ВВЕДЕНИЕ

В начале развития машинной техники агрегаты обслуживались вручную. Усовершенствование оборудования сопутствовало развитию механизации процессов обслуживания. Физический труд постепенно заменялся управлением механизмами и наблюдением за его работой. Механизация производства подготовила почву к переходу к автоматизации технологических процессов. Автоматические регуляторы отдельных технологических процессов известны давно. В теплоэнергетике применяются автоматические регуляторы для поддержания на постоянном, заданном значении величин (параметров), характеризующих протекание процесса. В течение этого времени обязанностью обслуживающего персонала остается лишь за режимом работы агрегатов и поддержании в работоспособном состоянии автоматических регуляторов. Стабилизирующие не решают задачу полной автоматизации оборудования. Для полного решения задач автоматизации должны применяться и другие средства, взаимно дополняющие друг друга:

Устройства дистанционного управления – для ручного механизированного управления регулирующей и запорной арматурой, а также вспомогательными механизмами агрегатов. Регулирующие органы регуляторов через переключатели могут быть подключены к регулятору или к ключу дистанционного управления.

Устройства технологической защиты – для остановки оборудования или снижения его нагрузки при отклонении от нормы тех или иных показателей режима работы оборудования, т.е. автоматизируется ликвидация возникающих аварийных ситуаций.

Автоматическая блокировка – для обеспечения требуемой последовательности выполнения операций при переводе оборудования в новое состояние.

Автоматическое включение резерва – устройства для включения резервного вспомогательного оборудования в случае аварийной остановки работающего.

Устройства автоматического управления – для автоматического управления агрегатами при переходных процессах.

Технологический контроль – для непрерывного наблюдения за протеканием технологического процесса, записи параметров процесса по времени на бумаге, для счета расхода различных веществ.

Сигнализация – для привлечения внимания персонала к тем участкам в сфере обслуживания, где произошли отклонения от нормального режима. Сигнал подается включением ламп, расположенных на специальных панелях сигнализации или мнемосхемах технологического процесса. В ответственных случаях световой сигнал сопровождается включением сирены или звонка. Звуковой сигнал может быть снят оператором, а световой обычно остается включенным до возвращения нарушенного параметра к норме.

Комплексное применение всех средств автоматизации в экономически целесообразном объеме характерно для последних лет развития энергетики.

Оснащенность агрегатов современных котельных и электростанций средствами автоматизации весьма значительна. Сами средства контроля весьма сложны, что предъявляет высокие требования к персоналу, которому поручено содержание в эксплуатационно-пригодном состоянии оборудования. Чтобы соответствовать этим требованиям работники должны знать устройство автоматизированного оборудования и происходящие в нем процессы, без чего немыслим сознательный подход к обслуживанию этих средств и возможны крупные ошибки, результатом которых может быть возникновение аварий.

Настоящее пособие предназначено для обучения студентов энергетических специальностей.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

Автоматическое регулирование питания барабанных паровых котлов

1-1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Автоматические регуляторы питания котлов были первыми регуляторами тепловых процессов, получивших практическое применение в технике.

На протяжении многих лет перевод на автоматическое управление питания барабанных котлов составлял основную задачу автоматизации тепловых процессов. Большое внимание, уделявшееся решению этой задачи, объясняется необходимостью точного поддержания баланса между подачей в котел питательной воды и расходом из него пара. Даже кратковременное превышение подачи воды по сравнению с расходом пара может привести к аварийной перепитке котла и забросу воды в пароперегреватель и далее, в паропроводы и турбину. Снижение расхода воды может привести к нарушению циркуляции в экранных и кипятильных поверхностях котла и пережогу трубок, составляющих эти поверхности.

Ручное регулирование питания требовало большого внимания от дежурного водосмотра и было связано с необходимостью пребывания его в течение всей смены на площадке обслуживания, находящейся около верхних барабанов котла, где температура окружающей среды нередко достигала 40-45°С, воздух был загрязнен газами и золой, выбивающимися через неплотности топки и газоходов.

Особенно тяжелы были условия работы водосмотров на мощных котлах высокого давления, обладающих большими скоростями протекания технологических процессов, оборудованных регулирующими клапанами большого сечения, требующими для перестановки значительных усилий. Наблюдение за уровнем по водоуказательным колонкам через слюдяные пластинки, заменяющие на котлах высокого давления стекло, было связано с большим напряжением зрения.

При автоматизации регулирования питания барабанных котлов, кроме основной задачи — перевода подачи питательной воды на автоматическое управление, были решены важнейшие попутные задачи. Прежде всего была обеспечена возможность надежного наблюдения за уровнем, существующим в верхнем барабане котла, с поста дежурного машиниста, для чего были созданы простые и надежные сниженное указатели и регистраторы уровня. Была освоена также сигнализация достижения уровнем верхнего и нижнего предельно допустимых положений. В дальнейшем задача была расширена освоением устройств автоматической защиты, отключающей котел или осуществляющей некоторые локальные операции при перепитке котла или упуске уровня до нижнего допустимого предела.

Достаточная надежность автоматического регулирования питания была достигнута только после переноса узла питания вместе с питательными линиями и регулирующими клапанами на отметку поста машиниста котла. Это стало возможным после замены электромеханических регуляторов ЦКТИ (которые обязательно должны были устанавливаться на уровне верхнего барабана котла), электронными, допускающими произвольное размещение датчиков, регулирующего прибора и клапана. Одновременно была обеспечена возможность дистанционного управления органами регулирования питания с поста машиниста котлов, а в дальнейшем с блочного щита управления. Немаловажным было решение проблемы питания котла по двум или одной магистралям, с помощью одного или двух авторегуляторов, окончательно решенная в пользу однониточного питания, с оставлением второй питательной нитки вместе с установленным на ней авторегулятором в резерве.

