Автоматизированная система подготовки многокомпонентной газопарокапельной смеси для технологических нужд
В рамках ВКР разрабатывается комплект проектной и рабочей документации, а также программные алгоритмы и мнемосхемы для АСУ подготовки многокомпонентной газопарокапельной смеси для технологических нужд. Результаты экспериментальных исследований используются для эффективного смешения дымовых газов, паров и капель воды.
Реферат …………………………………………………………………………………………………………. 5
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 10
1 Экспериментальные исследования …………………………………………………………….. 14
1.1 Влияние вязкости и поверхностного натяжения жидкости на режимы и
последствия столкновений капель ……………………………………………………………. 18
1.2 Соударение капель воды с разной начальной температурой ………………… 29
2 Системный анализ объекта автоматизации ………………………………………………… 34
2.1 Разработка структуры КТС автоматизированной системы управления … 38
2.1.1. Структурная схема АСУ………………………………………………………………. 38
2.1.2. Структурная схема измерительных каналов …………………………………. 40
2.2 Разработка функциональной схемы системы управления …………………….. 42
2.3 Выбор технических средств системы управления, составление
спецификации ………………………………………………………………………………………….. 44
2.3.1 Выбор датчиков температуры……………………………………………………….. 44
2.3.2 Выбор преобразователя давления …………………………………………………. 46
2.3.3 Выбор технических средств измерения расхода ……………………………. 49
2.3.4 Выбор регулирующего устройства ……………………………………………….. 51
2.3.5 Выбор исполнительного механизма………………………………………………. 52
2.3.6 Выбор блока управления исполнительным механизмом………………… 53
3 Разработка щита управления …………………………………………………………………….. 55
3.1 Разработка принципиальной электрической схемы щита управления ….. 55
3.2 Проектирование схемы внешних проводок …………………………………………. 57
3.3 Разработка сборочного чертежа щита управления ……………………………….. 59
4 Расчет параметров настройки регулятора ………………………………………………….. 60
4.1 Идентификация объекта управления …………………………………………………… 60
4.2 Расчет параметров настройки регулятора ……………………………………………. 63
5 Разработка фрагментов программного и информационного обеспечений …… 70
5.1 Программное обеспечение ………………………………………………………………….. 70
5.2 Разработка мнемосхемы SCADA-системы…………………………………………… 72
5.3 Информационное обеспечение ……………………………………………………………. 74
5.4 Алгоритмы управления системы …………………………………………………………. 75
6 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 78
6.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………………….. 78
6.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ……………….. 78
6.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения………………………………………… 80
6.1.3 FAST-анализ ………………………………………………………………………………… 81
6.1.4 Диаграмма Исикава ………………………………………………………………………. 86
6.1.5 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………….. 87
6.1.6 Оценка готовности проекта к коммерциализации ………………………….. 93
6.1.7 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования………………………………………………………………………………………… 95
6.2 Инициация проекта …………………………………………………………………………….. 96
6.3 Планирование работ и оценка времени выполнения ……………………………. 98
6.3.1 Иерархическая структура работ проекта ……………………………………….. 98
6.3.2 Контрольные события проекта ……………………………………………………… 99
6.3.3 План проекта ………………………………………………………………………………. 100
6.4 Смета затрат на проект ……………………………………………………………………… 104
6.4.1 Материальные затраты ……………………………………………………………….. 104
6.4.2 Затраты на амортизацию …………………………………………………………….. 104
6.4.3 Затраты на заработную плату ……………………………………………………… 105
6.4.4 Затраты на социальные нужды ……………………………………………………. 106
6.4.5 Прочие затраты …………………………………………………………………………… 106
6.4.6 Накладные расходы…………………………………………………………………….. 107
6.5 Смета затрат на оборудование и монтажные работы ………………………….. 107
6.6 Определение экономической эффективности проекта ……………………….. 109
6.7 Реестр рисков проекта ………………………………………………………………………. 110
6.8 Оценка сравнительной эффективности исследования ………………………… 111
7 Социальная ответственность …………………………………………………………………… 115
7.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 115
7.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства ………… 116
7.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны …… 117
7.2 Производственная безопасность ……………………………………………………….. 117
7.2.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект
исследования………………………………………………………………………………………. 117
7.2.2 Превышение уровня шума ………………………………………………………….. 119
7.2.3 Повышенный уровень электромагнитных излучений ………………….. 120
7.2.4 Превышение уровня вибрации ……………………………………………………. 121
7.2.5 Отклонение показателей микроклимата ………………………………………. 122
7.3 Экологическая безопасность……………………………………………………………… 124
7.3.1 Анализ возможного влияния объекта исследования на окружающую
среду ………………………………………………………………………………………………….. 124
7.3.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды ………….. 125
7.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………… 126
7.5 Заключение по разделу «Социальная ответственность» …………………….. 129
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 130
Основные публикации автора магистерской диссертации: ………………………….. 131
Список использованных источников ………………………………………………………….. 132
Приложение A «Experimental research on the influence of viscosity and surface
tension on the liquid droplet collisions» …………………………………………………………. 141
Графический материал: на отдельных листах
ФЮРА.421000.009 С1 Схема структурная
ФЮРА.421000.009 С2 Схема функциональная
ФЮРА.421000.009 Э3 Схема принципиальная электрическая щита
управления
ФЮРА.421000.009 С4 Схема внешних проводок
ФЮРА.421000.009 ЗС Заказная спецификация ТСА
ФЮРА.421000.009 ПЭ Перечень элементов
ФЮРА.421000.009 СБ Сборочный чертеж щита управления
ФЮРА.421000.009 СБС Спецификация щита управления
ФЮРА.421000.009 ОВ Общий вид щита управления
Изучению интенсификации различных теплообменных и физико-
химических процессов и фазовых превращений за последние 30 лет посвящено
большое количество работ российских и зарубежных авторов [1–12]. Область
практического применения газопарокапельных смесей включает в себя борьбу с
лесными и техногенными пожарами, химическую и нефтяную
промышленность, тепломассообменное оборудование и системы. Большой
интерес вызывает их применение в системах впрыска топлива в двигателях
внутреннего сгорания и котельных агрегатах. В условиях ограниченности
водных ресурсов актуальна область термической очистки воды.
