УДК 620; 621; 681
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-382-383
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АСУТП ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЙ И ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
С.Л. Горобченко, Д.А.Ковалёв, Ю.И. Беленький, А.В. Андронов, В.А. Соколова, Д.А. Нестеров
Рассматриваются подходы к формированию АСУТП и ее функциональных подсистем для энергетических установок различных отраслей. Особенное внимание уделено АСУТП в промышленной и тепловой энергетике, включая АСУТП энергоблоков, АСУТП котлоагрегатов, АСУТП турбоагрегатов энергоблоков, газотурбинных агрегатов, котлов-утилизаторов, общестанционного оборудования и печей, а также АСУТП энергетических установок, применяемых в промышленном производстве. Показаны особенности формирования функциональных подсистем АСУТП для различных участков энергетических установок в зависимости от требований и выполняемым задачам. Показано, что развитость функций, а также их стандартизация и единообразное применение в разрабатываемых ПТК является важной частью совершенствования АСУТП и достижения важнейших технико-экономических показателей.
Ключевые слова: АСУТП, функциональные подсистемы, энергетические установки, АСУТП энергоблоков, АСУТП котлоагрегатов, АСУТП турбоагрегатов, АСУТП газотурбинных агрегатов, АСУТП котлов-утилизаторов, АСУТП печей, модели функций, стандартизация функций.
Рост сложности задач, повышение требований стабильности технологического процесса, а также к оперативности принятия решений приводят к необходимости дальнейшего развития автоматизированного управления в промышленной и тепловой энергетике. Этому способствуют появление новых алгоритмов автоматического управления, математических и экономико-математических моделей, а также непрерывное совершенствование средств вычислительной и телекоммуникационной техники.
Главной задачей автоматизированных систем управления является повышение эффективности управления объектом на основе увеличения производительности труда и модернизации методов планирования процесса управления. Тем не менее, несмотря на значительные затраты на создание, внедрение и поддержание АСУТП, в конечном итоге все затраты окупаются, повышается производительность оборудования и качество выпускаемой продукции.
В статье освещены вопросы формирования функциональных подсистем для АСУТП различных отраслей и ставится задача определения наилучшей конфигурации реализации и развертывания функций для оптимизации уровня АСУТП различного применения.
АСУТП в промышленной и тепловой энергетике. Основу современной энергетики составляют крупные тепловые электростанции (ТЭС), производственные и отопительные котельные, системы теплоснабжения производственных, административных и жилых зданий, системы воздухоснабжения, производства кислорода для нужд предприятий, холодильные установки различного назначения, сушильные установки и т.п. [1, 2].
Трудоемкие процессы, связанные с производством и распределением тепловой и электрической энергии, как на современных ТЭС, так и в других отраслях промышленной теплоэнергетики, в основном механизированы, и труд оператора состоит в том, чтобы управлять машинами, механизмами и установками (перемещать регулирующие органы, включать или отключать оборудование и т.п.) и наблюдать за их работой непосредственно или по контрольно-измерительным приборам. Однако даже полная механизация круглосуточно работающего энергетического оборудования не избавляет оператора от утомительного и однообразного труда по управлению основным и вспомогательным оборудованием и не гарантирует их надежной и экономичной работы даже при высокой квалификации эксплуатационного персонала. Это обусловило активное развитие автоматизации в энергетике.
Автоматизация теплоэнергетического оборудования осуществляется с помощью средств системы управления, выполняющих следующие функции:
• автоматический контроль (измерения) текущих значений параметров технологического процесса;
• технологическая сигнализация о состоянии основного и вспомогательного оборудования;
• автоматическая защита основного и вспомогательного оборудования от возможных повреждений в процессе эксплуатации;
• дистанционное управление машинами и механизмами на расстоянии;
• автоматическое непрерывное регулирование технологических процессов и управление основными и вспомогательными механизмами;
• автоматическое дискретное управление включением или отключением регуляторов, машин, механизмов и установок в заданной последовательности. Перечисленные функции выполняются подсистемами управления [12]. Общая схема распределения задач АСУТП в энергоблоке приведена на рис. 1.
Рассмотрим функциональные особенности АСУТП отдельных теплоэнергетических установок.
