Разработка АСР процесса горения топлива в топке котла при переводе с угля на композиционное топливо
При выполнении ВКР предполагается разработать АСР процесса горения топлива в топке котла при переводе с угля на композиционное топливо. Будут выполнены экспериментальные исследования для обоснования целесообразности перевода угольного котла на композиционное топливо, разработаны структурная, функциональная схемы АСР, выполнен расчет параметров настройки регулятора, технико-экономическое обоснование.
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 13
1. Обзор литературных источников ……………………………………………………………… 17
1.1. Рост объемов потребления энергоресурсов ……………………………………………. 17
1.2. Рост объемов производства ТБО ……………………………………………………………. 21
1.3. Развитие сырьевого потенциала топливно-энергетического сектора
Томской, Новосибирской и Кемеровской областей за счет вовлечения ТБО …. 26
1.3.1. Общая информация …………………………………………………………………………….. 28
1.3.2. Энергетический потенциал промышленных отходов и ТБО ………………… 32
1.3.3. Энергетический потенциал отходы обогащения угля и переработки нефти
……………………………………………………………………………………………………………………. 35
1.3.4. Потребность в энергоресурсах угольной теплоэнергетики …………………… 38
1.3.5. Стратегия совместной утилизации промышленных и бытовых отходов с
выработкой энергии …………………………………………………………………………………….. 41
2. Экспериментальные исследования……………………………………………………………. 45
2.1. Приготовление топлива и методика экспериментального исследования …. 45
2.1.1. Приготовление топлива ………………………………………………………………………. 45
2.1.2. Экспериментальная методика ……………………………………………………………… 48
2.2. Результаты и обсуждение ………………………………………………………………………. 50
2.2.1. Характеристики зажигания и горения …………………………………………………. 50
2.2.2. Экологические характеристики …………………………………………………………… 57
2.2.3. Относительные показатели эффективности композитных топлив
добавлением отходов …………………………………………………………………………………… 64
2.3. Основные результаты выполненного исследования ……………………………….. 67
3. Разработка АСР ……………………………………………………………………………………….. 70
3.1 Описание объекта автоматизации …………………………………………………………… 70
3.2 Разработка структурной схемы АСР горения композиционного топлива в
топке котла типа БКЗ-420-140 ……………………………………………………………………… 75
3.3 Разработка функциональной схемы и составление заказной спецификации
приборов и средств автоматизации ………………………………………………………………. 77
3.3.1 Разработка функциональной схемы……………………………………………………… 77
3.4 Выбор оборудования нижнего уровня автоматизации …………………………….. 79
3.4.1 Выбор датчиков температуры ……………………………………………………………… 79
3.4.2 Выбор датчиков давления-разрежения…………………………………………………. 81
3.4.3 Выбор расходомеров …………………………………………………………………………… 83
3.4.4 Выбор газоанализатора ……………………………………………………………………….. 84
3.4.5 Выбор преобразователя частоты ………………………………………………………….. 86
3.4.6 Выбор программируемого логического контроллера ……………………………. 87
3.5 Составление заказной спецификации ……………………………………………………… 90
3.6 Разработка принципиальной электрической схемы соединений шкафа
управления ………………………………………………………………………………………………….. 91
3.7 Разработка и расчет АСР расхода топлива ………………………………………………. 93
3.8 Разработка общего вида шкафа управления ……………………………………………. 94
3.9 Разработка SCADA-системы…………………………………………………………………… 96
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …. 100
4.1. Перспективы совместного использования промышленных и
муниципальных отходов из нескольких регионов путем сжигания с выработкой
энергии ……………………………………………………………………………………………………… 100
4.2. Структура и объемы промышленных отходов и ТБО ……………………………. 101
4.3. Потребность в энергоресурсах угольных теплоэлектростанций ……………. 102
