XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация

Водоподготовка – процесс весьма нелегкий и необходимый как для производственных нужд, так и для повседневной жизни. Но с помощью автоматики возможно сэкономить на работе системы водоочистки благодаря тому, что современные схемы позволяют объединить в один прибор все основные датчики и электрохимические анализаторы, а использование автоматики позволяет свести к минимуму «человеческий фактор».

Внедрение комплексной автоматизации является важнейшим средством надежной и эффективной работы систем водоснабжения. А достигнутые в последние годы успехи в совершенствовании техники водоснабжения могут привести к высокой эффективности лишь при широком использовании современных методов и средств автоматизации технологических процессов.

Для того чтобы процесс водоподготовки стал более понятен, в проекте приведено его подробное описание, а также рассмотрены этапы очистки воды и методы ее умягчения. Данная работа описывает системы автоматического контроля и регулирования и рассматривает функции средств автоматизации.

Ключевые слова: водоподготовка, система автоматического контроля, система автоматического регулирования, обработка воды.

Annotation

Water treatment is a very difficult process and is necessary both for industrial needs and for everyday life. But with the help of automation it is possible to save on the operation of the water treatment system due to the fact that modern circuits allow combining all the main sensors and electrochemical analyzers into one device, and the use of automation allows to minimize the "human factor".

The introduction of integrated automation is the most important means of reliable and efficient operation of water supply systems. The successes achieved in recent years in improving water supply technology can lead to high efficiency only with the widespread use of modern methods and means of automating technological processes.

In order to make the water treatment process more understandable, the project provides a detailed description of it, and also considers the stages of water purification and methods of its softening. This work describes automatic control and regulation systems and examines the functions of automation equipment.

Key words: water treatment, automatic control system, automatic control system, water treatment.

Введение

В современном мире водоподготовка является необходимым процессом для нормального функционирования производства. Водоподготовка представляет собой обработку воды, поступающей из природного водоисточника, для приведения её качества в соответствие с требованиями технологических потребителей. Она может производиться на сооружениях или установках водоподготовки для нужд коммунального хозяйства, практически во всех отраслях промышленности. 

Для ТЭЦ (теплоэлектроцентраль) такой процесс является одним из важных этапов работы, ведь предназначение теплоэлектроцентрали заключается в подачи горячей воды в дома и на предприятия, а главным оборудованием ТЭЦ служат котельные и турбины. В котлах происходит нагрев воды, а в турбинах образовывается пар. В обоих случаях для работы нужна вода и обязательно очищенная, так как сырая жёсткая вода не пройдет по параметрам. При наличии примесей в процессе нагревания может образоваться осадок, появиться накипь, и другие неблагоприятные соединения. Всё это влияет на корректную работу станции и годность оборудования. Поэтому, чтобы продлить работу установок и скорректировать состав воды для использования на ТЭЦ, обязательно проводят водоподготовку.

Внедряя автоматику в процесс водоподготовки, можно не только рационально использовать свободное пространство, но и сэкономить на работе системы водоочистки, также применение такой системы позволит свести к минимуму участие человека в данном процессе.

Но внедрение автоматизации водоподготовки имеет определенные проблемы, которые возникают при ее использовании. Самыми распространенными из них являются халатность персонала, являющаяся основной причиной неисправностей и нештатных ситуаций, и некомпетентность посредников. [1, 2, 3]

Процесс водоподготовки на ТЭЦ

Этапы очистки воды

Весь процесс водоподготовки разделён на этапы. В каждом из них происходит очистка от определённых видов загрязнений. Как правило, устанавливают несколько систем фильтрации. Водоочистка проводится в специальном предварительном блоке. Сначала проводят механическую фильтрацию, далее очищают от солей жесткости и обезжелезивают, очищают от остальных примесей и убирают излишнюю загазованность. Все этапы проводятся в определённом порядке. Для каждого этапа подбирается свой метод очистки, более удобный в применении и выгодный с экономической точки зрения. Каждый этап контролируется автоматически. Контроллер устанавливается на блок или на фильтр (зависит от настроек). Перед первым применением после всех расчётов необходимые настройки забиваются в систему.