АСУТП для котлоагрегатов. АСУТП для котлоагрегатов применяется для создания АСУТП паровых, водогрейных и энергетических котлоагрегатов различной мощности, а также другого оборудования котельных и тепловых электростанций. Центральным элементом АСУТП является ПТК - программно-технический комплекс. ПТК предназначен для контроля и управления котлоагрегатом во всех режимах работы, реализации технологических защит и блокировок (ТЗ и ТБ), автоматизации процессов горения, регулирования различных параметров и повышения эффективности работы котлоагрегата, экономии применяемого топлива. С помощью ПТК решается задача приведения оборудования и автоматики в соответствие с «Правилами безопасности систем газораспределения и газопотребления» и другими нормативно-техническими документами.
Функциональные подсистемы АСУТП включают в себя следующие элементы и задачи:
измерение аналоговых параметров и ввод дискретных сигналов, представление пользователю информации о состоянии котлоагрегата в виде графических мнемосхем, таблиц и графиков (трендов), автоматизированное формирование необходимых отчетов;
предупредительная и аварийная сигнализация;
регистрация значений выбранных технологических параметров, аварийных ситуаций, событий, действий операторов;
дистанционное управление технологическим оборудованием, опробование исполнительных механизмов и каналов технологических защит;
автоматизированный пуск котлоагрегата: ввод необходимых технологических защит и блокировок, приведение всего оборудования котла в исходное состояние, проверка на закрытие клапанов и заслонок, проверка работоспособности датчиков, проверка общекотловых параметров на «норму», вентиляция топки котла и др.;
автоматизированное управление горелками (розжиг и отключение горелок по решению оператора); автоматические технологические защиты и блокировки - защиты, действующие на останов котла, и локальные защиты, действующие на останов газового блока или отдельной горелки;
автоматическое регулирование теплотехнических параметров котлоагрегата;
автоматизированный плановый останов котла (для многогорелочных котлов - после отключения всех горелок по решению оператора);
аварийный останов котла (по срабатыванию защит или по нажатию кнопки);
настройка шкал аналоговых датчиков, настройка коэффициентов регуляторов, задание режимной карты; аутентификация пользователей и администрирование доступа к функциям системы;
тестирование и самодиагностика работоспособности и правильности функционирования вычислительных устройств и каналов ввода/вывода [12].
Рис. 1. Общая схема распределения задач АСУТП энергоблока
Эффект достигается за счет:
автоматического контроля и регулирования теплотехнических параметров котлоагрегата (в т.ч. реализации функций главного регулятора - поддержания давления в паровой магистрали ГРЭС); автоматического управления отсечной и запорной арматурой; своевременной световой и звуковой предупредительной и аварийной сигнализации; автоматической диагностики работы оборудования и средств связи [12].
АСУТП для турбогенераторов, газотурбинных агрегатов, котлов-утилизаторов, общестанционного оборудования. АСУТП для турбоагрегатов энергоблоков, газотурбинных агрегатов, котлов-утилизаторов, общестанционного оборудования применяется для обеспечения бесперебойной и надежной работы этих установок и оборудования. ПТК в них предназначен для автоматизированного контроля технологических параметров, управления и защит оборудования ТЭЦ, РТС, ГРЭС (турбоустановок в составе паровых турбин и турбогенераторов энергоблоков, газотурбинных агрегатов, котлов-утилизаторов, вспомогательного оборудования, обслуживающего турбину). АСУТП на базе ПТК может входить в состав общестанционной АСОДУ (АСУТП).
Функциональные подсистемы АСУТП имеют следующие базовые задачи:
циклический опрос всех технологических параметров, сравнение их с предупредительными и аварийными уставками;
циклический опрос и контроль в соответствии с заданным алгоритмом дискретных сигналов; индикация и регистрация текущих значений параметров;
регистрация срабатывания противоаварийных защит и блокировок с запоминанием первопричины. АСУТП для промышленного производства. АСУТП для основного производства может применяться для автоматизации основных технологических процессов в промышленности строительных материалов, химической, нефтехимической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. ПТК предназначен для контроля и управления различными технологическими процессами, реализации противоаварийных защит оборудования - для обеспечения безопасности процессов, повышения качества продукции, оптимизации процессов. Возможна передача данных в АСУП предприятия [3,4,5].
