АСУ питания барабанного котла ТПЕ-214

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
1.1. Описание барабанного котла ТПЕ-214
ГЛАВА 2. СТРУКТУРА И ИССЛЕДОВАНИЕ АСР ПИТАНИЯ БАРАБАННОГО КОТЛА ТПЕ-214
2.1. Анализ автоматических систем регулирования питания барабанного котла
2.2. Динамика объекта регулирования
2.3. Требования к качеству регулирования
2.4. Экспериментальное определение оптимальных параметров настройки АСР
2.5. Нахождение области устойчивости контура заданной АСР
ГЛАВА 3. СТРУКТУРА И РЕАЛИЗАЦИЯ АСУ ТП НА БАЗЕ АСР
3.1. Концепция АСУ ТП на базе АСР
3.1.1. Разработка структуры и состава ПТК АСУ ТП
3.1.2. Описание подсистемы дистанционного управления
3.1.3. Описание подсистемы технологических защит и блокировок
3.1.4. Описание инструментального средства для реализации АСУ ТП
ГЛАВА 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ АСУ ТП
4.1. Постановка задачи
4.2. Определение капиталовложений
4.3. Расчёт годовых эксплуатационных затрат
4.4. Оценка экономической эффективности проекта
4.5. Организация
ГЛАВА 5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АСУ ТП В ЭНЕРГЕТИКЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ

АСУ питания барабанного котла ТПЕ-214

2.1.6 к виду, изображенному на рис. 2.1.7. Из структурной схемы САР на рис. 2.1.7. видно, что по каналу управляющего воздействия имеется два контура регулирования. Первый контур регулирования состоит из собственно регулятора Wр(p), участка питательного трубопровода Wтр(p), датчика расхода воды Ww(p), датчика уровня WH(p) и звена с передаточной функцией 1/WH(p).Для измерения уровня, расхода пара и расхода воды в системах с электронными регуляторами применяются мембранные датчики. По динамическим свойствам эти датчики можно представить усилительными звеньями, так как их постоянные времени пренебрежимо малы по сравнению с постоянной времени объекта регулирования.С учетом этого запишем:WD(p)=kD - передаточная функция датчика расхода пара;WH(p)=kH - то же датчика уровня;Ww(p)=kw - то же датчика расходы воды. Участок питательной линии между регулирующим воздействием и точкой отбора импульса к датчику расхода воды в динамическом отношении является инерционным звеном первого порядка с передаточной функциейВторой контур регулирования состоит из датчика уровня WH(p), регулятора Wр(p) и объекта Wfw(p).Так как звенья 1/WH(p) и WW(p) являются усилительными, а инерционность участка трубопровода весьма незначительна по сравнению с инерционностью объекта регулирования уровня WfW(p), то переходные процессы в первом контуре при внешних возмущениях завершаются раньше, чем во втором контуре.Обозначив передаточную функцию первого малоинерционного контура через W*р(p), найдем ее значениеПередаточную функцию W*р(p) первого малоинерционного контура можно рассматривать как передаточную функцию некоторого условного регулятора для второго контура.Так как Ww(p)>>1/Wр(p), то, пренебрегая величиной 1/Wр(p), передаточную функцию приведенного регулятора W*р(p) можно представить в видеОбозначив kH/kW=k*р, получим W*р(p)=k*р. Таким образом, при охвате ПИ-регулятора глубокой обратной связью в виде усилительного звена это соединение можно рассматривать как некоторый приведенный П-регулятор. Коэффициент усиления такого регулятора определяется соотношением коэффициентов усиления сигналов датчика уровня и датчика расхода воды.Введение воздействия по расходу пара позволяет ликвидировать статическую ошибку пропорционального регулятора и отфильтровать возмущения со стороны изменения нагрузки. САР уровня с трехимпульсным регулятором ликвидирует эти возмущения при помощи быстродействующего первого контура регулирования, обеспечивая тем самым высокое качество процесса регулирования.