Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Компанія АРТЕЗІЯ проводить повний комплекс з автоматизації та диспетчеризації парових виробничих котелень починаючи від проекту до реалізаціїї як для нового будівництва так і у випадках модернізація існуючої котельні незалежно від виду палива- газові, твердопаливні або їх комбінація.

Контактна інформація:
+380 (44) 369 52 68   +380 (50) 369 52 68   +380 (67) 369 52 68

Описано приклад модернізації парової котельні шляхом встановлення сучасної системи автоматизації.
Наведені результати впровадження та експлуатації.
Показані вигоди для підприємства та обслуговуючого персоналу.

Задачі, які вирішувалися при модернізації котельні

  • знизити витрати палива, води і електроенергії шляхом оптимізації роботи всіх установок та систем;
  • знизити ризик виникнення аварійних позаштатних ситуацій за рахунок своєчасного і предиктивного контролю;
  • підвищити надійність роботи котельні та точність підтримання необхідних параметрів водяної пари для потреб підприємства;
  • об'єднання всіх установок котельні та споріднених комплексів в єдиний інформаційний простір для кращої керованості й аналітики роботи;
  • покращити умови праці оперативного персоналу, зменшити ризик людської похибки, мінімізувати вплив суб'єктивних рішень операторів на роботу котельні;
  • в цілому - збільшити ККД котельні та, як наслідок – загальну ефективність виробництва.

 

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Мал. Модернізація існуючої парової котельні на комбінованому паливі

Результат впровадження сучасної автоматизованої системи керування та диспетчеризації

  1. Окремі системи та установки об'єднані в єдиному диспетчерському центрі, що підвищило керованість комплексу та можливість оцінювати загальну ситуацію на об'єкті, оптимізувати роботу окремих вузлів.
  2. Обмін даними між окремими установками на технологічному рівні без участі людини дали змогу машинам та підсистемам автоматично підлаштовувати свою діяльність під поточний режим роботи котельні.
  3. Автоматичний контроль за діями операторів та перевірка їх команд знизили вірогідність людської помилки, безпосередній вплив обслуговуючого персоналу на роботу котельні мінімізований.
  4. Розроблені алгоритми регулювання технологічних параметрів забезпечили мінімізацію витрати ресурсів: палива, води, електроенергії, а також чітке підтримання необхідних характеристик водяної пари.
  5. Розвинена система захистів та блокувань виключає можливість роботи несправного обладнання, при цьому відповідальним особам надається вся необхідна інформація про першопричини несправності та варіанти їх швидкого усунення.
  6. Інформаційний зв'язок котельні з виробничими цехами та їх автоматикою мінімізував час реакції на потреби виробництва та автоматичну зміну режиму роботи.
  7. Повний моніторинг всіх важливих параметрів та оцінка стану кожного механізму забезпечили мінімальну вірогідність незапланованого зупину, зменшили час простою.
  8. Зручна та зрозуміла подача інформації про стан котельні за допомогою сенсорних панелей операторів та інтерактивної візуалізації, можливість одночасної роботи всіх зацікавлених служб (операторів, КВПтаА, технологів), надання кожному спеціалісту вичерпної та своєчасної інформації дозволили підвищити продуктивність праці, ефективно планувати обслуговування та оптимізувати роботу підрозділів.

Суть

Надійна, економічна і безпечна робота котельні з мінімальним числом обслуговуючого персоналу може здійснюватися лише за наявності теплового контролю, автоматичного регулювання та керування технологічними процесами, сигналізації та захисту обладнання.

Котельне обладнання як об'єкт керування є складною динамічною системою з великою кількістю взаємопов'язаних процесів. Якість керування ними на виробничій котельні прямим чином впливає на якість продукції, так як водяна пара тут є важливим енергоносієм та ресурсом виробництва. Автоматизація котельні передбачає керування як основного технологічного фонду – котлів, так і допоміжного обладнання – деаератора, насосних груп, хімводоочищення тощо.

Сучасні системи керування котелень здатні гарантувати безаварійну і ефективну експлуатацію обладнання без безпосереднього втручання оператора. Функції людини зводяться до онлайн-моніторингу працездатності та параметрів всього комплексу пристроїв.