Решение задачи автоматизации питания барабанных котлов позволило электростанциям перейти на работу без водосмотров. В настоящее время, подавляющее число котлов на районных электростанциях Советского Союза работают без водосмотров. Решается последняя задача автоматизации узла питания: автоматического регулирования подачи воды в котел во время растопки с холодного состояния до достижения нормальных параметров пара и приема котлом нагрузки.

2-2. СВОЙСТВА БАРАБАННОГО КОТЛА КАК ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПИТАНИЯ

Как и в любой емкости с изменяющимся по времени притоком и стоком жидкости, регулируемым параметром для процесса питания котла служит уровень в барабане. Однако, на этом сходство котла с баком для воды кончается, так как в барабане котла существует уровень не жидкого вещества, а двухфазной среды, которую можно условно рассматривать как смесь, состоящую из воды, находящейся при температуре кипения, соответствующей давлению в котле, и из пузырьков насыщенного пара того же давления. Это особое свойство котла как объекта регулирования питания затрудняет его автоматизацию, как, впрочем, и ручное регулирование питания котла водосмотром.

Д ля пояснения физической сущности процесса на рис. 1-1 изображен циркуляционный контур топочного экрана котла. Верхний барабан 1 соединен с коллектором 2 системой опускных труб 3, проложенных снаружи обмуровки и не обогреваемых топочными газами. Из барабана в опускные трубы попадает вода, имеющая температуру кипения, но не содержащая пара. Внутри топки от коллектора 2 к барабану проложены экранные трубы 4, образующие одну из секций поверхности нагрева котла.

Рис. 1-1. Схема, поясняющая работу циркуляционного контура котла.

Раскаленные газы и горящее в топке пламя передают свое тепло через стенки трубок находящейся в них воде, благодаря чему в ней образуются пузырьки пара, количество которых тем больше, чем больше тепла перешло от газов к воде. Удельный вес насыщенного пара значительно меньше веса воды, нагретой до кипения и находящейся при таком же давлении. Благодаря этому в конкурс возникает движущая сила: пароводяная, смесь (эмульсия), как более легкая, будет подниматься по экранным трубкам в барабан котла. На ее место из барабана в коллектор по опускным трубам будет двигаться вода, освободившаяся от пузырьков пара. Пар из барабана поступает в пароперегреватель или в паропровод.

Таким образом, под уровнем в барабане котла находится смесь, состоящая из кипящей воды и некоторого количества пара (пароводяная эмульсия). В результате возникает непрерывное движение (циркуляция) этой эмульсии по контуру, необходимое для интенсивного охлаждения трубок и предохранения их от пережога. Нарушение циркуляции, например из-за понижения уровня в барабане до некоторого предела h, когда в опускные грубы вместе с водой будет засасываться пар из верхнего пространства барабана, может привести к перегреву кипятильных трубок и тяжелой аварии с котлом.

При установившемся состоянии процесса количество тепла, воспринимаемое через рассматриваемую поверхность нагрева, постоянно по времени и объект находится в состоянии динамического равновесия. При этом количество пузырьков пара в любом сечении циркуляционного контура постоянно по времени, как это показано на диаграммах а, б и в на рис.6-1. В сечении /—/ опускной трубы пузырьки пара отсутствуют (диаграмма а); в сечении //—//, находящемся в экранной трубе, вблизи коллектора содержание пузырьков пара незначительно (диаграмма б); в сечении ///—///, у конца экранной трубы содержание пара в эмульсии достигает наибольшего значения (диаграмма в). Любое нарушение установившегося состояния системы приводит к изменению соотношения между средним содержанием пара и воды в пароводяной эмульсии, находящейся под уровнем в барабане. Например, при снижении тепловой нагрузки топки интенсивность поглощения тепла эмульсией уменьшается и относительное содержание пара в ней упадет. Это приведет к резкому понижению уровня в барабане, если даже равенство между подачей воды Q в котел и расходом из него пара D будет поддерживаться в течение всего процесса.

При резком увеличении расхода пара потребителем и неизменной подаче топлива давление в котле упадет, что связано с уменьшением теплосодержания всей массы воды, заполняющей котел при температуре кипения. Освободившееся тепло пойдет на образование пара, и, таким образом, содержание его в эмульсии возрастет, следовательно уровень в барабане повысится. Одновременно с повышением расхода пара потребителем персонал или авторегуляторы котла должны увеличить подачу топлива в топку. Это вызовет возрастание тепловой нагрузки поверхностей нагрева и увеличение образования в них пузырьков пара, т. е. также приведет к повышению уровня.

Снижение (сброс) паровой нагрузки без изменения расхода топлива приведет к повышению давления в котле, а следовательно, к уменьшению содержания пара в эмульсии и резкому снижению уровня. В том же направлении будет действовать уменьшение расхода топлива с целью установления нового равновесного состояния при уменьшенной нагрузке.

Выбеги уровня вследствие изменения объема пароводяной эмульсии при нарушении режима работы котла обычно называют «набуханием» уровня. Величина набухания зависит от теплонапряженности поверхностей нагрева и количества воды, содержащейся в котле, а также от давления, при котором работает котел. На котлах с большим водяным объемом, не имеющих экранных поверхностей, явление изменения уровня при перемене нагрузки почти не ощущается. На котлах с одним барабаном и сильно развитым топочным экраном набухание уровня может достигнуть величины порядка сотен миллиметров. Чтобы удержать уровень после сброса нагрузки, необходимо в конечном результате уменьшить подачу в котел питательной воды в соответствии с уменьшением расхода пара. Однако понижение уровня, сопровождающее сброс, воспринимается автоматическим регулятором питания любого типа как сигнал на увеличение подачи воды. Это приводит к дополнительному увеличению разности между расходом пара и подачей воды в первый момент работы автоматического регулятора. Понижение температуры питательной воды приводит к дополнительному снижению уровня. Это также затрудняет процесс регулирования. Влияние температуры питательной воды особенно сильно отражается на котлах, не имеющих водяных экономайзеров.

Рис. 1-2. Графики опыта со сбросом нагрузки на котле производительностью 180 г/ч.