Структурную схему САР уровня с трехимпульсным регулятором можно также преобразовать к виду, изображенному на рис. 2.1.8. Рисунок 2.1.7. Преобразованная структурная схемаПри таком преобразовании передаточная функция датчика уровня относится к объекту регулирования. Тогда передаточная функция приведенногорегулятора будет иметь вид:Принимая те же допущения, что и в первом случае, получим окончательное значение Таким образом, в этом случае коэффициент усиления приведенного регулятора обратно пропорционален коэффициенту усиления датчика расхода воды.С учетом вышеизложенного структурную схему многоконтурной САР уровня с трехимпульсным регулятором, принципиальная схема которой изображена на рис. 2.1.6, можно представить в виде стандартной структурной схемы одноконтурной САР с приведенным регулятором и некоторым условным приведенным объектом (рис. 2.8). Рисунок 2.1.8. Структурная схема САРПередаточная функция приведенного объекта равна:Передаточные функции фильтров определяются выражениями2.2. Динамика объекта регулированияДля последующего расчета и наладки САР уровня необходимо определить характеристики всех звеньев, входящих в САР. При этом наибольшую сложность представляет определение динамической характеристики объекта регулирования. На характер изменения уровня, кроме регулирующего воздействия, оказывают влияние изменения нагрузки потребителя и режима работы топки.Изменение режима работы топки в свою очередь может произойти из-за изменения расхода, состава топлива или тягодутьевого режима. Поэтому перед определением временной характеристики барабана котла по уровню необходимо котельный агрегат ввести в стационарный режим, установив постоянную нагрузку и стабилизировав топочный режим. Необходимо также свести к минимуму возмущения, вызываемые изменением давления в питательной магистрали, величиной непрерывной продувки, а также изменением температуры питательной воды. При проведении испытаний по определению временной характеристики уровня необходимо вести контроль таких параметров, как давление пара в барабане, расход пара от котла, давление питательной воды. В случае отклонения этих параметров в процессе проведения опыта от значений, установленных до начала испытаний, опыт необходимо повторить. Измерение параметров желательно проводить теми датчиками, которые входят в САР. Для получения достоверных данных о динамических свойствах объекта необходимо опыт по определению динамических характеристик повторить несколько раз при разных значениях нагрузки объекта. Для расчета настройки САР необходима временная характеристика объекта при возмущении расходом воды. Величину возмущения следует выбирать из условия «подавления» эксплуатационных помех. Обычно она составляет 20-30% от полного диапазона изменения расхода. Величину возмущения можно регистрировать по указателю положения (УП) регулирующего органа или по расходомеру питательной воды. Предпочтительней второй способ, так как в этом случае исключается нелинейность характеристики регулирующего органа. Если возмущение будет наноситься в сторону повышения уровня, то перед началом опыта уровень необходимо поддерживать на минимально возможном значении. Это позволит получить окончание переходного процесса, не выходя за предельно допустимое отклонение уровня. Если же при достижении предельного значения уровня переходный процесс не стабилизировался, необходимо уменьшить величину возмущающего воздействия.Признаком окончания переходного процесса в данном случае служит факт установления постоянной скорости измерения уровня.При определении временной характеристики возмущение регулирующим органом должно вноситься мгновенно. Но так как практически это условие невыполнимо из-за того, что исполнительные механизмы регулирующих органов имеют конечную скорость перемещения, то при обработке временной характеристики следует учитывать фактическое время перемещения регулирующего органа при внесении возмущения tB. При аппроксимации временной характеристики уровня двумя элементарными звеньями - звеном запаздывания и интегрирующим звеном, необходимо определить время запаздывания τоб и коэффициент усиления объекта kоб.Иногда вместо коэффициента усиления объекта для астатических объектов применяется термин «скорость разгона объекта». В этом случае коэффициент усиления обозначается через εоб.Коэффициент усиления объекта определяется как отношение тангенса угла наклона касательной tgα к величине возмущающего воздействия ΔQ: kоб=tgα/ΔQ.Постоянная времени Tоб в данном случае является величиной, обратной kоб,Динамические характеристики уровня в барабане котла при различных возмущениях: Расходом питательной воды: Скорость разгона Скорость разгона Время запаздывания τfw=10 с;Расходом пара:Скорость разгона Время запаздывания τfD=100 с;Расходом топлива:Скорость разгона Время запаздывания τfB=260 с;В результате получим:Время запаздывания τfw=10 с.Постоянная времени =1/0,02= =1/0,02 50 с.Время запаздывания τfD=100 с.Постоянная времени TfD=1/0,02= =1/0,02 50 с.Время запаздывания τfB=260 с.Постоянная времени TfB=1/0,01= =1/0,01 100 с.Учитывая, что скорости разгона приведены с учетом коэффициентов усиления датчиков: kw=1, kD=1, kB=1, kH=1.2.3. Требования к качеству регулированияТребования к качеству регулирования зависят от назначения АСР, регулируемого параметра, технологического процесса. Принято рассматривать критерии качества регулирования АСР отдельных параметров при следующих режимах:стабильная, неизменная нагрузка (колебания нагрузки менее 2…3%);изменение нагрузки на 10%;За критерии принимают следующие:для первого режима - максимальное отклонение регулируемого параметра σэ max (под влиянием случайно действующих эксплуатационных возмущений);для второго режима при скачкообразном возмущении нагрузкой- максимальное отклонение регулируемого параметра σmax и интегральный квадратичный критерий ;степень затухания φ= 0,9…0,95.Данные по точности поддержания параметров по таблице 2.3.1 используются при выполнении статических расчетов для АСР котла.Таблица 2.3.1Нормы качества поддержания технологических параметров котла в стационарном режиме нагрузокТехнологический параметрМаксимальное отклонение σэ maxРасход пара на выходе из котла (при поддержании расхода пара автоматикой котла)±3%Уровень в барабане котла±20 мм Общие требования к динамической точности (табл. 2.3.2) должны быть обеспечены при 10% возмущении нагрузкой.Таблица 2. 3.2Показатели качества регулирования технологических параметров котла при скачкообразном изменении нагрузки на 10%Технологический параметрПоказатель качестваПримечаниеМаксимальное отклонениеЗначение интегрального квадратичного критерияРасход пара на выходе из котла-При поддержании расхода автоматикой котлаУровень в барабане котлаВ диапазоне нагрузок 70...100 % номинальной. В диапазоне нагрузок от нижнего предельного значения до 70 % номинального 2.4. Экспериментальное определение оптимальных параметров настройки АСРРеализуем полученную модель в программе Simulink пакета “MATLAB” (Рис. 2.4.1).Определим параметры настройки внешнего инерционного контура.Рисунок 2.4.1. Схема моделиРисунок 2.4.2. Переходный процесс при Kр=1Рисунок 2.4.3. Переходный процесс при Kр=2,5Рисунок 2.4.4. Переходный процесс при Kр=2 Вторым элементом настройки трехимпульсной САР уровня является корректирующее устройство по возмущению нагрузкой. Учитывая допущение, сделанное ранее о том, что WfD(p)≈-WfW(p), имеем:WD(p)=kD=kw.Таким образом, условием оптимального воздействия по возмущению является равенство коэффициентов усиления датчиков расхода пара и воды. Корректирующее устройство по возмущению нагрузкой в динамическом отношении должно быть выполнено в виде усилительного звена с передаточной функцией Ww(p)=WD(p)=kw=kD=1.Рисунок 2.4.5. Схема моделиРисунок 2.4.6. Переходный процесс фильтра параРисунок 2.4.7. Переходный процесс контура от возмущения по паруРасчет параметров настройки внутреннего малоинерционного контура. Переходные процессы в малоинерционном внутреннем контуре затухают значительно быстрее, нежели во внешнем контуре. С учетом этого внутренний контур при расчете можно с достаточной для практики точностью рассматривать отдельно от внешнего контура как самостоятельную одноконтурную систему автоматического регулирования Регулятором в этой системе является реальный ПИ-регулятор.