В рамках борьбы за снижение вредных выбросов и экономичное
использование полезных ресурсов ведется работа по повышению
эффективности извлечения теплоты из энергоносителей. При условии
необходимости больших капиталовложений в повышение КПД котельных
агрегатов на тепловых электрических станциях (ТЭС) рассматривают общее
повышение эффективности извлечения энергии в рамках всей станции. К
основным потерям теплоты на ТЭС относятся потери с уходящими дымовыми
газами [1, 2]. Для котлов на газовом топливе в среднем величина этих потерь
находится на уровне 4–5 % [1, 2], при том, что в парах содержится около 11–
14 % теплоты, выделяемой при сгорании газа. Использование контактных
экономайзеров позволяет извлечь часть теплоты из дымовых газов за счет
нагрева распыленной воды продуктами сгорания [3]. Такой подход позволяет
повысить КПД установок и частичному очищению уходящих газов [4, 5],
однако они все равно уносят в себе часть теплоты, которую можно извлечь при
использовании газов в качестве теплового агента.
Для интенсификации процессов фазовых превращений путем снижения
температуры в зоне горения и таким образом локализации зоны пламенного
горения используют тонкораспыленную жидкость или жидкостные «завесы».
Высокая эффективность такого подхода с применением капельных потоков с
размерами фрагментов от 10 мкм до 500 мкм подтверждена работами [6–9]. В
[6–9] доказывается что тонкое распыление жидкости увеличивает скорость
испарения с потреблением большего количества теплоты, чем при испарении
такого объема нераспыленной жидкости. Эффективность тушения пожаров
мелкодисперсными каплями жидкости могут снижать взаимодействие с
соседними каплями при движении в потоке продуктов сгорания. Также
препятствуют эффективному тушению восходящие горячие конвективные
потоки. Они тормозят движущиеся вниз легкие капли жидкости, но таким
образом над областью горения формируется пароводяной слой,
перекрывающий доступ кислорода в зону горения [10, 11]. Для преодоления
уноса капель с сохранением эффективности испарения жидкости используются
технологии вторичного измельчения жидкости непосредственно в зоне
теплообмена [12]. Измельчение осуществляется за счет нескольких методик:
столкновение двух капель, столкновение капли с твердой поверхностью,
микровзрывное разрушение и дробление газовой струей. В практике тушения
пожаров наиболее перспективной является измельчение жидкости за счет
столкновения жикостных массивов. Таким образом можно достигнуть
требуемых размеров образованных фрагментов или вторичных капель без
применения дополнительных технических средств.
Новым способом извлечения теплоты из уходящих дымовых газов
является их использование совместно с потоком капель и паров в виде
теплоносителей. Наиболее перспективной областью применения такого
теплоносителя для разморозки сырья в обрабатывающей и тяжелой
промышленности, поступающего в вагонах угля на ТЭС, подготовка
материалов и поверхностей в строительстве. Из-за отсутствия поверхностей
теплообмена в технологиях, подразумевающих применение газопарокапельных
теплоносителей, повышается КПД теплообмена до уровня 90–95 % [13]. В
некоторых приложениях при атмосферном давлении возможно повышение
температуры в заданном объеме до 900–1000 К. Таким образом повышается
мобильность установок и увеличивается скорость теплообменных процессов
без больших капиталовложений в создание установок, рассчитанных на
большое рабочее давление [13–15].
Предприятия нефтегазовой отрасли при добыче и переработке сырья
производят большие объемы жидких отходов, отработанных технологических и
сточных вод. Жидкие отходы переработки содержат различные примеси (соли,
аммиачные соединения, органические соединения, сероводород), опасные для
окружающей среды и персонала. Большой объем ежедневных стоков (до
нескольких сотен кубометров в сутки) осложняет их транспортировку и
хранение. Попадание загрязненных отходов в реки может вызвать
экологическую катастрофу на десятках и сотнях километрах. Очистка таких
жидких отходов сложна с точки зрения технологического исполнения и
затратна с финансовой точки зрения. Наиболее дешевым, эффективным и
доступным методом очистки считается термическое и огневое обезвреживание
[16, 17]. Суть этого метода в мелкодисперсном распылении промышленных
стоков в область горячих газов, получаемых при сжигании топлива. Под
действием высоких температур жидкая часть отходов испаряется, а
содержащиеся в них примеси сгорают или уносятся вместе с уходящими
газами.
