Разработка систем управления на основе микропроцессора для охлаждения сжатого воздуха

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 

ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ТЕХНІЧНОЇ КІБЕРНЕТИКИ

 

 

 

 

 

Контрольна робота

 

 

на  тему: „ Розробка мікропроцесорної системи управління охолодженням стиснутого повітря газокомпресорного цеху ЗАТ “Кримський Титан”"

 

 

 

 

 

Виконав:

 студент групи5зХн                      Забродiна Г.О.

 

Перевірив:

 к.т.н., доцент                                    Поліщук В.М.

 

 

 

 

                                               Херсон- 2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ. 

1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА НА ЗАО ”КРЫМСКИЙ ТИТАН” 

1.1 Промышленные методы  получения сжатого воздуха. 

1.2 Методы и устройства охлаждения сжатого воздуха. 

1.3 Процесс получения  сжатого воздуха на ЗАО “Крымский Титан”. 

1.4. Схема распределения сжатого воздуха. 

2. СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ  ОХЛАЖДЕНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА 

2.1 Классификация методов и средств измерения температуры. 

2.2. Анализ методов  измерения давления. 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

 

Развитие автоматизации химической промышленности связано с возрастающей  интенсификацией технологических  процессов и  усложнением технологических  схем, ужесточения  требований к  качеству, как на конечной, так и  на промежуточных  стадиях производства продукции. Одной из особенностей производств  химической промышленности  является взрывоопасность перерабатываемых веществ, их агрессивностью и токсичность  и, следовательно, возникновению  дополнительных требований предъявляемых к выбираемым аппаратным и техническим средствам  автоматизации.

Указанные выше особенности, большое влияние  на качество продукции  возможных  нарушений технологического режима, наличие большого числа  точек  контроля  и управления процессом, не позволяет даже опытному оператору  обеспечить качественное введение процесса вручную. Поэтому  в настоящее  время ведение  процессов химической технологии без автоматизации не позволяет обеспечить конкурентоспособное  качество продукта  

На данный момент с появлением надежных и сравнительно недорогих  микропроцессорных комплектов наиболее целесообразно для управления технологией  крупного  производства, использовать построение систем АСУ ТП на  их основе по следующим  причинам:

1. Возможность  оптимального управления технологическим процессом.

2.Универсальность микропроцессорного  контроллера, позволяющая оперативно  изменять  технологию ведения  процессами с помощью  лишь смены управляющей программы.

3. Возможность создания иерархических систем управления.  

4. Максимальное  исключение влияния  “человеческого фактора “   на  управляемый технологический  процесс. 

Применительно к рассматриваемому процессу наиболее целесообразно применить  микроконтроллер фирмы  Siemens S7-200 CPU 224 – как наиболее оправданный как по своей стоимости, так и надежности в сочетании с мощной аппаратной и программной поддержкой фирмой производителем. 

 

1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА НА ЗАО ”КРЫМСКИЙ ТИТАН”

 

1.1. Промышленные методы  получения сжатого воздуха.

 

Существуют два основных принципа сжатия воздуха (или газа): объемное и динамическое сжатие. В соответствии с этим можно разделить существующие типы компрессоров на две основные группы, которые в свою очередь  делятся на множество подгрупп. На рис. 1.1 изображена структура существующих типов компрессорных установок  для сжатия воздуха.

рис 1.1 типы компрессоров. 

Рассмотрим принцип действия некоторых  из этих типов, наиболее часто применяемых  при промышленном производстве сжатого  воздуха.

В поршневых компрессорах воздух всасывается  в камеру сжатия, впускное отверстие  которой закрывается. Затем объем  камеры уменьшается и воздух сжимается. После того как давление достигает  того же уровня, что и давление в  выпускном коллекторе, открывается  клапан и воздух выпускается при  постоянном давлении и продолжающемся уменьшении объема камеры.

Винтовой компрессор - ротационный компрессор, в котором сжатие среды достигается с помощью двух сцепленных между собой роторов с винтовыми зубьями. Компрессор состоит из корпуса (цилиндра), ведущего и ведомого роторов с зубчато-винтовыми лопастями. В винтовом компрессоре винтовая пара засасывает воздух, вращаясь в масляном слое, что обеспечивает низкий коэффициент трения, дополнительное масляное уплотнение, гарантирующее герметичность системы, а также эффективный теплоотвод от рабочей зоны.

