Automatizarea proceselor termo-energeticeCurs 1
Conf.dr.ing. Ioana Făgărăşan
Universitatea “POLITEHNICA" Bucuresti,
Facultatea de Automatica si Calculatoare
2
Obiective
� Studierea automatizarii instalatiilor existente intr-o centralatermoelectrica, in corelatie cu disciplinele ce trateaza :
o Instalatiile tehnologice dintr-o centrala termoelectrica ;o Sisteme de reglare automate
� Se examineaza structura de baza a buclelor de reglare (tipuri de� Se examineaza structura de baza a buclelor de reglare (tipuri deregulatoare, actionari si traductoare), urmand ca sa se evidentieze, infunctie de complexitatea instalatiilor si de performantele cerute infunctionarea acestora, buclele de reglare si protectiile aferente instalatiilorexistente intr-o centrala termoelectrica
� Prezentarea conceptelor de conducere ierarhizata cu exemplificare peconducerea centralelor electrice si incadrarea acestora in conducereasistemului energetic
3
Bibliografie
� ILIESCU S.St., Ioana FĂGĂRĂ�AN – Automatizarea centralelorelectrice, Ed. Printech, 2005, Bucuresti.
� ILIESCU S.St., Teoria reglării automate, Ed. PROXIMA, Bucureşti2006, ISBN 973-7636-15-5
� MIHOC D., ILIESCU S.St., FĂGĂRĂ�AN Ioana, ŢĂRANU Gh.,Conducerea şi automatizarea instalaţiilor energetice, 110 pagini,Editura Printech, Bucureşti, ISBN (10) 973-718-497-1, ISBN (13) 978-973-718-497-9 , 110 pg., 2006
� MIHOC D., ILIESCU S.St., FĂGĂRĂ�AN Ioana, ŢĂRANU Gh., MATEIG., Automatizări electro- şi termoenergetice, Ed. PRINTECH,Bucureşti, ISBN: 978-973-718-936-3, 180 pg., 2008;
4
Ce este automatizarea?
� Automatizarea unui proces presupune alegerea si dimensionareacelor mai eficiente mijloace tehnice care asigura desfasurarea procesuluiin conformitate cu cerintele de performanta impuse.
�Adoptarea unei solutii adecvate de automatizare presupune:
o cunoasterea cat mai completa a evolutiei procesului;o cunoasterea cat mai completa a evolutiei procesului;
o cunoasterea restrictiilor tehnologice in care acesta evolueaza;
o proiectarea si alegerea unei solutii atat ca structura conceptuala,cat si ca echipamente de automatizare care sa permita conducereaprocesului dupa strategii prestabilite, asigurandu-se functionareaechipamentelor la parametrii doriti, cu satisfacerea criteriilor deperformanta impuse intregului sistem de conducere.
5
Cuprins:
1. Introducere in automatizari
2. Caracterizarea generala a proceselor energetice
2.1. Elemente de teoria sistemelor automate.
2.2. Sisteme cuplate rigid la iesire.2.2. Sisteme cuplate rigid la iesire.
3. Procese si instalatii intr-o termocentrala
Principalele circuite si agenti de lucru. Clasificari.
Cerintele impuse SRA dintr-o termocentrala.
Influenta circuitului termic al centalei asupra conditiilor impuseautomatizarii.
6
Cuprins:
