Разработка системы управления процессом приготовления топлива в форме органоводоугольных суспензий
|
Введение 10
1 Исследовательские изыскания 16
2 Разработка САУ топливоприготовления 26
2.1 Выбор структуры САУ 31
2.2 Разработка функциональной схемы САУ расхода топлива 34
2.3 Выбор технических средств и составление заказной спецификации .... 36
2.3.1 Выбор регулирующего устройства 36
2.3.3 Выбор исполнительного механизма 39
2.3.4 Выбор блока управления исполнительным механизмом 40
2.3.5 Выбор калориметра 41
3 Схема взаимосвязи оборудования верхнего и полевого уровней 44
4 Разработка щита управления, монтажной и принципиальной схем САУ
топливоприготовления 47
4.1 Разработка принципиальной схемы САУ топливоприготовления 47
4.2 Разработка монтажной схемы САУ топливоприготовления 48
4.3 Разработка чертежа общего вида щитовой конструкции САУ 50
5 Расчет параметров настройки регулятора 52
5.1 Идентификация объекта управления 52
5.1 Расчет параметров настройки регулятора 55
6 Мнемосхема проекта 61
7 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение... 65
7.1 Перечень работ и оценивание времени их выполнения 65
7.2 Смета затрат на проект 67
7.2.1 Материальные затраты 67
7.2.2 Амортизация компьютерной техники 67
7.2.3 Затраты на заработную плату 68
7.2.4 Затраты на социальные нужды 69
7.2.5 Прочие затраты 69
7.2.6 Накладные расходы 69
7.3 Смета затрат на оборудование и монтажные работы 70
7.4 Определение экономической эффективности проекта 71
8 Социальная ответственность 73
8.1 Производственная безопасность 74
8.1.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать
объект исследования 74
8.1.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть
при внедрении разработки на производстве 74
8.1.3 Обоснование мероприятий по защите персонала предприятия от
действия опасных и вредных факторов 75
8.2 Экологическая безопасность 77
8.2.1 Анализ возможного влияния объекта исследования на
окружающую среду 77
8.2.2 Анализ влияния производственного процесса на окружающую
среду 77
8.2.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды 78
8.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 79
8.3.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований 79
8.3.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при
производстве объекта исследования на производстве 80
8.3.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС 80
8.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 81
8.4.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства 81
8.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 81
8.5 Заключение по разделу «Социальная ответственность» 82
Заключение
1 Исследовательские изыскания 16
2 Разработка САУ топливоприготовления 26
2.1 Выбор структуры САУ 31
2.2 Разработка функциональной схемы САУ расхода топлива 34
2.3 Выбор технических средств и составление заказной спецификации .... 36
2.3.1 Выбор регулирующего устройства 36
2.3.3 Выбор исполнительного механизма 39
2.3.4 Выбор блока управления исполнительным механизмом 40
2.3.5 Выбор калориметра 41
3 Схема взаимосвязи оборудования верхнего и полевого уровней 44
4 Разработка щита управления, монтажной и принципиальной схем САУ
топливоприготовления 47
4.1 Разработка принципиальной схемы САУ топливоприготовления 47
4.2 Разработка монтажной схемы САУ топливоприготовления 48
4.3 Разработка чертежа общего вида щитовой конструкции САУ 50
5 Расчет параметров настройки регулятора 52
5.1 Идентификация объекта управления 52
5.1 Расчет параметров настройки регулятора 55
6 Мнемосхема проекта 61
7 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение... 65
7.1 Перечень работ и оценивание времени их выполнения 65
7.2 Смета затрат на проект 67
7.2.1 Материальные затраты 67
7.2.2 Амортизация компьютерной техники 67
7.2.3 Затраты на заработную плату 68
7.2.4 Затраты на социальные нужды 69
7.2.5 Прочие затраты 69
7.2.6 Накладные расходы 69
7.3 Смета затрат на оборудование и монтажные работы 70
7.4 Определение экономической эффективности проекта 71
8 Социальная ответственность 73
8.1 Производственная безопасность 74
8.1.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать
объект исследования 74
8.1.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть
при внедрении разработки на производстве 74
8.1.3 Обоснование мероприятий по защите персонала предприятия от
действия опасных и вредных факторов 75
8.2 Экологическая безопасность 77
8.2.1 Анализ возможного влияния объекта исследования на
окружающую среду 77
8.2.2 Анализ влияния производственного процесса на окружающую
среду 77
8.2.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды 78
8.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 79
8.3.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований 79
8.3.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при
производстве объекта исследования на производстве 80
8.3.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС 80
8.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 81
8.4.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства 81
8.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 81
8.5 Заключение по разделу «Социальная ответственность» 82
Заключение
Объектом автоматизации является система топливоприготовления котла НР-18.
