Автоматизация технологического процесса производства цемента с регулированием уровня загрузки и вязкости шлама в цементной мельнице

Автоматизация технологического процесса производства цемента с регулированием уровня загрузки и вязкости шлама в цементной мельнице

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Воронежский энергетический техникум

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Автоматизация технологического процесса производства цемента с регулированием уровня загрузки и вязкости шлама в цементной мельнице

Допустить к защите

Зам. Директора Филитов В. А.

Нормоконтроль Тепляков В. М.

Консультант Никитинская Т. В.

Руководитель Теплякова Т. Г.

Дипломник Дубровская К. Н.

2009

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Воронежский энергетический техникум

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Автоматизация технологического процесса изготовления цемента в утельной печи

Руководитель Теплякова Т. Г.

Студент гр. А-61У

Извеков В. В.

2009

АННОТАЦИЯ

В соответствии с заданием составлена схема автоматизации управления мокрого помола сырьевых материалов при производстве цемента.

Выбраны контролируемые параметры, проведён расчёт надёжности, определён интервал, в котором находятся значения измеряемого параметра, определен критерий устойчивости системы автоматического управления, построен годограф, выбраны приборы и оборудование, разработана таблица соединений и подключений, схема соединений внешних проводок, перечень составных частей щита, рассчитаны погрешности измерительных приборов, , рассчитан экономический эффект от внедрения нового оборудования, освещены вопросы охраны труда, техники безопасности, защиты экологии окружающей среды, приведены обязанности мастера на производстве и рассмотрены аспекты внедрения АСУТП на цементном заводе.

Содержание

Аннотация

Введение

Описание технологического процесса производства цемента

Описание функциональной схемы автоматизации

Расчет надежности схемы автоматизации

Исследование случайных процессов при автоматизации

Разработка структурной схемы АСР одного контура регулирования

Расчет устойчивости АСР

Расчет качества переходного процесса

Выбор приборов и оборудования

Расчет погрешности измерительных приборов

10.Составление таблицы соединений и подключений щита, разработка схемы соединений внешних проводок

11.Разработка чертежа вида на фронтальную и внутреннюю плоскости щита перечня составных частей щита

12.Экономическая часть

13. Охрана труда

14.Экологическая безопасность окружающей среды

15.Обязанности мастера производственного участка

16.Аспекты внедрения АСУТП на цементном заводе

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы на предприятиях цементной промышленности были созданы условия для ускорения технического прогресса и решения многих важных задач совершенствования техники и технологии. При этом следует подчеркнуть, что технический прогресс осуществлялся путем широкого проведения таких мероприятий, как оснащение предприятий современным оборудованием, новыми средствами механизации и автоматизации, внедрение передовой технологии, интенсификация производственных процессов, рациональная организация труда, выпуск продукции, отличающейся наибольшей эффективностью и высоким качеством.

Техническое развитие цементной промышленности связано с использованием более производительных и усовершенствованных обжиговых и помольных агрегатов, значительно превосходящих по мощности установленное ранее технологическое оборудование, и с лучшими условиями труда при их обслуживании.

Технологические процессы современных промышленных установок характеризуются оптимальными значениями параметров, в ряде случаев критическими и сверхкритическими, малым допустимым диапазоном отклонения их от оптимальных, обеспечением определенного соотношения между ними.

Надежность и достоверность технологического контроля и автоматического управления во многом определяются качеством наладки контрольно-измерительных приборов, средств автоматизации, систем и устройств технологической сигнализации, защиты и блокировки. Поэтому при подготовке специалистов-техников по монтажу и наладке систем контроля и автоматического управления наладочным работам должно уделяться особое внимание.

Наладка средств измерений и систем технологического контроля предусматривает комплекс работ по их проверке и настройке, обеспечивающих получение достоверной информации о значениях контролируемых величин и ходе того или иного технологического процесса. Этот комплекс работ для строящихся объектов выполняется в три стадии.