Н асколько велико влияние пузырьков пара, находящегося в смеси с водой, можно видеть по следующему опыту, который был проделан на однобарабанном котле, работающем на угольной пыли и развивающем производительность до 200 т/ч при давлении в барабане около 30 кГ/см². Кочегару было поручено медленно и по возможности плавно снизить нагрузку за счет увеличения нагрузки соседних котлов. Водосмотр должен был вручную регулировать подачу воды таким образом, чтобы уровень все время оставался неизменным. Нагрузка была снижена с 180 до 60 т/ч в течение 13 мин. При этом оказалось, что для поддержания постоянного уровня водосмотр вынужден был в течение всего опыта держать расход воды в среднем на 35 т/ч больше расхода пара. Таким образом, за время опыта (13 мин) котел получил около 8 т воды, занявшей место пузырьков пара в пароводяной смеси, заполняющей обогреваемые объемы при нагрузке 180 т/ч. При этом некоторое количество пузырьков пара, соответствующее нагрузке 60 т/ч, после опыта еще оставалось в смеси.

На рис. 1-2 приведен график испытания однобарабанного котла производительностью 180 т/ч при сбросе нагрузки. Как видно из графика, между 1-й и 3-й минутами опыта расход пара D уменьшился со 165 до 70 т/ч, т. е. на 95 г/ч; поступление воды Q за этот промежуток времени превышало расход пара в среднем на 54 т/ч, следовательно, количество воды, не превращенной в пар и оставшейся в котле, оказалось равным 1,8 г. Несмотря на это уровень У воды в барабане снизился на 60 мм Уменьшение объема, занятого водой в барабане котла при этом было равно приблизительно 0,935 м³ (при вычислении этой величины диаметр барабана принят равным 1,3 м, а длина 12 м).

Таким образом, для поддержания постоянного уровня в течение промежутка времени между 1-й и 3-й минутами опыта в котел нужно было добавить еще 0,76 т воды (удельный вес воды принят равным 0,82 т/м³, что соответствует давлению 32 ат). Общее количество воды, занявшей место пузырьков пара в пароводяной смеси, заполняющей котел, после снижения нагрузки со 165 до 70 т/ч оказывается в этом случае равным 1,8+0,76 = 2,56 т. Если бы при сбросе нагрузки средние расходы пара и воды были равны между собой, уровень понизился бы примерно мм. При полном сбросе нагрузки со 180 m/ч до 0 вес воды, занявшей место пузырьков пара, окажется равным т. Соответственно падение уровня при равенстве средних значений расхода пара и воды будет достигать 380 мм. Как видно из этого примера, подпитка котла во время сброса нагрузки может существенно уменьшить падение уровня.

При плавном сбросе нагрузки котла и постоянном давлении падение уровня может быть предотвращено за счет создания необходимой разности между расходами воды и пара, как это видно из графика рис. 1-2 (отрезок времени между 3-й и 7-й минутами опыта).

На рис. 1-3 показаны графики поведения котла типа ТП-100, работающего в блоке с турбиной, при сбросе на грузки со стороны турбогенератора. График а соответствует сбросу при работающем авторегуляторе уровня, а на графике б показан процесс, при котором первые 50 сек авторегулятор был отключен, после чего его включили в нормальную работу. На верхних графиках показано изменение мощности турбогенератора блока N в мегаваттах, на средних графиках изменение расхода Q воды, поступающей к котлу, а на нижних графиках — отклонение уровня У в барабане котла по времени.

Отклонение уровня при сбросе и наборе нагрузки со стороны турбины происходит из-за нарушения баланса между приходом питательной воды и расходом пара, из-за отклонения давления в барабане и по причине изменения тепловой нагрузки поверхностей нагрева котла. Нарушение баланса расходов воды и пара влияет на положение уровня в направлении, противоположном влиянию отклонения давления и тепловой нагрузки.

Рис. 1-3. Графики поведения котла типа ТП-100 при сбросе нагрузки:

а — при работающем авторегуляторе уровня;

б — при включении регулятора на 50-й секунде.

Как видно из графиков рис. 1-3, сброс нагрузки со стороны турбогенератора сопровождается значительным понижением уровня (набуханием) в первый период процесса, причем воздействие авторегулятора в этот период почти не оказывается на положении уровня. В результате набухания отклонение уровня в барабане во время сброса нагрузки турбиной происходит настолько быстро, что авторегулятор практически не может повлиять на величину этого отклонения. Даже полное открытие клапана, регулирующего подачу воды в котел, в момент сброса нагрузки почти не уменьшает отклонение уровня в процессе набухания, однако в этом случае возникает опасность перепитки котла в последующий период, когда происходит восстановление уровня под влиянием небаланса расходов пара и воды.

Правильно настроенный авторегулятор уровня после сброса нагрузки турбиной должен снизить подачу питательной воды, что практически не скажется на отклонении уровня в процессе набухания, но уменьшит влияние небаланса между расходами в последующий период работы регулятора. Такую настройку можно выполнить благодаря наличию в схеме авторегулятора сигнала по расходу пара.

1-3. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗГОНА КОТЛА ПО УРОВНЮ

Как объект регулирования питания, паровой котел отличается явлением набухания уровня при изменении нагрузки и отсутствием самовыравнивания. Эти свойства котла отражаются на форме кривых разгона. Для записи кривой разгона на котле устанавливают постоянную нагрузку и переводят его на ручное питание. Установив уровень в среднем положении, наносят возмущение, например, расходом воды путем резкого открытия или прикрытия регулирующего клапана на питательной линии. Во время опыта записываются положение уровня, расходы пара и питательной воды (для контроля обычно записывают также давление в питательном трубопроводе перед регулирующим клапаном и в барабане котла). Записи следует делать через 10—30 сек.

Рис. 1-4. Графики разгона уровня при возмущении подачей питательной воды для котлов среднего давления небольшой производительности.

а — для трехбарабанного котла 46 т/ч; б — для однобарабанного котла 40 т/ч.

