АСУ парового котла. Обзор отечественных и зарубежных разработок

Введение

Автоматизация систем управления является актуальной темой в области тепловой энергетики, так как теплоэнергетика – отрасль промышленности, отличающаяся широкой механизацией технологических процессов, высокими параметрами рабочей среды, требованиями к точности их регулирования. Теплоэнергетика является той областью науки и техники, где постоянно находят приложение методы теории и новые технические средства автоматического управления. [1]
Применение автоматических систем регулирования позволяет повысить надежность и экономичность работы энергооборудования электростанций при малом числе обслуживающего персонала. Учитывая, что на эти показатели оказывает влияние большое количество взаимосвязанных факторов, для оценки эффективности работы энергоустановок используется вычислительная техника, обеспечивающая автоматический сбор необходимой информации и расчет технико-экономических показателей электростанций и энергосистем. Подсистемы контроля, управления и расчета технико-экономических показателей образуют автоматизированную систему управления технологическими процессами тепловой электростанции. [1]
Программа дальнейшего развития энергетики всего сосредотачивает усилия на технологическом совершенствовании основного оборудования, с целью повышения эффективности, долговечности и надежности его работы. Технические средства автоматизации реализуют такие алгоритмы управления, которые являются оптимальными для получения максимально возможного КПД при наименьших расходах топлива, и вреда для окружающей среды. [1]
Технологическое оборудование современных электростанций достигло той степени сложности, при которой немыслима его эксплуатация без применения новейших средств автоматизации. На ряду с внедрением централизованного контроля и управления широко распространены АСР отдельных участков технологического процесса, автоматического управления и защиты оборудования.
Основными проблемами развития энергетики на данном этапе являются следующими:
- неравномерность потребления электроэнергии в течение суток, что значительно усложняет работу и снижает экономичность электростанции;
- значительный рост цен на топливо, что требует борьбы за увеличение КПД станции и более рациональное его сжигание;
- ужесточение штрафных санкций за выбросы вредных веществ в окружающую среду, что требует увеличение затрат на очистку дымовых газов и сточных вод и разработку новых мер по защите окружающей среды.
Для решения этих проблем необходимо улучшать качество работы существующих АСР путем замены составляющих на более качественные и путем внедрения новых алгоритмов регулирования и структурных схем АСР. Поэтому производители современных средств автоматизации улучшают и модернизируют не только свое оборудование комплекса технических средст, но и создают комплексные решения для некоторых технологий для улучшения эффективности интеграции автоматизированной системы управления. [1]
В своей работе я попытаюсь разобрать технические решения производителей как отечественных производителей, так и зарубежных коллег, имеющих богатый опыт в сфере автоматизации.

Комплексная автоматизация парового котла

Основная задача автоматического регулирования энергетической установки - обеспечить ее работу во всей области гарантированных режимов. Режимы работы различных энергоустановок характеризуются значениями одной или несколькими величин. Так, режимы работы парового котла характеризуются давлением и температурой пара при выходе из котла, его паропроизводительностью. Режим работы турбины – частотой вращения ротора турбины и напряжением на клеммах генератора для конденсационного турбогенератора, для турбин с отборами пара для потребителя еще и давлением пара в отборах- теплофикационном или производственном. Те параметры режима работы энергоустановки, которые регламентируются внешним потребителем, называются внешними регулируемыми параметрами, остальные внутренними. Для турбогенератора внешними являются частота вращения ротора, напряжение на клеммах генератора и давление в отборах пара к потребителю. Для котельной установки- давление, температура и расход свежего пара. Внутренние регулируемые параметры в большинстве своем относятся к параметрам, определяющим регламентное состояние и работу вспомогательного оборудования электростанций.[1]
Для начала рассмотрим принцип автоматизации любого парового котла. Как правило, в котельных и на тепловых станциях несколько паровых котлов работают на общую паровую магистраль, из которой пар распределяется по потребителям. В таком случае паровая магистраль представляет собой объект регулирования давления пара в магистрали. Способы и схемы автоматического регулирования тепловой нагрузки котла и давления в магистрали определяются в соответствии с заданным режимом его работы (базовым или регулирующим) и видом сжигаемого топлива. В базовом режиме тепловая нагрузка котла поддерживается на заданном уровне вне зависимости от общей тепловой нагрузки котельной или станции. В регулирующем режиме котел воспринимает колебания тепловой нагрузки котельной или тепловой и электрической нагрузки турбин на станциях, т. е. он участвует в регулировании общей тепловой (и электрической) нагрузки котельной или станции. При построении схемы автоматического регулирования тепловой нагрузки парового котла, управляющего подачей топлива, необходимо измерить тепловую нагрузку, а это зависит от вида сжигаемого топлива. [5]
Топливо — природный газ или мазут определенной марки со стабильными характеристиками. Теплота сгорания природного газа или мазут определенной марки, а также КПД котельного агрегата несущественно изменяются, тогда тепловая нагрузка котла будет зависеть только от расхода топлива, которое можно измерить. Расход природного газа Вг достаточно точно измеряется стандартными сужающими устройствами (диафрагмы), а расход мазута Вм может быть измерен, например, путем установки диафрагмы «четверть круга» или с помощью турбинных счетчиков (мазут для стабилизации его гидродинамических и теплофизических характеристик подается подогретым и должен иметь постоянную температуру).
Для работы в режиме автоматизированного управления котел должен быть оснащен:
•Системой контроля и управления (СКУ), которая включает (УУ);
•Устройство управления и регулирования (УУ);
•Низковольтные коммутирующие устройства (НКУ) для управления электроприводами исполнительных механизмов (ИМ) и средства отображения информации;
•Арматурой;
• Исполнительными механизмами (ИМ);
•Датчиками в объеме, рекомендуемом настоящим документом и функциональной схемой автоматизации котла . [1]
Отдельно устанавливаемые приборы и датчики имеют цифровое позиционное обозначение. Первая цифра определяет тип прибора по измеряемому параметру: 1 – температура, 2 – давление, 3 – расход, 4 – уровень, 5 – качество (концентрация). Вторая и третья цифры соответствуют порядковому номеру прибора (датчика) данного типа. Датчики, конструктивно входящие в состав другого оборудования, имеют буквенные обозначения: "КВ" – концевой выключатель в составе электропривода ИМ, "ДП"- датчик положения в составе привода регулирующей и запорной арматуры. [5]
Функции автоматики парового котла
Автоматика котла обеспечивает выполнение следующих функций:
•Контроль технологических параметров и состояния технологического оборудования;
•Отображение текущих значений контролируемых параметров и их архивирование;
•Управление ИМ котла в автоматическом режиме, обеспечивающее выполнение технологических операций при пуске, работе с нагрузкой и останове котла;
•Автоматическое регулирование параметров.
Автоматическое регулирование параметров, является полностью автоматической технологией, которая происходит без человеческого вмешательства. К таким параметрам относятся:
•Тепловая производительность (давление пара на выходе) котла;
•Уровень воды в барабане;
•Расход котловой воды на линии непрерывной продувки;
•Разрежение в топке (тяга) котла;
•Температура перегретого пара;
•Температура питательной воды перед экономайзером;
•Давление воздуха в общем трубопроводе перед горелками;
•Соотношение «топливо-воздух» в общем трубопроводе перед горелками;
•Пусковое давление газа (природного и коксового);
•Пусковое давление воздуха на период розжига и соотношение топливо/воздух” для данной горелки;
Одними из самых важных функций автоматики являются:
•Технологические защиты (отключение, блокировки) при возникновении аварийных ситуаций;
•Дистанционное управление ИМ с учетом блокировок с пультов системы управления котлом;
•Отображение и регистрацию информации о режимах работы и состояниях котла;
•Аварийную и предупредительную сигнализацию (световую и звуковую).
Контроль состояния технологического оборудования системы управления

Контроль состояния технологического оборудования осуществляется с помощью показывающих приборов, датчиков технологических параметров и датчиков состояния ИМ котла

. Сигналы с датчиков поступают в устройство управления СКУ для анализа состояния оборудования котла и выработки управляющих воздействий на ИМ при управлении работой котла в автоматическом режиме. [5]
Одновременно эти сигналы используются для отображения информации об объекте, регистрации и сигнализации средствами СКУ. Устройство управления (УУ) формирует сигналы управления, в том числе признаки состояния оборудования, пороговые сигналы текущих значений аналоговых датчиков, аварийной и предупредительной сигнализации. [5]
Функция «Контроль параметров» включает в себя контроль технологических параметров и параметров работы оборудования следующего типа:
•Контроль аналоговых параметров (токовый сигнал 4…20 мА);
•Контроль сигналов датчиков термо-сопротивления RTD;
•Контроль дискретных параметров (сигнал типа «сухой контакт», сигнал постоянного тока 24 В, сигнал переменного тока 220 В, а также сигналы типа NAMUR);
•Контроль аналоговых и дискретных параметров по интерфейсу RS-485 (протокол Modbus).
Контроль состояния технологического оборудования системы управления

Управление исполнительными механизмами осуществляется через низковольтные коммутирующие устройства (НКУ), которые обеспечивают подачу рабочего напряжения на электропривод ИМ по сигналам от устройства управления в режимах автоматического или дистанционного управления. [5]
При управлении запорной и регулирующей арматурой с реверсивным приводом НКУ должны обеспечить:
•Выполнение команд «открыть» и «закрыть»;
•Автоматическое отключение двигателя электропривода при достижении запорным устройством арматуры крайних положений и при возникновении аварийных ситуаций (заклинивание, перегрузка и т.д.);
•Выполнение команд «закрыть» запорной арматуры с созданием гарантированного усилия на уплотнительных поверхностях запорного органа;
•Блокировку взаимоисключающих команд управления «открыть» и «закрыть»;
•Останов привода запорного (отключающего) устройства в любом промежуточном положении;
•Выдачу сигналов для индикации конечных положений запорного устройства арматуры «открыто» и «закрыто», аварийного отключения привода - АВАРИЯ, управление с местного поста управления МЕСТНОЕ.
Для управления ИМ в автоматическом и дистанционном режиме электроприводы задвижек и вентилей оснащены концевыми выключателями, муфтами предельного момента (или датчиками положения с выходом 4-20мА). Электроприводы регулирующих ИМ оснащены датчиками положения с аналоговыми выходными сигналами. НКУ при управлении запорной арматурой (кроме шаровой) должны обеспечить плотное закрытие (с определенным усилием на запорном органе) арматуры. При отсутствии в составе электропривода муфт предельного момента режим плотного закрытия реализуется с использованием реле максимального тока в схеме управления приводом. [5]
Главная паровая задвижка ГПЗ используется для подключения и отключения паровой нагрузки котла, вентиль на байпасе ГПЗ служит для прогрева паропровода перед подключением нагрузки. Линия продувки пароперегревателя обеспечивает защиту пароперегревателя от высоких температур при пуске и останове котла, когда ГПЗ закрыта.[1]
Технологическое оборудование котла со средствами автоматики согласно функциональному назначению и пространственного расположения образует следующие функциональные группы:
•Пароводяной тракт,
•Горелки и газопровопроводы котла,
•Газовоздуховоды котла.
Автоматические защиты котла
Реализация любой системы управления начинается с самых важных ее частей, а именно реализацией систем безопасности и защиты. В этом разделе мы подробно рассмотрим какие типы защит существуют, и какие функции эти системы должны выполнять.
Автоматика безопасности котла должна обеспечить постоянный контроль теплотехнических параметров работающего котла и определенные действия при отклонении параметров за пределы диапазона допустимых рабочих значений: предупредительную сигнализацию, технологические защиты и блокировки.
Сигнализация, предупредительная и аварийная, служит для оповещения персонала о нарушениях штатных режимов работы и отображения причин включения сигнализации. Автоматика безопасности должна обеспечить световую и звуковую сигнализацию при срабатывании защит. Звуковая сигнализация отключается оператором при квитировании сигнала аварии, световая сигнализация отключается после возврата контролируемого параметра к норме.
Автоматика котла должна обеспечить регистрацию срабатывания предупредительной и аварийной сигнализации с отметкой по времени.
По характеру действия технологические защиты подразделяются на локальные и защиты, действующие на останов котла.
Локальные защиты обеспечивают отключение отдельных агрегатов котла при нарушении режима их работы. Действие локальных защит направлено на отключение только защищаемого оборудования, при этом, в зависимости от состояния котла, остальное оборудование может оставаться в работе. Останов работающего котла, как следствие действия локальных защит, возможен, если отключение защищаемого оборудования локальной защитой вызывает срабатывание защит на останов котла.[5]
При срабатывании защит, действующих на останов котла, выполняется безусловное отключение подачи рабочего топлива к котлу и к горелкам.
Реализация АСУ парового котла на базе контроллера Siemens
В этой главе мы рассмотрим техническое решение АСУ парового котла реализованного на оборудовании компании Siemens, оборудование Siemens, является качественным продуктом, который отлично зарекомендовал себя на рынке автоматизации, по всему миру.
Автоматизированная система управления предназначена для обеспечения эффективного контроля, управления и противоаварийной автоматической защиты технологического процесса котельного агрегата. АСУ котла выполняет следующие функции, а именно: Производится измерение и регистрация всех необходимых параметров для работы котла, в системе происходит архивация событий в специализированный журнал, производится автоматическое управление технологическим процессом, реализуется защита технологического оборудования, реализуется противоаварийной защиты, производится диагностика оборудования.
Предложенная система управления включает в себя два полноценных уровня, а именно нижний и верхний уровни. Нижний уровень выполняет функции сбора, обработки информации. Верхний уровень предназначен для управления всем технологическим процессом, служит для непосредственного визуального контроля за протекающими процессами, а также для архивирования и обработки информации. Обмен данными между верхним и нижним уровнем производится по высокоскоростному каналу передачи Profibus.
Нижний уровень реализован на резервированном контроллере SIMATIC S7-400H и станции распределенного ввода/вывода SIMATIC S7-ET200M. [2]
Верхний уровень включает в себя АРМ оператора со степенью защиты IP54.
SIMATIC S7-400 – это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации средней и высокой степени сложности. Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства