Автоматизация теплообменника смешения

Содержание

 

Введение	3
1 Исходные данные на проектирование	4
1.1 Схема установки и описание её работы	4
1.2 Перечень контролируемых  и регулируемых параметров	5
1.3 Материальный и тепловой  баланс установки	5
1.4 Расчет диаметров  трубопроводов	6
1.5 Техническая характеристика оборудования	8
2 Разработка функциональной схемы автоматизации	9
3 Выбор и обоснование  приборов и средств автоматизации	10
4 Выбор модулей ввода/вывода  контроллера	15
Заключение	17
Список используемых источников	18

 

 
Введение

 

Автоматизация процесса означает полный перевод технологического 
оборудования на автоматический режим работы, внедрению в производство устройств, действующих частично или полностью без участия человека. Автоматизация – высшая форма механизации. Она характеризуется освобождением человека частично или полностью от участия в технологическом процессе, также и от оперативного управления механизмами, от постоянного участи его в процессе.

Автоматика увеличивает  производительность труда, повышает эффективность технологических процессов, улучшает качество продукции, повышает точность, сокращает численность обслуживающего персонала.

Внедрение специальных  автоматических устройств способствует безаварийной работе оборудования, исключает  случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха и водоемов промышленными отходами.

Целью курсовой работы является построение современных систем автоматизации технологических процессов, реализованных на базе промышленных контроллеров и ЭВМ.

В ходе курсовой работы решаются следующие задачи:

1. Изучение разработки функциональных схем автоматизации технологических процессов на базе серийновыпускаемых приборов и промышленных контроллеров.
2. Подбор оптимальных приборов автоматики для контроля и регулирования необходимых параметров процесса.
3. Изучить технологический процесс, разработать схему автоматизации теплообменника смешения на основе комплексных средств АСУТП. 

 

1 Исходные данные на проектирование

 

1.1 Схема установки и описание её работы

 

Исходные данные на проектирование включают в себя описание принципа работы технологической установки и перечень контролируемых параметров.

 

 

Рисунок 1 – Схема автоматизации  теплообменника смешения

 

В теплообменник смешения 1 (резервуар с мешалкой) подаются холодная воды из сети и водяной пар давлением 180 кПа. При конденсации водяного пара и смешения конденсата с холодной водой происходит ее нагрев до требуемой температуры. Горячая вода из теплообменника непрерывно перекачивается центробежным насосом Н1 в сборник 2.

 

 

1.2 Перечень контролируемых и регулируемых параметров

 

Автоматическое регулирование:

- температура горячей воды (расходом пара);

- расход холодной воды  по уровню в аппарате 1.

Измерение и регистрация на ЭВМ:

- расход горячей воды;

- температура горячей воды.

Измерение:

- расход холодной воды;

- температура горячей воды;

- уровень в аппарате 1.

Сигнализация:

- уровень в сборнике 2;

- давление пара.

Автоматическая блокировка:

- отключение мешалки при отключении насоса Н1;

- отключение мешалки  при отключении пара.

Управление:

- включение и отключение двигателя насоса Н1;

- включение и отключение двигателя мешалки.

 

1.3 Материальный  и тепловой баланс установки

 

1.4 Расчет диаметров трубопроводов

 

Расчет диаметров трубопроводов  можно определить по расходу продукта

      (1)

где W - скорость, м/с;

F - площадь поперечного сечения трубопровода, м ;

d - внутренний диаметр трубопровода, м.

Из формулы (1) получим

      (2)

Оптимальная скорость прохождения  жидкости соответствует минимуму эксплуатационных расходов.Поэтому при расчетах трубопроводов скорость движения ориентированно может быть принята в следующих интервалах, приведенных в таблице 1.

