Перечень условных обозначений

АСР – автоматическая система регулирования;

СТС – судовые технические средства;

СТО – судовое техническое оборудование;

РДП – рабочее давление пара;

ПГ – парогенератор;

МКП – межкожуховое пространство;

СПК – судовой паровой котел;

ЗЭ – задающий элемент;

ЧЭ – чувствительный элемент;

ИП – измерительный преобразователь;

П – П- ячейка;

И– И- ячейка;

Я – якорь;

Р – редуктор;

ЧП – червячная передача;

ДПТ – двигатель постоянного тока;

РОС – редуктор обратной связи;

ПОС – потенциометр обратной связи;

ТУ – тиристорный усилитель;

СИФУ – схема импульсно-фазового управления;

РО – регулирующий орган;

ОУ – операционный усилитель;

ПВБ – пароводяной барабан;

ИМ – исполнительный механизм.

КП – коэффициент пропорциональности

ТИ – время интегрирования

Введение

Развитие судостроения совершенствуется с каждым годом. На СЭУ количество применяемых средств автоматики увеличивается значительными темпами. Благодаря автоматизации отдельных процессов повышались надежность и безопасность эксплуатации агрегатов, обеспечивались их блокировка, ограничивались или поддерживались на заданном уровне отдельные наиболее ответственные параметры рабочего процесса. При таком объеме автоматизации не могли существенно сократиться штат обслуживающего персонала и снизиться стоимость эксплуатации установок.

Применение микропроцессоров и микроконтроллеров ЭВМ позволило разработать системы автоматического диагностирования, что привело к увеличению уровня надежности системы и их эффективности. Такие системы установлены на большинстве современных судов.

В последнее время характерной особенностью развития судостроения является непрерывное усложнение судовых установок, неразрывно связанное с автоматизацией всех технических средств судна. Автоматизация оказывает большое влияние на систему технической эксплуатации и организацию труда судовых экипажей. Для автоматизации судов используется все многообразие современных средств техники измерения, контроля и управления, автоматического регулирования, вычислительной техники, адаптации, диагностики и оптимизации.

На автоматизированном судне безопасность, надежность и экономичность работы СЭУ зависит не только от технического состояния оборудования, но и от взаимодействия судового специалиста со средствами автоматизации.

Заданный режим работы энергетических объектов судна должен быть надежным, устойчивым и экономически выгодным. Ходовой режим судна должен обеспечивать максимальную прибыль или максимальную экономию топлива при сохранении плановой прибыли.

Раздел 1. Объект регулирования

1.1. Назначение и описание котельной установки

С удовая котельная установка – предназначена для непрерывной выработки пара (насыщенного или перегретого) в необходимом количестве и требуемых параметров. Основными элементами котельной установки (КУ) являются котлы и обеспечивающие их работу технические средства (питательные и топливные насосы, вентиляторы, подогреватели топлива и воды, деаэраторы, фильтры и т. п.), а также трубопроводы. Указанные элементы КУ связаны между собой протекающими в них процессами преобразования энергии и среды. Например, топливо в топку 2 (рис. 1.1.1) котла 1 подает насос 14 через подогреватель 16, воздух — вентилятор 7, питательную воду в пароводяной коллектор 8 котла — насос 11. Продукты горения 4 омывают испарительные трубы 5, где частично отдают теплоту нагреваемой среды, затем они удаляются в атмосферу через трубу. Образующаяся пароводяная смесь поступает в пароводяной коллектор, откуда пар по трубопроводу 9 направляется к потребителям.

Рис.1.1.1. Принципиальная схема основных паровых и водяных трубопроводов парогенераторной установки для тепло- и электроснабжения.

Технологический процесс котла (процесс преобразования энергии органического топлива в потенциальную энергию производимого пара) сопровождается: горением топлива, теплообменом между продуктами горения и рабочими средами, парообразованием, циркуляцией воды и пароводяной смеси, сепарацией, а также движением сред (пара, воды, воздуха). В обеспечивающих работу котла технических средствах одновременно протекают свои рабочие процессы. Так как осуществляемый в КУ процесс преобразования энергии представляет собой часть цикла энергетического преобразования, реализуемого пароэнергетической устоновкой (ПЭУ) в целом, то КУ функционально связана с другими эле­ментами ПЭУ и окружающей ее внешней средой.

Границами КУ со стороны отвода пара считают клапаны, управляющие впуском пара в турбину, а со стороны подвода к котлам всех видов рабочей среды — приемные патрубки топливного насоса, котельного вентилятора и клапана, изменяющего подачу питательной воды в котел. Таким образом, в состав КУ входит весь напорный топливопровод с насосами, подогревателями и фильтрами, так как характеристики его элементов влияют на динамику КУ.

Многообразие сложных по характеру рабочих процессов, осуществляемых в КУ, обусловливает высокие требования к качеству ее эксплуатации.

