Помощь студентам в учебе
Разработка системы автоматического регулирования температуры масла в аппаратах воздушного охлаждения
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОПИСАНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ 9
1.1 Характеристика станции, описание технологического процесса 9
1.2 Обзор существующего варианта АВО масла на предприятии 20
1.3 Цели и задачи автоматизации, требования к системе автоматизации 24
1.4 Обзор существующих вариантов автоматизации технологического
процесса 24
1.5 Разработка функциональной схемы автоматизации 25
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 26
2.1 Разработка архитектуры системы автоматизации 26
2.2 Выбор средств автоматизации и управления 27
2.2.1 Выбор датчика температуры 27
2.2.2 Выбор ПЛК 30
2.2.3 Выбор электропривода 33
2.2.4 Выбор модулей ввода-вывода сигналов ПЛК 35
2.2.5 Выбор электромагнитных реле 37
2.2.6 Выбор устройства плавного пуска 38
2.2.7 Выбор автоматов защиты двигателей 40
2.2.8 Выбор магнитных пускателей 44
2.2.9 Выбор блока питания 45
2.2.10 Выбор автоматических выключателей 47
2.3 Разработка принципиальной электрической схемы 48
2.4 Разработка алгоритма управления 48
2.5 Разработка системы автоматического регулирования 50
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 60
3.1 Расчет производственной программы 60
3.2 Расчет сметы капитальных затрат 61
3.3 Расчет РСЭО до внедрения проектируемых мероприятий 63
3.4 Расчет РСЭО после внедрения проектируемых мероприятий 65
3.5 Расчет срока окупаемости проекта 65
3.6 Составление сводной таблицы технико -экономических показателей 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 69
ПРИЛОЖЕНИЕ А 71
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОПИСАНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ 9
1.1 Характеристика станции, описание технологического процесса 9
1.2 Обзор существующего варианта АВО масла на предприятии 20
1.3 Цели и задачи автоматизации, требования к системе автоматизации 24
1.4 Обзор существующих вариантов автоматизации технологического
процесса 24
1.5 Разработка функциональной схемы автоматизации 25
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 26
2.1 Разработка архитектуры системы автоматизации 26
2.2 Выбор средств автоматизации и управления 27
2.2.1 Выбор датчика температуры 27
2.2.2 Выбор ПЛК 30
2.2.3 Выбор электропривода 33
2.2.4 Выбор модулей ввода-вывода сигналов ПЛК 35
2.2.5 Выбор электромагнитных реле 37
2.2.6 Выбор устройства плавного пуска 38
2.2.7 Выбор автоматов защиты двигателей 40
2.2.8 Выбор магнитных пускателей 44
2.2.9 Выбор блока питания 45
2.2.10 Выбор автоматических выключателей 47
2.3 Разработка принципиальной электрической схемы 48
2.4 Разработка алгоритма управления 48
2.5 Разработка системы автоматического регулирования 50
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 60
3.1 Расчет производственной программы 60
3.2 Расчет сметы капитальных затрат 61
3.3 Расчет РСЭО до внедрения проектируемых мероприятий 63
3.4 Расчет РСЭО после внедрения проектируемых мероприятий 65
3.5 Расчет срока окупаемости проекта 65
3.6 Составление сводной таблицы технико -экономических показателей 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 69
ПРИЛОЖЕНИЕ А 71
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Газовая промышленность является важной отраслью в топливноэнергетическом комплексе России. Одним из важных ее звеньев - единая система газоснабжения, которая связывает добычу газа на месторождении и его потребителей. Компании «Газпром» принадлежит крупнейшая в мире газотранспортная система, протяженность которой составляет 172,6 тыс. км с объемом перекачиваемого газа 693,1 миллиарда кубометров. Газотранспортная система включает в себя 247 компрессорных станций с 3820 газоперекачивающими агрегатами (ГПА) суммарной мощностью 45,9 тыс. МВт. Большую часть парка ГПА составляют агрегаты с газотурбинным приводом (86%). Газотурбинный парк имеет значительную наработку: 27% - от 70 до 100 тыс. ч, 17% - более 100 тыс. ч.