Цель работы - разработка на основе микропроцессорных средств автоматизации системы управления процессом приготовления топлива в форме органоводоугольных суспензий для котла типа НР-18.
В процессе выполнения работы проводились: экспериментальные исследования, анализ объекта автоматизации, составление структурной схемы автоматизированной системы топливоприготовления, расчет параметров настройки регулятора, разработка функциональной схемы, разработка принципиальной электрической схемы и общего вида щита управления, выбор приборов и технических средств автоматизации с последующим составлением заказной спецификации.
В результате исследования разработана система управления процессом приготовления топлива в форме органоводоугольных суспензий на основе современных микропроцессорных средств автоматизации.
Одним из преимуществ разработанной системы является наличие программно-оперативного комплекса с использованием SCADA-системы, который предоставляет возможность вовремя отреагировать на любую сложную ситуацию в процессе эксплуатации системы, а также удаленно поддерживать функционирование системы в целом. Обеспечиваются 3 режима управления: ручной, автоматический, дистанционный.
В течение последних лет отмечается стабильный рост добычи и потребления твердого топлива в мире. Большая часть добываемого угля в настоящее время обогащается. Например, в Кузбассе обогащается более половины добываемого угля, а в среднем в мире обогащается до 70 % от объемов добычи. В результате этого ежегодно образуются высокозольные отходы, количество которых в настоящее время исчисляется миллионами тонн [1] (с ростом угледобычи и доли обогащения угля их объем будет только возрастать). К примеру, в Кузбассе таких залежей ежегодно образуется более
2.5 млрд. тонн. В ближайшем будущем вопросы утилизации таких отходов могут стать общемировыми, так как территории, занимаемые ими при хранении, огромны. Также сжигание отходов углепереработки является экономически выгодным.
За последние 30 лет мировым научным сообществом разработана группа технологий утилизации отходов переработки углей. В частности, можно выделить приготовление органоводоугольных топливных (ОВУТ) композиций и их сжигание в энергетических установках [2-8]. Также большие объемы (миллионы тонн) формирующихся ежегодно отходов переработки углей сложно утилизировать при применении в строительстве, химических или нефтехимических производствах. Основным направлением переработки таких веществ является их утилизация в качестве компонентов топливных суспензий и сжигании их в топочных камерах энергетических установок. Помимо вопросов утилизации высокозольных отходов углеобогащения современные ОВУТ позволяют решить ряд экономических и экологических задач вследствие улучшенных экологических характеристик по сравнению с традиционным твердым (уголь в пылевидном состоянии) и жидким (например, мазут) топливами.
Известны результаты широкомасштабных теоретических и экспериментальных исследований (например, [2-8]) процессов подготовки и
сжигания водоугольных топливных композиций с использованием углей разной степени метаморфизма. Результаты [2-8] дают понимание об основных закономерностях процессов зажигания и горения ОВУТ. Разработаны [2-12] экспериментальные методики, физические и математические модели, прогностические математические модели, методы и алгоритмы численного моделирования, получены зависимости интегральных характеристик от основных параметров процесса, сформулированы соответствующие выводы, заключения и рекомендации. Однако современные представления на основе исследований [2-12] все-таки довольно ограничены, с точки зрения понимания влияния компонентов водоугольных суспензий на характеристики процессов зажигания. Кроме того, недостаточно полно исследованы смеси водоугольного топлива с различными органическими веществами, например, отработанными маслами и отходами нефтедобычи и нефтепереработки.