Рисунок 1 – Схема водоподготовки на ТЭЦ

Первый этап.

 

Вода для ТЭЦ может быть из самых разных источников, поэтому в ней зачастую присутствует много механических загрязнений. Их присутствие в воде недопустимо по нескольким причинам. Во-первых, это загрязнение, которое не должно находится в очищенной воде. Во-вторых, наличие механических примесей значительно сокращает срок службы элементов фильтрации. Все фильтры в последующих этапах очистки предназначены для удаления мелких примесей, и являются тонкой очисткой. Поэтому при первом этапе очищения используются фильтры грубой очистки. Они представляют собой очистительный элемент с крупной сеткой, способной задерживать большую грязь.

Второй этап.

В следующем этапе очистки избавляются от солей жёсткости. Именно молекулы кальция и магния выпадают в осадок при кипячении в виде накипи. Умягчение воды является важным процессом, здесь могут применяться несколько методов (зависит от качества исходной воды, расхода и других факторов). Обычно умягчение происходит посредством ионных установок или с помощью электромагнита. Суть в ионозамещении молекул кальция, магния, железа или других примесей на ионы натрия.

Третий этап.

Третий этап водоподготовки заключается в осветлении воды (используются несколько видов фильтров). Преимущественно применяется химический метод очищения. В итоге вода должна содержать не более 10 мкг примесей на один литр. На этом же этапе происходит предочистка сточных вод. Так как в системах используют метод с добавлением химических веществ, сбрасываемая вода имеет свои нормативы по составу и концентрации реагентов. На этом этапе корректируется состав воды под необходимый.

Четвертый этап.

Последний этап очистки — удаление растворённых газов. Обычно это кислород, углекислый газ и другие. Они либо изначально присутствуют в воде, либо появляются в процессе очищения. Для этого устанавливают системы декарбонации. После дегазирования воду можно использовать.

Методы умягчения воды

Для умягчения воды на разных станциях используют разные методы. Это может быть реагентный способ, ионозамещение или магнитное очищение.

Реагентный способ проводится с использованием химикатов. Вещества добавляют в водный поток, происходит реакция и соли жесткости выпадают в осадок. Данный способ не самый безопасный, но является одним из самых быстрых. Использование реагентов четко дозируется, в противном случае появляются вредные элементы, и возникает вероятность выхода из строя оборудования вследствие образования коррозии.

Электромагнитное очищение представляет собой систему на основе магнита. При действии магнитного поля соли жёсткости теряют прежнюю форму и вытягиваются. С увеличением мощности поля защитные свойства метода от накипи возрастают. Данный способ ценится своей неприхотливостью и длительностью работы, но для его действия необходим постоянный поток воды определенной температуры и определенной скорости.

Ионозамещение представляет собой процесс с использованием ионной смолы (маленькие гранулы с ионами натрия). При взаимодействии с водой происходит распад смолы. Соли жёсткости прилипают к ней, а освободившиеся ионы натрия безвредны. Таким способом очищается вода не только от минералов кальция и магния, но и от всех других примесей. Данный метод, не смотря на все удобства, является весьма недешевым. [4, 5]

Системы автоматизации водоподготовки

При автоматизации систем водоподготовки ТЭЦ (теплоэлектроцентраль), ГРЭС (Государственная районная электрическая станция), АЭС (атомная электростанция) на первое место встает долговечность, надежность, а также безопасность эксплуатации перечисленных объектов, которую обеспечивает контроль водно-химического режима на объектах, генерирующих электрическую энергию и тепло. Химические показатели воды являются признаком ее качества, поэтому за ними тщательно следят лаборатории, которые занимаются анализом, либо автоматизированные приборы химического контроля. При этом на качество анализов влияет технический уровень автоматизированной системы водоподготовки.

