Автоматика безопасности котельной установки. Принцип работы типовой схемы


На основании изученных известных методов настройки контуров регулирования собраны расчетные схемы ПИ- и ПИД-регуляторов* в программном комплексе «Моделирование в технических устройствах» для каждого контура регулирования, участвующего в процессе воздухоразделения. По обработанной статистике, собранной с работающей установки, составлены математические модели объектов регулирования. Разработана методика настройки контуров регулирования воздухоразделительной установки.

Ключевые слова: система автоматического регулирования, контур регулирования, объект регулирования, стабилизация технологического процесса, ректификация, разделение воздуха, воздухоразделение, воздухоразделительная установка

Введение. Исходя из материалов обзорной статьи [1] можно заключить, что следующей ступенью автоматизации технологического процесса разделения воздуха станет вопрос реализации возможности автоматического перехода с одного технологического режима на другой.

Реализация данной задачи во многом определяется знанием конструктора криогенных машин и аппаратов [2], с помощью которых построен цикл низкотемпературной ректификации воздуха [3], четким пониманием технологического процесса (ТП), реакции того или иного параметра системы на внешнее возмущающее воздействие, а также владением современными методами динамического моделирования [4].


Для качественной работы системы автоматической смены режима важно уметь правильно выбирать и настраивать соответствующие контуры регулирования, необходимые для стабилизации ТП возду-хоразделительной установки (ВРУ).

Анализ литературных данных и постановка проблемы. В настоящее время имеется множество формульных методов настройки ПИД-регуляторов, основанных на экспериментальных кривых разгона объекта регулирования. Наиболее известны из них [5] метод Зигле-ра — Никольса (Ziegler — Nichols), Кохена — Куна (Cohen — Coon) или Чина — Хронеса — Ресвика (Chien — Hrones — Reswick). Эти

* ПИ — пропорционально-интегральный; ПИД — пропорционально-интегрально-дифференциальный.

методы широко применяются благодаря простоте использования и имеют право на существование, но следует понимать, что качество регулирования неизбежно будет низким, а затраты времени на получение хотя бы более или менее приемлемых результатов — высокими.

Еще одним известным способом является использование адаптивных контроллеров от таких известных производителей, как Emerson, Honeywell [6], или программных пакетов автоматизированного подбора коэффициентов, например, Techmation Protuner или ChemCAD [7], только они запрограммированы на оптимизацию лишь по одному конкретному критерию регулирования (чаще всего на минимальное время регулирования или степень затухания) и тем самым ограничивают количество контуров, которые могут быть настроены с помощью данных приложений, — это и есть главный недостаток таких систем.


Согласно обзору литературных источников можно сделать вывод о том, что, несмотря на многообразие существующих методов формульных или автоматизированных настроек ПИД-регуляторов, в настоящее время нет четкого алгоритма поиска коэффициентов настройки промышленных контроллеров вообще и ВРУ в частности. Следовательно, главной задачей настоящей работы является разработка общей методики настройки контуров регулирования ВРУ.

Объектом исследования являются системы автоматического регулирования ТП воздухоразделения.

Цель работы — разработка методики настройки контуров регулирования ВРУ.

Подготовка расчетных моделей в программном комплексе «Моделирование в технических устройствах». Программный комплекс «Моделирование в технических устройствах» (ПК МВТУ) [8] является отечественным аналогом программы MATLAB Simulink, которая применяется для расчетов и моделирования систем автоматического управления ТП. Среди преимуществ перед зарубежным конкурентом можно выделить простоту и удобство рабочего интерфейса, позволяющие легко проектировать модели систем автоматики с высокой точностью регулирования процессов.


Все модели контуров управления ВРУ будут иметь одинаковую структуру построения (рис. 1). Различия заключаются только в выборе регулятора для применения между ПИ- и ПИД-типом для каждого конкретного случая и в математическом описании объекта регулирования.

Математические модели составляются эмпирическим путем на основании статистики существующих ВРУ [9]. Результаты обработки данных необходимо структурировать по месту применения регулятора (например, при стабилизации уровней кубовой жидкости, воды в воздушном и азотном скрубберах, давления отбросного азота в азотный скруббер, расходов воды на охлаждение воздушного и азотного скрубберов) и типу ВРУ (малой, средней или большой производительности).