В различных странах (Китай, Г ермания, США, Япония, Индия, Россия и др.) можно наблюдать рост потребления углей различной степени метаморфизма. Большая доля угля, добываемого на данный момент, обогащается. Например, в Австралии и ЮАР обогащается 100 % угля, а в среднем в мире проходит обогащение около 80 % угля от объемов добычи. В результате чего каждый год образуется множество высокозольных отходов, залежи которых составляют миллионы тонн, а с ростом темпов добычи угля и доли обогащаемого угля этот показатель будет только расти.
Объемы продуктов и отходов переработки нефтей, отработанных горючих жидкостей (трансформаторных, турбинных, моторных, машинных масел), низкосортных нефтей также исчисляются миллионами тонн в год. География регионов, заинтересованных в их утилизации, очень широкая (Европа, Азия, Африка, Южная и Северная Америка). Также особый интерес утилизация таких продуктов актуален для районов Кузбасса, где уже действуют котлы на ОВУТ в тестовом режиме.
В последние годы выполнено несколько экспериментальных исследований (например, [13-18]) процессов сжигания капель суспензий ОВУТ на основе углей, отработанных масел и водонефтяных эмульсий. Показано [13-18], что суспензии ОВУТ могут быть использованы в качестве основных топлив для многих энергетических установок. Однако в качестве основных компонентов ОВУТ в экспериментах [15-17] использованы лишь высокосортные угли разной степени метаморфизма. Так как большая часть таких углей активно экспортируется развитыми государствами (например, Китай, США, Индия, Россия), то целесообразно при приготовлении ОВУТ использовать отходы переработки и обогащения этих углей (например, фильтр-кек). Объемы последних к 2020 году могут вырасти в несколько раз [1]. Актуальна задача создания ОВУТ на основе фильтр-кек с добавлением отработанных масел разного происхождения. Важно определить, как могут влиять наиболее типичные компоненты таких топливных суспензий на их основные характеристики (стабильность, вязкость, теплота сгорания, инерционность зажигания, длительность горения и другие). Так как достоверных экспериментальных данных о процессах зажигания и горения ОВУТ с разными компонентными составами пока опубликовано очень мало (для условий низкотемпературного (менее 800 К) [19-21] зажигания нет данных), то целесообразно для получения соответствующей базы данных провести эксперименты с разными фильтр-кек и отходами нефтехимического происхождения. При этом для расширения возможных приложений результатов исследований условия нагрева топлив следует рассмотреть от низкотемпературных [19-21] до соответствующих (более 1200 К) современных энергетических установкам, блокам и агрегатам.
Процессы приготовления ОВУТ, транспортирования и сжигания находятся на начальном этапе исследований [22-25]. Теоретические основы соответствующих технологий до настоящего времени не разработаны. На данный момент в тестовом режиме работают системы топливоприготовления в Кузбассе. Кек в котельную привозится саморазгружающимся грузовым автомобилем и разгружается в приемную емкость, оборудованную перемешивателем в виде шнека с электрическим приводом. В приемной емкости кек перемешивается с добавлением небольшого количества воды (при необходимости) и реагента-пластификатора до получения необходимой текучести топлива. После перемешивания кек в приемной емкости и получения готового для сжигания ВУТ, оно из приемной емкости перекачивается активатором в расходную емкость. Проходя активатор ВУТ подвергается дополнительной обработке и гомогенизируется до однородного состава.
