Автоматизация центрального теплового пункта
Федеральное
агентство железнодорожного транспорта
Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
Омский
государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)
Кафедра
«Теплоэнергетика»
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА
к курсовой
работе
по дисциплине
«Автоматизация тепловых процессов»
Выполнил: Скоробогатов А.Д.
Омск 2013
Реферат
ЦТП, годограф, преобразователь, регулятор температуры, теплосчетчик,
термометр, дифференциальный манометр.
Первая часть состоит из расчёта параметров регулирования: построение
переходной характеристики, построение годографа объекта регулирования, АЧХ и
ФЧХ, определение настроечных параметров π-регулятора по КЧХ.
Объектом исследования в данной работе является центральный тепловой
пункт.
Цель работы: выбор необходимого оборудования для автоматизации
центрального теплового пункта и составление схемы автоматики.
Полученные результаты: составлена принципиальная схема автоматизации ЦТП
с указанием технических характеристик. Пояснительная записка выполнена в
текстовом редакторе Microsoft Office Word 2010.
Содержание
Введение
. Расчет
параметров регулирования
.1 Построение
переходной характеристики
.2 Построение
годографа объекта регулирования, АЧХ и ФЧХ
.3 Определение
настроечных параметров, π-регулирования по КЧХ
. Схема
автоматизации ЦТП
.1
Центральный тепловой пункт
.2
Составление и анализ структуры системы автоматизации
Заключение
Библиографический
список
Введение
Автоматизация играет решающую роль при организации промышленного
производства по принципу: выпуск заданного количества продукции при минимуме
материальных затрат и затрат ручного труда. Автоматизацией называют управление
машинами, механизмами и установками, а также контроль за их работой с помощью специальных
устройств при ограниченном участии человека или без него. Теплоэнергетика,
отличающаяся широкой механизацией технологических процессов, высокими
параметрами рабочей среды, требованиями к точности их регулирования, а также
наличием собственного источника энергии, является той областью науки и техники,
где постоянно находят применение методы теории и новые технические средства
автоматического управления.
Автоматизация теплоэнергетических объектов предусматривает:
1. Дистанционное управление, или управление машинами и
механизмами на расстоянии;
2. Теплотехнический контроль (измерение) текущих
значений параметров технологического процесса;
3. Технологическую сигнализацию о состоянии основного и
вспомогательного оборудования;
4. Автоматическую защиту основного и вспомогательного
оборудования от возможных повреждений в процессе эксплуатации;
5. Автоматическое непрерывное регулирование,
обеспечивающее автоматическое поддержание технологических параметров вблизи
заданного значения;
6. Логическое управление, обеспечивающее автоматическое
включение или отключение регуляторов, машин, механизмов и установок в заданной
последовательности.
1. Расчет параметров регулирования
.1 Построение переходной характеристики
Единичная функция h(t) определяется по формуле:
где ymax - максимальное значение параметра,
равное 220; ymin - максимальное значение параметра,
равное 110.
Таблица 1 - Зависимость регулируемого параметра от времени
t
|
110
|
112
|
115
|
120
|
127
|
138
|
150
|
165
|
180
|
195
|
207
|
216
|
223
|
y
|
30
|
40
|
50
|
60
|
70
|
80
|
90
|
100
|
110
|
120
|
130
|
140
|
150
|
h
|
0
|
0,042
|
0,083
|
0,142
|
0,233
|
0,333
|
0,458
|
0,583
|
0,708
|
0,808
|
0,883
|
0,942
|
Рисунок 1-График зависимости регулируемого параметра от времени
Рисунок 2-График зависимости единичной функции от времени
автоматика
тепловой годограф регулятор
1.2 Построение годографа объекта регулирования, АЧХ и ФЧХ
Воспользуемся методом «Шести координат».
Время действия сигнала составляет t1=150 c, по
нему вычисляем интервал разбиения, пользуясь нижеприведенными формулами, и
частоту, а полученные значения заносим в таблицу.