Так как результаты опыта в дальнейшем используются для расчета настройки регулятора, положение уровня рекомендуется записывать не по водоуказательному стеклу, а по положению чувствительного органа регулятора питания, например по напряжению, создаваемому на выходе датчика электронного регулятора уровня.

Опыт заканчивается после того, как уровень дойдет до границы, допускаемой по условиям безопасности работы котла. Кривые разгона нужно снимать при снижении и повышении уровня, повторяя каждый опыт 2—3 раза. По результатам опытов строится график, на горизонтальной оси которого откладывается время, а на вертикальной — положение уровня.

На рис. 1-4,а приведена характеристика разгона, снятая опытным путем на трехбарабанном котле производительностью 45 г/ч при давлении пара 32 ат, полученная при возмущении изменением подачи питательной воды. В момент t₀ равновесное состояние при нагрузке 45 т/ч было нарушено: с помощью регулирующего клапана расход воды был увеличен на 7 т/ч. Относительная величина нанесенного возмущения: . Скорость разгона котла, выраженная в миллиметрах изменения уровня, оказалась равной [см. уравнение (2-2)]:

мм/мин.

Относя эту величину к допустимому по условиям эксплуатации диапазону изменения уровня ΔУ, равному для данного котла 150 мм, можно вычислить величину скорости разгона в относительных единицах: 1/сек

Отсюда время разгона, отнесенное к допустимому диапазону изменения уровня [по уравнению (2-3)], равно Т_а = сек.

На рис. 1-4,б приведены характеристики разгона однобарабанного котла производительностью 40 т/ч при давлении 32 ат, при уменьшении расхода воды. До момента t₀ поступление воды соответствовало расходу пара и уровень оставался практически постоянным. В момент t₀ расход воды быстро изменялся на 4 т/ч, т. е. наносилось возмущение (10% максимальной производительности котла).

Скорость разгона, выраженная в абсолютных величинах, равна:

мм/мин

По ряду причин, связанных с недостатками внутрикотловых устройств котла, на котором производились испытания, наибольшее допустимое по условиям эксплуатации отклонение уровня ΔУ было установлено равным всего 40 мм. Принимая в расчет этот диапазон изменения уровня, можно вычислить величину скорости разгона в относительных единицах

1/сек

о ткуда время разгона

сек

Рис. 1-5. График разгона уровня при возмущении подачей питательной воды для котла типа ТГМ-96 призводительностью 480 т/ч, при давлении 156 ат.

На рис. 1-5 приведена характеристика разгона по уровню мощного современного газомазутного котла типа ТГМ-96, имеющего нормальную производительность 480 т/ч при давлении в барабане 156 ат. Возмущение наносилось во время опыта увеличением расхода воды через клапан регулятора на 40 т/ч (с 345 до 385 т/ч) при нагрузке котла по пару 344 т/ч. Таким образом, относительная величина нанесенного возмущения

.

Из графика видно, что запаздывание процесса сек, а величина b в масштабе графика составляет 12мм. Скорость разгона котла по уровню в абсолютных единицах:

мм/сек, или 412, 8 мм/мин.

Принимая диапазон изменения уровня между верхним и нижним предельными положениями ΔУ=200 мм, получим скорость разгона, в относительных единицах 1/сек. Время разгона, отнесенное к допустимому диапазону изменения уровня, T_а=1/ε = 29 сек.

Из приведенных примеров видно, что у трехбарабанного котла с большим водяным объемом время разгона примерно в 10 раз больше, чем у однобарабанного котла с такими же параметрами, но имеющего малый водяной объем. В связи с этим наладка автоматических регуляторов питания на трехбарабанном котле оказалась значительно проще, чем на однобарабанном котле.

1-4. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ

Для регулирования уровня в барабанах паровых котлов применяются регуляторы прямого и косвенного действия, построенные по разным принципиальным схемам. Однако основная масса современных энергетических котлов среднего и высокого давления на районных электростанциях автоматизирована с помощью стандартных электронных авторегуляторов производства МЗТА, РПИБ, РПИК и др.

На практике получили распространение авторегуляторы уровня, имеющие следующие основные схемы:

а) Пропорциональные регуляторы прямого и косвенного действия, осуществляющие закон П-регулирования и получающие только одно регулирующее воздействие — по уровню в барабане — «одноимпульсные» регуляторы. Они работают с неравномерностью, поэтому поддерживают уровень в зависимости от нагрузки: при повышении нагрузки уровень

По устаревшей терминологии, оставшейся только применительно к регуляторам уровня, регуляторы разделяются в зависимости от числа сигналов («импульсов»), подводимых от чувствительных элементов к регулирующему прибору, на «одноимпульсные», «двухимпульсные» и «трехимпульсные». Соответственно с установиншнмся в настоящее время понятием под «импульсом» подразумевается кратковременное единичное воздействие на регулятор. В связи с распространением регуляторов, действующих последовательными толчками— импульсных регуляторов, рассматриваемый термин приобрел другое значение.

понижается, а при уменьшении нагрузки повышается. Свойство пропорциональности у регуляторов косвенного действия достигается вводом жесткой обратной связи, которая обычно выполняется по положению регулирующего органа и более редко — по расходу питательной воды.

б) Комбинированные регуляторы, действующие по отклонению регулируемого параметра — уровня и по возмущению, возникающему при изменении паровой нагрузки котла (двухимпульсные регуляторы).

в) Комбинированные регуляторы, действующие при отклонении уровня и паровой нагрузки, с жесткой обратной связью по расходу питательной воды (трехимпульсные регуляторы).

В случае применения электронных регуляторов системы ВТИ (типа РПИК, РПИБ .и др.) в схеме используется устройство упругой обратной связи регулирующего прибора. Применение упругой обратной связи в схем регулятора уровня улучшает динамические качества процесса регулирования. Подавляющее количество котлов на электростанциях снабжено регуляторами питания, выполненными по этой схеме.

