1225

воды паром, вынос ее в пароперегреватель и турбину, что вызывает занос пароперегревателя и турбины солями и ведет к их разрушению. В связи с этим к точности поддержания заданного уровня предъявляются очень высокие требования.

Регулирование питания котлов малой производительности обычно осуществляется одноимпульсными регуляторами, управляемыми датчиками изменения уровня воды в барабане. В котлах средней и большой паропроизводительности с малым водяным объемом применяются двухимпульсные регуляторы питания котла по уровню воды и расходу пара (рис. 14.8), а также трехимпульсные, управляющие питанием котла по уровню воды, расходу пара и расходу питательной воды.

Рис. 14.8. Принципиальная схема АСР питания:

Э – экономайзер; ПП – пароперегреватель; РП – регулятор; РПК – регулирующий питательный клапан

Предельные значения уровня в барабане котла определяются на основании специальных расчетов на заводе-изготовителе котельного оборудования и называются уставками по срабатыванию защит от повышения и понижения уровня («перепитка» и «упуск» уровня).

291

Защита от повышения уровня, как правило, выполняется двухступенчатой. Первая ступень защиты воздействует па открытие задвижек аварийного слива из барабана (аварийный сброс); она имеет свою уставку, которая является промежуточной между нормальным уровнем и уставкой защиты от повышения уровня. Вторая ступень зашиты воздействует на останов котла. Операции отключения котла

иоткрытия аварийного слива при достижении соответствующих уставок выполняются устройствами защиты (при отключении) и блокировки (открытие-закрытие аварийного слива).

Таким образом, зона работы АСР питания ограничена уставкой защиты от понижения уровня в барабане котла, с одной стороны,

иуставкой открытия аварийного слива – с другой. Эти пределы обуславливают безопасность работы котла, превышение их влечет за собой аварийную ситуацию.

АСР питания барабанного котла должна обеспечить удержание уровня в допустимых пределах:

1)при стационарном режиме (при отсутствии резких возмущений по нагрузке) максимально допустимые отклонения уровня обычно не должны превышать ±20 мм;

2)при скачкообразном возмущении нагрузки на 10 % (исходная нагрузка – номинальная) максимально допустимые отклонения по уровню обычно не должны превышать ±50 мм;

3)при нормальном стационарном режиме работы котла число включений регулятора не должно превышать 6 в минуту.

На уровень в барабане котла оказывают влияние несколько факторов. Основные из них – изменение расхода питательной воды Dп.в

итемпературы питательной воды tп.в, изменение нагрузки потребителя Gп.п; изменение расхода топлива Вт.

При возмущении расходом питательной воды формы переходных процессов по уровню существенно различны в зависимости от типа экономайзера. Для котлов с некипящим экономайзером переходной характеристике присуще так называемое явление «набухания» уровня, т.е. изменение уровня в первоначальный момент в сторону, противоположную изменению расхода питательной воды. Объясняется это тем, что, например, увеличение подачи холодной воды вызывает

292

в первый момент снижение температуры пароводяной смеси в барабане котла и, как следствие, снижение ее уровня. В дальнейшем уровень начинает повышаться из-за того, что расход воды в котел превышает расход пара из него.

В кипящих экономайзерах питательная вода нагревается до температуры насыщения и частично (до 20 %) превращается в пар. При увеличении расхода питательной воды в первоначальный момент происходит уменьшение объема пара в кипящем экономайзере, и питательная вода занимает этот объем. В связи с этим уровень воды в барабане остается без изменения до тех пор, пока происходит замещение питательной водой парового объема в экономайзере. Для котлов с кипящим экономайзером при возмущении расходом питательной воды явление «набухания» уровня не наблюдается (рис. 14.9, б).

Рис. 14.9. Переходные процессы по уровню при возмущении расходом питательной воды: а – при не кипящем экономайзере; б – при кипящем экономайзере

При изменении нагрузки потребителя (изменение расхода отбираемого пара) меняется давление пара в барабане. Так, при увеличении расхода пара давление падает и в первый момент увеличивается интенсивность парообразования, что приводит к увеличению уровня пароводяной смеси в барабане котла. В дальнейшем уровень начинает падать из-за несоответствия расходов питательной воды и пара. Временной характеристике котла при возмущении расходом пара всегда присуще явление «набухаиия» уровня (рис. 14.9, а).

293

Величина «набухания» уровня зависит от параметров пара и конструктивных особенностей котла. Явление «набухания» определяется в основном разностью удельных объемов насыщенного пара и кипящей воды, с повышением давления пара этот эффект уменьшается.