Одна из ключевых проблем приготовления такого вида топлива - это крупные частицы в топливе (сгустки). Для удаления из топлива сгустков перед подачей его в расходную емкость предусмотрено его пропускание через вибросито. Отделение крупных не разбитых частиц топлива позволяет предупредить забивание тракта топливоподачи. Для длительного хранения топлива без расслоения в нижнюю часть расходной емкости по периметру подается сжатый воздух, производимый винтовым компрессором, который, барботируя через слой топлива, обеспечивает его активное перемешивание.
Цель работы - разработка на основе микропроцессорных средств автоматизации системы управления процессом приготовления топлива в форме органоводоугольных суспензий для котла типа НР-18.
В процессе выполнения работы проводились: экспериментальные исследования, анализ объекта автоматизации, составление структурной схемы автоматизированной системы топливоприготовления, расчет параметров настройки регулятора, разработка функциональной схемы, разработка принципиальной электрической схемы и общего вида щита управления, выбор приборов и технических средств автоматизации с последующим составлением заказной спецификации.
В результате исследования разработана система управления процессом приготовления топлива в форме органоводоугольных суспензий на основе современных микропроцессорных средств автоматизации.
Одним из преимуществ разработанной системы является наличие программно-оперативного комплекса с использованием SCADA-системы, который предоставляет возможность вовремя отреагировать на любую сложную ситуацию в процессе эксплуатации системы, а также удаленно поддерживать функционирование системы в целом. Обеспечиваются 3 режима управления: ручной, автоматический, дистанционный.
В течение последних лет отмечается стабильный рост добычи и потребления твердого топлива в мире. Большая часть добываемого угля в настоящее время обогащается. Например, в Кузбассе обогащается более половины добываемого угля, а в среднем в мире обогащается до 70 % от объемов добычи. В результате этого ежегодно образуются высокозольные отходы, количество которых в настоящее время исчисляется миллионами тонн [1] (с ростом угледобычи и доли обогащения угля их объем будет только возрастать). К примеру, в Кузбассе таких залежей ежегодно образуется более
2.5 млрд. тонн. В ближайшем будущем вопросы утилизации таких отходов могут стать общемировыми, так как территории, занимаемые ими при хранении, огромны. Также сжигание отходов углепереработки является экономически выгодным.
За последние 30 лет мировым научным сообществом разработана группа технологий утилизации отходов переработки углей. В частности, можно выделить приготовление органоводоугольных топливных (ОВУТ) композиций и их сжигание в энергетических установках [2-8]. Также большие объемы (миллионы тонн) формирующихся ежегодно отходов переработки углей сложно утилизировать при применении в строительстве, химических или нефтехимических производствах. Основным направлением переработки таких веществ является их утилизация в качестве компонентов топливных суспензий и сжигании их в топочных камерах энергетических установок. Помимо вопросов утилизации высокозольных отходов углеобогащения современные ОВУТ позволяют решить ряд экономических и экологических задач вследствие улучшенных экологических характеристик по сравнению с традиционным твердым (уголь в пылевидном состоянии) и жидким (например, мазут) топливами.
Известны результаты широкомасштабных теоретических и экспериментальных исследований (например, [2-8]) процессов подготовки и
сжигания водоугольных топливных композиций с использованием углей разной степени метаморфизма. Результаты [2-8] дают понимание об основных закономерностях процессов зажигания и горения ОВУТ. Разработаны [2-12] экспериментальные методики, физические и математические модели, прогностические математические модели, методы и алгоритмы численного моделирования, получены зависимости интегральных характеристик от основных параметров процесса, сформулированы соответствующие выводы, заключения и рекомендации. Однако современные представления на основе исследований [2-12] все-таки довольно ограничены, с точки зрения понимания влияния компонентов водоугольных суспензий на характеристики процессов зажигания. Кроме того, недостаточно полно исследованы смеси водоугольного топлива с различными органическими веществами, например, отработанными маслами и отходами нефтедобычи и нефтепереработки.
