Котельные установки

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И АВТОМАТИКА

Общими задачами контроля и управления работой любой энергетической установки и в том числе котельного агрегата является обеспечение:

Выработки в каждый данный момент необходимого количества пара или горячей воды при определенных их параметрах — давлении и тем­пературе;

Экономичности сжигания топлива, рационального использования электроэнергии для собственных нужд установки и сведения потерь теплоты к минимуму;

Надежности, т. е. установление и сохранение нормальных условий работы котельного агрегата, исключающих возможность неполадок и аварий как собственно агрегата, так и вспомогательного оборудования.

Персонал, обслуживающий данный агрегат, постоянно должен иметь ясное представление о режиме работы на основании показаний контрольно-измерительных приборов, которыми должен быть оснащен котельный агрегат. Эти приборы для измерения можно разделить на пять групп:

Расхода пара, воды, топлива, иногда воздуха, дымовых газов;

Давлений пара, воды, газа, мазута, воздуха и для измерений раз­режения в элементах и газоходах котла и вспомогательного оборудо­вания;

Температур пара, воды, топлива, воздуха и дымовых газов; уровня воды в барабане котла, его выносных циклонах, баках, деаэраторах, уровня топлива в бункерах и других емкостях; качественного состава дымовых газов, пара и воды.

Почти все приборы состоят из воспринимающей части — датчика, передающей части и вторичного устройства, по которому отсчитывают измеряемую величину. Вторичные приборы могут быть указываю­щими, регистрирующими (само­пишущими) и суммирующими (счетчиками).

Для уменьшения числа вто­ричных приборов на тепловом щите часть величин собирается на один прибор с помощью пере­ключателей. Для ответственных величин на вторичном приборе отмечают красной чертой пре­дельные допускаемые для данно­го агрегата значения (давление в барабане, уровень воды и т. д.), их измеряют непрерывно.

Принципиальная схема теп­лового контроля за работой ко­тельного агрегата малой мощно­сти со слоевой топкой показана на рис. 10-8. Агрегат имеет:

Три точки измерения давле­ния рабочего тела — питательной воды, пара в котле и в общей магистрали;

Две точки измерения расхо­да— питательной воды и пара;

Одну точку для анализа со­става дымовых газов за водяным экономайзером;

Четыре точки измерения тем­ператур— газов за котлом и водяным экономайзером, питательной воды и перегретого пара.

Три точки разрежений — в топке, за котлом и за водяным эконо­майзером.

Измерения температур и разрежений объединены каждое на один вторичный прибор с помощью переключателя. Регистрируются темпе­ратуры уходящих газов, пара, состав дымовых газов, количество воды и пара; количества суммируются раздельно.

На щите установлены три манометра, два расходомера, газоанали­затор, гальванометр и тягомер с переключателями; там же установле­ны электроизмерительные приборы для контроля за работой электро­двигателей и ключи для управления последними.

Кроме приборов, на щите часто применяют местную установку кон­трольно-измерительных приборов: термометров для измерения темпе­ратур воды, пара, мазута, манометров и вакуумметров для измерения давления и вакуума; тягометров типа Креля и и-образных для измере­ния разрежения, давления и газоанализаторов, необходимых не только

Для эксплуатации, но и для периодических испытаний. Прй выборе количества приборов и их размещении руководствуются [Л. 1, 2, 34] и ведомственными указаниями, в которых регламентирован ряд изме­рений.

Общим же положением при выборе места установки приборов являются удобство обслуживания агрегата при минимальном числе обслуживающего персонала и небольшие капитальные и эксплуатаци­онные затраты.

С помощью автоматизации решаются следующие основные задачи:

Регулирование в определенных пределах заранее заданных значе­ний величин, характеризующих процесс;

Управление, т. е. осуществление обычно дистанционно периодиче­ских операций;

Защита оборудования от повреждений из-за нарушений стабильно­сти процессов;

Блокировка, которая обеспечивает автоматическое включение и вы­ключение оборудования, вспомогательных механизмов и органов управ­ления с определенной последовательностью, обусловленной технологи­ческим процессом.

