Статика и динамика АСР давления топлива в топливном трубопроводе котла с ПИ-регулятором, работающем в режиме слежения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статика и динамика АСР давления топлива в топливном трубопроводе котла с ПИ-регулятором, работающем в режиме слежения

Задание

Та	Z	ф
	2	2,4

1. Назначение и задачи автоматического регулирования процесса горения топлива в СПК, режимы работы

автоматический топливный котел

Совершенство процесса горения топлива определяет экономичность работы котла и способствует защите окружающей среды от загрязнения. Подача топлива и воздуха в топки котлов должна осуществляться в определенном соотношении: как недостаточная, так и чрезмерная подача воздуха снижает КПД котла. Сжигание топлива с коэффициентом б избытка воздуха, отличным от оптимального, увеличивает суммарные потери теплоты с уходящими газами и химическим недожогом (q₂ + q₃). Увеличение б повышает температуру точки росы, интенсифицируя коррозию низкотемпературных поверхностей нагрева, а уменьшение приводит к дымлению и повышенному загрязнению поверхностей нагрева. Для конкретных условий топливосжигания имеется определенное значение б, соответствующее минимуму потерь теплоты. Значение б для современных котлов незначительно и диапазон его изменений, в пределах которого обеспечивается бездымное горение топлива, мал. Поэтому соотношение подач топлива и воздуха в топку должно поддерживаться АСР с высокой точностью, обеспечивающей максимальный КПД котла пли минимум потерь теплоты.

Для конкретных условий топливосжигания существует некоторое оптимальное значение коэффициента избытка воздуха, соответствующее минимуму потерь тепла (рис.1).



Рис. 1 График (безмасштабный) зависимости потерь теплоты в котле от коэффициента избытка воздуха б: 1 - потери от химического недожога; 2 - потери с физическим теплом уходящих газов

Автоматическое регулирование процесса горения в топке обеспечивается воздействием на исполнительные органы подачи топлива и воздуха в соответствии с изменениями регулируемых величин. Схемы регулирования процесса горения топлива отличаются способом поддержания коэффициента избытка воздуха.

Способ регулирования процесса горения непосредственно по коэффициенту избытка воздуха распространения не получил из-за отсутствия надежных точных методов и средств его непрерывного измерения.

Косвенным способом оценки качества (экономичности) процесса горения, а следовательно, и изменения б, является анализ состава дымовых газов, покидающих точку. Входным регулирующим воздействием служит расход воздуха в топку, а выходной регулируемой величиной -- содержание кислорода в дымовых газах. Реализующая данный способ схема АСР включает в себя автоматический регулятор, измеряющий состав дымовых газов (значение б) и воспринимающий импульс по давлению пара в котле, который управляет ИО подачи топлива и воздуха. Однако несовершенство существующих приборов анализа дымовых газов, обладающих значительной инерционностью и запаздыванием в получении выходного сигнала при отклонении а от заданного значения, не позволяет их использовать в качестве измерителей АСР процесса горения.

Наиболее характерные для судовых КУ структурные схемы приведены на рис. 2.

Рис. 2. Схемы систем регулирования процесса горения топлива

Параллельное управление подачей топлива и воздуха в зависимости от нагрузки котла реализует схема, изображенная на рис. 2, а. Она проста, но не обеспечивает высокой точности соотношения топливо-воздух, так как согласовать действительные расходы воздуха и топлива в оптимальном соотношении подбором характеристик ИО затруднительно.

Схема, показанная на рис. 2, б, также осуществляет параллельное управление подачей топлива и воздуха, но расход воздуха непрерывно измеряется и корректируется обратной связью, вследствие чего его подача в топку пропорциональна управляющему сигналу. Это повышает точность поддержания заданного соотношения топливо-воздух.

Последовательное регулирование «топливо по воздуху» реализует схема, приведенная на рис. 2, в. Импульс по давлению пара управляет подачей воздуха, а затем пропорционально последней устанавливается подача топлива. Посредством измерителей расходы воздуха и топлива согласовываются и соотношение топливо-воздух в установившихся режимах определяется точностью измерения указанных сред.

Схема, представленная на рис. 2, г, обеспечивает параллельное управление подачей топлива и воздуха по импульсу от давления пара, а корректировку соотношения топливо-воздух - изменением подачи топлива.

Режим работы СПК или его элементов характеризуется и определяется совокупностью ряда взаимосвязанных регулируемых величин и воздействий. Различают установившийся и неустановившийся режимы работы.

Установившийся (статический) режим работы СПК обеспечивается при равенстве количеств производимой и потребляемой энергии. Он характеризуется равенствами количеств энергии и вещества, подводимых к СПК и отводимых от него. При этом количества энергии и вещества, аккумулированные в СПК, постоянны, а следовательно, неизменны во времени и параметры соответствующих технологических процессов. К устойчивым относятся установившиеся режимы, самопроизвольно восстанавливающиеся при случайных отклонениях, а к неустойчивым -- не обладающие этой способностью.

В условиях эксплуатации действующие на СПК внешние возмущения нарушают равенства между количествами подведенных энергии и вещества к его элементам и отведенных от них. Возникший небаланс приводит к увеличению или уменьшению энергии и вещества, аккумулированных в элементе СПК, а следовательно, к изменению параметров технологического процесса, что может отрицательно сказаться на экономичности и надежности СПК.

Режим работы СПК, при котором энергетический и материальный балансы нарушены (при нарушении равенства между производимой энергией и потребляемой), называется неустановившимся (динамическим). Он характеризуется изменением параметров технологических процессов в СПК.

2. Регулируемые величины и контуры регулирования АСР топливосжигания СПК

АСР топливосжигания предназначена для выработки пара требуемых параметров и в необходимых количествах при оптимальных б и максимальном КПД. АСР является многоконтурной со взаимосвязанными контурами (давление пара, давление топлива, давление воздуха). Причём, контур давления пара и регулятор давления пара называются главными (командными), так как этот регулятор контролируя нагрузку котла по изменению давления пара выдаёт командные сигналы на задающие устройства (ЗУ) регуляторов давления топлива и давления воздуха, обеспечивающих подвод тепла в топку котла в соответствии с его паровой нагрузкой.

АСР топливосжигания включает в себя следующие контуры регулирования:

1. Р_п - контур регулирования давления пара в котле;

2. Р_т - контур регулирования давления топлива перед форсунками котла;

3. Р_в - контур регулирования давления воздуха в воздуховоде котла;

4. И_т, (з) - контур регулирования температуры или вязкости топлива перед форсунками котла;

5. Р_п.р. - контур регулирования давления пара, идущего на распыл топлива в форсунках котла;

6. ДР_т - контур регулирования перепада давления топлива на топливном клапане (золотнике);

3. АСР топливосжигания СПК большой паропроизводительности: устройство, принцип действия, характеристики регуляторов, входящих в состав АСР

Как уже отмечалось ранее, АСР топливосжигания предназначена для автоматического регулирования давления пара в котле путем изменения подачи в котел необходимого количества топлива и воздуха. Были перечислены контуры регулирования, входящие в АСР топливосжигания. На рис. 3 представлена структурная схема АСР топливосжигания. Исходя из динамических свойств котельной установки как объекта регулирования по вышеперечисленным контурам, как правило, в состав АСР топливосжигания входят следующие регуляторы:

1) Регулятор давления пара (П-регулятор, работающий в режиме стабилизации);

2) Регулятор давления топлива (ПИ-регулятор, работающий в режиме слежения);

3) Регулятор давления воздуха (И-регулятор, работающий в режиме слежения);

4) Регулятор вязкости топлива (как правило, используется ПИ-регулятор, работающий в режиме стабилизации);

5) Регулятор давления пара, идущего на распыл (И-регулятор, работающий в режиме стабилизации);

6) Регулятор перепада давления топлива на топливном клапане (золотнике) (И-регулятор, работающий в режиме стабилизации);

Все регуляторы непрямого действия, преимущественно гидравлические (на некоторых судах используется пневматический ПИ-регулятор вязкости топлива).