На первой стадии выполняются подготовительные работы, изучение и анализ основных проектных решений и предмонтажная проверка средств измерений. На этой стадии заказчик предоставляет производственное помещение для организации приобъектной лаборатории и проектную документацию по автоматизации с соответствующими инструкциями и технологическими картами.

На второй стадии выполняются работы по проверке правильности монтажа средств измерения и систем технологического контроля, автономная наладка и подготовка систем к включению в работу для обеспечения индивидуальных испытаний технологического оборудования. С целью сокращения сроков ввода объекта в эксплуатацию автономная наладка может выполняться одновременно с производством монтажных работ по совмещенному монтажно-наладочному графику. Включение в работу отдельных приборов и систем производится в процессе индивидуальных испытаний и комплексного опробования агрегатов и технологического оборудования на инертных средах и постепенного замещения их рабочими продуктами.

На третьей стадии выполняются работы по комплексной наладке систем технологического контроля и доведению их параметров до значений, при которых они используются в процессе нормальной эксплуатации. Сдача налаженных систем автоматизации в эксплуатацию производится, как по отдельным узлам, так и комплексно по установкам, цехам, производствам.

Эффективная работа любого производства обеспечивается только комплексной наладкой с участием специалистов различных специализированных организаций и производственных подразделений.

Для более эффективной работы цементного завода, повышения производительности труда и увеличения объемов производства необходима замена устаревшего оборудования на более совершенное. Это достигается с помощью инвестиций и инвестиционных проектов. Эффективность инвестиционного проекта определяется соотношением результата вложений и инвестиционных затрат. Результат применительно к интересам инвестора может представлять прирост национального дохода, экономию общественного труда, снижение текущих расходов по производству продукции, рост дохода или прибыли предприятия, снижение энергоемкости и ресурсоемкости продукции, уменьшение уровня загрязнения окружающей природной среды и другие показатели. Затраты включают в себя размеры инвестиций, необходимых для осуществления технико-экономического обоснования или бизнес-плана реализации инвестиционного проекта, на приобретение и монтаж оборудования, на производство строительно-монтажных работ, а также на другие многочисленные расходы.

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТА

Современный цементный завод представляет собой сложный комплекс технологического оборудования, обеспечивающий переработку сырьевых материалов (известняков, мела и др.) в цемент. Цемент выпускается различных видов и марок, применяется в больших количествах в качестве основного строительного материала. В цементной промышленности получили распространение в основном мокрый и сухой способы производства. Структурная технологическая схема производства цемента по мокрому способу показана на рисунке 1.

В качестве исходных материалов для процесса обжига и образования клинкера используются искусственно приготовленные смеси из карбонатных и глинистых пород.

Измельчение твердых сырьевых материалов, транспортируемых с помощью специальных питателей и дозаторов в сырьевое отделение со склада, осуществляется в помольных агрегатах -- шаровых трубных мельницах. Одновременно с измельчением до определенной тонкости помола сырьевых материалов в мельнице происходит смешивание известняковых и глинистых компонентов, а также добавок (огарков). На заводах, использующих пластические материалы, вторичная стадия измельчения осуществляется в болтушках, где происходит отмучивание, или в мельницах "Гидрофол". Шлам перекачивается центробежными насосами в усреднительные бассейны: сначала в вертикальные шламбассейны, а затем в горизонтальные.

Подготовленная сырьевая смесь заданного химического состава, определенной влажности и тонкости помола подается в обжиговую вращающуюся печь, где происходит спекание и химическое превращение смеси, в результате чего получается новый, обладающий особыми свойствами материал -- клинкер.

После выхода из печи клинкер охлаждается и подается на клинкерный склад, а затем - на помол. Завершающий этап получения цемента -- это измельчение и смешивание клинкера с добавками (гипс, песок и др.) в цементных мельницах. Полученный цемент после мельниц подается пневмокамерными или пневмовинтовыми насосами в силосы запаса.

