Глава V

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПАРОВЫХ И КОНДЕНСАТНЫХ СИСТЕМ

§ 12. Схемы автоматического регулирования конденсатно-питательных систем.

Общие сведения о регулировании конденсатно-питательных систем.

Главные котлы и турбины связаны между собой главной магистралью свежего пара и трубопроводами конденсатно-питательной системы. В магистрали свежего пара давление определяется давлением в котле, поэтому здесь дополнительного регулирования не требуется. Но для конденсатно-питательной системы, содержащей различные механизмы и устройства, требуется регулирование ряда параметров.

Под конденсатно-питательной системой будем понимать систему подачи воды из главного конденсатора в котел, включая сюда сам конденсатор и все механизмы и аппараты, через которые проходит вода на своем пути до котла.

Задачи регулирования конденсатно-питательной системы вытекают из устройства и особенностей этой системы.

Существенным элементом всякой конденсатно-питательной системы является промежуточная (дополнительная) емкость для воды между главным конденсатором и котлом (например, теплый ящик). Эта емкость необходима для того, чтобы питательный насос мог обеспечить питание котла при маневрировании. Использовать в качестве такой емкости непосредственно главный конденсатор нецелесообразно, так как уровень в конденсаторе при маневрировании был бы подвержен слишком большим колебаниям.

Важной особенностью большинства конденсатно-питательных систем (системы закрытого питания) является их герметичность и недопустимость значительных добавок в них воды извне цикла пар-конденсат, так как эта добавочная вода содержит растворенный кислород, способствующий интенсификации процессов коррозии. Однако в случае недостаточной подачи дистиллята испарителями (или при поступлении этого дистиллята в запасные цистерны) количество рабочего вещества в цикле постепенно уменьшается ввиду пропариваний, утечек и потерь на продувание, что требует небольших добавок воды из запасных цистерн.

Только в маломощных установках с низкими параметрами пара (например, во вспомогательных судовых установках) используются конденсатно-питательные системы, в которых вода соприкасается с атмосферным воздухом (системы открытого питания).

В простейшем случае деаэрация воды в системах закрытого питания осуществляется только в главном конденсаторе, из которого воздух отсасывается главным пароструйным эжектором, поддерживающим вакуум. В установках с высокими параметрами пара дополнительно к этому применяются специальные деаэрирующие устройства. На судах морского флота СССР наиболее распространены термические деаэраторы распиливающего типа. Форсуночные устройства таких деаэраторов распыливают конденсат, подаваемый конденсатным насосом, в паровом пространстве деаэратора, где конденсат перемешивается с паром, поступающим из системы отработавшего пара, и прогревается до температуры насыщения. При этом из него выделяются газы, удаляемые через специальный холодильник в атмосферу. Затем конденсат собирается в водяном пространстве деаэратора, откуда забирается питательным насосом. Такие деаэраторы одновременно выполняют функцию промежуточной емкости для воды (вместо теплого ящика) и, кроме того, служат подогревателями питательной воды смесительного типа, обеспечивая регенерацию тепла в цикле.

Таким образом, судовая паросиловая установка с котлом естественной циркуляции и системой закрытого питания имеет три связанных емкости со свободной поверхностью воды: котел, главный конденсатор и промежуточную емкость (теплый ящик или деаэратор). При наличии прямоточного котла остаются две последние из указанных емкостей.

Уровень воды, в котле с естественной циркуляцией необходимо, как отмечалось выше, поддерживать в определенных пределах из условия безаварийной работы котла. Уровень воды в главном конденсаторе также необходимо поддерживать в известных пределах: снижение этого уровня может привести к срыву работы конденсатного насоса, а повышение - к падению вакуума в конденсаторе и, как следствие, снижению мощности установки. В случае применения специальных конденсатных насосов, лопасти которых не подвержены разрушению от кавитации при снижении подпора, возможно использование так называемых сухих конденсаторов с полным отбором конденсата из водосборника конденсатора. Наконец, уровень в промежуточной емкости не должен быть ниже определенного предела для нормальной работы питательного насоса, если насос забирает воду непосредственно из этой емкости. В случае если промежуточной емкостью служит деаэратор, уровень воды в нем ограничен и сверху, так как значительное повышение уровня ухудшает условия деаэрации.

Важнейшая задача регулирования конденсатно-питательной системы и состоит в поддержании уровней воды в названных емкостях.

С увеличением нагрузки котла возрастает паросодержание в котловой воде, вследствие чего уменьшается количество воды в трубной системе котла. Ввиду этого при изменении режима работы установки должен соответственно измениться уровень в одной (или нескольких) из указанных емкостей (котел, конденсатор, промежуточная емкость), в противном случае неизбежны сбросы воды из цикла и добавки ее в цикл, ухудшающие условия деаэрации. Для систем закрытого питания статические характеристики регулирования уровней в названных емкостях должны выбираться с учетом такого изменения уровня в одной или нескольких емкостях, которое компенсировало бы изменение содержания воды в трубной системе котла. Использовать емкость парового коллектора котла для указанной цели не представляется возможным из-за малого объема коллекторов современных высоконапряженных судовых котлов; статическая характеристика регулирования уровня в котле выбирается по другим соображениям (см. § 5). В случае прямоточного котла уровень в котле вообще отсутствует. В связи с этим в качестве емкости, компенсирующей изменение количества воды в котле на различных стационарных режимах, может служить промежуточная емкость или главный конденсатор.

При условии поддержания приблизительно постоянного уровня в котле задача регулирования уровней в двух остальных емкостях - конденсаторе и промежуточной емкости - может быть решена одним из следующих способов.

Первый способ состоит в том, что уровень автоматически регулируется только в главном конденсаторе, а в промежуточной емкости он устанавливается самостоятельно ввиду неизменности количества рабочего вещества в цикле.