4.4. Стратегия совместной утилизации промышленных и бытовых отходов с
выработкой энергии …………………………………………………………………………………… 103
4.5. Технико-экономический анализ …………………………………………………………… 104
5.Социальная ответственность …………………………………………………………………… 113
5.1. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………. 113
5.1.1. Специальные правовые нормы трудового законодательства ………………. 114
5.1.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны …………. 114
5.2. Производственная безопасность…………………………………………………………… 115
5.2.1. Анализ опасных и вредных производственных факторов …………………… 116
5.2.2. Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть на
рабочем месте при проведении исследований …………………………………………….. 117
5.2.3. Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия опасных и
вредных факторов на исследователя (работающего) …………………………………… 122
5.3. Экологическая безопасность ………………………………………………………………… 123
5.3.1. Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду ………….. 124
5.3.2. Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду ………… 124
5.3.3. Обоснование мероприятий по защите окружающей среды ………………… 125
5.4. Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………………… 125
5.4.1. Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований …………………………………………………………………………………………….. 127
5.4.2. Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть на рабочем месте при
проведении исследований ………………………………………………………………………….. 127
5.4.3. Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка
действия в случае возникновения ЧС …………………………………………………………. 128
5.5. Выводы по разделу………………………………………………………………………………. 129
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 130
Список использованных источников ………………………………………………………….. 132
ПРИЛОЖЕНИЕ А …………………………………………………………………………………….. 145
ПРИЛОЖЕНИЕ Б ………………………………………………………………………………………. 164
ПРИЛОЖЕНИЕ В ……………………………………………………………………………………… 166
ПРИЛОЖЕНИЕ Г ………………………………………………………………………………………. 168
Графический материал: на отдельных листах
ФЮРА.421000.001 С1 Схема структурная
ФЮРА.421000.001 С2 Схема функциональная
ФЮРА.421000.001 Э4 Схема электрическая соединений щита управления
ФЮРА.421000.001 ОВ Общий вид щита управления
В настоящее время одной из основных экологических проблем во всем
мире является загрязнение окружающей среды промышленными и бытовыми
отходами [1–7]. Только на территории Российской Федерации по данным
Росприроднадзора на полигонах уже накоплено и хранится более 94 млрд. т
твердых отходов, которые занимают площадь более 150 тыс. гектар. Ежегодно
во всем мире производится более 2 млрд. т твердых бытовых отходов (ТБО) [8].
Утилизация горючих ТБО (около 80 % от общего количества) в промышленных
масштабах реализуется в основном посредством мусоросжигательных заводов
[1–7]. Как правило, основной их целью является уменьшение объемов твердых
отходов, складируемых на полигонах [1–7] после сжигания бумаги, древесины,
пластика, полиэтилена, текстиля, или термическое обеззараживание опасных
отходов [9, 10]. Так как мусоросжигательные заводы – это относительно
небольшие предприятия с нестационарными режимами работы
энергогенерирующего оборудования, то количество и качество энергии,
вырабатываемой при сжигании ТБО с теплотой сгорания 5–10 МДж/кг [1–7], не
позволяют функционировать им наряду с угольными тепловыми
электрическими станциями и выдавать производимую электрическую энергию
в центральную энергосистему [11, 12]. В лучшем случае тепловая энергия,
вырабатываемая мусоросжигательными заводами, используется для
собственных нужд и отопления близлежащих районов. В противном случае эта
энергия рассеивается в окружающую среду, что ведет к тепловому загрязнению
атмосферы [7].