Рис. 1. Модель контура регулирования в программном комплексе «Моделирование в технических устройствах»

Оптимизация регулятора на примере контура стабилизации давления в коллекторе отбросного азота. Всегда предпочтительнее проводить оптимизацию по нескольким критериям качества регулирования. Как отмечалось выше, главным недостатком большинства существующих настройщиков является возможность оптимизации только по одному критерию (чаще всего времени переходного процесса), что не всегда является главным в контурах управления блоков разделения воздуха. Следовательно, для получения наиболее эффективных настроек регуляторов будем проводить оптимизацию по трем критериям качества регулирования (рис. 2, 3):

• времени переходного процесса;

• статической ошибке;


• динамической ошибке (не более 20 % перерегулирования).

[параметры] Критерии Метод

№ Имя параметра Значение Минимум Максимум | Точность |

1 Кр 2.3582 В20 0.01

2 И 0 0 40 0.01

3 Кй 10 0 10 0.01

Уд* |

Отмена |

Рис. 2. Параметры регулирования Рис. 3. Критерии качества регулирования

Проведем оптимизацию регулятора на примере контура стабилизации давления в коллекторе отбросного азота.

Объект регулирования имеет структуру, представленную на рис. 4.

Ш пп »1 ЕЕ

* и Т-з + 1 И

Ё1>:од_2- ■ Исполнительный — Объект Ьы>:од_^

механизм регулирования

Рис. 4. Пример объекта регулирования в программном комплексе «Моделирование в технических устройствах»

Выбор типа регулятора зависит от зашумленности в каналах измерения. Если данные показатели высоки, не рекомендуется использование дифференциальной составляющей, которая может привести к колебаниям в степени открытия клапана и даже к полному его раскрытию. В рассматриваемом примере зашумленность невысока, поэтому для данного контура регулирования можно использовать ПИД-регулятор (рис. 5).

Рис. 5. ПИД-регулятор в программном комплексе «Моделирование в технических устройствах»

Оптимизируемые параметры: Кр К] Кс1

{ритерии оптимизации :угпах Т 51а1.ег

№ Кр К Кс1 углах Т Э1а1.ег Г

0 10 15.1385 10 0.115065 0.0869779

3 2.35824 0 10 15.4976 10 0.102267 0.0130885


6 2.35824 0 10 15.4941 10 0.0926704 0

Рис. 6. Результаты оптимизации ПИД-регулятора

В результате проделанной оптимизации были получены коэффициенты настройки ПИД-регулятора, представленные на рис. 6. График полученного переходного процесса представлен на рис. 7.

Рис. 7. График переходного процесса

После проведения оптимизационных работ необходимо проверить систему на устойчивость. Программный комплекс МВТУ позволяет произвести анализ по частотным характеристикам, годографам Найквиста и Михайлова, а также по передаточным функциям. В слу-

чае выявления неустойчивости необходимо скорректировать систему автоматического регулирования (САР) и провести новую оптимизацию параметров.

Введение контура регулирования в эксплуатацию в процессе пусконаладочных работ. В ходе пусконаладочных работ (ПНР) по результатам, полученным в ПК МВТУ, осуществляют ввод рассчитанного контроллера в эксплуатацию. При необходимости осуществляется настройка регулятора, согласно применяемым на практике правилам [10], полученным на основании опыта, теоретического анализа и численных экспериментов:

• увеличение пропорционального коэффициента усиления увеличивает быстродействие и снижает запас устойчивости;

• при уменьшении интегральной составляющей ошибка регулирования быстрее уменьшается с течением времени;

• увеличение дифференциальной составляющей увеличивает запас устойчивости и быстродействие.

Заключение. Разработанная в рамках данной статьи методика настройки промышленных контроллеров позволяет значительно повысить качество регулирования технологическим процессом и снизить затраты времени на расчет коэффициентов регулятора, предназначенных для различных узлов управления ВРУ.


