Электрооборудование, автоматизация электродного водонагревателя типа КЭВ-0, 4

Содержание Введение

1. Технологическая характеристика объекта автоматизации

2. Расчет и выбор технических средств автоматизации

3. Разработка функционально технологической схемы автоматизации

4. Разработка принципиальной электрической схемы

5. Разработка нестандартных элементов и технических средств (щитов, пультов, станций управления)

6. Определение основных показателей надежности

7. Расчет экономической эффективности Заключение Литература

Введение

Агропромышленный комплекс является одной из ведущих отраслей современной экономики. В сельской местности проживает немногим меньше половины населения нашей страны. Применение электротепловых установок в сельскохозяйственном производстве снижает трудоемкость работ, улучшает условия труда, повышает технологический и экономический эффект.

Автоматизированный обогрев при помощи электрической энергии увеличивает продуктивность животных и птицы почти в 2 раза по сравнению с нерегулируемым обогревом от котельной на твердом топливе, уменьшает расход кормов.

Электронагрев воды в сельскохозяйственном производстве и получение пара применяется на животноводческих и птицеводческих фермах, в теплично-парниковых хозяйствах, в гаражах, мастерских, предприятиях коммунально-бытового назначения и др.

Для поения животных и птицы подогревают воду элементными водонагревателями. Электроподогрев осуществляется элементами сопротивления, выполненными в виде трубчатых элементов (ТЭНов). Подогрев воды для поения экономически эффективен. Например, за сутки корова потребляет в среднем 70 л воды. Для подогрева этого количества воды на 12 °C затрачивается 840 килокалорий, на что расходуется 2,2 корм. Ед., которые могли бы быть израсходованы на образование продукции.

Наряду с элементными электроводонагревателями применяют установки электродного типа для получения горячей воды на технологические нужды на животноводческих и птицеводческих фермах, в теплицах и парниковых хозяйствах, а также для отопления отдельных производственных и подсобных помещений. Такую горячую воду используют в установках доения и первичной обработки молока, мойки посуды, поения животных, приготовления корма, полива рассады; для удовлетворения санитарно-гигиенических нужд, в мастерских, гаражах и т. д.

При проектировании сельскохозяйственных объектов надо руководствоваться определенными нормами потребления воды и пара. Требования к горячему водоснабжению, также определены в Нормах технологического проектирования.

Электрический нагрев воды и получение пара осуществляют с помощью элементных и электродных водонагревательных и паровых установок.

В режиме с аккумулированием тепла и горячей воды элементные водонагреватели используют в технологических процессах с прерывистым циклом разбора воды, например при промывке молочного оборудования в системе доения, для приготовления кормов и на другие технологические нужды. Их используют в комплекте с доильными установками, а также в системах промывки молочного оборудования и подмывания вымени.

Электродные водонагреватели прямого нагрева используют теплоту, выделяющуюся при прохождении тока через воду. К ним относится котел электродный водогрейный с замкнутым контуром КЭВЗ. По сравнению с ТЕНами они более просты, дешевы и долговечны. Для них не опасен перегрев даже в отсутствие воды, что в элементных водонагревателях (с ТЕНами) не допустимо, наиболее экономично работают водонагреватели типа КЭВ при наличии теплообменника (бойлера), в первичный замкнутый контур которого включен водонагреватель, а из вторичного — открытого контура осуществляется отбор горячей воды.

Основными недостатками электродного нагрева являются: Зависимость мощности электродной установки от удельного сопротивления используемой воды, то есть от наличия в ней растворимых веществ, определяющих проводимость воды; Повышенная электроопасность при аварийных и асимметричных режимах работы установок, а также и в питающей электросети; Возможность выноса опасных потенциалов через подводящие и разводящие трубопроводы, что требует, как правило, работы установки в замкнутой системе.

Для проекта рассмотрим электродный водогрейный котёл типа КЭВ-0,4.

электроводонагреватель котел автоматизация

1. Технологическая характеристика объекта автоматизации Электроводогрейные котлы серии КЭВ довольно популярны и используются повсеместно в технологических процессах там, где необходима горячая вода с температурой до 97 °C. На объектах, где применяется отопительный электрокотел, системы отопления реализованы по принципу принудительной циркуляции.

В качестве примеров объектов, где применяются водогрейные электрические котлы можно выделить следующие:

· производственные помещения в сельской местности;

· жилые дома (для горячего водоснабжения и отопления);

· строительные площадки;

и другие производственно-промышленные объекты, где требуется горячая вода с температурой до 97 °C.