Таблица 1– Скорости движения жидкости

Движение жидкости при подаче насосом, м/с	1 – 2,5
Движении самотеком, м/с	0,1 – 0,5
Для газов, м/с	5 – 20
Для паров, м/с	15 – 40

 

1. Определим расход компонента 1 (вода) и диаметр трубопровода для подачи

Из технической характеристики массовый расход равен G = 2 т/ч=2000кг/ч.

Объемный расход вычисляем по формуле

      (3)

где – плотность воды из сети, кг/м³

м³/ч,

м³/с.

Зная объемный расход продукта из формулы (1) определим диаметр трубопровода

м = 19 мм,

где W = 2 м/с, т.к. вода из сети подается насосом.

Принимаем d₁=20 мм.

 

2. Определим расход и диаметр трубопровода для подачи пара

По тепловой нагрузке аппарата можно определить расход греющего пара, для этого можно воспользоваться следующим выражением, полученным из уравнения теплового баланса

    (4)

где  G – расход холодного теплоносителя(воды), кг/с;

c_ви с_конд. – теплоемкость холодного теплоносителя и конденсата греющего пара, Дж/кг·К;

t_в^киt_в^н – конечная и начальная температура воды ºС;

D – расход греющего пара, кг/с;

r – удельная теплота парообразования, Дж /кг;

Q_конд. – температура конденсата выходящего из теплообменника ºС.

Считая, что конденсат  выходит из аппарата при температуре  конденсации t_конд., то Q_конд= t_н, и тогда уравнение примет вид

    (5)

Выражаем расход греющего пара, кг/c

 

,     (6)

где G - расход воды, кг/с;

С - теплоемкость воды (4,19·10³), Дж/кг·К;

t_к,t_н – начальная и конечная температура воды;

D – расход греющего пара, кг/с;

r - удельная теплота парообразования (определяется по таблицам в зависимости от давления), Дж/кг.

Из технологической характеристики оборудования и таблицы «Физические свойства воды и водяного пара» находим

G_п=2 т/ч =0,56 кг/с,

c_в= 4,19·10³ Дж/кг·К,

t_к=75 ºС,

t_н=15 ºС.

Подставляя значения в формулу (6) находим расход греющего пара в теплообменник 1

Находим объемный расход пара по формуле (3)

 м³/с,

ρ_пара=1,003кг/м³ - плотность пара, определяем по таблицам в зависимости от Р_п и t_п.

Зная объемный расход пара определим диаметр трубопровода для подачи пара по формуле (2)

мм,

где W= 30 м/с - скорость движения пара.

Принимаем d₂=50 мм.

 

Таким образом, диаметр  трубопровода для подачи воды составил 20мм, диаметр трубопровода для подачи пара – 50мм.

 

1.5 Техническая  характеристика оборудования

 

Производительность теплообменника - 2 т/ч.

Температура горячей воды - 70°С.

Измерение уровня в теплообменнике – 2 м.

Измерение давления воды из сети - 180 кПа.

Измерение давления пара - 180 кПа.

Измерение уровня в сборнике 2 – 2 м.

 

 

 

2 Разработка  функциональной схемы автоматизации

 

Схема построена  на базе контроллера DirectLOGIC DL206, укомплектованного соответствующим набором модулей ввода/вывода. Контроллер связан с ЭВМ через сеть Ethernet. Управляющая ЭВМ таким образом используется для вывода на экран значений технологических переменных, их регистрации и сигнализации предельных значений. Также ЭВМ формирует законы управления исполнительными механизмами и электродвигателем насоса Н1 и мешалки.

Автоматическое регулирование температуры горячей воды осуществляется путем изменения расхода пара регулирующим клапаном Samson 240, установленным на трубопроводе подачи пара. Этот регулирующий клапан оснащен электродвигательным исполнительным механизмом МЭО-16/30-0,25 поз. 1д с датчиком угла поворота Samson 4748 поз. GE-2. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO D2-08TR через магнитный пускатель ПМ-222 поз. 1в. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ, его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI D2-08NA-1. Исходя из особенностей управления электродвигательным исполнительным механизмом в схеме задействовано 2 канала дискретного вывода. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция ПКЕ-222 поз. 1г.