4. Automatizarea cazanelor de abur.
4.1. Consideratii generale
4.2. Automatizarea cazanelor de abur cu circulatie naturala (cu tambur)
4.2.1. Cazanul de abur ca obiect reglat
4.2.2. Reglarea automata a procesului de ardere4.2.2. Reglarea automata a procesului de ardere
4.2.3. Reglarea automata a alimentarii cu apa.
4.2.4. Reglarea automata a temperaturii aburului supraincalzit.
4.2.5. Reglarea automata a purjei.
4.3. Automatizarea cazanelor de abur cu strabatere fortata
4.3.1. Cazanul de abur ca obiect reglat
4.3.2. Reglarea automata a procesului de ardere si a alimentarii cu apa
4.3.3. Reglarea automata a temperaturii aburului supraincalzit
7
Cuprins:
5. Automatizarea turbinei si a instalatiilor anexe
5.1. Turbina de abur ca obiect reglat
5.2. Reglarea automata a turbinelor cu abur
5.3. Automatizarea instalatiilor aferente turbinelor cu abur
5.3.1. Reglarea automata a presiunii aburului la labirinti
5.3.2. Reglarea automata a condensatorului 5.3.2. Reglarea automata a condensatorului
5.3.3. Reglarea automata a PIP si PJP
6. Automatizarea instalatiilor interne din centrala
6.1. Automatizarea instalatiilor de alimentare cu combustibil
6.2. Automatizarea degazorului
6.3. Automatizarea SRR
6.4. Automatizarea instalatiilor de prepararea apei de adaos
8
Cuprins:
7. Automatizari electroenergetice in centrale electrice
7.1. Reglarea automata a tensiunii si puterii reactive
7.2. Reanclansarea automata rapida (RAR)
7.3. Sincronizarea automata
8. Subsistemul de conducere dintr-o centrala electrica8. Subsistemul de conducere dintr-o centrala electrica
8.1. Concepte de conducere
8.2. Functiile sistemului de conducere
8.3. Sisteme de protectie, blocaj, comanda si semnalizare
8.4. Structuri de conducere.
9
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Definitii
Automatica este ramura stiintei care se ocupa cu studiulmetodelor si mijloacelor prin intermediul carora se asigura conducereaproceselor tehnice, fara interventia directa a operatorului uman.
Implementarea practica a acestor principii, metode si mijloace deconducere a proceselor se numeste automatizare.
Automatizarea proceselor industriale presupune introducereadispozitivelor de reglare automata, comanda automata, protectie sisupraveghere. Dispozitive care asigura indeplinirea functiilor deconducere a instalatiei automatizate.
10
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Dispozitivele de reglare
sesizeaza continuu (masoara)
marimea reglata, o compara cu o
alta marime, marimea de referinta
(sau de conducere) si în functie de
rezultatul acestei comparatii se
intervine în sensul aducerii marimii
SUPRAVEGHERE
REGLAREBloc
amplificare
Bloc culegere si
prelucrare primara a intervine în sensul aducerii marimii
reglate la valoarea celei de
referinta. Modul de actiune mai
sus mentionat are loc într-un
circuit închis numit si bucla de
reglare. Reglarea automata se
realizeaza fara participarea
omului, cu ajutorul regulatoarelor
automate.
COMANDA
PROTECTIE
amplificare
si executie
prelucrare primara a
informatiilor din
proces
PROCES
Procesul de automatizat si sistemul de
conducere a proceselor
11
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Dispozitivele de comanda
influenteaza marimile de iesire, în
functie de marimile de intrare, pe
baza legitatilor specifice
sistemului. O caracteristica a
procesului de comanda este
evolutia lui în circuit deschis,
SUPRAVEGHERE
REGLAREBloc
amplificare
Bloc culegere si
prelucrare primara a evolutia lui în circuit deschis,
printr-un element de transfer
individual sau printr-un lant de
elemente de comanda.
Mecanismele de protectie
asigura tratarea cu caracter
prioritar asupra comenzii
permitând prevenirea evolutiilor
considerate periculoase pentru
echipamente si personalul de
exploatare.
COMANDA
PROTECTIE
amplificare
si executie
prelucrare primara a
informatiilor din
proces
PROCES
Procesul de automatizat si sistemul de
conducere a proceselor
12
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Prin supraveghere se intelege
achizitia datelor provenite din
proces (masuratori), prelucrarea si
afisarea informatiilor, arhivare si
semnalizare.
In cazul sistemelor complexe
supravegherea se poate face pe
SUPRAVEGHERE
REGLAREBloc
amplificare
Bloc culegere si
prelucrare primara a supravegherea se poate face pe
mai multe nivele, ingloband in acet
caz si functiile de reglare,
comanda si protectie.
COMANDA
PROTECTIE
amplificare
si executie
prelucrare primara a
informatiilor din
proces
PROCES
Procesul de automatizat si sistemul de
conducere a proceselor
13
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Prin supraveghere se intelege
achizitia datelor provenite din
proces (masuratori), prelucrarea si
afisarea informatiilor, arhivare si
semnalizare.
In cazul sistemelor complexe
supravegherea se poate face pe
Functionare periculoasaPROTECTIE
Functionare anormala
COMANDA
Functionare normala
VE
GH
ER
EA
supravegherea se poate face pe
mai multe nivele, ingloband in acet
caz si functiile de reglare,
comanda si protectie.
