Производственная паровая котельная - все под контролем автоматики

Производственная паровая котельная - все под контролем автоматики

Производственная паровая котельная - все под контролем автоматики

Компания АРТЕЗИЯ проводит полный комплекс по автоматизации и диспетчеризации паровых производственных котельных начиная от проекта до реализации как для нового строительства, так и в случаях модернизация существующей котельной независимо от вида топлива - газовые, твердотопливные или их комбинации.

Контактная информация:
+380 (44) 369 52 68   +380 (50) 369 52 68   +380 (67) 369 52 68

Описан пример модернизации паровой котельни за счет установки современной системы автоматизации.
Приведены результаты внедрения и эксплуатации.
Показана выгода для предприятия и обслуживающего персонала.

Задачи, которые были поставлены при модернизации котельни

  • снизить расход топлива, воды и электроэнергии путем оптимизации работы всех установок и систем;
  • снизить риск появления аварийных внештатных ситуаций за счет своевременного и предиктивного контроля;
  • повысить надежность работы котельни и точность поддержания необходимых параметров водяного пара для нужд предприятия;
  • объединение всех установок котельни и родственных комплексов в единое информационное пространство для лучшего управления и аналитики работы;
  • улучшить условия работы оперативного персонала, уменьшить риск человеческой ошибки, минимизировать влияние субъективных решений операторов на работу котельни;
  • в целом – увеличить КПД котельни и, как следствие – общую эффективность производства.

 

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Рис. Модернизация существующей паровой котельни на комбинированном топливе

Результат внедрения современной автоматизированной системы управления и диспетчеризации

  1. Отдельные системы и установки объединены в едином диспетчерском центре, что увеличило управляемость комплекса и возможность оценивать общую ситуацию на объекте, оптимизировать работу отдельных узлов.
  2. Обмен данными между отдельными установками на технологическом уровне без участия человека дали возможность машинам и подсистемам автоматически подстраивать свою работу под текущий режим роботы котельни.
  3. Автоматический контроль за действиями операторов и проверка их команд снизили вероятность человеческой ошибки, минимизировано непосредственное влияние обслуживающего персонала на работу котельни.
  4. Разработанные алгоритмы регулирования технологических параметров обеспечили минимизацию расходов ресурсов: топлива, воды, электроэнергии, а также точное поддержание необходимых характеристик водяного пара.
  5. Развитая система защиты и блокирования исключает возможность работы неисправного оборудования, при этом ответственным лицам выдается вся необходимая информация про первопричины неисправности и варианты их быстрого устранения.
  6. Информационная связь котельни с производственными цехами и их автоматикой минимизировала время реакции на нужды производства и автоматическую замену режима роботы.
  7. Полный мониторинг всех важных параметров и оценка состояния каждого механизма обеспечили минимальную вероятность внеплановой остановки, уменьшили время простоя.
  8. Удобная и понятная подача информации про состояние котельни с помощью сенсорных панелей операторов и интерактивной визуализации, возможность одновременной работы всех заинтересованных служб (операторов, КИПиА, технологов), предоставление каждому специалисту исчерпывающей и своевременной информации позволили повысить продуктивность труда, эффективно планировать обслуживание и оптимизировать работу подразделений..

Суть

Надежная, экономичная и безопасная работа котельни с минимальным числом обслуживающего персонала может осуществляться только при условии наличия теплового контроля, автоматического регулирования и управления технологическими процессами, сигнализации и защиты оборудования.

Котельное оборудование как объект управления является сложной динамической системой с большим количеством взаимосвязанных процессов. Качество управления ими на производственной котельне прямым способом влияет на качество продукции, так как водяной пар здесь является важным энергоносителем и ресурсом производства. Автоматизация котельни предусматривает управление как основного технологического фонда – котлов, так и вспомогательного оборудования – деаэраторов, насосных групп, химводоочистки и т.д..

Современные системы управления котельных способны гарантировать безаварийную и эффективную эксплуатацию оборудования без непосредственного вмешательства оператора. Функции человека сводятся к онлайн-мониторингу трудоспособности и параметров всего комплекса устройств.