Центробежный компрессор (принцип динамического  сжатия) – состоит из корпуса и ротора, имеющего вал с симметрично расположенными рабочими колёсами. Центробежный 3-ступенчатый компрессор разделён на три секции и оборудован двумя промежуточными  и одним концевым холодильниками, из которых газ поступает в каналы. Во время работы центробежного компрессора частицам газа, находящимся между лопатками рабочего колеса, сообщается вращательное движение, благодаря чему на них действуют центробежные силы. Под действием этих сил газ перемещается от оси компрессора к периферии рабочего колеса, претерпевает сжатие и приобретает скорость. При динамическом сжатии воздух всасывается в быстро вращающееся рабочее колесо компрессора и разгоняется до большой скорости. Затем он выпускается через диффузор, где его кинетическая энергия преобразуется в статическое давление. Существуют динамические компрессоры с осевым и радиальным потоком, которые отличаются исключительно высокой производительностью. В отличие от объемных компрессоров в динамических компрессорах даже небольшое изменение рабочего давления приводит к большому изменению производительности. Каждая скорость характеризуется верхним и нижним пределами производительности. При верхнем пределе скорость потока газа достигает скорости звука. При достижении нижнего предела противодавление превышает создаваемое компрессором давление, что означает обратный поток газа в компрессоре. Это в свою очередь вызывает пульсацию, шум и риск механической поломки компрессора. Теоретически газ может сжиматься в ходе изоэнтропического и изотермического процессов. Такое сжатие можно рассматривать в качестве части обратимого процесса. Если бы сжатый газ нужно было использовать немедленно при его конечной температуре, изоэнтропический процесс имел бы определенные преимущества. На самом деле газ редко используется непосредственно после сжатия и без охлаждения перед использованием. Поэтому чаще используется изотермический процесс - ведь он требует меньше работы. Практическим способом, позволяющим уменьшить нагревание газа, является разделение сжатия на несколько ступеней. После каждой ступени газ сначала охлаждается, а затем снова сжимается. Это позволяет увеличить кпд, так как уменьшается давление на первой ступени сжатия. Потребляемая мощность уменьшается до минимума, если все ступени характеризуются одной и той же степенью повышения давления.

Чем больше ступеней, на которые разделяется  сжатие, тем больше весь процесс  в целом приближается к изотермическому  сжатию. Однако в реальности по экономическим  причинам существует предельное количество ступеней, которые можно использовать в установке.

1.2. Методы и устройства охлаждения сжатого воздуха.

 

В промышленном производстве сжатого воздуха используются два метода его охлаждения: воздушное и водяное охлаждение. Суть воздушного охлаждения состоит в охлаждении потоком воздуха, создаваемого вентиляторами, радиаторов по которым проходит горячий сжатый воздух. Водяное охлаждение осуществляется с помощью воздухоохладителей, которые в свою очередь делятся на два типа: промежуточные и концевые. Такие типы  воздухоохладителей применяются для охлаждения сжатого воздуха в ступенях центробежных компрессоров. Промежуточный воздухоохладитель состоит из сварного корпуса, с размещенными в нем унифицированными трубными пучками и сварными водяными камерами. Внутри корпуса смонтированы воздуховоды для организации направленного потока воздуха через пучки. Унифицированные трубные пучки воздухоохладителя собраны из трубных досок и трубок цельнокатаного оребрения. Корпус имеет патрубки с присоединительными фланцами для входа и выхода воздуха.

Воздухоохладитель концевой предназначен для охлаждения воздуха после выхода из компрессора. Он состоит из сварного корпуса с  приваренными патрубками для входа  и выхода воздуха, пучка трубного, состоящего из трубных досок и  трубок цельнокатаного оребрения и  верхней и нижней водяных камер. На верхней водяной камере расположены  два патрубка с фланцами для подвода  охлаждающей воды.