Нагрев воды в электрокотле осуществляется благодаря теплу, которое выделяется электрическим током при прохождении через воду.

Водогрейные электрокотлы — компактны, автоматизированы, имеют высокий КПД (до 98% от затраченной энергии) и не прихотливы в обслуживании!

Электродные водогрейные установки типа КЭВ (мощностью 10, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400 и 1000кВт) рассчитаны на питание от сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380/200 В.

Номинальное значение температуры воды в котлах на выходе 95 °C, на входе 70° С, максимально допустимая температура на выходе составляет 130 °C.

На рисунке 1 приведена конструктивная схема котла типа КЭВ-0,4 с пластинчатыми электродами. Пластинчатые электроды применяют при удельном сопротивлении воды выше 10 Ом-м, при более низком удельном сопротивлении, а также в высоковольтных котлах используют цилиндрические электроды. Корпус котла 1 выполнен из стандартной трубы, к торцам корпуса приваривают фланцы для крепления верхней и нижней крышек.

Рис. 1 Конструктивная схема котла КЭВ.

Сбоку устанавливают патрубки для подвода 6 и отвода 10 нагреваемой воды, к которым присоединяют трубопроводы. Нагрев происходит между электродами 4, собранными в один многопластинчатый пакет. Ток к электродным пластинам подводится через токоввод 7, укрепленный в нижней крышке с уплотнением в изолирующих втулках, являющихся проходными изоляторами.

На верхней крышке смонтировано устройство 10 для регулирования мощности установки в зависимости от электропроводности используемой воды и потребности в горячей воде. Регулирование мощности осуществляется путем ввода диэлектрических пластин 2 в пространство между электродами, электроды и диэлектрические пластины составляют один пакет. На установках до 100 кВт регулирование мощности осуществляется вручную, а на более мощных — при помощи редукторного электродвигателя. В этом случае управление водонагревателем полностью автоматизировано. На верхней крышке установлено термореле для автоматического поддержания температуры нагреваемой воды. Есть электронное устройство управления, которое позволяет отказаться от редукторного электродвигателя.

Таблица 1

2. Расчет и выбор технических средств автоматизации Средства автоматизации включают в себя механизмы и аппараты, обеспечивающие автоматическую работу установки, возможность ручного управления, коммутационные аппараты, а также средства защиты.

КЭВ40/0,4 — номинальная мощность Р = 40кВт; U=380; расход воды = 1,4 м³/ч; минимальное рабочее давление = 0,6МПа; удельное электрическое сопротивление воды = 10…70Ом*м; диапазон регулирования мощности = 100…25%

Выбор магнитных пускателей:

Магнитные пускатели предназначены для пуска, остановки, реверса и защиты двигателей от падения напряжения и от перегрузок при наличии теплового реле. Магнитные пускатели выбирают по следующим условиям:

Определяем рабочий ток нагревательного элемента:

I_н.э = Р/?v3?U_н

I_н.э =40 000/1,73?380=61 А а) Сила номинального тока пускателя должна быть больше номинального тока нагревательного элемента:

I_{ном. пуск}? I_н.э

I_н.э. =61А; то I_{ном.пуск} 63 =А, предварительно выбираем пускатели ПМЛ-422 002; с кнопками «ПУСК / СТОП»

б) Напряжение катушки должно равняться напряжению сети U_к = U_с =380 В в) На условия пуска не рассчитывается.

г) Исполнение и степень защиты должны соответствовать условиям окружающей среды.

д) Схема соединения пускателя должна соответствовать условиям окружающей среды.

Выбираем автомат для защиты электроводонагревателя:

Автоматический выключатель предназначен для_ ручного отключения и включения электрических цепей, для автоматического отключения при перегрузке, короткого замыкания, снижения напряжения. К установке принимаем автомат сери АЕ.

а) Определяем рабочий ток

I_р = К_з? I_н=1?61 = 61А б) Определяем ток расцепителя: I_{ном.расц}? I_р = 63А Принимаем автомат серии АЕ2046Р

I_{ном.расц}=63А; I_{ном.авт.}=63А в) Определяем пусковой ток:

I_п = К_i? I_н.=1?63 =63А

1) Определяем расчетный ток срабатывания:

I_{расч.сраб} =1,25? I_п = 1,25?63= 78,75А Определяем каталожный ток срабатывания:

I_{кат.сраб} =12 I_{ном.рас}=12? 63 = 756А Проверяем автомат по условию срабатывания:

I_{кат.сраб}? I_{расч.сраб}; 756?78,75 -условие выполняется, автомат выбран правильно.