Автоматическое регулирование расхода холодной воды по уровню в аппарате 1 осуществляется путем изменения расхода воды регулирующим клапаном Samson 240, установленным на трубопроводе подачи воды из сети. Этот регулирующий клапан оснащен электродвигательным исполнительным механизмом МЭО-16/30-0,25 поз. 3е с датчиком угла поворота Samson 4748 поз. GE-3. Управляющие импульсы подаются на двигатель этого механизма с модуля дискретного вывода DO D2-08TR через магнитный пускатель ПМ-222 поз. 3г. Для реализации сигнализации крайних положений исполнительного механизма на ЭВМ, его конечные выключатели подключаются к модулю дискретного ввода DI D2-08NA-1. Исходя из особенностей управления электродвигательным исполнительным механизмом в схеме задействовано 2 канала дискретного вывода. Для управления исполнительным механизмом также предусмотрена кнопочная станция ПКЕ-222 поз. 3д.

Для измерения расхода горячей воды используется применяется расходометр переменного перепада давления Метран-350. Сигнал от чувствительного элемента расходомера поз.FE-5а подается на преобразователь давления поз. FT-5б. На выходе расходомера формируется унифицированный токовый сигнал (4-20 мА), который подается на вход модуля аналогового ввода AI F2-08AD-2 контроллера DirectLOGIC DL206. Далее сигнал обрабатывается и передается для регистрации и отображения расхода горячей воды в реальном времени на ЭВМ.

Для измерения температуры горячей воды используется термопреобразователь сопротивления ТСП-1293 поз. ТЕ-1а. Данный преобразователь формируют выходной унифицированный токовый сигнал (4-20) мА, который поступает на вход модуля аналогового ввода AI F2-04RTD и на вторичный прибор Сосна-005 поз. TI-1б. Далее сигнал обрабатывается и передается для регистрации и отображения температуры горячей воды в реальном времени на ЭВМ.

Для измерения расхода холодной воды используется применяется расходометр переменного перепада давления Метран-350. Сигнал от чувствительного элемента расходомера поз. FT-6а подается на преобразователь давления поз. FT-6б. На выходе расходомера формируется унифицированный токовый сигнал (4-20 мА), который подается на вход модуля аналогового ввода AI F2-08AD-2 контроллера DirectLOGIC DL206 и на вторичный прибор Сосна-005 поз. FT-6в. Далее сигнал обрабатывается и передается для отображения расхода холодной воды в реальном времени на ЭВМ.

Для измерения уровня в теплообменнике смешения 1 используется буйковый уровнемер. Данный уровнемер состоит чувствительного элемента, погружаемого непосредственно в измеряемую среду поз. LE-3а, и преобразователя поз. LT-3б, установленного рядом с оборудованием. На выходе преобразователя формируется унифицированный токовый сигнал (4 – 20 мА) который подается на вторичный прибор Сосна-005 поз. LI-3в и на вход модуля аналогового ввода AI F2-08AD-2 контроллера DirectLOGIC DL206. Далее сигнал обрабатывается и передается для отображения уровня в теплообменнике смешения 1 в реальном времени на ЭВМ.

Для измерения  уровня в сборнике 2 используется буйковый уровнемер. Данный уровнемер состоит чувствительного элемента, погружаемого непосредственно в измеряемую среду поз. LE-7а, и преобразователя поз. LT-7б, установленного рядом с оборудованием. На выходе преобразователя формируется унифицированный токовый сигнал (4 – 20 мА) который подается  на вход модуля аналогового ввода AI F2-08AD-2 контроллера DirectLOGIC. Далее сигнал обрабатывается и передается для отображения уровня в в сборнике 2 в реальном времени на ЭВМ.

 Для сигнализации предельно допустимого уровня в сборнике 2 на щите установлена сигнальная лампа HL1.