Существует так же сухой способ производства цемента. При сухом способе производства цемента сырьевая смесь готовится в виде сырьевой муки. Компоновка оборудования на новых технологических линиях осуществляется с последовательным размещением (и работой) отдельных агрегатов: сырьевая мельница -- силос сырьевой муки -- вращающаяся печь и т. д.

Все основные процессы цементного производства являются непрерывными, все вспомогательные процессы имеют также высокий уровень механизации; это создает благоприятную обстановку для автоматизации всех процессов.

2 ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Функциональная схема автоматизации сырьевой мельницы показана на рисунке 2. Схемой предусматривается контроль, автоматическое регулирование, дистанционное управление и сигнализация.

Из рассмотренных условий работы трубной шаровой мельницы при измельчении сырьевых материалов мокрым способом в процессе нормальной работы агрегата требуется контролировать следующие параметры:

-уровень загрузки материала в первой камере мельницы;

-уровень загрузки в зоне шламообразования (во второй камере);

- расход известняка и дополнительных компонентов, подаваемых в мельницу;

- расход глиняного шлама на входе в мельницу;

- расход воды на входе в мельницу;

- вязкость сырьевого шлама на выходе из мельницы.

Рисунок 1- Структурная схема производства цемента

Указанные параметры измеряются автоматическими приборами. Для контроля уровня загрузки материалом шаровой трубной мельницы в начале первой камеры и в зоне шламообразования применяется электроакустическое устройство "звуковой энергии", интенсивность которой зависит от степени загрузки мельницы материалом.

Микрофонное устройство 1а, расположенное вблизи первой камеры мельницы, воспринимает частоту шума, издаваемого работающей мельницей на этом участке, и преобразует ее в электродвижущую силу. Усилительно-преобразующий блок 1б (УПБ) преобразует и усиливает электродвижущую силу в напряжение постоянного тока, пропорциональное частоте этой ЭДС. Сигнал от УПБ через преобразователь 5д поступает на автоматический электронный потенциометр 5в.

Аналогичным образом электрический сигнал от микрофонного датчика 4а, расположенного вблизи второй камеры мельницы, передается через усилительно-преобразующий блок 4б на вторичный прибор 5в.

Величины частот, характеризующих степень загрузки шаровых трубных мельниц, и диапазоны их изменения (от состояния мельницы, когда она полностью выработана и работает без поступления в неё материала, до полной её нагрузки материалом), зависят от типа и размеров мельниц, а также от принятой возможным обеспечить такое преобразование сигналов, при котором осуществлялась бы запись на определенных участках по ширине диаграммы потенциометра.

Как указывалось выше, на работающей мельнице параметры отклоняются от нормы. Поддержание выбранного режима помола обеспечивается системой автоматического регулирования (САР). Стабильное качество шлама (вязкости и тонкости помола) обеспечивается за счет автоматического регулирования:

-уровня загрузки первой камеры мельницы с воздействием на подачу материалов в мельницу;

-расхода воды на мельницу (уровня загрузки второй камеры -- в зоне шламообразования);

-расхода глиняного шлама;

за счет коррекции с предварением от изменения уровня загрузки в первой камере, на системы автоматического регулирования подачи воды и глиняного шлама.

На функциональной схеме показан технологический процесс с подачей двух твердых компонентов, глиняного шлама и воды. В действительности на цементных заводах встречаются различные решения процесса мокрого помола сырья:

-подача твёрдого компонента (известняка) и воды;

-подача твёрдого компонента (известняка) и глиняного шлама, когда вся вода поступает вместе с глиняным шламом;

-подача твёрдого компонента (известняка), воды и глиняного шлама;

-подача твёрдого компонента (известняка) и воды; расход глиняного шлама незначительный (влажность глиняного шлама не отличается от влажности сырьевого шлама более чем на 3-5%);

-подача твёрдого компонента (известняка), воды (в количестве не более 10% от общего расхода), глиняного шлама.

