Автоматизация группы питательных насосов в транспортабельной котельной установке

Транспортабельная котельная установка (далее по тексту – ТКУ) на базе паровых прямоточных котлов змеевикового типа эксплуатируется на северном месторождении Варь-Еган. Во время режимно-наладочных испытаний и сезонной работы возникла необходимость в модернизации системы управления группы питательных насосов.

Группа питательных насосов отвечает за подачу химически очищенной воды в паровые прямоточные котлы змеевикового типа [1]. В котлах данного типа из-за конструктивных особенностей возникает высокое гидравлическое сопротивление [2]. Во время работы оператор паровых котлов обязан следить за стабильной работой котлов и за давлением, создаваемым насосами. На данный момент в существующей транспортабельной котельной установке управление подобными насосами осуществляется с помощью базовой автоматизации, которая заключается во включении или отключении насосов, изменении частоты двигателя с помощью потенциометра [3]. Это неэффективно из-за отсутствия на панели управления информации об оборотах двигателя в зависимости от нагрузки и защитных функций по нескольким параметрам [4].

Группа питательных насосов включает в себя 4 насоса по 2 на каждый котел. Каждая подгруппа подключена последовательно к каждому котлу для поддержания стабильного напора (рис. 1).

Рис. 1. Часть принципиальной схемы ТКУ: 1, 2 – паровой котел; 3, 7 – запорная арматура; 4 – обратный клапан; 5, 6 – питательные насосы;

8 – питательная емкость

Fig. 1. Part of the schematic diagram of the boiler plant: 1, 2 – steam boiler; 3, 7 – shut–off valves; 4 – return valve; 5, 6 – feed pumps; 8 – feed tank

По опытным данным, полученным во время эксплуатации котельной в реальных условиях, был создан учебный лабораторный стенд, который имитирует работу прямоточного парового котла змеевикового типа (рис. 2) [5].

В состав основного оборудования стенда входит насос, расходомер, вентилятор и датчики давления. Стенд автоматизирован (рис. 3). Шкаф управления состоит из следующего оборудования: программируемый логический контроллер (далее по тексту – ПЛК), частотный привод и вспомогательное оборудование. ПЛК подключается к компьютеру, на котором установлена программа SCADA. С помощью нее управляющий стендом может запускать, отключать и менять режимы работы основного оборудования с виртуального рабочего стола на компьютере (далее по тексту – ПК).

Программа также сигнализирует о превышении параметров: обороты двигателя, давление в змеевике. После предупреждения двигатель насоса отключается в безопасном режиме. Основное электрическое оборудование также защищено от перепадов напряжения с помощью реле. Все параметры записываются и сохраняются в электронном виде.

Рис. 2. Фото лабораторного стенда Fig. 2. Photo of the laboratory stand

Рис. 3. Фото шкафа управления лабораторного стенда

Fig. 3. Photo of the control cabinet of the laboratory stand

Автоматическая система управления стендом показала хорошие результаты во время экспериментов: постоянная связь контроллера с ПК, реагирование на внесенные параметры с минимальным промежутком времени, сохранение всей информации в электронном журнале в режиме онлайн и простота интерфейса. Удобство в изменении параметров гидравлической системы на удаленном расстоянии позволило оценить перспективы разработки подобного управления для котельной. Плавное изменение характеристик двигателей насосов позволит снизить потребление электроэнергии, откроет возможности в регулировании работы котлов в соответствии с режимными картами в более точном диапазоне, что скажется на расходе топлива и увеличении энергоэффективности котельной в целом [6].

