Судовые паропроизводящие установки

Принципы регулирования уровня воды в котле. Пита тельные системы паровых котлов

Питательная система котла предназначена для непрерывной подачи в котел питательной воды заданной температуры в количестве, обеспечивающем поддержание уровня воды в паровом коллекторе в допустимых пределах.

Поддержание заданного уровня воды в паровом коллекторе является одной из главнейших задач, обеспечивающих надежную работу котла. При высоком уровне воды в котле возможны забросы котловой воды в пароперегреватель и, как следствие, разрушение его конструкций от гидравлических ударов. Интенсифицируется также вредное явление уноса в пароперегреватель влажного пара вместе с содержащимися в нем солями. Отложения солей, в свою очередь, вызывают:

- в пароперегревателях - пережог труб из-за недопустимо высоких температурных режимов;

- в паропроводах и путевой арматуре - выход их из строя, а также являются центрами межкристаллитной коррозии;

- в проточной части турбин - снижение КПД ГТЗА, уменьшение проходного сечения межлопаточных каналов. Эти явления приводят к возникновению значительных осевых сил, действующих на ротор турбины, которые могут вызвать выплавление упорного подшипника турбины и привести к аварии ГТЗА.

СлиШкОм низкий уровень воды в паровом коллекторе котла может привести:

- к срыву естественной циркуляции из-за захвата пара в опускные трубы;

- к упуску воды из котла и оголению парообразующих труб что, в свою очередь, приводит к нарушению режима охлаждения парообразующих труб и, как следствие, к неизбежному пережогу трубной системы котла.

Уровень воды в паровом коллекторе регулируется с помощью регулятора питания котла, воздействующего на степень открытия питательного клапана. В простейших и вспомогательных котлах, не подвергающихся частым и глубоким изменениям нагрузки, а также в котлах с большим относительным водосодержанием могут использоваться простейшие поплавковые (Рис. 70) или термогидравлические регуляторы уровня. Однако в судовых котельных установках такие простейшие регуляторы применяются крайне редко. Чаще в качестве регуляторов уровня используются одноимпульсные и двухимпульсные гидравлические регуляторы питания.

В основу действия гидравлических регуляторов питания положен принцип сравнения уровня воды в паровом коллекторе с «эталонным» уровнем воды в конденсационном сосуде, размещаемым над паровым коллектором котла (Рис. 71).

Полость конденсационного сосуда соединена с паровым пространством котла трубкой. Пар при работе котла конденсируется на стенках конденсационного сосуда, конденсат заполняет конденсационный сосуд по верхний срез трубки, а излишек конденсата стекает обратно в паровой коллектор. За счет этого обеспечивается постоянный (эталонный) уровень жидкости в конденсационном сосуде, не зависящий от режима работы котла и внеШнИх воздействий (качка судна, крен, дифферент и т. д.). Роль чувствительного элемента регулятора выполняет мембрана, разделяющая полость регулятора на два объема. Сигнал по текущему уровню в паровом коллекторе (давление столба жидкости) поступает в верхнюю полость над мембраной, а сигнал эталонного уровня в конденсационном сосуде - в нижнюю полость под мембраной. В результате на мембране формируется сигнал АН который, сравниваясь с заданным значением АН, преобразуется чувствительным элементом регулятора в линейное перемещение мембраны. Перемещение мембраны усиливается струйным усилительным реле (на схеме не показано) и поступает на сервопривод управления питательным клапаном котла. При повышении уровня воды в паровом коллекторе давление жидкости в полости над мембраной увеличивается, вызывая прогиб мембраны вниз. Перемещение мембраны через усилительное реле передается на сервопривод, прикрывающий питательный клапан и уменьшающий расход питательной воды в котел. При снижении уровня воды в паровом коллекторе давление жидкости в нижней полости прогибает мембрану

Рис. 71. Схема одноимпульсного гидравлического регулятора питания котла.

Вверх, обеспечивая перемещение тарелки питательного клапана на открытие и увеличивая подачу питательной воды в котел.

В системах питания главных котлов, подвергающихся частым и глубоким изменениям нагрузок, одноимпульсные регуляторы питания применять невозможно из-за неправильной их работы в переходных режимах (Рис. 72). При увеличении отбора пара из котла на турбину давление в паровом коллекторе котла начинает падать, котловая вода становится перегретой относительно нового установившегося давления и, в первоначальный момент времени (до отработки регулятора давления пара), происходит бурное кипение воды, приводящее к набуханию уровня в паровом коллекторе. ОРП реагирует на временное набухание уровня прикрытием питательного клапана и уменьшает подачу питательной воды в котел. В результате, после отработки РДП и восстановления им заданного давления пара, уровень воды в котле проседает и может стать недопустимо низким, приведя к оголению труб поверхностей нагрева. При уменьшении отбора пара происходит обратная картина: до отработки РДП давление пара в паровом коллекторе повышается, часть паровых пузырьков конденсируется и уровень в котле в первоначальный момент проседает. ОРП, реагируя на снижение уровня, приоткрывает питательный клапан, увеличивая подачу воды в котел. После восстановления РДП заданного давления пара в котле, паровой коллектор оказывается перепитанным.