Автоматизация котельни решает следующие задачи:

  • автоматический запуск и остановка котлоагрегатов;
  • регулирование продуктивности котлов согласно с нуждами технологии;
  • управление насосными группами подпиточных и циркуляционных контуров;
  • подготовка воды (очистка, деаэрация);
  • управление системой отопления и горячего водоснабжения завода с оценкой погодного состояния;
  • мониторинг состояния насосных станций за пределами котельни: скважины и резервуары запаса воды, канализационная насосная станция;
  • аварийная остановка и отключение неисправных систем с указанием первопричины аварии, включение сигнальных устройств в случае выхода рабочих значений системы за установленные пределы;
  • предоставление операторам своевременной, полной и достоверной информации о состоянии всех систем и механизмов с помощью разработанных средств визуализации.

Современная автоматизация работы котельни подразумевает комплексный подход – подсистемы контроля и регулирования отдельных технологических процессов объединяются в единую сеть с функционально-групповым управлением.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Комплекс автоматизации котельни состоит из отдельных узлов, которые работают автономно, но объединены диспетчерской системой и могут взаимодействовать между собой без участия оператора.

Основным агрегатом котельни, который оправдывает ее название, является котел. На заводе используют особенный паровой котел, который обеспечивает технологические линии перегретым паром, а также готовит теплоноситель первичного контура систем отопления и ГВС. Основное топливо котла – отходы собственного производства комбината – гречневая лузга, которая остается после очистки и обработки зерна. Котел распаливается природным газом, а затем постепенно переходит полностью на лузгу. Это обеспечивает колоссальную экономию средств, но требует сложную систему автоматического управления. Это система совершает автоматический запуск на природном газе и прогрев топки котла. Дальше автоматика постепенно подает в топку все большую порцию лузги, одновременно с этим уменьшая подачу газа. Лузга поступает в топку с оперативного бункера с помощью специальных вентиляторов, шнеков с регулируемой скоростью вращения, и шлюзовых затворов. Скорость вращения определяется автоматическими алгоритмами и зависит от желаемой продуктивности котла. Все это время контролируется давление пара на выходе из котла. На протяжении заданного времени подача газа в топку котла уменьшается до допустимого минимума, после чего полностью отсекается и котел продолжает работать на одном биотопливе. Для улучшения аэродинамических процессов в топке и для недопущения залегания лузги включается вентилятор рециркуляции, который возвращает в топку часть дымовых газов. Качественное и полное сгорание топлива в топке возможно только при условии подачи достаточного количества воздуха. Часть его подается вместе с лузгой, но основная часть поступает за счет работы продувочного вентилятора. Система следит за текущей продуктивностью котла, которая зависит от количества топлива, и, соответственно, корригирует необходимое количество воздуха. Лишнее количество воздуха приводит к чрезмерным затратам на его догрев в топке, т.е. к перерасходу топлива. А недостаточное количество воздуха приводит к недопалу, когда в продуктах сгорания повышается концентрация вредных примесей, а на греющих поверхностях котла откладывается сажа. Оптимальное количество воздуха, которое поступает в котел, определяется по содержанию кислорода в дымовых газах с помощью стационарного газоанализатора. Этот контур корректирует продуктивность продувочного вентилятора, оснащенного частотным преобразователем. Свежий воздух изначально подогревается паровыми калориферами. Это позволяет оптимизировать текущие процессы.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Разрежение в топке котла, которое необходимо для правильного движения дымовых газов и обмывания поверхностей нагрева, обеспечивается необходимым режимом работы дымососа. Он также регулирует свою продуктивность, а значит и величину разрежения, в зависимости от нагрузки котла (подачи воздуха в топку) по показаниям датчика разрежения.

Использование частотных преобразователей вместо традиционных шиберов или направляющих аппаратов вентиляторов на котле, который работает в сменных режимах работы и далеко не всегда – на максимальной мощности, позволяет значительно экономить на электроэнергии и благоприятно сказывается на работе двигателей. Окупаемость за один-два сезона.

