Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПО ДИСЦИПЛИНЕ "ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ"
Часть 2
Составитель Мекинян Ю.Г.
Киев 2002
1. АСУТП барабанных котлов 3
2. АСУТП прямоточных котлов 5
3. АСУТП блоков “котел-турбина” 6
4. АСУТП подготовки рудного сырья 10
5. АСУТП доменного производства 12
6. АСУТП сталеплавильного производства 13
7. АСУТП нагревательных устройств прокатных цехов 15
8. АСУТП приготовления вискозного раствора 16
9. АСУТП подготовки бумажной массы 22
10. АСУТП производства технического углерода 26
11. АСУТП производства винилхлорида 30
12. АСУТП эмульсионной полимеризации винилхлорида 33
13. АСУТП производства листового стекла 34
14. АСУТП первичной перегонки нефти 37
Настоящие указания являются продолжением опубликованных методических указаний по дисциплине "Проектирование автоматизированных систем управления непрерывными технологическими процессами" и содержат описание непрерывных технологических процессов в энергетике, химической и нефтехимической промышленности, а также в черной металлургии, которые могут быть выбраны в качестве объектов управления при выполнении комплексных курсовых проектов по дисциплине "Проектирование АСУНТП".
В методических указаниях представлены структурные схемы технологических агрегатов и установок, приведены значения основных технологических параметров процессов, а также требования к системам автоматического управления. Кроме того, даны ссылки на литературные источники, в которых имеются более подробные описания технологических процессов, данные их экспериментальных исследований и сведения об их автоматизации.
I. АСУТП БАРАБАННЫХ КОТЛОВ
Барабанные паровые котлы бывают двух типов: с естественной и многократно принудительной циркуляцией.
В котлах с естественной циркуляцией питательная вода подается насосом в экономайзер, а из него - в верхний барабан. В процессе естественной циркуляции, возникающей в испарительных поверхностях нагрева, образовавшаяся пароводяная смесь направляется в барабан, в котором разделяются пар и вода. Из барабана пар направляется на перегрев в пароперегреватель, а затем к потребителям.
Котлы низкого и среднего давления преимущественно выполняют с естественной циркуляцией, что объясняется в основном менее жесткими требованиями к качеству питательной воды, более простой системой автоматизации процессов горения и питания и отсутствием затрат электроэнергии на движение рабочей среды в испарительной системе.
В котлах c многократной принудительной циркуляцией питательная вода подается насосом в экономайзер и далее - в барабан. В испарительных поверхностях нагрева циркуляция осуществляется принудительно за счет работы насоса, включенного в контур циркуляции. Пар и вода разделяются в барабане, из которого пар направляется в паронагреватель и далее к потребителям.
Котлы с многократной принудительной циркуляцией применяют в основном для использования теплоты газов технологических и энерготехнологических агрегатов для выработки пара низких и средних параметров. При высоком давлении в таких котлах усложняются конструкции и условия работы циркуляционных насосов, работающих на воде с температурой более 300 °С.
Пуски и остановки барабанов котлов сопровождаются значительными изменениями напряжений в этих элементах под действием тепловых деформаций и имеющихся механических усилий. Поэтому пуски и остановки - наиболее ответственные периоды в эксплуатации, а также различные схемы и графики, имеющие отношение к пуску и остановке барабанных котлоагрегатов, подробно описаны в [2, с. 86-51]; сведения о статических и динамических характеристиках - в [1; 4].
Статические характеристики котла (влияние нагрузки, температуры питательной воды, воздушного режима топки и характеристик топлива на показатели его работы) описаны в [1, с. 490-495]; тепловые характеристики барабанного котла в зависимости от нагрузки и приведенной влажности [l, рис. 29.1, с. 492].
В период перехода от одного режима к другому аккумулированная в металле и рабочих средах теплота и запаздывание регулирования вызывают кратковременное нарушение материального и энергетического балансов котла и соответственно происходит изменение параметров, характеризующих его работу. Нестационарные процессы в котлах [1, с.495-497], а также тепловые характеристики котла в переходных процессах при изменении подачи питательной воды и при изменении тепловыделения в топке приведены в [1, рис.29.2,с.495] .
Динамической характеристикой котла называют зависимость изменения во времени параметров, характеризующих его работу при нанесении возмущений той или иной входной величине. Динамические характеристики, полученные экспериментальным или аналитическим путем, приведены в [1, с. 497-498] . С динамикой барабанного котла также можно ознакомиться в [4, с. 15-22].