Рис. 3. Структурная схема АСР топливосжигания главных паровых котлов

В качестве технических средств автоматики преимущественное распространение имели гидравлические ТСА, где в качестве рабочей жидкости подаваемой на усилители и исполнительные устройства используется вода-конденсат. Достоинствами гидравлических ТСА являются, прежде всего, высокая надежность, простота конструкции не требующих высокой квалификации обслуживающего персонала при эксплуатации. Кроме того, не требуется специальных установок, обеспечивающих подачу рабочей жидкости к ТСА. Недостатком является относительно большие весогабаритные характеристики, а также значительное число токарных работ затрачиваемых на ремонт. В последние годы, все больше находит применение электрические (электронные регуляторы).

Принципиальная схема АСР топливосжигания представлена на рис. 4. Рассмотрим устройство и принцип действия представленной схемы.

По типу структурной схемы АСР относится к системам топливо- воздух. Система всережимная, непрямого действия, с водяными усилительными реле и поршневыми ИМ, обеспечивает поддержание давления пара одновременно в двух котлах (на схеме приведена часть системы, обеспечивающая работу одного из котлов), оборудованных паромеханическими форсунками.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Принципиальная схема гидравлической АСР топливосжигания

Общий для двух котлов П-регулятор давления пара посредством сильфона 2 измеряет давление в главном паропроводе. В установившемся режиме усилие от сильфона уравновешено задающей пружиной 1 и пружиной 4 обратной связи (на нее воздействует лекало A), заслонка усилительного реле находится в среднем положении, поршень исполнительного механизма 16 неподвижен и через кривошипно-шатунный механизм и шестерни удерживает вал 5 в положении, определяемом нагрузкой котла. Углом поворота вала 5 определяются степень открытия топливорегулирующего золотника 20 и, следовательно, подача топлива к распределительному коллектору 14 форсунок, а также задание регуляторам давления топлива и расхода воздуха -- соответствующим воздействием профильных лекал Б и В на измерители 8 и 18. Топливо к золотникам 20 подается насосом через подогреватель 24, фильтры 23, а часть топлива через клапан 30 направляется на слив. Подача воздуха в топку определяется положением воздухорегулирующих заслонок, расположенных на всасывании котельных вентиляторов 12.

При отклонении давления в главном паропроводе от заданного, усилие от сильфона 2 изменяется и равновесие сил в измерителе нарушается. Заслонка усилительного реле отклоняется, под действием перепада давлений воды поршень 16 ИМ перемещается, вал 5 с закрепленным на нем золотником 20 поворачивается и подача топлива к форсункам изменяется. При повороте вала лекало А изменяет натяжение пружины 4 регулятора давления пара, заслонка усилительного реле возвращается в среднее положение, движение поршня 16 ИМ и вала прекращается. Так как при новой нагрузке котла усилие пружины 4 обратной связи будет иным, заслонка усилительного реле возвратится в среднее положение при значении давления пара, отличном от того, которое предшествовало переходному процессу, т. е. регулятор поддерживает давление с неравномерностью (чем больше нагрузка котла, тем ниже значение давления пара). Степень неравномерности устанавливается посредством подбора профиля лекала А и составляет 8-10%. Время ИМ регулируется дроссельным клапаном. Настройка регулятора на требуемое значение давления пара осуществляется изменением натяжения задающей пружины 1. Одновременно лекала Б и В изменяют задание регуляторам давления топлива и расхода воздуха.

Программа изменения давления топлива в распределительных коллекторах в зависимости от нагрузки определяется профилем лекала Б, изменяющим натяжение задающей пружины регулятора давления топлива (общего для двух котлов). При воздействии лекала равновесие сил, действующих на рычаг регулятора со стороны задающей пружины, пружины изодромной обратной связи и давления топлива на сильфон, нарушается. Заслонка усилительного реле отклоняется от среднего положения, и поршень 29 ИМ изменяет степень открытия клапана 30 слива топлива до тех пор, пока давление в топливопроводе перед форсунками не будет соответствовать значению давления, установленному натяжением задающей пружины. Изодром 7, оказывая временное отрицательное воздействие на измеритель, уменьшает колебания системы топливоподачи при резких изменениях нагрузки котла. Время изодрома устанавливается изменением степени открытия дроссельного клапана 6.

Регулятор расхода воздуха измеряет перепад давлений на фронте котла посредством мембраны измерителя 18. Программа для работы регулятора вводится посредством лекала В, измеряющего натяжение пружины 19. Нарушение равновесия сил пружин 17 и 19 и перепада давлений на мембране приводит к отклонению заслонки усилительного реле из среднего положения и перемещению поршня ИМ 11 до тех пор, пока положение воздухорегулирующих заслонок на всасывании вентилятора 12 не обеспечит заданного расхода воздуха. При необходимости изменения подачи воздуха на всех установившихся режимах работы котла следует изменить натяжение пружины 17 измерителя, а при нарушении подачи воздуха только в отдельных режимах -- профиль лекала В.

Необходимая температура топлива за фильтрами 23 поддерживается общим для двух котлов П-регулятором. Давление паров жидкости на сильфон измерителя 28 уравновешено задающей пружиной 27 и пружиной 26 обратной связи. При отклонениях температуры топлива от заданного значения давление на сильфон изменяется, и равновесие сил в измерителе нарушается, в результате ИМ изменяет степень открытия клапана 25 подачи пара к топливоподогревателю 24. Так как топливный насос работает с постоянной подачей, а слив топлива осуществляется после подогревателя, то в установившихся режимах расход топлива через подогреватель неизменен, что позволяет П-регулятору поддерживать постоянное значение температуры топлива при всех нагрузках котла.

Давление распыливающего пара, подаваемого к паромеханическим форсункам, поддерживается постоянным на всех нагрузках котлов И-регулятором, который измеряет давление пара в коллекторе 13 посредством сильфонного измерителя 22 и изменяет степень открытия дросселирующего золотника 21. Настройку регулятора осуществляют изменением натяжения его задающей пружины.

При повороте вал 5 лекалами воздействует на микровыключатели 9 и 15, которые обеспечивают различные частоты вращения соответственно котельных вентиляторов и топливных насосов.

Указанная АСР позволяет также осуществлять полуавтоматическое и ручное управление котлами. Полуавтоматическое управление двумя котлами осуществляется вращением одного из маховиков 3. Для этого обводной кран регулятора давления пара открывают, сообщая полости ИМ. Для полуавтоматического управления одним из котлов рукоятки 10 устанавливают вправо или влево, разобщая тем самым часть вала 5 и устраняя действие на эту часть регулятора давления пара, что позволяет посредством маховика 3 управлять одним из котлов при работе другого в автоматическом режиме.

Ручное управление котлами осуществляется ручными приводами регуляторов давления пара, давления топлива, расхода воздуха, температуры топлива, давления распыливающего пара.

Отличительными особенностями этой АСР являются: использование ПИ-регуляторов давления топлива и расхода воздуха для увеличения динамической устойчивости процессов регулирования; наличие дополнительно к П-регулятору температуры топлива П-регулятора вязкости; дополнительно применен регулятор перепада давления топлива (для предотвращения влияния гидравлических сопротивлений топливопровода на заданное лекалом давление топлива перед форсунками); на валу, вращаемом посредством ИМ регулятора давления пара, установлен ряд дополнительных лекал, обеспечивающих включение корректирующих и защитных устройств.

4. Динамические свойства топливной магистрали: математическое описание и экспериментальный метод оценки её свойств

Как известно, для обеспечения требуемой паропроизводительности СПК необходимо в топку котла подать требуемое количество топлива и воздуха. Топливо от топливного насоса по трубопроводу поступает к форсункам, установленным на фронте котла, к которым подводится одновременно и воздух в количестве необходимом для полного и качественного сжигания топлива. При этом поступающее к форсунке топливо подготовлено к сжиганию: подогрето до необходимой температуры, имеет требуемую вязкость, которая обеспечит качественный распыл.

На фронте котла устанавливают механические или паромеханические форсунки. В последние годы преимущественно используются паромеханические форсунки, у которых качество распыла топлива обеспечивается подводом пара на распыл. Достоинством паромеханических форсунок является, прежде всего большая глубина регулирования (достигает 25-ти). Кроме того, паромеханические форсунки обеспечивают качественный распыл топлива, а изменение производительности форсунки по топливу обеспечивается плавным изменением давления топлива перед форсункой от минимального к максимальному (примерно Р_т = 0,3 25-40 кгс/см²)

Механические форсунки, отживающие свой век, имеют небольшую глубину регулирования - до 2-х, и осуществляют распыл топлива за счёт достаточного давления Р_т перед форсункой (не ниже 12 атм.). На котлах с такими форсунками регулирование паропроизводительности осуществляется за счёт поочерёдного включения или выключения механических форсунок из действия, а для обеспечения плавности подачи топлива в топку котла устанавливают 2 механические форсунки регулируемые.

На современных паровых котлах с паромеханическими форсунками давление топлива перед форсунками регулируется автоматически, причем величина этого давления зависит от нагрузки котла по пару, поэтому регуляторы давления топлива в таких системах работают в режиме слежения. Объектом регулирования АСР давления топлива является топливный трубопровод от топливного насоса да форсунок (топливного золотника) и до сливного клапана (см. рис. 5)

Рис. 5. Принципиальная схема АСР давления топлива в топливной магистрали

1 - винтовой или шестерёнчатый топливный насос (G_H = const);

2 - участок топливного трубопровода, который является объектом регулирования;

3 - паровой подогреватель топлива;

4 - топливный золотник;

5 - паромеханические форсунки котла;

6 - регулятор давления топлива;

7 - сливной топливный клапан.

G_н - производительность топливного насоса;

G_ф - расход топлива в топку котла через форсунки;

G_сл - расход топлива через сливной топливный клапан;

P_т - давление топлива (регулируемый параметр);

б - угол поворота регулирующего топливного золотника;

m_сл - степень открытия сливного топливного клапана.

В установившемся режиме работы котла и АСР количество топлива, поступающего от топливного насоса равно сумме количества топлива поступающего к форсункам и на слив. Отсюда запишем:

G_н - G_ф.0 - G_сл.0 = 0(1).

При нарушении равновесного состояния подачи топлива к котлу:

G_н - G_ф - G_сл = 0(2),

т.к. G_H = const, т.е. его производительность постоянна и не зависит от нагрузки котла по пару, то после вычитания (1) из (2) получим:

ДG_ф - ДG_c = 0(3)

Уравнение (3) является уравнением в общем виде динамики топливного трубопровода как объекта регулирования давления, в котором G_ф и G_cл являются переменными величинами. Рассмотри их функциональную зависимость:



Линеаризуем известным методомфункциональные зависимости (4), и подставим их в выражение (3):

(5).

Для приведения (5) к безразмерному виду необходимо каждую составляющую этого уравнения умножить и разделить на базисное номинальное значение соответствующей переменной. Для этого введем обозначения безразмерных значений переменных:

- относительное изменение регулируемого параметра;

- относительное изменение регулирующего воздействия;(6).

- относительное изменение нагрузки или возмущающего воздействия.

В итоге получим:

(7),

где:

.

Если уравнение (7) разделить на G_H, то получим:

z•ц = ? (м_сл + л)(8),

или разделив обе части на z:

ц = ?k•(м_сл + л)(9),

где:

;.

Из полученного уравнения (8) видно, что топливный трубопровод котла, как объект регулирования давления топлива представляет из себя безинерционный, устойчивый объект регулирования с постоянным коэффициентом самовыравнивания z = 2 (или коэффициентом усиления k₀ = 0,5).

Однако в случае если топливный трубопровод как ОР давления топлива имеет большую длину и диаметр, и одним насосом, топливо подается на несколько паралельно работающих котлов, то такой объект становится инерционным (учитывая также наличие пузырьков воздуха в топливе).

В этом случае уравнение динамики:

(10).

Уравнение (10), которое описывает динамические свойства данного объекта получено аналитически и позволяет определить численное значение z.

