Автоматичне регулювання парових котлів

ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ ІНСТИТУТ

КАФЕДРА ЕКСПЛУАТАЦІЇ СУДНОВИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ

Курсова робота

з дисципліни"Автоматизовані системи управління судновими енергетичними установками "

ТЕМА:Вибір параметрів настроювання регулятора рівня води в котлі, дослідження статичних і динамічних характеристик АСР, вивчення конструкції та правил експлуатації регулятора

Керівник курсового проекту: Свірідов В.І.

«__»________2012

Виконав проект: Трибушний С.В.

«__»________2012

Херсон 2012

ВСТУП

Суднові парові котельні установки виробляють пара, необхідний для роботи головних машин, а також і для інших допоміжних цілей на суднах з паровими поршневими або паротурбінними силовими установками. Залежно від споживачів парі суднові котли поділяють на головні, забезпечити головні машини парою, і допоміжні, що живлять допоміжні механізми й подають пара для інших потреб.

Головні суднові парові котли повинні мати високий ступінь надійності в роботі, витримуючи швидка зміна режиму роботи, а для забезпечення форсованого ходу судна тимчасово збільшувати паропроізводітелиюсть понад нормальний кількості.

На суднах як головних парових котлів застосовують у більшості випадків водотрубні котли. Поверхня нагріву водотрубних котлів складають сурми, заповнені водою й омивані зовні гарячими газами, які отримуються в результаті горіння палива. На відміну від труб водотрубних котлів сурми огнетрубних котлів, навпаки, омиваються гарячими газами зсередини, а зовні знаходиться вода, що підлягає випаровуванню. На суднах знаходять застосування також і комбіновані котли, за своєю конструкцією близькі до огнетрубним, алі мають елементи й водотрубних котлів. Котли бувають з природною й примусовою циркуляцією води. Прямоточними котлами називаються такі, у яких при примусової циркуляції води вона за один раз проходження по трубках повністю перетворюється на парі. Застосовуються на морських суднах як головних парових котлів водотрубні котли з природною циркуляцією барабанного типу мають високу питому паропродуктивність, що досягає 80 кг / м² на час і при тиску 100-120 атм. К. К.Д. цих котлів сягає 93%.

Такі котли мають великий надійністю в експлуатації. Мала кількість знаходиться в них води дозволяє швидко вводити їх у дію, а підтримання постійного тиску парі під година експлуатації потребує обов'язкового автоматичного регулювання.

Аварії парових котлів відбуваються в основному внаслідок упуска води, порушення водного режиму, неякісного ремонту, лужної корозії металу, вибухів газів у топленнях і газоходах казанів. Аварії, викликані упуском води, відбуваються як у випадках несправності водовказівних арматур, так і через несумлінність або недостатню навченість обслуговуючого персоналу.Найбільша кількість аварій відбулася на котлах, не оснащених сигналізаторами рівня води й автоматичним відключенням газу при упуске води.

Рисунок 1-(поперечний розріз котла типу КВГ)

Питомий теплосприйняття парообразующих труб, розташованих у топці (радіаційних ПН), в 10 - 15 разів вище, ніж у труб, розташованих у газоході (конвективних ПН). Зі збільшенням частки радіаційних парообразующих поверхонь габарити казана зменшуються. З підвищенням параметрів парі знижується температурний напір між гріючою агентом і робочим тілом у конвективних ПН Ці закономірності теплообміну зумовили особливості конструкції суднових головних котлів високого тиску, поперечний розріз якого подань на мал. 2

У головних котлах цього типу всі парообразующих ПН розташовані в топці [1, 3, 4, 7]. Верхнє розташування топкових пристроїв збільшує година перебування частинки палива в топці й сприяє більш повному її вигоряння, що дозволяє знизити коефіцієнт надлишку повітря до 1,03 - 1,05.

Стіни топлення котла закриті трубами бічного, середнього й фронтових екранів. Котел має три самостійних контури циркуляції. Перший контур утворений трубами бічного і середнього екранів, розвальцьовані в паровому і водяному колекторах, а також опускними трубами, рёозташованими за боковим, екраном. Другий і третій контури циркуляції складаються з труб фронтових екранів 3, закріплених у нижніх і верхніх екранних колекторах. Вода в нижні колектори фронтових екранів надходити з парового колектора по опускним трубах. Пароводяна суміш з верхніх колекторів фронтових екранів направляється в паровій колектор по спеціальним пропускних трубах. У верхній частині топлення сурми бічного екрану розведені, і в місцях розводки розташовуються чотири форсункових пристрої 2 з паро-механічними форсунками.

Сурми середнього екрану в нижній частині розведені і утворюють фестони 4, через який продукти згорання з топлення надходять у конвективну шахту. Отут гарячі гази омивають першу 5 і другові 6 секції основного ПП, три секції проміжного пароперегрівача 7 і дві секції економайзера 8. Потім гази послідовно проходять всередині труб трьох секцій повітропідігрівника 1 і віддаляються в атмосферу. Для підігріву повітря при низьких навантаженнях котла перед основним ВП розташовується попередньо включень повітропідігрівник 9, через ребристі трубки якого як гріє агента проходити живильна вода. Між секціями конвективних ПН розташовуються сажеобдувні пристрої.

Автоматичне регулювання парових котлів

Для створення автоматизованої системи керування процесами виробітку пари й гарячої води, реалізованими паровими й водогрійними котлами, у першу чергу необхідно визначити мету створення системи і її призначення, а також провести обстеження казана і його технологічного встаткування як об'єкта майбутньої автоматизації. У процесі обстеження треба скласти перелік технологічного встаткування, указати на його справність, визначити режими роботи й експлуатаційні характеристики: енергоспоживання, вид палива, продуктивність і ін., а також контрольовані й керовані параметри, перелік критичних і небезпечних значень параметрів процесу. Функціонально казан і його встаткування можна розділити на кілька частин (рисунок 1):

- система подачі палива;

- система подачі повітря;

- горелочные пристрою;

- топлення;

- система подачі води;

- барабан котла.

Рисунок 1 - Функціональна схема котла

Котел має наступні режими функціонування:

- розжиг;

- основний режим;

- останов.

Аналіз режимів роботи показав, що найбільш складним з погляду керування є основний режим з динамічно, що змінюються навантаженнями, і справність казана багато в чому залежить від рівня тиску пари й кількості води в барабані казана. Розглянемо механізм ситуацій, у яких перевищення цими параметрами граничних значень приводять до несправностей казана. При нормальному плині процесу рівень води в барабані казана врівноважений тиском підживлення казана водою й тиском пари. При цьому він перебуває вище зрізу екранних труб, стінки яких прохолоджуються циркулюючої в них водою. Внаслідок створення надмірно високого тиску в барабані котла рівень води може знизитися нижче припустимої межі, при якому не забезпечується циркуляція води.

У результаті порушення циркуляції води в екранних трубах відбуваються надмірне підвищення температури й перевитрата їхніх стінок. Зниження тиску пари також може привести до виводу з ладу агрегату. У результаті різкого зниження тиску можливий заброс води в пароперегрівник, що викличе вихід його з ладу. У зв'язку із цим до точності підтримки заданих значень тиску пари й рівня води в барабані пред'являються високі вимоги. Регулювання тиску в барабані казана й живлення котельних агрегатів головним чином зводиться до підтримки матеріального балансу між відводом пари й подачею води. Справність котельного агрегату багато в чому визначається якістю регулювання рівня води. Параметром, що характеризує баланс, є рівень води в барабані котла. Барабанам котла із природною циркуляцією властива значна здатність, що акумулює, що проявляється в перехідних режимах. Якщо в статичному режимі положення рівня води в барабані котла визначається станом матеріального балансу, то в динаміку на положення рівня впливає велика кількість збурювань.

Основними з них є зміни:

- подачі води в котел;

- паросъема котла при зміні навантаження споживача;

- паропродуктивності при зміні навантаження топлення;

- температури води, що подається в котел.

