15.08.2014

Технико-экономическое обоснование потребности во внедрении комплексной автоматизации объекта производства тепловой энергии



1. Предпосылки внедрения автоматики

Структура эксплуатируемых в настоящее время систем автоматизации топок с низкотемпературным кипящим слоем представляет собой ряд обособленных контуров управления, выполненных на основе относительно низкоэффективных регуляторов, либо чисто ручной, полумеханический процесс при практически полной занятости оператора. Это связано либо с полным отсутствием автоматики управления, либо с выходом из строя старых систем управления и невозможностью, а чаще в связи с отсутствием квалифицированного персонала, его восстановления. Также выход из строя связан с не вполне грамотной эксплуатацией этих систем.

Необходимость внедрения автоматики на объектах производства тепловой энергии обусловлена несколькими причинами:

1) Несоответствие требованиям действующих в данный момент СНиПам состояния оборудования и методов управления требует неизбежных изменений в сторону усовершенствования системы управления.

2) Безопасность персонала является важнейшим фактором при реализации технологического процесса. Автоматические системы обладают минимальным временем реагирования на нештатные ситуации и способны обеспечить правильные действия при них. К примеру, правильно организованный автоматический процесс управления котлом позволяет исключить случаи выброса вредных веществ в помещение котельной. В случаях, когда это все-таки случается, автоматика позволяет запустить принудительное вентилирование помещения, чтобы ограничить вероятность отравления персонала.

3) Котел в целом является сложным технологическим объектом, правильная и безопасная работа которого зависит от многих факторов. Наличие критически важных динамических параметров технологических процессов (ТП) подразумевает их непрерывный контроль. При отсутствии систем автоматического слежения за этими параметрами, существует высокая вероятность выхода ТП из-под контроля оператора. В таких условиях человеческий фактор играет немаловажную роль, так как поддержание стабильной работы зависит от вовремя замеченных и правильно интерпретированных изменений значений параметров ТП.

4) Одной из основных потребностей во внедрении автоматизации на объекте такого типа является качество поставляемой тепловой энергии. Автоматизация такого процесса позволит получить на выходе качественный продукт.

5) Очень важным по значимости фактором является оптимизация расхода топливного материала. При ручном регулировании процесса необходимо, при подаче топлива, учитывать будущее влияние уровня подачи топлива на последующие изменения в технологическом процессе. Скорость поступления топлива напрямую связана с его расходом. В случаях с ручным регулированием подачи высок риск перерасхода топлива. При автоматическом регулировании скорости подачи регистрируются все параметры, на которые повлияет данный объем топлива. Таким образом, автоматика подбирает наиболее оптимальный уровень и поддерживает его, учитывая все особенности протекания ТП. Как показывает практика, внедрение автоматики с правильно организованным циклом управления в системы с НТКС позволяет сократить расход угля на 5-10%.

6) Кроме расхода топлива, автоматика может увеличить ожидаемый экономический эффект за счет использования более современных методов регулирования, позволяющих сократить расход электроэнергии, затрачиваемой на обслуживание технологического процесса. Это уже проверенный факт. Расход электроэнергии при использовании правильно настроенных частотных преобразователей позволяет сократить потребление в среднем от 20 до 50 %.

7) Немаловажным фактором является минимизация убытков от предполагаемых ремонтов или простоев оборудования по причине выхода из строя того или иного агрегата. К примеру, частотный преобразователь обеспечивает весь спектр защит электродвигателя во время его работы. А правильно разработанная и внедренная система поможет предупредить аварийную ситуацию и не допустить простоя.

Возможности автоматики гораздо шире представленных выше аргументов. Грамотная эксплуатация автоматизированного комплекса позволит выйти на качественно новый уровень производства, повысит безопасность, повысит отказоустойчивость и даст экономический эффект.


2. Масштабы комплекса автоматизации

Котельная обычно состоит из двух и более котлоагрегатов. Для оснащения системой автоматического регулирования всей котельной требуется время. При этом также необходимо учитывать условие бесперебойной работы самой котельной. В этом свете представляется наиболее оптимальным поэтапное внедрение автоматики. Целесообразно строить комплекс из нескольких, уже отлаженных и зарекомендовавших себя с положительной стороны подсистем управления. Подсистемой может выступать автоматика одного отдельно взятого котла. После успешного запуска, отладки и настройки такой подсистемы можно переходить к следующему этапу внедрения комплекса автоматизации.

