книги из ГПНТБ / Печененко, В. И. Автоматика регулирования и управления судовых силовых установок учеб. пособие

Глава ///

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

§ 33. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ГЛАВНОЙ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Современная паротурбинная установка (ПТУ) пред­ ставляет сложный комплекс энергетического оборудования, со­ стоящий из главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) и котель­ ной установки, а также различных вспомогательных механизмов и теплообменных аппаратов, обеспечивающих их работу.

Главная котельная установка обычно состоит из двух водо­ трубных высокоэкранированных котлов с естественной циркуля­ цией, работающих на мазуте, и служит для выработки необхо­ димого количества пара; в соответствии о установившимся режимом работы ПТУ, заданных параметров— давления и темпера­ туры, с минимальным расходом топлива, обеспечиваемым опти­ мальным коэффициентом избытка воздуха. Этим определяются в соответствии с нагрузкой расходы топлива, воздуха и пита­ тельной воды, давления которых поддерживаются в заданных пределах. Качественный распыл топлива обеспечивается регули­ рованием температуры или вязкости топлива. Для надежной и эффективной эксплуатации котельной установки необходимо также поддерживать качество питательной воды в определенных пределах, осуществлять регулярное банение поверхностей нагре­ ва котлов, очистку топливных фильтров и т. п.

Значительное количество регулируемых величин и большие ско­ рости их изменения усложняют ручное регулирование и требуют увеличения численности вахты. Поэтому котлы оборудуются регу­ ляторами, поддерживающими регулируемые величины в заданных пределах, обеспечивающих нормальную работу установки, и, кро­ ме того, автоматическими средствами сигнализации и защиты.

Рациональный уровень автоматизации устанавливается техни­ ко-экономическими расчетами и соображениями безопасности ко­ тельной установки. В современных котельных установках с естест­ венной циркуляцией, работающих на мазуте, основными регули­ руемыми величинами обычно являются: давление и температура пара, соотношение между количествами сжигаемого топлива и воздуха, а также уровень воды.

Регулируемые величины поддерживаются при различных ре­ жимах работы ПТУ в пределах, определяемых эксплуатационны­ ми требованиями, с помощью регуляторов, обеспечивающих авто-

121

матическое регулирование процесса топливосжигания, питания водой котлов и температуры перегретого пара.

Предусматривается автоматическая световая и звуковая сиг­ нализация, предупреждающая обслуживающий персонал об ава­ рийном состоянии котельной установки, и защита, обеспечиваю­ щая, при необходимости, ее выключение. Сигнализация и защита выполняются по давлению пара, уровню воды, нарушению нор­ мального процесса топливосжигания. К этим средствам предъяв­ ляются требования высокой надежности, а также невозможности ложного срабатывания при крене или дифференте корпуса судна во время качки.

§34. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТОПЛИВОСЖИГАНИЯ

ВГЛАВНЫХ КОТЛАХ

Автоматическое регулирование процесса топливо­ сжигания в топках котлов сводится к управлению подачей топлива и воздуха. Регулирование подачи топлива и воздуха обеспечи­ вает соответствие между количеством подводимого тепла Qi, вы­ деляющегося при сжигании топлива, определяющего паропроиз­ водительность котла, и нагрузкой — количеством тепла, отводи­ мого с паром Qu- Показателем равенства подвода и отвода тепла служит постоянство давления пара. При изменении нагрузки под­ вод и отвод тепла окажутся неравными и тепловой баланс нару­ шится, что приведет либо к аккумуляции в металле поверхности ■нагрева и пароводяной смеси котла тепла и увеличению давления пара (при уменьшении нагрузки), либо к расходу ранее аккуму­ лированного тепла и уменьшению давленияпара. Регулятор дав­ ления пара, получая информацию об отклонении регулируемой ве­ личины, оказывает воздействие на регулирующий орган, изменяя подвод топлива к форсункам.

Для регулирования давления пара применяются регуляторы непрямого действия, одноимпульсные, пропорциональные или изо­ дромные.

САР давления пара с П-регулятором имеет характеристику регулирования с определенной неравномерностью. В месте отбора импульса на регулятор — в главном паропроводе перед турби­ ной— давление пара на номинальной нагрузке меньше давления рк в котле на величину гидравлических потерь Ара парового трак­ та, равной которой и принимается статическая ошибка САР, т. е. Арн=бстРкЭто позволяет исключить потери давления пара для целей регулирования при номинальной нагрузке. При линейной характеристике регулирования давление пара перед турбиной на номинальной нагрузке будет равно рк—Арн, а на частичных— Gn оно увеличится на Дрн(0іш— Gn) : Gun, достигая максимальной ве­ личины, равной рк при нулевой нагрузке.

САР с ПИ-регулятором сложнее, нежели с П-регулятором, но имеют характеристику регулирования с нулевой неравномерно­ стью, т. е. давление пара в месте отбора импульса при всех уста-

122

повившихся нагрузках неизменное. Это обеспечивает на частич­ ных нагрузках ПТУ большую экономичность сравнительно со ста­ тическими САР.

Регулирование подачи воздуха в топку должно обеспечить оп­ тимальную величину коэффициента избытка воздуха а 0Пт, т. е. наи­ выгоднейшее соотношение между весовым расходом топлива и воздуха. При этом к.п.д. котла для заданной паропроизводитель­ ности имеет наибольшее значение при минимальной сумме потерь тепла от химической неполноты сгорания и с уходящими газами. Отсутствие датчиков а приводит к использованию косвенных ре­ гулируемых величин, например, регулирование соотношения «топ­ ливо — воздух» по их давлениям.

Для регулирования давления (или перепада давлений) возду­ ха применяются И- или ПИ-регуляторы непрямого действия, одноимпульсные.

Различают следующие схемы взаимосвязи регулирующих орга­ нов расхода топлива и воздуха: с последовательным включением «воздух по топливу» и «топливо по воздуху», а также параллель­ ным — «топливо — воздух». В схемах с последовательным вклю­ чением «воздух по топливу» при отклонении давления пара в первую очередь изменяется расход топлива, по которому регули­ руется расход воздуха, а в схемах «топливо по воздуху»— расход воздуха, определяющий расход топлива. Параллельные схемы «топливо — воздух» предусматривают одновременное управление регулирующими органами расхода воздуха и топлива.

При увеличении нагрузки расход воздуха, учитывая инерцион­ ность этого контура, будет отставать от расхода топлива в схе­ мах параллельного и последовательного действия «воздух по топ­ ливу», что может служить причиной дымления и загрязнения по­ верхности нагрева. Аналогичная ситуация будет возникать в системе «топливо по воздуху» при сбросе нагрузки.

В зависимости от диапазона нагрузок, в котором обеспечива­ ется автоматическое регулирование топливосжигания, различают САР, исключающие вмешательство обслуживающего персонала при любых возможных нагрузках и в пределах ±(10-=-15%) от номинальной нагрузки. Реализация этих принципов осуществля­ ется различными типами форсунок.

Производительность форсунок с механическим распылом опре­ деляется минимальным и максимальным давлением топлива пе­ ред ними. Обычно рт мин—7“ 8 кгс/см2 ограничивается качеством распыла, а р? макс = 20-4-30 кгс/см2 определяется напором топ­ ливных насосов. Необходимый расход топлива регулируется из­ менением его давления перед форсунками и частичным их вклю­ чением или выключением. Такие форсунки обычно устанавлива­ ются вместе с механическими форсунками, производительность которых регулируется Сливом топлива из вихревой камеры.

Паромеханические форсунки обеспечивают расход топлива в широких пределах изменением давления. Переход к комплексной автоматизации делает такие форсунки наиболее перспективными.

123

Регулирование давления топлива обычно осуществляется И- или ПИ-регуляторами непрямого действия, одноимпульсными.

Для качественного распыла топлива его температура поддер­ живается в заданных пределах, обычно П-регуляторами непря­ мого действия, одноимпульсными.

Таким образом, автоматизация топливосжигания в котлах осуществляется с помощью следующих регуляторов: давления пара, давления или перепада давлений воздуха, давления топли­ ва и температуры топлива. Каждый регулятор, кроме давления или перепада давлений воздуха, является общим для котельной установки.

Выбор схемы регулирования топливосжигания и типа регуля­ торов должен обосновываться технико-экономическими расчетами. Применение сложных схем и регуляторов способствует повышению к.п.д. котлов или ПТУ, но обычно увеличивает капиталовложения и эксплуатационные расходы.

Повышение экономичности топливосжигания является одним из главных направлений совершенствования схем САР. Большое внимание уделяется повышению точности измерений давлений и перепадов давлений, характеризующих расходы топлива и возду­ ха, а также уменьшению рассогласования между оптимальным и фактическим их соотношением в статике и динамике. Величина рассогласования используется регулятором соотношения «топли­ во— воздух» как корректирующий сигнал на регулятор расхода топлива или воздуха. В стационарной энергетике применяется периодическая коррекция соотношения «топливо — воздух» по содержанию О2 в составе дымовых газов, определяемому с по­

мощью, например, магнитного газоанализатора. Недостатками коррекции по 0 2 являются большая инерционность существующих приборов и запаздывание, а также трудность отбора пробы га­ зов, содержание кислорода в которой характеризовало бы его средний избыток в дымовых газах.

Перспективно экстремальное (регулирование топливосжигания, обеспечивающее заданную паропроизводительность с минималь­ ным расходом топлива. Это возможно, если функция От (а) при постоянной нагрузке имеет экстремум в области бездымного го­ рения, изменяющий положение в процессе эксплуатации.

Оптимизация регулирования топливосжигания приводит к су­ щественному снижению а, что способствует повышению экономич­ ности котельной установки и ее надежности, благодаря уменьше­

А. Н. Крылова. Система установлена на котлах сухогрузных су­

124

Регулирование осуществляется с последовательным воздейст­ вием по схеме «воздух по топливу» при нагрузках до 80% номи­

стью. Регулятор имеет жесткую обратную связь по положению ре­ гулирующего органа — золотников топливного блока. Поэтому дав­ ление пара регулируется с неравномерностью.

125

Золотники топливных блоков 10 управляют форсунками каж­ дого котла, изменяя производительность двух регулируемых фор­ сунок в пределах 40—100% и обеспечивают включение — выклю­ чение одной из них и последовательно каждой из четырех нере­ гулируемых форсунок (рис. 87). Расход топлива GT (линия 1) устанавливается в соответствии с нагрузкой дополнительным включением форсунок (первая регулируемая включена постоян­ но) и изменения слива регулируемых форсунок, но неизменном давлении топлива перед топливным блоком (линия 2). При вклю­ чении всех форсунок и полностью закрытом сливе регулируемых форсунок, расход топлива соответствует 80% нормальной нагруз­ ки. При более высоких нагрузках производительность форсунок

рый позволяет устанавливать различное время сервомотора при перемещении поршня в разных направлениях, соответствующих увеличению и уменьшению нагрузки. Этим, достигается наиболее полное соответствие между расходом топлива и воздуха в пере­ ходных режимах. Время сервомотора на увеличение нагрузки со­ ставляет 30—35 сек, на уменьшение— 18 сек.

С изменением натяжения задающей пружины 3 характеристи­ ка регулирования переместится параллельно ее первоначальному положению, что приведет к изменению давления пара в месте от­ бора импульса и в котле.

Регулятор давления топлива I (см. рис. 85) общий для двух котлов, без обратной связи, осуществляет стабилизирующее ре­ гулирование при нагрузках до 80% нормальной, поддерживая постоянное давление топлива 12 кгс/см2 между подогревателем второй ступени 6 и топливорегулирующими блоками 5 и следя­ щее — при более высоких нагрузках. В этом случае давление топ­ лива является функцией положения вала нагрузки 2 и профиля задающего лекала 4.

Слив топлива осуществляется на участке трубопровода между подогревателями первой 7 и второй 6 ступени в расходную цистер­ ну 9. Топливный электронасос 8 работает с постоянной производи­ тельностью, которая может изменяться вручную путем переклю­ чения насоса на одну из четырех скоростей.

Конструкция регулятора отличается от ранее рассмотренного

126

И-регулятора (см. рис. 7) тем, что задающая пружина находит­ ся под воздействием лекала. Частично его профиль выполнен цилиндрическим. Это обуславливает неизменное задание при на­ грузках до 80% нормальной и работу регулятора в режиме ста­ билизации. Профиль другой части лекала обеспечивает перемен­ ное задание в зависимости от нагрузки, что определяет работу регулятора в следящем режиме.

Регулятор температуры топлива IV пропорциональный (см. рис. 85 и 45)— общий для двух котлов — воспринимает импульс по температуре топлива после подогревателя второй ступени 6 и через сервомотор воздействует на паровой регулирующий клапан.

ся давление в коробе котла воздуха, поддерживаемое регулято­ ром, воздействующим на воздухонаправляющий аппарат 5 (рис. 88), установленный на всасывающем патрубке вентилятора.