Надежность газотурбинного двигателя зависит от надежности работы одного из важнейших его элемента - маслосистемы. Надежность работы маслосистемы, определяемая стабильностью параметров масла-смазки независимо от режима эксплуатации ГПА и условий окружающей среды, в значительной степени зависит от эффективности работы аппаратов воздушного охлаждения масла. Недостаточная глубина охлаждения масла приводит к снижению его вязкости, уменьшения толщины масляного клина в подшипниках и, вследствие, к возможности перехода от жидкостного трения к полужидкостному, что непосредственно снижает КПД турбины и приводит к преждевременному износу оборудования. Таким образом, эффективность и надежность работы аппарата воздушного охлаждения масла определяет эффективность и надежность работы турбоустановки.
Для газотранспортного комплекса России единственными маслоохладителями, которые обеспечивают надежную работу газотурбинных приводов нагнетателей природного газа, являются аппараты воздушного охлаждения масла (АВО масла).
На данный момент аппараты такого типа крепко заняли нишу среди эффективных промышленных теплообменников. Вместе с газотранспортной отраслью этот тип охладителей часто используется в пищевой, химической и нефтяной промышленностях, то есть везде, где есть нужда в применении экологически чистых теплообменных аппаратов в условиях нехватки или высокой стоимости получения химически чистой воды. Применение аппаратов воздушного охлаждения позволяет убрать часть эксплуатационных затрат на теплообменное оборудование такие дорогостоящие расходы как затраты на химическую подготовку и прокачку воды, сопротивление с замерзанием в зимний период эксплуатации и затраты на очистку сточных вод.
Приоритет АВО для газотранспортной отрасли связан с тем, что газокомпрессорные станции (КС) необходимо размещать через каждые 100-120 км. вне зависимости от наличия источников пресной воды и в регионах с существенными низкими температурами в зимний период использования характерных для основных газовых месторождений страны, что обуславливает отсутствие воды большую часть года.
На компрессорных станциях магистральных газопроводов (КС МГ) аппараты воздушного охлаждения используются не только для охлаждения масла ГТУ, но и в качестве охладителей перекачиваемого газа. Эффективность работы АВО газа в силу прямого отношения к энергоемкости транспорта природног о газа является перманентным объектом научных исследований, в то время как маслоохладителям, эффективность работы которых влияет в первую очередь на надежность работы ГТУ, внимания уделяется мало.
Кроме различий в теплофизических параметрах первичных теплоносителей, разницы в температурах и давлениях, с которыми они подаются на вход теплообменников, АВО газа и АВО масла ГТУ отличаются:
• габаритами - АВО масла намного меньше;
• затратами на собственные нужды - малоразмерные вентиляторы АВО масла используют гораздо менее мощные электродвигатели;
• местом размещения на территории КС - в отличие от АВО газа устанавливаемых на отдельной площадке, АВО масла размещаются вблизи здания цеха, а иногда в некоторых конструкциях аппарат находится в укрытии, то есть размещается в одном корпусе с комплексным воздухоочистительным устройством (КВОУ) ГТУ.
Компрессоры, которые размещены на КС не могут работать без компрессорного масла. Именно это масло охлаждается или нагревается на АВО. От качества этого масла зависит работоспособность всей установки, детали которой находятся в постоянной работе и необходимы в смазке. Этот важный компонент не позволяет допустить перегрев станции.
Чтобы компрессоры исправно работали масло должно быть в надлежащем состоянии. Одним из основных требований к компрессорному маслу это его вязкость, которая не должна быть высокой или низкой. Как известно, вязкость масла зависит от его температуры. Таким образом, чтобы поддерживать оптимальную температуру масла на КС, используют АВО масла.
Регулирование температуры осуществляется управлением АВО масла в зависимости от температуры масла в рабочем пространстве, с учетом таких возмущающих факторов, как погодные условия [1].
Целью данной работы является разработка системы автоматического регулирования температуры масла в аппаратах воздушного охлаждения.
Для достижения этой цели перед дипломной работой ставятся следующие задачи:
• Анализ технологического процесса;
• Обзор текущего варианта АВО на предприятии;
• Сравнительный анализ вариантов систем автоматизации;
• Разработка функциональной схемы автоматизации;
• Разработка структурной схемы автоматизации;
• Разработка алгоритма работы АВО;
• Разработка схемы электрической принципиальной;
• Сравнительный анализ ПЛК;
• Выбор оборудования системы автоматизации ;
• Разработка программы САР.