При наличии смонтированного объекта регулирования для оценки его динамических свойств экспериментальным методом, позволяющим определить z и Т_а (или Т₀ и k₀), необходимо после приведения объекта в равновесное состояние нанести скачкообразное возмущение на вход объекта. Получают экспериментальную динамическую характеристику объекта и графически определяют численные значения коэффициентов.

5. Задачи регулирования давления топлива, эксплуатационные требования к качеству регулирования и обоснование выбора регулятора

Задачей автоматического регулирования давления воздуха в АСР топливосжигания является достижение максимального значения КПД котла, а также бездымного горения на манёврах. Известно, что КПД котла равно:

где - потери с уходящими газами;

- потери от химического недожига;

- потери от механического недожига;

- потери в окружающую среду.

При сжигании жидкого топлива =0, не зависит от структуры АСР. Поэтому, для уменьшения потерь (+) необходимо обеспечить оптимальные значение коэффициента избытка воздуха б, который принимает значение для современных судовых котлов б =1.031.05. В эксплутационных условиях б оптимальное - 1.1.

При поддержании б оптимальным на всех режимах работы котла достигается экономия топлива в пределах 1-3%. При этом следует иметь в виду следующее:

· увеличение б выше б оптимального особенно на значительную величину и длительное время работы котла ведёт к повышению точки росы и, как следствие, коррозии хвостовых поверхностей;

· увеличение б на 10% от оптимального приводит к снижению КПД котла на 1%, а уменьшение б на 10% ведёт к снижению экономичности на 10%.

Для обеспечения требуемых статических и динамических характеристик АСР следует провести соответствующие расчет и настройку параметров отдельных регуляторов.

Статические характеристики контуров регулирования должны быть такими, чтобы обеспечивать оптимальные технико-экономические показатели СЭУ. Запас устойчивости контуров регулирования должен обеспечивать поддержание регулируемых величин в установившихся режимах с заданной погрешностью. Отклонения регулируемых величин должны составлять: давление пара в точке отбора импульса на регулятор ±0,5 МПа; перепад давления топлива на топливорегулирующем клапане ±0,02 МПа; температура топлива ±2°С; перепад давлений в газовом тракте при нагрузках, не превышающих 30%-ную, ±1% максимального значения, а при нагрузках свыше 30% не более ±2,5%; уровень воды в котле ±30 мм.

В переходных режимах АСР должна обеспечивать поддержание регулируемых величин со следующими отклонениями. Падение давления пара не должно превышать 10% номинального при изменении нагрузки котла от минимальной до максимальной за период не менее 60 с (без перестройки регулятора давления пара) и за период не менее 150 с (с перестройкой регулятора). Допускается повышение давления пара, не приводящее к подрыву предохранительных клапанов при изменении нагрузки котла от максимальной до минимальной за время не менее 30 с. Давление пара в указанных пределах должно поддерживаться при изменениях расхода пара со скоростью не более 1,5% в секунду (при повышении нагрузки) и 3% в секунду (при снижении нагрузки). Отклонение давления топлива в напорном топливопроводе должно лежать в пределах ±0,1 номинального, а температура подогрева топлива не должна превышать 4--8°С. Продолжительность переходного режима в АСР процесса горения не должна превышать 60--90 с.

Как было сказано выше, регулирование подачи топлива в топку котла должно обеспечить экономичную работу котла на статических режимах и бездымное маневрирование. Система топливосжигания котла структурно строится таким образом, чтобы при изменении нагрузки котла по пару, изменение подачи топлива и воздуха в топку котла производилось синхронно. Кроме того, при нагрузке котла коэффициент избытка воздуха остаётся неизменным. С этой целью контуры P_Т и Р_В должны работать параллельно, а сами регуляторы должны быть астатическими (И или ПИ).

В связи с тем, что на котлах устанавливаются паромеханические форсунки, количество работающих форсунок остаётся неизменным, так как увеличение подвода тепла осуществляется изменением Р_Т и Р_В перед форсункой, то регуляторы топлива и воздуха должны работать в режиме слежения, т.е. они должны с помощью своих задающих устройств отслеживать изменение нагрузки котла по пару. С этой целью АСР топливосжигания котла устроена так, сто ИМ регулятора давления пара изменяет угол поворота вала нагрузки системы, на котором закреплены задающие лекала регуляторов Р_Т и Р_В.