Автоматизація котельні вирішує наступні завдання:

  • автоматичний запуск і зупинка котлоагрегатів;
  • регулювання продуктивності котлів згідно із потребами технології;
  • керування насосними групами підживлюючих та циркуляційних контурів;
  • підготовка води (очищення, деаерація);
  • керування системою опалення та гарячого водопостачання заводу із оцінкою погодного стану;
  • моніторинг стану насосних станцій за межами котельні: свердловини та резервуари запасу води, каналізаційна насосна станція;
  • аварійну зупинку і відключення несправних систем з вказанням першопричини аварії, увімкнення сигнальних пристроїв у разі виходу робочих значень системи за встановлені межі;
  • надання операторам своєчасної, повної та достовірної інформації про стан всіх систем і механізмів за допомогою розроблених засобів візуалізації.

Сучасна автоматизація роботи котельні має на увазі комплексний підхід - підсистеми контролю та регулювання окремих технологічних процесів об'єднуються в єдину мережу з функціонально-груповим керуванням.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Комплекс автоматизації котельні складається з окремих вузлів, які працюють автономно, але об'єднані диспетчерською системою і можуть взаємодіяти між собою без участі оператора.

Основним агрегатом котельні, який і виправдовує її назву, є котел. На заводі використовується особливий паровий котел, що забезпечує технологічні лінії перегрітою парою, а також готує теплоносій первинного контуру систем опалення й ГВП. Основне паливо котла – відходи власного виробництва комбіната – гречана лузга, яка залишається після очищення і обробки зерна. Котел розпалюється природним газом, а далі поступово переходить повністю на лузгу. Це забезпечує колосальну економію коштів, але вимагає складної системи автоматичного керування. Ця система здійснює автоматичний запуск на природному газі та прогрів топки котла. Далі автоматика поступово подає в топку все більші порції лузги, одночасно з цим зменшуючи подачу газу. Лузга потрапляє в топку з оперативного бункеру за допомогою спеціальних вентиляторів, шнеків з регульованою швидкістю обертання та шлюзових затворів. Швидкість обертання визначається автоматичними алгоритмами і залежить від бажаної продуктивності котла. Весь цей час контролюється тиск пари на виході з котла. Впродовж заданого часу подача газу в пальник котла зменшується до допустимого мінімуму, після чого повністю відсікається і котел продовжує працювати на одному біопаливі. Для покращення аеродинамічних процесів у топці та запобіганню залягання лузги вмикається вентилятор рециркуляції, який повертає в топку частину димових газів. Якісне та повне згоряння палива в топці можливе лише за подачі достатньої кількості повітря. Частина його подається разом з лузгою, але основна частка поступає за допомогою дуттєвого вентилятора. Система слідкує за поточною продуктивністю котла, яка залежить від кількості палива, і відповідно корегує потрібну кількість повітря. Завелика кількість повітря призводить до надмірних затрат на його догрівання в топці, тобто до перевитрати палива. А недостатня кількість повітря веде до недопалу, коли у продуктах згоряння підвищується концентрація шкідливих домішок, а на гріючих поверхнях котла відкладається сажа. Оптимальна кількість повітря, яка поступає в котел, визначається по вмісту кисню в димових газах за допомогою стаціонарного газоаналізатора. Цей контур коректує продуктивність дуттєвого вентилятора, обладнаного частотним перетворювачем. Свіже повітря попередньо підігрівається паровими калориферами. Це дозволяє оптимізувати топочні процеси.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Розрідження в топці котла, яке необхідне для правильного руху димових газів та омивання поверхонь нагріву, забезпечується потрібним режимом роботи димососа. Він також регулює свою продуктивність, а, отже і величину розрідження, в залежності від навантаження котла (подачі повітря в топку) по показникам датчика розрідження.

Використання частотних перетворювачів замість традиційних шиберів чи направляючих апаратів вентиляторів на котлі, який працює у змінних режимах роботи і далеко не завжди – на максимальній потужності, дозволяє значно економити на електроенергії й сприятливо сказується на роботі двигунів. Окупається за один-два сезони.

Значна увага приділена системі живлення котла та якості води в його барабані. Рівень води в барабані підтримується постійним, а кількість підживлювальної води може коректуватися відповідно до поточної витрати пари. Це дозволяє забезпечити баланс між споживанням пари та надходженням води в барабан ще до того, як рівень води відхилиться на значну величину. Якість води в барабані та її знесолення регулюється системою продувки. Вона необхідна, щоб зменшити кількість розчинених солей, які залишаються у воді після того, як її частина перетворилася на пару. Це забезпечується автоматичною заміною засоленої води свіжою. Для економічної роботи котла потрібно, щоб зливалася строго необхідна кількість гарячої води і не більше. Продувка, яка у даному випадку здійснювалась періодично та вручну, замінена на постійну та автоматизована і  виконуватися за показниками датчика солевмісту. Такий підхід значно оптимізує параметр солевмісту котлової води і таким чином призводить до значного зменшеня кількості палива на генерацію пари, яке раніш витрачалося на догрів свіжої води. Крім того, менше води, яка теж є цінним ресурсом, зливаєтсья в каналізацію.

Автоматизація котлів ускладнюється тим, що в парових агрегатах дуже великі швидкості протікання технологічних процесів. Оператор не в силі слідкувати за ними та підтримувати оптимальну роботу, цей обов'язок покладено на швидкі автоматичні алгоритми. На всіх етапах роботи система чітко відслідковує всі необхідні технологічні параметри і стан кожного задіяного механізму. У випадку нештатної ситуації котел буде переведено в безпечний стан і правильно зупинено. Причина зупину доведена до оператора за допомогою системи повідомлень та журналу подій. Вчасно і повно надана інформація мінімізує час простою, а зазвичай може взагалі сприяти усуненню проблеми без зупину котла. Все це, разом із забезпеченням основного виробництва заводу парою затребуваних параметрів, має позитивний вплив на продуктивність ліній та прибуток підприємства.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Мал. Приклад автоматизації атмосферного деаератору

Котли працюють з підготовленою водою. Спочатку вона проходить хімічне очищення в установках ХВО, які обладнані власною автоматикою. Окремі сигнали про стан установки можна інтегрувати в диспетчерську систему. Очищена вода потребує видалення розчинених в ній газів, які інакше сприятимуть корозії поверхонь нагріву в котлі. Цим займається атмосферний деаератор. У ньому вода кипить при температурі 102,4°С, так як саме при ній найкраще виділяються розчинені гази. Вона нагрівається парою, яка поступає в колонку та у затоплену барботажну ступінь в баці. У деаераторі підтримується надлишковий тиск 20 кПа, який і забезпечує кипіння води при потрібній температурі, та рівень води в баці.

За необхідності зниження температури перегрітої пари перед подачею у технологію використовується редукційно-охолоджувальна установка. Там підтримується задана температура та тиск водяної пари.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Мал. Приклад автоматизації редукційно-охолоджувальної установки

Важливим елементом обладнання котельні є насосні групи. Вони забезпечують циркуляцію води по замкнених контурах або транспортують воду у потрібному напрямку. Система відслідковує стан кожного насоса, регулює його продуктивність відповідно до уставок тиску, вмикає резервний насос у випадку незапланованого зупину основного насоса. Можлива ротація основного та резервного насосів для вирівнювання мотогодин. Насоси свердловин качають воду до резервуарів. Ці ємності обладнані давачами рівня, тому у будь-який момент відомо поточний запас води.

Система опалення забезпечує теплоносієм необхідних параметрів весь заводський комплекс. Гідравлічний режим підтримується за допомогою частотного перетворювача, який керує продуктивністю циркуляційних насосів (з перемиканням основний/резервний та можливістю прямого включення насосу). Температура води визначається за погодозалежним економічним графіком. Додатково контролюється температура зворотної води. Гаряче водопостачання забезпечує наявність підігрітої води для побутових потреб. Підігрів відбувається через паро-водяні теплообмінники, необхідна кількість пари у первинному контурі регулюється автоматично по показникам датчиків температури на трубопроводі до споживачів.

Важливим інструментом оцінки роботи котельні є пристрої обліку спожитих ресурсів. Вони дозволяють оцінити ефективність того чи іншого рішення, оптимальність роботи обладнання тощо. Поступово вони також інтегруються в загальну інформаційну систему, щоб надавати менеджменту узагальнені дані, які відображатимуть роботу об'єкта в цілому.

Технічні рішення

Система автоматичного керування побудована за класичною дворівневою схемою: локальна автоматика окремих установок та диспетчерський пункт керування об'єктом в цілому. У якості основного інформаційного інтерфейсу обміну даними використовується Industrial Ethernet.