Следующим шагом на пути к улучшению качества регулирования является задача совершенствования процесса настройки коэффициентов регулятора в ходе ПНР. Для реализации данного вопроса необходимо проводить завершающую оптимизацию регуляторов непосредственно на объекте, используя OPC-соединение для передачи данных с установки в расчетную модель ПК МВТУ.

Для автоматизации котлов ДКВР, ДЕ, которые работают на топливе газ/мазут и котлов ТВГ, КВ-Г работающих на природном газе, используют комплекты автоматического регулирования на базе системы Контур”, автоматики безопасности и управления в щите типа Щ-К2 (Щ-К2У).

Система «Контур» освоена Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА) в 1978 г. до этого времени МЗТА выпускал электронно-гидравлическую систему «Кристалл». Автоматика безопасности котельной установки. Принцип работы типовой схемы

Рис. 28. Лицевая панель приборов системы «Контур».

Автоматика регулирования «Контур» (см.рис. 29) предназначена для регулирования параметров технологического процесса котлоагрегатов.

Каждый автоматический регулятор имеет:

1. Датчик (первичный прибор).

2. Регулирующий прибор (усилитель).

З. Исполнительный механизм.

4. Регулирующий орган.


Автоматика безопасности котельной установки. Принцип работы типовой схемы

Д — датчик, реагирует на смену измеренного параметра и превращает изменение параметра в электрический сигнал. Датчик состоит из измерительного и электрического преобразователей.

Измерительным преобразователем может быть эластичная мембрана, манометрическая трубка и др.

Электрический преобразователь представляет собой дифференциально-трансформаторную катушку и стальной сердечник.

Автоматика безопасности котельной установки. Принцип работы типовой схемы

I — первичная обмотка дифференциально-трансформаторной катушки;

II — вторичная обмотка дифференциально-трансформаторной катушки;

III — стальной сердечник;

IV — эластичная мембрана измерительного преобразователя.

Автоматика безопасности котельной установки. Принцип работы типовой схемы


Рис. 29. Схема системы автоматического регулирования «Контур» на паровых котлах типа ДВКР.

Датчик получает питание »Uвх = 12 (24)В от своего регулирующего прибора Р.25. Uвых изменяет свое значение в зависимости от положения стального сердечника III.

Р.25 — регулирующий прибор с задатчиком. Он осуществляет питание своего датчика, от которого поступает электрический сигнал Uвых, который сравнивается с заданным и при неравенстве этих сигналов на выходе Р.25 возникает усиленный электрический сигнал, который включает в работу исполнительный механизм.

ИМ — исполнительный механизм — бывает гидравлическим типа ГИМ и электрическим типа МЭО (механизм электрический одновращательный).

Он перемещает регулирующий орган.

РО — регулирующий орган. В зависимости от параметров, которые регулируются, им может быть: регулирующая заслонка (РЗ), направляющий аппарат дутьевого вентилятора (НАДВ), направляющий аппарат дымососа (НАД), регулирующий клапан (РК).

На паровых котлах устанавливаются регуляторы:

1 — Регулятор давления пара в барабане котла.

2 — Регулятор соотношения «газ-воздух».

3 — Регулятор разрежения в топке.

4 — Регулятор уровня воды в барабане котла.

Автоматика защиты котла предназначена для отключения подачи топлива к горелкам котла при отклонении параметров безопасности за допустимые границы.


По параметрам разрежения в топке и уровне воды в барабане отключения подачи топлива происходит с выдержкой по времени 15-20 сек. Этим исключается влияние кратковременных изменений разрежения и уровня, которые не могут вызвать аварию котла.

Когда система защиты находится во включенном состоянии, кон такты датчиков, контролирующие включенные в схему параметры, за крыты. Соответствующие им промежуточные реле и электромагнит, управляющий клапаном-отсекателем, находятся под напряжением. Клапан-отсекатель на топливе открыт. В таком состоянии система защиты находится до тех пор, пока включенные в нее параметры находятся в границах нормы.

