Принципы регулирования давления паравкотлах. Топливные системы паровых котлов

Давление пара, вырабатываемого котлом, находится в прямой зависимости от расхода топлива, подаваемого для сжигания в топку. Чем больше расход топлива, тем более высокое давление пара можно поддерживать в котле при неизменной его паропроизводительности. И наоборот, при поддержании постоянного давления пара за счет изменения расхода топлива можно изменять паропроизводительность котла.

Таким образом, задача регулирования давления пара в котле (или его паропроизводительности) сводится к регулированию расхода топлива, подаваемого в топку котла. Принцип построения систем регулирования давления пара в паровых котлах основан на сравнении заданного значения давления пара с фактическим и изменения количества подаваемого топлива в топку котла в соответствии с расхождением этих значений.

Регулирование расхода топлива в паровых котлах можно производить следующими способами:

Рис. 75. Характер зависимости расхода топлива от числа включенных нерегулируемых форсунок.

1. Изменением числа включенных в работу форсунок при постоянной производительности каждой из них. При этом способе регулирования на котле устанавливаются нерегулируемые топливные форсунки, имеющие постоянную производительность – Q_Ф. Изменение давления пара осуществляется поочередным включением или выключением необходимого числа форсунок. По мере включения форсунок расход топлива изменяется дискретно, на величину производительности включенной (выключенной) форсунки (Рис. 75). Получить плавную зависимость давления пара от нагрузки котла по топливу в этом случае невозможно. Можно только приблизить зависимость к прямой линии, увеличив максимально количество установленных на фронтах котла

форсунок при уменьшении производительности каждой из них. Но с увеличением числа форсунок возникают трудности с их размещением на фронтах котла, усложняется топливная система и система регулирования горения, снижается устойчивость горения факелов, а включение каждой очередной форсунки вызывает вибрацию фронта котла в переходный момент изменения нагрузки, что отрицательно сказывается на долговечности элементов футеровки и трубных систем.

1. Изменением производительности самих форсунок (использование регулируемых форсунок).

Зависимость расхода топлива через форсунку имеет следующий вид:

где: А – геометрическая характеристика форсунки; Н – напор, создаваемый топливным насосом; К – поправочный коэффициент, определяемый опытным путем.

Из выражения для производительности форсунки очевидны следующие способы регулирования расхода топлива:

2.а. Изменением давления топлива (напора топливного насоса). Увеличивая или уменьшая напор топливного насоса, можно регулировать расход топлива через форсунку. В применении к обычным механическим форсункам этот способ дает небольшой диапазон регулирования расходов топлива. Так как значение Н находится под корнем выражения, то для изменения расхода топлива в n раз напор топливного насоса должен быть увеличен в n² раз, что влечет за собой резкое возрастание мощности топливных насосов и повышенный износ распыливающих шайб форсунок. Учитывая, что нижним пределом давления топлива (исходя из условий качественного его распыла через механическую форсунку) является значение в 1,0 МПа, а верхним пределом следует считать 3,5 ÷ 4,0 МПа (исходя из оптимальных массогабаритных характеристик топливного насоса), то при таком способе регулирования максимальное значение расхода топлива от минимального отличается не более чем в два раза. Для современных паровых котлов такой диапазон регулирования расходов топлива не является достаточным.

2.б. Изменением геометрической характеристики форсунки. Сущность способа регулирования заключается в изменении сечения тангенциальных каналов и высоты вихревой камеры путем перемещения поршенька (Рис. 76. а). При этом изменяется геометрическая характеристика форсунки – А, что при неизменном напоре насоса H = const, дает возможность регулировать расход топлива через форсунку. Однако такие форсунки не получили широкого применения из-за трудностей конструирования регулирующего органа и очень высокой точности их изготовления. Малейшие несоответствия между геометрическими характеристиками таких форсунок приводят к появлению локальных недостатков или избытков воздуха, а система регулирования должна обеспечивать абсолютно синхронное и одинаковое перемещение регулирующих органов во всех форсунках одновременно.

Путем слива части топлива из вихревой камеры. Как и в обычной механической форсунке топливо с расходом Q_Т подается через тангенциальные каналы в вихревую камеру (Рис. 76. б). Из вихревой камеры топливо отводится в двух направлениях: одна часть через сопло поступает в топку – Q_Ф, а другая – Q_СЛ – через центральный канал слива по трубопроводу с регулирующим клапаном отводится в цистерну или на всасывание топливного насоса. Форсунки, использующие слив топлива из вихревой камеры, просты в изготовлении, обладают широким диапазоном регулирования и допускают групповую работу, при которой регулирование расхода топлива производится одним клапаном, установленным на общей сливной магистрали. Однако при использовании такого способа регулирования увеличивается количество сливаемого в расходную цистерну горячего топлива, особенно на малых нагрузках котла, и происходит значительное изменение формы конуса распыливания в зависимости от расхода топлива. Поэтому теоретически возможный диапазон регулирования расхода от 0 до 100 % ограничивается диапазоном 30 ÷ 100 %, при которых угол конуса распыла топлива меняется незначительно.

