Автоматическое регулирование кислотно-щелочного баланса питательной воды теплоэнергоцентрали

 

 

1.3.3 Требования к технологическому  оборудованию

рассматриваемого участка

К основному технологическому оборудованию рассматриваемой установки относятся бак рабочего раствора аммиака, насос дозатор аммиака.

Требования к баку рабочего раствора аммиака представлены в таблице 1.2.

 Таблица 1.2 – Требования к баку рабочего раствора аммиака

Характеристика	Значение
Рабочая вместимость, м3	10
Материал корпуса	сталь 12Х18Н10Т

 

 

Требования к насосу дозатору аммиака представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Требования к насосу дозатору аммиака

Характеристика	Значение
Исполнение по материалу проточной части	сталь20Х13
Исполнение	насос-дозатор
Напряжение питания, В	3ф., 380
Мощность двигателя, кВт	1,5
Подача номинальная, л/час	1000
Напор, м	10

 

1.3.4 Требования к средствам измерения  и информационным каналам

разрабатываемой системы

Основным параметром технологического процесса в рассматриваемой части является кислотно-щелочной баланс питательной воды, который регулируется в пределах до 9,1±0,1.

«АТЛАНТ 2101» является универсальным промышленным прибором для измерения активности ионов водорода pH и окислительно-восстановительных потенциалов в воде и ее растворах, в том числе глубокого обессоливания. АТЛАНТ-2101 применяется для мониторинга водно-химического режима на технологическом оборудовании электростанций и других производств.

Требования к прибору измерителю кислотно-щелочного баланса типа «АТЛАНТ 2101» представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Требования к измерителю кислотно-щелочного баланса

Характеристика датчика	Значение
Тип среды	жидкость
Диапазон измерения: - pH - эдс - температура	0,00-14,00 -2500 до +2500 мВ От 0 до 100 ºС
Абсолютная погрешность измерений: - pH - эдс - температура	0,05 2мВ 0,3 ºС
Параметры контролируемой среды: - температура - расход	От +1 до +60 ºС 2-10 дм/час
Диапазон выходных токов (уст. оператором)	0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА
Количество программируемых точек на шкале выходных токов	12 - начало и конец шкалы
Режимы работы реле уставок	выкл., более>, менее
Параметры окружающей среды: - температура - относительная влажность	от -10 до +50 °C до 95% при +35 °C
Напряжение питания	от 187 до 242 В от 30,6 до 39,6 В частотой от 48 до 65 Гц
Потребляемая мощность	20 Вт
Интерфейс пользователя	иерархические меню на дисплее
Калибровки	Автоматическая и ручная

 

 

Подключения датчика с измерительным блоком осуществляется с помощью двух кабелей: коаксиального и медного четырёхпроводного , соединяющих разъёмы, с соответствующими разъёмами электронного блока.

Измерительный pH-электрод подключен к измерительной коробке с помощью коаксиального разъёма. Провода термокомпенсатора подключены к двум клеммам соединительной коробки. Электрод сравнения соединяется с клеммой коробки специальным проводом, имеющимся в комплекте гидравлического блока. Таким же проводом производится соединение заземляющего электрода с определённой клеммой блока. 

Подключение измерительного блока pH-метра к контроллеру производится по двухпроводной схеме.

 

1.3.5 Требования к устройствам  контроля и управления

Сформулируем требования к промышленному контроллеру, который предлагается использовать для управления процессом в части реализации САР кислотно-щелочного баланса питательной воды. Требования к промышленному контроллеру представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Требования к промышленному контроллеру

Характеристика	Значение
Напряжение питания	200-240 В AC
Степень защиты от воздействия окружающей среды	IP20
Температурный режим эксплуатации, °С	0…+40
Операционная система	mini OS-7, DOS или Windows CE
Число каналов ввода-вывода: - аналоговые  входы, шт. - аналоговые  выходы, шт. - дискретные  входы, шт. - дискретные  выходы, шт.	2 2 6 2
Диапазон сигналов по аналоговым каналам: - аналоговые входы  Типы дискретных входов Тип дискретных выходов Макс. выходной (коммутируемый) ток, не менее, мА Выходное напряжение, В	0…20 мА сухой контакт открытый коллектор 100 24
Время реакции по аналоговым каналам,  мс, не более	650

 

Таблица 1.5 – продолжение

Необходимые поддерживаемые коммуникационные интерфейсы	1хEthernet
Необходимые поддерживаемые протоколы передачи данных	Modbus TCP (TCP/IP)

 

 

Поскольку контроллер устанавливается в шкаф в отапливаемом помещении, к его степени защиты от воздействия твердых частиц (пыли) и влаги, а также температурному диапазону эксплуатации не предъявляется решающих требований.

Поскольку на базе контроллера планируется развертывание системы диспетчерского управления на базе SCADA Trace Mode, требуется наличие в контроллере операционной системы Mini-OS7, DOS или Windows CE.

Для организации ввода-вывода данных потребуется один аналоговый вход (для подключения pH-метра) с унифицированным токовым сигналом 0…20 мА, два дискретных выхода для управления насосами дозаторами аммиака.

Обмен данными с АРМ оператора осуществляется по интерфейсу Ethernet и протоколу Modbus TCP (TCP/IP).

 

 

 

 

  2 Расчет системы автоматического управления

2.1 Разработка структурной и функциональной схемы системы

автоматизации

Регулирование кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе теплоэнергоцентрали осуществляется изменением подачи аммиака в трубопровод, который в свою очередь зависит от работы насоса дозатора.