Рисунок 2 – Схема водоподготовительной установки (ВПУ) на Ростовской ТЭЦ-2

При процессе водоподготовки необходимы системы автоматического контроля и регулирования.

Система автоматического контроля предназначена для контроля за ходом какого-либо процесса. Такая система включает датчик, усилитель, принимающий сигнал от датчика и передающий его после усиления на специальный элемент, который реализует заключительную операцию автоматического контроля (представление контролируемой величины в форме, удобной для наблюдения или регистрации). В качестве исполнительного элемента могут служить сигнальные лампы или звуковые сигнализаторы. Систему с такими элементами называют системой сигнализации. В систему автоматического контроля могут входить и другие элементы - стабилизаторы, источники питания, распределители и т. д.

Система автоматического регулирования поддерживает регулируемую величину в заданных пределах. Это наиболее сложные системы автоматики, объединяющие функции автоматического контроля и управления. Составная часть этих систем - регулятор.

Автоматизация водоподготовки и внедрение СППИ (система подготовки проб и измерений), как часть автоматизации водоподготовки, позволяет высвободить дополнительное пространство в цехах, так как измерительный канал, устройство подготовки проб, электрохимические датчики и преобразователи, провода трубы не разнесены на большие расстояния, а скомпонованы в одном приборе. Система подготовки проб и измерений устраняет травмоопасные источники, минимизирует влияние человека на технический процесс и существенно сокращает затраты на создание и обслуживание системы автоматизации водоподготовки и химического контроля.

Автоматизированные системы управления водоподготовкой построены на контроллере и предназначены для подачи воды требуемого качества потребителям в необходимом количестве. Автоматизация водоподготовки управляет отстойниками, насосными и очистительными станциями.

Рисунок 3 - Схема водоподготовки для циркуляционного контура охлаждения пресс-форм

Система автоматизации водоподготовки должна выполнять следующие управляющие и информационные функции:

управление работой электродвигателей насосов и контроль их состояния;

контроль уровня воды в отстойниках;

автоматическое поддержание нужного давления воды;

измерение и регистрация необходимых параметров;

архивирование информации, возможность просмотра данных в указанный промежуток времени.

Автоматизация водоподготовки существенно облегчает работу по очистке и подаче воды. На станциях оператора отображаются технологические и информационные параметры:

давление, температура, расход воды потребителям цеха;

уровень воды в резервуарах;

состояние фильтров;

перепад давления на фильтрах;

состояние насосов, компрессоров, вентиляторов, устройств маслосборочных, теплообменников;

положение и состояние задвижек, вентилей;

архивные значения датчиков;

сообщения об аварии, предупреждающие и технологические сообщения.

Системы водоочистки и водоподготовки имеют сложные решения и множество характеристик. Экономический эффект от внедрения системы водоподготовки выражается в следующем:

упрощение технического обслуживания системы автоматизации;

повышение ее надежности;

оперативное выявление причин аварий и сокращение времени простоя оборудования, занятого в производстве.

Технологический процесс автоматизации водоподготовки построен на контроллерах. Весь процесс отображается на панелях. Визуализация может происходить через ПК. [2, 4, 6]

Функции средств автоматизации

Реализуемые функции средств автоматизации:

автоматический контроль всех необходимых параметров (информационный контроль);

технологическую сигнализацию;

автоматические защиты;

автоматические блокировки;

дистанционное управление;

автоматическое управление (автоматическое регулирование).

