Компанія АРТЕЗІЯ проводить повний комплекс з автоматизації та диспетчеризації парових виробничих котелень, починаючи від проекту до реалізації як для нового будівництва, так і у випадках модернізації існуючої котельні незалежно від виду палива — газових, твердопаливних або їх комбінацій.
У цій статті:
- Описано приклад модернізації парової котельні за рахунок встановлення сучасної системи автоматизації.
- Наведено результати впровадження та експлуатації.
- Показано вигоду для підприємства та обслуговуючого персоналу.
Завдання, поставлені при модернізації котельні:
- знизити витрату палива, води та електроенергії шляхом оптимізації роботи всіх установок та систем;
- знизити ризик появи аварійних позаштатних ситуацій за рахунок своєчасного та передиктивного контролю;
- підвищити надійність роботи котельні та точність підтримки необхідних параметрів водяної пари для потреб підприємства;
- об'єднання всіх установок котельні та споріднених комплексів у єдиний інформаційний простір для кращого управління та аналітики роботи;
- покращити умови роботи оперативного персоналу, зменшити ризик людської помилки, мінімізувати вплив суб'єктивних рішень операторів на роботу котельні;
- загалом – збільшити ККД котельні та, як наслідок – загальну ефективність виробництва.
Модернізація існуючої парової котельні на комбінованому паливі
Результат впровадження сучасної автоматизованої системи управління та диспетчеризації:
- Окремі системи та установки об'єднані в єдиному диспетчерському центрі, що збільшило керованість комплексу та можливість оцінювати загальну ситуацію на об'єкті, оптимізувати роботу окремих вузлів.
- Обмін даними між окремими установками на технологічному рівні без участі людини дали можливість машинам та підсистемам автоматично підлаштовувати свою роботу під поточний режим роботи котельні.
- Автоматичний контроль за діями операторів та перевірка їх команд знизили ймовірність людської помилки, мінімізовано безпосередній вплив обслуговуючого персоналу на роботу котельні.
- Розроблені алгоритми регулювання технологічних параметрів забезпечили мінімізацію витрат ресурсів: палива, води, електроенергії, а також точну підтримку необхідних характеристик водяної пари.
- Розвинена система захисту та блокування виключає можливість роботи несправного обладнання, при цьому відповідальним особам видається вся необхідна інформація про причини несправності та варіанти їх швидкого усунення.
- Інформаційний зв'язок котельні з виробничими цехами та їх автоматикою мінімізував час реакції на потреби виробництва та автоматичну заміну режиму роботи.
- Повний моніторинг усіх важливих параметрів та оцінка стану кожного механізму забезпечили мінімальну ймовірність позапланової зупинки, зменшили час простою.
- Зручне та зрозуміле подання інформації про стан котельні за допомогою сенсорних панелей операторів та інтерактивної візуалізації, можливість одночасної роботи всіх зацікавлених служб (операторів, КВП, технологів), надання кожному фахівцю вичерпної та своєчасної інформації дозволили підвищити продуктивність праці, ефективно планувати обслуговування та оптимізувати .
Суть
Надійна, економічна та безпечна робота котельні з мінімальним числом обслуговуючого персоналу може здійснюватись лише за умови наявності теплового контролю, автоматичного регулювання та управління технологічними процесами, сигналізації та захисту обладнання.
Котельне обладнання як об'єкт управління є складною динамічною системою з великою кількістю взаємозалежних процесів. Якість управління ними на виробничій котельні прямим способом впливає якість продукції, оскільки водяна пара тут є важливим енергоносієм і ресурсом виробництва. Автоматизація котельні передбачає управління як основного технологічного фонду – котлів, так і допоміжного обладнання – деаераторів, насосних груп, хімводоочищення тощо.
Сучасні системи управління котелень здатні гарантувати безаварійну та ефективну експлуатацію обладнання без безпосереднього втручання оператора. Функції людини зводяться до онлайн-моніторингу працездатності та параметрів всього комплексу пристроїв.
Автоматизація котельні вирішує такі завдання:
- автоматичний запуск та зупинка котлоагрегатів;
- регулювання продуктивності котлів відповідно до потреб технології;
- управління насосними групами підживлювальних та циркуляційних контурів;
- підготовка води (очищення, деаерація);
- управління системою опалення та гарячого водопостачання заводу з оцінкою погодного стану;
- моніторинг стану насосних станцій за межами котельні: свердловини та резервуари запасу води, каналізаційна насосна станція;
- аварійна зупинка та відключення несправних систем із зазначенням першопричини аварії; включення сигнальних пристроїв у разі виходу робочих значень системи за встановлені межі;
- надання операторам своєчасної, повної та достовірної інформації про стан усіх систем та 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 управлінням.