Для каждого из этих вариантов системы автоматического регулирования могут несколько отличаться друг от друга, но во всех случаях обязательными являются два контура автоматического регулирования: уровня загрузки первой камеры мельницы и уровня загрузки второй камеры мельницы (расхода воды на мельницу), которые могут функционировать самостоятельно. Рассмотрим условия автоматического регулирования уровня загрузки первой камеры мельницы. В зависимости от выбранной технологии помола сырья технологическими схемами предусматривается установка двух питателей сырья с одновременным их включением в работу (одновременной подачей твердых компонентов), а также с включением одного или другого. В случае одновременной подачи сырья двумя питателями при настройке САР учитывается суммарный расход твердых компонентов.

Выше упоминалось, что при эксплуатации мельниц возможно изменение гранулометрического состава сырья. Так, если расход подаваемого в мельницу сырья поддерживать постоянным, то на крупном сырье шлам будет недоизмельчаться, на мелком--переизмельчаться. При постоянном уровне загрузки материалом первой камеры на крупном сырье шлам будет переизмельчаться, а на мелком -- недоизмельчаться. Для того чтобы уменьшить колебания тонкости помола шлама и свести их до минимума, схемой предусматривается поддержание определенного соотношения между изменением уровня загрузки первой камеры и расхода подаваемого в мельницу сырья. Это соотношение поддерживается автоматически (путем настройки электронными регуляторами).

От усилительно-преобразующего блока 1б сигнал, пропорциональный уровню загрузки первой камеры сырьем, поступает на вход электронных регуляторов (основного компонента 1в и дополнительного компонента 7а).

Регуляторы 1в и 7а через магнитные усилители 1з,7д воздействуют на исполнительные механизмы 1ж, 7м, которые сочленены с плужковыми сбрасывателями тарельчатых питателей.

На вход каждого регулятора 1в, 7а подается также сигнал (пропорциональный расходу материала в мельницу) от индуктивного датчика, встроенного в исполнительный механизм 1ж,7г.

Выбор такого соотношения возможен путем совмещения статических характеристик регулятора со статическими характеристиками объекта. Последние выражаются такими зависимостями частот шума камер мельниц от расходов сырьевых материалов в мельницы, при которых соблюдаются условия поддержания постоянства тонкостей помола шлама после мельниц при всех изменениях свойств сырья (размолоспособность, гранулометрия), поступающего на вход мельницы. Статическая характеристика объекта находится экспериментальным путем отдельно для каждой мельницы. При снятии характеристики мельница должна вводиться в два независимых режима работы:

- с непрерывной подачей самого крупного и трудноразмалываемого материала. При этом подача материала должна быть такой, при которой обеспечивалось бы получение шлама с заданной тонкостью помола. Для установившегося (временно) режима определяются значения частоты шума первой камеры f1" и расхода сырья в мельницу Qc';

- с непрерывной подачей самого мелкого и легкоразмалываемого материала. В этом режиме должны быть сохранены условия измельчения, т. е. получаемый шлам должен иметь то же заданное значение тонкости помола. Для установившегося режима определяются значения частоты шума первой камеры f1" и расхода сырья в мельницу Qc". Расход воды в обоих случаях должен соответствовать заданной влажности шлама, а расход шлама -- заданному химическому составу (титру).

В первой камере сырьевой мельницы осуществляется процесс дробления, и материал, перемешиваясь с водой, еще не образует шлама требуемой вязкости. Объясняется это тем, что вода перемешивается с материалом не в полной мере и жидкая фаза может быстрее переходить из первой во вторую камеру (явление усиливается в момент переходного режима). По указанным причинам установка регулятора соотношения материал--вода в первой камере не обеспечит нормальной работы помольного агрегата. Схемой предусматривается автоматическое регулирование расхода воды в определенной пропорции по отношению к количеству сухих компонентов (известняк, сухая глина и др.) сырья, проходящего зону шламообразования (вторая камера). Уровень (количество) сырья в зоне шламообразования контролируется микрофонным датчиком 4а. От усилительно-преобразующего блока 4б сигнал, зависящий от уровня загрузки в зоне шламообразования, подается на регулятор расхода воды 2в (регулятор глиняного шлама 6в). На вход регулятора 2в подается также сигнал от дифманометра 2б, пропорциональный расходу воды. Сигнал по расходу глиняного шлама поступает на регулятор 6в от расходомера 6б.

