Система управления котлом

Из рассмотренного видно, что расход газа является задающим параметром для  регулятора воздуха, изменяющего подачу воздуха вслед за изменением расхода  газа. Значит, регулятор воздуха  является следящим.

Регулятор уровня воды в  барабане котла.

Назначение — поддерживать уровень  воды в барабане постоянным с точностью  ±5 мм при изменении расхода пара с котла от 10 до 120%.

Уровень воды в барабане является одним из основных регулируемых параметров паровых котлов. В равновесном  состоянии участок питания котла  характеризуется равенством между  количеством поступающей воды и  расходом пара с котла. Если это условие  выдерживается, то уровень воды будет  неизменным. Отклонение уровня происходит по следующим причинам: изменение подачи воды, расхода пара, теплонапряжения топки и давления пара в барабане. Отклонения уровня от среднего положения при его регулировании не должны превышать ±20—30 мм, так как в случае отказа регулятора достаточно 3—4 мин до упуска воды из барабана или его перепитки. Упуск воды приводит к разрыву экранных труб и выходу котла из строя. Перепитка барабана котла приводит к повышению давления пара, к забросу воды в паропровод, гидравлическим ударам и возможным разрывам паропроводов.

Датчик уровня, дифманометр с перепадом 6,3 кПа (630 мм вод. ст.), подключается через уравнительный сосуд к барабану котла.

Регулятор работает следующим образом. Датчик измеряет уровень воды в барабане котла, преобразует его в электрический  сигнал и посылает на усилитель, где  он сравнивается с сигналом задатчика. При равенстве сигналов система регулирования находится в установившемся состоянии. При появлении сигнала рассогласования ΔХ=Х-Х₀ — регулятор, воздействуя на количество питательной воды, протекающей через регулирующий оргон, по ПИ-закону, восстанавливает равновесие системы.

Регулятор давления пара в  барабане котла.

Назначение — удерживать постоянной заданную величину давления пара в  пределах точности регулирования путем  изменения подачи топлива при  колебаниях расхода пара с котла  от 20 до 120% его мощности.

Нижний предел (20%) определяется началом  диапазона регулирования горелок  ГМГм и ГМГ-П, которыми оборудуются котлы ДКВР. Верхний предел (120%) определяется тем, что кратковременно разрешается перегрузка котла, при этом нужно учесть, что паспортная мощность котлов ДКВР указана для угольного топлива, а при использовании газового или мазутного она увеличивается на 40%.

Настроечные технологические данные параметров определяются по режимной карте Например, согласно таблице давление пара в барабане котла имеет только одно значение 1,0 МПа (10 кгс/см²). Значит, задатчик данного регулятора должен быть отключен. Точность удержания давления пара ± 0,5 кгс/см².

Регулируемое давление пара непрерывно измеряется датчиком давления преобразуется в электросигнал и посылается на усилитель, где он сравнивается с сигналом задатчика. Если оба сигнала равны, т. е. равны заданная величина давления пара Х₀ и, действительная его величина X, то рассогласование ΔХ=Х—Х₀ равно нулю и система регулирования находится в покое.

Если действительное значение давления пара X отклонится в какую-либо сторону  от задания Х₀, то сигнал рассогласования ΔХ поступает на вход усилителя. Когда ΔХ станет больше зоны нечувствительности усилителя, то с него подается командный сигнал на исполнительный механизм. Регулирующий орган будет перемещаться в направлении, необходимом для ликвидации сигнала рассогласования. [4,5]

 

4. Обоснование контура регулирования, подлежащего расчету

 

Условия безопасной и надежной работы котлаагрегата требуют, чтобы уровень воды в барабане поддерживался в определенных пределах.

Уровень воды в барабане является одним из основных регулируемых параметров паровых котлов. В равновесном  состоянии участок питания котла  характеризуется равенством между  количеством поступающей воды и  расходом пара с котла. Если это условие  выдерживается, то уровень воды будет  неизменным.

Отклонение уровня происходит по следующим  причинам: изменение подачи воды, расхода  пара (нагрузки котла), тепловой нагрузки топки и давления пара в барабане. Отклонения уровня от среднего положения  при его регулировании не должны превышать ±20—30 мм, так как в  случае отказа регулятора достаточно 3—4 мин до упуска воды из барабана или его перепитки. Упуск воды приводит к разрыву экранных труб и выходу котла из строя. Перепитка барабана котла приводит к повышению давления пара, к забросу воды в паропровод, гидравлическим ударам и возможным разрывам паропроводов.