Комплекс автоматизації котельні складається з окремих вузлів, які працюють автономно, але об'єднані диспетчерською системою та можуть взаємодіяти між собою без участі оператора.
Основним агрегатом котельні, що виправдовує її назву, є казан. На заводі використовують особливий паровий котел, який забезпечує технологічні лінії перегрітою парою, а також готує теплоносій первинного контуру систем опалення та ГВП. Основне паливо котла – відходи власного виробництва комбінату – гречана лушпиння, яка залишається після очищення та обробки зерна. Котел розпалюється природним газом, а потім поступово переходить повністю на лушпиння. Це забезпечує колосальну економію коштів, але потребує складної системи автоматичного управління. Ця система здійснює автоматичний запуск на природному газі та прогрівання топки котла. Далі автоматика поступово подає в топку все більшу порцію лушпиння, одночасно з цим зменшуючи подачу газу. Лузга надходить у топку з оперативного бункера за допомогою спеціальних вентиляторів, шнеків із регульованою швидкістю обертання та шлюзових затворів. Швидкість обертання визначається автоматичними алгоритмами та залежить від бажаної продуктивності котла. Весь цей час контролюється тиск пари на виході з казана. Протягом заданого часу подача газу до топки котла зменшується до допустимого мінімуму, після чого повністю відсікається і котел продовжує працювати на одному біопаливі. Для покращення аеродинамічних процесів у топці та для недопущення залягання лушпиння включається вентилятор рециркуляції, який повертає в топку частину димових газів. Якісне та повне згоряння палива в топці можливе лише за умови подачі достатньої кількості повітря. Частина його подається разом з лушпинням, але основна частина надходить за рахунок роботи продувного вентилятора. Система стежить за поточною продуктивністю котла, яка залежить від кількості палива, і відповідно коригує необхідну кількість повітря. Надмірна кількість повітря призводить до надмірних витрат з його догрівання в топці, тобто. до перевитрати палива. А недостатня кількість повітря призводить до недопалу, коли в продуктах згоряння підвищується концентрація шкідливих домішок, а на поверхнях, що гріють, котла відкладається сажа. Оптимальна кількість повітря, що надходить у котел, визначається за вмістом кисню в димових газах за допомогою стаціонарного газоаналізатора. Цей контур коригує продуктивність вентилятора продувки, оснащеного частотним перетворювачем. Свіже повітря спочатку підігрівається паровими калориферами. Це дозволяє оптимізувати поточні процеси.
Розрідження в топці котла, яке потрібне для правильного руху димових газів та обмивання поверхонь нагріву, забезпечується необхідним режимом роботи димососа. Він також регулює свою продуктивність, а значить і величину розрідження, залежно від навантаження котла (подачі повітря в топку) за показаннями датчика розрідження.
Використання частотних перетворювачів замість традиційних шиберів або направляючих апаратів вентиляторів на котлі, який працює у змінних режимах роботи і далеко не завжди – на максимальній потужності, дозволяє значно економити на електроенергії та сприятливо позначається на роботі двигунів. Окупність за один-два сезони.
Значна увага приділяється системі живлення котла та якості води у його барабані. Рівень води в барабані підтримується постійним, а кількість води для підживлення може коригуватися відповідно до поточної витрати пари. Це дозволяє забезпечити баланс між споживанням пари та надходженням води до барабана ще до того, як рівень води відхилиться на значну величину. Якість води в барабані та її знесолення регулюються системою продування. Вона необхідна, щоб зменшити кількість солей, що розчиняються, які залишаються у воді після того, як її частина перетворилася на пару. Це здійснюється автоматичною заміною засоленої води свіжою. Для економічної роботи котла необхідно, щоб зливалася необхідна кількість гарячої води і не більше. Продувка, яка в даному випадку здійснювалася періодично та вручну, замінена на постійну та автоматизовану та здійснюється за показаннями датчика солевмісту. Такий підхід значно оптимізує параметр солевмісту котлової води і, таким чином, призводить до значного зменшення кількості палива для генерації пари, яке раніше використовувалося для нагрівання свіжої води. Крім того, менше води, яка також є цінним ресурсом, зливається у каналізацію.