Значительное внимание уделяется системе питания котла и качеству воды в его барабане. Уровень воды в барабане поддерживается постоянным, а количество подпиточной воды может корректироваться в соответствии с текущим расходом пара. Это позволяет обеспечить баланс между потреблением пара и поступлением воды в барабан еще до того, как уровень води отклонится на значительную величину. Качество воды в барабане и ее обессоливание регулируются системой продувки. Она необходима, чтобы уменьшить количество растворяемых солей, которые остаются в воде после того, как ее часть преобразовалась в пар. Это осуществляется автоматической заменой засоленной води свежей. Для экономичной работы котла необходимо, чтобы сливалось строго необходимое количество горячей воды и не больше. Продувка, которая в данном случае осуществлялась периодически и вручную, заменена на постоянную и автоматизированную и осуществляется по показаниям датчика солесодержания. Такой подход значительно оптимизирует параметр солесодержания котловой воды и таким образом приводит к значительному уменьшению количества топлива для генерации пара, которое ранее использовалось для нагрева свежей воды. Кроме того, меньше воды, которая также является ценным ресурсом, сливается в канализацию.

Автоматизация котлов усложняется тем, что в паровых агрегатах очень большие скорости протекания технологических процессов. Оператору не под силу следить за ними и поддерживать оптимальную работу, это обязательство выполняют быстрые автоматические алгоритмы. На всех этапах работы система четко отслеживает все необходимые технологические параметры и состояние каждого задеянного механизма. В случае внештатной ситуации котел будет переведен в безопасное состояние и правильно остановлен. О причине остановке проинформирован оператор с помощью системы оповещений и журнала событий. Вовремя и полностью поданная информация минимизирует время простоя, а зачастую может вообще способствовать устранению проблемы без остановки котла. Все это, совместно с обеспечением основного производства завода паром затребованных параметров, имеет позитивное влияние на продуктивность линий и доход предприятия..

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

РИС. Пример автоматизации атмосферного деаэратора 

Котлы работают с подготовленной водой. Сначала она проходит химическую очистку в установках ХВО, которые оснащены собственной автоматикой. Отдельные сигналы про состояние установки можно интегрировать в диспетчерскую систему. Очищенная вода требует удаления растворенных в ней газов, которые иначе будут способствовать коррозии поверхностей нагрева в котле. Этим занимается атмосферный деаэратор. В нем вода кипит при температуре 102,4°С, так как именно при этой температуре наилучшим образом выделяются растворимые газы. Она нагревается паром, который поступает в колонку и в затопленную барботажную ступень в баке. В деаэраторе поддерживается избыточное давление 20 кПа, которое и обеспечивает кипение воды при необходимой температуре, и уровень воды в баке.

При необходимости понижения температуры перегретого пара перед подачей в технологию используется редукционно-охладительная установка. Там поддерживаются заданная температура и давление водяного пара..

 

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Рис. Пример автоматизации редукционно-охладительной установки

Важным элементом оборудования котельни являются насосные группы. Они обеспечивают циркуляцию воды по замкнутых контурах или транспортируют воду в требуемом направлении. Система отслеживает состояние каждого насоса, регулирует его продуктивность в соответствии с установками по давлению, включает резервный насос в случае незапланированной остановки основного насоса. Возможна ротация основного и резервного насосов для выравнивания моточасов. Насосы скважин качают воду в резервуары. Эти емкости оснащены датчиками уровня, поэтому в любой момент известен текущий запас воды.

Система отопления обеспечивает теплоносителем необходимых параметров весь заводской комплекс. Гидравлический режим поддерживается с помощью частотного преобразователя, который управляет продуктивностью циркуляционных насосов (с переключением основной/резервный и возможностью прямого включения насоса). Температура воды определяется по погодозависимому экономическому графику. Дополнительно контролируется температура обратной воды. Горячее водоснабжение обеспечивает наличие подогретой воды для бытовых нужд. Подогрев осуществляется через паро-водяные теплообменники, необходимое количество пара в первичном контуре регулируется автоматически по показаниям датчиков температуры на трубопроводе к потребителям.

Важным инструментом оценки работы котельни являются устройства учета потребленных ресурсов. Они позволяют оценить эффективность того или иного решения, оптимальность работы оборудования и т.д. Постепенно они также интегрируются в общую информационную систему, чтобы предоставлять менеджменту обобщенные данные, которые отображают работу объекта в целом.

Технические решения

Система автоматического управления построена по классической двухуровневой схеме: локальная автоматика отдельных установок и диспетчерский пункт управления объектом в целом. В качестве основного информационного интерфейса обмена данными используется Industrial Ethernet.