При исследовании химико-технологических  процессов как объектов управления необходимо выделить входные, выходные параметры и возмущающие воздействия. Для определения основных регулируемых параметров и возмущающих воздействий, необходимо составить информационную модель процесса. На уровень воды в  барабане могут оказывать влияние  множество возмущений. Основные из них: изменение расхода питательной  воды, изменение нагрузки потребителя, изменение расхода топлива, изменение  температуры питательной воды. [4,5]

Рассмотрим информационную модель объекта, представленной на рис. 4.1.

 

Рисунок 4.1 - Информационная модель объекта

 

После анализа информационной модели, можно сделать вывод, что на уровень  воды в барабане котла действуют  множество возмущений. Поэтому сделаем  выбор в сторону управления расхода  воды и компенсации возмущений, связанных  с нагрузкой котла по пару. Так  как эти параметры больше всего  влияют на материальный баланс барабана котла и его уровень воды.

В результате, систему регулирования  уровня воды в барабане котла можно  представить в виде следующей  структурной схемы:

 

Рисунок 4.2 - Структурная схема регулирования  уровня воды в барабане котла

 

Структурная схема регулирования  уровня воды в барабане котла где:

W₁(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – уровень в барабане котла;

W₂(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход воды;

W₃(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход пара от котла;

F _пара – внешнее возмущающее воздействие – расход пара от котла;

F _воды – входное воздействие – расход воды на котел;

L – выходная величина – уровень в барабане котла;

% открытия РО на воде –  управляющее воздействие, приложенное  к подаче расхода воды в барабан котла.

 

5. Проведение эксперимента

 

4. Подготовка и проведение эксперимента

 

Свойства объекта управления необходимо знать при составлении схемы  автоматизации, выборе закона регулятора и определении оптимальных значений его настроечных параметров. Правильный учет свойств объектов позволяет  создавать АСР, имеющие значительно  более высокие показатели качества переходного процесса. Для определения  динамических свойств объектов управления анализируют кривые изменения регулируемой выходной величины при типовых возмущающих  воздействиях. По кривой разгона определяют динамические характеристики объекта  управления: запаздывание, постоянную времени, коэффициент передачи.

Подготовка эксперимента по снятию динамических характеристик объекта  регулирования заключается в  выборе входной и выходной величин, а также в выборе измерительной  аппаратуры. В качестве входной величины принимаем положение регулирующего  органа, а в качестве выходной –  сигнал измерительного преобразователя, поступающий на вход регулятора. Для  снятия временных характеристик  объект исследования приводим в равновесное  состояние, а затем с помощью  дистанционного управления и исполнительного  устройства подаем на вход объекта  возмущающее воздействие. Реакцию  на это воздействие регистрируем в координатах: выходная величина –  время.

Проведение эксперимента можно  описать схемой:

 

Рисунок 5.1 - Структурная схема проведения активного эксперимента

 

где:

1 – устройство регистрации и  изменения параметров регуляторов  – ЭВМ;

2 – устройство управления и  сбора информации об объекте  – контроллер;

3 – устройство воздействия на  объект – исполнительный механизм;

4 – устройство получения информации  об объекте – измерительный  преобразователь;

5 –объект управления – газотурбина;

С помощью ЭВМ (1) все регуляторы в контроллере (2) участвующие в  регулировании объекта переводятся  в ручной режим, затем наносится  возмущающее воздействие Х в  виде единичного скачка - изменяется процент  открытия регулирующего органа, изменением выхода нужного регулятора. Возмущающее  воздействие отрабатывает исполнительный механизм (3), и возмущение передается в объект (5). Далее снимается отклик объекта на это возмущение: отклик в виде физического параметра  преобразуется измерительным преобразователем (4) в электрический параметр, который  поступает в контроллер, где преобразуется  в цифровой сигнал. Цифровой сигнал поступает в ЭВМ, где регистрируется до тех пор, пока объект не примет новое  установившееся значение. Массив регистрируемых значений отклика и значений времени  и будет представлять собой кривую разгона.

Для создания АСР питания барабанного  котла необходимо снять три кривые разгона, по структурной схеме эксперимента, приведенной на рис. 5.2.

 

Рисунок 5.2 - Структурная схема эксперимента

 

Структурная схема каскадно-комбинированной  системы где:

W₁(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – уровень в барабане котла;

W₂(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход воды;

W₃(S) – процент положения регулирующего органа на расходе воды – расход пара от котла;

F _пара – внешнее возмущающее воздействие – расход пара от котла;

F _воды – входное воздействие – расход воды на котел;

L – выходная величина – уровень в барабане котла;

% открытия РО на воде –  управляющее воздействие, приложенное  к подаче расхода воды в барабан котла.

Для регистрации кривой разгона  будем использовать ЭВМ и программу WinCC предназначенную для отображения результатов измерений в графическом виде за любой период работы контроллера «Siemens». Проведение эксперимента рассмотрим по фрагменту функциональной схемы, приведенному на рис. 5.3.

 

Рисунок 5.3 – Схема автоматизации  провидения эксперимента

 

Измерение расхода воды на котел  поз. 3а и расхода пара от котла  поз. 1а производится вихревыми расходомерами Rosemount 8800D. Данный тип расходомеров имеет высокие эксплуатационные характеристики. Высокую точность 0,5%, надежность. Возможна замена вышедшего из строя чувствительного элемента – сенсора, без снятия корпуса расходомера и остановки измеряемой среды. В виду того, что трубопровод пара очень горячий, порядка 180 °C, а электроника часто не выдерживает таких тепловых нагрузок, расходомер имеет разнесенную конструкцию, то есть чувствительный элемент на трубопроводе, преобразователь устанавливается рядом, в более прохладном месте, между собой они соединяются специальным коаксиальным кабелем из комплекта поставки.

 

Из графиков видно, что для увеличения расхода пара необходимо подводить  больше тепловой энергии, значит увеличивать  подачу энергоресурсов в виде попутного  газа. При номинальной паропроизводительости котла 5,5 кг/с необходимо затрачивать 0,34 м³/с газа и 8,1 кг/с воды. При этом уровень воды в барабане котла будет средним, что соответствует его рабочему состоянию.

Вывод:

В разделе решена задача оптимизации  процесса производства пара. Произведено  математическое описание процесса и  выбран критерий оптимальности, характеризующий  эффективность проведения процесса при минимальных затратах.

Нахождение значений, при которых  энтальпия пара будет максимальная, удельный расход газа на единицу пара будет минимальным, и минимальными будут приведённые затраты на попутный газ, питательную воду, позволит вести процесс в оптимальном температурном режиме, для оптимального теплосодержании перегретого пара на выходе из котлоагрегата при различных нагрузках. Это позволит улучшить процесс горения, уменьшая выброс вредных газов от отработанного топлива в атмосферу. Так же это позволит снизить расходные нормы газа на производство оптимального количества пара, что приведёт к уменьшению себестоимости пара.

На основании выше проведенных  исследований, можно сделать вывод, что внедрение качественной автоматической системы оптимального управления процессом позволит получить реальный экономический эффект. [8,10]

 

3. Описание схемы автоматизации

 

13. Обоснование точек контроля, регистрации, регулирования и сигнализации

 

Котельные агрегаты типа ДКВР предназначены  для получения пара для производственных целей, отопления и горячего водоснабжения. Получение пара из воды происходит при следующих физических процессах:

а) подогрева воды до температуры  кипения;

б) кипение воды, когда жидкая фаза переходит в насыщенный пар.

Необходимое для этого тепло  выделяется при сгорании топлива  в топочной камере. Передача тепла  от продуктов сгорания к поверхностям нагрева происходит в результате всех видов теплообмена: радиационного, конвективного и теплопроводности.

Параметры контроля, автоматического  регулирования, сигнализации и блокировок выбираются согласно СНиП II-35-76 “Котельные установки”, раздел 15 «Автоматизация».

Точки контроля:

1а, 2а, 2б – температура газа, расход газа, поступающий в котел,  необходимо контролировать, для  учета расхода газа и анализа  работы парогенератора.

3а, 5а – давление газа перед  заслонкой, давление газа после заслонки, контролируем для того чтобы судить о наличии давления газа в трубопроводе, а так же участвует в программе опрессовки газопровода перед запуском котла.