Рисунок 2.4.8. Схема малоинерционного внутреннего контураТаблица 2. 4.1Алгоритм поиска ОПНРегуляторПИНачальная настройка мал,    великоI шагУвеличивать до появления колебаний небольшой амплитуды около заданной величиныII шагУменьшить до достижения желаемой устойчивостиIII шагУменьшить ступенями до исчезновения колебанийIV шагУвеличить до достижения желаемой устойчивостиПо полученной модели для ПИ-регулятора необходимо определить 2 параметра: Кр и Ти.Это можно выполнить с помощью пакета Simulink программы «MatLab».1 Этап. Устанавливаем Кр=1,Ти=150с (Рис 2.4.2).Рисунок 2.4.9. Схема моделиРисунок 2.4.10. Переходный процессУвеличиваем значение Кр.Рисунок 2..4.11. Схема моделиРисунок 2.4.12. Переходный процесс2.Этап - уменьшаем Кр.Рисунок 2.4.13. Схема моделиРисунок 2.4.14. Переходный процессtрег=150 с.3.Этап. Уменьшаем Ти.Настроечные параметры ПИ-регулятора: Кр=4, Ти=100с.Рисунок 2.4.15. Схема моделиРисунок 2.4.16. Переходный процессНастроечные параметры ПИ-регулятора: Кр=4, Ти=10с.Рисунок 2.4.17. Схема моделиРисунок 2.4.18. Переходный процессЭтап. Увеличиваем Ти.Настроечные параметры ПИ-регулятора: Кр=4, Ти=15 с.Рисунок 2.4.19. Схема моделиРисунок 2.4.20. Переходный процессПеререгулирование равно 0, tрег=150 с.Кр=4, Ти=15 с - найденные оптимальные параметры настройки ПИ-регулятора.Соединяем модели 1 и 2 контура вследствие чего получаем общую модель АСР. Для проверки результатов исследования наносим возмущения и контролируем поведение выходной регулируемой величины.Рисунок 2.4.21. Схема моделиНаносим возмущение по заданиюРисунок 2.4.22. Переходный процессНаносим возмущение расходом топливаРисунок 2.4.23. Переходный процессНаносим возмущение расходом водыРисунок 2.4.24. Переходный процессНаносим возмущение расходом параРисунок 2.4.25. Переходный процессВ результате были получены ОПН пропорционального и пропорционально-интегрального регуляторов.Для П-регулятора: Кр=2, при tрег=60 с.Для ПИ-регулятора: Кр=4, Ти=15 с при tрег=150 с.2.5. Нахождение области устойчивости контура заданной АСРГраница устойчивости ПИ-регулятора строится следующим образом: Ти принимается постоянной, а Кр изменяется до тех пор, пока на выходе системы не появятся автоколебания,т.е. ψ=0. При ψ=0 система находится на границе устойчивости.Рисунок 2.5.1. Переходной процесс, при котором система находится на границе устойчивостиОбласть устойчивости АСР строится в координатах Кр; Кр/Ти.В данном случае система устойчива практически при любых значениях Кр и Ти, колебательным переходный процесс может быть только при очень малых значениях Кр.Граница устойчивости ПИ-регулятора строится следующим образом: Кр изменяется до тех пор, пока на выходе системы не появятся автоколебания.Рисунок 2.5.2. Автоколебания при Кр= 8,16Т.о. при Кр>8,16 будет неустойчивой. ГЛАВА 3. Структура и реализация АСУ ТП на базе АСР3.1. Концепция АСУ ТП на базе АСРАвтоматизированная система управления технологическим процессом на базе АСР регулирования питания барабанного котла ТПЕ-214  должна выполнять следующие функции:дистанционное автоматическое управление параметрами технологического процесса;сбор, обработка, отображение, выдача управляющих воздействий и регистрация информации о технологическом процессе и технологическом оборудовании;распознавание, сигнализация и регистрация аварийных ситуаций, отклонений процесса от заданных пределов, отказов технологического оборудования, технологических защит и блокировок;представление информации о технологическом процессе и состоянии оборудования в виде мнемосхем с индикацией на них значений технологических параметров;дистанционное управление технологическим оборудованием - АРМ оператора;регистрация контролируемых параметров, событий, действий оператора и автоматическое архивирование их в базе данных;решение информационных задач и предоставление информации из базы данных в виде трендов, таблиц, графиков