Путем слива части топлива через стенки сопла. При движении по соплу форсунки такого типа (Рис. 76. в) часть топлива, под действием центробежных сил, поступает в кольцевой канал, выточенный в стенке сопла, а из него по сливной трубке отводится в цистерну – Q_СЛ; оставшееся топливо в распыленном виде поступает в топку – Q_Ф. Клапаном на сливной магистрали можно регулировать давление слива и, тем самым, менять производительность форсунки в достаточно широком диапазоне. Форсункам со сливом через стенки сопла присущи те же недостатки, что и форсункам со сливом из вихревой камеры. Однако расход сливаемого топлива в такой форсунке меньше, чем у форсунки со сливом из вихревой камеры, а изменение угла распыливания топлива в зависимости от расхода сливаемого топлива происходит не столь значительно.

Комбинированное регулирование. Этот вид регулирования можно реализовать несколькими способами:

– на котле устанавливаются одна/две регулируемые форсунки в сочетании с остальными – нерегулируемыми. Первой в работу включается регулируемая форсунка, максимальная

производительность которой – Q_Ф1 равна производительности каждой из нерегулируемых форсунок. В момент включения в работу очередной нерегулируемой форсунки, производительность первой уменьшается до нуля. При этом суммарный расход топлива в топку котла в момент включения очередной форсунки равен расходу топлива в момент до ее включения. Затем производительность регулируемой форсунки плавно увеличивается до максимального значения. Характер зависимости расхода топлива от режима работы форсунок для этого варианта регулирования показан на Рис. 76. г;

Рис. 76. Способы регулирования расхода топлива в котлах:

а – изменением геометрической характеристики форсунки;

б – сливом части топлива из вихревой камеры;

в – сливом топлива через стенки сопла;

г, д – комбинированные способы регулирования.

– на котле устанавливаются только регулируемые форсунки. В момент включения каждой очередной форсунки давление топливного насоса перед форсунками скачкообразно уменьшается, обеспечивая одинаковую суммарную производительность форсунок в моменты до и после включения каждой очередной форсунки. Характер зависимости давления и расхода топлива от режима работы форсунок для этого варианта регулирования показан на Рис. 76. д.

В судовых и корабельных котельных установках наиболее часто применяются следующие способы регулирования давления пара:

1) На всех нагрузках работают все форсунки котла, перед которыми одновременно изменяется давление топлива с помощью регулирующего топливного золотника;

2) Регулирование осуществляется включением и выключением нерегулируемых форсунок с одновременным изменением расхода топлива путем слива его части из каналов регулируемых форсунок;

3) Регулирование осуществляется включением и выключением части форсунок с одновременным изменением давления топлива перед включенными форсунками с помощью программного регулятора давления топлива.

Топливная система котла предназначена для непрерывной подачи топлива в топку в количестве, обеспечивающем поддержание заданного давления пара, с температурой, обеспечивающей качественное распыливание топлива в топочных устройствах.

Принципиальная схема построения топливной системы и состав топливного оборудования зависит от типа примененных форсунок (регулируемые, нерегулируемые или их комбинация) и используемого варианта регулирования давления пара. Ниже рассмотрена работа топливных систем судовых котельных установок с постоянным и переменным давлением топлива перед форсунками.

В топливной системе с постоянным давлением топлива (Рис. 77. а) топливо из расходной топливной цистерны РТЦ через фильтр холодного топлива ФХН основным топливным насосом ТНН подается к нефтеподогревателю. Температура топлива за нефтеподогревателем поддерживается автоматически регулятором температуры РТН в заданных пределах. РТН сравнивает фактическое значение температуры топлива t_Т^Ф_Л с заданным t_Т^З _Л^{а д}, и рассогласование этих сигналов преобразует в перемещение штока клапана подачи греющего пара в нефтеподогреватель. Постоянное давление топлива за топливными насосами поддерживается регулятором

 

Рис. 77. Схемы топливных систем судовых котельных установок с постоянным (а) и переменным (б) давлением топлива.

 

давления топлива РДТ путем сравнения фактического значения давления топлива за нефтеподогревателем – p_Т^Ф_Л с заданным – p_Т^З _Л^{а д}. Рассогласование значений преобразуется в перемещение штока клапана слива топлива в топливную цистерну по сливной магистрали. Таким образом, за нефтеподогревателем автоматически на всех режимах работы котельной установки поддерживается постоянное давление и постоянная температура топлива. После нефтеподогревателя топливо с заданной температурой и давлением, пройдя через фильтр горячего топлива ФГН и быстрозапорный топливный клапан БЗК, поступает к топливному блоку.