Выбираем автомат для защиты схемы управления Так как схема управления не имеет существенной нагрузки, а лишь может быть повреждена от токов короткого замыкания, то для защиты схемы примем к установки однополюсный автомат марки АЕ1031 I_н.а=25А; I_н.расц=10А

3. Разработка функционально технологической схемы автоматизации

Объект управления:

· О — котёл КЭВ-0,4

· У1(t)-температура на выходе из котла

· У2(t)-температура в помещении

Исполнительные механизмы:

· ИОнагревательный элемент Управляющий орган:

· УО — магнитный пускатель КМ1

Устройство управления:

· УУ1 — термореле.

Выходные величины:

· УУ2 — термореле

Рис. 3 Функционально-технологическая схема

4. Разработка принципиальной электрической схемы

Принципиальная электрическая схема котлов типа КЭВ-0.4 предусматривает работу в автоматическом режиме (переключатель SА в положение «А») при включенном циркуляционном насосе (блок-контакт КУ5). Для ручного опробования используют кнопку SВ (переключатель SА в положение «Р»), Двухпозиционное управление работой котла осуществляется по температуре воды на выходе из котла (электроконтактный термометр SК1) и температуре в системе (воздуха в отапливаемом помещении или воды в аккумулирующей емкости — температурное реле SК2).

Верхний контакт SК1 настроен на минимальное, а нижний — на максимальное значение температуры воды. При температуре в системе ниже заданной контакт SК2 замкнут, а при температуре на выходе из котла ниже минимального значения замкнут верхний контакт SК1. При этом реле КУ1 включено, КУ2 отключено и своим контактом КУ2.2 через реле КУЗ запитывает катушку контактора КМ, включающего котел под напряжение.

Когда температура воды на выходе превысит минимальное значение, разомкнется верхний контакт SК1, обесточится реле КУ1 и своим размыкающим контактом подготовит к включению реле КУ2. По достижению максимальной температуры сработает КУ2 и через КУ3 обесточит катушку контактора КМ, который отключит котел от сети. Повторное включение произойдет, когда температура воды станет ниже минимальной и замкнет верхний контакт SК1. Нижняя часть схемы предназначена для выносной сигнализации.

Рис. 5 Электрическая схема управления.

5. Разработка нестандартных элементов (выбор щитов, пультов, станций управления) Аппараты и приборы внутри щитов должны быть сгруппированы по принадлежности к системам измерения, управления, сигнализации и т. п., а внутри этих групп — по роду тока, значению напряжения, типам аппаратов.

Аппараты и приборы, устанавливаемые внутри щитов, рекомендуется размещать на следующих расстояниях от основания щита:

Трансформаторы и другие источники питания малой мощности — 1700…2000 мм;

Панели с выключателями, предохранителями, автоматами — 700… 1700 мм;

Реле — 600… 1900 мм;

Сборки зажимов при горизонтальном расположении с учетом разделки кабеля — 350. .800 мм;

При установке двух и более горизонтальных сборок расстояние между ними должно быть не менее 200 мм.

Аппараты с подвижными токоведущими частями следует размещать так, чтобы они не могли самопроизвольно замкнуть цепь под действием силы тяжести.

Выбран щит управления ЩШМУ с высотой 1000 мм, шириной 600 мм и глубиной 350 мм.

6. Определение основных показателей надежности Надежность определяют как свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, которые регламентируются ГОСТ 27.002−83 «Надежность в технике, термины и определения».

Основное понятие в теории надежности — отказ — это полная или частичная утрата работоспособности, нарушение нормального функционирования объекта, в следствии чего его характеристики перестают удовлетворять предъявленным требованиям. Отказ всегда рассматривается как функция времени. Причем определенной вероятностью он может существовать в любой момент времени. Он может рассматриваться как непрерывная функция, но в то же время, это дискретная величина.

Виды отказов:

· Приработочные (не отработанная технология, плохой контроль при производстве)

· Износовые (старение)

· Внезапные (возникают случайно, неожиданно) Сбой — это самораспространяющийся отказ с кратковременным нарушением работоспособности (помехи в источнике питания).

Дадим определения основным характеристикам надежности:

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течении некоторого времени (наработки).

Долговечность — это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость — это свойство изделия непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние при хранении, транспортировании и после них.

Отдельно выделяют характеристики состояния объектов:

Исправное изделие — это такое состояние, при котором изделие соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

Неисправное состояние — это такое состояние, когда изделие не соответствует хотя бы одному требованию.

