Особенности эксплуатации котла как объект регулирования давления пара

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Особенности эксплуатации котла, как объект регулирования давления пара

регулятор давление пар котел

В переходных режимах АСР должна поддерживать заданное давление пара, которое при изменении нагрузки котла от максимальной к минимальной в течение не менее 30 с не должно вызывать подрыва предохранительного клапана. Поскольку этот клапан настраивают на срабатывание при давлении

р_пр = 1,1 р_н,

где р_н - номинальное давление в котле, то при сбросе нагрузки котла отклонение давления пара не должно превышать

р=0,04 р_н .

При повышении нагрузки от минимальной к максимальной допускается несколько большая величина отклонения давления пара, а именно

р=(0,10,15) р_н,

поскольку оно определяется главным образом вскипанием воды в котле и, как следствие повышением уровня воды в барабане за пределы видимой части водомерной колонки. Давление пара в указанных пределах должно сохранятся при изменении расхода пара из котла со скоростью не более 1,5 секунду при увеличении нагрузки и 3 % в секунду при сбросе нагрузки.

Автоматизация питания котлов водой не влияет на их коэффициент полезного действия, но имеет важнейшее значение для надежности эксплуатации энергетической установки и существенно облегчает ее обслуживание. В судовых котлах с естественной циркуляцией процесс регулирования питания, в конечном счете сводится к поддержанию уровня воды в пароводяных барабанах в заданных пределах. Обычно отклонения уровня от заданного не должны превышать ± (50--100) мм.

При нарушении питания котлов водой уже через 1--2 мин отклонение уровня может превысить допустимое и вызвать серьезную аварию. Так, повышение уровня воды в пароводяном барабане увеличивает влажность пара, поступающего в пароперегреватель, и может привести к забросу воды в него и даже в турбину, что приведет к аварии пароперегревателя или турбины. Снижение уровня может нарушить режим циркуляции воды в котле, что повлечет за собой деформацию или пережог водогрейных и экранных труб.

Продолжительность любого переходного процесса в системе регулирования процесса горения не должна превышать 60-90 с.

2. Возмущающие и регулирующие воздействия

Требования к качеству регулирования

В практике эксплуатации морского судна систематически возникают различного рода возмущения котельной установки. Кроме колебаний по расходу пара, котельная установка получает возмущения по подаче топлива, воздуха и воды вследствие изменения режимов работы механизмов и систем, обеспечивающих их подачу, и т. п. Возможны отказы отдельных устройств и узлов котельной установки.

Основным возмущающим воздействием на котельную установку является изменение расхода пара. Кроме того, имеют место возмущающие воздействия со стороны подачи топлива, воздуха и воды вследствие изменения режимов работы соответствующих механизмов, теплообменных аппаратов. Возмущающие воздействия приводят к изменению давления и температуры производимого пара, уровня воды в котле, соотношения топливо-воздух.

Независимо от типа регуляторы давления пара не получают исчерпывающей информации по действительному расходу топлива, вследствие чего значение выходного сигнала из регулятора при одних и тех же нагрузках котла может быть неодинаковым. Величина выходного сигнала из регулятора обусловлена не только нагрузкой, но и положением топливорегулирующего органа, которое зависит от сорта топлива, температуры его подогрева, износов топливорегулирующего органа и распылителей форсунок. Так как выходной сигнал регулятора давления пара обычно является сигналом задания для регулятора подачи воздуха, это обстоятельство соответствующим образом влияет на отклонения коэффициента избытка воздуха и снижает экономичность котельной установки.

В переходных режимах работы котельной установки система автоматического регулирования должна обеспечить возможно меньшие отклонения давления пара, исключить подрыв предохранительных клапанов и уменьшить влияние контура регулирования давления пара па контур регулирования уровня воды. Кроме того, необходимо учитывать влияние контура регулирования давления пара на контур регулирования подачи воздуха. Последний налагает ряд существенных ограничений на процесс регулирования давления пара -- необходимо исключить колебательность процесса при возможно меньших динамических рассогласованиях в подаче топлива и воздуха. Очевидно, что различные структуры регуляторов обеспечивают неодинаковое качество переходных процессов.