Для охлаждения воды, которая забирает тепло от сжатого воздуха, предназначены  градирни. Градирня — это устройство для незначительного охлаждения теплой воды. Температура поступающей  воды в градирню — около 40-50 градусов, после градирни — 25-30 градусов. Существует два типа градирен — эжекторные  и вентиляторные.  Вентиляторные, где потоки воды охлаждаются мощным потоком уличного воздуха. На рис 1.2 изображена вентиляторная  градирня, состоящая из следующих частей: 1-вентилятор; 2 - каплеуловитель; 3 - водораспределительная  система;4 - оросители. Вода, выходящая  из теплообменников, поступает на вход градирни. Затем поднимается в  водораспределительную систему,  где через систему форсунок попадает на оросители и затем    попадает  в поддон. Вентилятор подсасывает  атмосферный  воздух  через систему  оросителей и форсунок. Воздух, проходя  через нагретую воду, забирает у неё избыток тепла и уносит его в атмосферу. Из поддона охлажденная вода вновь поступает в систему промежуточных и концевых холодильников, таким образом, образуется замкнутый цикл охлаждения. Часть влаги уносится вместе с воздухом, поэтому  возникает необходимость обеспечить автоматическую подпитку водой этого замкнутого  цикла охлаждения.

рис 1.2  вентиляторная градирня.

 

рис 1.3 эжекционная градирня.

Эжекционные, где форсунки разбрызгивают воду, которая охлаждается подсасываемым  уличным воздухом (без использования  вентиляторов), изображенная на рисунке 1.3 и состоящая из следующих компонентов: 1- коллектор,2 - форсунки. Существуют также  так называемые «сухие” градирни.   Принцип работы такой: обдувание  теплообменника, по которому циркулирует  теплая вода, мощным потоком уличного воздуха, что  позволяет несколько снизить температуру воды. Достоинством таких градирен является отсутствие  потоков воды, форсунок и более простая конструкция, к недостаткам небольшой градиент между входящей и выходящей водой.

1.3. Процесс получения  сжатого воздуха на ЗАО “Крымский Титан”.

 

Сжатый технологический  и  осушенный воздух вырабатывается компрессорной станцией, входящей в  состав газокомпрессорного цеха. В  качестве исходного продукта для  производства сжатого воздуха используется атмосферный воздух, имеющий следующий  состав: кислород – 20 % ,азот – 78 %, углекислый газ – 1%, инертные газы  - 1 %. Основными  энергоресурсами, используемыми в  производстве сжатого воздуха: является электроэнергия и вода. В качестве хладагента используется водно- спиртовой  раствор. Для подпитки системы охлаждения  используется техническая вода, подаваемая цехом ВиК.

На ЗАО “Крымский  Титан” сжатый воздух  получают  с использованием как объемного (винтовые компрессора) так и  динамического  метода   сжатия (турбокомпрессора). Вырабатываемый сжатый воздух   используется  цехами компании  для различных  целей. Осушенный воздух, получаемый после дополнительной осушки с помощью  адсорбционного  осушителя  до  значения точки росы – 40 °С используется для питания пневматических  приборов и приводов, а также для получения  мелкодисперсной воздушной смеси  в технологическом цикле изготовления диоксида титана.  Сжатый воздух, предварительно осушенный с помощью рефрижераторных  осушителей до точки росы +3 °С используется для ведения технологических  процессов (например, для барботирования водных растворов). Сжатый воздух без  осушения используется для. Для выработки  и осушения сжатого воздуха в  состав компрессорной станции входит следующее оборудование:

1. Винтовые компрессора.

2. Турбокомпрессора 

3. Рефрижераторные осушители воздуха

4. Адсорбционный осушитель

5. Градирни замкнутого цикла.

Градирни предназначены  для охлаждения промежуточных и  концевых холодильников турбокомпрессоров, а также для охлаждения рефрижераторных  осушители воздуха. Для охлаждения сжатого воздуха на выходе винтовых компрессоров используется принцип  воздушного охлаждения. Учитывая это, и ограниченный объем дипломного проекта более подробно  рассмотрим замкнутую систему  водяного охлаждения, состоящую из  градирни и турбокомпрессоров. Рассмотрим структурную схему турбокомпрессора ТA-3000 и затем на основе функциональной схемы автоматизации  более подробно рассмотрим объект автоматизации.