Работоспособное и неработоспособное состояние характеризуются способностью и неспосоностью изделия выполнять заданные функции с сохранением значений заданных параметров согласно нормативно-технической документации.

Предельное состояние — это состояние, при котором дальнейшая эксплуатация изделия должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, отклонение параметров за определенные пределы, снижения эффективности эксплуатации ниже допустимого значения, а так же из-за необходимости проведения среднего или капитального ремонта.

Повреждение — это событие, заключающееся в нарушении исправности изделия из-за влияния внешних воздействий, превышающих уровни, установленные в нормативно-технической документации. Повреждения могут быть существенными и несущественными.

· К количественным показателям надежности относятся:

· Возможность безотказной работы

· Интенсивность отказов

· Наработка на отказ

· Средний срок службы

· Среднее время восстановления Таблица 2

Определяем результирующую интенсивность отказов всех элементов рассматриваемой схемы.

?_p = ?n_i? ?_pi

?_p = 0,5?10^-6 + 1?10^-6 + 0,2?10^-6 + 10,15?10^-6 + 0,32?10^-6 + 0,22?10^-6 + 0,0025?10^-6 + 0,32?10^-6 + 0,07?10^-6 + 0,64?10^-6 + 0,32?10^-6 + 3,5?10^-6 = 7265?10^-6 (ед/ч) Определяем среднюю отработку до отказа.

T_ср = 1/?

T_ср = 1/7265?10^-6 = 137 646,2 (1/ч) Определяем результирующую вероятность безотказной работы элементов.

_(t)=8?365=2920ч

P_рез.(t)=e^{-10?7,265?2920} = 0,02

7. Расчет экономической эффективности Стоимость котла КЭВ/0,4 с панелью управления 58 400рубля Приведенные годовые затраты Зг= Е нК +Иг,

Где Ен — нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, принимаемый в энергетике равным 0,12;

К — капиталовложения, руб.;

Игежегодные издержки производства, руб.

Нормативный срок окупаемости

Tн= 1/ Ен, Tн= 1/0,12= 8,4 года.

Ежегодные издержки производства Иг=И, а +Иэ,

Где Иаамортизационные отчисления на восстановление (реновацию) и капитальный ремонт оборудования, руб.; Иэрасходы на эксплуатацию, включающие заработную плату, общесетевые расходы и расходы на текущий ремонт, руб.

Иа= (Ра/100) К, Где Ранорма амортизационных отчислений, %

Иа=(12,6/100) 58 400 = 7358,4 (руб).

Расходы на эксплyатацию

Иэ=? nуе ,

Где y= 1540 руб. у.е. — годовые расходы на обслуживание одной условной единицы;

n_ye— число условных единиц, которыми оценивают данный элемент электроустановки.

И_э= 1540 З=4620 _(руб).

И_г= 58 400 + 4620= 63 020,4 (руб).

З _г =0,12?58 400 + 63 020,4=70 028,4 _(руб).

Заключение

Данная работа на тему «Электрооборудование, автоматизация электродного водонагревателя типа КЭВ-0,4» выполнена в соответствии с заданием.

Выполнено описание технологического процесса установки. Так же описано ее назначение, принцип работы и приведена техническая характеристика установки. Выполнена схема технологического процесса.

В ходе данной работы были выбран, магнитные пускатель, автоматы, а так же рассчитано сечение провода, и выбрана марка провода.

Выполнена принципиальная схема установки. Так же осуществлено описание принципиальной схемы.

В данном курсовом проекте рассчитаны основные показатели надежности системы управления котлом типа КЭВ-0,4:

Результирующая интенсивность отказов системы? ?= 14,445 ?10^-6 ед/ч,

Средняя наработка на отказ системы Тср=6922,81 ч.

Вероятность безотказной работы элементов схемы Pрез (t)=0,409 при сроке нормальной эксплуатации 10 000 ч. при расчете экономической эффективности автоматизации объекта

1. Мартыненко И. К., Лысенко В. Ф. «Проектирование систем автоматики», Москва, Агропромиздат, 1990

2. Изаков Ф. Я. «Механизация и электрификация птицеводства, Москва, Колос, 1982

3. Шеховцов В. П. «Расчет и проектирование», Москва, 2010

4. Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок / И. Ф. Кудрявцев, Л. А. Калинин, В. А. Карасенко и другие. Подредакцией И. Ф. Кудрявцева. — Москва: Агропромиздат, 1988 г.

5. Бодин А. П., Московкин Ф. И. «Электрооборудование для сельского хозяйства», Москва, Россельхозиздат, 1981