Задачи, которые должна выполнять автоматика котельни, функционально сгруппированы в отдельные щиты управления: общекотельным оборудованием, паровым котлом, деаэратором. Насосные станции, которые удалены от здания котельни, соединены с общекотельным щитом с помощью Ethernet. В самих насосных установлены модули удаленного ввода/вывода. Такая структура позволяет обеспечить автономную работу отдельных установок, но в приделах единого пространства обмена данными.

Система диспетчеризации построена на перспективных, но уже привычных web-технологиях. Прямо в щит управления общекотельного оборудования встроен промышленный мини-сервер диспетчеризации myBox, который подсоединен к Ethernet-линии котельни. Он обеспечивает обработку и архивацию данных, которые поступают с ПЛК, и отправляет необходимые команды к ним.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Визуализация технологических процессов осуществляется через обычный web-браузер и доступна с любого авторизированного устройства внутри сети. Реализация диспетчерских функций на отдельном устройстве позволила обеспечить одновременную работу всех заинтересованных работников – оперативного персонала, службы КИПиА, сервисных бригад, менеджмента – без помех друг другу. В зависимости от уровня доступа пользователя предоставляется необходимая ему детализированная информация. Например, оператор наблюдает за работой процессов в котельне по мнемосхеме, сервисная служба проводит детальный анализ работы дымососа по показателям датчиков и графикам изменения продуктивности, а начальник смены в автоматическом режиме готовит отчет о внештатных ситуациях на протяжении смены, количестве потребленных ресурсов и выработке пара.

Основой локальной автоматики являются свободно программируемые контроллеры WAGO. Эти ПЛК имеют модульную архитектуру и большое количество разных модулей ввода/вывода, коммуникационных устройств и элементов, которые выполняют специфические функции. Таким образом можно набрать оптимальную конфигурацию под конкретную задачу. С целью унификации, уменьшения номенклатуры запасных частей оптимизированно перечень модулей: контроллеры PFC200, 16-канальные дискретные модули ввода 750-1405 и вывода 750-1504, счетные модули 750-638, 8-канальные модули ввода унифицированных аналоговых сигналов 750-496, модули аналогового вывода 750-559. Для обмена данными с удаленными насосными станциями используются соединители 750-352. Все дискретные вводы и выводы дополнительно защищены промежуточными реле: незначительное удорожание щитов управления на порядок перекрывается увеличением надежности работы системы и минимизацией времени восстановления работы комплекса в случае какой-либо аварийной ситуации в электрических кругах.

Главные контроллеры серии PFC200 имеют на борту 2 Ethernet-порта, коммуникационный протокол обмена по умолчанию – Modbus-TCP. Есть возможность активировать OPC-UA-сервер на ПЛК. Это соответствует современной тенденции стандартизации междумашинного обмена данными.

Среда программирования CoDeSys, которая имеет значительное инженерное сообщество по всему миру и большое количество готовых решений, способствует быстрому развертыванию системы и упрощению ее поддержки на протяжении всего периода эксплуатации.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Все аналоговые датчики либо заменены на новые модели с унифицированным сигналом 4-20 мА либо оснащены преобразователями сигналов на те же 4-20 мА, как это было с установленными термопарами. Это способствует как улучшению работы информационных каналов, так как токовый сигнал нечувствителен к электрическим помехам, так и минимизации типов модулей ПЛК. К тому же это позволило избежать прокладку дорогих компенсационных кабелей от термопар. В конечном результате унификация – это экономия средств.

Для измерения скорости движения полотна нории при перемещении лузги между бункерами использовано дискретный индуктивный датчик-реле, установленный напротив крыльчатки нижнего вала нории. Сигналы с него подаются на счетный модуль, который считает количество импульсов за единицу времени. Это - аналог датчиков РКС, но с дополнительными возможностями диагностики реальной работы нории.

Трехфазные электроприводы МЭО мощных задвижек для нормальной и длительной работы требуют специальных реверсивных пускателей. Вместо советских ПБР установлены современные гибридные реверсивные пускатели Schneider Electric Tesys H. Кроме собственно задачи коммутации силовых цепей МЭО пускатель реализует защиту от двигателя от перегрузки и асимметрии фаз.

