Примерно до середины 1980-х годов вопрос производства шкафов управления тепловыми процессами в основном решался обслуживающим персоналом, но по мере дальнейшего сокращения численности обслуживающего персонала в последующие годы и революционных изменений в информационных и управленческих системах благодаря широкому распространению компьютеров, этот вопрос и его актуальность для шкафов автоматического управления стали все более важными.
Этому также способствовал переход от аналоговых (в основном ПИД-регуляторов) к цифровым и более сложным системам управления и автоматизации (например, многопараметрическое управление, идентификация системы, адаптивное управление, робастное управление, управление на основе экспертных систем, управление на основе искусственных нейронных сетей и управление на основе нечеткой логики), включая мониторинг. Более подробно это описано в источниках по темам «Парогенераторы и парораспределительные сети» и «Автоматизация и управление системами ОВК».
По мере увеличения интеграции тепловых процессов, как по количеству задействованных систем (с использованием возможностей, предоставляемых современными технологиями), так и во времени (то есть, производство, эксплуатация и демонтаж), что приводит к все более широкому обмену информацией (включая информацию о самой системе) между операторами, производителями и другими участниками на протяжении всего жизненного цикла, этот вопрос о проектировании и сборке шкафов автоматического управления станет сложнее всего остального.
Тепловые процессы. Тепловые генерирующие установки
В промышленности используются три основных типа тепловых процессов:
• Тепловые электростанции, использующие ископаемое или ядерное топливо, биомассу, солнечную энергию или геотермальное тепло Земли и т. д., для производства пара, механической энергии и, в конечном итоге, электроэнергии.
• Процессы отопления и охлаждения, кондиционирования воздуха, включая централизованное теплоснабжение паром — или сегодня, в основном, сети горячего водоснабжения — с использованием тех же источников тепла, что и выше.
• Нагрев и охлаждение материальных потоков с помощью физических и/или химических процессов, например, в химической, керамической или металлургической промышленности, с использованием горячей воды, пара, горячего воздуха, топлива или электричества для нагрева и холодной воды, воздуха и т. д. для охлаждения.
Первый тип — это, прежде всего, процесс преобразования энергии, а второй и третий типы — это, в основном, процессы применения и производства соответственно. Очень часто как минимум два из вышеупомянутых вариантов взаимосвязаны, что, конечно, усложняет разработку шкафов управления, но помогает экономить энергию; примером является совместное производство электроэнергии и тепла для централизованного теплоснабжения или охлаждения материалов и отопления заводских зданий.
Одним из главных вопросов в шкафах управления тепловыми процессами является контроль значений теплоаккумуляторов. Обычно это касается температуры или давления в системе, например, в случае насыщенного пара, или концентраций (влажности и т. д.), которые должны поддерживаться постоянными или изменяться определенным образом путем соответствующих изменений входных параметров системы (в основном, расхода топлива, тепла и/или массы) в соответствии с изменяющимися выходными параметрами (в основном, расходом тепла и массы) или желаемым изменением значения емкости накопителя.
Расход топлива и воздуха может изменяться с помощью клапанов и заслонок; другие возможности включают изменение скорости насосов и вентиляторов. Вышеуказанные переменные необходимо контролировать во время запуска, непрерывной работы при различных нагрузках, остановки и в аварийных ситуациях. Главной проблемой во время запуска и остановки обычно является время, необходимое для этих операций. Это время должно быть минимизировано для экономии средств, но без возникновения, например, термических напряжений, которые приведут к неприемлемому сокращению срока службы чувствительных компонентов.
Во время непрерывной работы основной проблемой является эффективность; Например, в парогенераторе температура и давление должны поддерживаться на уровне, близком к предельным значениям, но при этом не превышать их, чтобы избежать перенапряжения материала. Кроме того, необходимо учитывать требования охраны окружающей среды (то есть, ограничения по выбросам), и, конечно же, всегда должна гарантироваться безопасная эксплуатация. Как правило, все установки можно эксплуатировать вручную, как во время пусконаладочных работ, так и после них. Однако шкафы управления все чаще полностью автоматизируются и иногда контролируются через Интернет, так что в течение нескольких часов или дней присутствие человека не требуется.
Основные компоненты тепловых электростанций
Основными компонентами тепловых электростанций, таких как паросиловые установки, парогазовые циклы, атомные электростанции, системы централизованного теплоснабжения, системы кондиционирования воздуха, а также химических, керамических, стекольных, цементных и сталелитейных предприятий, являются:
• Все типы рекуперативных и регенеративных теплообменников (с параллельным, противоточным или поперечным потоком и кондуктивным, конвективным и/или радиационным теплообменом; предварительные подогреватели, испарители, перегреватели, повторные подогреватели, воздухонагреватели и т. д.).
• Аналогичные устройства массопереноса различной конструкции, например, фильтры, сепараторы, установки для удаления оксидов азота (DeNOx), оксидов кислорода (DeSOx), водоочистные установки.
• Устройства для обеспечения и контроля массового расхода, такие как насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, приводимые в движение в основном электродвигателями или, в некоторых случаях, паровыми турбинами (например, насосы подачи воды в парогенераторах), или только для регулирования массового расхода, такие как клапаны, заслонки с электрическими или гидравлическими приводами.
• Различные типы источников тепла: печи для газа, нефти, угля, биомассы, отходов с горелками, колосниковыми решетками, псевдоожиженными слоями и т. д.; ядерные реакторы, электрорезистивный нагрев и т. д.
• Сосуды (под давлением), трубы, воздуховоды, силосы, бункеры, желоба и т. д. для хранения и транспортировки массы (включая, конечно, энергию и концентрации специальных веществ).
• Изоляция для снижения тепловых потерь.
• Паровые и газовые турбины, двигатели, паровые моторы и т. д. для преобразования энергии (производства электроэнергии).
• Электрогенераторы, топливные элементы, трансформаторы, выключатели и другое электрооборудование, например, для производства электроэнергии, автоматизации и управления.
Измерительные приборы
В тепловых процессах для измерения температуры, давления, массового расхода, концентраций (особенно, например, для систем сжигания O2, CO, CO2, SO2, NOx и концентрации летучей золы), уровней, напряжения, силы тока, частоты, напряжения, деформации и т. д. используются практически все типы приборов, подключаемых к шкафам управления. Такие измерения применяются для контроля нагрузки, предельных значений температуры и давления, выбросов загрязняющих веществ, расчета энергетического и массового баланса, расчетов эффективности, расчетов таких параметров, как расход топлива, выработка электроэнергии, затраты и срок службы, а также, что немаловажно, для программируемой логики и управления.