Functiile sistemului de conducere a
proceselor pe domenii de functionare a
instalatiilor
Functionare normala
REGLARE
SU
PR
AV
EG
14
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Semnalizarea consta inindicarea optica si acustica:
� a schimbarii modului defunctionare a unei instalatii(semnalizare de pozitie sau
Functionare periculoasaPROTECTIE
Functionare anormala
COMANDA
Functionare normala
VE
GH
ER
EA
(semnalizare de pozitie saufunctionare),
� a aparitiei unei functionarinecorespunzatoare care poateconduce la avarii (semnalizarepreventiva)
� sau la aparitia propriu-zisa aavariei (semnalizare deavarie).
Functiile sistemului de conducere a
proceselor pe domenii de functionare a
instalatiilor
Functionare normala
REGLARE
SU
PR
AV
EG
15
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Sisteme de reglare automata
SCA
v
Structura sistemului de reglare automata poate fi descompusa in maimulte componente care prelucreaza informatiile din proces si programulimpus pentru evolutia dorita a acestuia.
RA EE TPyr ε
+ _
u m
v
z y
Echipamente de automatizare
Subsistemele unui SRA:
RA = regulator automat
EE = element de executie
T = traductor
P = procesul propriu-zis
(instalatia tehnologica,
partea fixata)
Marimi:
y = masura
yr= referinta
ε = eroare
u = comanda;
m = executie;
z = calitate;
v = perturbatie
Intrare sau
element de masura
SRA
Dispozitiv de
comandaEE P
Echipamente de automatizare
uu' m yRezulta o structura de sistem inchis in cadrul careia se evidentieazaprincipalele echipamente de automatizare.
16
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Sisteme de reglare automata
SCA
v
Regulatorul prelucreaza marimea de referinta “yr” si variabila de proces “y”
(marime masurata sau marime reglata), generand comanda “u” in scopul
asigurarii evolutiei marimii de calitate ”z”, conform programului impus prin “yr”,
indiferent de actiunea perturbatiei “V”.
RA EE TPyr ε
+ _
u m
v
z y
Echipamente de automatizare
Subsistemele unui SRA:
RA = regulator automat
EE = element de executie
T = traductor
P = procesul propriu-zis
(instalatia tehnologica,
partea fixata)
Marimi:
y = masura
yr= referinta
ε = eroare
u = comanda;
m = executie;
z = calitate;
v = perturbatie
Intrare sau
element de masura
SRA
Dispozitiv de
comandaEE P
Echipamente de automatizare
uu' m y
indiferent de actiunea perturbatiei “V”.
Perturbatiile “vi”, pot fi aditive sau parametrice. Actiunea perturbatiilor aditive se
cumuleaza la iesire cu actiunea comenzii “u”; perturbatiile parametrice se
concretizeaza in modificari structurale ale procesului.
17
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Sisteme de reglare automata
SCA
v
Este de remarcat faptul ca prin intermediul regulatorului, elementului de executie
si traductorului se asigura evolutia procesului propriu-zis, in conformitate cu
programul impus prin referinta ”yr”.
RA EE TPyr ε
+ _
u m
v
z y
Echipamente de automatizare
Subsistemele unui SRA:
RA = regulator automat
EE = element de executie
T = traductor
P = procesul propriu-zis
(instalatia tehnologica,
partea fixata)
Marimi:
y = masura
yr= referinta
ε = eroare
u = comanda;
m = executie;
z = calitate;
v = perturbatie
Intrare sau
element de masura
SRA
Dispozitiv de
comandaEE P
Echipamente de automatizare
uu' m ySarcina operatorului uman, in acest caz, este aceea de a stabili programul “yr”.
Ansamblul de obiecte materiale care asigura controlul desfasirarii proceselor
tehnice (sau altor categorii de procese) fara interventia operatorului uman se
numeste echipament de automatizare.
18
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Sisteme de reglare automata
SCA
v
Intrucat, variabilele “z” si ”m” nu sunt specifice fiecarui proces propriu-zis, de cele
mai multe ori cele doua componente ale structurii prezentate direct conectate la
proces, traductorul si elementul de executie, pot fi incluse in cadrul obiectului
condus, rezultand schema functionala compacta a sistemului automat.