Основной задачей системы регулирования влажности шлама является поддержание необходимого соотношения между уровнем загрузки в зоне шламообразования, пропорциональным расходу сырья, и расходом воды, подаваемой в мельницу. Эта задача выполняется путем статической настройки системы автоматического регулирования влажности шлама, т. е. совмещением характеристик регулятора со статической характеристикой объекта. Последняя выражается зависимостью потребного общего расхода воды на мельницу QB (включая воду, вносимую вместе с материалом) от частоты шума в зоне шламообразоваиия f11 при постоянной заданной влажности сырьевого шлама и изменении величины расхода сырья.

На функциональной схеме автоматизации процесса помола сырьевых компонентов, а также на блок-схеме регулирования загрузки мельницы введены и показаны корректирующие воздействия от изменения уровня загрузки в первой камере на системы автоматического регулирования подачи воды и глиняного шлама от усилительно-преобразующего блока 1б (уровень загрузки в первой камере). Сигнал через дифференциатор 1л поступает на регулятор расхода воды 2в, а через дифференциатор 6е -- на регулятор расхода глиняного шлама 6в.

На основании расчетных данных устанавливают заданные значения величин времени дифференцированиями демпфирования и добиваются более устойчивой работы всей системы автоматического регулирования процесса помола.

3 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Под надежностью схемы понимается ее способность безукоризненно выполнять свои функции в течение определенного времени в заданных режимах работы. Она является главным требованием к схеме. Надежность включает в себя следующие качественные показатели:

1 Безотказность-свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение некоторого времени.

2 Ремонтопригодность - приспосабливаемость изделия к обнаружению и устранению неисправностей.

3 Долговечность-способность объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния.

4 Сохранность-это свойство объекта непрерывно находиться в исправном состоянии при хранении и транспортировании.

Количественной характеристикой надежности являются отказы, вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и наработка на отказ.

Отказ это нарушение работоспособности изделия. Отказы делятся на:

1 Полный отказ. При его возникновении работа невозможна до полного устранения отказа.

2 Частичный отказ. Связан с ухудшением одной из характеристик.

3 Внезапный отказ. В результате скачкообразного изменения, какого-либо параметра

(короткого замыкания).

4 Постепенный отказ. Параметры системы постепенно выходят из допустимых пределов.

5 Зависимый отказ. Возникает в системе из-за отказа другого элемента.

Требования надежности обеспечиваются:

1 Применением надежных приборов.

2 Оптимальными режимами работы.

3 Резервированием наиболее ответственных цепей схемы.

4 Автоматизированным контролем за неисправностью схемы.

5 Запретными блокировками.

6 Сокращением времени нахождения элементов в схеме под напряжением.

Количественные характеристики расчета надежности:

Р(t) - вероятность безотказной работы. Это вероятность того, что в пределах заданного времени отказа не возникнет. Величина безразмерная.

л(t) - интенсивность отказов, т.е. частота отказов в системе в единицу времени. Измеряется в единице, деленной на час или час в минус первой степени.

То - наработка на отказ. Ожидаемое время работы до отказа элемента или системы.

Интенсивность отказа рассчитывается по формуле:

, (1)

где л(t) - интенсивность отказа одного прибора, выбирается по таблице.

- интенсивность отказа табличная.

К1 - коэффициент, зависящий от вибрации.

К2 - коэффициент, зависящий от ударной нагрузки.

К 3 - коэффициент, зависящий от температуры и влажности.

К 4 - коэффициент, зависящий от давления.

Ьi - коэффициент, зависящий от загрузки оборудования.