К настоящему времени в литературных источниках по
экспериментальному и теоретическому исследованию смешения горячих
газовых парокапельных потоков недостаточно сведений об их влиянии друг на
друга. Также недостаточно информации о влиянии движущихся совместно
капель в разогретых газовых потоках. Причиной этого является сложность
измерения температурных и скоростных полей традиционными методами
измерения. Сложность вызывает и регистрация влияния паров движущихся
последовательно капель на последующие. Для решения этих задач актуально
использование современных бесконтактных методов измерения и регистрации.
Модели, построенные с использованием таких методов, будут иметь наиболее
адекватные результаты. Для их более точной реализации необходимо
проведение фундаментальных и прикладных исследований по прогреву капель
и их испарению в высокотемпературных газовых средах [18]. При температурах
выше 500 К скорости испарения могут отличаться от теоретических в
несколько раз [18]. Преобладающее число работ по данной тематике имеют
теоретический характер, так как проведение достоверных экспериментов
ограничено высокой скоростью протекания фазовых превращений и серьезному
влиянию средств измерения на протекающие процессы.
1 Экспериментальные исследования
В результате выполнения выпускной квалификационной работы
разработана автоматизированная система подготовки многокомпонентной
газопарокапельной смеси для технологических нужд.
Спроектированная система является трехуровневой. Полевой уровень
включает датчики измерения температуры и расхода, а также запорную
арматуру и исполнительные механизмы. На среднем уровне располагается
контроллер, на верхнем уровне – АРМ оператора.
В ходе выполнения дипломного проекта разработана проектная
документация: схема структурная, схема функциональная, схема
принципиальная электрическая щита управления, схема внешних проводок,
сборочный чертеж щита и общий вид щита.
Спроектирован и собран стенд для экспериментальных исследований
влияния вязкости, поверхностного натяжения и температуры жидкости на
последствия столкновения одиночных капель и зависимостей исходов
столкновения от различных параметров. Построена карты режимов
взаимодействия капель и представлены основные выводы по результатам
экспериментальных исследований.
В пояснительной записке к выпускной квалификационной работе
содержится подробное описание выбора основного оборудования, этапов
разработки конструкторской документации и мнемосхемы. Кроме того,
произведен расчет параметров настройки регулятора и определены прямые
оценки качества, выполнены разделы «Социальная ответственность» и
«Менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение». В приложении А
приводится выполнение части ВКР (экспериментальные исследования) на
английском языке.
Основные публикации автора магистерской диссертации:
1. T.R. Valiullin, J.C. Legros, P.P. Tkachenko, Statistical Analysis of
Consequences Caused by the Collisions of Soaring Drops of Organic Coal-Water
Fuel, in: MATEC Web Conf., 2016.
2. Зайцев А. С., Егоров Р. И., Ткаченко П. П., Белоногов М. В. Газификация
водоугольных композиций лазерными импульсами различной интенсивности //
Химия твердого топлива. 2019. №. 1. C. 54-60.
3. Зайцев А. С., Ткаченко П. П., Белоногов М. В., Егоров Р. И.
Светоиндуцированная газификация топливных композиций, приготовленных из
отходов углепереработки. Кокс и химия. 2018. №. 7. C. 43-51.
4. A.S. Zaytsev, P.P. Tkachenko, M.V. Belonogov, R.I. Egorov, Light-Induced
Gasification of Fuels Prepared from Coal-Enrichment Wastes, Coke Chem. 61
(2018).
5. A.S. Zaitsev, R.I. Egorov, P.P. Tkachenko, M.V. Belonogov, Gasification of
Coal–Water Compositions by Laser Pulses of Various Intensity, Solid Fuel Chem. 53
(2019).
6. N.E. Shlegel, P.P. Tkachenko, P.A. Strizhak, Collision of water droplets with
different initial temperatures, Powder Technol. 367 (2020) 820–830.
7. R.I. Egorov, P.P. Tkachenko, R.I. Taburchinov, A.O. Chulkov, The
propagation and ignition of the finely dispersed coal-water aerosol, Fuel. 263 (2020).
A. V Demidovich, S.S. Kralinova, P.P. Tkachenko, N.E. Shlegel, R.S. Volkov,
Interaction of Liquid Droplets in Gas and Vapor Flows, Energies. 12 (2019).
8. N.E. Shlegel, P.P. Tkachenko, P.A. Strizhak, Influence of viscosity, surface
and interfacial tensions on the liquid droplet collisions, Chem. Eng. Sci. 220 (2020)
115639.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (343 отзыва)
4.8 (37 отзывов)
5 (44 отзыва)
0 (13 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
5 (14 отзывов)
5 (285 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
4.1 (20 отзывов)
