Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Судовая котельная установка как объект регулирования

1.1 Судовая котельная установка. Устройство и принцип действия

1.2 Свойства подогревателя топлива как объекта регулирования температуры топлива. Описание объекта регулирования

1.3 Уравнение динамики подогревателя топлива как объекта регулирования температуры топлива

1.4 Требования к качеству регулирования

2. Гидравлический П-регулятор температуры топлива

2.1 Принципиальная, функциональная и структурная схемы П-регулятора

2.2 Уравнение динамики П-регулятора

2.3 Расчет сильфонного датчика давления

3. Эксплуатация гидравлического регулятора температуры топлива

3.1 Техническое использование

3.2 Техническое обслуживание

Вывод

Список использованной литературы



Введение

Автоматизация энергетических установок на современных судах достигла высокого развития. Разработаны и внедрены в практику судостроения средства и схемы регулирования рабочих процессов отдельных элементов. Их применение является важным направлением научно-технического прогресса. Эффективность от внедрения судовых автоматических средств и систем обусловлена:

· повышением коэффициента полезного действия СЭУ при выполнении операций, так как автоматическая система позволяет более оперативно и точно, чем оператор при ручном управлении, поддерживать заданные параметры установки;

· повышением надежности установки благодаря внедрению средств, обеспечивающих своевременный контроль и остановку при аварийных ситуациях; судовой котельная температура

· благодаря внедрению систем управления сокращается численность обслуживающего персонала;

· возможностью прогнозирования износа, отказов и, таким образом, улучшения ремонтопригодности техники.

Весьма актуальными для современного судостроения и перспективных судов становятся новые задачи управления - автоматическая оптимизация стационарных режимов работы установки в связи с изменением условий ее эксплуатации и характеристик входящего в ее состав энергетического оборудования, диагностический контроль состояния энергетического оборудования с представлением оператору обобщенных параметров, характеризующих ухудшение этого состояния, и др. Такой контроль позволит обнаружить отклонения от нормального состояния оборудования и предотвратить аварийные ситуации на ранних стадиях их возникновения. Это повысит надежность действия установки и сократит продолжительность ремонта ее оборудования.

Комплексный подход к решению проблемы автоматизации процессов управления заключается также и в том, что объекты и средства автоматизации рассматриваются как составные части единой автоматической системы независимо от степени их конструктивного единства. Исходя из этого, должны быть согласованы статические и динамические характеристики средств и объектов управления. Только в этом случае будут созданы необходимые условия для нормального функционирования автоматической системы.



1. Судовая котельная установка как объект регулирования

1.1 Судовая котельная установка. Устройство и принцип действия

Судовая котельная установка представляет собою котлы с обслуживающими их вспомогательными механизмами (питательными и топливными насосами и вентиляторами), теплообменными аппаратами (подогревателем воды и топлива), топливными фильтрами и трубопроводами, по которым в котлы поступают топливо, воздух и вода. Судовым котлом называют устанавливаемый на судне теплообменный аппарат, в котором энергия органического топлива преобразуется в энергию пара или воды, используемую для нужд судна. В соответствии с принятой классификацией судовые котлы различают по ряду признаков.

По назначению котлы делят на главные и вспомогательные. Главным называют судовой котел, производящий пар для главных двигателей. Вспомогательный котел предназначен для обеспечения паром или горячей водой вспомогательного оборудования, технологических, общесудовых и хозяйственно-бытовых потребителей.

Назначением котельной установки является преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию, потребляемую механизмами общесудового назначения и удовлетворяющую бытовые нужды персонала и пассажиров судна. Границей котельной установки на стороне отвода пара от котлов являются клапаны, управляющие впуском пара в турбину переднего или заднего хода и называемые маневровым устройством главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА), а на стороне подвода к ним всех видов рабочей среды -- всасывающие патрубки соответствующих вспомогательных механизмов.

Котельная установка может состоять из одного или нескольких (двух-трех) котлов, пар от которых поступает в общий паропровод. Рабочая среда к нескольким котлам может подаваться одним вспомогательным механизмом. В первом случае работа котлов называется параллельной на стороне отвода пара, во втором случае -- параллельной на стороне подвода к ним рабочей среды.

