нарушению работы слуховых органов сотрудников и стать фактором стресса.

Источниками шума в котельном зале являются: вентилятор горелки, горелочное устройство, насосное оборудование, работа предохранительных клапанов. В помещении операторской источниками шума является персональный компьютер и приточный вентилятор. Согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности» [27] уровень шума в производственном помещении не должен превышать 80 дБ. На данном производственном объекте для предотвращения негативного воздействия шума на органы слуха работников применяются средства индивидуальной защиты, такие как беруши и противочумные наушники.

26.3 Повышенный уровень общей вибрации

Общая вибрация - это вибрация, передаваемая через части тело человека при соприкосновении с источником вибрации. Общая вибрация при длительном воздействии на человека приводит к различным нарушениям в работе организма человека, от негативных воздействий на нервную систему, до нарушения работы сердечно-сосудистой системы работника.

Источниками вибраций на котельной являются котловые агрегаты, насосные группы, горелочные устройства. Действующим нормативным документом является ГОСТ 12.1.012-2004 «Вибрационная безопасность. Общие требования» [28]. Уменьшение вибрации достигается применением виброизоляции, что значительно снижает передачу вибрации от источника к фундаменту и полу. В соединениях трубопроводов, воздуховодов установлены вибровставки в виде гибких вставок.

26.4 Вредные вещества 1-4 класса

К вредным веществам 1-4 класса относятся реагенты химической водоподготовки HydroChem 120, HydroChem 140, данные реагенты не вредят окружающей среде, но опасны при проглатывании, попадании в глаза и на незащищенную кожу. Попадание реагентов на незащищенную кожу оператора или слизистую глаза повлечет за собой химический ожог, нарушение работы органов зрения. Оператор должен следить за уровнем веществ в резервуарах и своевременно пополнять расходные емкости соответствующим реагентом.

Перед выполнением действий, описанных выше оператор должен пройти обучение и ознакомиться с инструкцией по работе с химическими реагентами. Средствами коллективной защиты являются: - инструктаж по технике безопасности при работе с химическими веществами; - предупреждающие знаки безопасности на оборудовании химической водоподготовки. Средствами индивидуальной защиты является: - средства защиты рук (прорезиненные защитные перчатки); - средства защиты лица (защитные очки и забрала).

26.5 Экологическая безопасность

Согласно федеральному закону «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.09.1997 N 116-ФЗ [31] газовая котельная является опасным производственным объектом. Исходя из данный представленных в СанПин 2.2.1./2.1.1.1200-03 вокруг котельной должна предусматривается санитарная зона в радиусе 50м вокруг здания котельной.

Источниками загрязнения окружающей среды на модульной водогрейной котельной являются: твердые бытовые отходы в виде емкостей из-под химических реагентов, раствор для промывки трубопроводов и теплообменных аппаратов, утечка метана и выброс продуктов сгорания метана, химические вещества, используемые для промывки теплообменных аппаратов и трубопроводов.

Твердые бытовые отходы необходимо утилизировать с помощью лицензированных компаний специализирующихся на утилизации отходов. Самостоятельно утилизировать емкости с остатками химических реагентов запрещается. В местах хранения химических реагентов и их отходов необходимо осуществлять контроль загрязнения почвы ГОСТ 17.4.3.04-85. Охрана природы (ССОП). «Почвы. Общие требования к контролю и охране от загрязнения» [33] во избежание загрязнения почвы.

При промывке систем водоснабжения и отопления для удаления коррозии внутри трубопровода применяются растворы кислот и щелочей. Данные растворы имеют пагубное влияние на флору и фауну. В независимости от объемов раствора необходимо утилизировать его с помощью специальной службы утилизации производственных отходов.