Основная задача автоматических регуляторов горения барабанных котлов наряду с поддержанием постоянного давления пара - обеспечение экономичности процесса горения топлива путем подачи в топку соответствующих количеств топлива и воздуха.
Принципиальные схемы регуляторов горения изменяются в зависимости от вида сжигаемого топлива и типа топочного устройства.
Наиболее просто решается задача автоматизации камерных топок при сжигании горючего газа постоянного состава со стабильной теплотой сгорания. В этом случае можно применять наиболее простую схему регулирования с главным регулятором, действующим по принципу "топливо -воздух" [2, с. 73] . Схема автоматического регулирования процесса горения "теплота - топливо" [2, рис. 4-4] описана в [2, с. 73-75].
Автоматические регуляторы процесса горения, работающие по схеме "теплота - топливо", применяют для котлов с пылеугольными топками при наличии систем пылеприготовления с промежуточным бункером пыли. Схема регулирования пылеприготовления с шаровой барабанной мельницей и промежуточным бункером пыли [2, рис. 4-5] описана в [2, с. 75, 76] .
Одной из наиболее универсальных схем регулирования процесса горения котлов с шахто-мельничными топками является схема регулирования по соотношению "топливо - воздух" с автоматической корректировкой расхода общего воздуха по расходу пара [2, рис. 4-6, с. 76,4 , риc.4-4. с. 67]. Эта схема рекомендуется двя сжигания углей и сланцев и описана в [2, с. 76-77].
В [3] приведены и описаны принципиальные схемы регулирования процесса горения в барабанных котлах. При построении системы автоматического регулирования котельного агрегата одним из основных является вопрос о выборе принципиальной схемы регулирования. Общая принципиальная схема регулирования процесса горения в барабанных котлах [3, рис. 158. с. 289]. а также рекомендации по регулированию котлов о факельными топками представлены в [3, с. 289-301] . Там же приведены такие схемы;
-раздельного регулирования [3, рис. 159];
-последовательного включения [3, рис. 160];
-параллельно-последовательного включения [3, рис. I6l].
Регулирование питания водой барабанных паровых котлов - одна из основных операций в эксплуатации. Принципы действия регуляторов питания котлов даны в [3, c. 343-356]. Там же приведены:
-график кривой разгона регулируемого участка для случая наброса нагрузки [3, с. 178];
-схема одноимпульсного регулятора питания [3, рис. 179];
-статические характеристики регулятора питания [3, с. 180];
-кривая разгона процесса регулирования для одноимпульсного регулятора при набросе нагрузки [3, рис. 181];
-схема двух импульсного регулятора питания [3, рис. 182]
-график процесса регулирования для трех импульсного регулятора питания [3, рис. 184].
Для выполнения тепловых расчетов котла на ЭВМ в процессе разработки его конструкции, а также определения динамических характеристик его работы необходимо составление математической модели котла. Задача построения такой модели котла в общем случае сводится к определению операторов системы, определяющих изменение выходных величин при произвольном изменении входного воздействия. Рекомендации по построению математической модели приведены в [l, с. 498-501].
Для иллюстрации [l, рис. 29.3. с. 500] показана технологическая схема барабанного котла, а в [l, рис. 29.4, с. 501]- структурная схема его математической модели.
2. АСУTП ПРЯМОТОЧНЫХ КОТЛОВ
Прямоточные паровые котлы большой производительности при высоких, сверхвысоких и сверхкритичных параметрах пара широко применяются на современных тепловых электростанциях. Такие котлы выпускаются промышленностью для работы на различных видах топлива производительностью 210 и 1000 т/ч с начальными параметрами пара 13.7 МПа, 560 °С и промежуточным перегревом до 560 °С, а также производительностью 1000, 1650, 2650, 3650, 3950 т/ч с параметрами пара 25 МПа, 565 0С и промежуточным перегревом до 567 °С.
В прямоточных котлах экономайзер, испарительная поверхность нагрева и паронагреватель конструктивно объединены. Проходя их последовательно, вода нагревается, испаряется и образовавшийся пар перегревается, после чего направляется к потребителям. Полное испарение воды происходит за время однократного прямоточного прохождения воды в испарительной части поверхности нагрева. Отсутствие барабана в промежуточных котлах высокого давления существенно на (8-10%) снижает затраты металла на изготовление котла по сравнению о барабанным котлом такой же мощности и давления. Котлы с давлением 25 МПа выполняют только прямоточными [l, рис. 14.1, с.306] .
На промышленных предприятиях и на небольших электростанциях прямоточные котлы не используются вследствие:
- нецелесообразности применения пара сверхвысоких параметров в котлах относительно небольшой мощности;