RA EE TPyr ε
+ _
u m
v
z y
Echipamente de automatizare
Subsistemele unui SRA:
RA = regulator automat
EE = element de executie
T = traductor
P = procesul propriu-zis
(instalatia tehnologica,
partea fixata)
Marimi:
y = masura
yr= referinta
ε = eroare
u = comanda;
m = executie;
z = calitate;
v = perturbatie
Intrare sau
element de masura
SRA
Dispozitiv de
comandaEE P
Echipamente de automatizare
uu' m yRegulatorul prelucreaza referinta “yr” si iesirea masurata “y” sau / si eroarea dupa
legi bine definite. Marimea de eroare se genereaza automat in cadrul
regulatorului.
19
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Sisteme de reglare automata
Se spune ca un sistem de reglare automata (SRA) indeplineste sarcinade reglare daca indiferent de actiunea marimilor exogene ce actioneazaasupra procesului este indeplinita conditia:
yRA
Obiect
condus
(P)
yr u
v1 v2
y
+ -
0)(lim =∞→
tt
ε
20
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Clasificarea sistemelor de reglare automata
SRA se pot clasifica in:
�sisteme de rejectie a perturbatiilor (cu referinta fixa); SRA asigurafunctionarea procesului intr-un regim stationar fixat prin “yr = ct”, indiferentde actiunea perturbatiilor aditive “v(t)”.de actiunea perturbatiilor aditive “v(t)”.
�sisteme de urmarire – functia de reglare are ca efect final urmarireacat mai fidela de catre marimea masurata a marimii de referinta.
21
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Clasificarea sistemelor de reglare automata
RA Pu
v1 v2
y
v
T
v
SRA cu actiune directa
T
RA P
Reglare
perturbatie
Filtru
perturbatie
+
+
+
-
v
y
yr
SRA combinat (reglare dupa referinta si perturbatie)
22
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Clasificarea sistemelor de reglare automata
z zy
v1 v2
y
yr
RA2 RA1 EE P1 T1 T2P2
y2
y1
u1
z1 z2y1
+ +-
-
Structura de reglare in cascada a doua variabile z1 si z2
y2
mu2ε
23
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Exemplu de automatizare. Degazorul
Pentru a asigura degazarea si evacuarea gazelor antrenate de fluxurilede apa si abur ce ajung in rezervorul degazorului, acesta este prevazut cudoua reglaje automate:o unul de presiuneo si unul de nivel.o si unul de nivel.
In cazul celui din urma, reglarea nivelului se realizeaza automat cuajutorul dispozitivului de automatizare cu plutitor care in functie de nivelulapei in rezervor, variaza deschiderea ventilului prin intermediul unor pargiisi in mod implicit si debitul apei de adaos introdusa in rezervor.
24
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Exemplu de automatizare. Degazorul
In exemplul consideratdegazorul constituieinstalatia de automatizat(obiectul condus) iarelementele 1,2,3 si 41
23
5
D apa
adaos
4
elementele 1,2,3 si 4dispozitivul de automatizare.
Traductorul de nivel constadintr-un plutitor inecat 1, cuo greutate specifica maimare decat cea a apei
1
D apa alimentare cazan
Echipament de
automatizare
Degazor
u EE (5) T(1)RA(2,3,4
)
m = debit apa
adaos
z = nivelul
in rezervor y
y
v1 = debit apa
alimentare
cazan
v2 = debit abur
25
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Exemplu de automatizare. Degazorul
Asupra acestuia actioneaza trei
forte : greutatea proprie G,
forta data de sistemul de
transmisie T care e constanta
si forta de impingere a apei1
23
5
D apa
adaos
4
si forta de impingere a apei
dislocuite F:
F=Vγγγγ
unde V este volumul de apa
dislocuit de plutitor (proportional
cu inaltimea scufundata a
plutitorului H, de ex. V=SH) iar γ
este greutatea specifica a apei.
1
D apa alimentare cazan
Echipament de
automatizare
Degazor
u EE (5) T(1)RA(2,3,4
)
m = debit apa
adaos
z = nivelul
in rezervor y
y
v1 = debit apa
alimentare
cazan
v2 = debit abur
26
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Exemplu de automatizare. Degazorul
La echilibru, in regim stationar :
G – T - HSγ=0
si cum G, T, S si γ sunt
constante, rezulta :
1
23
5
D apa
adaos
4
G T−=
1
D apa alimentare cazan
Echipament de
automatizare
Degazor
u EE (5) T(1)RA(2,3,4
)
m = debit apa
adaos
z = nivelul
in rezervor y
y
v1 = debit apa
alimentare
cazan
v2 = debit abur
G TH
Sγ
−= =ct
In concluzie adancimea de
scufundare H a plutitorului
ramane tot timpul aceiasi, ceea
ce inseamna ca plutitorul
urmareste variatia de nivel.
