5. Автоматизация судовых паровых котельных установок

5.1. Автоматизация системы питания котлов водой

Особенности регулирования уровня воды в котле. Котельная установка предназначена для производства пара с определенным давлением и температурой. С позиции автоматического регулирования паровой котел является объектом со связанными параметрами. Основным видом возмущения является изменение нагрузки (расхода пара), которое вызывает изменение основных параметров: уровня воды в барабане, давления и температуры пара.

Уровень воды в котле изменяется из-за разности подвода воды и отвода пара в единицу времени, а также при изменении паросодержания под зеркалом испарения вследствие изменения давления пара и расхода топлива.

П ри установившемся режиме подвод воды и расход пара равны, а уровень h₀ постоянен (рис. 28). При ступенчатом увеличении расхода пара из котла снижается давление пара в барабане, а, следовательно, и температура парообразования. Это вызывает интенсивное парообразование в массе воды, находящейся под зеркалом испарения, т.е. повышение уровня из-за явления «набухания» воды ( линия 1). В то же время из-за разности подвода воды и расхода пара уровень стремится к снижению (линия 3). Под действием указанных факторов действительное изменение уровня при ступенчатом росте нагрузки отражено линией 2. Следовательно, в начальный период уровень возрастает под действием «набухания» воды, а затем снижается из-за увеличения расхода пара.

Рис. 28. График изменения уровня воды в паровом котле

При уменьшении расхода характер изменения уровня сохраняется, но с противоположными знаками. Очевидно, изменение уровня из-за «набухания» будет тем больше, чем меньше объем парового пространства барабана и больше воды под зеркалом испарения, а также больше значение возмущения и выше скорость его нанесения. Так как с позиции регулирования уровня паровой котел является нейтральным многоемкостным объектом, то при сохранении разности между притоком воды и расходом пара уровень непрерывно изменяется. Скорость изменения уровня выше в главных котлах, обладающих меньшей инерционностью и большим вероятным значением возмущения в условиях эксплуатации. Поэтому труднее поддерживать с высокой точностью уровень в главных котлах, чем во вспомогательных.

Регуляторы уровня. Работа вспомогательных и утилизационных котлов, устанавливаемых на судах с дизельными и газотурбинными СЭУ, характеризуется обычно сравнительно малыми и достаточно плавными изменениями нагрузки по расхода пара. При этом уровень воды в котле изменяется довольно медленно и значительно меньше проявляется явление «набухания». Поэтому представляется возможным использование простых одноимпульсных регуляторов уровня непрерывного действия с падающей статической характеристикой либо регуляторов позиционного действия с настройкой определенной ширины зоны нечувствительности.

Одноимпульсные гидравлические регуляторы питания с мембранным измерителем уровня устанавливают на вспомогательных котлах судов отечественной постройки. При выходе из строя измерителя 3 или струйного реле 5 открытие питательного клапана 11 изменяют вручную разворотом рычага 10. Предварительно необходимо сообщить между собой полости исполнительного механизма, открыв клапан 14.

Термогидравлические регуляторы уровня прямого действия с датчиками устанавливают на вспомогательных или малонапряженных главных котлах. Выходная трубка 10 датчика уровня подсоединена к полости исполнительного механизма, конструктивно подобного датчику давления мембранного (см. рис. 9, а) или сильфонного (см. рис. 10, б) типа. Термогидравлический датчик в совокупности с ИМ образуют регулятор уровня, воздействующий на двухседельный клапанный РО (см. рис. 25, б).

При установившемся режиме массовый расход пара из котла равен притоку питательной воды, подаваемой в котел от непрерывно работающего питательного насоса, и уровень воды в барабане неизменен. Сила от давления конденсата датчика уровня, действующая на активную площадь мембраны (сильфона), уравновешивается силой действия пружины ИМ, и его выходной шток удерживает двухседельный РО в неподвижном состоянии.

Изменение расхода пара из котла приводит к изменениям уровня воды в барабане, давления конденсата, соотношения сил ИМ и перемещению питательного клапана. Это движение будет происходить до тех пор, пока не восстановится равенство между новым расходом пара и притоком питательной воды. Однако большее открытие клапана на установившемся режиме возможно только при большем давлении в полости ИМ, а, следовательно, при более низком уровне воды в котле, т.е. для работы АСР с таким регулятором характерна статическая неравномерность и падающая статическая характеристика III.