В системах питания главных котлов целесообразно применять двухимпульсные регуляторы питания - ДРП, которые используют для коррекции своей работы в переходных режимах дополнительный импульс по изменению расхода пара, отбираемого из котла (Рис. 73). В чувствительном элементе ДРП используются две мембраны, делящие полость регулятора на три объема. Сигнал по эталонному уровню в конденсационном сосуде НКС поступает в полость под нижней мембраной, сигнал по фактическому уровню воды в паровом коллекторе кПК - в среднюю полость между мембранами, а сигнал по изменению расхода пара В ВПЕ - в полость над верхней мембраной. В стационарных режимах работы котла (без изменения расхода пара) ДРП работает как обычный одноимпульсный регулятор питания, т. е. в работе находится только нижняя мембрана, реагирующая на изменение уровня воды в паровом коллекторе котла. В переходных режимах работы доминирующим сигналом становится импульс по изменению расхода пара, который сдерживает воздействие нижней мембраны на сервопривод питательного клапана до окончания переходного процесса и стабилизации нового установившегося значения расхода пара.

Для того, чтобы питательный клапан имел линейную характеристику, при которой расход питательной воды через клапан пропорционален степени его открытия, на нем должен поддерживаться постоянный перепад

Давления. Линейность характеристики питательного клапана обеспечивает регулятор перепада давления (РПД). Сигнал по перепаду давления на питательном клапане - Ар сравнивается с заданным значением перепада. Рассогласование этих сигналов, усиленное струйным усилительным реле - УР, поступает на сервопривод регулирующего клапана подачи пара к турбоприводу питательного насоса - РКТПН. При снижении перепада давления на питательном клапане РПД приоткрывает регулирующий клапан, увеличивается расход пара на турбопривод ТПН, увеличиваются обороты питательного насоса, приводя к восстановлению заданного перепада давления. При увеличении перепада давления на питательном клапане РПД снижает обороты ТПН, восстанавливая заданный перепад давления на питательном клапане.

В питательных системах паровых котлов, в зависимости от используемой тепловой схемы КТЭУ, возможно применение подогревателей питательной воды поверхностного или смесительного типов. Водоподогреватель поверхностного типа представляет собой обычный рекуперативный теплообменник, в котором теплота греющего пара передается нагреваемой воде через трубную поверхность нагрева. В качестве водоподогревателей смесительного типа используются деаэраторы, в которых подогрев воды осуществляется путем смешивания греющего пара с мелко распыленной водой. Одновременно с подогревом воды в деаэраторе происходит удаление растворенных в ней газов.

В питательных системах котлов с водоподогревателем поверхностного типа (Рис. 74.а), водоподогреватель устанавливается на напорном трубопроводе питательного насоса. Питательная вода с напора основного питательного насоса (как правило, это насос с турбоприводом - ТПН) подается в водоподогреватель. Подогретая питательная вода через регулятор питания - ДРП и питательный клапан поступает в экономайзер котла. В целях резервирования механизмов, на случай выхода из строя основного питательного насоса, параллельно с ним в систему включается резервный питательный насос (обычно с электроприводом - ЭПН). В случае выхода из строя основного питательного насоса, водоподогревателя или регулятора питания котла, схема предусматривает использование резервной питательной ветки и перемычек, обеспечивающих питание котла без задействования вышедшего из строя оборудования.

В питательных системах котлов с водоподогревателем смесительного типа (деаэратором), водоподогреватель устанавливается после конденсатного насоса перед питательным (Рис. 74.6). Конденсатный насос подает воду в деаэратор, где происходит ее распыливание и смешивание с греющим паром. Подогретая питательная вода скапливается в нижней части деаэратора и забирается бустерным насосом, создающим подпор для работы питательного насоса. Бустерный насос в схеме питательной системы может отсутствовать при возможности установки деаэратора на
достаточной высоте над всасывающими патрубками питательных насосов и обеспечении необходимого подпора для работы питательных насосов за счет напора столба жидкости. Питательный насос, через регулятор питания и питательный клапан, подает воду в паровой котел. Параллельно с основным питательным насосом обычно включается резервный питательный насос, работающий в режимах пуска/остановки котла, или пускающийся автоматически при выходе из строя основного питательного насоса. В таких питательных системах отсутствует резервная ветка питания котла помимо водоподогревателя и регулятора питания, так как питание котла водой с неисправным деаэратором категорически запрещается.