Автоматический контроль

Автоматический контроль параметров подразумевает измерение тех величин, которые характеризуют правильное ведение технологического процесса, а также тех величин, которые необходимо регулировать. В теплоэнергетике к таким параметрам обычно относится давление различных сред, их расход, уровень жидких и сыпучих сред, температура сред, концентрация каких-либо компонентов в жидкостях или газах и т.п. Для измерения этих параметров выпускаются различные контрольно-измерительные приборы. Контрольно-измерительные приборы могут быть установлены по месту (на трубопроводах, у оборудования и т.п.) и на щитах контроля и управления, которые для удобства наблюдения за ходом процесса обычно выносятся на расстояние от работающего оборудования. Основная масса приборов выносится на щиты и называется вторичными измерительными приборами. Первичными приборами являются датчики для измерения параметров с преобразователями различного типа для передачи показаний на расстояние (к вторичным измерительным приборам и регуляторам).

Датчики обычно имеют в своем составе чувствительный элемент и один или несколько преобразователей. Чувствительные элементы отличаются в зависимости от измеряемого параметра. Преобразователи переводят сигналы от чувствительного элемента в вид энергии (обычно электрической), удобной для дистанционной передачи показаний. В настоящее время выпускаются датчики с унифицированными нормированными выходными сигналами. В качестве унифицированных сигналов чаще используются токовые сигналы (0–5 mА; 4–20 mА) или по напряжению.

Измерение давления.

В качестве чувствительного элемента используются одновитковые и многовитковые трубчатые пружины, мембраны, сильфоны, которые переводят сигнал по давлению в перемещение. Для преобразования сигналов перемещения h в электрический вид используются реостатные, индукционные, дифференциальнотрансформаторные, ферродинамические, тензометрические преобразователи и т.п.

Рисунок 4 – Датчик давления

Рисунок 5 - Схема построения датчика давления:

1 — сильфон (чувствительный элемент); 2 — рычаг преобразователя; 3 — реостатный преобразователь (2 и 3 — преобразователь); — диапазон изменения давления; — диапазон перемещений сильфона; — диапазон изменений выходного электрического сигнала

Пример построения датчика давления с сильфоном в качестве чувствительного элемента показан на рисунке 5. Аналогично строятся датчики для измерения напоров и разряжений.

Измерение расходов.

Существуют различные способы измерения расходов жидкостей: по перепаду давления на диафрагме, вихревые расходомеры, ультразвуковые, электродинамические и т.п. До сих пор наиболее распространенным и надежным способом измерения является измерение расходов газов и жидкостей с помощью диафрагм, установленных в трубопроводы. Расчет массовых расходов удобно производить по формулам:

(1)

(2)

Формула (2) позволяет рассчитывать расходы только по перепаду давления, если давление и температура среды равны тем значениям, которые были заданы при расчете диафрагмы. Если давление и температура среды будут отличаться от расчетных значений, то необходимо вводить поправку на изменение плотности среды (формула (1)). В настоящее время появилась возможность точного измерения расхода при переменных давлениях и температурах сред по формуле (1) при цифровых измерениях. В формулу вводится выражение для расчета плотности (газа, пара, жидкости).

Датчиками для измерения перепада давления служат дифференциальные манометры (ДМ), «Сапфир 22-ДД», «Сапфир 22-ДР», «Метран» и др.

Рисунок 6 - Датчик для измерения перепада давления «Метран»

Измерение уровня жидкости.

Для измерения уровня жидкостей обычно используется перепад давления, создаваемый разностью столбов жидкостей в импульсных линиях, который измеряется датчиками перепада давления. Один уровень делается постоянным, а другой — переменным (уровень воды в барабане парового котла, в деаэраторах, в баках). Существуют и другие методы измерения уровня жидкости, которые используются на конкретном оборудовании.

Измерение концентраций.

Датчиками для измерения концентраций служат специально создаваемые устройства, которые используются только для того физико-химического процесса, который заложен в метод измерения. Какого-либо единого способа измерения концентраций нет.

В котельной технике обычно необходимо измерять концентрацию солей в котловой воде и концентрацию кислорода в дымовых газах. Работа датчика концентрации солей в котловой воде (солесодержание котловой воды) основана на изменении электропроводимости воды в зависимости от содержания солей. А для измерения концентрации свободного кислорода в дымовых газах в настоящее время используется электрохимический датчик (ЭХД).