Конечной целью можно считать систему, контролирующую весь набор технологических процессов. Это может быть представлено визуальной мнемосхемой всей котельной, позволяющей контролировать все процессы всех составных частей системы автоматизации, а также вовремя реагировать на сигналы, предупреждения и аварийные ситуации. Этот комплекс называется диспетчерским пультом. Для контроля всего комплекса производства достаточно одного диспетчера котельной. Это еще один положительный аспект. Кроме того, правильно организованный центральный пульт сможет архивировать параметры технологического процесса. Архив включений и выключений, изменений параметров, аварийных и предаварийных ситуаций может быть использован впоследствии для анализа работы и подстройки параметров с целью оптимизации работы.

Ниже представлен список контролируемых параметров и управляющих воздействий для наиболее полной реализации системы управления одним котлом с НТКС, расположенном в котельной на 5 котлов в пос. Песчанка (г.Чита).

1) Высота кипящего слоя;

2) Температура кипящего слоя;

3) Уровень разрежения в топке;

4) Управление уровнем разрежения в топке;

5) Температура воды на выходе;

6) Давление воды на выходе;

7) Температура уходящих газов;

8) Исправность вентилятора;

9) Исправность дымососа;

10) Наличие топлива в бункере;

11) Управление скоростью подачи топлива;

12) Управление вибратором бункера;

13) Контроль давления воды на входе;

14) Управление уровнем давления воды на входе;

15) Контроль уловленных из дымовых газов частиц (опционально);

16) Контроль уровня CO (опционально);

17) Контроль влажности топлива (опционально);

18) Уровень шлака под решеткой;

19) Удаление шлака из-под решетки;

Для организации наиболее эффективного управления требуется контроль всех приведенных параметров. Контроль давления на входе и управления им дает определенное значительное влияние на результат регулирования всего процесса, поскольку незначительным уменьшением давления в системе циркуляции можно добиться более интенсивного нагрева за меньшее время, что, в свою очередь, приведет к значительному вкладу в экономический эффект.

Поэтому требуется именно комплексный подход к процессу автоматизации котельной, так как процесс производства тепловой энергии достаточно сложен. Его качество напрямую связано со многими взаимозависимыми параметрами. Следует очень внимательно подходить к этому вопросу.


3. Ожидания и приблизительные расчеты

Внедрение автоматики в какой-либо процесс подразумевает некоторые ожидания положительного эффекта. Это и сокращение расходов, и увеличение производительности, и сокращение рисков поломки оборудования.

Основным и, пожалуй, решающим фактором в данном случае, будет экономический эффект, который будет получен после внедрения автоматики.

Автоматизация производства влечет за собой некоторые расходы. Одной из задач оснащения производства автоматикой является покрытие этих расходов, дальнейшее сокращение затрат на обслуживание и эксплуатацию оборудования, обеспечение бесперебойности процесса и последующий выход в зону экономии.

Достаточно сложно ориентировочно рассчитать будущую экономию при отсутствии исходных данных по текущему расходу топлива. Однако, если, как было указано выше, взять за основу среднестатистическое значение сокращения расхода топлива после автоматизации ТП в 5-10%, можно приблизительно судить о грядущей экономии.

Поэтому, можно привести расчеты по экономии по другому направлению.

Использование частотно-регулируемых электроприводов для управления механизмами котельных установок с энергетической и технологической точек зрения намного эффективнее традиционно используемых методов управления задвижками, шиберами и направляющими аппаратами в воздушных, газовых и водных магистралях котла.

Основные положительные эффекты от применения частотного регулирования:

Повышение надежности автоматизированной технологической системы

Увеличение безотказности работы технологической системы

Повышение безотказности работы насоса/вентилятора, электродвигателя и запорно-регулирующей арматуры вследствие уменьшения скорости вращения и величины давления в напорной магистрали

Более благоприятные условия работы контакторов и автоматических выключателей, чем при дроссельном регулировании в виду снижения величины пусковых токов до значений, не превышающих номинального тока электродвигателя

Увеличение долговечности технологической системы

Автоматическое изменение состава работающих агрегатов, не допускающее их перегрузки

Работа агрегата без перегрузки при неполной нагрузке

Равномерная наработка моточасов агрегатом

Более совершенная защита электродвигателя, обеспечиваемая преобразователем частоты

Уменьшение удельного расхода электроэнергии на привод насосов, вентиляторов, дымососов

Уменьшение напора при стабильной подаче

Уменьшение механической, а, следовательно, и электрической мощности, потребляемой из сети, вследствие уменьшения скорости вращения