Греющии

Пар

А

А) с водоподогревателем поверхностного типа;

Б) с водоподогревателем смесительного типа (деаэратором)

КН - конденсатный насос; ЭПН - электропитательный насос; БН - бустерный насос; ТПН - турбопитательный насос; Сл. К - слив конденсата греющего пара;

Др - деаэратор; ДРП - двухимпульсный регулятор питания;

ВПП - водоподогреватель поверхностного типа.

Принципы регулирования давления пара в котлах.

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:

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 - QФ. 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:

Q = Ка42^И, [м3/с]

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 п раз напор топливного насоса должен быть увеличен в п[2] 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.

2. В. Путем слива части топлива из вихревой камеры. Как и в обычной механической форсунке топливо с расходом QТ 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 - QФ, а другая - QСЛ - 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.

2. Г. 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 - QСЛ; оставшееся топливо в распыленном виде поступает в топку - QФ. 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.

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

Производительность которой - QФ1 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;

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 ^Л с заданным, и рассогласование этих сигналов преобразует в перемещение штока клапана подачи греющего пара в нефтеподогреватель. Постоянное давление топлива за топливными насосами поддерживается регулятором

А

РДП

ПРДТ

Давления топлива РДТ путем сравнения фактического значения давления топлива за нефтеподогревателем - рТЛ с заданным - рТЛ. 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 - рПЕ. 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 - СПТУ. 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

15

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.

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.

Регулирование пода чи воздуха в паровых котлах Воздушные системы паровых котлов

Воздушная система предназначена для подачи в топку котла воздуха в количестве, обеспечивающем качественное сгорание топлива с необходимым коэффициентом избытка воздуха.

Для обеспечения качественного сгорания топлива и экономичной работы котла коэффициент избытка воздуха в должен находиться в пределах а = 1,05 + 1,15. Снижение коэффициента избытка воздуха приводит к неполноте сгорания топлива (увеличению потери от химической неполноты сгорания топлива - 03), образованию сажистых отложений на поверхностях нагрева и снижению КПД котла. Увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к дополнительным потерям теплоты с уходящими газами - 02.

Принципы регулирования и построения систем подачи воздуха в котлах с вентиляторным дутьем и в высоконапорных котлах имеют свои особенности.

В котлах с вентиляторным дутьем основным элементом системы регулирования подачи воздуха является регулятор давления воздуха - РДВ (Рис. 79). В этом регуляторе суммируются сигналы по давлению атмосферного воздуха - рА, избыточному давлению воздуха в коробе котла - рК, и сигнал заданного значения нагрузки котла, поступающий от РДП. Результирующий сигнал усиливается струйным усилительным реле и передается на регулирующий орган. В главных котлах регулирующим органом обычно является клапан подачи пара на турбину котельного турбовентилятора - ТВК (Рис. 79.а). В котельных установках, у которых в воздуШнЫх системах используются электровентиляторы (Рис. 79.б), регулирующим органом является привод воздушной заслонки, устанавливаемой в воздуховоде за котельным вентилятором.

Для обеспечения бездымного сгорания топлива регулятор воздушной системы котла должен производить опережающую подачу воздуха при наборе нагрузки котла (включении очередной форсунки). С этой целью, при увеличении нагрузки система регулирования обеспечивает предварительный разгон турбовентилятора (или открытие воздушной заслонки), затем осуществляет открытие с помощью сервопривода регистров ВНУ соответствующей форсунки, и в последнюю очередь увеличивает подачу топлива на форсунки. При сбросе нагрузки котла сначала происходит уменьшение расхода топлива через форсунки (отключение форсунки), затем закрытие соответствующего ВНУ и, в последнюю очередь, воздействие на регулирующий орган (уменьшение подачи воздуха от котельного вентилятора).

РДВ - регулятор давления воздуха; ТВК - котельный турбовентилятор;

ЭВК - котельный электровентилятор; К - клапан подачи пара на котельный

Турбовентилятор; ВЗ - регулирующая воздушная заслонка;

РА - атмосферное давление воздуха; рК - давление воздуха в кожухе котла;

РЗАД - заданное значение давления воздуха для данной нагрузки котла (сигнал от РДП).

В высоконапорных котлах основным элементом системы регулирования подачи воздуха является регулятор расхода воздуха - РРВ (Рис. 80). В отличие от РДВ, в РРВ измеряется перепад давлений на газовом импульсе котла - разность давления воздуха на выходе из компрессора ТНА, и давления газов в газоходе котла перед газовой турбиной. Объектом регулирования является турбокомпрессор ТНА, приводимый во вращение газовой и добавительной паровой турбинами, а регулирующими органами - клапан подачи пара на добавительную турбину ТНА - СК и заслонка перепуска воздуха из компрессора - ВЗ.