В различных странах (Китай, Г ермания, США, Япония, Индия, Россия и др.) можно наблюдать рост потребления углей различной степени метаморфизма. Большая доля угля, добываемого на данный момент, обогащается. Например, в Австралии и ЮАР обогащается 100 % угля, а в среднем в мире проходит обогащение около 80 % угля от объемов добычи. В результате чего каждый год образуется множество высокозольных отходов, залежи которых составляют миллионы тонн, а с ростом темпов добычи угля и доли обогащаемого угля этот показатель будет только расти.
Объемы продуктов и отходов переработки нефтей, отработанных горючих жидкостей (трансформаторных, турбинных, моторных, машинных масел), низкосортных нефтей также исчисляются миллионами тонн в год. География регионов, заинтересованных в их утилизации, очень широкая (Европа, Азия, Африка, Южная и Северная Америка). Также особый интерес утилизация таких продуктов актуален для районов Кузбасса, где уже действуют котлы на ОВУТ в тестовом режиме.
В последние годы выполнено несколько экспериментальных исследований (например, [13-18]) процессов сжигания капель суспензий ОВУТ на основе углей, отработанных масел и водонефтяных эмульсий. Показано [13-18], что суспензии ОВУТ могут быть использованы в качестве основных топлив для многих энергетических установок. Однако в качестве основных компонентов ОВУТ в экспериментах [15-17] использованы лишь высокосортные угли разной степени метаморфизма. Так как большая часть таких углей активно экспортируется развитыми государствами (например, Китай, США, Индия, Россия), то целесообразно при приготовлении ОВУТ использовать отходы переработки и обогащения этих углей (например, фильтр-кек). Объемы последних к 2020 году могут вырасти в несколько раз [1]. Актуальна задача создания ОВУТ на основе фильтр-кек с добавлением отработанных масел разного происхождения. Важно определить, как могут влиять наиболее типичные компоненты таких топливных суспензий на их основные характеристики (стабильность, вязкость, теплота сгорания, инерционность зажигания, длительность горения и другие). Так как достоверных экспериментальных данных о процессах зажигания и горения ОВУТ с разными компонентными составами пока опубликовано очень мало (для условий низкотемпературного (менее 800 К) [19-21] зажигания нет данных), то целесообразно для получения соответствующей базы данных провести эксперименты с разными фильтр-кек и отходами нефтехимического происхождения. При этом для расширения возможных приложений результатов исследований условия нагрева топлив следует рассмотреть от низкотемпературных [19-21] до соответствующих (более 1200 К) современных энергетических установкам, блокам и агрегатам.
Процессы приготовления ОВУТ, транспортирования и сжигания находятся на начальном этапе исследований [22-25]. Теоретические основы соответствующих технологий до настоящего времени не разработаны. На данный момент в тестовом режиме работают системы топливоприготовления в Кузбассе. Кек в котельную привозится саморазгружающимся грузовым автомобилем и разгружается в приемную емкость, оборудованную перемешивателем в виде шнека с электрическим приводом. В приемной емкости кек перемешивается с добавлением небольшого количества воды (при необходимости) и реагента-пластификатора до получения необходимой текучести топлива. После перемешивания кек в приемной емкости и получения готового для сжигания ВУТ, оно из приемной емкости перекачивается активатором в расходную емкость. Проходя активатор ВУТ подвергается дополнительной обработке и гомогенизируется до однородного состава.
Одна из ключевых проблем приготовления такого вида топлива - это крупные частицы в топливе (сгустки). Для удаления из топлива сгустков перед подачей его в расходную емкость предусмотрено его пропускание через вибросито. Отделение крупных не разбитых частиц топлива позволяет предупредить забивание тракта топливоподачи. Для длительного хранения топлива без расслоения в нижнюю часть расходной емкости по периметру подается сжатый воздух, производимый винтовым компрессором, который, барботируя через слой топлива, обеспечивает его активное перемешивание.