лекала 4 изменяемого профиля по положению вала нагрузки. Воздушный шибер первой регулируемой форсунки всегда открыт полностью, а второй и нерегулируемых форсунок открывается только при их включении. Регулятор осуществляет следящее ре­ гулирование.

В равновесном состоянии регулятора мембрана 3 изодрома находится в среднем положении и пружина 5 недеформирована (рис. 89). В крайних положениях мембраны перепускные клапа­ ны 4 открываются, соединяя обе полости корпуса изодрома, что равносильно его выключению. Дросселем 1 в канале 2, соединяю­ щем полости корпуса, регулируется время изодрома.

При изменении сорта топлива или ухудшении условий его сжигания и появлении дыма изменение расхода воздуха достига­ ется воздействием на пружину обратной связи 1 (рис. 88).

127

Настроечные параметры регулятора: время .изодрома, которое регулируется дросселем 10 (см. рис, 8 8 ), неравномерность — под­

вижной опорой 11 и время сервомотора — дросселем 8.

Работа системы протекает следующим образом (см. рис. 85). При изменении расхода пара изменяются его давление и усилие от сильфона 5 регулятора давления пара (см. рис. 8 6 ). Заслон­

ка управляющего устройства отклоняется от среднего положения, и давления в полостях сервомотора 9 оказываются неодинаковы­ ми. Поршень сервомотора перемещается, поворачивая с помощью

ления расхода топлива, соответствующего новой нагрузке, и заданного лекалами значения давления воздуха, обес­ печивающего его расход соответственно расходу топлива.

Изменение расхода топлива регулятором давления пара изме­ нит давление топлива перед топливными регулирующими блока­ ми. Поэтому изменится усилие от сильфона регулятора давления топлива, и заслонка управляющего устройства отклонится от среднего положения. Поршень сервомотора переместится, воздей­ ствуя на клапан, регулирующий слив топлива. Процесс регули­ рования заканчивается при установлении заданной величины дав­ ления топлива.

Температура топлива на всех режимах работы котла поддер­ живается с установленной неравномерностью. При отклонении температуры от заданного значения изменится давление в паро­ жидкостном чувствительном элементе 8 регулятора (см. рис. 45) и его равновесное состояние нарушится. Заслонка управляющего устройства 6 отклонится от среднего положения, поршень серво­ мотора 2 переместится, воздействуя на регулирующий клапан /, изменяя расход греющего пара на подогреватель 9 топлива вто­ рой ступени, одновременно изменяя натяжение пружины 5 обрат­ ной связи. Равновесное состояние устанавливается при заданной температуре топлива для данной нагрузки.

Система позволяет осуществлять не только автоматическое управление, при котором включены все регуляторы, но и полуав­ томатическое и ручное.

128

При переводе одного котла — левого или правого — на полу­ автоматическое управление рукоятку 1 механизма переключения соответственно поворачивают налево или направо и управление его топливным блоком осуществляется вращением маховика на­ грузки 3 (см. рис. 85). При полуавтоматическом управлении обои­ ми котлами рукоятка механизма находится в среднем положении, регулятор давления пара выключается из действия путем откры­ тия его обходного крана 11 (см. рис. 8 6 ). Расход топлива изме­

няется путем вращения любого из маховиков нагрузки. Полуавто­ матическое управление двумя котлами возможно при одинаковых нагрузках.

Ручное управление -регулирующими органами осуществляется при выключенных соответствующих регуляторах путем открытия их обходных кранов.

Во время работы необходимо наблюдать по манометрам за давлением топлива на сливе от регулируемых форсунок, которое

12 кгс/см2). При снижении максимального значения давления топлива в сливном трубопроводе надо заменить распылители ре­ гулируемых форсунок.

Для выключения нужно установить обходные краны всех ре­ гуляторов в положение «Ручное управление», кроме регулятора давления топлива, который выводится из действия после останов­ ки топливного насоса.

В период текущего ремонта измеряют зазоры между втулка­ ми и золотниками топливных блоков и при их величине более 0,08 мм золотники заменяют. Определяют протечки через уплот­ нения поршней сервомоторов при одностороннем давлении воды на поршень 5 кгс/см2, при ее величине болёе 70—100 г/мин уплот­ нения заменяют.

Возможные неисправности регулятора и способы их устране­