Параллельная работа нескольких котлов на стороне подвода рабочей среды применяется только для воды и топлива. Из устанавливаемых в таких случаях нескольких питательных и топливных насосов в действии находятся по одному из них, а остальные -- в резерве.

Все паровые котлы разделяются на две основные группы: водотрубные и газотрубные.

В водотрубных паровых котлах газы омывают трубы снаружи, а вода и пар движутся внутри труб, в газотрубных паровых котлах наоборот -- газы движутся внутри труб, а вода и пар омывают их снаружи.

В зависимости от организации движения воды и пароводяной смеси паровые котлы могут быть с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. В паровых котлах с принудительной циркуляцией специальный насос создает необходимый напор для преодоления сопротивления движению воды и пароводяной смеси. Все газотрубные ПК относятся к паровым котлам с естественной циркуляцией. Они имеют вертикальное или горизонтальное расположение труб. Паровые котлы, у которых часть парообразующей поверхности работает как водотрубная, а другая -- как газотрубная, называются газоводотрубными.

Рис 1. Принципиальная схема котельной установки:

2. - котел;

3. - топка;

4. - воздушная магистраль;

5. - продукты горения;

6. - испарительные трубы;

7. - автоматический клапан давления воздуха;

8. - вентилятор;

9. - пароводяной коллектор;

10. - трубопровод к потребителям;

11. - автоматический клапан уровня воды;

12. - насос;

13. - автоматический клапан давления питательной воды;

14. - автоматический клапан давления топлива;

15. - топливный насос;

16. - автоматический клапан расхода пара через топливный подогреватель;

17. - подогреватель;

18. - автоматический клапан давления пара на топливной магистрали;

19. - регулятор расхода воздуха.

Подача воздуха в топки котлов производится вентилятором 7 осевого типа с электрическим или паротурбинным приводом по герметичному воздухопроводу 3. Гидравлические сопротивления газовоздушного тракта каждого из параллельно работающих котлов установки могут различаться настолько, что давление воздуха в коробе каждого котла должно быть различным для горения топлива в его топке с оптимальным коэффициентом избытка воздуха. Это практически делает нецелесообразным подачу воздуха одним вентилятором в топки нескольких параллельно работающих котлов. Поэтому параллельная работа котлов на стороне подвода к ним воздуха обычно не применяется, и воздух в каждый котел подает отдельный вентилятор.

Электрический привод вентиляторов выполняют с несколькими ступенями частоты вращения его вала. В котлах большой паропроизводительности (более 25 т/ч) число таких ступеней равно трем-четырем. Снижением частоты вращения вала вентилятора при уменьшении нагрузки котла достигают повышения его экономичности на малых нагрузках.

Топливо в топку котла подаёт топливный насос 14 объемного типа (винтовой), имеющиё, как правило, электрический привод. Насосы объемного типа обладают хорошей всасывающей способностью, могут работать без подпора и поэтому надежно принимают топливо из расходных цистерн, расположенных под ними. Производительность объемных насосов пропорциональна частоте вращения вала и изменять ее можно в ограниченных пределах; (не ниже 40 % от номинальной). Поэтому производительность топливных насосов с электрическим приводом изменяют в указанных пределах ступенчатым изменением частоты вращения вала, а производительность насосов с паротурбинным приводом -- плавным изменением расхода пара в турбину.

Судовые котлы работают на мазутах разных сортов, вязкость которых в холодном состоянии весьма различна. Для качественного распыления топлива форсунками вязкость топлива перед ними должна составлять 2--3 °Е независимо от его сорта. Для поддержания такой вязкости разные сорта топлива необходимо подогреть до различной температуры. Подогрев осуществляют паром в подогревателе 16 поверхностного типа. Температура разных сортов топлива, сжигаемых в топках судовых котлов, может лежать в пределах 50-120°С.

Вода в главные котлы подается питательным насосом 11 центробежного типа с паротурбинным приводом. При таком приводе работа питательного насоса не зависит от посторонних источников энергии, что повышает надежность действий котельной установки, так как прекращение подачи воды в котёл, сколь кратковременным оно бы ни было, недопустимо. Перед поступлением в котел вода прокачивается насосом через подогреватель, где она подогревается паром до температуры 120--150 °С.