1.3.1. Структурная схема турбокомпрессора.

 

рис. 1.4 Структурная схема компрессорной  установки TA 3000.

 

На рис. 1.4 изображена структурная  схема, компрессорной установки  стрелками показано продвижение  атмосферного воздуха по ступеням сжатия компрессора и через промежуточные  воздухоохладители (холодильники) в  конце продвижения воздух попадает в концевой холодильник

затем проходит через обратный клапан, основная задача  которого, пропускать воздух только в одном направлении (к потребителю). Запорный кран выполняет  роль регулируемой задвижки, с помощью  которой  уменьшается или увеличивается  проходное сечение трубопровода сжатого воздуха. Привод компрессора  осуществляется с помощью высоковольтного  асинхронного электродвигателя через  коробку приводов, увеличивающей  скорость вращения ротора турбины.

1.3.2. Описание функциональной  схемы компрессорной установки.

 

Всасываемый атмосферный воздух с температурой от - 10 до 50 ºС  проходит через секционный фильтр (1-1),где очищается с помощью  двухступенчатой системы фильтров, состоящей из фильтров предварительной  и тонкой очистки. Фильтры предварительной  очистки – это фильтры низкой эффективности, способные задерживать  грубые и средние частички пыли. Они имеют плоские, большие поверхности, на которых закреплен  фильтрующий  материал, изготовленный  из синтетического волокна. Фильтры тонкой очистки  – это  фильтры, которые  выполняют  тонкую фильтрацию и задерживают  частички размером менее 1 микрона. Фильтровальный материал изготавливается из специальной  бумаги из микронного стекловолокна. Эти  фильтры выполняются в виде глубоких складок с алюминиевыми распорками. Затем очищенный воздух  через  регулируемую задвижку  поступает  на рабочее колесо 1-й ступени  компрессора (1-2), где происходит его  сжатие до 2,5 кгс/см²  с выделением тепла. Для охлаждения воздух поступает  на промежуточный  теплообменник 1-й  ступени,  (1-3), где охлаждается  с помощью  хладагента замкнутого  цикла охлаждения. Температура воздуха после первого теплообменника не должна превышать 54 ºС. Так как при охлаждении воздуха в нем образуется конденсат, то в нижней точке промежуточного  воздухоохладителя предусмотрены автоматические конденсатосбросники. После охлаждения воздух  подаётся на рабочее колесо 2-й ступени (1-4), где сжимается до значения  давления 5 кгс/см² с выделением тепла. Для охлаждения поступает на промежуточный теплообменник 2-й ступени (1-5), температура сжатого воздуха после этого теплообменника  не должна превышать 40ºС. (в воздухоохладителе также предусмотрен автоматический сброс конденсата). Затем сжатый воздух  поступает через выходной обратный клапан  в коллектор и далее к потребителю. Градирни (поз. 2;3)  закрытого типа двухконтурные, с испарением охлаждающей воды из внешнего контура, предназначены для экстракции тепла из закрытого цикла охлаждающей жидкости (30% этиленгликоль). Хладагент с помощью насосов (поз. 15;17) , прокачивается по замкнутому циклу (градирня - воздухоохладители). В градирнях охлаждающая жидкость проходит через змеевик, трубки  которого, располагаются в потоке с максимальным перекрытием сечения и максимальной теплоотдачей. Трубки в пучке имеют наклон, для упрощения процедуры слива. Змеевики орошаются технической водой по следующей схеме, из поддона,  расположенного в нижней части градирни, с помощью циркуляционных  насосов (поз. 16;18)  вода на орошение  подается в верхнюю часть градирни на форсунки, которые   распределяет воду на поверхность теплообменника с плотностью не менее 4 л/сек/м². Для охлаждения воды, поступающей на орошение в верхней части градирен расположены вентиляторы (поз.22;25) , которые отводят, образовавшееся тепло, в атмосферу вместе с парами технической воды. Для предотвращения потерь воды из поддона предназначены поливинилхлоридные капле отбойники, с покрытием для защиты от ультрафиолета, собранные в виде легко съемных секций и выполненные в виде волнистых пластин, с изгибом, позволяющим направлять поток в сторону от всаса вентиляторов.