Функциональные подсистемы АСУТП служат для решения следующих задач: измерение технологических параметров и ввод дискретных сигналов;
визуализация технологических параметров и световая сигнализация рабочего состояния основного и вспомогательного оборудования, светозвуковая сигнализация предаварийных и аварийных ситуаций;
регистрация значений контролируемых параметров, состояния основного и вспомогательного оборудования, действий оператора;
дистанционное или автоматическое управление оборудованием (насосы, вентиляторы, мешалки, шнеки и
т.д.);
программно-логическое управление технологическими операциями;
автоматическое регулирование параметров технологических процессов (уровней в аппаратах, расходов, давлений, температур), блокировки аварийных ситуаций и защита оборудования;
контроль работоспособности измерительных каналов и каналов состояния;
администрирование пользователей по ограничению доступа по работе с системой, составление отчетов
[12].
АСУТП для печей. АСУТП может применяться для создания полномасштабных АСУТП технологических печей в нефтегазовой промышленности, туннельных печей, сушильных барабанов и т.п. в промышленности строительных материалов, газовых печей для термической обработки в различных отраслях промышленности. ПТК предназначен для контроля и управления печами во всех режимах работы, полной автоматизации процессов горения, повышения эффективности работы печей, исключения нежелательных перепадов температур, увеличения точности отслеживания температурного графика [6].
Функциональные подсистемы АСУТП имеют следующие задачи:
измерение, визуализация технологических параметров печи, ввод дискретных сигналов и световая сигнализация рабочего состояния основного и вспомогательного оборудования;
светозвуковая сигнализация предаварийных, аварийных ситуаций;
регистрация значений контролируемых параметров, состояния оборудования, действий оператора;
реализация алгоритмов регулирования и дистанционного управления и выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства;
автоматизированный пуск печи (ввод необходимых технологических защит и блокировок, приведение всего оборудования печи в исходное состояние, проверка на закрытие клапанов и заслонок, проверка работоспособности датчиков, вентиляция и др.);
автоматизированное управление горелками и плановый останов печи;
автоматическое регулирование теплотехнических параметров печи, технологические защиты и блокировки, аварийный останов печи [10,11].
Сравнение функциональных особенностей подсистем АСУТП различных энергетических и промышленных установок показывает, что большинство функций концентрируется вокруг основного теплового процесса и их развитость демонстрирует общие достижения в измерении, контроле, регулировании, регистрации и блокировках, требуемых для надежной и безопасной эксплуатации. В свою очередь, многие функции установок являются одинаковыми или близкими по характеру [7,8.9].
Наибольшее отличие видится в особенностях и специализации ведения теплового процесса, требованиях к обеспечению вспомогательных процессов, наличию больших или меньших требований к качеству измерений и типам аварийных ситуаций. Они, в свою очередь рождают более высокие или достаточные требования к развитости выполнения функций и их обеспечению техническими, программными и др. средствами, предлагаемыми АСУТП.
Таким образом, развитость функций для разных АСУТП энергетических установок играет важную роль в обеспечении надежной эксплуатации современных технологических систем. Преимущества совершенствования функциональных подсистем управления в промышленности могут быть огромными. К ним относятся улучшение качества продукции, снижение энергопотребления, минимизация максимальных затрат, повышение уровня безопасности и уменьшение загрязнения окружающей среды. Требования к экономичности, качеству, безопасности и экологической совместимости с внешней средой, получаемые при работе современных АСУТП, должны создавать модели развития функциям, изначально прорабатываемым для обеспечения этих целей. Для большей эффективности нужно стандартизировать функции и их техническое обеспечение, с общей направленностью на полную автоматизацию установок, что чаще всего выполняется на базе одного программно-технического комплекса (ПТК). И это необходимо учитывать при строительстве новых объектов теплоэнергетики [12].
Благодарности. Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентноспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
Список литературы
1. Кривоносов В.А. Автоматизация технологических процессов и производств. Методическое пособие. Старый Оскол, СТИ МИСиС, 2009. 60 с.
2. Об основных понятиях в автоматизированных системах управления технологическими процессами. https://ri1^.pro/osnovnye-ponjatija-v-avtomatizirovannyh-sistemah-upravlenija-tehnologicheskimi-processami.
3. Группа компаний «Комита» Автоматизированные системы управления. [Электронный ресурс] URL: http://comitagroup.ru/produkty-i-resheniya/avtomatizacziya/avtomatizirovannye-sistemy-upravleniya (дата обращения: 10.05.2023).
4. НИЕНШАНС АВТОМАТИКА. [Электронный ресурс] URL: http://dvteplo.ru/publication/avite2010-12(17)-y52u.pdf (дата обращения: 10.05.2023).