Невыполнение требований приводит к снижению технико-экономических показателей КУ, а также ее авариям. При изучении рабочих процессов требуется ясно представлять физическую сущность каждого и связи между ними, чтобы иметь возможность правильно оценить основные и второстепенные факторы, влияющие на ход неустано­вившихся режимов, и на основе этого принять упрощения, необходимые для получения удобных зависимостей, используемых в инженерных расчетах. Следует учесть, что обеспечение потребителей паром требуемого количества и определенных параметров должно осуществляться при возможно меньших расходах топлива и энергии на работу КУ и высокой ее надежности.

Для получения насыщенного пара, используемого потребителями различного назначения на современных судах применяют автоматизированные КУ типа КАВ. Выбор марки КУ определяется необходимыми паропроизводительностью и давлением пара.

КУ представляет собой сложное техническое сооружение, требующее повышенного внимания к себе со стороны обслуживающего персонала. Современные котлы имеют высокую теплонапряженность поверхностей нагрева, поэтому отклонение уровня воды ниже допустимого значения влечет за собой пережог трубок, вследствие ухода из них воды и резкого роста коэффициента теплоотдачи от трубки к заполневшему ее пару. При повышении верхнего допустимого уровня происходит заброс воды в пароперегреватель. Капли воды могут попасть на лопатки турбины и вызвать гидравлический удар и поломку лопаток турбины.

При регулировании давления пара в котле динамическая ошибка при ступенчатом максимальном сбросе должна исключать подрыв предохранительного клапана, а статическая ошибка должна соответствовать гидравлическому сопротивлению пароперегревателя.

КУ представляет собой многомерный объект регулирования, где необходимо одновременно следить за большим числом параметров связанных между собой, чтобы контролировать все параметры котельной установки и своевременно на них воздействовать при отклонении от заданной величины необходимо привлечь большое количество обслуживающего персонала. Автоматизация процессов регулирования и защита полностью исключает необходимость участия человека в сфере управления этими процессами и поэтому действительно сокращает число обслуживающего персонала, позволяет более точно поддерживать заданные значения регулируемых величин и повышает надежность действия котельной установки. В главных котельных установках полностью автоматизируется процесс генерации пара на стационарных режимах с любой паропроизводительностью и на всех переходных режимах, процесс защиты установки в аварийных ситуациях и процесс контроля параметров.

Вспомогательные котлы небольшой паропроизводительности при работе их на дизельном или тяжелом топливе, как правило, оборудуются системой дистанционного автоматического управления.

Рабочий процесс котла - это процесс преобразования тепловой энергии, выделяющейся в топке при сжигании топлива, в потенциальную энергию пара, характеризуемую давлением и температурой пара. Этот процесс происходит при непрерывном подводе к нему трех видов материальной среды- воды, топлива и воздуха - и отводе от него двух видов - перегретого пара и дымовых газов. Величины этих расходов являются количественной характеристикой рабочего процесса, или его нагрузкой. Качественной характеристикой котла служат значения некоторых переменных величин. Поддержание заданных значений этих величин на всех установившихся и переходных режимах работы котла - основная задача автоматического регулирования. Такие величины называются - регулируемыми.

Регулирующее воздействие - воздействие, направленное на возвращение объекта в равновесное состояние. Регулирующим воздействием в АСР уровня воды является степень открытия питательного клапана.

Возмущающим называется внешнее воздействие на котел, нарушающее его установившийся режим работы и, следовательно, приводящее к изменению всех его регулируемых величин. Главным возмущающим воздействием для котельной установки - изменение отбора пара из котла.

КУ типа КАВ полностью автоматизирован и рас­считан на эксплуатацию без постоянной вахты. В нем сжигают различные виды топлива: дизельное, моторное и мазуты. При нагрузках до 20 %. номинальной подача топлива в топку регули­руется позиционно (включено—выключено). При нагрузках более 20 % осуществляется плавное (пропорциональное) регулирова­ние, т. е. расход топлива и соответствующее ему количество воз­духа изменяются пропорционально паропроизводительности; при этом давление пара поддерживается постоянным.

В зависимости от условий размещения парогенераторы (ПГ) могут быть правой или левой модели, что определяется расположением выходного патрубка газохода (смотреть на переднюю стенку).

В состав ПГ КАВ 4/7 входят следующие элементы: собственно парогенератор; топливная, воздушная и питательная системы; системы автоматического управления, защиты и сигна­лизации; система зажигания топлива; контрольно-измерительные приборы.

Рис.1.1.2. Общий вид парогенератора КАВ 4/7

На рис.1.1.2 изображен общий вид ПГ КАВ 4/7. Непосредственно на

наружной обшивке установлены топливный блок 3, регулирующий блок 2, кнопочный пост «пуск-стоп» и другие устройства системы автоматического управления, а также приборы теплотехнического контроля. Парогенератор снабжен топочным устройством 10 с паромеханической форсункой. Крыш­ка 11 закрывает смотровое отверстие.

