Автоматизация технологических процессов и производств

мо от электрической нагрузки генератора. Поддержание постоянства частоты вращения n осуществляется АСР скорости турбины.

Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор 9, где он охлаждается и конденсируется на поверхности трубной системы, в которой циркулирует охлаждающая вода, поступающая от насоса 10. Уровень конденсата в конденсаторе Нк должен поддерживаться постоянным независимо от количества конденсируемого

внем пара. Эту задачу выполняет автоматический регулятор уровня

вконденсаторе, воздействующий на подачу конденсатных насосов. Далее конденсат турбины прокачивается насосами 11 через систему подогревателей низкого давления (ПНД) 12 и поступает в смешивающий подогреватель – деаэратор 13. В деаэраторе конденсат

смешивается с химически очищенной водой Dх.о.в, подаваемой для восполнения потерь, и доводится до температуры насыщения (кипения), при которой происходит удаление растворенного в воде ки-

слорода О2.

Нормальный режим работы деаэратора и установленного за ним питательного насоса 11 возможен лишь при постоянстве дав-

ления пара в деаэраторной головке Pд и уровня воды Hд в аккумуляторном баке. Это обеспечивается автоматическими регуляторами давления и уровня в деаэраторе, воздействующими соответственно на расход греющего пара и химически очищенной воды, поступающих в деаэратор.

Вода из деаэратора перекачивается питательными насосами 14 через систему подогревателей высокого давления 15 и поступает

вэкономайзер и испарительную часть парового котла. Расход воды регулируется автоматическим регулятором питания. На этом технологический цикл превращения теплоты в электрическую энергию замыкается, и описанный выше процесс повторяется.

Тепловые электростанции, вырабатывающие, помимо электрической энергии, и тепловую (ТЭЦ), оборудуются редукционно-охлади- тельными установками (РОУ) 17, предназначенными для резервирования теплофикационных и промышленных отборов пара турбин.

Поддержание постоянных давления Рр.п и температуры tр.п редуцированного пара обеспечивается автоматическими регуляторами давления

271

и температуры, воздействующими соответственно на изменение расхода редуцированного пара и охлаждающей воды Gр.п и Doв.

Особенность технологического процесса на ТЭС состоит в невозможности складирования готовой продукции – электроэнергии – при весьма ограниченной тепловой аккумулирующей способности основных источников теплоты – паровых котлов. Поэтому количество пара, выработанного паровым котлом, мощность, развиваемая турбиной и турбогенератором, и электрическая нагрузка, задаваемая потребителем, должны строго соответствовать друг другу во времени.

Исходя из необходимости непрерывного поддержания баланса по расходу пара, вырабатываемого котлом и потребляемого турбиной, регулирование его расхода ведется по наиболее простому с точки зрения измерения косвенному показателю этого баланса – давлению перед турбиной Рп.п. Стабилизация Рп.п осуществляется автоматической системой регулирования парового котла (АСР давления парового котла).

Качество конечной продукции ТЭС – электроэнергии – должно отвечать требованиям ГОСТ 13.109.67. Допустимые отклонения колебаний промышленной частоты f составляют ± 0,2 Гц (0,4 %), а по напряжению на шинах генератора Ur ± 5 %. В поддержании этих показателей важная роль принадлежит автоматической системе регулирования напряжения генератора (АСР напряжения генератора).

Кроме основных объектов управления – паровых котлов, турбин и генераторов, на ТЭС имеется значительное количество вспомогательных теплоэнергетических установок, также оснащенных автоматическими устройствами регулирования и защиты.

Котельные агрегаты могут работать в одном из двух режимов: базовом или регулирующем.

Базовым режимом называется режим поддержания тепловой нагрузки котла на заданном уровне вне зависимости от общей электрической и тепловой нагрузки ТЭЦ.

273

Регулирующим режимом называется режим работы парового котла, когда паровой котел воспринимает колебания тепловой и электрической нагрузки станции, т.е. участвует в регулировании общей тепловой и электрической нагрузки станции.