г) Изодромные регуляторы, получающие командный сигнал по отклонению уровня и снабженные устройством упругой обратной связи. В установившихся состояниях изодромные регуляторы поддерживают одинаковый уровень, независимо от нагрузки котла, но качество регулирования при их применении уступает качеству, обеспечиваемому «трехимпульсными» регуляторами. В частности, применение регулятора, выполненного по такой схеме, приводит к значительным по величине колебаниям расхода питательной воды. В связи с этим «одноимпульсные» изодромные регуляторы уровня широкого применения не нашли.

д ) Существует также схема с последовательной установкой двух регуляторов: пропорционального регулятора уровня и регулятора, поддерживающего постоянную разность давлений по обе стороны клапана регулятора уровня, называемого обычно дифференциальным регулятором давления. При такой схеме дифрегулятор ликвидирует внутренние возмущения, возникающие на регуляторе уровня при колебаниях давления воды в питательных линиях. Однако из-за сложности и пониженной надежности эта схема редко применяется на практике.

Рис. 1-6. Принципиальная схема и статическая характеристика автоматических регуляторов питания барабанных паровых котлов пропорционального типа.

Пропорциональные регуляторы уровня находят применение для автоматизации котлов низкого и среднего давления небольшой мощности. На современных мощных котлах высокого давления эти регуляторы не применяются из-за неблагоприятных динамических характеристик объекта регулирования: величина неравномерности, необходимой для устойчивой работы системы на этих котлах, обычно превышает диапазон колебаний уровня, допустимый по условиям эксплуатации котла. Принципиальная схема и статическая характеристика регулирования при пропорциональном регуляторе показаны на рис. 1-6.

В качестве примера на рис. 1-7 изображена конструктивная схема термостатного регулятора уровня прямого действия, работающего по закону П-регулирования. К достоинствам термостатных регуляторов относятся большая простота и высокая надежность действия, а к недостаткам — начительное время запаздывания чувствительного элемента (термостата) при отклонении уровня и небольшая величина развивающего им усилия. Основная часть термостата выполнена в виде стальной или латунной трубки /, концы которой заделаны в колена 2 а 3 со штуцерами для присоединения трубопроводов 4 и 5. Термостат смонтирован в раме из швеллеров, устанавливаемой около котла, на уровне верхнего барабана. Трубопроводы 4 и 5 соединяют чувствительную трубку с паровым и водяным пространствами барабана. Чувствительная трубка установлена наклонно с таким расчетом, чтобы при высшем уровне в барабане она заполнялась водой, а при низшем — паром. При работе котла в чувствительной трубке всегда имеется уровень, выше которого находится пар, а ниже — вода. Положение уровня в барабане и в термостате изменяется одновременно.

Действие термостата основано па удлинении металла при повышении температуры. Верхняя часть трубки нагревается до температуры, близкой к температуре насыщения пара. Нижняя часть трубки заполнена водой, температура которой из-за охлаждающего действия окружающего воздуха ниже температуры пара. При понижении уровня длина прогретого паром участка чувствительной трубки увеличивается за счет сокращения охлаждаемого водой нижнего участка. В результате средняя температура металла чувствительной трубки повышается и длина ее увеличивается за счет термического удлинения. Величина удлинения трубки зависит от коэффициента термического удлинения металла. Например, для стали этот коэффициент равен 1,2 мм/м на 100° С, а для латуни он равен примерно 2,5 мм/м па 100° С. При перемещении уровня по всей длине чувствительной трубки от высшего до низшего предела длина стального термостата увеличивается примерно на 2 мм.

Н ижнее колено 3 термостата закреплено неподвижно в раме, а верхнее 2 может свободно перемещаться вдоль оси термостата и имеет шарнир, связанный с коротким плечом углового рычага 6.

Рис. 1-7. Схема термостатного пропорционального авторегулятора уровня.

При удлинении чувствительной трубки рычаг 6 поворачивается против часовой стрелки и через тягу 7 перемещает рычаг 8 регулирующего клапана. Золотник 9 клапана при этом поднимается и увеличивает площадь отверстий в окнах для прохода воды в котел. При повышении уровня рычаг 6 поворачивается по часовой стрелке и закрывает клапан.

Комбинированные регуляторы, действующие при изменении уровня и паровой нагрузки котла, имеют схему и статическую характеристику, показанные на рис. 1-8,а. Воздействие сигнала по расходу пара у этих регуляторов приводит к изменению открытия регулирующего клапана еще до того, как вызвавшее процесс возмущение скажется на отклонении уровня. Этим достигается улучшение динамических показателей процесса регулирования. Статическая характеристика разбираемого регулятора (линия 1) складывается из характеристики пропорционального регулятора (линия 1) и характеристики сигнала по расходу пара, приведенного к открытию клапана, т. е. к расходу питательной воды. Последняя характеристика имеет квадратичную закономерность (линия 2), чем и объясняется форма статической характеристики регулирования. Так как изменения расхода питательной воды непосредственно не сказываются из работе регулятора, положение уровня при прочих равных условиях зависит от перепада давлений на регулирующем клапане Δр, как показано на графике двумя линиями статической характеристики / и // при постоянных перепадах Δр_макс и Δр_мин.

Рис. 1-8. Принципиальная схема и статическая характеристика комбинированного авторегулятора уровня (а) и с жесткой обратной связью по расходу питательной воды (б).

Комбинированные регуляторы, имеющие рассматриваемую схему, в настоящее время почти не применяются, однако в период, предшествующий широкому внедрению на электростанциях котлов высокого давления (порядка 100 ат), промышленность выпускала по этой схеме регуляторы электромеханического типа, разработанные по предложению мастера Куйбышевской ГРЭС М. В. Трубкина. Эти регуляторы нашли применение на котлах среднего давления многих электростанций. Они имели ряд эксплуатационных преимуществ по сравнению с другими регуляторами известных в то время конструкций. Распространение их способствовало ликвидации профессии водосмотров. Регуляторы системы Трубкина (типа АРП-IV завода «Энергодеталь») были вытеснены на электростанциях электронными регуляторами системы ВТИ.