5. Daily online Ежедневные новости статья от 29 июля 2015. [Электронный ресурс] URL: https://dailyonline.ru/clauses/avtomatizirovannye-sistemy-upravleniya (дата обращения: 10.05.2023).
6. ARPRIME SOFTWARE Российский разработчик IT - систем для бизнеса. Классификация и уровни автоматизированных систем. [Электронный ресурс] URL: http://arprime.ru/avtomatizacia/klassifikaciya-i-urovni-avtomatizirovannyh-sistem (дата обращения: 10.05.2023).
7. Справочник по АСУТП. Стадии и этапы создания АСУТП. [Электронный ресурс] URL: https://automation-system.ru/spravochnik-inzhenera/32-glava5/226-5-2.html (дата обращения: 10.05.2023).
8. «ДИПЛАЙН» Инжиниринговая компания. Требования, предъявляемые к АСУТП и её разновидности. [Электронный ресурс] URL: http://diplinegroup.ru/novosti/trebovaniya,-predyavlyaemyie-k-asu-tp-i-ee-raznovidnosti.html (дата обращения: 10.05.2023).
9. ООО «Энерготест». Требования к АСУТП автоматизированным системам управления энергообъектами. [Электронный ресурс] URL: https://energocert.ru/asutp (дата обращения: 10.05.2023).
10. А. Восканьянц. Автоматизированное управление процессами прокатки. Учебное пособие. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2010. [Электронный ресурс] URL: http://wwwcdl.bmstu.ru/mt10/UTS/frames4-5.html (дата обращения: 10.05.2023).
11. TAdviser - портал выбора технологий и поставщиков. АСУТП - типовая структура. [Электронный ресурс] URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья: АСУ ТП - типовая структура (дата обращения: 10.05.2023).
12. Голдобин Ю.М., Павлюк Е.Ю. Автоматизация теплоэнергетических установок: учеб. пособие. Екатеринбург: УрФУ, 2017. 186 с.
Горобченко Станислав Львович, канд. техн. наук, sgorobchenko@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Высшая школа технологии и энергетики, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Ковалёв Дмитрий Александрович, канд. техн. наук, доцент, d.a.kovalyov@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Высшая школа технологии и энергетики, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Беленький Юрий Иванович, д-р техн. наук, 2000zalom@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Высшая школа технологии и энергетики, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, sokolova_vika@inbox.ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Андронов Александр Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, andronovalexandr@gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет,
Нестеров Дмитрий Александрович, преподаватель, nesterov-uln@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного
FUNCTIONAL FEATURES OF APCS OF ENERGY THERMAL AND INDUSTRIAL ENERGY INSTALLATIONS S.L. Gorobchenko, D.A. Kovalev, Yu.I. Belenky, A.V. Andronov, V.A. Sokolova, D.A. Nesterov
Approaches to the formation ofprocess control systems and its functional subsystems for power plants of various industries are considered. Particular attention is paid to process control systems in industrial and thermal power engineering, including process control systems for power units, process control systems for boiler units, process control systems for turbine units ofpower units, gas turbine units, waste heat boilers, general station equipment and furnaces, as well as process control systems for power plants used in industrial production. The features of the formation of functional subsystems of process control systems for various sections ofpower plants, depending on the requirements and tasks performed, are shown. It is shown that the development of functions, as well as their standardization and uniform application in the developed STC is an important part of improving the process control system and achieving the most important technical and economic indicators.
Key words: APCS, functional subsystems, energy installations, APCS of power units, process control system for boilers, APCS of turbine units, APCS of gas turbine units, PCS for waste heat boilers, process control systems for furnaces, function models, function standardization.
Gorobchenko Stanislav Lvovich, candidate of technical sciences, sgorobchenko@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Higher School of Technology and Energy, Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Kovalyov Dmitry Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, d.a.kovalyov@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Higher School of Technology and Energy, Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Belenky Yury Ivanovich, doctor of technical sciences, 2000zalom@gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, Higher School of Technology and Energy, Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Sokolova Victoriia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, leading researcher of the research laboratory, sokolova_vika@inbox.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Andronov Alexander Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, andronovalexandr@gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State Forest Technical University,
Nesterov Dmitry Aleksandrovich, lecturer, nesterov-uln@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Academy of Telecommunications by Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny