4.4.2. Регулирование температуры в поверхностных пароохладителях
Регулирование температуры перегретого пара путем охлаждения его во внутрикотловом пароохладителе, схема которого представлена на рис. 51, получило широкое распространение.
Рис. 51. Принципиальная схема системы автоматического регулирования
температуры перегретого пара при внутрикотловом пароохладителе
Пароперегреватель состоит из двух секций I и II. Пароохладитель III расположен внутри пароводяного коллектора котла. Температура перегретого пара измеряется чувствительными элементами 1 или 2, каждый из которых с помощью переключателя 3 может быть подключен через задающее устройство 4 к устройству сравнения 5, к которому подводится также дополнительная информация (второй импульс) о нагрузке котла.
Наличие двух измерительных устройств (1 и 2), одно из которых служит для измерения температуры до 470°С, а другое — до 510°С, связано с тем, что во время маневровых операций, при которых возможны кратковременные броски температуры, целесообразно переходить на работу при более низкой температуре пара (470°С).
Сигнал рассогласования, выходящий из элемента сравнения, поступает в усилительно-исполнительное устройство 6, управляющее клапанами А и Б. При изменении проходного сечения клапанов А и Б изменяется количество пара, поступающего в пароохладитель III, а, следовательно, и температура пара на входе и выходе из секции II пароперегревателя.
Достоинством рассмотренной САР является то, что стенки секций пароперегревателя защищены от чрезмерного перегрева.
4.5. Регулирование горения
Система автоматического регулирования горения состоит из двух связанных контуров: контура регулирования давления пара и контура регулирования коэффициента избытка воздуха в топке.
Динамика парового аккумулятора котла может быть описана следующим дифференциальным уравнением:
,
(86)
где
Тп |
— |
постоянная времени парового аккумулятора, зависящая от характеристик котла; меняется в широких пределах (15—150с); |
|
— |
коэффициент самовыравнивания (несколько меньше единицы); |
|
— |
относительное перемещение топливорегулирующего органа; |
|
— |
относительное приращение давления пара; |
|
— |
относительная величина внешнего возмущения котла (изменение открытия маневрового клапана). |
Передаточная функция парового аккумулятора в отношении регулирующего воздействия т может быть представлена следующим выражением:
,
(87)
Из выражения (87) следует, что паровой аккумулятор котла является апериодическим звеном 1-го порядка.
Способ регулирования процесса горения зависит от типа форсунок, которые, помимо конструктивных особенностей, отличаются также способом распыливания и допустимой глубиной регулирования.
Как известно, количество топлива, поступающего через форсунки, определяется выражением
,
(88)
где — коэффициент расхода;
f — площадь проходного сечения форсунки;
п — число работающих форсунок;
рф — давление топлива перед форсунками.
Различают схемы с качественным, количественным и качественно-количественным регулированием. При качественном регулировании изменение количества топлива, подаваемого в топку, осуществляется за счет изменения давления распыла. При количественном — за счет изменения работающих форсунок п, а при качественно-количественном — (комбинированном) как за счет изменения давления перед форсунками, так и за счет изменения количества одновременно работающих форсунок.
В идеальном случае схема регулирования процесса горения представляется в следующем виде: при отклонении давления пара в котле от заданного значения, связанном с изменением нагрузки, происходит перемещение топливорегулирующего органа, в результате чего увеличивается либо уменьшается количество топлива, подаваемого в топку. Одновременно с изменением количества сжигаемого топлива при неизменной подаче воздуха происходит изменение коэффициента избытка воздуха, вследствие чего в дымовых газах появятся либо продукты неполного сгорания топлива — СО, либо избыток кислорода О2.
При наличии безынерционного анализатора дымовых газов можно было бы измерять состав дымовых газов и поддерживать необходимый минимальный коэффициент избытка воздуха, обеспечивающий полное сгорание топлива. В этом случае систему регулирования процесса горения можно было бы представить в виде двух независимых контуров, один из которых поддерживал бы заданное давление пара в котле за счет изменения количества подаваемого топлива, а другой по данным анализа состава дымовых газов поддерживал бы необходимый коэффициент избытка воздуха, изменяя количество подаваемого в топку воздуха.
Однако в связи с тем, что существующие приборы для анализа дымовых газов обладают большим запаздыванием в выдаче сигнала и значительной инерционностью, осуществить САР процесса горения по рассмотренной выше схеме не представляется возможным.
В связи с этим поддержание необходимого коэффициента избытка воздуха в топках судовых котлов обеспечивается некоторым косвенным путем, за счет поддержания оптимального соотношения между расходами топлива и воздуха, подаваемых в топку котла. В этом случае контуры регулирования давления пара и коэффициента избытка воздуха выполняются связанными. В зависимости от взаимодействия между указанными контурами различают схему с параллельным и последовательным включением контуров.
При последовательной связи между контурами один из них является основным, либо ведущим, а другой ведомым, либо программным. Функциональные схемы указанных систем приведены на рис. 52.
Во всех приведенных на рис. 52 схемах регулятор давления пара, часто называемый главным регулятором, связан непосредственно с паровым аккумулятором котла. В системе с параллельным включением контуров главный регулятор воздействует одновременно на регулятор давления топлива и регулятор давления воздуха. При последовательном включении контуров главный регулятор может воздействовать либо на регулятор топлива — схема «топливо — воздух», либо непосредственно на регулятор воздуха — схема «воздух — топливо».
Важным преимуществом схемы «воздух — топливо» является то, что здесь автоматически решается задача защиты котла при прекращении подачи воздуха в топку.
Рис. 52. Функциональная схема САР горения:
а — с параллельным включением контуров;
б — с последовательным включением контуров типа «топливо—воздух»;
в — с последовательным включением типа «воздух—топливо»;
1 — паровой аккумулятор котла; 2 — регулятор давления пара; 3 — регулятор давления (расхода) топлива; 4 — топливный регулирующий орган; 5 — регулятор
давления (расхода) воздуха; 6 — воздушный регулирующий орган
При работе систем на режиме полного хода эксплуатационные характеристики всех трех систем практически одинаковы. При значительных изменениях нагрузки проявляются индивидуальные свойства каждой схемы, которые определяются различными инерционными свойствами воздушного и топливного контуров, так как топливный контур практически безынерционен, а воздушный — обладает заметной инерционностью. В силу этого при резком увеличении нагрузки в схемах «топливо—воздух» отставание подачи воздуха приводит к дымлению, а при сбросе нагрузки (по тем же причинам) дымления не происходит.
В схемах «воздух—топливо» увеличение и уменьшение нагрузки приводит к обратным явлениям.
С точки зрения структуры контура регулирования давления пара существующие САР можно разбить на следующие группы:
системы, работающие со статической ошибкой, в которых, как правило, полной нагрузке соответствует наименьшее давление пара. Снижение давления на полной нагрузке или относительная величина неравномерности для большинства систем — в среднем порядка 10%;
системы, в которых при любой установившейся нагрузке поддерживается постоянное давление пара, т.е. системы с нулевой статической ошибкой.
Если в системах регулирования, работающих со статической ошибкой, применяются сравнительно простые типы регуляторов, то для систем, работающих с нулевой статической ошибкой, в САР вводят дополнительные импульсы по нагрузке котла либо применяют главные регуляторы с изодромной обратной связью.
В качестве примеров рассмотрим некоторые из наиболее распространенных на судах систем автоматического регулирования горения.