Кроме того, «набухание» зависит от теплового напряжения топочных экранов: с его увеличением возрастает паросодержание

втопочных экранах, поэтому резче сказывается изменение нагрузки потребителей на «набухании» уровня. У современных котлов с высоким тепловым напряжением колебания уровня при резких и значительных изменениях нагрузки достигают существенного значения. Так, для котла ТГМ-94 сброс нагрузки на 40 % приводит к изменению уровня до 120 мм даже при максимальном регулирующем воздействии расходом питательной воды, произведенным с целью удержания уровня на заданном значении.

Характер переходного процесса при возмущении расходом топлива и неизменном расходе питательной воды аналогичен характеру переходного процесса при возмущении нагрузкой потребителя (см. рис. 14.9, а). Однако явление «набухания» здесь проявляется

внесколько меньшей степени. Суть в том, что при изменении расхода топлива изменяется парообразование, одновременно изменяется давление в барабане, что ведет к изменению удельного объема пара. Оба эти фактора действуют на изменение уровня в противоположных направлениях. Вот почему при топочных возмущениях явление «набухания» проявляется в меньшей степени.

Возмущение из-за изменения температуры питательной воды может произойти при изменении количества работающих подогревателей высокого давления (ПВД), что вызовет изменение режима работы экономайзера. При увеличении температуры питательной воды и постоянном обогреве увеличивается парообразование в испарительном контуре. В результате этого уровень в барабане будет повышаться. В дальнейшем увеличение парообразования при постоянном расходе пара приведет к повышению давления в барабане и, следовательно, к уменьшению удельного объема пара, что вызовет снижение уровня. Переходный процесс при возмущении температурой питательной воды аналогичен приведенному на рис. 14.9, а.

294

Типовая ACP питания содержит следующие элементы: первичные измерительные преобразователи (датчики) уровня, расхода пара; регулирующие устройства; коммутирующую и управляющую аппаратуру; исполнительные механизмы; регулирующие органы.

Применяемая в настоящее время схема регулирования уровня в барабанах котлов приведена на рис. 14.10, а.

Необходимость применения сравнительно сложной системы регулирования обусловлена наличием в современных котлах высокого давления своеобразного эффекта «вскипания» уровня.

Рис. 14.10. Трехимпульсная схема регулирования уровня в барабане парового котла

295

Надежность работы котельного агрегата во многом определяется качеством регулирования уровня. Повышение уровня ведет к аварийным последствиям, так как возможен заброс воды в пароперегреватель, что вызовет выход его из строя. В связи с этим к точности поддержания заданного уровня предъявляются очень высокие требования.

Сигнал по уровню Нб является корректирующим импульсом, который необходим для динамической стабилизации процесса регулирования, а также для устранения неточности характеристик датчиков по расходу питательной воды и перегретого пара. В случае неисправности или неверных показаний основного датчика уровня оператор может переключить регулирование на вспомогательный датчик уровня, при этом вспомогательный датчик уровня становится основным, а основной датчик уровня – вспомогательным. По вспомогательному датчику уровня производится сигнализация рассогласования показаний датчиков уровня.

Сигнал по расходу питательной воды Gп.в поддерживает материальный баланс между расходом воды и пара (то есть регулятор стремится уравнять расход воды и пара), делает регулирование более стабильным и независимым от изменения давления питательной воды.

Сигнал по расходу пара Gп.п позволяет регулятору быстрее реагировать на изменение нагрузки, также получать нужную величину и знак (направление движения ИМ) регулирования.

Основным узлом регулятора питания является процессор (электронный прибор типа РС29 или микропроцессорный контроллер типа «Ремиконт»), в котором соответствующим образом суммируются сигналы по уровню в барабане, расходу перегретого пара и расходу питательной воды и сравниваются с заданием.

Обобщая имеющийся опыт по динамике уровня в барабанных котлах, можно принять для расчетов, что

Wоб (p) = (ε/p) e–pτ,

где ε = 103/Fб (рв – рп) мм/кг; Fб – площадь зеркала испарения барабана котла, м2; рв, рп – плотности воды и пара линии насыщения, кг/м3; τ – время запаздывания, с.

296

Величина запаздывания τ расчету не поддается и определяется экспериментально. Значение τ в зависимости от давления в барабане котла Рб находится в пределах 7–12 с.

При Рб = 13 кг/см2 из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара рв = 171,3 кг/м3; рп = 31,96 кг/м3.

14.5. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА

Регулирующее воздействие на температуру перегретого пара осуществляется путем изменения расхода питательной воды на впрыск пароохладителя.