Технологическая сигнализация

Технологическая сигнализация служит для оповещения персонала о происшедших изменениях в режимах работы оборудования. Она подразделяется на основные виды:

контрольную;

предупредительную;

аварийную.

Контрольная сигнализация оповещает персонал о включениях, отключениях или переключениях в работе того или иного оборудования. Сигнализация световая. Контрольная сигнализация всегда сопровождает действия дистанционного управления.

Предупредительная сигнализация предупреждает персонал о возникших отклонениях в режиме работы оборудования, которые могут привести к аварии. Она срабатывает обычно по отклонению параметров до 1-го допустимого предела. Сигнализация может быть световая и звуковая. Примером предупредительной сигнализации служит ее срабатывание по отклонению уровня воды в барабане котла до 1-го допустимого предела ( = (±70) мм от нормального).

Аварийная сигнализация оповещает персонал о том, что сработала автоматическая аварийная защита, отключившая основное оборудование. Эта сигнализация также световая и звуковая.

Автоматические защиты

Автоматические защиты предназначены для защиты работающего оборудования от возникновения аварий. Они подразделяются на два вида:

локальные (или местные) защиты;

основные (или аварийные) защиты.

Локальные защиты включают, отключают или переключают часть работающего оборудования при отклонении некоторых параметров за допустимые пределы. Основное оборудование продолжает работать. При восстановлении параметра локальные защиты отключаются.

Основные (аварийные) защиты отключают основное оборудование, предотвращая развитие аварий. Задачей срабатывания аварийной защиты является отключение подачи энергии на основное оборудование (электроэнергии, топлива и т.п.).

Автоматические блокировки

Автоматические блокировки предназначены для защиты оборудования от неправильных действий персонала. Они подразделяются на два вида:

запретно-разрешающие блокировки;

аварийные блокировки.

Запретно-разрешающие блокировки предназначены для защиты оборудования при ручных запусках всего оборудования в работу и ручных отключениях.

Аварийные блокировки производят автоматически (без участия персонала) все необходимые действия по полному останову оборудования после срабатывания аварийной защиты. [7]

Автоматическое управление установками водоподготовки

Микроконтроллер серии ПВО-УУВ-01

Микроконтроллер ПВО-УУВ-01 предназначен для использования в процессах водоподготовки. Он позволяет управлять двумя электрическими исполнительными устройствами и двумя слаботочными устройствами.

Рисунок 7 - Микроконтроллер ПВО-УУВ-01

Исполнительное устройство включается при наличии расхода воды. В качестве такого исполнительного устройства обычно используется дозирующий насос для подачи окислителей, коагулянтов, кислот, щелочей и т.д., компрессор для аэрации воды, ультрафиолетовая лампа для обеззараживания воды. На экране устройства отображается текущий расход воды с корректировкой по наработке, таймер обратного отсчета с момента прихода последнего импульса от расходомера, состояние входа. Светодиодные индикаторы расположенные на плате устройства отображают состояния выходных реле.

Одновременно к устройству может быть подключено до четырёх устройств с использованием в произвольной комбинации и два дозирующих насоса. В модификации ПВО-УУВ-01 один дозирующий насос и любое устройство обработки информации с аналоговым входом (4-20мА или 0-20мА).