Наиболее просто автоматически поддерживать приблизительно постоянный уровень, предоставив уровню в нерегулируемой емкости устанавливаться в соответствии с изменением содержания воды в трубной системе котла.

Выбор в качестве регулируемой емкости именно главного конденсатора объясняется необходимостью обезопасить конденсатный насос от возможностей срыва его работы при падении уровня в конденсаторе. В этом случае в промежуточной емкости уровень но время эксплуатации изменяется в некоторых пределах. При необходимости предельно допустимые нижнее и верхнее положения уровня в этой емкости контролируются предельными регуляторами, вступающими в работу по достижении уровнем предельного значения.

Конкретные схемы регулирования конденсатно-питательных систем с таким способом регулирования уровней воды рассмотрены ниже (см. рис. 12.1 и 12.2).

Второй способ состоит в автоматическом поддержании уровня в каждой емкости - в главном конденсаторе и в промежуточной емкости.

Автоматическое регулирование уровня в каждой емкости улучшает динамику конденсатно-питательной системы в целом, так как исключает колебания уровня в промежуточной емкости, которые могут возникать при рассмотренном выше способе регулирования уровней и служить причиной возмущения соседних контуров регулирования.

Автоматическое регулирование уровней в каждой емкости при условии отсутствия значительных сбросов воды из цикла и добавок ее в цикл можно осуществлять, если в одной или нескольких емкостях уровень поддерживать по определенной программе так, чтобы компенсировать изменение количества воды в трубной системе котла при изменении режима работы установки. В таком случае добавлять воду в цикл можно в небольших количествах только для компенсации утечек рабочего вещества при недостаточном поступлении дистиллята испарителей.

Одна из особенностей конденсатора как объекта регулирования состоит в том, что основное возмущающее воздействие (нагрузка) для этого агрегата обычно заключается в изменении притока к нему материальной среды (пара), а регулирующее воздействие - в изменении расхода материальной среды (конденсата), тогда как для подавляющего большинства энергетических объектов, наоборот, нагрузкой является расход материальной среды или энергии, а регулирующим воздействием - изменение притока. Поэтому система регулирования уровня в конденсаторе, имеющая жесткую обратную связь, будет устойчивой не при падающей, как обычно, а при возрастающей с увеличением нагрузки статической характеристике в координатах регулируемая величина - нагрузка на объект.

Данное обстоятельство позволяет в ряде случаев простыми средствами решить задачу автоматического поддержания уровней в каждой из двух рассматриваемых емкостей при изолированности системы закрытого питания. Для этого достаточно, применив регулятор с жесткой обратной связью, настроить возрастающую статическую характеристику регулирования уровня в конденсаторе таким образом, чтобы увеличение уровня с ростом нагрузки компенсировало соответствующее уменьшение содержания воды в трубной системе котла. Тогда уровень в промежуточной емкости можно будет поддерживать приблизительно постоянным.

Ниже рассмотрена конкретная схема регулирования конденсатно-питательной системы с таким способом регулирования уровней воды (см. рис. 12.3).

Однако компенсацию изменения водосодержания трубной системы котла путем подбора статической характеристики регулирования уровня в конденсаторе при использовании одноимпульсного регулятора с жесткой обратной связью удается достаточно хорошо осуществить лишь в том случае, если в котле поддерживается примерно постоянное давление пара на всех нагрузках. Если поддерживаемое в котле давление пара меняется, объем воды в трубной системе котла на данном стационарном режиме становится функцией двух переменных - котельного давления и нагрузки (расхода пара из котла). В этом случае задача программного регулирования уровня в конденсаторе решается применением двухимпульсного регулятора уровня с изодромной обратной связью, измеряющего уровень в конденсаторе и перепад давления на участке главной магистрали свежего пара. Этот перепад давления изменяется в функции от расхода и давления пара примерно так же, как водосодержание трубной системы котла, что и позволяет использовать его изменение в качестве программного воздействия, определяющего форму статической характеристики регулирования уровня в конденсаторе. Изодромная обратная связь обеспечивает точность поддержания заданной программы.

Третий способ состоит в отказе от автоматического поддержания уровня в главном конденсаторе; в промежуточной емкости в этом случае уровень может поддерживаться примерно постоянным или изменяться в некоторых пределах.

Этот способ применим, если установка оборудована специальными конденсатными насосами, не подверженными сильным кавитационным разрушениям при снижении подпора. Регулирование уровня воды в конденсаторе в данном случае основано на принципе саморегулирования; при этом уровень воды в конденсаторе подвергается значительным колебаниям, вплоть до полного осушения конденсатора. Преимущество такого способа состоит в технической простоте, способствующей повышению надежности.

Кроме уровней воды для нормального функционирования конденсатно-питательной системы необходимо поддерживать режимы работы соответствующих вспомогательных механизмов, прежде всего конденсатного и питательного насосов. Эта задача в различных конденсатно-питательных системах может быть решена несколько по-разному с помощью применения регуляторов давления нагнетания насосов или регуляторов постоянной частоты вращения. Способы регулирования питательных насосов были рассмотрены в § 5.

Существенным показателем работы главного конденсатора является температура конденсата, которая бывает несколько ниже температуры насыщения при данном давлении (переохлаждение конденсата). Увеличение переохлаждения конденсата вызывает повышение его кислородосодержания, т. е. ухудшает качество деаэрации питательной воды. Регулирование температуры конденсата может осуществляться регулятором, воздействующим на количество охлаждающей воды, поступающей в единицу времени на прокачку конденсатора.

При наличии в установке термического деаэратора важной задачей является регулирование температуры или давления в деаэраторе, что необходимо как для качественной деаэрации воды, так и для поддержания к. п. д. теплового цикла (см. § 13).