1.2 Свойства подогревателя топлива как объекта регулирования температуры топлива. Описание объекта регулирования

Рассмотрим паровой однопроточный подогреватель, в котором нагреваемая среда (топливо) течет по трубкам, а греющая среда (пар) - между трубок. Подогреватель состоит из двух параллельных цепей. Одну из них образуют аккумуляторы тепла, а другую - аккумуляторы рабочей среды: греющего пара и его конденсата. Аккумуляторами тепла служат пар в паровом пространстве (П), металл трубок (М) и топливо внутри трубок (Т), аккумуляторами рабочей среды - паровое пространство (П) и водяное пространство подогревателя (К). Разветвление потоков тепла и рабочей среды происходит в паровом аккумуляторе подогревателя. Такой подогреватель представляет собой двухмерный объект регулирования - его рабочий процесс характеризуют две регулируемые величины.

Греющий пар после регулирующего паровпускного клапана поступает в паровой аккумулятор. Отсюда в виде конденсата, образующегося из пара в результате отдачи им тепла металлу трубок подогревателя, он поступает в водяное пространство, а затем отводится самотеком в цистерну грязных конденсатов. Регулируемой величиной этой цепи аккумуляторов служит уровень конденсата в водяном пространстве подогревателя h. Уровень конденсата поддерживают постоянным для обеспечения полной конденсации греющего пара в подогревателе. При этом, во-первых, исключается возможность попадания греющего пара в цистерну грязных конденсатов, и, во-вторых, уменьшается расход греющего пара на подогреватель топлива.

Для регулирования температуры топлива, учитывая динамические свойства подогревателя и требования к показателям качества регулирования, в судовой практике используются пропорциональные, двухимпульсные либо пропорционально-инрегральные регуляторы непрямого действия.

Регулирование температуры топлива осуществляется путем соответствующего изменения подвода греющего пара в подогреватель. Так как скорость движения топлива в трубопроводе мала, особенно при малых нагрузках, измеритель температуры, формирующий сигнал к регулятору, следует устанавливать непосредственно у выходного патрубка подогревателя, чтобы уменьшить запаздывание сигнала, влияющего на качество переходных процессов АСУ.

Рис.2 Принципиальная (а) и структурная (б) схемы подогревателя топлива как объекта регулирования

В настоящее время наблюдается тенденция замены регуляторов температуры топлива регуляторами вязкости, так как качество распыливания топлива зависит от его свойства оказывать сопротивление перемещению элементарных частиц, т.е. вязкости. Температура же однозначно характеризует вязкость лишь при неизменном сорте топлива. По условиям бункеровок и хранения топлива на судах часто приходится сжигать смеси топлива разных марок. В этих условиях подобрать температуру, обеспечивающую нужную вязкость, часто бывает затруднительно. Кроме того, преимущество регулятора вязкости заключается еще и в том, что, в отличие от регулятора температуры, его чувствительный элемент является безинерционным.

1.3 Уравнение динамики подогревателя топлива как объекта регулирования температуры топлива

Составим уравнение динамики парового подогревателя топлива как объекта регулирования температуры топлива.

В топливном подогревателе тепловая энергия Q в виде потенциальной энергии пара поступает во внутреннее пространство корпуса подогревателя, затем передается металлу топливных трубок и от них - топливу. Таким образом, топливный подогреватель как объект регулирования температуры топлива является сложным объектом с тремя последовательно соединенными аккумуляторами тепла: парового объема в корпусе подогревателя, металла топливных трубок и топлива внутри трубок.

При составлении уравнения динамики примем следующие допущения:

а) тепловая емкость парового пространства подогревателя мала в сравнении с тепловыми емкостями металла трубок и массы топлива;

б) с некоторым допущением считаем, что температура металла трубок равна температуре пара в корпусе подогревателя;

в) на всех установившихся режимах в паровом пространстве находится сухой насыщенный пар;

г) топливо подогревается только за счет скрытой теплоты пара;

д) параметры пара и температура топлива перед подогревателем постоянны;

е) температура топлива во всех точках топливного аккумулятора одинакова и равна полусумме температур на входе и выходе подогревателя.

Составление уравнения осуществим через передаточные функции аккумуляторов.