Процесс регулирования группы питательных насосов представляет собой несколько вариаций: параллельное включение регулируемых и нерегулируемых насосов, работа полностью регулируемых или нерегулируемых групп. Существуют исследования по параллельной работе регулированного и нерегулируемого насосных агрегатов, об эффективности применения частотного привода, что отмечено в работах Р.С. Новикова, В.Е. Прокофьева, К.В. Яновича [7]. Вопросы эксплуатации частотно-регулируемого привода в промышленности, использование котроллера, выявленные положительные аспекты опытного исследования в области энергосбережения раскрывают в своей работе Химани Праджапати, Свапнил Арья, Джейдипсин Бария [8]. Научные труды А.А. Прокопова, Р.А. Кахорова, В.А. Новикова, М.П. Белова содержат разработки базы математических моделей компонентов электроприводных систем насосных агрегатов, которые могут быть использованы для оптимизации системы управления данных устройств [9]. Однако в работах приведены общие решения, без учета особенностей сопротивлений со стороны потребителей после насосов, что влияет на динамические и энергетические характеристики насосной группы. Исследование гидравлических сопротивлений в каналах разной формы представлено в работах Бастьяна Раппа [10], Н.А. Войнова, Д.А. Земцова, А.В. Богатковой, Н.В. Дерягины [11]. В рассматриваемом случае в котельной установке большое сопротивление по гидравлической системе возникнет со стороны котлов, так как змеевики парового агрегата представляют собой навитые трубы в форме коаксиального цилиндра. Таким образом, системы автоматического регулирования группой насосов в транспортабельной котельной установке требуют совершенствования.

Теоретическая часть

Для определения расхода в момент времени необходимо руководствоваться базовой формулой о давлении:

p = p- g • H i ,                                                                                      (1)

где p - плотность теплоносителя, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

H_i – напор, м.

Если рассматривать напорную характеристику насоса, который работает с изменяющейся

частотой вращения рабочего колеса, то уместна формула [9]:

Pi = P о •

| V toном V

—

^p 0 ^p ном

² ном

• Q<

где p ₀ – давление насоса холостого хода, МПа;

p – номинальное давление насоса, МПа; ном toi - текущая скорость рабочего колеса на выходе из насоса, об/мин;

ю _ном - номинальная скорость рабочего колеса на выходе из насоса, об/мин;

Q _ном – номинальная подача насоса, м³/с;

Q_i – текущая подача насоса, м³/с;

R

_ ^p 0   ^p ном

=   Q²

ном

– принять как гидравлическое сопротивление насоса.

Первое слагаемое уравнения (2) можно выразить в виде формулы как давление холостого хода при любой скорости вращения рабочего колеса насоса:

p0 •

^ю i

V toном V

= k„

p0

• to 2 .

Если рассматривать коаксиальные змеевики прямоточного парового котла как самое большое сопротивление для работы насоса, то можно выразить характеристику сети:

Р с = P п + p^m“₂ p п < Q з , Q ном

где p_п – противодавление, которое обусловлено в данном случает из-за разности геодезических высот между питательным баком и насосами, МПа;

Q_з – расход в змеевиках прямоточного парового котла, м³/с.

R з

^p ном   ^p п

0"

ном

– принять как гидравлическое сопротивление змеевиков котла;

^ - коэффициент сопротивления змеевика в местах изгиба, адаптированный впервые для прямоточного парового котла змеевикового типа.

Решая совместно уравнения (1), (2) и (4), можно получить расход теплоносителя без учета временной характеристики:

Q i - Q ном

•

® i   |    PiI -~

V ^ю ном ) p 0

1 - P^

p ₀

Если внедрить в уравнение (5) время и выразить для прямоточного парового котла змеевико- вого типа, то оно примет вид:

-y- ^-f у У[ p l ⁺ p 0 - p с ^-( R S ) • Q i ] , d т VP^ L )

где т - время;

s – сечение трубопровода, м²;

L – длина трубопровода, м;

p ₁ – давление на всасе трубопровода насоса, МПа;

R _Σ – сумма гидравлических сопротивлений.

Для решения поставленных задач рассматривается осуществление системы автоматического регулирования насосной группы. Каждое устройство может быть изображено в виде единичной динамической системы из структурной схемы (рис. 4).

