Возмущающие и регулирующие воздействия. Требования к качеству регулирования

Рабочий процесс котла – это процесс преобразования тепловой энергии, выделяющейся в топке при сжигании топлива, в потенциальную энергию пара, характеризуемую давлением и температурой пара. Этот процесс происходит при непрерывном подводе к нему трех видов материальной среды – воды, топлива и воздуха – и отводе от него двух видов – перегретого пара и дымовых газов. Величины этих расходов являются количественной характеристикой рабочего процесса, или его нагрузкой. Качественной характеристикой котла служат значения некоторых переменных величин. Поддержание заданных значений этих величин на всех установившихся и переходных режимах работы котла – основная задача автоматического регулирования. Такие величины называются регулируемыми.

Регулирующее воздействие – воздействие, направленное на возвращение объекта в равновесное состояние. Регулирующим воздействием в АСР уровня воды является степень открытия питательного клапана.

Возмущающим называется внешнее воздействие на котел, нарушающее его установившийся режим работы и, следовательно, приводящее к изменению всех его регулируемых величин. Главным возмущающим воздействием для котельной установки – изменение отбора пара из котла.

По своим динамическим свойствам ПК как объект регулирования (ОР) уровня воды значительно отличается от других ОР тем, что после нанесения возмущения расходом пара из ПК, отклонение уровня совпадает по знаку с возмущением, а через некоторое время знак меняется на противоположный. Связано это с тем, что положение уровня воды в ПВБ в переходных режимах определяется совместным влиянием следующих факторов:

-небалансом подвода воды и расхода пара;

-изменениями давления в котле;

-изменениями температуры питательной воды;

-изменениями теплонапряженности парообразующей части котла.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов на уровень изолированно при сбросе паровой нагрузки скачком.

Вследствие того, что расход пара стал меньше подвода воды, уровень воды в пароводяном барабане повышается. Скорость изменения уровня зависит от величины возникшего небаланса и площади зеркала испарения. Так как в области допустимых отклонений уровня площадь зеркала испарения изменяется очень мало, а величина небаланса неизменна, можно считать, что скорость изменения уровня постоянна и прямо пропорциональна величине возникшего небаланса (рис. 1.7.1, а).

При сбросе паровой нагрузки давление в котле в начальный период возрастает (в дальнейшем система автоматического регулирования топливосжигания прекратит изменения давления), что приводит к соответствующему повышению температуры насыщения. Пар, находящийся под зеркалом испарения, оказавшись в недогретом состоянии, начинает конденсироваться. Конденсация пара произойдет частично или полностью в зависимости от величины отклонения давления и аккумулирующей способности котла. Если пар сконденсируется не весь, то произойдет также уменьшение его удельного объема. В результате уровень воды снизится на конечную величину по экспоненте, соответствующей характеру возрастания давления в котле (рис. 1.7.1, б).

Так как современные котельные установки оборудованы систе­мами автоматического регулирования топливосжигания, при сбросе нагрузки подача топлива в топку уменьшится или прекратится. Теплонапряженность парообразующей части котла уменьшится, а следовательно, уменьшится или прекратится парообразование в трубной системе котла, что также снизит на некоторую конечную величину уровень воды (рис. 1.7.1, в).

Температура питательной воды при сбросе нагрузки уменьшается, так как уменьшаются количество и температура продуктов сгорания, проходящих через экономайзер. Это приводит к снижению температуры и удельного объема воды в котле и также к конденсации пара, находящегося под зеркалом испарения в количестве, зависящем от величины недогрева питательной воды до температуры насыщения. В результате этого уровень воды также снизится на определенную конечную величину (рис. 1.3, г).

При увеличении расхода пара рассмотренные характеристики имеют вид зеркального отображения.

Рис. 1.7.1 а - материального небаланса; б - давления пара;

в - теплонапряженности; г - температуры питательной воды; д - суммарные характеристики разгона.