Блокировка бывает запретительно-разрешающей, когда с ее по­мощью устраняются неправильные действия персонала при нормальном режиме эксплуатации. Аварийная блокировка вступает в действие при режимах, могущих привести к травмированию персонала и поврежде­ниям оборудования.

Перечисленные задачи решаются одновременно и в объеме, завися­щем от мощности и стоимости оборудования: чем крупней и дороже агрегат или установка, тем большее количество процессов автомати­зируется.

При автоматизации регуляторы автоматов (измерительные блоки) получают импульсы от датчиков контрольно-измерительных приборов, или устанавливают специальные датчики. Регулятор при этом алгебраи- ч'ески суммирует импульсы, усиливает их и преобразует обычно в элек­трический сигнал и передает его в органы управления. Таким образом, автоматизация установки сочетается с контролем за ее работой.

Объект автоматизации с регулятором называют системой авто­матического регулирования (САР). Принципиальная схема САР показана на рис. 10-9. Величина регулируемого параметра изме­ряется с помощью чувствительного элемента и сравнивается с заданным значением, идущим от задатчика в виде управляющего воздействия. При отклонении регулируемой величины от заданного значения появ­ляется сигнал рассогласования. На выходе регулятора вырабатывается сигнал, определяющий воздействие на объект через регулирующий ор­ган и направленный на уменьшение рассогласования. Регулятор будет воздействовать до тех пор, пока регулируемый параметр не сравняется с заданным значением—постоянным или зависящим от нагрузки. От­клонение регулируемой величины от заданной может быть вызвано ' управляющим воздействием или нарушениями режима работы объек­та— возмущениями, источники которых могут быть внутренними и внешними. Регулятор непосредственного или прямого действия вклю­чает в себя чувствительный элемент, который развивает усилия, доста­точные для воздействия на исполнительный механизм. Если же усилий чувствительного элемента для перемещения регулирующего органа не­достаточно, то применяют регулятор косвенного действия с усилителем, получающим энергию извне от постороннего источника. Здесь чувстви­
тельный элемент является командным аппаратом. Усилитель выраба­тывает сигнал, управляющий работой исполнительного механизма (сер­вомотора), воздействующего на регулирующий орган.

Системы автоматического регулирования решают несколько задач. Первая задача сводится к стабилизации, при которой управляющее воз­действие остается неизменным при всех режимах работы объекта, т. е.

Поддерживаются постоянны­ми давление, температура, уровень и некоторые другие параметры. Вторая задача решается путем слежения (следящие системы), когда регулируемая величина или параметр изменяется в за­висимости от значения дру­гой величины, например рас­ход воздуха регулируется в зависимости от расхода топлива. Третьей задачей является осуществление про­граммного регулирования, когда значение регулируе­мого параметра изменяется во времени по заранее за­данной программе. Это осу-

Выход

Рис. 10-9. Принципиальная схема системы автома­тического регулирования.

/ *— объект; 2 — регулирующий орган; 3 — регулятор; 4 — задатчик; 5 — чувствительный элемент; 6 — усилитель; 7 исполнительный «Механизм.

Ществляется при циклических процессах, пусках, остановах.

Обычно системы автоматического регулирования используют ком­плекс нескольких принципов регулирования. К последним относится автоматическое регулирование по отклонению регулируемого параметра от заданного значения. Системы, построенные на указанном принципе, являются замкнутыми. Их достоинством является непрерывный кон­троль регулятора над регулируемым параметром, а недостаток прояв­ляется в том, что регулятор вступает в действие лишь при большем, чем заданное, значении отклонений; другими словами, имеет место не­полное устранение отклонений.

Система автоматического регулирования, основанная по принципу компенсаций возмущения, показана на рис. 10-10,а. В такой системе регулятор получает информацию о возмущениях, действующих на

Объект, и компенсирует их регулирующим воздействием. Регулятор мо­жет вступать в действие до отклонения регулируемого параметра; си­стема не контролирует регулируемый параметр, т. е. разомкнута.

Чаще используется комбинированная система, показанная на рис. 10-10,б. Схема использует достоинства разобранных ранее систем: регулирует параметр по отклонению от заданного значения, т. е. кон­тролирует этот параметр, и воздействует на регулирование но получе­нии информации о возмущениях, действующих на объект.

Системы автоматического регулирования принято оценивать по их статическим и динамическим характеристикам, которые находятся раз­личными путями, но которые являются основой для выбора и построе­ния системы. Поведение всякой САР, ее элементов и звеньев характе­ризуется зависимостями между выходными и входными величинами • в стационарном состоянии и при переходных режимах. Эти зависимос­ти составляются на основе законов сохранения энергии и материи в ви­де дифференциальных уравнений. Из последних можно получить пере­даточные функции для исследования свойств системы, ее элементов и звеньев.

Другим способом является получение динамических характеристик, которые отражают поведение объекта или элемента при типовых воз­действиях или возмущениях. К ним относятся кривые разгона и час­тотные характеристики. Первые показывают изменение во времени вы­ходной величины элемента при скачкообразном изменении входного воздействия. Если кривые регулируемого параметра объекта после воз­мущения с течением времени становятся вновь постоянными (но с но­вым значением), то элементы называют статическими.

Если же выходная величина на кривой разгона приобретает по­стоянную скорость изменения, элемент называют астатическим.

Наконец, если скорость изменения выходной величины с течением времени неограниченно возрастает, то элемент называют неустой­чивым.

Частотные характеристики определяют поведение элемента или си­стемы при гармонических изменениях входного воздействия. Регулято­ры, входящие в систему, могут быть без обратной связи, т. е. без отра­жения влияния характеристики регулирующего органа на регулируе­мую величину, с жесткой обратной связью, когда на работе регулирующего органа отражается состояние регулируемой величины, или с упругой обратной связью (изодромной), когда регули­рующий орган изменяет свое положение лишь после того, как процесс самовыравнивания регулируемой величины практически закончился.

В качестве исполнительных механизмов применяются гидравличес­кие поршневые сервомоторы, пневматические и электрические устрой­ства. Исполнительные механизмы различаются по наличию и виду свя­зи {жесткой или гибкой) и числу датчиков этой связи—от одного до двух. Электронные и другие регуляторы, в том числе ТИПОВ АМК-Г, АМК-Ж, «Кристалл» и др., используются в производственных и про­изводственно-отопительных котельных для регулирования процессов (горения, питания) или параметров температуры и других величин.

Задачами регулирования процесса горения являются:

Во-первых, поддержание расхода топлива в соответствии с расхо­дом пара или теплоты с данного или нескольких агрегатов;

Во-вторых, обеспечение подачи воздуха в топочное устройство в со­ответствии с расходом топлива для осуществления экономичного сжи­гания последнего;

В третьих, регулирование удаления дымовых газов, полученных ' при сгорании топлива.

Для реализации первого положения принимают, что при устано­вившемся режиме работы котельного агрегата расход топлива и исполь­зованная теплота пропорциональны расходу пара. Это видно из урав­нения баланса теплоты:

= На­показ ател ем равновесного состояния между поступлением топлива и расходом пара может быть давление пара в барабане или паропро­воде, а изменение давления служит импульсом для регулятора. Для подачи воздуха и поддержания его избытка, обеспечивающего эконо-

21

Мичное сжигание топлива, исходят из положении, что а =

Лм. л/д

ЦСЙ*“ или а=-коГ-

Но так как сигналы от газоанализаторов обычно запаздывают, то условились считать, что для выделения единицы теплоты при сжигании любого сорта и состава топлива требуется одинаковое количество кис­лорода. Это вытекает из правила Вельтера — Бертье, по которому ко-

ОР

Личество воздуха V0 =г Ыущ, м8/кг. Тогда, считая теплоту по расходу

Пара или топлива, можно поддерживать расход воздуха пропорциональ­ным расходу топлива, т. е. осуществлять схему «топливо — воздух».