Задачі, які повинна виконувати автоматика котельні, функціонально згруповані в окремі щити управління: загальнокотельним обладнанням, паровим котлом, деаератором. Насосні станції, які віддалені від будівлі котельні, з’єднані із загальнокотельним щитом за допомогою Ethernet. У самих насосних встановлені модулі віддаленого вводу/виводу. Така структура дозволяє забезпечити автономну роботу окремих установок, але в межах єдиного простору обміну даними.

Система диспетчеризації побудована на перспективних, але вже звичних web-технологіях. Прямо у щит керування загальнокотельного обладнання вбудовано промисловий міні-сервер диспетчеризації myBox, який приєднаний до Ethernet-мержі котельні. Він забезпечує обробку та архівацію даних, які поступають з ПЛК, та відправляє необхідні команди до них.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Візуалізація технологічних процесів здійснюється через звичайний web-браузер і доступна з будь-якого авторизованого пристрою в середині мережі. Реалізація диспетчерських функцій на окремому пристрої дозволила забезпечити одночасну роботу всіх зацікавлених працівників – оперативного персоналу, служби КВПтаА, сервісних бригад, менеджменту - без перешкод один одному. Залежно від рівня доступу користувачу надається потрібна йому деталізована інформація. Наприклад, оператор спостерігає за перебігом процесів в котельні на мнемосхемі, сервісна служба здійснює детальний аналіз роботи димососа по показникам датчиків та графікам зміни продуктивності, а начальник зміни в автоматичному режимі готує звіт про нештатні ситуації впродовж зміни, кількість спожитих ресурсів та виробленої пари.

Основою локальної автоматики є вільнопрограмовані контролери WAGO. Ці ПЛК мають модульну архітектуру та велику кількість різних модулів вводу/виводу, комунікаційних пристроїв та елементів, які виконують специфічні функції. Таким чином можна набрати оптимальну конфігурацію під конкретну задачу. З метою уніфікації, зменшення номенклатури запасних частин оптимізовано перелік модулів: контролери PFC200, 16-канальні дискретні модулі введення 750-1405 та виведення 750-1504, лічильні модулі 750-638, 8-канальні модулі введення уніфікованих аналогових сигналів 750-496, модулі аналогового виведення 750-559. Для обміну даними з віддаленими насосними станціями застосовано каплери 750-352. Всі дискретні входи та виходи додатково захищені проміжними реле: незначне здорожчання щитів керування на порядок перекривається підвищенням надійності роботи системи та мінімізацією часу відновлення роботи комплексу в разі якоїсь аварійної ситуації в електричних колах.

Головні контролери серії PFC200 мають на борту 2 Ethernet-порти, комунікаційний протокол обміну за замовчуванням – Modbus-TCP. Є можливість активувати OPC-UA-сервер на ПЛК. Це відповідає сучасній тенденції стандартизації міжмашинного обміну даними.     Середовище програмування CoDeSys, яке має значну інженерну спільноту по всьому світі та велику кількість готових рішень, сприяє швидкому розгортанню системи та спрощенню її підтримки впродовж всього періоду експлуатації.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Всі аналогові датчики або замінені на нові моделі з уніфікованим сигналом 4-20мА або обладнані перетворювачами сигналів на ті ж самі 4-20мА, як це було з встановленими термопарами. Це сприяє як покращенню роботи інформаційних каналів, бо струмовий сигнал нечутливий до електричних завад, так і мінімізації типів модулів ПЛК. До того ж це дозволило уникнути прокладання коштовних компенсаційних кабелів від термопар.  У кінцевому результаті уніфікація – це економія коштів.

Для вимірювання швидкості руху полотна норії під час переміщення лузги між бункерами використано дискретний індуктивний датчик-реле, встановлений навпроти крильчатки нижнього валу норії. Сигнали з нього подаються на лічильний модуль, який рахує кількість імпульсів за одиницю часу.  Це – аналог датчиків РКС, але із додатковими можливостями діагностики реальної роботи норії.

Трифазні електроприводи МЕО потужних засувок для своєї нормальної і тривалої роботи потребують спеціальних реверсивних пускачів. Замість радянських ПБР встановлені сучасні гібридні реверсивні пускачі Schneider Electric Tesys H. Окрім власне задачі комутації силових кіл МЕО пускач реалізує захист від двигуна від перевантаження та асиметрії фаз.