3. Математическая модель котла как объект регулирования давления пара

В данном случае ставится задача получить уравнение динамики котла, как объекта регулирования давления пара, пригодного для расчетов, т.е. при этом подходе принимается ряд допущений, который позволяет упростить вид дифференциального уравнения объекта регулирования и в то же время достаточно точно отражать его динамические свойства.

Основные допущения, принятые при выводе уравнения:

1. Судовой паровой котёл с естественной циркуляцией представляется как единая ёмкость, в которой аккумулируется тепло.

2. Пренебрегаем инерционными свойствами пароперегревателя.

3. Рассматривается только пароводяной тракт котла, при этом не затрагивается газовоздушный тракт.

4. Пренебрегаем физическим теплом топлива, питательной воды и воздуха подаваемого в топку котла.

5. Коэффициент избытка воздуха б принимаем оптимальным и постоянным при любых нагрузках котла.

В пароводяной тракт подводится за счёт сжигания топлива Q_т ккал/с и отводится с паром Q_отб ккал/с тепла. Следовательно, в статике имеем следующее уравнение теплового баланса

При нарушении равновесного состояния уравнение теплового баланса будет иметь вид:

После вычитания уравнения из получим:

Где

(- количество тепла , аккумулированного в котловой воде;

-количество тепла, аккумулированного в металле коллектора, труб, каркаса и т. д., кка ).

Величины и можно рассчитать по формулам

;

,

причём:

;

,

где - масса воды в котле, кг;

- энтальпия воды, ккал/кг;

- масса металла котла, кг;

- удельная теплоёмкость металла, ккал/(кг•?С);

- температура металла, ?С;

- давление пара в котле, Па.

Функции заданы таблицами для воды и насыщенного пара.

Линеаризуя функции, и отбрасывая в образуемых рядах члены выше первой степени получим,

;

;

;

.

Подставим последних выражений, в уравнение

Величина является функцией и количества отбираемого от котла пара, т. е. зависит от степени открытия клапана, определяющего отбор пара из котла, ,

Дифференцируя зависимость, получим

Подставляя , получаем

Можно считать:

,

,

где - открытие топливного клапана, мм;

- давление топлива в топливном трубопроводе, Па.

Линеаризуя эти функции, имеем:

;

.

Подставляя в уравнение значения и и , получаем:

Вводим относительные значения переменных, после чего получим линеаризованное уравнение динамики котла по давлению пара

,

где:

- время разгона котла с,

;

- относительное приращение давления пара;

z- коэффициент саморегулирования котла,

;

- относительное изменение положения топливного регулирующего органа;

- относительное изменение положения клапана отбора пара;

, , - принятые базовые значения переменных (например, значения этих переменных при полной нагрузке котла);

, - коэффициенты соответственно по нагрузке и по скорости её нанесения

;

.

В коэффициенте приблизительно равен единице

Коэффициент величина близкая к нулю.

С учётом этого уравнение можно преобразовать в:

,

В нём - коэффициент характеризующий инерционные свойства котла по давлению пара и называется временем разгона.

Если уравнение разделить на коэффициент самовыравнивания z, то получится представляющее собой классическую форму записи дифференциального уравнения:

,

где - постоянная времени объекта регулирования, с;

- коэффициент усиления объекта.

4. Вывод коэффициентов уравнения динамики котла

1. Судовой паровой котёл с естественной циркуляцией представляется как единая ёмкость, в которой аккумулируется тепло.

2. Пренебрегаем инерционными свойствами пароперегревателя.

3. Рассматривается только пароводяной тракт котла, при этом не затрагивается газовоздушный тракт.

4. Пренебрегаем физическим теплом топлива, питательной воды и воздуха подаваемого в топку котла.

5. Коэффициент избытка воздуха б принимаем оптимальным и постоянным при любых нагрузках котла.