Комбинированные регуляторы сжесткой обратной связью но расходу питательной воды построены по принципиальной схеме, показанной на рис. 1-8,б. Сигналы по расходу пара и воды складываются между собой в механизме регулятора, для чего их подают к измерительному устройству с противоположными знаками. Регулятор, выполненный по такой структурной схеме, можно рассматривать как "одноимпульсный" с жесткой обратной связью по расходу питательной воды и воздействием по расходу пара, компенсирующим неравномерность, свойственную регулятору с жесткой обратной связью.

Сигнал увеличения расхода воды вызывает закрытие питательного клапана регулятором, а сигнал увеличения расхода пара приводит к открытию клапана. При одинаковом изменении обоих расходов после возвращения объекта в установившееся состояние уровень вернется в исходное положение. Таким образом, при правильной настройке регулятора, когда увеличение или уменьшение паровой нагрузки котла приводит к изменению расхода воды на такую же величину, статическая характеристика регулирования будет иметь вид горизонтальной прямой линии. Воздействия сигналов по расходам пара D и воды Q должны при этом соответствовать графику, показанному на рис. 1-9,б. При другой настройке сигналов по расходам разность между воздействием их на регулятор ликвидируется за счет изменения уровня при переходе на новую нагрузку. В этом случае статическая характеристика может идти с понижением (линия 1 графика рис. 1-8,б) или с повышением (линия 2) уровня по мере роста нагрузки.

Рис. 1-9. Схема электронного авторегулятора уровня мощного котла высокого давления (а) и характеристика сигналов по расходам пара U_D и воды U_Q (б).

ИБ — измерительный блок;

ЭБ — электровный регулирующий прибор;

3 — задатчик;

КУ — ключ дистанционного управления;

П — переключатель управления;

УП — указатель положения;

МП — магнитный пускатель;

ЯМ—исполнительный механизм;

Д₁, Д₂ и Д₃ — датчики.

Т аким образом, воздействие сигнала по уровню служит для устранения ошибки регулирования, возникающей за счет неточной настройки сигналов по расходам. Однако основное назначение сигнала по уровню состоит в ликвидации колебаний, возникающих во время переходных процессов регулирования. Чтобы этот процесс протекал в оптимальных условиях, необходимо соответствие неравномерности действия сигнала по уровню динамическим

характеристикам объекта автоматизации. Эту неравномерность можно измерить, отключив от регулятора сигнал по расходу пара. В этом случае регулятор превращается в пропорциональный. В комбинированных регуляторах неравномерность по уровню внешне не наблюдается.

На рис. 1-9,а показана схема автоматического регулирования уровня в барабане котла большой производительности и высокого давления, обычно применяемая в настоящее время. Регулятор выполняется с помощью стандартной электронной аппаратуры системы ВТИ.

Измерительный блок регулятора ИБ получает сигналы от датчика Д₁, измеряющего положение уровня в барабане котла, паромера Д₂ и водомера Д₃. На котлах, имеющих два паропровода, измерение суммарного расхода пара заменяют измерением расхода по одной из ниток. Возможность такого способа измерения обусловлена тем, что перекосы расхода пара по параллельным паропроводам незначительны и не меняются во времени.

При работе регулятора сигналы от датчика алгебраически складываются в измерительном блоке ИБ регулятора и сравниваются с сигналом от задатчика 3, с помощью которого устанавливается нормальное положение уровня по водоуказательному прибору. Сигнал ошибки регулирования подается в электронный блок ЭБ, на выходе которого вырабатывается командный сигнал, поступающий через переключатель П к исполнительному механизму ИМ регулирующего клапана. Исполнительный механизм снабжен датчиком, с помощью .которого пере дается сигнал по положению клапана, на указатель УП.

Соотношение между уровнем и расходом воды (т. е. неравномерность регулирования) выбирается на основании условий оптимального протекания процесса регулирования уровня в соответствии с динамическими характеристиками объекта. Величина этой неравномерности может быть подсчитана по формуле (3-6,а): .

Неравномерность регулирования и воздействие сигнала по расходу пара настраиваются при помощи потенциометров чувствительности измерительного блока. Положение потенциометров чувствительности по уровню и расходу воды выбирается таким образом, чтобы при существующей крутизне характеристик соответствующих датчиков выдерживалась необходимая степень неравномерности.

Удовлетворительное качество регулирования уровня котлов с давлением 140 ат обеспечивается при степени неравномерности регуляторов питания 0,5 мм вод.ст/т/ч. Это значит, что сигнал на выходе измерительного блока регулятора при изменении расхода воды, например, на 100 т/ч должен быть равен сигналу при изменении уровня на 50 мм. Эта величина рекомендуется на основании анализа кривых разгона по уровню для котлов с давлением 140 ат.

Положение потенциометра чувствительности по расходу пара измерительного блока выбирается таким образом, чтобы изменения расходов пара и воды на одинаковую величину вызывали одинаковые, но направленные противоположно изменения сигнала от соответствующих датчиков на выходе измерительного блока во всем диапазоне действия регулятора (рис. 1-9,б). При этом положение потенциометра чувствительности по расходу воды должно соответствовать выбранному при установке неравномерности регулирования. При такой настройке появление возмущения по паровой нагрузке котла приводит к перестановке клапана в новое положение без участия сигнала по уровню. Таким образом, регулятор поддерживает уровень в установившемся положении постоянным, независимо от нагрузки котла.

Параметры динамической настройки регулирующего прибора (положение потенциометра скорости связи и величина сопротивления времени изодрома) выбирают, исходя из условий оптимального протекания переходного процесса изменения расхода воды при отключенных воздействиях по уровню и расходу пара. При этом положение потенциометра чувствительности по расходу воды должно соответствовать значению, выбранному при настройке неравномерности регулирования.