Крім того, часті й різкі зміни подачі води в котел можуть викликати значні температурні напруги в металі економайзера, і якість підтримки рівня також визначається рівномірністю подачі води. Для підтримки рівня води в котлі як виконавчі пристрої також можуть використовуватися клапани, які будуть перекривати подачу води в котел при наповненні котла до оцінки максимального рівня й відповідно дозволяти подачу води при зниженні рівня.

Функціональна схема регулятора рівня води наведена на рисунку 2.

Рисунок 2 - Функціональна схема регулювання рівня води в барабані.

1.3 Математичний опис (рівняння динаміки)

Положення рівня води в барабані є найважливішим параметром, що визначає надійність роботи парового котла.

Особливість динаміки котла визначається тим, що під дзеркалом випару в ньому акумульована двухфазовая середовище - пароводяна суміш. Частка пари в цьому обсязі залежить від інтенсивності теплопередачі через стінки трубок, тобто від конструкції котла і його навантаження. При збільшенні навантаження САР топливосжигания збільшує кількість палива, що спалюється, у результаті чого кількість пари в трубній системі казана зростає. Якщо навантаження наростає досить швидко, утворення додаткових обсягів пари в цій системі випереджає зменшення її водосодержания, і рівень води, спостережуваний по водомірному склу барабана, протягом деякого часу підвищується. При різких зменшеннях навантаження котла по парі рівень води в його барабані в такий же спосіб знижується. Це явище видимої зміни рівня води в барабані на початку перехідного процесу убік, зворотну знаку зміни матеріального балансу, зветься набрякання рівня. Його математичний опис у найпростішому випадку може бути зроблене за допомогою двох рівнянь динаміки:

- рівняння матеріального балансу обсягу води під дзеркалом випару

(1)

- рівняння, що характеризує зміну паровмісту цього обсягу при зміні навантаження,

(2),

де:

T₁ — постійна часу обсягу під дзеркалом випару як акумулятора води;

, — відносні зміни рівня води у водомірному склі барабана, викликані відповідно змінами матеріального балансу й інтенсивності паротворення під дзеркалом випару (віднесені до висоти водомірного скла);

μ_в; λ - відносні зміни подачі живильної води й зовнішнього навантаження;

Т₂ — постійна часу, що характеризує швидкість паротворення при змінах навантаження;

K_y2 — коефіцієнт підсилення, що зв'язує зміни навантаження з паротворенням.

Загальна зміна рівня у верхньому барабані котла

= + (3)

Якщо вирішити систему рівнянь (1) і (2) для випадку одиничної зміни парового навантаження, незмінної подачі живильної води й нульових початкових умов:

При t=0

(4)

Одержимо вираження для змін у часі величин і , алгебраїчна сума ординат яких по рівнянню (3) дозволить установити картину зміни рівня води в барабані із чітко вираженим явищем набрякання, що представлена на рисунку 3.

Рисунок 3 - Зміни рівня води в барабані казана, викликані одиничним збурюванням по витраті пари

Особливості котельних агрегатів як об'єктів регулювання.

Котельні агрегати є складними об'єктами автоматичного регулювання з великим числом регульованих параметрів і регулюючих впливів. Котли мають значної акумулюючої здатністю теплової енергії у воді, парі та металі пароводяного тракту. Нарешті, котельні агрегати характеризуються значними швидкостями протікання процесів у пароводяному тракті. Так, зниження рівня води в барабані казана на 100 мм при повній паропродуктивності котельного агрегату з припиненням подачі живильної води відбувається за 20 с. Показниками течії теплових процесів на котельному агрегаті є регульовані параметри. У їх числі зовнішні: витрата парі, тиск парі при виході з казана, температура перегріву парі й внутрішні: рівень води в барабані котельного агрегату, коефіцієнт надлишку повітря, розрідження в топці й ін Характер перебігу процесів у котельному агрегаті визначається видом і величиною впливів: зовнішніх - з боку споживача, внутрішніх - зміна складу і якості палива, надлишку повітря, що подається в топлення казана, розрідження в топці, зміна витрати живильної води.