Автоматизація котлів ускладнюється тим, що у парових агрегатах дуже великі швидкості протікання технологічних процесів. Оператору не під силу стежити за ними та підтримувати оптимальну роботу, це зобов'язання виконують швидкі автоматичні алгоритми. На всіх етапах роботи система чітко відстежує всі необхідні технологічні параметри та стан кожного задіяного механізму. У разі позаштатної ситуації котел буде переведений у безпечний стан та правильно зупинено. Про причину зупинки проінформовано оператора за допомогою системи оповіщень та журналу подій. Вчасно та повністю подана інформація мінімізує час простою, а часто може взагалі сприяти усуненню проблеми без зупинки котла. Усе це, разом із забезпеченням основного виробництва заводу парою затребуваних параметрів, має позитивний вплив на продуктивність ліній та дохід підприємства.
Приклад автоматизації атмосферного деаератора
Котли працюють із підготовленою водою. Спочатку вона проходить хімічне очищення в установках ХВО, які мають власну автоматику. Окремі сигнали про стан установки можна інтегрувати до диспетчерської системи. Очищена вода вимагає видалення розчинених у ній газів, які інакше сприятимуть корозії поверхонь нагріву у котлі. Цим займається атмосферний деаератор. У ньому вода кипить при температурі 102,4 ° С, оскільки саме при цій температурі найкраще виділяються розчинні гази. Вона нагрівається парою, яка надходить у колонку і в затоплену барботажну щабель у баку. У деаераторі підтримується надлишковий тиск 20 кПа, який забезпечує кипіння води при необхідній температурі, і рівень води в баку.
При необхідності зниження температури перегрітої пари перед подачею в технологію використовується редукційно-охолоджувальна установка. Там підтримуються задана температура та тиск водяної пари.
Приклад автоматизації редукційно-охолоджувальної установки
Важливим елементом котельні є насосні групи. Вони забезпечують циркуляцію води замкнутими контурами або транспортують воду в потрібному напрямку. Система відстежує стан кожного насоса, регулює його продуктивність відповідно до установок тиску, включає резервний насос у разі незапланованої зупинки основного насоса. Можлива ротація основного та резервного насосів для вирівнювання мотогодин. Насоси свердловин качають воду у резервуари. Ці ємності оснащені датчиками рівня, тому будь-якої миті відомий 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 основного/резервного та можливістю прямого включення насоса). Температура води визначається за погодозалежним економічним графіком. Додатково контролюється температура води. Гаряче водопостачання забезпечує наявність підігрітої води для побутових потреб. Підігрів здійснюється через пароводяні теплообмінники, необхідна кількість пари в первинному контурі регулюється автоматично за показаннями датчиків температури на трубопроводі до споживачів.
Важливим інструментом оцінки роботи котельні є пристрої обліку спожитих ресурсів. Вони дозволяють оцінити ефективність тієї чи іншої рішення, оптимальність роботи устаткування тощо. Поступово вони також інтегруються до загальної інформаційної системи, щоб надавати менеджменту узагальнені дані, що відображають роботу об'єкта в цілому.
Технічні рішення
Система автоматичного управління побудована за класичною дворівневою схемою: локальна автоматика окремих установок та диспетчерський пункт управління об'єктом загалом. Як основний інформаційний інтерфейс обміну даними використовується Industrial Ethernet.
Завдання, які має виконувати автоматика котельні, функціонально згруповані в окремі щити управління: загальнокотельним обладнанням, паровим казаном, деаератором. Насосні станції, що 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 веб-технологіях. Прямо у щит управління загальнокотельного обладнання вбудовано промисловий міні-сервер диспетчеризації myBox, який приєднаний до Ethernet-лінії котельні. Він забезпечує обробку та архівацію даних, що надходять з ПЛК, та відправляє необхідні команди до них.
Візуалізація технологічних процесів здійснюється через звичайний web-браузер та доступна з будь-якого авторизованого пристрою всередині мережі. Реалізація диспетчерських функцій на окремому пристрої дозволила забезпечити одночасно роботу всіх зацікавлених працівників – оперативного персоналу, служби КВП, сервісних бригад, менеджменту – без перешкод один одному. Залежно від рівня доступу користувача надається потрібна йому детальна інформація. Наприклад, оператор спостерігає за роботою процесів у котельні за мнемосхемою, сервісна служба проводить детальний аналіз роботи димососа за показниками датчиків та графіками зміни продуктивності, а начальник зміни в автоматичному режимі готує звіт про позаштатні ситуації протягом зміни, кількість спожитих ресурсів та вироблення пари.
Основою локальної автоматики є вільно програмовані контролери WAGO. Ці ПЛК мають модульну архітектуру та велику кількість різних модулів вводу/виводу, комунікаційних пристроїв та елементів, що виконують специфічні функції. Таким чином, можна набрати оптимальну конфігурацію під конкретне завдання. З метою уніфікації, зменшення номенклатури запасних частин оптимізовано перелік модулів: контролери PFC200, 16-канальні дискретні модулі введення 750-1405 і виведення 750-1504, лічильні модулі 750-638, 8-канальні 9 модулі виведення 750-559. Для обміну даними з віддаленими насосними станціями використовуються з'єднувачі 750-352. Всі дискретні вводи та висновки додатково захищені проміжними реле: незначне подорожчання щитів управління на порядок перекривається збільшенням надійності роботи системи та мінімізацією часу відновлення роботи комплексу у разі 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 світу та велику кількість готових рішень, сприяє швидкому розгортанню системи та спрощенню її підтримки протягом усього періоду експлуатації.
Всі аналогові датчики замінені на нові моделі з уніфікованим сигналом 4-20 мА або оснащені перетворювачами сигналів на ті ж 4-20 мА, як це було з встановленими термопарами. Це сприяє як поліпшенню роботи інформаційних каналів, оскільки струмовий сигнал нечутливий до електричних перешкод, і мінімізації типів модулів ПЛК. До того ж, це дозволило уникнути прокладання дорогих компенсаційних кабелів від термопар. Зрештою уніфікація – це економія коштів.
Для вимірювання швидкості руху полотна норії при переміщенні лушпиння 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 з додатковими можливостями діагностики реальної роботи норії.
Трифазні електроприводи МЕО потужних засувок для нормальної та тривалої роботи потребують спеціальних реверсивних пускачів. Замість радянських ПБР встановлені сучасні гібридні реверсивні пускачі Schneider Electric Tesys H. Крім власне завдання комутації силових ланцюгів МЕО пускач реалізує захист від двигуна від навантаження та асиметрії фаз.
Значну увагу приділено 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 кордонів та затримок, особливостей пуску та зупинки систем. Як резервний спосіб керування для авторизованого персоналу доступне ручне керування будь-яким пристроєм. Ці панелі дозволяють керувати окремими системами.
Для загального управління котельнею обладнано диспетчерський пульт оператора. Прийняте рішення щодо використання Web-орієнтована SCADA (спеціалізована програма зі збору даних, їх відображення та передачі команд локальній автоматиці) та умови у приміщенні диспетчерської дозволило встановити на пульті звичайний офісний персональний комп'ютер. Він підключений до мережі Ethernet котельні і має доступ до сервера myBox. А вже в ньому виконуються всі розрахунки та формуються необхідні 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 порти Ethernet дозволяють відокремити технологічний Industrial Ethernet, яким пов'язані локальні системи автоматики, від мережі котельні. Таким чином система стає більш стійкою до кіберзагроз. Є можливість встановити mybox додатковий WiFi-модуль або 3G-модем для резервного каналу зв'язку.
Сам проект диспетчеризації, який бачить оператор і забезпечує необхідні функції контролю, управління та аналітики роботи котельні, розробляється в середовищі myDesigner. Воно безкоштовне, що разом із необмеженою ліцензією на середовище виконання, йде в комплекті з myBox, робить це рішення дуже привабливим із фінансової точки зору. myDesigner належить до сучасного класу програмного забезпечення, де функціональність поєднується із 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, оскільки 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 та систем;
- керування та налаштування кожного механізму, вставок роботи установок;
- архівування технологічних параметрів та станів установок, надання архівних даних у вигляді графіків, діаграм та таблиць;
- доступ до системи моніторингу із клієнтських пристроїв (комп'ютери, ноутбуки, смартфони, планшети) за допомогою web-браузера без необхідності встановлення додаткового програмного забезпечення;
- розмежування рівнів доступу до диспетчерської системи та доступних різним категоріям користувачів функцій;
- реєстрація подій, що відбулися;
- автоматизоване формування різних звітів встановленої форми як PDF-файлів, пристосованих для друку.
Інтерфейс виконаний у прогресивному стилі High Performance HMI, що концентрує увагу на стані об'єкта, а не різнобарвних мультиках. Оператор повинен з першого погляду оцінити стан усіх систем і прийняти потрібне рішення, тому інформація йому подається у вже 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 при розробці проекту та його реалізації, професійне виконання та, мабуть найголовніше, отримання результату, який обов'язково забезпечить підвищення ефективності генерації пари, економію енергоресурсів, безпека та культуру експлуатації.
Зробіть своє підприємство безпечним та відповідним сучасним нормам енергоефективності!
Контактна інформація:
- +380 (44) 369 52 68
- +380 (50) 369 52 68
- +380 (67) 369 52 68