На пароводяном коллекторе располагаются стопорный кла­пан 6, главный 4 и импульсный 5 предохранительные клапаны, питательный клапан 7, водоуказатель 8, импульсный генератор 9 термогидравлического регулятора питания, клапан верхнего про­дувания и другая арматура. На водяном коллекторе 12 находятся клапаны нижнего продувания.

Котлоагрегат крепят к судовому фундаменту с помощью четырех опор 13 и переходных стульев 1. Две опоры приварены к водяному коллектору 12, две другие — к кожуху. Питательный насос, вентилятор и блок автоматического управления (БАУ) монтируют вблизи ПГ на отдельных фундаментах.

На рис. 1.1.3 изображен поперечный разрез КУ КАВ 4/7. Корпус ПГ состоит из парообразующих труб конвективного пучка 17, экрана11, трех рядов опускных труб 10, пароводя­ного / и водяного 12 коллекторов. Пучки 17 и 10 имеют шахмат­ное строение. У ПГ типа КАВ паропроизводительностью D ≤ 4 т/ч размер всех труб равен 29x2,5 мм. В ПГ с D > 4 т/ч размер опускных труб 44,5x3 мм. Крепление труб в коллекторах (узел 11) выполнено путем раздачи концов труб специальным ин­струментом — вальцовкой.

Коллекторы 1 и 12 сварные и состоят из обечаек и двух при­варных штампованных днищ. На заднем днище пароводяного коллектора и на обоих днищах водяного коллектора сделаны овальные лазовые отверстия 13, закрываемые изнутри крышками с помощью двух наружных скоб, шпилек и гаек. К стенкам кол­лекторов приварены штуцера, патрубки и другие элементы для присоединения труб, арматуры и стенок кожуха.

Рис.1.1.3. Устройство парогенератора КАВ 4/7

Кожух ПГ сварной, газоплотный, образован двойными фрон­товыми (передней, задней), боковыми и потолочной стенками, выполненными из листового и профильного проката. Наружные 15 и внутренние 16 стенки кожуха образуют межкожуховое простран­ство (МКП), через которое проходит воздух перед поступлением в топку. Такое устройство стен защищает котельное отделение от проникновения в него продуктов сгорания и уменьшает тепло­вые потери от наружного охлаждения.

Жесткость конструкции кожуха обеспечивается установкой распорных скоб 5, трубных связей 2 и перегородок 4.

На внутренних и наружных стенках кожуха имеются окна, плотно закрываемые крышками 14 с по­мощью задраек 18. Окна служат для доступа к трубным поверх­ностям нагрева и в МКП. На задних стенках кожуха расположено лазовое отверстие для проникновения внутрь топки.

С целью наблюдения за горением и состоянием кладки в перед­ней и задней стенках кожуха сделаны отверстия 3, соединенные патрубком с головкой специального смотрового устройства. Кор­пус головки, где находится обойма с двумя синими жаростойкими стеклами, имеет внутреннюю и наружную крышки, защищающие стекла от перегрева из топки и от механических повреждений снаружи. Кирпичная кладка передней 7 и задней стенок в районе топки и частично в районе трубного пучка выполнена из огне­упорных шамотных кирпичей, установленных на слой асбестового картона. Для кладки используют кирпичи: квадратные с централь­ными и смещенными отверстиями для болтов, фасонные для фурмы 6 и смотровых устройств и трехгранные. В районе топки кирпичи крепят к внутренним стенкам болтами 19, головки которых утапливают в отверстие кирпича, а затем замазывают раство­ром мертеля.

В районе пучков труб кирпичи крепят на таврах 21 или уголь­никах 20. Все кирпичи скрепляют между собой раствором шамот­ного мертеля. Боковые и потолочные стенки, а также передние и задние стенки кожуха, свободные от кирпичной кладки, изоли­руют слоем асбестового картона, который со стороны газов покрыт листами из нержавеющей стали.

Открытые наружные поверхности коллекторов изолируют совелитовыми плитами, ук­ладываемыми на слой совелитовой подмазки. Плиты обтягивают металлической сеткой и покрывают слоем совелитовой штукатурки. Изоляцию обечаек коллекторов закрывают оцинкованными сталь­ными листами, на днищах пароводяного коллектора ее оклеивают тканью и окрашивают. Торцы водяного коллектора имеют патрубки, на которые устанавливают наружные крышки.

Опоры 8 крепят к переходным стульям 9 болтами и гайками. Одну из опор закрепляют неподвижно, остальные для обеспече­ния свободы температурных деформаций делают подвижными. За неподвижную обычно выбирают опору, которая в плане рас­полагается ближе к стопорному клапану с целью уменьшения влияния теплового расширения конструкции ПГ на деформацию главного паропровода. Следующая опора, установленная на одной с ней линии, параллельной оси коллектора, подвижна только в на­правлении этой линии. Третья опора подвижна в поперечном, а четвертая — в продольном и поперечном направлениях. Подвижность опоры обеспечивается тем, что отверстия под болты делают овальными. На болты всех опор надеты дистанционные втулки, высота которых на 1 мм больше толщины плиты опоры. Переход­ные стулья приваривают к судовому фундаменту.