Значительное внимание уделено визуализации технологических процессов и взаимодействия с оператором. Щиты управления оборудованы 9,7" сенсорными панелями Weintek МТ8090XE. На них отображается вся необходимая информация, в том числе в виде графиков и таблиц, а также доступны функции тонкой настройки каждого механизма, аварийных границ и задержек, особенностей пуска и остановки систем. Как резервный способ управления для авторизованного персонала доступно ручное управление любым устройством. Эти панели позволяют управлять отдельными системами..

Для общего управления котельной оборудован диспетчерский пульт оператора. Принятое решение по использованию web-ориентированной SCADA (специализированная программа по сбору данных, их отражению и передачи команд локальной автоматике) и условия в помещении диспетчерской позволило установить на пульте обычный офисный персональный компьютер. Он подключен к Ethernet-сети котельной и имеет доступ к серверу myBox. А уже в нем выполняются все расчеты и формируются нужные данные.

Модификация myBox Extreme BEX-ESNM имеет 2 отдельных Ethernet-порта, порт RS232/485, флэш-память 16Гб. Процессор NVIDIA TegraTM 3 ARM CortexTM-A9 Quad Core 4x 1.4 GHz и оперативная память DDR3 1Гб обеспечивают систему необходимыми вычислительными мощностями. Независимые Ethernet-порты позволяют отделить технологический Industrial Ethernet, которым связаны локальные системы автоматики, от сети котельной. Таким образом система становится более устойчивой к киберугрозам. Есть возможность установить в myBox дополнительный WiFi-модуль или 3G-модем для резервного канала связиу.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Сам проект диспетчеризации, который видит оператор и который обеспечивает необходимые функции контроля, управления и аналитики работы котельной, разрабатывается в среде myDesigner. Оно бесплатное, что вместе с неограниченной лицензию на среду исполнения, идет в комплекте с myBox, делает это решение очень привлекательным с финансовой точки зрения. myDesigner принадлежит к современному классу программного обеспечения, где функциональность сочетается с простотой использования. Он имеет удобный редактор векторных мнемосхем с возможностью динамизации каждого свойства SVG-элемента, JavaScript как внутренний скриптовый язык, возможность расширения сторонними программными модулями, встроенный визуальный редактор отчетов, удобное управление архивами данных и сообщений. Это - преимущества для системных интеграторов, так как позволяет быстро реализовывать проекты, тратя меньше ресурсов на обучение инженеров и разработку решений..

В котельной система диспетчеризации выполняет следующие функции:

  • визуализация текущего состояния работы всех подключенных к системе установок и систем;
  • управление и настройку каждого механизма, вставок работы установок;
  • архивирование технологических параметров и состояний установок, предоставление архивных данных в виде графиков, диаграмм и таблиц;
  • доступ к системе мониторинга с клиентских устройств (компьютеры, ноутбуки, смартфоны, планшеты) с помощью web-браузера без необходимости установки дополнительного программного обеспечения;
  • разграничение уровней доступа к диспетчерской системы и доступных различным категориям пользователей функций;
  • регистрация событий которые произошли;
  • автоматизированное формирование различных отчетов установленной формы в виде PDF-файлов, приспособленных для печати.

 

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Интерфейс выполнен в прогрессивном стиле High Performance HMI, который концентрирует внимание на состоянии объекта, а не разноцветных мультиках. Оператор должен с первого взгляда оценить состояние всех систем и принять нужное решение, поэтому информация ему подается в уже обработанном, удобном для восприятия виде..

Компания АРТЕЗИЯ приглашает Вас к сотрудничеству и гарантирует высокий уровень автоматизации, современный подход к реализации подобных решений, использование качественной элементной базы при разработке проекта и его реализации, профессиональное исполнение и, пожалуй самое главное, получения результата, который обязательно обеспечит повышение эффективности генерации пара , экономию энергоресурсов, безопасность и культуру эксплуатации..

Сделайте свое предприятие безопасным и отвечающим современным нормам энергоэффективности!

Контактная информация:
+380 (44) 369 52 68 +380 (50) 369 52 68 +380 (67) 369 52 68

 Коллектив компании АРТЕЗИЯ.