В условиях активного роста промышленности и увеличения дефицита мощности в энергосистемах, повышение эффективности использования энергоресурсов становится первостепенной задачей. Особую роль в этом процессе играет вспомогательное оборудование, в частности, котельные установки, от стабильной и экономичной работы которых зависят многие производственные циклы. Автоматизация выступает ключевым инструментом для оптимизации их функционирования, снижения затрат и повышения безопасности. Настоящая работа посвящена разработке и обоснованию проекта автоматизации именно такого объекта.
Объектом исследования является вспомогательная котельная установка промышленного предприятия. Цель работы — разработка проекта автоматизации для данной установки с детальным технико-экономическим обоснованием его целесообразности. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- Проанализировать котельную установку как объект управления.
- Разработать функциональную схему автоматизации.
- Выполнить обоснованный выбор технических средств.
- Рассчитать экономическую эффективность внедрения проекта.
Раздел 1. Технологический процесс и анализ объекта автоматизации
Вспомогательная котельная установка предназначена для производства насыщенного пара или горячей воды, используемых для технологических нужд предприятия и систем отопления. Принцип ее действия основан на преобразовании химической энергии сжигаемого топлива в тепловую энергию, которая передается теплоносителю (воде). Эффективность этого процесса напрямую зависит от точности поддержания рабочих параметров.
Технологический процесс включает в себя несколько ключевых этапов:
- Водоподготовка: Вода проходит через систему фильтров для удаления примесей и солей, чтобы предотвратить образование накипи в котлах.
- Подача топлива и воздуха: Топливо (например, природный газ) и воздух в строго определенной пропорции подаются в топку котла для обеспечения оптимального горения.
- Процесс горения и нагрев теплоносителя: В топке происходит сжигание топлива, а полученное тепло через стенки котла нагревает воду, превращая ее в пар или повышая ее температуру до заданного значения.
- Работа насосных групп: Насосы обеспечивают циркуляцию теплоносителя в системе и подачу питательной воды в котел.
Для безопасного и экономичного функционирования установки необходимо обеспечить постоянный контроль и автоматическое регулирование следующих технологических параметров: давление пара в барабане котла, температура воды на входе и выходе, уровень воды в барабане и разрежение в топке. Отклонение любого из этих параметров от расчетного уровня может привести к снижению КПД, перерасходу топлива или возникновению аварийной ситуации.
Раздел 2. Разработка и описание функциональной схемы автоматизации
Функциональная схема автоматизации — это графическое представление логики работы будущей системы управления. Она разрабатывается в соответствии с требованиями ГОСТ и наглядно демонстрирует взаимосвязь между контрольно-измерительными приборами, управляющим контроллером и исполнительными механизмами. Разрабатываемая система должна выполнять следующие основные функции:
- Автоматический пуск и останов котельного оборудования по команде оператора или в зависимости от графика работы.
- Поддержание заданных параметров теплоносителя (давления и температуры) путем управления подачей топлива и воздуха.
- Каскадное управление работой котлов: автоматическое подключение или отключение резервных котлов в зависимости от текущей нагрузки для оптимизации выработки тепла.
- Погодозависимое регулирование: коррекция температуры теплоносителя в контуре отопления в зависимости от температуры наружного воздуха для предотвращения перегрева помещений и экономии энергоресурсов.
- Управление насосными группами: включение и выключение циркуляционных и питательных насосов.
- Противоаварийная защита и сигнализация: немедленное отключение оборудования при выходе ключевых параметров (уровень воды, давление) за критические пределы и оповещение персонала светозвуковой сигнализацией.
На функциональной схеме каждый контур регулирования отображается отдельно. Например, контур регулирования давления пара состоит из датчика давления, установленного на паропроводе, сигнала от которого поступает на программируемый логический контроллер (ПЛК). ПЛК, в свою очередь, обрабатывает этот сигнал и формирует управляющее воздействие на исполнительный механизм — регулирующий клапан на линии подачи топлива. Таким образом, система в автоматическом режиме поддерживает давление на заданном уровне без вмешательства человека.
Раздел 3. Обоснованный выбор технических средств для реализации проекта
Подбор оборудования является ключевым этапом, определяющим надежность, функциональность и стоимость будущей системы. Выбор производится на основе анализа технологических требований и спроектированной функциональной схемы.
3.1. Выбор программируемого логического контроллера (ПЛК)
В качестве «мозга» системы выбирается программируемый логический контроллер. Выбор конкретной модели ПЛК основывается на необходимом количестве дискретных и аналоговых входов/выходов для подключения всех датчиков и исполнительных механизмов. Важными критериями также являются его производительность, достаточная для обработки алгоритмов каскадного и погодозависимого регулирования, и поддержка современных промышленных протоколов, таких как Modbus TCP/IP, для интеграции с панелью оператора и возможной диспетчеризации.
3.2. Выбор контрольно-измерительных приборов
Для контроля технологических параметров подбираются соответствующие датчики. Для измерения температуры теплоносителя используются термопреобразователи сопротивления. Для контроля давления пара и воды — датчики избыточного давления. Контроль уровня воды в барабане котла осуществляется с помощью датчиков уровня. Ключевыми параметрами при выборе являются класс точности, диапазон измерений и соответствие условиям эксплуатации (температура, давление, влажность).
3.3. Выбор исполнительных механизмов
К исполнительным механизмам относятся устройства, непосредственно воздействующие на технологический процесс. Для плавного регулирования подачи топлива и воды выбираются регулирующие клапаны с электрическими приводами. Для полного открытия/закрытия потоков (например, на линиях аварийного сброса) применяются шаровые краны с электроприводами или электромагнитные задвижки. Управление работой насосов и дымососов осуществляется через силовые контакторы, управляемые дискретными выходами ПЛК.