Несмотря на то, что топливный трубопровод является объектом устойчивым и безинерционным (или инерционным), казалось бы, можно использовать И-регулятор Р_Т, что и было сделано на ряде судов. Однако опыт эксплуатации этих судов показал, что в ряде случаев после 3-5-ти лет работы в системах наблюдались случаи ухудшения качества переходных процессов в контуре, и даже доходило до автоколебательных переходных процессов.

Исследования показали, что это явление определялось увеличением инерционности объекта и даже появлением небольшого времени запаздывания (ф=13 с). Такое изменение свойств объекта связано с попаданием пузырьков воздуха в топливный трубопровод, появлением сужений проходного сечения импульсных трубопроводов в результате нарастания слоя парафиновых составляющих мазута на внутренних стенка импульсных трубопроводов. В связи с этим для повышения надёжности работы АСР Р_Т стали использовать ПИ-регуляторы работающие в режиме слежения.

6. Принципиальная, функциональная и структурная схемы регулятора ПИ-регулятора давления топлива. Принцип действия, характеристики и динамические свойства элементов регулятора, уравнение динамики регулятора и его динамическая характеристика

На основании принципиальной схемы АСР топливосжигания котла составим функциональную схему ПИ-регулятора давления топлива.

Рис. 6 Функциональная схема ПИ-регулятора.

ИУ - измерительное устройство; ИМ - исполнительный механизм; РО - регулирующий орган; ГОС - гибкая обратная связь.

Передаточные функции каждого блока регулятора имеют вид:

W(p)_ИУ = k_и - измерительное устройство;

W(p)_ИМ = - исполнительный механизм;

W(p)_ГОС = - гибкая обратная связь;

W(p)_РО = ±1 - регулирующий орган.

T_c - время сервомотора;

T_из - время изодрома;

k_н - коэффициент усиления по нагрузке;

k_г - коэффициент усиления ГОС.

Можем составить структурную схему ПИ-регулятора давления топлива:

Рис. 7. Структурная схема ПИ-регулятора давления топлива

На основании структурно схемы ПИ-регулятора, выведем его общую передаточную функцию:

(11)

где, k_н - коэффициент усиления по нагрузке котла.

В данном регуляторе T_c, T_из, и k_г - настроечные параметры.

При T_c > 0:

, где

Последнее выражение иллюстрирует свойство данного ПИ-регулятора. Поскольку изменение k_p влияет как на П так и на И составляющую, то такой регулятор называется с взаимосвязанными параметрами.

Динамическая характеристика ПИ-регулятора давления топлива и схема определения его настроечных параметров представлены на рис. 8.



Рис. 8. Динамическая характеристика ПИ-регулятора: 1 - идеального, 2 - реального

7. Динамика и статика АСР давления топлива: уравнение вынужденного движения и уравнение статики АСР, статические и динамические характеристики АСР давления топлива

Составим функциональную схему АСР давления топлива (рис. 9).

Рис. 9. Функциональная схема АСР давления топлива ОР - объект регулирования.

Для получения математической модели системы автоматического регулирования давления топлива необходимо составить структурную схему АСР. Путем замыкания регулятора в обратную связь с объектом регулирования получим структурную схему замкнутой системы автоматического регулирования со значениями передаточных функций каждого элемента (рис. 10).

Рис. 10. Структурная схема АСР давления топлива

Для исследования статики и динамики АСР давления топлива в топливной магистрали необходимо получить уравнение вынужденного движения системы, для чего необходимо получить совместное решение системы уравнений (12).

(12)

Так как регулятор работает в режиме слежения, то возмущение идет на вход регулятора (на его задающее устройство), а это значит, что в уравнении регулятора л=0.

Решить данную систему можно методом подстановки первого уравнения во второе:

(13)

Преобразуем второе уравнение:

(14)

Уравнение 14 характеризует вынужденное движение системы, данное уравнение называется уравнением динамики АСР.