Надежность газотурбинного двигателя зависит от надежности работы одного из важнейших его элемента - маслосистемы. Надежность работы маслосистемы, определяемая стабильностью параметров масла-смазки независимо от режима эксплуатации ГПА и условий окружающей среды, в значительной степени зависит от эффективности работы аппаратов воздушного охлаждения масла. Недостаточная глубина охлаждения масла приводит к снижению его вязкости, уменьшения толщины масляного клина в подшипниках и, вследствие, к возможности перехода от жидкостного трения к полужидкостному, что непосредственно снижает КПД турбины и приводит к преждевременному износу оборудования. Таким образом, эффективность и надежность работы аппарата воздушного охлаждения масла определяет эффективность и надежность работы турбоустановки.
Для газотранспортного комплекса России единственными маслоохладителями, которые обеспечивают надежную работу газотурбинных приводов нагнетателей природного газа, являются аппараты воздушного охлаждения масла (АВО масла).
На данный момент аппараты такого типа крепко заняли нишу среди эффективных промышленных теплообменников. Вместе с газотранспортной отраслью этот тип охладителей часто используется в пищевой, химической и нефтяной промышленностях, то есть везде, где есть нужда в применении экологически чистых теплообменных аппаратов в условиях нехватки или высокой стоимости получения химически чистой воды. Применение аппаратов воздушного охлаждения позволяет убрать часть эксплуатационных затрат на теплообменное оборудование такие дорогостоящие расходы как затраты на химическую подготовку и прокачку воды, сопротивление с замерзанием в зимний период эксплуатации и затраты на очистку сточных вод.
Приоритет АВО для газотранспортной отрасли связан с тем, что газокомпрессорные станции (КС) необходимо размещать через каждые 100-120 км. вне зависимости от наличия источников пресной воды и в регионах с существенными низкими температурами в зимний период использования характерных для основных газовых месторождений страны, что обуславливает отсутствие воды большую часть года.
На компрессорных станциях магистральных газопроводов (КС МГ) аппараты воздушного охлаждения используются не только для охлаждения масла ГТУ, но и в качестве охладителей перекачиваемого газа. Эффективность работы АВО газа в силу прямого отношения к энергоемкости транспорта природног о газа является перманентным объектом научных исследований, в то время как маслоохладителям, эффективность работы которых влияет в первую очередь на надежность работы ГТУ, внимания уделяется мало.
Кроме различий в теплофизических параметрах первичных теплоносителей, разницы в температурах и давлениях, с которыми они подаются на вход теплообменников, АВО газа и АВО масла ГТУ отличаются:
• габаритами - АВО масла намного меньше;
• затратами на собственные нужды - малоразмерные вентиляторы АВО масла используют гораздо менее мощные электродвигатели;
• местом размещения на территории КС - в отличие от АВО газа устанавливаемых на отдельной площадке, АВО масла размещаются вблизи здания цеха, а иногда в некоторых конструкциях аппарат находится в укрытии, то есть размещается в одном корпусе с комплексным воздухоочистительным устройством (КВОУ) ГТУ.
Компрессоры, которые размещены на КС не могут работать без компрессорного масла. Именно это масло охлаждается или нагревается на АВО. От качества этого масла зависит работоспособность всей установки, детали которой находятся в постоянной работе и необходимы в смазке. Этот важный компонент не позволяет допустить перегрев станции.
Чтобы компрессоры исправно работали масло должно быть в надлежащем состоянии. Одним из основных требований к компрессорному маслу это его вязкость, которая не должна быть высокой или низкой. Как известно, вязкость масла зависит от его температуры. Таким образом, чтобы поддерживать оптимальную температуру масла на КС, используют АВО масла.
Регулирование температуры осуществляется управлением АВО масла в зависимости от температуры масла в рабочем пространстве, с учетом таких возмущающих факторов, как погодные условия [1].
Целью данной работы является разработка системы автоматического регулирования температуры масла в аппаратах воздушного охлаждения.
Для достижения этой цели перед дипломной работой ставятся следующие задачи:
• Анализ технологического процесса;
• Обзор текущего варианта АВО на предприятии;
• Сравнительный анализ вариантов систем автоматизации;
• Разработка функциональной схемы автоматизации;
• Разработка структурной схемы автоматизации;
• Разработка алгоритма работы АВО;
• Разработка схемы электрической принципиальной;
• Сравнительный анализ ПЛК;
• Выбор оборудования системы автоматизации ;
• Разработка программы САР.
Проведя анализ технологического процесса работы газокомпрессорной станции на челябинском линейно-производственном управлении магистральных газопроводов «Газпром трансгаз Екатеринбург» была выявлена проблема, связанная с работой аппаратов воздушного охлаждения масла: таки простые операции, как включение и выключение вентиляторов и калориферов, а также открывание и закрывание жалюзи происходит в ручную.