Экспериментальные исследования динамических свойств судовых котлов показывают, что при возмущениях как внешних (расход пара), так и внутренних (расход топлива) разгонные характеристики по давлению пара несущественно отличаются от разгонных характеристик одноемкостных объектов со слабо выраженным самовыравниванием. Таким образом имеем упрощенное уравнение динамики котла как объекта регулирования давления пара - уравнение одноемкостного устойчивого объекта

- время разгона котла по давлению пара - время, в течение которого относительное изменение давления пара достигает величины, равной относительному ступенчатому изменению или , с;

- относительное изменение давления пара;

- относительное изменение подвода тепла к парообразующей части котла;

- относительное изменение паровой нагрузки;

Количество тепла, аккумулированного в котле, может быть определено как

- коэффициент аккумуляции тепла парообразующей части котла, показывающий, сколько нужно подвести (или отвести) тепла к парообразующей части котла, чтобы давление пара изменилось на 1 ;

- давление пара при номинальной нагрузке, . Значение может быть определено по формуле

где - коэффициенты, характеризующие соответственно долю воды, пара и метала в общей тепловой аккумуляции котла;

- объемы воды и пара в котле, ;

- масса металла котла, кг;

Коэффициенты могут быть определены а как

Количество тепла, отведенного из котла:

где - расход пара - паспортная паропроизводительность котла, кг/с;

Тогда время разгона (с)

- энтальпия воды, ккал/кг;

Коэффициент самовыравнивания может быть определен как безразмерная разность частных производных по отводу и подводу тепла к парообразующей части котла:

Где

- количество тепла, отведенное с паром;

- количество тепла, подведенное с топливом;

Если уравнение разделить на коэффициент самовыравнивания z, то получится представляющее собой классическую форму записи дифференциального уравнения

,

где - постоянная времени объекта регулирования, с;

- коэффициент усиления объекта.

5. Обоснование выбора регулятора давления пара

В переходных режимах работы котельной установки система автоматического регулирования должна обеспечить возможно меньшие отклонения давления пара, исключить подрыв предохранительных клапанов и уменьшить влияние контура регулирования давления пара на контур регулирования уровня воды. Кроме того, необходимо учитывать влияние контура регулирования давления пара на контур регулирования подачи воздуха. Последний налагает ряд существенных ограничений на процесс регулирования давления пара -- необходимо исключить колебательность процесса при возможно меньших динамических рассогласованиях в подаче топлива и воздуха. Очевидно, что различные структуры регуляторов обеспечивают неодинаковое качество переходных процессов.

Выбор регулятора давления пара осуществляется из динамических свойств объекта регулирования и эксплуатационных требований к качеству регулирования. Из полученного выше уравнения динамики известно, что объект одноёмкостный, инерционный, устойчивый, однако свойство саморегулирования незначительно, поэтому для того, чтобы АСР давления пара была работоспособной, необходимо, чтобы регулятор в своей структуре имел корректирующее устройство (ГОС или ЖОС), либо формировал П или ПИ закон регулирования. Наиболее высокая статическая точность обеспечивается ПИ-регулятором. В то же время в переходных режимах с ПИ-регулятором трудно обеспечить апериодический процесс при допустимых динамических отклонениях, что увеличивает динамические рассогласования между подачей топлива и воздуха. Так как установившихся режимов в строгом понятии в судовых котельных установках нет (постоянно существуют возмущения в виде включений различных механизмов и аппаратов, изменения упора винта на волнении и.т п.), во избежание дымности возникает необходимость сжигания топлива с повышенным коэффициентом избытка воздуха, что снижает коэффициент полезного действия (к. п. д.) котельной установки.

Колебательность процесса исчезает с П-регулятором, однако этот регулятор не обеспечивает высокой статической точности, т. е. уступает по этому показателю ПИ-регулятору.

Таким образом, в контуре регулирования давления пара следует отдавать предпочтение ПИ-регуляторам, если имеется возможность посредством настройки регулятора обеспечить апериодический переходный процесс с допустимой величиной динамического отклонения давления пара.

Для регулирования давления пара в котле используется ПИ-регулятор, основу которого составляют микропроцессорные элементы. В схему включены два датчика давления пара, причем один дублирует другой. Сигнал от датчиков поступает на «селективное» устройство, которое выбирает необходимый сигнал, выход с этого устройства идет на фильтр, который пропускает сигналы только с определенным интервалом (частотой). Выходящий сигнал поступает на ПИ-регулятор, а также на «конвертер». С ПИ-регулятора сигнал идет на устройство выбора, результирующее значение поступает на устройство «минимальной оценки», которое также воспринимает входящий сигнал от «конвертера» и выдает конечный результат на управление подачи топлива и воздуха. Также в схеме есть устройство обратной связи, которое воспринимает сигналы по топливу и воздействует на ПИ-регулятор.