3.4. Выбор средств человеко-машинного интерфейса
Для визуализации технологического процесса, отображения текущих параметров, графиков, а также для управления установкой и изменения уставок выбирается сенсорная панель оператора (HMI). Диагональ экрана и его разрешение подбираются исходя из соображений удобства восприятия информации оператором. Панель подключается к ПЛК по цифровому интерфейсу (например, Ethernet), что обеспечивает надежный обмен данными.
Раздел 4. Технико-экономическое обоснование эффективности автоматизации
Технико-экономическое обоснование — это расчет, доказывающий, что затраты на внедрение проекта являются выгодным вложением средств. Эффективность автоматизации измеряется степенью снижения совокупных затрат и достигается за счет сокращения расходов на рабочую силу, топливо и электроэнергию.
4.1. Расчет капитальных вложений (Кп)
Капитальные вложения представляют собой единовременные затраты на создание системы. Они складываются из стоимости всего закупаемого оборудования, а также затрат на сопутствующие работы. Смета включает:
- Стоимость программируемого логического контроллера и модулей расширения.
- Стоимость контрольно-измерительных приборов (датчиков температуры, давления, уровня).
- Стоимость исполнительных механизмов (регулирующих клапанов, приводов, контакторов).
- Стоимость панели оператора, шкафа управления и монтажных материалов.
- Затраты на проектные работы (ПР).
- Затраты на монтаж и пусконаладочные работы (СМР, ПНР).
4.2. Расчет годовой экономии (Эр)
Годовая экономия — это сумма средств, которую предприятие сэкономит за год после внедрения автоматизации. Она рассчитывается по нескольким основным статьям:
- Сокращение фонда оплаты труда (ФОТ): Автоматизация позволяет сократить количество сменного обслуживающего персонала, так как система работает в автоматическом режиме.
- Снижение расхода топлива: За счет внедрения алгоритмов оптимального регулирования процесса горения, каскадного и погодозависимого управления достигается экономия топлива (например, газа) на 5–15%.
- Снижение потребления электроэнергии: Оптимизация работы насосных групп и другого электрооборудования также ведет к сокращению расходов.
4.3. Расчет годового экономического эффекта
Годовой экономический эффект является ключевым показателем, отражающим чистую выгоду от проекта. Он рассчитывается по общепринятой формуле:
Э = Эр — Ен * Кп
где:
- Э — годовой экономический эффект;
- Эр — годовая экономия, рассчитанная ранее;
- Ен — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (для проектов автоматизации принимается в диапазоне 0.12-0.2);
- Кп — общая сумма капитальных вложений.
4.4. Расчет срока окупаемости проекта
Срок окупаемости показывает, за какой период времени первоначальные инвестиции вернутся за счет полученной экономии. Этот показатель рассчитывается по простой формуле:
Ток = Кп / Эр
где:
- Ток — срок окупаемости (в годах);
- Кп — капитальные вложения;
- Эр — годовая экономия.
Чем меньше срок окупаемости, тем более привлекательным является проект для инвестирования.
Раздел 5. Требования к безопасности и охране труда при эксплуатации системы
Котельное оборудование является объектом повышенной опасности из-за наличия таких факторов, как высокая температура теплоносителя, высокое давление и использование взрывоопасного газового топлива. Разработанный проект автоматизации напрямую способствует повышению уровня безопасности эксплуатации.
Система обеспечивает поддержание всех технологических параметров в безопасных, заранее заданных пределах. В случае выхода любого из них за критическую отметку (например, падение уровня воды ниже допустимого или превышение давления пара), сработают автоматические программные и аппаратные блокировки. Они обеспечат немедленное и безопасное отключение оборудования без участия оператора, что минимизирует риск аварий, связанных с «человеческим фактором». Кроме того, система включает в себя контуры противоаварийной светозвуковой сигнализации, которая заблаговременно оповестит персонал о возникновении нештатной ситуации.
[Смысловой блок: Заключение]
В ходе выполнения курсовой работы были успешно решены все поставленные задачи. Был проведен детальный анализ вспомогательной котельной установки как объекта управления, что позволило выявить ключевые параметры для контроля. На основе этого анализа была разработана функциональная схема автоматизации, реализующая современные энергосберегающие алгоритмы, такие как каскадное и погодозависимое регулирование.
Был выполнен обоснованный выбор технических средств автоматизации и составлена спецификация необходимого оборудования. Важнейшим итогом работы является технико-экономическое обоснование, расчеты которого наглядно продемонстрировали высокую эффективность проекта. Полученные значения годового экономического эффекта и срока окупаемости подтверждают финансовую целесообразность внедрения. Таким образом, можно сделать итоговый вывод: разработанный проект автоматизации технически реализуем, экономически выгоден и значительно повышает безопасность эксплуатации котельного оборудования.
Список использованных источников
- Андреев Е.И., Куцевич Н.А., Синенко М.П. Автоматизация технологических процессов и производств: Учебное пособие. — М.: Высшая школа, 2010. — 415 с.
- ГОСТ 21.408-2013. Система проектной документации для строительства. Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов.
- Промышленные контроллеры и SCADA-системы: Практическое руководство / Под ред. А.В. Соколова. — М.: Инфра-Инженерия, 2018. — 520 с.
- Техническая документация на программируемый логический контроллер [Название модели ПЛК].
- Шишмарев В.Ю. Автоматика: Учебник для вузов. — М.: Академия, 2014. — 352 с.
Приложения
- Приложение А. Функциональная схема автоматизации котельной установки (Формат А1).
- Приложение Б. Спецификация выбранного оборудования и материалов.