По результатам тепломеханических испытаний котла ТП-81 (Чайковская ТЭЦ) предел изменения нагрузки – 294–420 т/ч (уголь), 250–420 т/ч (газ), т.е. минимально допустимая нагрузка котла по условиям обеспечения надежности циркуляции составляет 40–45 % от номинальной. Причем котел может быть перегружен до 440 т/ч.

При параллельной работе котлов нагрузка между ними должна распределяться с учетом их экономичной работы. Как правило, один из котлов работает на регулировании, другой котел – в базовом режиме с постоянной нагрузкой. При достижении нижнего предела одного котла часть нагрузки снимается с другого котла. Режим котла задается режимной картой.

Котельные установки можно классифицировать:

1. Водогрейные котлы для отопления и горячего водоснабжения а) малой производительности до 3 Гкал/ч, работающие под наддувом до 0,7 кПа с вентилятором без дымососа (ВК, КСВА, НИКА,

КБНГ, КВГ и др.); б) малой производительности до 3 Гкал/ч, с разряжением до 0,1 кПа.

(«Факел», НИИСТУ, «Универсал», ТГ и др.); в) средней производительности до 10 Гкал/ч, с разряжением до

0,1 кПа (КВЖ, ТВТ, ДЕВ); г) большой производительности до 100 Гкал/ч (ПТВМ, КВГМ);

2.Промышленные котельные по выработке насыщенного или перегретого пара для технологических нужд и систем отопления

спроизводительностью до 75 т/час (до 50 мВт) типов ДЕ, ДКВР, К, БКЗ, БЭМ, КПЖ, БГМ.

3.Котельные цеха тепловых паротрубных электростанций (ТПЭС), теплоэлектроцентралей (ТЭЦ).

Для непрерывного производства водяного пара или горячей воды котельный агрегат нуждается в воде, топливе и воздухе.

274

В зависимости от характера потребителей паровой котел может вырабатывать насыщенный и перегретый пар. При получении перегретого пара происходят следующие процессы: подогрев питательной воды до температуры насыщения в поверхности нагрева, которая называется экономайзером; парообразование, т.е. генерация насыщенного пара из воды, нагретой до температуры насыщения в испарительной (парогенерирующей) поверхности нагрева; перегрев насыщенного пара до заданной температуры перегрева

впароперегревателе. Все перечисленные поверхности нагрева выполнены из труб.

Для непрерывного отвода тепла и обеспечения нормального температурного режима металла поверхностей нагрева рабочее тело

вних – вода в экономайзере, пароводяная смесь в испарительной поверхности и перегретый пар в пароперегревателе – движется непрерывно.

Перегретый пар после пароперегревателя поступает потребителям – паровым турбинам (ТЭЦ) или непосредственно на производство. У паровых котлов, вырабатывающих насыщенный пар, потребителями являются производственные процессы и бойлерные установки для получения горячей воды, используемой на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Для котельных агрегатов характерен П-образный профиль. Первая шахта представляет собой топочную камеру. Стены то-

почной камеры изнутри покрыты огнеупорным материалом, а снаружи – тепловой изоляцией. С внутренней стороны у стен топочной камеры расположена испарительная поверхность нагрева. Эта поверхность нагрева получает тепло от факела и топочных газов излучением и называется топочным экраном.

Втопочной камере происходит сжигание топлива с преобразованием химической энергии в тепловую. Около половины тепла топлива воспринимается поверхностью нагрева, расположенной в топочной камере, где продукты сгорания охлаждаются до температуры

900–1100 С (в зависимости от вида сжигания топлива). Основным

275

видом топлива является в настоящее время в России природный газ, запасным – каменный уголь, мазут. При использовании каменного угля имеется система углеподачи, когда уголь подается системами транспортеров, измельчается и в пылеобразном состоянии подается через систему форсунок.

Затем продукты сгорания поступают в горизонтальный газоход и следующий вертикальный, в которых последовательно расположены пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогреватель. Перед входом в горизонтальный газоход устанавливается фестонный пучок труб, состоящий из 3–5 рядов труб, образованных трубами заднего экрана.

Поверхности нагрева, расположенные в горизонтальной и второй вертикальной шахте, воспринимают в основном тепло конвекцией и поэтому называются конвективными.