В случае отклонения одного из параметров за допустимые границы размыкается контакт соответствующего датчика, пропадает ток на промежуточном реле и электромагните, управляющем клапаном-отсекателем топлива. Отключение подачи топлива сопровождается загоранием табло причины отключения и «Котел отключен», затем включается звуковая сигнализация.

К органам контроля защиты относятся шесть световых табло типа ТСВ (двухламповых), установленных в верхней части лицевой панели щита автоматики Щ-К2 (Щ-К2У). Во включенном состоянии табло не горит, а при срабатывании защиты загораются лампы только одного табло, что указывает на причину срабатывания, а также лампы табло «Котел отключен».

Открытие клапана-отсекателя осуществляется рычагами клапана, установленного на газопроводе перед котлом.


К органам управления защитой на щите Щ-К2 (Щ-К2У) относятся переключатель котла, переключатель топлива, переключатель фотодатчиков.

Ручка переключателя котла имеет четыре фиксированных положения:

1) вертикальное — защита выключена;

2) 90° от вертикали по часовой стрелке — предварительное включение (розжиг запальников);

3) 135° по часовой стрелке — защита полностью включена (поставлена в дежурное состояние);

4) 45° от вертикали против часовой стрелки — защита предварительно отключена.

Ручкё переключателя топлива имеет два фиксированных положения:

а) вертикальное — котел работает на мазуте;

б) горизонтальное (90° против часовой стрелки) — котел работает на газе.

Ручка переключателя фотодатчиков имеет два фиксированных положения:

а) вертикальное — контролируется факел левой горелки;

б) 45° от вертикали против часовой стрелки — контролируется факел правой горелки.

К технологической защите относятся:

— автоматика безопасности котла;

— технологическая сигнализация;

— автомат контроля пламени АКП.

Датчики автоматики безопасности:

1. Давление газа — датчик типа ДН или ДД.

2. Давление воздуха — датчик типа ДН.

3. Разрежение в топке — датчик типа ДНТ.

4. Наличие пламени — электронный блок контроля пламени с фотоэлементом или контрольным электродом.

5. Давление пара — ЭКМ (электр. манометр).

6. Уровень воды в барабане может контролироваться:

а) при помощи электродов, размещенных в равномерной колонке, которая связана с барабаном котла;

б) при помощи уровнемерной колонки и дифманометра-уровнемера с задатчиками.

Действие автоматики безопасности должна приводить к отключению подачи топлива к горелкам при отключении контролируемых параметров за пределы допустимых значений.

Учитывая, что аварийные режимы возникают чаще всего из-за неправильных действий обслуживающего персонала при пуске котла, в схему автоматики безопасности в качестве составной части включается дистанционный и автоматический розжиг, в процессе которого должны быть обеспечены:

1. Контроль за правильным выполнением предпусковых операций.

2. Включение тяго-дутьевых машин.

3. Заполнение котла водой.

4. Контроль за нормальным состоянием параметров при пуске.

5. Дистанционный розжиг запальника со щита управления.

Для паровых котлов независимо от давления пара и производительности должны быть установлены устройства, которые автоматически отключат подачу топлива к грелкам при:

1 — повышении или понижении давления топлива перед горелками;

2 — понижении давления воздуха перед горелками с принудительной подачей воздуха;

3 — понижении разряжения в топке;

4 — погашении факела горелок;

5 — повышении давления пара сверх рабочего;

6 — повышении или понижении уровня воды в барабане котла за допустимые пределы;

7 — неисправности звеньев защиты, включая исчезновение напряжения.

Включение системы автоматики «Контур» проводится в следующей последовательности:

1. Подготовить котел к розжигу в соответствии с производственной инструкцией.

2. Убедиться, что на щит Щ-К2 (Щ-К2У) подается напряжение питания.

3. Слесарю КИП и А проверить установку необходимых вставок по защите:

а) необходимого уровня воды в барабане;

б) необходимого разрежения в толке;

в) нормального давления воздуха перед горелками. После этого на лицевой панели щита гаснет соответствующее сигнальное табло. Когда останутся гореть только табло «Котел отключен», «Факела нет» и «Давление газа низкое», необходимо:

4. Возвратить ручку переключателя котла на щите Щ-К2 (Щ-К2У) в положение «Предварительно включен». При этом положении ручки включается запальник и гаснет сигнальное табло «Факела нет».