Рис. 4. Представление переменных динамического звена Fig. 4. Representation of dynamic link variables

Данное звено описывается уравнением Лапласа, где передаточная функция W p может быть выражена уравнением [12]:

W p

У(P) x(P),

где x и у - входная и выходная переменные.

Зная переходную характеристику (8), которая обусловлена единичным воздействием на звено (9), можно судить о динамических свойствах системы (10), применяя преобразования Лапласа:

y = h (t);

f 0, t <  о x ( t ) =           ;

[ 1, t > о

^         1          W.     W

x(p)= e p • dt = ; h(p)= p; h(t)^ p.

₀ ppp

Так и м образ ом, в озмо жно вычисление реакции передаточной функции н а да н н ое ед и н и чн ое воздействие.

У чи ты в ая в ыш е с к аза нн ое , с хе му м оду ля комп о н е нта – насоса – можно изобразить в виде рис. 5.

Рис. 5. Схема модуля компонента Fig. 5. Component module diagram

Изме н е н и е час тоты в ращ е ния рабочего колеса насосного агрегата при в од и т к и зме н е н ию в се х е го ра бочи х ха р а к тери с ти к .

Ал гори т ми че ск ая струк ту рная схема работы насоса представлена на рис. 6.

Рис. 6. Алгоритмическая структурная схема блока насосной группы Fig. 6. Algorithmic block diagram of the pump group unit

Практическая часть

Проанали зиров а в ра б оту ла б ор а торн ого с т е н д а и Т К У при рабочих условиях, выявили, что мож но п рин ять н ас осы 5 ( с м. рис . 1) ос н ов н ыми , а 6 – вспомогательными в соответствии с на г рузк ой п ри ра б оте к отл ов . Ис пользовав представленные теоретические выр а же н и я, д а н на я тео р ия п ре дло же н а с це лью з а щ и ты обору д ов а н и я от постоянных перепадов напряжения и снижения за г ружен ности п итающе й с е ти ( р ис. 7), которые часто происходят на объекта х, а т а кже эк он оми и ка п и т альных за тр а т н а о б ору д ов а н и е , реш е н и е о б у с та н ов к е ч а с тотн о -регулируемого электропривода в роли основной пары питательных насосов, в качестве вспомогател ьн ых – неуправляе мы й э л е к троп ри в од, пол учаю щ и й п и та н и е на п рямую от пи та ющ ей сети.

Управление частотно- р ег ул ируемым приводом будет осуществляться с пом о щь ю ч аст о т но го пр ео бр аз о ват ел я со единен ны м с П Л К пут ем з адания необходимой частоты вращения вала двигате л я дл я по ддер ж ания нео б х о дим о го давления в системе. Информация о состоян ии давл ен ия в каж д ом из ко т л о в будет по ступат ь от датчиков давления, установленных на входе ко т л ов. В сл уч ае, есл и нео бх о дим о е давл ен ие в о дном из котлов не обеспечивается основным насосом, в работу вкл юч ает ся вспо м о г ат ел ь ный насос с помощью магнитного пускателя после подач и на ег о кат ушку сиг нал а упр авл ения. Усл о вием вк лючение вспомогательного насоса является пр евы шение уст ановленного значения т о ка ст ат о р а основного насоса. После того как вспомогател ь ны й насо с вы х о дит на н о м инал ь ны й р еж им рабо т ы , происходит регуляция выходной частоты вращения о сно вно г о н а со са. Дл я з ащит ы вспо м ог ат ел ь н ых насосов предусмотрена установка тепловог о р ел е и авт о м ат ический вы кл юч ат ел ь . Та к им о бр а зом осуществляется регулирование давления н а пар о вы х ко т л ах.