Современный котельный агрегат обслуживается рядом вспомогательных механизмов и устройств. К ним относятся: системы топливоподачи, газорегуляторная станция при сжигании газообразного топлива, дымососы и дутьевые вентиляторы, питательные и водоподогревательные установки.

Дутьевые вентиляторы применяются для подачи воздуха, необходимого в процессе сжигания топлива.

Дымососы предназначаются для удаления дымовых газов из котельной установки. При сжигании твердого топлива образуются зола и шлак. Зола уносится из топки дымовыми газами в газоходы котельного агрегата, а из них через дымовую трубу – в атмосферу, что приводит к загрязнению воздушного бассейна и окружающей территории. Для сведения к минимуму выбросов золы в атмосферу котельные установки, предназначенные для сжигания твердого топлива, оснащаются золоуловителями, которые устанавливаются перед дымососами. В топочной камере в результате сжигания топлива образуется шлак. Зола и шлак удаляются в золовой отвал. Питательная установка предназначена для подачи в котел воды, которая расходуется на образование пара. Основной частью питательной установки являются питательные насосы. Они обеспечи-

276

вают подачу воды в паровой котел в необходимом количестве и должны развивать давление, достаточное для преодоления сопротивления водяного тракта, включая сопротивление экономайзера и давление пара в барабане котла.

В водяных котельных, предназначенных для получения горячей воды (не более 150 С) роль питательных насосов для подачи воды в котел выполняют сетевые насосы. Подпиточные насосы обеспечивают компенсацию невозврата сетевой воды.

Природная вода содержит механические и коллоидальные примеси, растворенные соли и газы. Некоторые соли выделяются из воды в процессе ее нагревания и испарения и оседают на внутренних стенках поверхности нагрева в виде плотной, трудно отделяемой накипи, которая имеет коэффициент теплопроводности, в 40 раз меньший коэффициента теплопроводности стенок труб. Поэтому, ухудшая передачу тепла через стенку трубы, накипь вызывает перегрев трубы и ее разрушение. Другие соли выпадают в объеме котловой воды в виде мелкодисперсных взвешенных частиц шлама, который также может служить причиной повреждения котла. Поэтому воду, предназначенную для подачи в котел, приходится предварительно осветлять и умягчать, доводя содержание в ней солей, образующих накипь и шлам, до технически возможного минимума. Для этого сооружается специальная водоподготовительная установка. Кроме указанных примесей и солей, вода содержит растворенные газы (кислород, углекислый газ), которые вступают в реакцию с металлом, вызывая его коррозию. Дегазация воды осуществляется в деаераторе. Отфильтрованную воду подают в деаэратор. Из нижней части деаэратора подают пар, который при встрече с опускающейся книзу водой подогревает воду до температуры 105–110 С и отделяет из нее кислород и другие содержащиеся газы. Регулировка температуры производится через соответствующую подачу пара (локальная система регулирования).

Вода из деаэратора поступает в деаэраторный бак (бак питательной воды). Уровень воды в этом баке также регулируется. При-

277

чем вначале автоматика подает воду из конденсатосборника. Лишь при отсутствии воды в конденсатосборнике запускается деаэратор. При низком давлении в магистрали отфильтрованной воды включается подпиточный насос1.

14.2. КОТЕЛЬНАЯ КАК ОБЪЕКТ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Паровой котел в целом по каналу топливо – расход или давление пара служит системой направленного действия. Однако выходные регулируемые величины некоторых участков служат одновременно входными по отношению к другим. Например, расход перегретого пара Dп.п., являясь выходной величиной по отношению

красходу топлива Bт, служит входным воздействием по отношению

кдавлению и температуре перегретого пара: давление пара в бараба-

не Pб, являясь выходной величиной по отношению к расходу топлива, служит одним из входных воздействий участка регулирования уровня воды в барабане. Паровой котел как объект управления представляет собой сложную динамическую систему с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами.