Исключение при регулировании гидравлических потерь в виду отсутствия дроссельных элементов

Уменьшение реактивной мощности, которой обменивается электродвигатель с питающей сетью

Повышение точности регулирования технологических параметров

Более точное регулирование технологических параметров, благодаря встроенному в преобразователь частоты ПИД-регулятору

Обеспечение совместной работы в частотно-регулируемом режиме нагнетателей, имеющих различные расходно-напорные характеристики

Параллельная работа агрегатов с равномерной их загрузкой без применения дроссельных элементов, а, следовательно, без дополнительных потерь энергии

Возможность интеграции в автоматизированные АСУ ТП объекта или АСДУ

Обеспечивается благодаря наличию в составе ПЧ аппаратных и программных средств, осуществляющих обмен информацией по физическому интерфейсу RS-485 с использованием стандартных протоколов.

Улучшение условий труда обслуживающего персонала

Технологические функции:

включение резервного агрегата при отказе работавшего;

повторное включение при исчезновении и восстановлении напряжения в питающей сети;

поддержание выходного технологического параметра;

изменение состава работающих агрегатов и др.

выполняются автоматически без участия оперативного персонала

Оповещение оперативного персонала о наступлении предаварийных и аварийных ситуаций

Удобные процедуры изменения уставок технологических параметров


Котлоагрегат является энергетической установкой, в процессе эксплуатации которой с высокой динамикой изменяются связанные между собой технологические параметры. Внедрение частотно-регулируемых электроприводов и построение АСУ ТП позволяет оптимизировать эти параметры по экономическим, экологическим, эргономическим и прочим показателям.

Ниже представлены цифры ожидаемой экономии после внедрения автоматики в котельной на 5 котлов в пос. Песчанка. Расчет для одного котла.

Мощность тягодутьевого вентилятора составляет 15 кВт, мощность дымососа также составляет 15 кВт.

Принимаем, что используем на каждый из двигателей частотный преобразователь на 15 кВт.

Стоимость одного частотного преобразователя на 15 кВт, в среднем, примем равной 46000 рублей.

Дымосос работает в режиме поддержания разрежения в топке с целью эффективного уноса дымовых газов и регулируется в некоторых пределах с помощью шибера. В этом случае экономический эффект отсутствует, двигатель работает на пределе и потребляет все 15 кВт. То же самое относится и к вентилятору.

Примем, что котел не работает, в среднем, 3 месяца в году.

365-90=275 дней в году работает

В год потребление одним двигателем электроэнергии составит:

15(кВт) х 275(дней) х 24(часа) = 99000 кВт/ч

Два двигателя – вентилятор и дымосос – израсходуют уже 99000 х 2 = 198000 кВт/ч в год.

При стоимости 1 кВт электроэнергии 3,37 рубля, затраты на работу одного только котла, без учета остальных затрат составят:

198000 х 3,37 = 667260 рублей в год.

Использование частотных преобразователей без задействования их в системе регулирования, уже составляет экономию от 10 до 20 %.

Внедрение автоматической системы регулирования разрежения в топке и подачи воздуха в топку на основе ПИД-регуляторов частотных преобразователей составит экономию электроэнергии от 30% за счет снижения скорости вращения, вместо регулировки с помощью шибера, который также потребляет какое-то количество энергии.

Примем эту цифру в качестве средней.

Таким образом, экономия в год составит:

667260 * 30% = 200178 рублей!

То есть, если затратить 46000 * 2 = 92000 рублей на приобретение частотных преобразователей, то меньше, чем через полгода, внедрение системы автоматики оправдает вложенные в материалы средства. Следует учесть, что здесь не учитываются затраты на внедрение системы – сборка, монтаж и пусконаладочные работы.

За счет правильной организации системы и использования эффективных алгоритмов управления, можно достичь более высоких результатов. После покрытия расходов на приобретение и внедрение системы автоматизации этот результат будет представлен уже как источник колоссальной экономии.

Нашей компанией были проведены некоторые тесты в подтверждение изложенных выше доводов.

Производились включения двигателя мощностью 3 кВт без частотного преобразователя и с использованием ЧП.

Без использования преобразователя мгновенное потребление по трем фазам составляло 245 Вт при максимальной частоте 50 Гц.

При включении частотного преобразователя мгновенное потребление энергии составило на 220 Вт на 50 Гц.

При регулировании это значение менялось пропорционально подаваемой на двигатель частоте.

При снижении частоты вращения в 2 раза (25 Гц) наблюдается снижение потребления 245 Вт(50 Гц без ПЧ) / 143 Вт(25 Гц с ПЧ) = 1,7 раз!