Для получения уравнения статики АСР необходимо все производные приравнять нулю. Получим:

=> (15) - уравнение статики АСР

На основании структурной схемы АСР давления топлива можно вывести передаточную функцию замкнутой системы давления топлива:

Ниже приведены результаты моделирования АСР давления пара в пароводяном барабане котла с гидравлическим ПИ-регулятором давления в режиме стабилизации и АСР давления топлива в топливном трубопроводе с гидравлическим ПИ- регулятором топлива, работающим в режиме слежения.

Рис. 11. АСР давления пара и АСР давления топлива работающая в режиме слежения



Рис. 12. Переходные процессы - л, ц_п, µ_п при различных значениях k_жос (8.3, 5)

Рис. 13. Переходные процессы - ц_п при различных значениях k_жос (8.3, 5)

Рассматривая топливный трубопровод как безынерционное звено (рис. 14) с транспортным запаздыванием 1с и без получим переходные процессы в топливном трубопроводе, показанные на рис.10.



Рис. 14. Блок-схема АСР топливосжигания. Топливный трубопровод безынерционный, с транспортным запаздыванием 1с.

Рис. 15. Переходные процессы - ц_т с транспортным запаздыванием и без него

Изучим влияние одного из настроечных параметров П-регулятора давления пара (напр. К_жос) на динамику контура регулирования давления топлива.



Рис. 16. Влияние К_жос (8.3, 4, 2) регулятора давления пара на динамику контура регулирования давления топлива

К_жос= 8.3 обеспечивает наиболее плавный переходной процесс, стремящийся к апериодическому (уменьшается динамическая ошибка, время переходного процесса, увеличивается запас устойчивости)

Теперь изучим влияние К_гос регулятора давления топлива на качество переходных процессов в контуре регулирования давления топлива. Примем его равным 10, 6, 3 - рис.17.

Рис. 17. Влияние К_гос (10, 4, 2) регулятора давления топлива на динамику контура регулирования давления топлива

Как видно, с уменьшением К_гос уменьшается запас устойчивости, растет время регулирования и динамическая ошибка. Переходной процесс при К_гос = 10 является наилучшим.

Определим, как влияет Т_из на динамику переходных процессов.



Рис. 18. Влияние Т_из (5, 10, 20) регулятора давления топлива на динамику контура регулирования давления топлива

Из графиков видно, что увеличение Т_из затягивает действие ГОС, а следовательно - увеличивает время переходного процесса.

Построим статическую характеристику АСР давления топлива, для этого воспользуемся уравнением статики (15). Статическая характеристика представлена на рис. 19.

Рис. 19 Статическая характеристика АСР

Выводы

В результате исследования статики и динамики автоматической системы регулирования давления топлива в топливной магистрали котла с ПИ-регулятором были сделаны следующие выводы.

1. При увеличении К_жос П-регулятора давления пара уменьшается динамическая ошибка и время переходного процесса в топливопроводе котла, увеличивается запас устойчивости.

2. С уменьшением К_гос уменьшается запас устойчивости, растет время регулирования и динамическая ошибка.

3. увеличение Т_из затягивает действие ГОС а следовательно - увеличивает время переходного процесса.

Окончательно можно заключить, что применение ПИ-регулятора для автоматического поддержания заданного давления топлива полностью удовлетворяет требованиям к качеству регулирования.

Список использованной литературы

1.“Основы автоматики и комплексная автоматизация судовых пароэнергетических установок” В. И. Печененко, Г. В. Козьминых. Москва «Транспорт» 1979 г.

2.“Основы автоматики и комплексная автоматизация судовых пароэнергетических установок” В. Ф. Сыромятников. Москва «Транспорт» 1983 г.

3.“Элементы судовой автоматики” Н.А. Нелепин. Ленинград «Судостроение» 1976 г.

4.“Автоматизация судовых пароэнергетических установок” Беляев И.Г. - М.: Транспорт, 1991. - 368с.

5. Конспект лекций по дисциплине АУСПСУ. Журенко М. А.

Размещено на Allbest.ru

...