В соответствии с допущением «а» инерционностью аккумулятора в паровом пространстве пренебрегаем, т.е. его передаточная функция:

Второй аккумулятор - металл трубок - с учетом допущения «е» представляет одноемкостное апериодическое звено, передаточная функция которого

Третий аккумулятор - топливо в трубках - также является одноемкостным апериодическим звеном

Так как аккумуляторы в подогревателе соединены последовательно:

или после преобразования



В приведенных формулах:

- относительное изменение температуры топлива;

- относительное изменение подвода тепла к подогревателю;

может быть определено по положению парового клапана m или по подводу пара, D;

- относительное изменение отвода тепла от подогревателя;

Таким образом, подогреватель топлива как объект регулирования температуры топлива с допущением «а» представляет собой сложный двухемкостный устойчивый объект регулирования, динамические свойства которого определяются постоянными времени и , характеризующими инерционные свойства подогревателя, и коэффициентами усиления и , определяющими его усилительные свойства, и могут быть определены как аналитическим, так и экспериментальным методом.

Рис.3 Переходная характеристика подогревателя топлива 

Эта характеристика может быть апроксимирована характеристикой последовательного соединения двух типовых звеньев с запаздыванием ОК и апериодического KML, динамические свойства которых определяются обобщенной постоянной времени Т, обобщенным коэффициентом усиления К и временем переходного запаздывания , которые определяются по экспериментальной переходной характеристике. В этом случае передаточную функцию любого многоемкостного устойчивого объекта можно вывести как передаточную функцию последовательного соединения двух типовых звеньев, с запаздыванием и апериодического .

где - оператор дифференцирования.

Уравнение динамики объекта запишется

Подставив в последнее уравнение значение передаточной функции, получим:

1.4 Требования к качеству регулирования

В установившихся режимах АСР главных котлов должна обеспечивать устойчивое поддержание регулируемых величин с отклонениями не более: давления пара ±0,05 МПа; уровень воды ±30 мм; давление топлива за насосом ±0,1 МПа; перепад давления топлива на регулирующем топливном клапане ±0,02 МПа; температура топлива ±2єС.

В установившихся режимах АСР вспомогательных котлов должна гарантировать устойчивое подержание параметров с отклонениями не более: давление пара ±2%, но не менее ±0,02 МПа, от значения, определяемого статической характеристикой регулятора давления пара; уровень воды ±15 мм от значения, определяемого статического характеристикой регулятора уровня; вязкость топлива ± от значения, определяемого статической характеристикой регулятора; давления распыливания ±0,01 МПа; перепад давления топлива на исполнительном органе регулятора давления пара ±0,02 МПа; давление воздуха в коробке котла ± МПа от его значения на данном режиме.

На переходных режимах при изменении нагрузки от 0 до 100% или обратно в течение не менее 2 мин СУ вспомогательным котлом должна обеспечивать поддержание давления пара с отклонениями, не вызывающими подрыва предохранительных клапанов. Переходные процессы при этом должны быть апериодическими или с быстро затухающими колебаниями.

В зависимости от типа, модели и производителя парового котла, а также от марки топлива, топливо перед сжиганием должно подогреваться до температуры 60-140 єС.



2. Гидравлический П-регулятор температуры топлива

2.1 Принципиальная, структурная и функциональная схемы П-регулятора

Рис 4. Функциональная схема П-регулятора

ИУ - измерительное устройство,

УУ - усилительное устройство,

ИМ - исполнительный механизм,

Рис 5. Структурная схема П-регулятора.

Передаточные функции звеньев:

- коэффициент усиления измерительного устройства (ИУ),

- постоянная времени сервомотора (ИМ),

- коэффициент усиления ЖОС.

Рис.6 Принципиальная схема П-регулятора температуры топлива

1- манометрический чувствительный элемент;

2- сильфон;

3- установочная пружина;

4- струйный усилительный орган;

5- силовая ЖОС;

6- поршневой исполнительный механизм;

7- рычаг сравнения

2.2 Уравнение динамики П-регулятора

Уравнение динамики определяется уравнениями отдельных звеньев регулятора: уравнениями идеального измерительного устройства, усилительного устройства, идеального исполнительного механизма и жесткой обратной связи.