Эта схема больше всего пригодна для природного газа и жидкого топлива С фРн—сог^ во времени (при возможности измерять их расход).

Третье положение — требуемое удаление дымовых газов контро­лируется обычно по разрежению в топочной камере. Сказанное спра­ведливо при стационарном процессе; при переходных процессах может иметь место расхождение между количеством теплоты, выделенным сго­ревшим топливом, и количеством теплоты, воспринятым в котлоагрега - те. Эта разница пропорциональна скорости изменения давления полу­ченного в агрегате пара во времени а где а — коэффициент, учи­тывающий степень изменения скорости и называемый условно «им­пульсом по теплоте».

Ян

При использовании импульса по "расходу пара О выражение а исполь­

Зуется как корректирующий импульс по теплоте. Тогда суммарный им­пульс имеет вид: £) + о^-- Однако при колебаниях величины <2РН не

Будет сохраняться экономичность процесса, если не вводить корректи­ровку.

Поэтому была предложена схема «пар — воздух», в которой пода­ча топлива регулируется по импульсу от давления пара, а регулятор воздуха получает импульс в виде алгебраической суммы импульсов по расходу пара, топлива и воздуха.

Регулирование расхода удаляемых дымовых газов обычно ведется по разрежению в топочной камере. При нескольких котлоагрегатах устанавливается главный регулятор, который подает корректирующие импульсы на регуляторы топлива или воздуха каждого из котлоагрега - тов. Кроме процесса горения в котлоагрегатах, дающих пар, обязатель­но регулируется автоматически подача воды в барабан; ее осуществля­ют по импульсам от уровня воды, расхода пара и часто по расходу питательной воды.

Стальные водогрейные котлы также имеют автоматическое регу­лирование процесса горения и температуры воды за котлом, здесь од­ним из импульсов является температура наружного воздуха.

С помощью выпускаемых регуляторов или из отдельных его эле­ментов можно собрать также регуляторы нагрузки водогрейных котлов разного типа, регуляторы деаэраторов, теплообменных, редукционно­охладительных и других установок котельных.

Устройства автоматической защиты подразделяются на отключающие и локализующие: первые переводят агрегат в нера­ботающее состояние, вторые проводят действия, препятствующие вы­ходу за допустимые параметры.

Для выполнения различных операций большинство защит исполь­зует электроэнергию, обеспечивающую быстроту переключений. Часто отключающие защиты имеют две ступени действия: первую восстанав­ливающую и вторую отключающую. Последняя ступень действия сра­батывает только цри невозможности восстановления процесса.

С действием защит от частичного нарушения процессов в котель­ных агрегатах связано и применение блокировок, которые всегда рабо­тают автоматически. Этот вид автоматизации осуществляет определен­ную внешнюю связь между элементами установки или агрегата, приво­дящую к изменению состояния всех связанных между собой элементов при изменении состояния одного из них. Существуют также автомати­ческие блокировки замещения, кроме запретно-разрешающих и аварий­ных блокировок, которые включают резервное оборудование установ­ки (вместо действовавшего) через автоматы включения резерва й по­вторного включения.

При наличии глубоко автоматизированных установок с защитами и блокировками иногда применяют телемеханизацию — процесс автома­тического пуска, регулирования и остановки объекта, осуществляемый дистанционно с помощью приборов, аппаратов или других устройств без участия человека. При телемеханизации на центральный пульт управления выносят показания главных приборов, контролирующих ра­боту основного оборудования теплоснабжающих установок, располо­женных на расстоянии в несколько километров от пульта управления, и часть ключей для пуска и остановки этого оборудования. Автомати­зация работы котельных агрегатов позволяет получить, кроме повыше­ния надежности и облегчения труда, как показал опыт, определенную экономию топлива: при автоматизации регулирования процесса горе­ния топлива и питания агрегата на 1—2%; при регулировании работы вспомогательного котельного оборудования — еще на 0,2—0,3% и при регулировании температуры перегрева пара на 0,4—0,6%.

Однако общие затраты на автоматизацию не должны превышать нескольких процентов от стоимости установки.