5. После появления факела запальника взвести рычаги клапана- отсекателя (открыть проход газа).

6. Разжечь каждую горелку, открыв вручную краны (задвижки) перед горелками. Давление газа на горелки установить по режимной карте (30% — не нагрузка).

7. Отрегулировать подачу воздуха и разрежения в топке.

8. После розжига горелок с выдержкой во времени отключается за пальник.

9. Ручку переключателя котла устанавливаем в положение «Включено». Защиту котла устанавливаем в дежурное состояние.

10. Когда давление в котле достигнет рабочего, подключить котел к общекотельному паровому коллектору.

11. Сделать запись в сменном журнале о розжиге котла с указанием времени.

Плановая остановка котла осуществляется плавным изменением одного из параметров, включенных в систему защиты. При выходе этого параметра за допустимые пределы срабатывает защита и котел останавливается. При этом проверяется работа защиты.

После отключения котла клапаном-отсекателем закрыть «контрольный» и «рабочий» краны (задвижки) перед горелками и от крыть продувочные «свечи» между ними. Закрыть задвижку на газопроводе перед котлом, открыв «свечу» на газовом коллекторе котла.

Закрыть главный паровой вентиль на котле и отключить его от главного парового коллектора. При подъеме давления в котле сбросить его через предохранительный клапан. Уровень воды в барабане поддерживать в пределах высшего рабочего уровня роды в котле.

Сделать запись в сменном журнале с указанием времени остановки котла.

Автоматика безопасности котельной установки. Принцип работы типовой схемы Объект регулирования — часть машины, в которой образуется регулируемая величина. В общем смысле — сам технологический процесс.
Регулирующее устр-во — техническое устр-во (в простейшем случае — регулятор), выполняющее следующие функции:

  • измерение фактического значения регулируемой величины

  • сравнение фактического значения с заданным

  • оптимизацию процесса регулирования (выбор его наилучшего варианта)


Каскадное регулирование1) — структура регулирования с помощью двух последовательно включенных ПИД — регуляторов, имеющая два входа для параметров измерения и один управляющий выход.
Автоматика безопасности котельной установки. Принцип работы типовой схемы Нагреватель печи (горелка в нашем случае) имеет избыточную мощность, и объект нагрева (заготовка) может с одной стороны перегреться, а с другой — остаться холодным. Если подобный режим нагрева недопустим, то одноконтурного управления будет уже недостаточно. Для обеспечения равномерного нагрева объекта необходимо измерять температуру уже в двух местах: рядом с нагревателем и в самом холодном месте. В таком случае регулятор должен содержать два ПИД — звена, включенных последовательно. Первое ПИД-звено (ведущее), на вход которого подаётся значение температуры в холодном месте, будет вырабатывать значение уставки для второго звена (ведомое). На вход ведомого звена подаётся температура около нагревателя.

Автоматика безопасности котельной установки. Принцип работы типовой схемы

Назначение:

Автоматика «Контур-2» предназначена для автоматического поддержания давления пара или температуры воды (водогрейный котел) постоянными. Устанавливается на паровых котлах с давлением пара свыше 0,7 кгс/см2 и водогрейных котлах с температурой нагрева воды свыше 115°С.

Изготовитель: Московский завод тепловой автоматики.

Принцип работы автоматики регулирования

Изменение давления пара чувствует датчик «Сапфир», в котором изменяется выходной сигнал, поступающий на регулятор РС-29, в котором он обрабатывается, усиливается и далее поступает на МЭО, в котором включается двигатель, который через систему рычагов перемещает газовую заслонку, в результате чего изменяется давление газа. Изменение давления газа чувствует датчик «Сапфир» по газу, в котором изменяется выходной сигнал, поступающий на регулятор РС-29 по воздуху, и когда сигналы от «Сапфира» по газу и от «Сапфира» по воздуху уровняются по величине, выходной сигнал с РС-29 по воздуху на МЭО прекращается, и двигатель останавливается.

