Лабораторна робота №5. ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ СПАЛЮВАННЯ палива СУДНОВИХ КОТЛІВ

Мета роботи: 1) вивчення системи автоматичного регулювання спалення палива суднових котлів; 2) дослідження впливу параметрів налагодження регулятора на показники якості САР.

1. Опис роботи системи. Принципова схема системи наведена на рис. 5.1. Подібними системами регулювання обладнанні котли танкерів типу «Софія» і танкер «Перемога». Особливістю системи є жорсткий механічний зв'язок між органами, що задають подачу палива, лекалами (кулачками) - задатчиками 23 й 42 регуляторів тиску палива 19 і витрати повітря 43 відповідно. Цей зв'язок обумовлений розміщенням всіх пристосувань, що задають, регуляторів обох котлів на обумовлений розміщенням всіх пристосувань, що задають, регуляторів обох котлів на одному валу 24, що повертається пропорційно зміні тиску пари. На рис. 5.1 показано частину вала з регуляторами, що керують роботою одного з котлів.

Головний регулятор 10 вимірює тиск пари в головному паропроводі за допомогою сильфона 11. На важелі регулятора, до якого прикріплена регулююча заслінка водяного підсилювального реле 16, зрівнюється зусилля від тиску пари на сильфон, від натягу пружини 15, що задає, й пружини зворотного зв'язку 12, на яку впливає кулачок 13.

Порушення рівноваги сил на важелі призводить до зсуву заслінки підсилювального реле 16, що з'єднане з виконавчим сервомотором 18, який повертає вал керування за допомогою зубчатого сектора й шестерні 14. При обертанні вала кулачок зворотного зв'язку 13 змінює натяг пружини, відновлюючи рівновагу на важелі регулятора 10. Тому кожній зміні тиску пари відповідає заздалегідь певний кут повороту вала 24.

На валу укріплено кулачок 42 регулятора 43, що задає витрату повітря. Головним зворотним зв'язком є перепад тиску в топці котла, що вимірюється диференційною мембраною 44 датчика 45 цього регулятора.

Регулятори витрати повітря керують сервомоторами 1 повітререгулюючих заслінок, що розташовані на усмоктуванні котлових вентиляторів 2. Шток сервомотора із заслінками з'єднаний через роз'єднувальну гідравлічну муфту, за допомогою якої він може бути відокремлений від заслінок для полегшення ручного керування (на малюнку муфта не показана).

Рис.5.1 Принципова схема системи автоматичного регулювання паливоспалювання суднових котлів:

1 – сервомотор; 2 – вентилятор; 3 – форсунки; 4 – регулятор тиску пари для розпилювання палива; 5 – вимірювач тиску пари; 6 – пружина, що задає тиск пари; 7 – струминний підсилювач; 8 – виконавчий механізм (сервомотор); 9 – регулюючий орган (дросельний кран); 10 – регулятор тиску пари на виході котла (головний регулятор); 11 – вимірювач тиску; 12 – пружина зворотного зв’язку, 13 – кулачок; 14 – шестерня; 15 – пружина, що задає тиск пари; 16 – струминний підсилювач; 17 – дросельний клапан; 18 – виконавчий сервомеханізм; 19 – регулятор тиску палива; 20 – вимірювач тиску палива; 21 – пружина зворотного зв’язку; 22 – пружина, що задає тиск палива; 23 – кулачок; 24 – вал; 25 – пристрій ізодрому; 26 – струминний підсилювач; 27 – сервомеханізм; 28 – регулюючий орган (дросельний клапан для зливу палива); 29 – підігрівач палива; 30 – вимірювач температури (датчик температури - термобалон); 31 – пружина, що задає температуру палива; 32 – струминний підсилювач; 33 – регулюючий орган ; 34 – сервомеханізм; 35 – капіляр; 36 – регулятор температури палива; 37 – сильфон в пристрої вимірювання температури палива; 38 – пружина зворотного зв’язку; 39 – лекало; 40 – струминний підсилювач; 41 – пружина, що задає витрату повітря; 42 – лекало; 43 – регулятор витрати повітря; 44 – мембрана; 45 – датчик для вимірювання витрати повітря

Тиск палива перед форсунками 3 встановлюється регулятором 19, що керує через ізодром 25 сервомотором 27 зливного клапана 28. Програма зміни тиску палива перед форсунками залежно від навантаження котла визначається профілем кулачка 23, який змінює натяг пружини, що задає 22 регулятора тиску 19. Головним зворотним зв'язком є тиск палива перед форсунками, що вимірюється сильфоном 20 регулятора.

Температура палива регулюється автономним регулятором 36, що керує сервомотором 34 клапана 33 пари, що гріє, підігрівника палива 29.

Таким чином, при повертанні головного вала 24 одночасно змінюється тиск палива перед форсунками 3 і витрата повітря в топці котла. Але, якщо подача палива до форсунок змінюється при цьому практично миттєво, то подача повітря відбувається із запізнюванням, що викликане інерційністю сервомотора 1 і повітряного тракту між вентиляторами і топкою котла. У результаті, при маневрі на збільшення навантаження котла може виникнути тимчасова нестача повітря й задимлення. Щоб зменшити неузгодженість подачі палива й повітря при збільшенні навантаження, між підсилювальним реле головного регулятора 10 і сервомотором 18 включено дросельний клапан 17 з кулькою, що знижує швидкість переміщення сервомотора й вала при обертанні у бік, що відповідає збільшенню паливоподачі. Час переміщення сервомотора 18 при маневрі на зниження навантаження звичайно становить 15 с, а при маневрі на збільшення – 25...30 с.