Энергосберегающий эффект (от ЧРП)

Р- давление

Q- подача без частотного регулирования с частотным регулированием

Рис. 7. Зависимость подачи от давления с частотным и без частного регулирования Fig. 7. Dependence of supply on pressure with frequency and without private regulation

Необ ход и мо в н е дри ть в с х ему расходомер для измерения количества п рохо д ящ е го те плон оси те ля че р е з о б а к отла пу те м его установки в общую линию сразу после п и та те льн ой е мк о с ти 8 (см. ри с. 1) , к о торая п ос ле б у д ет разветвляться после на два потока для двух ко т лов соо т в е тс т в е нн о.

Рис. 8. Часть принципиальной схемы ТКУ: 1, 2 – паровой котел; 3, 7 – запорная арматура; 4 – обратный клапан; 5, 6 – питательные насосы;

8 – питательная емкость; 9 – расходомер Fig. 8. Part of the schematic diagram of the boiler plant: 1, 2 – steam boiler; 3, 7 – shut-off valves; 4 – check valve; 5, 6 – feed pumps; 8 – feed tank;

9 – flow meter

В соответствии с вышесказанным поставлены следующие задачи для создания автоматизации системы управления группой питательных насосов в ТКУ [13]:

• 1)    создание единой панели управления, которая будет включать верхний и нижний уровни: включение и отключение плановое, задание количества оборотов, сигнализацию и отключение аварийное при превышении параметров (по скорости двигателя);

• 2)    регулирование текущих параметров с записью в виртуальный журнал на компьютере;

• 3)    переключение работы каждого насоса и подгрупп;

• 4)    автоматическое изменение оборотов двигателя насоса в зависимости от необходимой нагрузки на котлы.

На основании поставленных задач можно выделить следующие основные узлы в цепи управления на начальной стадии проектирования [14]:

• 1)    узел включения и отключения;

• 2)    узел пуска;

• 3)    узел торможения;

• 4)    узел защиты;

• 5)    узел автоматического технологического процесса.

Оборудование, входящее в перечисленные уз- лы: частотный преобразователь, ПЛК, электромагнитный пускатель, тепловое реле, автоматические выключатели, датчики давления, расходомер, преобразователь напряжения. На рис. 8 представлена часть принципиальной схемы ТКУ после внедрения расходомера, а на рис. 9 изображена принципиальная схема автоматизации группы насосов транспортабельной котельной установки.

Использование ПЛК в данной схеме обусловлено функциональными возможностями [15]:

• 1)    легкость в управлении через компьютер с человеко-машинным интерфейсом;

• 2)    увеличение надежности системы автоматизации;

• 3)    моментальное реагирование при изменении состояния системы и параметров.

Динамическое торможение осуществляется по принципу скорости – в зависимости от скорости двигателя.

Заключение

Таким образом, на основе опыта проектирования, автоматизации и управления лабораторным стендом, который имитирует работу прямоточного парового котла змеевикового типа, была предложена схема автоматического управления группой питательных насосов для транспортабельной котельной установки, в которой эксплуатируются подобные котлы.

Математическая модель адаптирована для насосов, которые работают с большим гидравлическим сопротивлением со стороны змеевиковых элементов. С помощью уравнений Лапласа возможно вычисление реакции передаточной функции на данное единичное воздействие. Также в работе получена алгоритмическая структурная схема блока насосной группы. Аналогично можно рассмотреть и для других блоков алгоритмические структурные схемы, которые могут описывать динамические и энергетические характеристики в системе управления группой насосов, а впоследствии формирующие полный процесс управления.

Представленная принципиальная схема автоматизации группы насосов ТКУ включает в себя только частотное регулирование основных насосов, давления на входе, а также расход теплоносителя. Управление возможно осуществлять с помощью ПК через виртуальный стол в программе SCADA. Деление насосов на регулируемые и нерегулируемые позволит снизить затраты на капитальные вложения, получить наилучший эффект по энергосбережению, а также повысить эффективность использования основного и вспомогательного оборудования котельной установки.