Используя передаточные функции элементов, получим передаточную функцию П-регулятора:

(1)

и уравнение динамики

, (2)

где - постоянная времени

- коэффициент усиления регулятора

Уравнение связи между изменением давления паров жидкости в ампуле и измеряемой температурой среды в относительных значениях переменных:

(3)

где - относительное значение давления паров жидкости в ампуле;

- коэффициент усиления;

- относительное значение измеряемой температуры.

Решив совместно уравнения (2) регулятора давления с ЖОС и уравнение (3), получим уравнение динамики П-регулятора температуры:

Если инерционность регулятора пренебрежительно мала (), то уравнение (2) можно записать так: , т.е. регулятор осуществляет пропорциональный закон регулирования.

Параметрами настройки П-регулятора являются:

· время исполнительного механизма ;

· коэффициент усиления регулятора (влияет как на динамические, так и на статические свойства регулятора).

Уравнение статической характеристики П-регулятора с ЖОС получим из уравнения (2), считая равным нулю. Полученная формула записывается в виде:

Из этого уравнения видно, что между входной и выходной координатами регулятора в равновесном состоянии существует пропорциональная зависимость. Статическая характеристика П-регулятора является наклонной, убывающей или возрастающей (в зависимости от установки регулирующего органа соответственно на стороне подвода энергии к объекту или отвода энергии от него). Чем выше интенсивность действия обратной связи, тем больше наклон статической характеристики регулятора. Наличие ЖОС в регуляторе определяет наличие статической ошибки в регулировании АСР.

Изменение коэффициента усиления регулятора достигается изменением угла наклона лекала ЖОС или перемещением точки опоры рычага обратной связи. Изменение времени исполнительного механизма осуществляется изменением степени открытия дроссельного клапана. Постоянные коэффициенты уравнения (2) динамики П-регулятора можно определить по переходной характеристике П-регулятора.



Рис.7 Переходная характеристика П-регулятора

2.3 Расчет сильфонного датчика давления

Сильфон представляет из себя металлический гофрированный цилиндр, донышко которого непосредственно воспринимает измеряемое давление и передает усилие через иглу сильфона на рычаг сравнения регулятора.

Активная площадь сильфона:

где d - среднее значение диаметра донышка;

D - внешний диаметр гофрированного цилиндра.

Длина рычага:

Индекс сопел:

Рабочий ход сильфона:

Длина рычага:

Длина рычага:

Свободный конец установочной пружины:

Жесткость пружины:

Отклонение измеряемого давления:

Предварительный натяг пружины:

Давление:

Число витков пружины:

Диаметр провода:

Диаметр витка:

Суммарное напряжение от кручения и изгиба:

Максимальное усилие, развиваемое пружиной:

Коэффициент передачи преобразователя «давление-перемещение»:



3. Эксплуатация регулятора температуры топлива

3.1 Техническое использование

Техническое использование предусматривает применение ТСА по назначению в соответствии с техническими условиями. Обычно выделяют три этапа по назначению: подготовка к действию, пуск в работу, контроль за работой и вывод из действия.

Подготовка ТСА к действию состоит: в проверке внешним осмотром исправности и готовности к работе их элементов, наличия смазки сочленений и отсутствия заеданий движущихся частей; подводе к усилительным устройствам вспомогательной энергии (воды, масла, воздуха, электроэнергии) соответствующих параметров; удалении через спускные пробки и клапаны воздуха из исполнительных механизмов, трубопроводов и других элементов гидравличемких систем; удалении продувкой конденсата из воздухопроводов и элементов пневматических систем; проверке сопротивления изоляции электрических элементов; контроле плавности и скорости перемещения подвижного элемента исполнительного механизма (поршня, мембраны, ротора электродвигателя) путем воздействия вручную на привод усилительного устройства (золотник, струйную трубку, реостат); проверке работоспособности ручного привода и правильности положения настроечных элементов; подключении к чувствительным элементам импульсных линий.

Последовательность операций по вводу в действие регуляторов зависит от конструктивных особенностей, динамических характеристик контура регулирования и определяются соответствующими инструкциями.