Было принято решение разработать систему автоматического регулирования температуры масла в аппаратах воздушного охлаждения. Рассматриваемых варианта было два. Первый, это использование ПИД -регулирования для системы, а второй, это дискретное регулирование. Поскольку сверхточное регулирование температуры не было необходимостью, то фаворитом для разработки системы автоматического регулирования стал второй вариант, то есть дискретное регулирование.
Основной целью проекта стала экономия трудовых ресурсов за счет замены труда человека трудом машины. Вторичной целью стало повышение качества масла за счет более точного регулирования температуры. Для достижения вторичной цели не было поставлено никаких задач, так как эта цель достигалась автоматически при разработке системы автоматического регулирования. Для достижения основной цели были поставлены задачи, такие как разработка функциональной схемы автоматизации, разработка структурной схемы автоматизации, выбор оборудования для управления и автоматизации, разработка схемы электрической принципиальной, разработка алгоритма, написание кода, и как показывает данная работа, эти задачи были выполнены.
Разработка функциональной схемы автоматизации производилась в программе КОМПАС, на которой был виден уровень автоматизации, а также оборудование для автоматизации.
Далее последовала разработка структурной схемы, которая показала идеализированные модели компонентов и модели взаимодействий между компонентами.
Следом был произведен процесс выбора оборудования для системы, в котором были определены модели датчиков, контроллера, исполнительных механизмов, защитного оборудования и т.д.
Потом была разработана схема электрическая принципиальная в программе EPLAN, которая показывает связи и взаимодействие между электрическими элементами.
В последствии был разработан алгоритм системы, который иллюстрировал реакцию системы на ее воздействие. По этому алгоритму был написан код в программе TIA Portal на языке STL. Также была проведена симуляция работы системы в среде S7-PLCSIM1, которая показала, что система работает и следует алгоритму.
В завершении работы были произведены технико-экономические расчеты, которые показали, что при внедрении данной системы экономия будет составлять 1073171 рублей в год, а срок окупаемости проекта составит 1 год и 9 месяцев, что говорит об экономической целесообразности проекта.
Таким образом, все поставленные задачи для данной работы были выполнены, а основная и вторичная цели были достигнуты.
Было принято решение разработать систему автоматического регулирования температуры масла в аппаратах воздушного охлаждения. Рассматриваемых варианта было два. Первый, это использование ПИД -регулирования для системы, а второй, это дискретное регулирование. Поскольку сверхточное регулирование температуры не было необходимостью, то фаворитом для разработки системы автоматического регулирования стал второй вариант, то есть дискретное регулирование.
Основной целью проекта стала экономия трудовых ресурсов за счет замены труда человека трудом машины. Вторичной целью стало повышение качества масла за счет более точного регулирования температуры. Для достижения вторичной цели не было поставлено никаких задач, так как эта цель достигалась автоматически при разработке системы автоматического регулирования. Для достижения основной цели были поставлены задачи, такие как разработка функциональной схемы автоматизации, разработка структурной схемы автоматизации, выбор оборудования для управления и автоматизации, разработка схемы электрической принципиальной, разработка алгоритма, написание кода, и как показывает данная работа, эти задачи были выполнены.
Разработка функциональной схемы автоматизации производилась в программе КОМПАС, на которой был виден уровень автоматизации, а также оборудование для автоматизации.
Далее последовала разработка структурной схемы, которая показала идеализированные модели компонентов и модели взаимодействий между компонентами.
Следом был произведен процесс выбора оборудования для системы, в котором были определены модели датчиков, контроллера, исполнительных механизмов, защитного оборудования и т.д.
Потом была разработана схема электрическая принципиальная в программе EPLAN, которая показывает связи и взаимодействие между электрическими элементами.
В последствии был разработан алгоритм системы, который иллюстрировал реакцию системы на ее воздействие. По этому алгоритму был написан код в программе TIA Portal на языке STL. Также была проведена симуляция работы системы в среде S7-PLCSIM1, которая показала, что система работает и следует алгоритму.
В завершении работы были произведены технико-экономические расчеты, которые показали, что при внедрении данной системы экономия будет составлять 1073171 рублей в год, а срок окупаемости проекта составит 1 год и 9 месяцев, что говорит об экономической целесообразности проекта.
Таким образом, все поставленные задачи для данной работы были выполнены, а основная и вторичная цели были достигнуты.