Использование микропроцессорного ПИ-регулятора позволяет получить астатическую характеристику контура регулирования давления пара.

Следует иметь в виду, что выходной сигнал из любого регулятора определяется не только нагрузкой котла, но и степенью открытия топливорегулирующего органа (зависит от качества топлива, температуры его подогрева, износов топливорегулирующего органа и распылителей форсунок), вследствие чего значение этого сигнала при одинаковых нагрузках может быть различным. Это оказывает влияние на коэффициент избытка воздуха, снижая экономичность работы котла.

Функциональная схема ПИ-регулятора имеет вид:

Рис. 1. Функциональная схема ПИ-регулятора

ИУ - измерительное устройство; ЭС - элемент сравнения; П - пропорциональная составляющая; И - интегральная составляющая; ИМ - исполнительный механизм;

На основании функциональной строим структурную схему (рис 1), Передаточные функции элементов регулятора:

;

Рис 2. Структурная схема ПИ-регулятора

Решая структурную схему ПИ-регулятора уровня, получим передаточную функцию регулятора:

где - коэффициент усиления измерительного устройства;

- постоянная времени сервомотора - время перемещения поршня сервомотора из одного крайнего положения в другое при максимальном перепаде давления в его полостях;

- коэффициент пропорциональности регулятора;

- время интегрирования - т.е. время, за которое выходной сигнал после нанесения ступенчатого возмущения достигнет значения входного сигнала в безразмерных единицах, отклоняясь с постоянной начальной скоростью.

Из передаточной функции регулятора получим уравнение динамики в общем виде:

Параметрами настройки ПИ-регулятора являются: коэффициент усиления регулятора и время интегрирования .

Регулятор давления пара

Регулятор (рис. 3) предназначен для автоматического поддержания давления пара в котле за счет изменения подачи к форсунке топлива и воздуха. Он состоит из измерительной части - манометра давления пара МДП, регулирующего электронного устройства РУ, перерабатывающего сигнал об изменении давления пара в управляющий сигнал по закону ПИ-регулирования, и исполнительного механизма ИМВЗ с электромотором ЭМ, который управляет работой топочного устройства котла.

Манометр МДП управляет плунжером дифференциального трансформатора; его выходной сигнал в диапазоне 4--20 мА изменяется пропорционально отклонению давления пара от значения, заданного при настройке. Этот сигнал поступает на один из выходов регулирующего устройства, где он выпрямляется и усиливается по напряжению.

Усиленный сигнал поступает на сумматор, где сравнивается с сигналом задатчика. Напряжение задатчика устанавливается регулируемыми резисторами «Грубо» и «Точно», расположенными на лицевой панели. При номинальном значении давления пара в котле сигнал на выходе сумматора равен нулю.

Управление перемещением выходного вала ИМВЗ производится датчиками реле ДР1 и ДР2, которые включаются по сигналам на выходе ПИ-регулятора при нормальной работе котла или по командам системы.

логического управления в периоды розжига либо двухпозиционного регулирования. Включение реле ДР1 вызывает перемещение ИМВЗ в сторону уменьшения, а реле ДР2 -- в сторону увеличения подачи топлива и воздуха.

Для того чтобы переходы от логического управления к управлению от регулятора и наоборот не вызывали нежелательных резких перемещений регулирующих органов топлива и воздуха, предусмотрено устройство, согласующее сигналы на выходе регулятора и логических цепей. Это устройство включается в следующих случаях:



Рис. 3. Электросхема взаимодействия основных частей регулятора давления пара в котле

- когда ИМВЗ тумблером РД отключен от регулятора и управление регулирующими органами производится вручную;

-- когда ИМВЗ удерживает минимальную подачу топлива к форсунке при давлении пара в котле ниже номинального (например, в случае остывания котла на циклах позиционного регулирования);

- когда осуществляется подъем давления пара до номинального при минимальном расходе топлива (розжиг из холодного состояния).

Астатическая характеристика при непрерывном регулировании обеспечивается на нагрузках котла по пару, превышающих 20 % полной паропроизводительности. При меньших значениях паропроизводительности автоматическая работа осуществляется системой логического управления БАУ в режиме двухпозиционного регулирования; характер изменения давления пара в котле при таком режиме иллюстрируется графиком

6. Устойчивость САР

Для исследовании устойчивости данной АСР из полученного уравнения вынужденного движения системы:

Приравняем нулю правую часть, в результате получим уравнение свободного движения, из которого получим характеристическое уравнение вида:

Учитывая, что уравнение свободного движения дифференциальное уравнение 3-го порядка, для исследования устойчивости АСР удобнее всего использовать критерий Вышнеградского, для чего необходимо определить коэффициенты Вышнеградского:

По условию Вышнеградского АСР 3-го порядка будет устойчива, если

,

будет на границе устойчивости, если

,

будет не устойчивой, если

.

Для исследования устойчивости, воспользуемся следующими коэффициентами:

; ; ; ; ;

Подставим в уравнение для А и В учитывая, что:

; ;

;

,

следовательно, система устойчива.

7. Исследование динамики САР

Существуют обобщённые методы определения параметров настройки автоматических регуляторов, наиболее удобные для практического использования. С их помощью можно получить значения параметров настройки регулятора, близкие к оптимальным. На оптимальные значения параметров настройки влияют ошибки в градуировке регулятора, имеющиеся в системе нелинейности и т.д. Однако формы переходных процессов не очень чувствительны к изменениям параметров настройки вблизи их оптимальных значений.

Современный объём автоматизации СЭУ а также сложность используемых АСР требуют выполнения работ по их наладке на современной теоретической основе. Между тем, на практике очень много людей выполняют наладку интуитивно методом проб и ошибок, подбирая значения.

Исследование динамики АСР выполняется с целью оценки влияния параметров настройки на показатели качества переходных процессов. Решается этот вопрос либо на реально существующей АСР путём изменения одного из параметров настройки в некотором диапазоне при сохранении постоянными других параметров, получении переходных процессов и оценки их качества, либо путём решения уравнения вынужденного движения АСР, например, с помощью персонального компьютера и такой же оценки качества переходных процессов.

В обоих случаях оценка качества позволяет определить влияние параметров настройки на все показатели качества и при необходимости по этим данным построить диаграммы качества.

Для исследования влияния параметров настройки регулятора на показатели качества переходных процессов, воспользуемся программой MathLab.

Графики переходных процессов в зависимости от изменения параметров настройки регулятора - Ти и Кр приведены на (рис. 4) . и (рис. 5) соответственно.



Рис. 4. Переходные процессы САР при Кр=var, Tu=const, 1-Кр=5, Ти=150; 2-Кр=7, Ти=150; 3-Кр=10, Ти=150

Примем Ти=150, а Кр будем изменять, тогда получим следующие значения параметров:

При Кр=5:

tp=46,8 с- время переходного процесса

цдин=0,2- динамическая ошибка

цкол=0%

При Кр=7:

tp=81,5 с- время переходного процесса

цдин=0,169- динамическая ошибка

цкол=13%

При Кр=10

tp=99 с- время переходного процесса

цдин=0,13- динамическая ошибка

цкол=30,7 %

Рис. 5. Переходные процессы САР при Кр=const, Tu=var, т1-Кр=7, Ти=175; 2-Кр=7, Ти=150; 3-Кр=7, Ти=100

Примем Кр=7 с, а Ти будем изменять, тогда получим следующие значения параметров:

При Ти=175:

tp=121 с- время переходного процесса

цдин=0,16- динамическая ошибка

цкол=25%

При Ти =150:

tp=81.5 с- время переходного процесса

цдин=0.169- динамическая ошибка

цкол=13 %

При Ти =100:

tp=81с- время переходного процесса

цдин=0,17- динамическая ошибка

цкол=10.5%

По переходным процессам составим диаграммы качества:

Рис. 6. Диаграмма изменения времени переходного процесса при различных настройках регулятора

На рис. 6 изображены диаграммы качества показывающие изменение времени переходного процесса, при изменении Кр и Ти.



Рис. 7.Диаграмма изменения динамической ошибки при различных настройках регулятора.

На рис. 7 изображены диаграммы качества показывающие изменение динамической ошибки процесса, при изменении Кр и Ти.

Рис. 8. Диаграмма изменения колебательности при различных настройках регулятора.

На рис. 8 изображены диаграммы качества показывающие изменение колебательности процесса, при изменении Кр и Ти.

Исходя из диаграмм качества мы выбираем Кр=7 и Ти=15

Размещено на Allbest.ru

...