Уровень экономии электроэнергии при использовании частотного преобразователя зависит от многих факторов. Среди них и текущее техническое состояние электродвигателя, улитки вентилятора или насоса, качество электроэнергии, состояние самой системы, нуждающейся в регулировании.

Одним из плюсов использования ПЧ является комплексная защита электродвигателя и продление ресурса за счет исключения агрессивных механических составляющих запуска электродвигателя и использование наиболее эффективных параметров работы.

Ради справедливости стоит отметить тот факт, что задача частотного преобразователя, в числе других, состоит также в комплексной защите электродвигателя. Таким образом, этот прибор отслеживает много параметров, в том числе и качество питающей сети. В некоторых случаях частотный преобразователь принимает решение об отключении нагрузки, поскольку текущее качество сети при других обстоятельствах могло бы привести к выходу из строя двигателя. Оба варианта недопустимы, так как могут привести к неоправданным простоям, а так же к серьезным авариям. В таких случаях оправдано применение стабилизаторов сети. Стоит учитывать это при проектировании системы автоматики котельной и рассчитывать расходы на это.

В котельной в п. Песчанка помимо двигателей, обслуживающих котлы есть также мощные насосы: циркуляционные и сетевые.

Мощность циркуляционных насосов – 75 кВт. Нетрудно подсчитать среднюю экономию при внедрении частотных преобразователей для управления ими. Преобразователи установлены, но не функционируют. Если включить их в систему управления и регулирования ТП, то экономическая выгода будет еще выше, так как один 75 кВт насос в год потребляет (примем, что он работает также 9 месяцев в году):

75 * 275 * 24 = 495000 кВт/ч

При стоимости 1 кВт энергии 3,37 руб. расходы на электроэнергию, потребляемую одним только циркуляционным насосом в год составляют 1 668 150 руб.!

При подключении преобразователя частоты, при средней экономии 20% получим ожидаемую прибыль в виде сэкономленных расходов на электроэнергию 333 630 руб. в год! А если насос начинает участвовать в регулировке давления циркуляции, то реальная экономия может оказаться еще более существенной.

Если посчитать экономию, которую можно получить при использовании более дорогого частотного преобразователя для работы в составе с сетевым насосом мощностью 160 кВт, то она окажется, в результате, еще выше.

160 * 275 * 24 * 3,37 * 20% = 711 744 руб/год чистой экономии.

Естественно, следует учесть первоначальное покрытие затрат на внедрение такой системы.

Это приблизительные расчеты, так как невозможно учесть всей гаммы факторов, влияющей на такой абстрактный параметр, как экономический эффект. Но для того, чтобы более или менее объективно оценить результаты от внедрения автоматизации, желательно иметь предварительные данные по расходам на производство тепловой энергии. Поэтому, при отсутствии таких данных, эффект оценивается после внедрения автоматики. Немаловажным является также и квалифицированная эксплуатация обновленной системы.

Несмотря на это, эффект от использования частотных преобразователей сложно переоценить, так как преимущества ЧП уже подтверждено большим числом использовавших его специалистов.

Можно подытожить экономический и технический эффект от внедрения преобразователей частоты:

· экономия электрической энергии благодаря оптимизации работы насосных агрегатов и тягодутьевых механизмов составляет в среднем по объектам 30 - 60% (в т. ч. полное исключение потребления реактивной мощности из электросети);

· снижение расхода воды до 5% и уменьшение скрытых утечек за счет обеспечения постоянства давления в сети и снятия избыточного напора.

· экономия тепловой энергии до 10% вследствие оптимизации температурного режима и расхода теплоносителя.

· экономию 2...5 % - топлива (газа, мазута), до 10% - угля за счет моментальной реакции системы на внешние возмущения и плавное регулирование подачей;

· динамическое поддержание максимального к.п.д. котла во всем диапазоне его нагрузок в автоматическом круглосуточном режиме;

· увеличение срока службы в 3-5 раз исполнительных устройств котла;

· выполнение требований экологических норм по выбросам в атмосферу в любой момент времени;

Сроки окупаемости инвестиций не превышают двух лет.

Наша компания обладает достаточным опытом внедрения и эксплуатации систем управления на основе современного оборудования с применением, в том числе, частотных преобразователей. С уверенностью подтверждаем наличие значительного положительного эффекта при их использовании.

Анисимов М.А.

ООО Монтаж автоматики

Просмотров: 4005
5 голосов
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email:
Код *: