3 Разработка структурных схем системы

АВТОМАТИЗАЦИИ

Система автоматизации газовоздушного тракта котельной установки КВТК-100-150 включает в себя следующие локальные автоматические системы регулирования:

1. АСР общего воздуха;

2. АСР разрежения в топке котла;

3. АСР давления первичного воздуха.

АСР общего воздуха должна обеспечить [1, стр.179]:

1. Устойчивую работу автоматических регуляторов и ограниченную частоту их включения, которая при постоянной нагрузке не должна превышать шести включений в минуту;

2. Поддержание при заданной нагрузке котла содержание избыточного кислорода в дымовых газах с максимально допустимыми отклонениями;

3. Протекание переходных процессов, вызываемых скачкообразным изменением нагрузки на 10 процентов от номинальной, с максимальным отклонением кислорода в дымовых газах.

Исходя из назначения АСР, самым простым и правильным было бы строить схему АСР на измерении расходов топлива, воздуха с последующим их поддержанием на заданном соотношении. Однако, такое решение не всегда приемлемо.

Дело в том, что характеристики топлива не всегда постоянны, а расход не везде удается измерить достаточно точно, особенно твердого. Эти причины привели к созданию нескольких вариантов АСР расхода общего воздуха, в которых используются различные косвенные показатели расхода топлива или тепловыделения в топке и различные косвенные показатели экономичности процесса горения: содержание свободного кислорода в дымовых газах или, например, оптическая плотность дымовых газов. Такие системы регулирования получили название каскадных со стабилизирующим и корректирующим регулятором.

Регулирование экономичности процесса горения при сжигании в топке котельного агрегата жидкого или газообразного топлива с постоянной теплотой сгорания осуществляется по схеме «топливо — воздух» (рисунок 4, а) [1,стр.180]. В этом случае расход воздуха изменяется системой автоматического регулирования пропорционально расходу сжигае­мого топлива. Измерение расхода жидкого и газообраз­ного топлива обычно производится достаточно точно, поэтому схема «топливо — воздух» наряду с простотой исполнения и надежностью обеспечивает также эконо­мичное ведение процесса горения. При изменении ка­чества жидкого или газообразного топлива схема «топ­ливо—воздух» дополняется корректирующим импульсом по содержанию свободного кислорода О₂ в дымовых газах.

Процентное содержание О₂ в продуктах сгорания топлива характеризует избыток воздуха и слабо зависит от состава топлива. Поэтому использование О₂ в качестве входного сигнала автома­тического регулятора, воздействующего на расход возду­ха, представляется вполне целесообразным. Однако реализация этой схемы затруднена из-за отсутствия на­дежных и быстродействующих газоанализаторов на ки­слород. Поэтому в промышленных условиях получили распространение схемы регулирования подачи воздуха не с прямым, а с корректирующим воздействием по О₂.

Рисунок 4 - Регулиро­вание подачи воздуха по соотношению

а — «топливо—воздух»; б — «пар—воздух» ; в — «тепло—воздух»; г — «нагрузка — воздух» — с коррекцией по O₂ %; / — регулятор подачи воздуха: 2 — регулирую­щий орган; 3 — диффе­ренциатор; 4 — корректирующий регулятор воздуха; 5 — корректи­рующий регулятор давления перегретого пара (регулятор задания по нагрузке).

В тех случаях, когда невозможно измерить текущий расход, топлива или когда значительно меняется тепло­та сгорания топлива, применяется схема регулирования экономичности по соотношению «тепло — воздух» (рисунок 4, в) [1,стр.182]. Импульс по теплу формируется датчиком расхода пара и электронным дифференциатором 3, получающим сигнал от датчика давления в барабане. Сигнал небаланса между командным импульсом по теп­лу и импульсом по расходу воздуха подается на вход регулирующего устройства 1, воздействующего на регу­лирующий орган 2.

Схема регулирования расхода воздуха по теплу под­держивает оптимальное соотношение между расходами топлива и воздуха в стационарном и в переходном ре­жимах лишь при относи­тельном быстродействии регулятора топлива. Если в ACP горения имеется быстродействующий регу­лятор тепловой нагрузки, например с импульсом по теплу, то при внутренних возмущениях регулирую­щие органы топлива и воздуха перемещаются в противоположных направ­лениях. Поэтому в пере­ходном режиме при частых и глубоких внутрен­них возмущениях такая последовательная схема, в которой регулирование расхода воздуха начинается лишь после изменения тепловосприятия котла, не обеспечивает экономичного управления процессом горения.

В системах автоматического регулирования с коррек­тирующим регулятором и индивидуальными регулятора­ми тепловой нагрузки регулятор воздуха обычно выпол­няется по схеме «ЭКП - воздух». Управление воздухом осуществляется по параллельной схеме. При внешнем возмущении обеспечивается одновременное изменение расхода топлива и воздуха, а при внутреннем воз­мущении расход воздуха остается неизменным. Возникшее при внутрен­нем возмущении несоответствие между расходом топлива и воздуха устра­няется регулятором теп­ловой нагрузки. K недостаткам этой схемы следует от­нести зависимость регу­лятора воздуха от работы регулятора тепло­вой нагрузки. При отключении или отказе регулятора тепловой нагрузки необходимо выключать из работы и регулятор воздуха, так как в этом случае сигнал от кор­ректирующего регулятора не соответствует тепловой на­грузке котла. Рассмотренные схемы автоматического регулирования расхода воздуха по соотношению «теп­ло — воздух» позволяют достаточно экономично вести процесс горения только при расчетных значениях коэф­фициента полезного действия котла, температуры пита­тельной воды, давления и температуры пара. Так как в процессе эксплуатации котельного агрегата пара­метры могут изменяться, то режим горения будет откло­няться от оптимального. Поэтому для оптимизации процесса горения в этих схемах, так же как и в схеме «топливо — воздух», применяется корректирующий им­пульс по содержанию свободного кислорода О₂ в дымо­вых газах.

На единицу расхода различного по составу топлива необходимо различное количество воздуха, но его потребность на единицу теп­ла, выделяющегося при сгорании, не изменяется. Поэто­му если оценивать тепловыделение в топке по расходу пара и изменять расход воздуха в соответствии с изме­нениями расхода пара, то тем самым можно поддержи­вать оптимальный избыток воздуха. Этот принцип регу­лирования подачи воздуха используется в схемах пар— воздух (рисунок 4, б) [1, стр.181].

Поддержание избытка воздуха по соотношению тепло — воздух и в особенности пар — воздух отличается простотой и надежностью, но не является точным. Этот недостаток устраняется в системе регулирования эконо­мичности, действующей, например, по схеме задание— воздух с дополнительной коррекцией по О₂ (рисунок 4, г) [1, стр.183], в которой регулятор подачи воздуха изменяет его расход по сигна­лу от главного или корректирующего регулятора дав­ления 5. Сигнал, пропорциональный расходу воздуха рв.п, как и в других схемах, во-первых, устраняет воз­мущения по расходу воздуха, не связанные с регулиро­ванием экономичности (включение или отключение си­стем пылеприготовления), во-вторых, способству­ет стабилизации самого процесса регулирования подачи воздуха, так как служит одновременно сигналом жест­кой отрицательной обратной связи. Введение дополни­тельного корректирующего сигнала по содержанию О₂ повышает точность поддержания оптимального избытка воздуха в любой системе регулирования экономичности. Добавочный корректирующий регулятор 4 по О₂ в схеме регулирования задание—воздух непосредственно управ­ляет подачей воздуха при топочных возмущениях и обеспечивает поддержание заданного избытка воздуха в зависимости от нагрузки агрегата.

Регули­рование разрежения обычно осуществляется посредст­вом изменения количества уходящих газов, отсасывае­мых дымососами. При этом их производительность мож­но регулировать:

1. поворотными многоосными дроссельными заслонками;

2. направляющими аппаратами;

3. изменением числа оборотов рабочего колеса дымосо­са с помощью гидромуфт или с помощью изменения скорости вращения первичного двигателя.

Как объект регулирования разрежения топка обладает благоприятными динамиче­скими свойствами — значительным самовыравниванием и практически отсутствием запаздывания.

Вследствие благоприятных динамических свойств топки в схеме ACP разрежения используются как ПИ-регуляторы, так и И-регуляторы. Наибольшее распространение получила схема регули­рования разрежения с одноимпульсным ПИ-регулятором (рисунок 5) [2, стр.275].

Рисунок 5 - Структурная схема регулирования разре­жения

Требуемое значение регулируемой величины устанав­ливается с помощью ручного задатчика ЗРУ регулятора разрежения 1.

Включения регулятора воздуха 3 приводит к времен­ному нарушению материального баланса между посту­пающим воздухом и уходящими газами. При работе парогенератора в регулирующем режиме могут происхо­дить частые изменения тепловой нагрузки и, следова­тельно, изменения расхода воздуха. Для предупреждения частого возникновения такого небаланса и увеличения быстродействия регулятора разрежения рекомендуется ввести в ПИ-регулятор разрежения дополнительное исче­зающее воздействие от регулятора воздуха через устрой­ство динамической связи 2.

В качестве устройства динамической связи, в част­ности, может быть использована RС-цепочка, входной сигнал которой поступает на вход регулятора разрежения лишь в момент включения регулятора воздуха. Устройство динамической связи об­ладает направленностью действия, т. е. ведомым регу­лятором может быть только регулятор разрежения. Динамическая связь позволяет компенсировать все возмущения в топке, ко­торые возникают при работе регулятора воздуха.

По рассмотренным выше аналогиям структурных схем разработаем структурные схемы АСР общего воздуха, АСР разрежения в топке котла и АСР давления первичного воздуха.

Так как главной задачей АСР водогрейного котла является поддержание температуры сетевой воды на выходе из котла, то нагрузкой для котла является температура сетевой воды. Структурная схема АСР общего воздуха будет выглядить по аналогичной схеме по принципу «нагрузка-воздух» с коррекцией по О₂ (рисунок 4, г). Структурная схема АСР общего воздуха для нашего варианта представлена на рисунке 6, а.

Структурная схема АСР разрежения для нашего варианта представлена на рисунке 6, б. Схема выполнена без динамической связи от регулятора воздуха к регулятору разрежения, так как динамическую связь используют в системах регулирования разрежения котельных агрегатов большой производи­тельности .

Структурная схема АСР давления первичного воздуха для нашего варианта представлена на рисунке 6, в.

а) б) в)

Рисунок 6 - Структурные схемы АСР

а - общего воздуха; б – разрежения; в - давления первичного воздуха; 1- измерительное устройство расхода общего воздуха; 2 - измерительное устройство температуры сетевой воды; 3 – газоанализатор кислорода; 4 – корректирующий регулятор; 5 – регулятор общего воздуха; 6 – исполнительный механизм; 7 - измерительное устройство разрежения в топке котла; 8 – регулятор разрежения; 9 - измерительное устройство давления первичного воздуха; 10 – регулятор давления первичного воздуха; НА – направляющий аппарат; ДВ – дутьевой вентилятор; ДС – дымосос; РО – регулирующий орган.