Тиск пари, що подається до паро-механічних форсунок 3 для покращення розпилу палива, підтримується постійним на всіх навантаженнях котла за допомогою регулятора 4, що керує сервомотором 8 дросельного парового клапана 9.

Система регулювання спалювання палива включає ряд допоміжних і захисних пристроїв, що не показані на малюнку.

На валу пульта керування 24 розміщені кулачки, що роблять переключення швидкостей електроприводів котлових вентиляторів і паливних насосів відповідно до рівня навантаження котлів.

На перемичках трубопроводів робочої води сервомоторів встановленні обхідні крани, що з'єднують між собою обидві порожнини сервомотора у випадку переходу на ручне керування, а також дросельні клапани, призначенні для зміни швидкодії сервомоторів.

Робоча вода(конденсат) до підсилювального реле регулятора подається через фільтри одним із двох електроприводних насосів. Зливальні магістралі води від підсилювальних реле з'єднані із цистерною дистиляту.

1. Математичний опис окремих елементів САР. Функціональні схеми САР паливоспалювання парового котла наведені на рис. 5.2.

Рівняння всіх елементів системи, записані у відносних відхиленнях:

– рівняння вимірювального пристрою та елемента порівняння

,

де α – кут повороту важільної системи; Р – зміна тиску в датчику (сильфоні або мембранному датчику); m – переміщення поршня сервомотора; q – зміна впливу, що задає; k_ν, k_зз, k_зз – постійні коефіцієнти.

Якщо у вимірювальному пристрої немає пружини зворотного зв'язку (системи 5 і 14 на рис.5.1), то k_зз =0;

– рівняння гідравлічного підсилювача

,

де – перепад тиску вода в прийомних соплах гідравлічного підсилювача; – коефіцієнт передачі гідравлічного підсилювача;

– рівняння сервомотора(сервомеханізму, серводвигуна)

,

або,

,

де m – переміщення поршня сервомотора; – коефіцієнт передачі сервомотора; – постійна часу сервомотора;

Рис. 5.2. Функціональна схема САР паливоспалення парового котла:

ВП – вимірювальний пристрій з елементом порівняння; ГП – гідравлічний підсилювач; ДВП – датчик витрати повітря; ДТ – датчик температури (ампула – термобалон); ІЗЗ – ізодромний пристрій зворотного зв’язку; К – котел; ПП – паропровід; ПВ – повітрявід; СМ – сервомотор; ТА – теплообмінний апарат; ТП – трубопровід палива

– рівняння ізодрому

,

де T_і – постійна часу ізодрому; z – переміщення поршня ізодрому приведене до пружини зворотного зв’язку; β – постійний коефіцієнт;

– рівняння датчика температури (системи 36)

,

де – постійна часу датчика температури; – тиск у сильфоні і ампулі манометричного датчика температури; θ – величина зміни температури палива;

– рівняння котла як об'єкта регулювання тиску пари

,

де P – тиск у барабані котла; P_тр – тиск палива перед форсунками; L – навантаження котла (витрата пари); V – витрати повітря на котел; k – постійний коефіцієнт;

– рівняння повітреводу котла

,

де – переміщення поршня сервомотора системи регулювання витрати повітря на котел; – постійна часу; – постійний коефіцієнт;

– рівняння динаміки паливного трубопроводу

,

де – коефіцієнт передачі паливного трубопроводу; – переміщення поршня сервомотора;

– рівняння динаміки теплообмінного апарата системи регулювання температури палива

,

де – температура палива; – переміщення сервомотора, що керує клапаном подачі пари в теплообмінник; – витрата палива через теплообмінник; – температура пари, що подається на вхід теплообмінного апарату;

– рівняння динаміки паропроводу подачі пари до форсунок котла:

,

де – тиск пари в магістралі подачі пари до форсунок котла; – переміщення поршня сервомотора, що змінює витрату пари в магістраль; – тиск пари в магістралі, що живить паропровід.( ).

Структурна схема САР паливоспалювання парового котла приведена на рис. 5.3. На структурній схемі індекси відповідають номеру відповідної системи, що зображена на рисунку.

Схеми набору моделей САР паливоспалювання в Simulink приведена на рис. 5.4. В схемі набору гідравлічні підсилювачі показані. Сервопривод, як один елемент, включає в свій склад гідропідсилювач і серводвигун (сервомеханізм).

Чисельні значення постійних коефіцієнтів наведені в табл.5.1, 5.2.

Рис. 5.3. Структурна схема САР паливоспалення парового котла

Таблиця 5.1

Регульована величина

Тиск пари в барабані

Тиск палива

Витрата повітря

Температура палива

Тиск пари перед форсунками

Варіанти

а

б

в

а

б

в

а

б

в

а

б

в

а

б

в

Коефіцієнти

1,3

1,3

1,3

1,1

1,2

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Таблиця 5.2

Варіанти	Об’єкт регулювання	Ізодром	Датчик температури
котел	ПВ	ТП	ТА	ПП
коефіцієнти
		Т1							β			Та
а		0,22		1,4			0,8			2,5		1,5
б		0,24		1,6			0,7			3,0		1,8
в		0,26		1,8			0,9			3,5		2,0

а

б

в

г

д

Рис. 5.4. Схема набору САР паливоспалення парового котла у Simulink

а – САР тиску пари на виході з барабану котла; б – САР витрати повітря; в – САР тиску палива; г – САР температури палива; д – САР тиску пари перед форсунками