Наклон статической характеристики (неравномерность) зависит от угла наклона датчика к поверхности воды в барабане. Наклон датчика, выбираемый при первоначальной установке регулятора, должен обеспечивать магическую неравномерность Δh_НЕР = 70 ÷ 100 мм. С уменьшением угла наклона неравномерность уменьшается, однако в динамике может возрасти колебательность переходного процесса. Поэтому выбором угла наклона датчика регулируют не только статизм АСР, но и ее динамику.

Повышенная колебательность переходного процесса АСР возможна также из-за возросших сил трения в уплотнительном сальнике ИМ либо из-за попадания воздуха в полости датчика и ИМ.

На заданный уровень воды регулятор настраивают при первоначальной установке его на котел выбором положения датчика относительно нормального уровня при среднем предварительном натяжении пружины ИМ, а в условиях эксплуатации — изменением ее натяжения.

Поплавковые регуляторы уровня устанавливают на вспомогательных и утилизационных котлах малой паропроизводительности и на котлах с низкими параметрами пара.

Р ис. 29. Схемы установки поплавковых датчиков парового котла

Для уменьшения влияния качки на точность измерения уровня поплавки устанавливают в отдельную камеру 7 (рис. 29, а), сообщающуюся с водяным пространством котла через клапан 6, а с паровым — через клапан 1. Обычно устанавливают три поплавковых сигнализатора. Электрически они включены таким образом, что нижний сигнализатор 4 подает сигнал в систему защиты на выключение котла при аварийном снижении уровня, а средний 3, и верхний 2 управляют включением и выключением питательного насоса. Одновременно от них осуществляется сигнализация о высоте уровня.

Для замены, проверки и настройки сигнализаторов закрывают разобщительные клапаны 1 и 6, клапан продувания 5 открывают. После выпуска воды и пара из поплавковой камеры сигнализаторы можно демонтировать.

Поплавковые регуляторы, сигнализаторы и измерители уровня с вертикальным расположением поплавков (рис. 29, б). В последнее время их устанавливают на вспомогательных и утилизационных котлах. Поплавки, на штоках которых закреплены постоянные магниты, перемещаются в направляющих стаканах, вмонтированных в пароводяной барабан котла. Магниты, закрепленные на штоке поплавка, через стенку немагнитной трубки воздействуют своим магнитным полем на постоянные магниты якорей с контактами или микровыключателями либо на герконы.

С изменением уровня воды в котле поплавок и магнит перемещаются. При сближении одноименных полюсов магнитов поплавка и якоря возникает отталкивающая сила. Якорь перемещается и замыкает свои контакты. Дальнейшее перемещение магнита поплавка приводит к увеличению зазора между полюсами, снижению отталкивающего магнитного потока, возвращению якоря в исходное положение и разрыву цепи контактов.

В системах защиты и сигнализации якоря с контактами или герконы устанавливают вдоль трубки в точках предельных значений уровня. Так, согласно положению магнита поплавка (см. рис. 29, б) замкнуты контакты предельно низкого уровня ПНУ и сигнальная лампа Н2 получает питание, а цепи питания ламп H1 и НЗ разомкнуты. В системе позиционного регулирования уровня эти контакты могут управлять включением питательного насоса

В системе измерения через делитель напряжения, состоящий из цепочки резисторов R1 — R5, магнитоуправляемыми контактами S1 — S6 поочередно замыкается цепь питания дистанционного измерителя уровня ДИУ. Показывающим прибором является вольтметр постоянного тока со шкалой, градуированной в единицах измерения уровня. От стабилизированного источника питания постоянного тока с регулировочного резистора RP напряжение 10 В подается на цепочку резисторов R1 — R5. Через замкнутый контакт S4 с делителя (средней точки между резисторами R3 и R4) напряжение, пропорциональное значению уровня, подается на вольтметр ДИУ, вызывая соответствующее отклонение его стрелки. При максимальном уровне замыкается контакт S1 и на прибор подается полное напряжение. При аварийно низком уровне поплавок опускается и ставит магнит на упор. Контакт S6 замыкается, прибор шунтируется и его стрелка встает в нулевое положение. Точность измерения уровня будет тем выше, чем больше магнитоуправляемых контактов и резисторов делителя напряжения установлено вдоль трубки. В приборах отечественного производства их устанавливают на расстоянии 15 мм. Полное отклонение стрелки вольтметра ДИУ регулируется резистором RP при максимальном уровне.