Контроль за работой ТСА осуществляется по контрольно-измерительным приборам, а также путем внешнего осмотра. Следует поддерживать заданные параметры вспомогательной энергии, подводимой к регуляторам, не допускать незатухающих колебаний в АСУ; периодически продувать трубопроводы, спускать воздух из полостей исполнительных механизмов, производить очистку фильтров рабочей среды автоматики, периодически замерять сопротивление изоляции; следить за исправным состоянием уплотнений, не допуская значительных протечек. В случае ненормальной работы регулятора объект переводят на ручное управление, выясняют и устраняют неисправность, после чего вновь переводят объект на автоматическое управление.

Вывод регуляторов из действия осуществляется согласно инструкции и обычно в последовательности, противоположной их вводу в действие. При длительном бездействии АСУ необходимо: держать клапаны плотно закрытыми на импульсных трубопроводах и пробки продувания на стаканах сильфонов; держать постоянно заполненными рабочей средой импульсные трубопроводы, полости измерительных устройств, реле, импульсных механизмов; смазывать техническим вазелином все наружные (неокрашенные) части регуляторов; периодически проворачивать подвижные элементы регуляторов и измерять сопротивление изоляции электрических элементов.

3.2 Техническое обслуживание

В процессе использования ТСА их характеристики с течением времени ухудшаются, поэтому для поддержания надежности ТСА на требуемом уровне выполняют их техническое обслуживание. Его подразделяют на плановое (профилактическое) и неплановое (вынужденное). Плановое ТО выполняется во время действия ТСА и направлено на предупреждение преждевременного изнашивания деталей, возникновения неисправностей и отказов. В него входят планово-предупредительные осмотры, планово-предупредительные ремонты и ТО во время длительного бездействия ТСА.

Обычно ТО принято выполнять через определенное календарное время или по достижении определенной наработки в соответствии с требованиями инструкции завода-изготовителя. В этом случае не учитывается фактическое состояние ТСА, что может увеличивать время их нахождения в неработоспособном состоянии и снижение эффективности применения ТСА. Выполнение ТО по фактическому техническому состоянию требует использования переносных или встроенных средств технического диагностирования, позволяющих без разборки ТСА в любой момент времени получать полную информацию об их техническом состоянии. Однако, это повышает стоимость ТСА.

При выполнении ППО и ППР руководствуются следующими общими правилами:

- без особой необходимости не подвергают разборке приборы и механизмы, находящиеся в исправном состоянии;

- при разборке и сборке приборов соблюдают максимальную чистоту;

- обеспечивают сохранность снятых деталей и принимают меры их защиты от повреждений.

ППО и ППР выполняются при отсутствии отказа ТСА. К неплановому ТО и ремонту относятся все виды работ, выполняемых при отказах, неисправностях и аварийных повреждениях.



Вывод

Эксплуатация современного судна немыслима без автоматизации процессов управления разнообразным техническим и технологическим оборудованием, судовыми системами и судном в целом. Возрастают мощности судовых устройств и механизмов, повышаются требования к точности, надежности, быстродействию и другим показателям качества процессов управления, повышаются эксплуатационные требования, связанные с экономичностью и эффективностью работы судовых систем и оборудования. Причем эти требования касаются работы не только отдельных систем управления, но и систем управления комплексами технических средств.

Поэтому в настоящее время основным требованием при постройке нового судна является требование наличия на нем комплексной системы автоматизации. А в случае модернизации эксплуатируемого судна - переход от автоматизации отдельных устройств и систем к комплексной автоматизации процессов управления на судне.

Одним из таких средств автоматизации технического процесса является гидравлический регулятор температуры топлива, устройство, принцип действия, динамическая характеристика, переходные процессы и назначение которого рассмотрены в моей курсовой работе.



Список использованной литературы

1. “Автоматизация вспомогательных механизмов и общесудовых систем” Горбунов В.Ф., Одесса, 2006 г., 34, 73 -- 78 с.

2. “Автоматизация судовых пароэнергетических установок” Беляев И.Г., Москва “Транспорт” 1991 г., 144 с.

3. “Технические средства автоматизации судовых энергетических установок” М.А.Журенко Н.В.Таранчук . Москва “Транспорт”, 1990 г.

4. “Практические работы по курсу ТСА” Вишневский Л.В., Одесса, 2003 г., 48 с.

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

Размещено на Allbest.ru

...