Отклонения уровня воды в котле, вызванные изменением давления, теплонапряженности парообразующей части и температуры питательной воды, со знаком, противоположным изменению уровня в результате материального небаланса, принято называть явлением «набухания».Выбег уровня в результате явления набухания зависит от количества пара под зеркалом испарения, площади, зеркала испарения, тепловой аккумуляции котла и величины изменения паропроизводительности.

Так как в переходном режиме все рассмотренные факторы влияют на изменение уровня одновременно, котел как объект регулирования уровня с достаточной для решения практических задач точностью можно рассматривать как объект с параллельно соединенными емкостями.

На рис. 1.7.1, дпоказаны кривые изменения уровня в переходном режиме: f(D¹W) – в результате влияния небаланса, f(p, q_D, Q^°_пв) – суммарная характеристика при воздействии на уровень давления в котле теплонапряженности парообразующей части и температуры питательной воды и действительная разгонная кри­вая изменения уровня, полученная как сумма всех рассмотренных кривых.

Требования к точности поддержания регулируемых величин

В установившихся режимах АСР главных котлов должна обеспечивать устойчивое поддержание регулируемых величин с отклонениями не более: давление пара ±0,05 МПа; уровень воды ±30 мм; давление топлива за насосом ±0,1 МПа; перепад давления топлива на регулирующем топливном клапане ±0,02 МПа; температура топлива ±2°С.

В переходных режимах АСР должна поддерживать заданное давление пара. При этом допускаются следующие отклонения: «провал» давления пара, не превышающий 10% номинального значения при изменении нагрузки котла от минимальной до максимальной; повышение давления пара, не приводящее к подрыву предохранительных клапанов при изменении нагрузки котла от максимальной до минимальной за время не менее 30 с. Причем давление пара в указанных пределах должно сохраняться при изменениях расхода пара из котла со скоростью не более 1,5% в секунду при увеличении нагрузки и 3% в секунду при сбросе нагрузки.

В установившихся режимах АСР вспомогательных котлов должна гарантировать устойчивое поддержание параметров с отклонениями не более: давление пара ±2%, но не менее ±0,02 МПа от значения, определяемого статической характеристикой регулятора давления пара; уровень воды ±15 мм от значения, определяемого статической характеристикой регулятора уровня; вязкость топлива ±3 мм²/с от значения, определяемого статической характеристикой регулятора (для котлов, работающих на топливе, требующем по­догрева); давление распыливания (для котлов с паро-механическими форсунками) ±0,01 МПа; перепад давления топлива на исполнительном органе регулятора давления пара ±0,02 МПа; давление воздуха в коробе котла ±10⁴МПа от его значения на данном режиме.

На переходных режимах при изменении нагрузки от 0 до 100% или обратно в течение не менее 2 мин СУ вспомогательным котлом должна обеспечивать поддержание давления пара с отклонениями, не вызывающими подрыва предохранительных клапанов (при бездымном горении, без отклонения уровня воды за допустимые пределы и без срабатывания защиты по уровню). Переходные процессы при этом должны быть апериодическими или с быстрозатухающими колебаниями.

Информацию о качестве протекания динамических процессов можно получить из анализа стационарного распределения аккумулирующих ёмкостей по ходу потоков энергии и среды. В паровых котлах на органическом топливе энергию переносят продукты горения топлива (газы) и рабочее тело. Вместе с тем, энергия в котле аккумулируется в объектах рабочего тела и газов, металлических частях поверхностей нагрева, топливе, изоляции и т. п. Обычно тепловой емкостью продуктов сгорания топлива и изоляционных материалов ввиду их малости пренебрегают, а энергетическую емкость топки приравнивают нулю, так как количество находящегося в ней топлива незначительно.

Таким образом, в паровых котлах энергия и среда аккумулируются главным образом в объеме рабочего тела и металлических частях поверхностей нагрева.

В динамическом процессе одновременно изменяется содержащие среды и энергии. Однако их можно рассматривать раздельно для упрощения проведения качественного анализа.