1.1.	Напряжение питания переменного тока	200-250 В/ 50 Гц
1.2.	Собственная потребляемая мощность, Вт	1
1.3.	Мощность нагрузки силовых цепей (силовое реле)	230 В/ 5А
1.4.	Мощность нагрузки силовых цепей (оптореле), мА	100
1.5.	Токовый выход, мА (погрешность, %)	0-5 мА (5%) 0-20 мА (5%) 4-20 мА (5%)
1.6.	Температура окружающей среды,	От -5 до +40
1.7.	Степень пылевлагозащиты	IP65

Таблица 1 – Основные технические характеристики микроконтроллера ПВО-УУВ-01

Микроконтроллер серии ПВО-УУВ-01(02) представляет из себя микропроцессорную плату с силовыми и слаботочными реле, со светодиодными индикаторами, отображающими своё состояние, экраном и др. элементами, установленными внутри герметичного корпуса (Рисунок 8). На плате установлены самозажимные клеммные соединения для подключения исполнительных устройств или дублированию сигнала другому оборудованию (Например, контроллеру верхнего уровня или насосу дозатору). В памяти микроконтроллера записана программа с алгоритмом работы. [8, 9]

Рисунок 8 - Схема подключения питания и релейных входов и выходов устройства ПВО-УУВ-01

Заключение

Водоподготовка — это комплекс мероприятий, осуществляемый для приведения качества воды в соответствие действующим регламентам и стандартам. Необходимость его обусловлена тем, что добываемая из природных источников вода по химическому составу, бактериологическим и органолептическим свойствам непригодна для употребления внутрь, а также для бытового и промышленного использования.

Современные системы водоподготовки устанавливаются как на водозаборных станциях, так и у конечных потребителей (жилые помещения, производственные объекты и т.д.). Они различаются по масштабу, конструкции, принципу действия, стоимости, прочим факторам. Для удаления песка и глины применяются сетчатые фильтры, деминерализация проводится фосфатированием и термохимической обработкой, обесцвечивание делается с помощью абсорбентов и окислителей, бактерицидное и ультрафиолетовые излучения избавляют от вредных микроорганизмов и т.д.

Повышенные требования к качеству воды, поступающей для пи­тания паровых котлов или подпитки теплосети, вызывают усложне­ния цикла водоподготовки, особенно в тех случаях, когда источни­ком водоснабжения являются поверхностные источники.

Наряду с регулированием таких процессов, как подогрев исход­ной воды или поддержание постоянного уровня в баках декарбонизированной воды, возникают задачи, связанные с автоматизацией работы осветлителей и программным управлением процессом восста­новления фильтров (механических, Н- или Nа-катионитовых).

Список использованной литературы

Системы автоматики: системы автоматического контроля, управления и регулирования

http://electricalschool.info/automation/1482-sistemy-avtomatiki-sistemy.html

(Дата обращения: 15.10.20)

Автоматизация водоподготовки

https://mos-voda.ru/promyshlennaya-vodopodgotovka/avtomatizatsiya-vodopodgotovki/

(Дата обращения: 25.10.20)

Комплексная автоматизация систем водоподготовки

https://stydopedia.ru/2xb558.html

(Дата обращения: 24.10.20)

Что такое водоподготовка и для чего она нужна?

https://water2000.ru/articles/1350/

(Дата обращения: 9.10.20)

Водоподготовка на ТЭЦ: назначение и основные методы.

https://vagner-ural.ru/o_kompanii/stati-po-vodoochistke/vodopodgotovka-na-tec-naznachenie-i-osnovnye-metody/

(Дата обращения: 17.10.20)

Автоматическое регулирование процессов водоподготовки.

https://helpiks.org/5-103945.html

(Дата обращения: 18.10.20)

Голдобин, Ю.М. Автоматизация теплоэнергетических установок: учеб. пособие / Ю.М. Голдобин, Е.Ю. Павлюк. — Екатеринбург: УрФУ, 2017.— 186 с.

Контроллеры. Управление установками водоподготовки

https://prom-water.ru/catalog/vodopodgotovka/kontrollery_upravlenie_ustanovkami/

(Дата обращения: 27.10.20)

Автоматизация водоподготовки: некоторые аспекты

https://www.bwt.ru/useful-info/avtomatizatsiya-vodopodgotovki-nekotorye-aspekty/

(Дата обращения: 11.10.20)

Код для цитирования: Скопировать