 В состав системы регулирования кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе входят: ПЧ- преобразователь частоты, ЭД- электродвигатель обеспечивающий работу насоса, Н- насос регулирующий подачу аммиака, Т- трубопровод.

 Рассмотрим параметры  процесса для конкретного технологического  режима. Параметры приведены в  таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Параметры технологического режима

Параметр	Значение
Показатель кислотно-щелочного баланса воды, pH - максимальный (для данного режима) - условно-номинальный (для данного режима) - минимальный (для данного режима)	9,2 9,1 9,0
Время регулирования не более, с	20

 

 

Таким образом, функциональную схему объекта управления можно представить как показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Функциональная схема объекта управления

Выходным сигналом преобразователя частоты является напряжение подаваемое на электродвигатель, пропорциональное амплитуде управляющего сигнала (u): максимальному уровню управляющего сигнала 10В (входное значение) соответствует  напряжение (Gs) 380В.     

Выходной координатой электродвигателя, приводящего в движение насос (H), является фактическая угловая скорость (Gp).

Выходной координатой насоса является массовый расход (Gr) аммиака, пропорциональный угловой скорости  вращения электродвигателя (Gp).

Выходной координатой трубопровода является кислотно-щелочной баланс питательной воды, зависящий от расхода аммиака подаваемого в трубопровод (Gr).

Поскольку преобразователь частоты представляет собой, по сути, вычислительное устройство, предназначенное для формирования подачи напряжения на электродвигатель в зависимости от входного сигнала управления, он может быть описан как апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией вида W(пч)=.

Произведем расчет параметров передаточной функции преобразователя частоты. Коэффициент передачи (передаточную функцию) определим по формуле (2.1)

,     (2.1)

где Gs – заданное напряжение в вольтах, u – управляющий сигнал (напряжение);

Тпч= 0,0001 (величина обратная дискретизации преобразователя частоты).

Передаточную функцию электродвигателя, приводящего в движение насос, можно представить в виде апериодического звена второго порядка (2.2)

,     (2.2)

где - коэффициент угловой скорости;

 - механическая постоянная времени элемента;

Tм- электрическая постоянная времени.

 

Произведём расчёт параметров передаточной функции электродвигателя. Коэффициент передачи сигнала определим по формуле (2.3):

,     (2.3)

где G – угловая скорость, Gs – напряжение питания.

Постоянные времени электродвигателя определим как Тм=0,6;Тэ=0,0004.

Тогда передаточная функция электродвигателя, приводящего в движение насос (2.4)

,      (2.4)

Передаточную функцию насоса представим как апериодическое звено второго порядка с передаточной функцией вида (2.5):

,       (2.5)

где e-ts – коэффициент передачи объекта, t– постоянная времени объекта.

Рассчитаем параметры передаточной функции насоса.  Коэффициент передачи определим по формуле (2.6)

,    (2.6)

где Gr – угловая скорость электродвигателя, а Gp – расход аммиака.

Постоянную времени насоса определим как t =.

Тогда передаточная функция насоса, подающего аммиак в трубопровод будет иметь вид (2.7)

,      (2.7)

 Передаточную функцию трубопровода представим как апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией вида (2.8):

,       (2.8)

  Коэффициент передачи  определим по формуле (2.9)

,    (2.9)

где pH – показатель кислотно-щелочного баланса воды, а Gr – изменение расхода аммиака в трубопровод.

Постоянную времени трубопровода T=20с определим как максимальное время выхода на установившееся значение, соответствующее заданию. В результате получим передаточную функцию трубопровода (2.10)

      (2.10)

На основании функциональной схемы (рисунок 2.1) построим структурную схему (рисунок 2.2), содержащую все функциональные элементы системы регулирования кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе.

Рисунок 2.2 – Структурная схема объекта управления

На основании структурной схемы разработаем модель в приложении Siumulink пакета MatLab (рисунок 2.3) и произведем ее исследование.

Рисунок 2.3 – Модель разомкнутой системы в MatLab

Графики переходных процессов элементов системы показаны на рисунках 2.4-2.6.

ω, рад/с
		t, c

 

Рисунок 2.4 – Переходный процесс по развитию двигателем угловой скорости

F, м3/ч
		t, c

 

Рисунок 2.5 – Переходный процесс по расходу аммиака

pH
		t, c

 

Рисунок 2.6 – Переходный процесс по регулированию кислотно-щелочного баланса

По графикам переходных процессов (рисунок 2.4-2.6) можно сделать вывод о том, что все параметры технологического процесса и полученная нами модель не эквивалентны объекту автоматизации и его технологическим режимам. В работе видны отклонения расхода аммиака, а соответственно и показателя кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе, т.е. система нуждается в регуляторах, обеспечивающих стабилизацию технологических параметров в соответствии с заданием.

 

2.2 Описание методики и расчет параметров настройки регулятора

В состав системы регулирования входят три контура:

• контур регулирования развития угловой скорости электродвигателем;

• контур регулирования расхода аммиака;

• контур регулирования кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе.

Как показывает практика построения систем автоматического регулирования, для систем, содержащих несколько контуров регулирования, целесообразно применение подчиненного регулирования координат.

Применение подчиненного регулирования координат в рассматриваемом случае позволит повысить надежность, системы, поскольку при разрыве внутреннего контура, например, вследствие обрыва кабель-трассы датчика, регулятор внешнего контура сыграет роль компенсатора и не позволит переходному процессу выйти из-под контроля. Кроме того, применение каскадного регулирования улучшает динамические показатели системы за счет превентивной отработки возмущений по развитию скорости электродвигателем, не допуская влияния их на показатель кислотно-щелочного баланса.