Схема системы регулирования температуры перегретого пара за пароперегревателем ПП приведена на рис. 14.11. Это схема со вспомогательной внутренней регулируемой величиной – температурой пара непосредственно за пароохладителем ПО. Осуществляемое в блоке формирования (БФ) формирование сигнала должно обеспечить исчезновение его воздействия на задатчик регулятора температуры РТР в установившихся режимах. Использование информации о вспомогательной регулируемой

Рис. 14.11. Двухимпульсная схема регулирования температуры перегретого пара

297

величине позволяет изолировать основную регулируемую величину от возмущений, идущих со стороны пароохладителя ПО (от изменений температуры пара на входе в пароохладитель и самопроизвольного изменения расхода охлаждающей воды). Регулирующим воздействием является изменение положения клапана подачи охлаждающей воды на пароохладитель. Имеет место каскадное регулирование.

Применение двухимпульсной схемы регулирования температуры перегретого пара связано с запаздыванием и инерционностью объекта регулирования – пароохладителя. Поэтому и берутся упреждающий сигнал по скорости изменения температуры пара за пароохладителем.

При горении топлива его горючие составляющие – углерод и водород – вступают в химическое взаимодействие с кислородом. В результате при горении углерода образуется углекислый газ, при горении водорода – водяные пары. В большинстве случаев кислород для горения поступает из воздуха.

14.6. УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЯТОРОМ

Азот, содержащийся в воздухе, в горении не участвует и, нагреваясь, уносит значительное количество теплоты. Так как в воздухе содержится по объему около 21 % кислорода и 79 % азота и некоторых других газов, то теоретически необходимый для сжигания газа объем воздуха больше требующегося для реакции горения объема кислорода в 100 : 21 = 4,76 раза, а на каждый использованный кубический метр кислорода приходится 79 : 21 = 3,76 м3 азота.

Зная состав горючих газов (другого топлива) и реакции горения, можно подсчитать теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 м3 газа (для природного газа требуется 17,3 массовых доли воздуха на одну долю газа).

Однако если в топку подавать только теоретически необходимое количество воздуха, то добиться полного сгорания топлива невозможно. Объясняется это тем, что трудно так перемешать топливо с воздухом, чтобы к каждой молекуле горючих было подведено не-

298

обходимое количество молекул кислорода. Поэтому на практике приходится подавать воздуха больше, чем теоретически необходимо, т.е. работать с избытком воздуха. При этом часть воздуха проходит через топку, не реагируя с топливом. Размер избытка или недостатка определяется коэффициентом избытка воздуха , который показывает отношение действительного количества воздуха, расходуемого на горение, к теоретически необходимому. Из графика (рис. 14.12) видно, что коэффициенту избытка воздуха соответствует определенное процентное соотношение k углекислого газа и кислорода в дымовых газах. Таким образом, контроль качества процесса горения можно вести по содержанию CO2 и O2 в дымовых газах. Оптимальные значения коэффициента расхода воздуха определяют при тепловых испытаниях котлоагрегата. Управление подачей воздуха должно вестись с довольно высокой точностью и обеспечивать отклонение значения CO2 не более чем на ±0,5 % (при колебаниях содержания CO2 в уходящих газах в среднем 8–12 %).

Рис. 14.12. Зависимость состава дымовых газов от коэффициента избытка воздуха

Соотношение количества топлива и воздуха, поступающих в топку, и условия их перемешивания определяют полноту сгорания топлива, длину факела, равномерность распределения температур и тепловых потоков в топочном объеме. Для регулирования процесса горения необ-

299

ходимо воздействовать одновременно на топливные и воздушные регулирующие устройства.

После розжига в режиме производительной работы котла возможны варианты управления вентилятором:

установка и поддержание заданного режимной картой соотношения топливо – воздух. Режимная карта определяет зависимость (как правило, нелинейную) давления воздуха от расхода топлива в котле. Электропривод работает в режиме регулятора давления с изменяющимся заданием в функции производительности котла, вида топлива, числа действующих каналов подачи топлива. Требуемая для конкретного котла зависимость программируется при настройке регулятора;

поддержание заданного соотношения топливо – воздух с учетом температуры окружающего воздуха;

установка и поддержание заданного в функции производительности содержания кислорода в выходных газах котла у основания вытяжной трубы. В регуляторе силового электропривода или электропривода шибера (заслонки) используется сигнал датчика – кислородомера;

установка и поддержание заданного в функции производительности содержания окиси углерода СО в выходных газах котла у основания вытяжной трубы. В регуляторе электропривода используется сигнал датчика СО – газоанализатора.

Наиболее прогрессивным способом поддержания оптимального соотношения топливо – воздух котельной установки является управление подачей воздуха на основе анализа состава дымовых газов, в данном случае по сигналу, пропорциональному содержанию кислорода или окиси углерода и формируемому газоанализаторами. Регулирование подачи воздуха, основанное на данном способе, учитывает практически все флуктуации качества топлива, температуры подаваемого в топку воздуха, а также методические погрешности первичных преобразователей. Ограничение может быть связано только с возможным отсутствием дешевых и надежных газоанализаторов с широким диапазоном рабочих температур.

300