В результате изменения нагрузки на горелку изменяется разрежение, это чувствует датчик «Сапфир», по разрежению в котором изменяется выходной сигнал, поступающий на регулятор РС-29, в котором он обрабатывается, усиливается и поступает на МЭО, в котором включается двигатель и через систему рычагов перемещает направляющий аппарат дымососа до восстановления заданного разряжения.

В результате превращения воды в пар уровень воды понижается, это чувствует через уравнительный сосуд датчик «Сапфир», по уровню воды в котором изменяется выходной сигнал, поступающий на регулятор РС-29, по уровню воды в котором он обрабатывается, усиливается и далее поступает на МЭО, в котором включается двигатель и через систему рычагов открывает питательный клапан.

Принципы работы автоматики безопасности

Электрический сигнал от первичного прибора безопасности поступает на щит котла и через реле датчика включается звуковая и световая сигнализация, далее сигнал поступает на реле времени, где происходит задержка до 30 секунд (кроме погасания пламени), и если оператор, перейдя на ручное управление, не восстановит параметр, реле времени цепь разрывает, срабатывает электрическая приставка ПЗК, подача газа на котел прекращается.

Пуск в работу котла с автоматикой «Контур»

а) подготовка к розжигу:

— письменное распоряжение;

— подготовить к розжигу котел;

— проверить, чтобы вся запорная арматура на газопроводе, кроме крана на свечу безопасности, была закрыта;

— проверить внешним осмотром состояние приборов автоматики;

— тумблера на РС-29 установить на ручное управление;

— переключатель электрозапальников установить на зажигаемую горелку;

— переключатель блокировки дымососа и вентилятора установить в положение сблокировано;

— переключатель вида топлива установит на «газ»;

— подать питание на щит котла;

— снять звуковой сигнал;

— тумблерами больше-меньше с РС-29 по газу проверить работу МЭО и открыть газовую заслонку в положение согласно инструкции по розжигу;

— тумблерами больше-меньше с РС-29 по воздуху проверить работу МЭО и закрыть направляющий аппарат вентилятора;

— тумблерами больше-меньше с РС-29 по разрежению проверить работу МЭО и закрыть направляющий аппарат;

— тумблерами больше-меньше с РС-29 по воде проверить работу МЭО;

— ключом со щита включить дымосос и открыть направляющий аппарат;

— ключом со щита включить вентилятор и открыть направляющий аппарат (топку вентилировать по времени, оговоренном в инструкции, а по истечении времени вентиляции установить минимальное разрежение и давление воздуха;

б) розжиг котла:

— открыть главную задвижку;

— открыть кран перед клапаном электрозапальника и ключом со щита зажечь его (при отсутствии электрозапальника зажечь переносной запальник и внести в топку);

— ввести в зацепление рычаги клапана-отсекателя;

— открыть контрольную задвижку;

— закрыть кран на свечу безопасности;

— убедившись, что запальник горит, медленно открыть рабочий кран на горелку, следя за загоранием газа и давлением по манометру;

— закрыть кран перед клапаном электрозапальника (закрыть кран на переносной запальник и вынуть его из топки);

— отрегулировать горение горелки;

— записать в журнале.

Остановка котла

— письменное распоряжение;

— перевести тумблер на РС-29 на ручное управление;

— тумблерами больше-меньше снизить нагрузку горелки до минимальной;

— закрыть рабочую задвижку;

— закрыть контрольную задвижку;

— открыть кран на свечу безопасности;

— закрыть главную задвижку;

— по истечении времени послеостановочной вентиляции выключить вентилятор и дымосос;

— после падения давления пара до нуля, выключить питание щита кола;

— записать в журнале.

— Аварийная остановка производится ключом со щита


Использованные источники

  1. cyberleninka.ru/article/n/metodika-nastroyki-konturov-regulirovaniya-vozduhorazdelitelnoy-ustanovki
  2. studopedia.ru/6_151556_avtomatika-bezopasnosti-kotelnoy-ustanovki-printsip-raboti-tipovoy-shemi.html
  3. wiki.unitechbase.com/doku.php/контур
  4. vunivere.ru/work72911

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.