Стоит отметить, что мусоросжигание – это один из наиболее
эффективных способов утилизации отходов, но проектирование, строительство
и последующая эксплуатация технически сложных промышленных объектов
являются экономически затратными мероприятиями. Например, процесс
проектирования и постройки мусоросжигательного завода в США длится 5–8
лет [13]. В России стоимость строительства типичного завода по
мусоропереработке составляет более 1,2 млрд. долларов [14]. В эту стоимость
входят: технология, оборудование, коммуникации, земельный участок,
транспортная инфраструктура, лицензии. Для установок непрерывного
сжигания ТБО производительностью от 100 до 3000 т в сутки капитальные
затраты составляют от 80 до 100 тыс. долларов за тонну сжигаемых отходов в
день [15]. Здесь не учитывается стоимость технических приспособлений для
подготовки отходов к утилизации. Эксплуатационные расходы составляют
около 20 долларов за тонну ТБО. Также для генерации электрической энергии
необходимы дополнительные инвестиции в разработку новых модификаций
паровых турбин, рассчитанных на относительно низкие параметры водяного
пара [16, 17]. Технология прямого сжигания ТБО интенсивно развивалась в
период, когда еще не были ужесточены нормы выбросов вредных веществ с
дымовыми газами в атмосферу. В настоящее время действуют достаточно
жесткие законодательные ограничения [11, 18] на содержание вредных веществ
в дымовых газах установок для сжигания ТБО (EU 94/67/EEC): твердые
частицы 10 мг/нм3; монооксид углерода 50 мг/нм3; оксиды азота 200 мг/нм3;
оксиды серы 50 мг/нм3; хлористый водород 10 мг/нм3; фтористый водород
1 мг/нм3; ртуть 0,05 мг/нм3; кадмий и таллий 0,05 мг/нм3; другие металлы
0,5 мг/нм3.
Известные технологии мусоросжигания по температурному режиму
можно разделить на два типа [19]: низкотемпературные (600–900 °С) и
высокотемпературные (более 900 °С). Низкотемпературный режим сжигания не
требует применения дорогостоящего технологического оборудования и
дополнительных высококачественных топлив (например, природного газа) для
поддержания рабочей температуры в топке, но при прямом
низкотемпературном сжигании ТБО выделяется достаточно большое
количество токсичных веществ (диоксинов, полиароматических углеводородов,
фуранов). Для соответствия состава дымовых газов нормам по выбросам
загрязняющих веществ в атмосферу необходимо применение дорогостоящих
систем газоочистки. В связи с этим большинство мусоросжигательных заводов
являются убыточными и экологически неэффективными производствами [20].
Более экологически безопасными являются высокотемпературные
технологии сжигания ТБО, т.к. при температурах процесса выше 1300 °C
происходит полное разложение наиболее вредных веществ (диоксинов и
фуранов) до простейших составляющих [10, 11]. Поэтому отсутствует
необходимость применения дорогостоящих систем очистки дымовых газов [21,
22]. Но для поддержания относительно высокой температуры в топке
необходимо использовать специализированное термическое [11] или
электроплазменное [23] оборудование. Как правило, для обеспечения
функционирования такого оборудования расходуется высококачественное
топливо или затрачивается энергия в большем количестве, чем она выделяется
при сжигании ТБО. Несмотря на очевидное преимущество по экологическим
показателям электроплазменных технологий утилизации ТБО при температурах
в объеме реактора более 1300 °C они не получили широкого применения на
практике и используются преимущественно для утилизации опасных
медицинских отходов [9, 10].
Другой широко известной технологией переработки углеводородного
сырья является получение синтез-газа [24] в процессе термического разложения
или частичного окисления, который используется для производства спиртов,
синтетических материалов. К составу такого синтез-газа предъявляются
относительно высокие требования: соотношение Н2/СО должно составлять 2:1,
общий объем примесей (СО2, C2H4, С2Н2, СН4), в том числе смол, не должен
превышать 1 % [25]. При переработке ТБО в рамках известных технологий
генерации синтез-газа, как правило, не удается обеспечить получение продукта
с указанными характеристиками, который кроме всего прочего содержит смолы
в достаточно большом количестве [25, 26]. Поэтому такой синтез-газ из
биомассы или ТБО преимущественно используется для генерации тепловой
энергии путем сжигания [27, 28]. Однако при реализации такого способа
утилизации ТБО повышенное внимание должно уделяться решению вопросов
взрывопожароопасности технологического процесса при хранении и
транспортировке горючего газа.
Таким образом, большинство из упомянутых выше широко известных
технологий утилизации ТБО характеризуется значительными капитальными
вложениями в их практическую реализацию при относительно невысоком
уровне энергетического эффекта. В основном такие технологии востребованы в
переходный период, когда в том или ином регионе реализуется трансформация
системы обращения с ТБО – переход от модели складирования к модели
переработки и повторного использования полезных ресурсов. Поэтому в
течение относительного короткого промежутка времени, например 5–10 лет,
для сжигания ТБО более рационально использовать существующие
промышленные объекты с развитой инфраструктурой, например, угольные ТЭС
и котельные. После относительно простой модернизации систем
топливоприготовления и топливоподачи угольные котлы можно использовать
для сжигания композиционных жидких топлив [29], состоящих из отходов
углеобогащения (или смеси низкосортного угля с водой), жидких горючих
отходов (трансформаторные, турбинные, автомобильные масла и т.д.) и
горючих ТБО (бумага, древесина, пластик, резина). Установлено [30], что в
зависимости от состава композиционного топлива температуры в топке котла в
процессе горения могут достигать 1300 °C, что способствует снижению
содержания диоксинов и фуранов в дымовых газах. Поэтому актуальной
задачей для разработки теоретических основ технологий применения
композиционных топлив на практике является исследование закономерностей и
характеристик зажигания и горения одиночных капель перспективных
топливных составов при добавлении типичных ТБО (до 20 %).
1. Обзор литературных источников
1.1. Рост объемов потребления энергоресурсов
При выполнении магистерской диссертации было проведено
экспериментальное исследование условий и характеристик зажигания и
горения одиночных капель трех групп составов композиционного жидкого
топлива на основе ФК с добавлением в качестве горючих компонентов
мелкодисперсных частиц типичных ТБО (древесины, резины, пластика,
картона), а также отработанного турбинного масла.
Установлены области гарантированных времен задержки зажигания трех
групп топливных композиций разного состава при температурах окружающей
среды 600–1000 °C в условиях, соответствующих условиям сжигания топлив в
топках энергетических котлов.
Для разработки методики исследований выполнен анализ современных
методов исследования процессов зажигания и горения топлив в топках
котельных агрегатов. Экспериментальное исследование процесса зажигания
образцов композиционного топлива выполнено с использованием
экспериментального стенда, содержащего современные средства
видеорегистрации быстропротекающих процессов и анализа продуктов
химического реагирования.
Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать вывод о
том, что основные экологические характеристики (СО, СО2, NOx, SOx, зола
микронных фракций) дымовых газов при сжигании композиционных топлив,
приготовленных из низкосортных углей или отходов углеобогащения, воды и
горючей жидкости не хуже, чем аналогичные характеристики дымовых газов
при сжигании угольной пыли по традиционной для угольных ТЭС технологии.
Установлено, что в зависимости от состава композиционного топлива
температуры в топке котла в процессе горения могут достигать 1300 °C, что
способствует снижению содержания диоксинов и фуранов в дымовых газах.
Возможность варьирования компонентной базы композиционных топлив в
широких диапазонах позволяет разрабатывать топливные составы с
прогнозируемыми энергетическими, экономическими и экологическими
характеристиками.
На основе сформулированных по результатам экспериментальных
исследований рекомендаций разработана автоматическая система
регулирования процесса горения композиционного топлива в топке котла.
Спроектированы структурная и функциональная схемы, составлена заказная
спецификация приборов и средств автоматизации, разработаны
принципиальная электрическая схема соединений щита управления, перечень
элементов, общий вид щита управления. К основным достоинствам
разработанной АСР относятся ее трехуровневый принцип организации,
оснащение современным микропроцессорным оборудованием и средствами
автоматизации, минимизация участия диспетчеров в ведении технологического
процесса, возможность дистанционной передачи информации и управляющих
воздействий.
Также выполнена оценка экономической эффективности реализации
данного проекта и экологических показателей.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (44 отзыва)
5 (9 отзывов)
4.8 (211 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
5 (22 отзыва)
4.7 (18 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
