Міністерство освіти та науки україни національний університет „львівська політехніка”

Кафедра автоматизації теплових та хімічних процесів

Розрахункова робота

з курсу: „ Супервізорні системи керування та збору даних“

на тему: „Розробка конфігурації і програмного забезпечення системи автоматичного керування кульовим паровим котлом“

Виконав: ст. гр. АТП-12м Чура Мар’ян Прийняв: Кріль О.В.

Львів-2011

ЗМІСТ

1. Опис технологічного процесу 3-10

2. Вибір мікропроцесорних засобів автоматизації 11-16

3. Вибір первинних вимірювальних перетворювачів та виконавчих

механізмів 16-17

4. Розробка програми функціонування вибраних засобів автоматизації 18-21

5. Розробка графічного інтерфейсу для автоматизованого робочого місця

оператора 18-20

6. Реалізація інтерфейсу зв’язку по протоколу Modbus 21-25

7. Висновки 26

8. Список літератури 26

1. Опис технологічного процесу

Процес отримання пари з води відноситься до теплообмінних процесів. Паровим котлом називається комплекс агрегатів, призначених для отримання водяної пари. Цей комплекс складається з ряду теплообмінних пристроїв, зв’язаних між собою і призначених для передачі тепла від продуктів згорання палива до води і пари. Вихідним носієм енергії, наявність якого необхідна для утворення пари з води, служить паливо.

Вхідними продуктами технологічного процесу служать паливо, вода і повітря, а кінцевим продуктом – насичена пара. Як вхідні, так і вихідні продукти характеризуються певною кількістю і якістю. Керування кількістю вихідного продукту, відбувається в основному зміною витрати живильної води шляхом перекриття регулюючого органу дистанційно або автоматично.

Під час роботи в агрегатах утворюються два, що взаємодіють один з одним, потоки: потік робочого тіла і потік теплоносія, що утворюється в печі. В результаті цієї взаємодії на виході з об’єкта є пара заданого тиску і температури.

Одне із основних завдань, що виникає при експлуатації котельного агрегату, є забезпечення рівності між вироблюваною і споживаною енергією.

Регулювання живлення котельних агрегатів і регулювання тиску в барабані котла головним чином зводиться до підтримки матеріального балансу між відведенням пари і подачею води. Параметром, який характеризує баланс, є рівень води в барабані котла. Надійність роботи котельного агрегату багато в чому визначається якістю регулювання рівня. При підвищенні тиску, зниження рівня нижче допустимих меж, може призвести до порушення циркуляції в екранних трубах, в результаті чого відбудеться підвищення температури стінок обігріваються труб і їх перепал.

Підвищення рівня також веде до аварійних наслідків, так як можливий закид води у пароперегрівник, що спричинить вихід його з ладу. У зв’язку з цим, до точності підтримки заданого рівня ставляться дуже високі вимоги. Якість регулювання живлення також визначається рівністю подачі живильної води. Необхідно забезпечити рівномірне живлення котла водою, так як часті і глибокі зміни витрати живильної води можуть викликати значні температурні напруження в металі економайзера.

Барабанам котла з природною циркуляцією притаманна значна акумулююча здатність, яка проявляється в перехідних режимах. Якщо в стаціонарному режимі положення рівня води в барабані котла визначається станом матеріального балансу, то в перехідних режимах на положення рівня впливає велика кількість збурень. Основними з них є: зміна витрати живильної води, зміна паропродуктивності при зміні навантаження паленища, зміна температури живильної води.

Горіння палива є суцільним фізико-хімічним процесом. Хімічна сторона горіння є процесом окислення його горючих елементів киснем, який проходить при певній температурі і супроводжується виділенням тепла. Інтенсивність горіння, економічність і стійкість процесу горіння палива залежать від способу підведення і розподілу повітря між частками палива. Умовно прийнято процес згорання палива ділити на три стадії: запалення, горіння і допалювання. Ці стадії в основному протікають послідовно в часі, частково накладаються одна на одну.

Розрахунок процесу горіння зазвичай зводиться до визначення кількості повітря в (м³), необхідного для згорання одиниці маси або об’єму палива, кількості і складу теплового балансу і визначення температури горіння.

Значення тепловіддачі полягає в теплопередачі теплової енергії, що виділяється при спалюванні палива, воді, з якої необхідно отримати пару, або пару, якщо необхідно підвищити його температуру вище за температуру насичення.

Процес теплообміну в котлі йде через водогазонепроникні теплопровідні стінки, що називаються поверхнею нагріву. Поверхні нагріву виконуються у вигляді труб. Усередині труб відбувається безперервна циркуляція води, а зовні вони омиваються гарячими пічними газами або сприймають теплову енергію випромінюванням.

Таким чином в котлоагрегаті мають місце всі види теплопередачі: теплопровідність, конвекція і випромінювання.

Кількість тепла, яка передається через одиницю площі нагріву за одиницю часу носить назву теплової напруги поверхні нагріву. Величина напруги обмежена, по-перше, властивостями матеріалу поверхні нагріву, по-друге, максимально можливою інтенсивністю теплопередачі від гарячого теплоносія до поверхні, від поверхні нагріву до холодного теплоносія.

Процес зворотний пароутворенню називають конденсацією. Рідину, що утворюється при конденсації називають конденсатом. Вона використовується для охолоджування поверхонь металу в пароперегрівниках.

Пара, що утворюється в котлоагрегаті, поділяється на насичену і перегріту. Насичена пара у свою чергу поділяється на суху і вологу. Оскільки на теплоелектростанціях потрібна перегріта пара, то для його перегріву встановлюється пароперегрівник.

В якості об’єкта керування при автоматизації процесу пароутворення є паровий котел ICI CALDAIE AX1000 з паропродуктивністю 1700 кг/год. Даний паровий котел є напівстаціонарною горизонтальною системою з димогарними трубами і допоміжними пристосуваннями. Цей паровий генератор застосовується для виробництва пари під високим тиском (12-15).

Рис.2.1. Принципова схема роботи парового кола ICI CALDAIE AX1000

1. Генератор 10. Ємність для збору конденсату

2. Димохід 11. Рівень води

3. Відбір пари 12. Водоочисна установка

4. Пальник 13. Водопровід

5. Реле тиску 14. Вантуз

6. Запобіжні клапани 15. Злив конденсату з ємності

7. Повернення конденсату 16. Злив індикаторів рівня

8. Живлення електронасоса 17. Злив котла

9. Насос на лінії подачі води 18. Злив запобіжних клапанів

19. Приклад робочої конфігурації

Технічна характеристика котла:

Таблиця 2.1

Назва параметра			Номінальне значення
Корисна потужність			1163 кВт/год
Потужність паленища			1306 кВт/год
Витрата природного газу			132.3
Паропродуктивність			1700 кг/год
Об’єм води			2330 л
Довжина труби паленища			370-420 мм
Діаметр отвору паленища			280 мм
Розміри	Висота	2220 мм
	Довжина	2961 мм
	Ширина	1600 мм

Основними елементами робочого процесу здійснюваного в котельній установці є:

1. Процес горіння палива.

2. Процес теплообміну між продуктами згоряння або самим горючим паливом з водою.

3. Процес пароутворення, що складається з нагріву води, її випаровування і нагрівання отриманої пари.

Процес отримання пари починається з лінії подачі води. При поступленні води в барабан вона буде постійно підтримуватись на певному заданому рівні за допомогою переміщення клапана що знаходиться на лінії подачі води. Регулювання цього рівня буде проводитись за три-імпульсною схемою регулювання співвідношення витрат живильної води на вході та пари на виході та дійсному значенні рівня води в барабані котла. В живильній воді розчинені солі, допустима кількість яких встановлюється нормами. В процесі пароутворення ці солі залишаються в котловій воді, і поступово накопичуються. Деякі солі утворюють шлам – тверду речовину, що кристалізується в котловій воді. Тому солі, які накопичились в котловій воді, видаляються неперервною продувкою. В даному паровому котлі канал продувки є незалежним від роботи парового котла і є автоматичним. Періодичність продувки встановлюється таймером.

Утворення пари в котлоагрегаті протікає з певною послідовністю. Вже в екранних трубах починається утворення пари. Цей процес протікає при високих температурі і тиску. Явище випаровування полягає в тому, що окремі молекули рідини, що знаходяться біля її поверхні і володіють високими швидкостями, а відповідно, і більшою порівняно з іншими молекулами кінетичною енергією, долаючи силові впливи сусідніх молекул, які створюють поверхневий натяг, вилітають в навколишнє середовище. Із збільшенням температури інтенсивність випаровування зростає, оскільки зростає швидкість руху молекул, і відповідно кінетична енергія, за рахунок чого більша кількість молекул зможуть подолати поверхневий натяг.

З’єднувальна труба від котла до початку димоходу повинна бути субгоризонтального розташування по ходу димових газів з рекомендованим кутом нахилу не менше 10%. Траекторія повинна бути якнайкоротшою і прямою. При чому коліна і муфти повинні бути спроектовані раціонально відповідно до норм приписаних повітропроводам.

Пуск котла слід здійснювати наступним чином:

1. Закрити зливні клапани, з’єднання для відбору пари.

2. Відкрити клапан подачі води.

3. Відкрити зливний клапан і перевірити, як працює система регулювання рівня(підтримки рівня на заданому значенні).

4. Відкрити клапани подачі палива і повітря, запалити пальник.

5. Створити тиск в котлі.

Періодично (кожних 6 годин використання) теплова установка повинна бути перевірена кваліфікованим персоналом для перевірки правильної роботи всіх захисних пристроїв: обмежувачів рівня води, захисного клапана.

Більша частина тепла, яка вноситься в котельний агрегат, сприймається поверхнями нагріву і передається робочому тілу. За рахунок цього тепла здійснюється нагрівання води, її випаровування і перегрів пари. Це і буде корисно використане тепло. Решта тепла (6-10% в сучасних потужних теплових агрегатах) не використовується у вигляді різних втрат. Розподіл корисного тепла і окремі втрати добре видно із теплового балансу.

Загальний вигляд рівняння теплового балансу:

, де

– розраховане тепло на 1 кг робочого тіла, кДж/кг;

Q₁ – корисно використовуване тепло, кДж/кг;

Q₂ –втрати тепла з вихідними газами, кДж/кг;

Q₃ –втрати тепла від хімічної неповноти горіння, кДж/кг;

Q₄ –втрати тепла від механічного недопалу, кДж/кг;

Q₅ –втрати тепла від зовнішнього охолодження ( в навколишнє середовище), кДж/кг;

Якщо всі складові розділити на і помножити на 100, то отримаємо:

q₁+ q₂+ q₃+ q₄+ q₅ = 100%

ККД котельного агрегата знаходиться як відношення корисно використаного тепла до розрахованого і ще називається брутто:

Для сучасних потужних агрегатів =88-92% ( а для котлів малої потужності 75-80%). Для обраного мною котла ICI CALDAIE AX1000 .

ККД не враховує скільки йде енергії на власні потреби ( на привід живильних насосів, вентиляторів, димососів, обдувку), тому і називається брутто.

ККД з врахуванням витрат електроенергії і тепла на власні потреби називається ККД нетто: ,

,% - сумарні втрати енегрії на привід допоміжних механізмів. ККД брутто може бути порахований за прямим чи оберненим балансом.

Розрахунок ККД по прямому балансі здійснюється за допомогою вже відомої нам формули:

Для її використання необхідні відомості про всі величини, яі характеризують тепло, що підводиться і те, що корисно використовується у котельному агрегаті.

Метод оберненого балансу зводиться до визначення суми всіх втрат тепла, які мають місце при роботі котла.

Розрахунок тоді ведеться за формулою:

(q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q₆)%

Найчастіше здійснюють прямий і обернений баланси одночасно, потім порівнюючи отримані ККД.

Матеріальний баланс отримаємо відносно дійсного рівня води, тобто скільки надійшло живильної води стільки ми й повинні отримати пари.

Матеріальний баланс:

– кількість пари;

– кількість живильної води;

Однією із основних задач, що виникають при експлуатації агрегату, являється забезпечення рівності між спожитою і виробленою енергією з урахуванням втрат. В свою чергу процеси перетворення і передачі енергії в котлі однозначно пов’язані з кількістю речовини в потоках робочого тіла і теплоносія.

Перехідні режими виникають при різноманітних порушеннях стаціонарного режиму. В цьому випадку матеріальний і енергетичний баланс порушуються. Зміна режиму може відбутися в результаті різних зовнішніх і внутрішніх збурюючи впливів.

При зміні режиму змінюються всі або деякі показників роботи котла. При цьому на котел необхідно подати такі керуючі впливи, щоб в найменш короткий термін відновити в ній матеріальний і тепловий баланс. Керування роботою котла при порушенні режиму його роботи зводиться до примусового впливу на регулюючі органи з допомогою засобів автоматизації.

Крім виконання умов, що забезпечують надійність, необхідно також організувати найбільш економічну роботу парового котла. На економічність і вивід продуктів згорання.

Основними параметрами котла є:

• Паропродуктивність;

• Тиск пари

Додаткові параметри:

• Витрата палива;

• Витрата повітря;

• Витрата живильної води;

• Тиск газу;

• Тиск повітря;

• Рівень води у котлі;

• Тиск пічних газів.

Технологічна карта процесу отримання пари

Параметр	од. вим.	min	норма	max
Продуктивність	т/год	1.6	1.7	1.8
Температура пари	0С	171	174	177
Витрата природного газу	м3/год	131.3	132.3	133.3
Витрата повітря	м3/год	1315	1320	1325
Тиск в барабані котла	Кпа	100	102	104
Тиск пари	Кпа	96	98	100
Рівень води у котлі	мм	1100	1200	1300
Тиск пічних газів	Па	23	25	27