Однако явно выраженная направленность участков регулирования по основным каналам регулирующих воздействий, таким как

расход питательной воды Dп.в – уровень Нб, расход воды на впрыск Dв.в – перегрев tп.п, расход топлива Вт – давление Рп.п и др. позволяет осуществлять стабилизацию регулируемых величин с помощью независимых одноконтурных систем, связанных лишь через объект управления. При этом регулирующее воздействие того или иного участка служит основным способом стабилизации регулируемой величины, а другие воздействия считаются по отношению к этому участку внутренними или внешними возмущениями.

1Более подробно конструкции и характеристики котельных агрегатов, способы сжигания и характеристики топлива, горелочные устройства описаны в работе Энергоснабжение промышленных предприятий [Электронный ресурс]: учеб. пособие / сост. А.Н. Лыков; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2006.

278

Основное направление автоматизации котельных в настоящее время – создание комплексных систем контроля, защиты и регулирования, обеспечивающих автоматизацию взаимосвязанных основных технологических процессов в котлах и вспомогательного оборудования котельных.

Все комплексные системы в обязательном порядке включают в себя автоматику безопасности, автоматику регулирования и светозвуковую сигнализацию. Автоматика безопасности независима от автоматики регулирования, имеет свои автономные датчики

идействует при выходе параметров за допустимые пределы. При этом, а также при аварийном останове котла обеспечивается световая индикация. Включение котла производится только после выяснения

иустранения причины аварийного останова котла.

Автоматизация котлоагрегатов повышает требования к схеме газопроводов, так как при автоматизированном включении горелки все ручные запорные устройства должны быть открыты. В этом случае применена схема с установкой двух последовательно расположенных отсечных клапанов: с электрическим или электромагнитным приводом на газопроводах к горелке и одного клапана на трубопроводе безопасности.

Соленоидные клапаны, как правило, не могут служить в качестве запорной арматуры, и после отсечки газа необходимо закрыть краны на газопроводе к котлу и открыть продувку газопровода от крана до котла.

Можно выделить следующие системы управления котельной установки:

автоматика безопасности, которая следит за безопасной работой котла и отключает котел, если один из параметров регулирования превышает критическую величину, отвечает за дистанционный и автоматический розжиг котла;

система регулирования работы котла, которая регулирует соотношение топливо – воздух, разрежение в топке котла, уровень воды в барабане; выдает управляющие воздействия при изменении рабочих параметров котла; отвечает за пуск, работу и останов котла, взаимосвязи с другими САР;

279

автоматизированная система контроля и учета, которая собирает, обрабатывает, хранит данные об авариях в котельной, расходе воды из водопровода, расходе газа, тепла потребителем и т.д.

Система автоматического регулирования осуществляет автома-

тический пуск и остановку электродвигателей котельной по заданной программе с соблюдением технологической последовательности включения/выключения механизмов, с предельно допустимой минимизацией длительности и оптимизацией параметров переходных режимов вентиляции и розжига котла. Система обеспечивает автоматическое управление механизмами во всем диапазоне изменения производительности котла, в том числе и при изменении числа действующих каналов подачи топлива (горелок, форсунок и т.п.).

Система наряду с автоматическим режимом предусматривает режим ручного управления механизмами, а также дистанционное управление посредством специального пульта либо с централизованного пульта машиниста котла (оператора котельной).

Система не влияет на работу штатной системы безопасности котла, а лишь безусловно выполняет ее команды и передает ей упреждающие информационные сигналы состояния и режимов работы механизмов.

Из описания технологического процесса следует, что основными регулируемыми параметрами котельной установки являются:

расход, температура и давление пара (воды) в выходном тракте; подача топлива в зависимости от необходимой производительности котла, т.е. заданных расхода, температуры, давления выходного

теплоносителя (в водогрейных котельных – только температуры); подача воздуха в функции топливоподачи, т.е. с поддержанием

зависимости «топливо – воздух»; подача воды питательными, сетевыми, подпиточными насо-

сами в функции потребления; поддержание постоянного разряжения в топочной камере с по-

мощью дымососов.

В систему автоматического управления котла входят основные локальные системы автоматического регулирования:

1) САР тепловой нагрузки котла;

280