По выбранному интервалу разбиения Δ t1 определяем значения функции h(t) в моменты
разбиения и заполняем матрицу для первой точки метода «Шести координат»(таблица
2).
Таблица 2 - Матрица данных первой точки исследуемого сигнала
0
|
80
|
130
|
180
|
230
|
280
|
330
|
380
|
430
|
480
|
530
|
580
|
0
|
0,46
|
1,62
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0,46
|
1,62
|
2
|
1,54
|
0,38
|
0
|
0,46
|
1,62
|
0
|
0,46
|
1,62
|
2
|
1,54
|
0,38
|
0
|
0,46
|
1,62
|
2
|
0,38
|
0
|
0,23
|
0,81
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0,23
|
0,81
|
1
|
0,54
|
-0,62
|
-1
|
-0,54
|
0,62
|
1
|
0,54
|
-0,62
|
|
|
|
|
|
|
x0
|
x1
|
x2
|
x3
|
x4
|
X5
|
Матрица продолжается до тех пор, пока не будет выполнятся условие:
По полученным значениям вычисляем переменные a и b, с
помощью которых можно вычислить амплитуду и фазу сигнала в точке 1:
где λ=20%.
Результаты вычислений заносим в таблицу. Аналогичные операции производим
для следующих пяти точек, сужая Δt.
Таблица 3-Сводная таблица результатов вычислений для шести точек
Величина
|
Точка 1
|
Точка 2
|
Точка 3
|
Точка 4
|
Точка 5
|
Точка 6
|
T
|
300
|
250
|
200
|
150
|
100
|
50
|
Δt
|
50
|
41,66
|
33,33
|
25
|
16,66
|
8,33
|
ω
|
0,0209
|
0,0251
|
0,0314
|
0,041
|
0,125
|
x0
|
-1
|
-0,92
|
-0,62
|
-0,04
|
0,16
|
0
|
x1
|
-0,54
|
-0,7
|
-0,76
|
-0,5
|
0,08
|
-0,02
|
x2
|
0,62
|
0,24
|
-0,18
|
-0,46
|
-0,08
|
0
|
a
|
-1,053
|
-0,926
|
-0,606
|
-0,04
|
0,16
|
-0,006
|
b
|
0,0461
|
-0,265
|
-0,542
|
-0,554
|
0
|
-0,011
|
A
|
4,150
|
3,795
|
3,204
|
2,187
|
0,629
|
0,052
|
φ
|
272,466
|
254,045
|
228,209
|
184,129
|
99,094
|
30,015
|
Рисунок 3 - График зависимости величины амплитуды от частоты
Рисунок 4 - График зависимости фазы от частоты
Рисунок 5 - Комплексно-частотная характеристика системы
1.3 Определение настроечных параметров, π-регулирования по КЧХ
Расчет выполняем графо-аналитическим методом. Для этого зададимся
произвольными временами изодрома (10, 20, 40, 80, 120с). Вычисляем приращение ΔА согласно формуле, а полученные
значения заносим в таблицу:
Таблица 4 - Приращение амплитуда для различных времен изодрома.
ω
|
А
|
Ти
|
|
|
10
|
20
|
40
|
80
|
120
|
0,020933
|
4,15096
|
9,91472
|
4,95736
|
2,47868
|
1,65245
|
0,02512
|
3,79517
|
15,1081
|
7,55408
|
3,77704
|
1,88852
|
1,25901
|
0,0314
|
3,20468
|
10,2059
|
5,10299
|
2,55149
|
1,27574
|
0,85049
|
0,0418
|
2,18778
|
5,22560
|
2,61280
|
1,30640
|
0,65320
|
0,43546
|
0,0628
|
0,62992
|
1,00305
|
0,50152
|
0,25076
|
0,12538
|
0,08358
|
0,1256
|
0,05249
|
0,04179
|
0,02089
|
0,01044
|
0,00522
|
0,00348
|
Затем строим годографы на графике по полученным значениям амплитуды и
фазы.
Задаемся запасом устойчивости по фазе Строим касательные окружности к
построенным годографам, вычисляем радиусы окружностей, удаления и заносим
полученные значения в таблицу.
Рисунок 6 - Годографы системы и определение параметров регулирования.
Таблица 5-Радиусы касательных окружностей к годографам.
r
|
R
|
k1
|
k2
|
52,03
|
32,13
|
0,019219681
|
0,031123561
|
20,31
|
13,11
|
0,049236829
|
0,076277651
|
11,2
|
6,89
|
0,089285714
|
0,145137881
|
7,62
|
4,73
|
0,131233596
|
0,21141649
|
7,01
|
4,31
|
0,142653352
|
0,232018561
|
6,19
|
0,161550889
|
0,261780105
|
По полученным значениям обратных величин (k1=1/r, k2=1/R)
строим графики и определяем оптимальное значение времени изодрома, для которого
строим еще один годограф на сводном графике.
Рисунок 7 - График зависимости обратных величин k1 и k2 от времени изодрома.
Оптимальное значение изодрома по графику Ти опт=25 с.
Таблица 6 - Приращение амплитуды для оптимального времени изодрома
ω
|
А
|
Ти
|
|
|
30
|
0,020933333
|
4,150966556
|
7,931783228
|
0,02512
|
3,795170312
|
6,043264828
|
0,0314
|
3,204680342
|
4,08239534
|
0,041866667
|
2,187786455
|
2,090241836
|
0,0628
|
0,62992126
|
0,401223732
|
0,1256
|
0,052493438
|
0,016717656
|
Рисунок 10 - КЧХ системы при различных значениях времени изодрома.
2. Схема автоматизации ЦТП
.1 Центральный тепловой пункт
Центральный тепловой пункт (ЦТП) - тепловой пункт, обслуживающий два и
более зданий. ЦТП обеспечивает жителей горячей и холодной водой круглогодично и
теплом в отопительный сезон.
Закрытая водяная система теплоснабжения.
Закрытая водяная система теплоснабжения - водяная система теплоснабжения,
в которой вода, циркулирующая в тепловой сети, используется только как
теплоноситель и из сети не отбирается.
Закрытые системы теплоснабжения присоединяются к тепловым сетям через
водонагреватели, и вся сетевая вода из системы возвращается к источнику
теплоснабжения. В открытых системах производится непосредственный отбор горячей
воды из тепловой сети. По количеству теплопроводов различают одно- и
многотрубные системы теплоснабжения. По способу обеспечения потребителей
тепловой энергией различают одно- и многоступенчатые системы теплоснабжения.
Одноступенчатые системы. В одноступенчатых системах потребители теплоты
присоединяются непосредственно к тепловым сетям. В узлах присоединения
потребителей теплоты к тепловым сетям, называемых абонентскими вводами,
устанавливают подогреватели горячего водоснабжения, элеваторы, насосы,
запорно-регулирующую арматуру, контрольно-измерительные приборы для
обслуживания местных отопительных и водоразборных приборов.
Если абонентский ввод сооружается для какого-либо индивидуального здания
или объекта, то его называют индивидуальным тепловым пунктом. В
многоступенчатых системах между источником тепловой энергии и потребителями
размещают центральные тепловые пункты, в которых параметры теплоносителя могут
изменяться в зависимости от требований местных потребителей. Для увеличения
радиуса действия системы теплоснабжения и уменьшения количества
транспортируемого теплоносителя и соответственно затрат электроэнергии на его
перекачку, а также диаметров теплопроводов для целей теплоснабжения используют
высокотемпературную воду. Циркуляцию теплоносителя по теплоизолированным
теплопроводам диаметром до 1400 мм, которые прокладывают под землей в
непроходных и полупроходных каналах, в проходных коллекторах и без каналов, а
также над землей на опорах, обеспечивает насосная станция источника тепловой
энергии. Поскольку в системах отопления жилых и общественных зданий температура
теплоносителя не должна превышать обычно 105С0, к
высокотемпературной воде из тепловых сетей с помощью насоса или водоструйного
элеватора подмешивается охлажденная вода из обратного теплопровода местной
системы отопления. Такая схема подключения к тепловым сетям называется
зависимой.
Открытая водяная система теплоснабжения.
Открытая водяная система теплоснабжения - водяная система теплоснабжения,
в которой вода, циркулирующая в тепловой сети, частично или полностью
отбирается из системы потребителями теплоты.
Открытые системы теплоснабжения имеют следующие недостатки:
Основной особенностью открытых систем теплоснабжения является разбор сетевой
воды из тепловой сети для горячего водоснабжения. Это позволяет использовать
для горячего водоснабжения в больших количествах отходящие теплые воды с
температурой 15-30 °С, имеющиеся на электростанциях (охлаждающая вода
конденсаторов турбин, охлаждающая вода топочных панелей) и на многих
промышленных предприятиях. В закрытых системах теплоснабжения возможность
использования этой воды весьма ограниченна, так как расход на подпитку, для
которой эта вода может быть применена, обычно не превышает 0,5-1 % расхода
циркулирующей воды.
Использование отходящей от ТЭС теплой воды в открытых системах дает
экономию топлива и снижает стоимость горячего водоснабжения.
В открытых системах упрощается оборудование абонентских вводов и
абонентских установок горячего водоснабжения, так как отпадает необходимость
применения на вводе водо-водяных подогревателей. При отсутствии у абонента
внутренней разводки горячего водоснабжения в некоторых случаях используются для
этой цели подающие трубопроводы отопительной установки. Однако такая схема
горячего водоснабжения не может быть рекомендована, так как отбираемая для
горячего водоснабжения вода не имеет в этом случае постоянной температуры. В
отдельные периоды температура ее значительно ниже 60 °С.
Местные установки горячего водоснабжения в открытых системах
теплоснабжения не подвергаются зашламлению и коррозии, так как подпиточная вода
до подачи в сеть проходит предварительную обработку - химочистку и деаэрацию.
В открытых системах для этой цели приходится сооружать мощные водоподготовительные
установки.
Для системы горячего водоснабжения, теплоснабжения допускается иметь
температуру воды не ниже 50°С и не выше 60°С. В этих условиях после проведения
ремонтных работ или устранения аварийных ситуаций в системах необходимо поддерживать
температуру на уровне 75°С в течение 48 часов.
.2 Составление и анализ структуры системы автоматизации
АСУ ТП предназначена для эффективного управления технологическим
оборудованием Центрального теплового пункта. При модернизации ЦТП следует четко
определить назначение системы:
· автоматическое поддержание заданного давления воды в прямом и
обратном трубопроводе;
· дистанционное управление работой насосов и задвижек;
· визуализация технологического процесса на рабочем месте
оператора;
· сбор, обработка и выдача статистических данных об объемах
перекачанной воды и статусе насосных агрегатов;
· заданную температуру в системе отопления в зависимости от
температуры окружающего воздуха;
Система разрабатывается как единый аппаратно-программный комплекс распределенной
архитектуры, оборудование которого представлено в виде трехуровневой иерархии
(рис. 1):
. уровень управления технологическими агрегатами (датчики давления
и расхода воды, регулируемый и нерегулируемый электропривод насосов и
задвижек);
. уровень управления технологическим процессом (программируемый
логический контроллер);
. уровень оперативно-административного управления (рабочая станция
оператора на базе персонального компьютера с принтером).
Рисунок 11 - Обобщенная структурная схема системы автоматизированного
управления насосной станцией
Аппаратная часть комплекса строится на основе продукции мировых лидеров в
области промышленной автоматизации.
Реализация алгоритмов функционирования насосов и электрозадвижек
возлагается на промышленные контроллеры.
Функции взаимодействия “оператор-система” выполняет рабочая станция -
IBM-совместимый персональный компьютер.
Управление в контуре интеллектуального электронного оборудования “привод
- контроллер - рабочая станция” реализовано по межмашинному интерфейсу RS-232,
RS-422, RS-485.
Для контроллера и рабочей станции должно быть разработано прикладное
программное обеспечение, которое может быть адаптировано под конфигурацию
оборудования конкретной насосной станции. Диалог оператора с системой
реализован в естественной форме мнемонических изображений в SCADA-системе. Так
же следует предусмотреть архивирование основных параметров технологического
процесса и состояния насосных агрегатов.
Конструктивно основные устройства системы выполняются по модульному
принципу в виде монтажных шкафов (кроме датчиков и рабочей станции оператора)
различной степени защиты от поражения персонала и от влияния внешней среды.
Следует так же учитывать необходимость замены старых приборов измерения
на новые с цифровыми выходами это обусловлено:
. В отопительной технике используются чугунные нагревательные приборы
(радиаторы). Их допустимое давление не превышает 0.6 МПа. Превышение указанного
предела может привести к авариям в отопительных установках. Это существенно
снижает надежность и усложняет эксплуатацию систем теплоснабжения крупных
городов, так как при большой протяженности тепловых сетей и большом числе
присоединенных абонентских установок с разнородной тепловой нагрузкой расходы воды
в сети и связанные с ними потери давления могут изменяться в широких пределах.
При этом уровень давлений в сети может превысить предел, допустимый для
абонентских установок.
2. Датчики
температуры будут использованы для отслеживания температуры воды в прямой
трубе, обратной трубе и после подмешивания к горячей воде подающей линии
охлажденной воды обратной линии. Необходимость этого заключается в том, что
благодаря знаниям температуры воды можно будет избежать аварий связанных с
пределом температуры воды для отопительных установок. Также датчик температуры
будет установлен на трубу горячего водоснабжения после того, как вода пройдет
через теплообменник. С помощью регулятора температуры и датчикам температуры
станет возможным распределение по корпусу воды определенной температуры. При
автоматизации процесса работы ЦТП одной из поставленных задач является
регулирования темперы в зависимости от температуры окружающей среды, этот
процесс является новым на ЦТП и его следует рассмотреть более подробно.
Система регулирования температуры теплоносителя в зависимости от температуры
окружающей среды компенсирует перепады температуры, одновременно поддерживая
гидравлический баланс системы отопления.
Регулирование реализуется по заданному температурному графику отопления с
учетом реальных измеренных значений температур наружного воздуха. При этом
система автоматически производит коррекцию выбранного температурного графика.
Заключение
В ходе курсовой работы произведена обработка опытной кривой,. С
использованием метода шести ординат, построен гадограф, КЧХ, АЧХ, ФЧХ.
Определены настроечные динамические параметры ПИ регулятора, найдены
оптимальные значения ПИ регулятора . Разработана функциональная схема
автоматизации ЦТП мощностью 10 Гкал/час.
Библиографический список
1. СТП ОмГУПС-1.2-2005 «Работы студенческие учебные и
выпускные квалификационные».
2. Плетнев Г. П. Автоматизированное управление
объектами тепловых электростанций: Учебное пособие для ВУЗов - М.: Энергоиздат,
1981. - 368с.
3. Плетнев Г. П. Автоматическое управление и защита
теплоэнергетических установок электростанций: Учебник для техникумов - М.:
Энергоатомиздат, 1986. - 344с.
4. Сидельский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки
промышленных предприятий: Учебник для вузов - 3-е изд., перераб. - М.:
Энергоатомиздат, 1988. - 528 с.
5. Автоматика отопительных котлов и агрегатов /И.С.
Берсенев, М.А. Волков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1979. -
376с.