На щите управления котла установлены: задатчик, переключатель, ключ дистанционного управления и указатель положения, с помощью которых дежурный оператор может наблюдать за работой регулятора и в случае необходимости заменить ее ручным управлением с помощью устройства дистанционного перемещения регулирующего клапана. Для наблюдения за уровнем в барабане на посту управления котлом устанавливаются показывающие и самопишущие сниженные указатели уровня. Для облегчения работы дежурного персонала применяют сигнализацию отклонения уровня до верхнего или нижнего предельно допустимых положений. Мощные современные котлы снабжаются также устройствами автоматической защиты при повышении или понижении уровня до аварийных значений.

1-5. РЕГУЛИРУЮЩИЕ КЛАПАНЫ

Для регулирования подачи воды в котел распространение получили клапаны золотникового типа. В последнее время они вытесняются более плотными клапанами шиберного типа. Расход воды через клапан зависит от подъема золотника или шибера с отверстиями для прохода воды относительно неподвижных направляющих колец. Клапаны золотникового типа не имеют притертых опорных поверхностей, поэтому не могут служить запорными органами. В закрытом положении клапаны обычно пропускают некоторое количество воды. С износом золотника пропуск увеличивается и может достигнуть недопустимой величины. Нередки случаи, особенно на котлах повышенного давления, когда пропуск воды достигает 50—60% нормального расхода и вполне исправный в остальном регулятор становится неработоспособным. Большой пропуск воды особенно опасен при авариях, так как при сбросе нагрузки он может привести к перепитке котла.

Рис. 1-10. Регулирующий клапан золотникового типа для котлов среднего давления.

Применение клапанов, имеющих притертые опорные поверхности, затрудняется тем, что большая часть регуляторов, работающих на наших электростанциях, имеют электрические исполнительные механизмы (типа КДУ) с концевыми выключателями, действующими при достижении предельного положения. При таком устройстве просадка клапана на упор вызывает поломку привода или редуктора исполнительного механизма. Плотные клапаны с успехом применяются у регуляторов с гидравлическими или пневматическими исполнительными механизмами¹.

¹ Применение регулирующих клапанов с притертыми рабочими поверхностями возможно с электрическими исполнительными механизмами типа МЭО, позволяющими работать «на упор», без применения концевых включателей.

На рис. 1-10 изображена конструкция клапана золотникового типа, наиболее часто применявшегося на котлах с давлением 30 от. Золотник с отверстиями для прохода воды перемещается относительно направляющих колец 2 и 3. По мере подъема золотника расход воды увеличивается. Направляющие кольца ввернуты в гнезда корпуса клапана на резьбе. Золотник шарнирно связан со штоком 4, подвешенным на конце кривошипа 5. Головка кривошипа имеет квадратное

Рис. 1-11. Золотники клапанов регуляторов уровня котлов среднего давления.

а — однорядный; б — двутрядный.

отверстие для насадки на ось 6, выведенную через два сальника наружу обоими концами. На одном из концов оси насажен наружный рычаг 7 с грузом 8. Пробка 9 служит для дренажа при разборке клапана.

Применяются две конструкции золотников регулирующих клапанов: однорядная (рис. 1-11,а) и двухрядная (рис. 1-11,б). Однорядный золотник имеет внутри сквозное отверстие. В нижней его части выполнены четыре окна для прохода воды, поступающей из пространства между направляющими кольцами внутрь золотника. Внутренняя полость двухрядного золотника разделена двумя поперечными перегородками: сверху и между рядами окон. Движение воды через золотники показано на рисунке стрелками. Двухрядные золотники обычно имеют восемь окон. При тех же размерах они пропускают примерно в 2 раза больше воды, чем однорядные.

Конструкция золотникового клапана высокого давления показана на рис. 1-12. Двухрядный золотник 1 движется в направляющих кольцах 2. Золотник прикреплен к штоку 3, который имеет в нижней части гнездо для кривошипа 4, неподвижно насаженного на ось 5, выведенную наружу через сальники или резиновые уплотнения 6.

Рис. 1-12. Золотниковый клапан регулятора уровня для котла высокого давления.

О пыт показал, что под влиянием большого перепада давления воды, с которым обычно приходится работать клапанам на котлах высокого давления, резьбовое соединение между кольцами и корпусом быстро разрушается и пропуск через закрытый клапан недопустимо возрастает, поэтому резьбовое соединение было заменено сварным. Переход на сварное соединение облегчил заподу изготовление клапанов, но сильно затруднил ремонт их во время эксплуатации. Для смены направляющих колец после износа нужно вырезать корпус клапана из трубопровода, куда он вварен без фланцев, и отправить на станок для выточки колец. Осуществление такой операции возможно только в хорошо оборудованной мастерской.

Клапан, показанный на рис. 1-12, имеет резиновые уплотнения 6 в месте вывода валика кривошипа наружу. Это уплотнение может работать при температуре не выше 200—210° С. Чтобы обеспечить это, нижняя часть клапана удлинена. Над уплотнением образуется столб охлажденной воды, предохраняющей резину от нагревания.

Недостатки регулирующих клапанов золотникового типа с поступательно движущимся золотником заставили пойти на переделку их конструкции. На многих электростанциях такая переделка была выполнена собственными силами. Наибольшее распространение при этом получили клапаны поворотного типа с золотником, поворачивающимся на угол 90° з неподвижной втулке. В золотнике 1 и втулке 2 (рис. 1-13,а) имеются окна, живое сечение которых меняется при повороте вала, выведенного через сальники наружу. На рис. 1-13 представлена конструкция клапана с односторонним выводом штока 3 через сальник. При таком устройстве вдоль штока действует усилие, появляющееся за счет

Рис. 1-13. Регулирующий клапан поворотного типа с односторонним выводом штока (а) и клапан скальчатого типа (б).

неуравновешенности давлений по обе стороны золотника. Это усилие воспринимается шариковым подшипником 4. В другой конструкции шток поворотного золотника выводится через два сальника, имеющихся в обеих крышках клапана. Продольные усилия в этой конструкции уравновешены. Поворотные клапаны даже в исполнении силами станций показали свое преимущество по сравнению с поступательно движущимися.