Значна увага приділена візуалізації технологічних процесів та взаємодії з оператором. Щити керування обладнані 9,7” сенсорними панелями Weintek МТ8090XE. На них відображається вся необхідна інформація, у тому числі у вигляді графіків та таблиць, а також доступні функції тонкого налаштування кожного механізму, аварійних меж і затримок, особливостей пуску та зупину систем. Як резервний спосіб управління для авторизованого персоналу доступне ручне керування будь-яким пристроєм. Ці панелі дозволяють керувати окремими системами.

Для загального керування котельнею обладнано диспетчерський пульт оператора. Прийняте рішення по використанню web-орієнтованої SCADA (спеціалізована програма по збору даних, їх відображенню та передачі команд локальній автоматиці) та умови в приміщенні диспетчерської дозволило встановити на пульті звичайний офісний персональний комп’ютер. Він приєднаний до Ethernet-мережі котельні та має доступ до сервера myBox. А вже у ньому виконуються всі розрахунки і формуються потрібні дані.

Модифікація myBox Extreme BEX-ESNM має 2 окремі Ethernet-порти, порт RS232/485, флеш-пам’ять 16Гб. Процесор  NVIDIA TegraTM 3 ARM CortexTM-A9 Quad Core 4x 1.4 GHz та оперативна пам’ять DDR3 1Гб забезпечують систему необхідними обчислювальними потужностями. Незалежні Ethernet-порти дозволяють відділити технологічний Industrial Ethernet, яким пов’язані локальні системи автоматики, від мережі котельні. Таким чином система стає більш стійкою до кіберзагроз. Є можливість встановити в  myBox  додатковий WiFi-модуль чи 3G-модем для резервного каналу зв’язку.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Сам проект диспетчеризації, який бачить оператор і який забезпечує необхідні функції контролю, керування та аналітики роботи котельні, розробляється в середовищі myDesigner. Воно безкоштовне, що разом з необмеженою ліцензію на середовище виконання, яка іде в комплекті з myBox, робить це рішення дуже привабливим з фінансової точки зору. myDesigner належить до сучасного класу програмного забезпечення, де функціональність поєднується з простотою використання. Він має зручний редактор векторних мнемосхем з можливістю динамізації кожної властивості SVG-елемента, JavaScript як внутрішню скриптову мову, можливість розширення сторонніми програмними модулями, вбудований візуальний редактор звітів, зручне керування архівами даних та повідомлень.  Це – переваги для системних інтеграторів, так як дозволяє швидко реалізовувати проекти, витрачаючи менше ресурсів на навчання інженерів та розробку рішень.

У котельні система диспетчеризації виконує такі функції:

  • візуалізація поточного стану роботи всіх підключених до системи установок і систем;
  • керування і налаштування кожного механізму, уставок роботи установок;
  • архівування технологічних параметрів і станів установок, надання архівних даних у вигляді графіків, діаграм і таблиць;
  • доступ до системи моніторингу з клієнтських пристроїв (комп'ютери, ноутбуки, смартфони, планшети) за допомогою web-браузера без необхідності установки додаткового програмного забезпечення;
  • розмежування рівнів доступу до диспетчерської системи і доступних різним категоріям користувачів функцій;
  • реєстрація подій, що відбулися;
  • автоматизоване формування різних звітів встановленої форми у вигляді PDF-файлів, пристосованих для друку.

Виробнича парова котельня – все під контролем автоматики

Інтерфейс виконано у прогресивному стилі High Performance HMI, який концентрує увагу на стані об’єкту, а не різнокольорових мультиках. Оператор повинен з першого погляду оцінити стан всіх систем і прийняти потрібне рішення, тому інформація йому подається в уже обробленому, зручному для сприйняття вигляді.

Компанія АРТЕЗІЯ запрошує Вас до співпраці та гарантує високий рівень автоматизації, сучасний підхід до реалізації подібних рішень, використання якісної елементної бази під час розробки проекту та його реалізації, професійне виконання та, мабуть найголовніше, отримання результату, який обов’язково забезпечить підвищення ефективності генерації пари, економію енергоресурсів, безпеку та культуру експлуатації.

Зробіть своє підприємство безпечним та таким, що відповідає сучасним нормам з енергоефективності!

Контактна інформація:
+380 (44) 369 52 68 +380 (50) 369 52 68 +380 (67) 369 52 68

 Колектив компанії АРТЕЗІЯ.