В рассматриваемой схеме топливной системы реализован комбинированный способ регулирования расхода топлива с помощью включения/отключения части топливных форсунок с одновременным изменением производительности включенных форсунок путем слива топлива из вихревых камер. В регуляторе давления пара происходит сравнение заданного значения давления пара в котле (сигнал от задатчика – З) с фактическим – p_ПЕ. Рассогласование сигналов по заданному и фактическому давлению пара усиливается и передается на сервомотор механического привода, поворачивающего вал топливного блока на определенный угол. На валу топливного блока установлены профильные кулачки, воздействующие на золотники топливного блока которые, в свою очередь, подключают очередные форсунки котла к топливной магистрали или отключают их в зависимости от заданной нагрузки. Перемещение вала механического привода воздействует также на регулятор давления воздуха, обеспечивающий поддержание заданного коэффициента избытка воздуха, и на общий для всех форсунок клапан слива топлива из вихревых камер, установленный на сливной топливной магистрали.

Резервный электронасос ЭНН включается в работу автоматически при выходе из строя основного топливного насоса, а также может подключаться в параллельную работу совместно с основным в режимах работы котла, близких к полным нагрузкам, когда производительности основного насоса становится недостаточно для обеспечения заданной паропроизводительности котла (давления пара).

В топливной системе котлов с переменным давлением топлива реализован принцип регулирования давления пара, заключающийся в подключении/отключении части форсунок с помощью форсуночных сервомоторов (Рис. 77. б), с одновременным изменением давления топлива в топливной магистрали в соответствии с заданным законом (программой). Плавность регулирования расхода топлива достигается согласованными действиями регулирующего топливного золотника – РТЗ, регулятора перепада давления топлива – РПДТ, программного регулятора давления топлива – ПРДТ, управляющего устройства сервоприводами топочных устройств и сервоприводом подачи пара к топливному турбонасосу.

Как и в предыдущей рассмотренной схеме, регулятор давления пара преобразует рассогласование заданного и фактического давлений пара в механическое перемещение (поворот) вала топливного блока. Но в данной топливной системе воздействие механического привода осуществляется:

– на регулирующий топливный золотник – РТЗ, обеспечивающий необходимый расход топлива в топку котла в зависимости от заданной нагрузки;

– на золотники топливного блока, распределяющие рабочую воду системы автоматического регулирования котла к сервоприводам топочных устройств – СП_ТУ. В свою очередь, сервоприводы топочных устройств открывают/закрывают регистры ВНУ подключаемых/отключаемых топочных устройств котла и открывают/закрывают клапаны подачи топлива к форсункам; – на микровыключатель топливного блока, обеспечивающий пуск топливного электронасоса – ЭНН при включении 5-й форсунки котла в работу; – на программный регулятор давления топлива – ПРДТ (сигнал заданного давления топлива для данной нагрузки); – на регулятор расхода воздуха – РРВ (сигнал заданного перепада давления на газовом импульсе котла или перепада давления газов в сопловом аппарате ТНА); – на сервопривод клапана подачи пара к турбоприводу топливного насоса – ТНН.

При увеличении нагрузки котла увеличивается проходное сечение РТЗ, что приводит к повышению расхода топлива, поступающего к форсункам топочных устройств. Линейная зависимость расхода топлива от проходного сечения РТЗ обеспечивается поддержанием на нем постоянного перепада давления топлива с помощью регулятора перепада давления – РПДТ. Регулятор РПДТ сравнивает заданное значение перепада давления на РТЗ с фактическим и преобразует рассогласование этих сигналов в перемещение сервопривода дроссельного золотника – ДЗ, установленного на топливном трубопроводе перед РТЗ.

Заданный закон изменения давления топлива обеспечивает резкое падение давления топлива перед топливным блоком в момент подключения каждой очередной форсунки в работу. При этом суммарный расход топлива в момент после включения каждой очередной форсунки равен суммарному расходу топлива до момента подключения очередной форсунки. На участках между точками включения форсунок, а также после включения всех форсунок котла, плавное увеличение расхода топлива достигается повышением его давления. Регулирование давления топлива происходит с помощью изменения режима работы топливного турбонасоса – ТНН, а точность его поддержания обеспечивается программным регулятором давления топлива ПРДТ воздействием на сливной клапан.

Приведенные выше гидравлические схемы систем регулирования давления пара в котлах в современных условиях могут заменяться на электронные системы управления, в которых вместо гидравлических регуляторов и датчиков устанавливаются электрические или электронные датчики, связанные интерфейсом с аппаратно-программным комплексом (компьютером) системы управления котельной установкой. АПК воспринимает необходимые сигналы от датчиков, сравнивает их с заданными значениями для текущей нагрузки котла, хранящимися в памяти компьютера, и преобразует рассогласование заданных и фактических значений сигналов в электрические сигналы управления регулирующими устройствами. Воздействие системы осуществляется на электроприводы клапанов и электромагниты гидрораспределителей топочных устройств. При этом перемещение регистров ВНУ и открытие топливных клапанов форсунок по-прежнему осуществляется рабочей водой системы автоматики котла.

Рис. 78. Схема топливной системы котла с переменным давлением топлива на базе аппаратно-программного комплекса – АПК ЛСУ.

Схема системы регулирования давления пара для топливной системы с переменным давлением топлива перед форсунками, выполненной на базе АПК, показана на Рис. 78 (аналог системы Рис. 77. б). Принципы регулирования параметров работы топливной системы котла при этом не изменяются.