Variatia plutitorului este
transmisa prin tija 2, care prin
intermediul parghiei 3
antreneaza prin tija 4 ventilul de
reglare 5.
27
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Scheme folosite in automatica
� Conceptia privind functionarea si realizarea fizica a oricarei instalatiide automatizare (comanda, reglare, semnalizare, etc.) sematerializeaza in faza de proiectare in scheme care fac parteintegranta din documentatia de executie a instalatiei respective.integranta din documentatia de executie a instalatiei respective.
�Schemele folosite in automatica se pot impartii in urmatoarele grupe :oScheme functionaleoScheme de montareoDocumente generale
28
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Scheme folosite in automatica
Scheme functionale
�scheme tehnologice cu automatizari (sau P&ID - Process and
Instrumentation Diagram) : in care sunt reprezentate atat elementele instalatiei
automatizate cu legaturile functionale cat si elementele si circuitele instalatiei de
automatizare.automatizare.
�scheme bloc : cuprind elemente ale instalatiei de automatizare cu legaturile
functionale dintre ele, astfel incat din ele sa rezulte principiul de functionare al
instalatiei de automatizare.
�scheme desfasurate : reprezinta legaturile dintre aparate sau dintre
elementele componente ale acestora, care permit intelegerea si urmarirea
functionarii efective a circuitelor electrice ;
�scheme de alimentare : cuprind alimentarea cu energie a instalatiei de
automatizare.
�diagrame functionale : cuprind starile de functionare succesive ale
instalatiei cu mentionarea eventualelor temporizari intre operatii succesive.
29
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Scheme folosite in automatica
Scheme functionale
�scheme tehnologice
cu automatizari (sau
P&ID - Process and
~
~
S1
f1
u1
BCS
PTo
APA
ABUR 6 bar
DEGAZOR 6 bar1
PC
r
P&ID - Process and
Instrumentation Diagram)
�scheme bloc
�scheme desfasurate
PID BCS DEGAZORTRADUCTOR
DE PRESIUNE+
yε
f1
EA+ORS1
yr u z
PC EE
1r
a)
b)
~
~
~
~~ ~
EPA 1 EPA 2~ ~
1g
PI
m
30
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Scheme folosite in automatica
Scheme functionale
�scheme tehnologice
cu automatizari (sau
P&ID - Process and
R NLA
eContrapanou
GE 01
�−
o o o
o o o o+ +T J
U1
FE102 B
U V G
P&ID - Process and
Instrumentation Diagram)
�scheme bloc
�scheme desfasurate oooo
o o o o
o og1
AI 192
+
oo
Panou
GE 01
Local
1 2 3 4 5 6 7 8o oo
oooo
o o ooo
U V2B 27
BCS
oo o ooo o o1 2S1
MRD 1
o
o
o
o
PD
oo o
o o o+
E
r1
ELC113C
+M T1
ooo o oT2 C1 C2 U N
IP
o of1
FE1 GM
+B E
c)
31
Capitolul 1: Introducere in automatizari
Scheme folosite in automatica
Scheme de montare
�scheme sau tabele de conexiuni interioare : pe baza carora se executa
legaturile dintre aparate precum si legaturile dintre aparate si sirurile de cleme
din interiorul tablourilor sau pupitrelor de comanda.
�schemele sau tabelele de conexiuni exterioare : pe baza carora se executa�schemele sau tabelele de conexiuni exterioare : pe baza carora se executa
legaturile dintre echipamente si aparatele locale (traductoare, butoane de
comanda, actionari, ....)
�planuri de montare : care fac parte din proiectul tehnic constructiv al fiecarui
echipament de automatizare si servesc la montajul accestuia (echipari de
panori, inscriptii pe etichete, trasee de cabluri, etc.)
Documente generale : cuprind celelalte informatii necesare procurarii
echipamentelor si materialelor cu care se executa instalatia de automatizare
proiectata (specificatii de echipamente, fise tehnice, jurnale de cabluri si
conducte)