в электронном или бумажном виде (расчет технико-экономических показателей работы оборудования, выявление отклонений параметров и другие типовые задачи);защиты от несанкционированного доступа, многоуровневого ограничения доступа к системе и протоколирования действий оперативного персонала;автоматический контроль и непрерывная диагностика, как датчиков, так и средств АСУ ТП.3.1.1. Разработка структуры и состава ПТК АСУ ТППТК АСУ ТП целесообразно разделить по трем уровням:верхний уровень – серверы и операторские станции автоматизированных рабочих мест (АРМ), реализованные на стандартных средствах вычислительной техники в промышленном или офисном исполнении. Верхний уровень обеспечивает взаимодействие оперативного и инженерного персонала с технологическим оборудованием, приём информации с нижнего уровня, обработку ее и занесение в базу данных верхнего уровня.сетевой уровень – устройства, с помощью которых осуществляется взаимодействие технологических контроллеров, серверов и АРМ.нижний уровень – технологические контроллеры. Нижний информационно – управляющий уровень выполняет следующие функции: сбор аналоговых и дискретных параметров с объекта управления, контроль достоверности и первичная обработка параметров, формирование мгновенной базы данных, передача информации на верхний уровень, автоматическое управление.В системе необходимо реализовать принцип однократного ввода сигнала и многократного его использования, как информационными задачами, так и задачами управления. Исключением из этого правила являются технологические защиты, где ввод информации осуществляется больше, чем один раз, в соответствии с алгоритмами и принципом дублирования защит.Разработанная структура ПТК АСУ ТП состоит из следующих составных частей:Шкафы контроллеров функциональных узлов (шкафы КФУ) с установленными в них технологическими контроллерами;Шкаф питания с системой бесперебойного питания (ИБП и внешние блоки аккумуляторных батарей) АРМов, серверов, коммуникационного оборудования, КФУ;Шкаф серверов и коммуникационного оборудования;АРМы (операторов, инженера АСУ ТП, метролога АСУ ТП или инженера АСУ ТП);Сервер Базы Данных дублированный;Сервер Приложений дублированный.3.1.2. Описание подсистемы дистанционного управленияДистанционное управление предназначено для реализации команд оператора по управлению исполнительными органами механизмов энергетического оборудования и элементами АСУ ТП.Оно используется как для объектов, на которые не действует автоматика, так и для резервного воздействия на объекты, подчинённые автоматическому управлению:устанавливаются режимы работы регуляторов и некоторых защит;изменяются задания величин регулируемых параметров;запускаются программы многошагового логического управления;открываются/закрываются запорные и регулирующие органы;включаются выключаются механизмы.Объем ДУ охватывает те запорные органы, которые необходимы при пуске или останове котла и все регулирующие органы. ДУ осуществляется с экранов мониторов. Силовая часть ДУ для регулирующих клапанов реализована на российской элементной базе с бесконтактными датчиками положения, имеющими унифицированный токовый выход 4 – 20 мА.Для применения силовой части на 220 В предусматривается соответствующий высоковольтный интерфейс между контроллерами и пускателями. ДУ осуществляется воздействием манипуляторов типа «мышь» на экранные изображения исполнительных органов. По запросу оператора (щелчку кнопкой «мыши» при наведении курсора на объект управления) на экран монитора водится окно виртуального изображения соответствующих органов управления, воздействием на которые с помощью «мыши» и передаются команды оператора.3.1.3. Описание подсистемы технологических защит и блокировокПодсистема технологических защит и блокировок предназначена для реализации алгоритмов технического задания, отключающих теплоэнергетическое оборудование, снижающих его нагрузку, выполняющих локальные операции в соответствии с алгоритмом.