Общая интенсивность отказа схемы рассчитывается по формуле:

, (2)

где -интенсивность отказов элемента в данных условиях эксплуатации.

- количество элементов с .

i - количество разновидностей элементов по типам.

Таблица 1 Коэффициенты, зависящие от вибрации и удара

Таблица 2 Коэффициент, зависящий от температуры

Таблица 3 Коэффициент, зависящий от давления

Влияние загрузки оборудования оценивается по коэффициенту загрузки Ьi

Для загрузки оборудования от 10% до 100% Ьi = 0,25 ... 1

Таблица 4 Влияние загрузки оборудования

Приняты стационарные условия, при которых К1 = 1,04; К2 = 1,03 Стационарные условия подходят к условиям эксплуатации рекуператоров, а именно учитывают воздействия вибрации к ударной нагрузке в закрытом помещении на заводе.

Принято значение влажности 60-70%, и значение температуры 20-40 °С при которых КЗ = 1,0.Принята высота над уровнем моря от 0 до 1 км., что применимо к Воронежской области. Для удобства упрощения расчёта найдено произведение коэффициентов (формула 3)

К = К1 * К2 * КЗ * К4 (3)

К=1,04*1,03*1,0*1,00=1,07

На основании выбранных приборов заполнена таблица для расчёта надёжности

Таблица 5 Сводные данные для расчета надежности схемы автоматизации

 (4)

Таблица 6 К расчету надежности. Значения лio 10-6 1/ч

лi1(t)=0,35*10-6*1,07*1,00=0,02*10-6(ч)

лi2(t)= 1,80*10-6*1,07*0,35 =0,67*10-6(ч)

лi3(t)=1,30*10-6*1,07*0,35=0,48*10-6(ч)

лi4(t)=1,34 *10-6*1,07*0,25=0,35*10-6(ч)

лi5 (t) =1,80*10-6*1,07*0,35=0,67*10-6(ч)

лi6(t)=0,12 *10-6*1,07*1,00=0,12*10-6(ч)

лi7(t)=0,24*10-6*1,07*0,25=0,06*10-6(ч)

лi8(t)=0,34 *10-6*1,07*0,25=0,09*10-6(ч)

лi9(t)=0,54 *10-6*1,07*1,00=0,57*10-6(ч)

лi10(t)=0,12*10-61,07*1,00=0,12*10-6(ч)

лi11(t)=0,015 *10-6*1,07*1,00=0,01*10-6(ч)

лi1общ.(t)=0,02*10-6*6=0,14*10-6(ч)

лi2общ.(t)=0,67*10-6*5=3,37*10-6(ч)

лi3общ.(t)=0,48*10-6*8=3,89*10-6(ч)

лi4общ.(t)=0,35*10-6*5=1,79*10-6(ч)

лi5общ.(t)=0,67*10-6*10=6,74*10-6(ч)

лi6общ(t)=0,12 *10-6*5=0,64*10-6(ч)

лi7общ.(t)=0,06 *10-6*4=0,25*10-6(ч)

лi8общ.(t)=0,09 *10-6*2=0,18*10-6(ч)

лi9общ.(t)=0,57 *10-6*4=2,31*10-6(ч)

лi10общ.(t)=0,12 *10-6*2=0,24*10-6(ч)

лi11общ.(t)=0,01 *10-6*1=0,01*10-6(ч)

лiобщ.(t)=(0,14+3,37+3,89+1,79+6,74+0,64+0,25+0,18+2,31+0,24+0,01) *

*10-6=19,59*10-6(ч)

p(t)100=1-19,59*10-6*100=0,999

p(t)1000=1-19,59*10-6*1000=0,99

p(t)10000=1-19,59*10-6*10000=0,1

T0=1/19,5910-6=51103 (ч)

Рисунок 3 - График зависимости вероятности безотказной работы от времени

Вывод: Данная система является надёжной, так как наработка на отказ (Т0) составляет 5,2 лет

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ

Страницы: 1, 2, 3