Первоначально для замены не удовлетворяющих требованиям эксплуатации золотниковых клапанов арматурными заводами была выпущена серия клапанов скальчатого типа (рис. 1-13,6). У этих клапанов расходная, характеристика зависит от формы конусов 1, имеющихся на скалке. Конусы перемещаются относительно направляющих колец 2, приваренных к корпусу. Рези новые уплотнения валика 3 заменены обычными сальниками, что позволило установить крышку 4 с кривошипным механизмом сверху, на корпусе клапана. Скальчатые клапаны оказались лучше золотниковых, но все же не удовлетворяли всем требованиям эксплуатации. Они не могут полностью перекрыть поток воды при закрытии. Ремонт их, а также изменение расходных характеристик в ходе наладки затруднительны. Ввиду этого были разработаны

Рис. 1-14. Клапан шиберного типа для регуляторов уровня котлов высокого давления.

а — с проходным отверстием в шибере;

б — с отверстием в седле, вваренном в корпус.

конструкции шиберных регулирующих клапанов (рис. 1-14), значительно более плотных, чем описанные выше. У клапана рис. 1-14,с окно, определяющей форму расходной характеристики, выполнено в плоском шибере 1, связанном со штоком 2. Перепадом давления регулируемого потока воды этот шибер прижимается к плоскому торцу седла 3, чем достигается необходимая плотность клапана. По мере подъема шибера расход воды через клапан увеличивается. Шток клапана соединен с электрическим исполнительным механизмом 4, обычно применяемым для дистанционного управления запорными регулирующими задвижками. Привод имеет устройство для ручного управления на месте установки с помощью штурвала 5 и дистанционного управления ключом, установленным на щите обслуживания котлоагрегата.

На рис. 1-14,б показана более поздняя заводская конструкция шиберного клапана, в варианте с рычажным приводом от исполнительного механизма типа колонки дистанционного управления или типа МЭО. Профилирующее отверстие у этого клапана выполнено не в шибере 1, а в неподвижном направляющем седле 2. Корпус клапана в этом варианте имеет более простую форму, так как шибер не имеет нижней части с вырезанным отверстием. Верхняя крышка с фланцевым разъемом заменена крышкой 3 с сальниковым уплотнением. Это упрощает изготовление клапанов, однако затрудняет ремонт и наладку арматуры в станционных условиях. Так, для изменения расходной характеристики клапана в соответствии с индивидуальными особенностями объекта автоматизации необходимо установить новое седло, выточив приваренное на заводе старое седло.

1-6. РАСЧЕТ ПРОХОДНОГО СЕЧЕНИЯ ОКОН КЛАПАНОВ

Проходное сечение окон золотника или шибера клапана рассчитывается с помощью уравнения Бернулли, определяющего законы движения жидкости по какому-нибудь тракту. Для идеального случая (при отсутствии сил трения) уравнение Бернулли имеет вид:

(1-І)

где ΔР — разность давлений по обе стороны клапана, кГ/см²; γ_в — удельный вес воды, протекающей через клапан, кГ/м³; g=9,81 м/сек² — ускорение силы, тяжести; w — скорость воды в расчетном сечении, м/сек.

Скорость воды может быть определена, если известны ее расход и площадь сечения струи:

где q — количество воды, проходящей через клапан, кг/сек; f— площадь сечения окон золотника, м² .

Из этого уравнения

.

Подставляя это выражение в уравнение (1-1), получаем:

,

откуда

Величины, входящие в это уравнение, имеют размерности, неудобные для практической работы, поэтому его следует привести к более простому виду.

Выражая расход воды в тоннах за час, найдем:

, т/ч,

где 3600 — число сек. в 1 ч; 1000 —число кГ в 1 т.

Выражая перепад давления на клапане в кГ/см², получим:

где 10000 — число см² в 1 м². Удельный вес воды, выраженный в т/м³ или кГ/л,

,

где 1000 — число кГ в 1 т.

Площадь, выраженная в мм²

, мм²,

где 1000000 — число мм² в 1 м².

Таким образом,

или мм²

При выводе этого уравнения были приняты идеальные условия движения воды. В действительности расход воды будет несколько меньше за счет понижения скорости от трения и сужения струи при выходе из отверстия. Это учитывается вводом коэффициента расхода μ в знаменатель правой части полученного уравнения. Величина этого коэффициента определяется опытным путем.

Действительная площадь окон золотника или шибера клапана

, мм² (1-2)

Для большинства практических расчетов золотниковых клапанов коэффициент μ может быть принят постоянным и равным 0,60—0,65, а для клапанов шиберного типа μ=0,75÷0,8. Пользуясь выведенным уравнением, можно построить расходную характеристику клапана, т. е. график зависимости между ходом золотника или шибера и расходом воды. Можно решить также обратную задачу: имея расходную характеристику, построить форму окон золотника или шибера клапана. Так как площадь проходного сечения окон согласно уравнению (1-2) зависит от перепада давления на клапане, то каждому перепаду давления будет соответствовать своя линия расходной характеристики.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОРАБОТКИ

1. Какие силы вызывают циркуляцию пароводяной смеси в кипятильном контуре барабанного котла? Полезно или вредно явление циркуляции?

2. Почему регулятор, устойчиво работавший при нормальном давлении питательной воды перед регулирующим клапаном, может перейти на неустойчивую работу при повышении ее давления?

3. Какие мероприятии понадобилось выполнить при ликвидации постов водосмотров у водомерных стекол?

4. По каким принципиальным схемам выполняются автоматические регуляторы уровня барабанных паровых котлов?

5. Изменится ли уровень в барабане, поддерживаемый комбинированным регулятором с жесткой обратной связью по расходу питательной воды в случае увеличения непрерывной продувки барабана?

6. В чем состоит преимущество шиберного регулирующего клапана по сравнению с золотниковым?

7. Какова зависимость между расходом поды через клапан и перепадом давления на клапане?

8. Объяснить схему работы термостатного регулятора уровня, электронного авторегулятора.

ГЛАВА ВТОРАЯ