Лабораторна робота № 3. ДОСЛІДЖЕННЯ САР ТИСКУ Й РІВНЯ ВОДИ В БАРАБАНІ КОТЛА

Мета роботи: 1) вивчення системи автоматичного регулювання тиску пари; 2) вивчення роботи трьохімпульсного регулятора рівня з додатковим імпульсом по швидкості зміни тиску пари; 3) дослідження впливу імпульсу по швидкості зміни тиску пари на динаміку регулювання рівня.

1.Опис роботи системи. Для регулювання тиску пари звичайно застосовують регулятор із жорстким (силовим) зворотним зв'язком. Принципова схема типового для суден вітчизняного виробництва гідравлічного регулятора тиску пари зображена на рис. 3.1. Регулятор вимірює тиск у магістралі свіжої пари за допомогою сильфона 5. Зусилля від сильфона врівноважується натягом пружини 3, що задає, і пружини 6 зворотного зв'язку. У випадку порушення рівноваги відхиляється регулююча заслінка струминного підсилювача 4, через що збільшується тиск в одній з порожнин сервомотора 11. Поршень сервомотора, переміщуючись, приводить через кривошипно-шатунний механізм і зубчасту передачу в обертання вал 9, що пов'язаний з регулювальними органами подачі палива 8. Вода витісняється з порожнини сервомотора через підсилювальне реле 4. На валу 9 розміщається лекало 7 зворотного зв'язку, що впливає на пружину 6 зворотного зв'язку через штовхач із роликом.

Рис. 3.1. Принципова схема системи автоматичного регулювання тиску й рівня з додатковим імпульсом по швидкості зміни тиску в котлі:

1 – сильфон; 2 – дросельний кран; 3 – пружина, що задає; 4 – підсилювальне реле; 5 – сильфон; 6 – пружина зворотного зв'язку; 7 – лекало зворотного зв'язку; 8 – регулювальний орган подачі палива; 9 – вал; 10 – дросельний кран; 11 – сервомотор; 12 – кран; 13 – вимірник; 14 – валик; 15 – сильфон; 16 – ємність;

17 – підсилювач; 18 – дросельний кран; 19 – клапан; 20 – сервомотор; 21 – вимірювальний пристрій

Система має падаючу статичну характеристику регулювання, тобто в місці відбору імпульсу тиск на різних статичних режимах не є постійним, а зменшується з ростом навантаження на котел. Для того, щоб у паровому колекторі котла тиск при зростанні навантаження мало змінювався, місце відбору імпульсу вибирають у паропроводі свіжої пари (наприклад, за стопорним клапаном котла). Тоді тиск у колекторі буде більше тиску в місці відбору імпульсу на величину падіння тиску, обумовленого гідравлічними опорами на ділянці паропроводу від колектора до місця відбору імпульсу.

З ростом навантаження котла по парі зменшується тиск у місці відбору імпульсу через властиву системі нерівномірність регулювання, але одночасно збільшується перепад тиску між колектором та місцем відбору імпульсу внаслідок зростання гідравлічних опорів при збільшенні витрати пари і його швидкостей, так що тиск у колекторі виявляється майже постійним. При цьому тиск у котлі на середніх навантаженнях підтримується трохи меншим, ніж на малому й повному навантаженнях, через те, що падіння тиску в паропроводі є квадратичною функцією витрати пари, а статична характеристика регулювання лінійна або майже лінійна, тому що величина статичної помилки регулювання приймається рівною максимальному значенню зазначеного падіння тиску й становить звичайно 10-15 % від номінального тиску.

Регулятор рівня води в барабані котла реагує на чотири імпульси: зміну рівня (нижня мембрана вимірника 21), витрату пари (верхня мембрана), зміну витрати живильної води (вимірник 13), на швидкість зміни тиску пари (сильфони 1, 15, дросельний кран 2 і ємність 16). Усі ці імпульси підсумовуються у вимірювальному органі й наступній ланці регулятора - підсилювачі 17 – де діє сумарний імпульс.

Дія додаткових імпульсів по витраті пари й води на регулятор рівня принципово різна. Якщо імпульс по витраті пари є зовнішнім для регулятора і вводиться в нього для корегування статичної характеристики регулювання рівня при наявності жорсткого зворотного зв'язку, то імпульс по витраті води - внутрішній робить стабілізуючу дію на контур, аналогічний дії жорсткого зворотного зв'язку, оскільки витрата води й переміщення регулюючого живильного клапана пов'язані з його витратною характеристикою.

Перевага регулятора з імпульсом по витраті води перед регулятором із жорстким зворотним зв'язком полягає в тім, що в першому статична характеристика контуру регулювання рівня не залежить від витратної характеристики регулюючого живильного клапана і стабільна в тривалих умовах експлуатації. Конструкція регулятора з імпульсом по витраті води складніша, ніж регулятора із жорстким зворотним зв'язком механічного (силового) типу.

Тому реалізація жорсткого зворотного зв'язку введенням у регулятор імпульсу по витраті води доцільна у двох випадках. По - перше, коли за умовами розміщення вимірювальний і підсилювальний органи доводиться встановлювати на такій відстані від виконавчого механізму, що застосування жорсткого зворотного зв'язку (кінематичного або силового типу) конструктивно неможливо. По-друге, коли витратна характеристика регулюючого живильного клапана в умовах експлуатації установки може значно мінятися й змінювати вид статичної характеристики контуру регулювання, стабілізованого жорстким зворотним зв'язком по положенню поршня сервомотора. Нестабільність цієї характеристики може бути наслідком нестабільності характеристики напірного живильного трубопроводу й, отже, перепаду тиску на регулюючому живильному клапані, або площі його прохідного перетину.

Динамічний кидок рівня, обумовлений явищем «набрякання», проявляється досить помітно при одно-, дво- і трьохімпульсних регуляторах. При одноімпульсному регулюванні зменшення надходження живильної води в котел виконується лише в міру того, як збільшується рівень, а при дво- і трьохімпульсних регуляторах подача води навіть збільшується при набряклому рівні завдяки впливу імпульсу по витраті пари.

При різкому збільшенні витрати пари (навантаження на котел) у перший момент відбувається падіння тиску в барабані котла. Вода в ньому виявляється пересиченою і відбувається її об'ємне скипання. Збільшення кількості пари під дзеркалом випару приводить до "набрякання" рівня. Регулятор тиску включається в роботу і збільшує подачу палива та повітря в топку котла. Тиск починає відновлюватися, що приводить до зменшення об’єму пари під дзеркалом випару й до падіння рівня. Імпульс по швидкості зміни тиску пари в котлі, відмінний від нуля тільки протягом перехідного процесу зміни тиску пари й дорівнює нулю в статиці, може істотно зменшити прояв набрякання. Вимірник швидкості зміни тиску представлений у вигляді двох однакових, але зустрічно включених сильфонів 1 й 15. Завдяки дроселю 2 і об’єму 16 рівновага валика 14 буде порушуватися під час зміни тиску пари, тому що в статиці тиск у сильфонах буде однаковим. Дросель повинен бути встановлений таким чином, щоб зменшення тиску пари приводило до додаткового закриття клапана 19 і навпаки.

Функціональна схема, що складена відповідно до рис.3.1, приведена на рис.3.2, де РТ і РР – регулятори, відповідно, тиску і рівня; КТ і КР – котел як об’єкт регулювання тиску і рівня.

Рис.3.2. Функціональна схема САР тиску і рівня з додатковим імпульсом по швидкості зміни тиску в котлі

2. Рівняння динаміки окремих елементів системи.Рівняння динаміки, записані у відносних відхиленнях від базового сталого режиму, мають вигляд:

– рівняння динаміки котла, як об’єкта регулювання тиску:

, (3.1)

де – відносна зміна тиску; – відносна зміна витрати пари з котла (навантаження); – відносна зміна витрати палива; індексом "н" позначені величини на номінальному режимі;

– рівняння регулятора тиску пари в котлі:

; (3.2)

– рівняння динаміки котла, як об’єкта регулювання рівня:

,(3.3)

де - відносна зміна рівня; - відносне переміщення штока живильного клапана;

– рівняння регулятора рівня

, (3.4)

де ; – відносна зміна витрати живильної води; індексом "с" позначені величини що стосуються сервоприводу.

Приймемо, що характеристика живильного клапана лінійна і спеціальний регулятор перепаду підтримує на ньому постійний перепад, тоді в рівнянні (3.4) можна прийняти і воно прийме вигляд:

. (3.5)

Отже, динаміка котла й регуляторів буде представлена системою рівнянь (3.1-3.3) і (3.5).

Запишемо (3.1) у вигляді:

; , (3.6)

де .

При такому записі є можливість отримати похідну на виході одного із блоків схеми моделювання, що буде реалізована на ПК і використати цю похідну в рівняннях (3.3) і (3.5).

Запишемо рівняння (3.3) і (3.5) в вигляді, що відповідає елементарним ланкам:

; (3.7)

, (3.8)

де ; ; ; ; .

Згідно рівнянь (3.2), (3.6) – (3.8) і функціональній схемі (рис.3.2) складемо структурні схеми САР, що має бути реалізована на ПК, в загальному вигляді. Значення і встановлюються дросельними кранами 10 та 18 відповідно.

Рис.3.3. Структурна схема САР тиску і рівня з додатковим імпульсом по швидкості зміни тиску в котлі в загальному вигляді

Чисельні значення коефіцієнтів наведені в табл.3.1.