При вводе в действие ВНК первоначальная раскрутка компрессора осуществляется добавительной паровой турбиной. При этом воздействие РРВ осуществляется на сервопривод клапана подачи пара в ДПТ ТНА (сопловый клапан ТНА), воздушная заслонка при этом полностью закрыта. При увеличении нагрузки ВНК мощность газовой турбины возрастает, происходит перераспределение нагрузки между газовой турбиной ТНА и добавительной паровой турбиной: мощность газовой турбины

Увеличивается, вызывая прикрытие соплового клапана добавительной паровой турбины. На режиме работы ВНК, когда мощность газовой турбины сравнивается с потребной мощностью компрессора, работа

Компрессора осуществляется только за счет работы газовой турбины, клапан подачи пара на добавительную паровую турбину полностью закрывается, ДПТ автоматически отключается от работы ТНА. При дальнейшем увеличении нагрузки котла воздействие РРВ осуществляется на привод воздушной заслонки системы перепуска воздуха. Заслонка открывается, перепуская «лишний» воздух мимо ВНК в дымовую трубу (в некоторых схемах - на всасывание ТНА). При уменьшении нагрузки котла уменьшаются расход и температура газов, поступающих в газовую турбину, снижается мощность газовой турбины ТНА. РРВ при этом воздействует на сервопривод воздушной заслонки, обеспечивая ее закрытие и, после полного закрытия воздушной заслонки, воздействует на открытие клапана подачи пара в сопловый аппарат добавительной паровой турбины.

Так как режим баланса мощностей механизмов ТНА является неустойчивым, в реальных установках воздушная заслонка может открываться несколько ранее полного закрытия клапана подачи пара на ДПТ (в режиме увеличения нагрузки котла), и закрываться позже начала открытия соплового клапана ДПТ (в режиме сброса нагрузки). Это обеспечивает более устойчивую работу ТНА и системы регулирования в переходном режиме.

Так же, как и в котлах с вентиляторным дутьем, в ВНК с целью обеспечения бездымного сгорания топлива система регулирования осуществляет опережающую подачу воздуха (раскрутку ротора компрессора) при увеличении нагрузки котла, и опережающее снижение подачи топлива при сбросе нагрузки.

В последних версиях системы регулирования высоконапорных котлов вместо сигнала перепада на газовом импульсе котла используется сигнал перепада давления газа в сопловом аппарате газовой турбины ТНА (Рис. 81). При этом обеспечивается более высокая точность регулирования подачи воздуха в топку ВНК из-за того, что сигнал перепада давлений в сопловом аппарате ТНА изменяется в более широких пределах. В остальном принципы регулирования остаются прежними, рассмотренными для схемы, изображенной на Рис. 80.

Принципы и схемы регулирования температуры пара

Одним из отрицательных свойств водотрубных котлов с ЕЦ является зависимость температуры перегретого пара от нагрузки котла. Температура перегретого пара, вырабатываемого паровым котлом, зависит от многих эксплуатационных факторов: перемены влажности топлива, изменения коэффициента избытка воздуха, степени загрязнения труб пароперегревателя и т. д. Вместе с тем, постоянство температуры перегретого пара облегчает задачу регулирования главной турбины и механизмов КТЭУ.

Для регулирования температуры перегретого пара могут применяться следующие способы:

- установка газонаправляющих шиберов, изменяющих расход продуктов сгорания через трубную систему пароперегревателя;

- установка внутриколлекторных пароохладителей и выносных пароохладителей, охлаждаемых котловой водой или потоком воздуха, направляемого в топку;

- впрыск питательной воды или конденсата;

- смешивание перегретого пара с насыщенным из парового коллектора;

- установка пароперегревателя с отдельной топкой.

Регулирование температуры пара с использованием газовых шиберов

Схема регулирования температуры перегретого пара газовыми шиберами применяется очень давно. Котлы с газовым регулированием температуры пара имеют два газохода. В А-видных котлах газоходы расположены симметрично относительно вертикальной оси (Рис. 83.а), в других типах котлов общий газоход может быть разделен продольной перегородкой на две части (Рис. 83.б). Пароперегреватель обычно располагается в одном из газоходов котла.

Температура перегретого пара регулируется перераспределением потока продуктов сгорания между газоходами с помощью изменения проходного сечения одного из газоходов за счет перекрытия его поворотным газовым шибером. Газовые шиберы располагают в зоне температур 330 ^ 350 оС, что устраняет их коробление и пережог.

Схема регулирования температуры пара с газовыми шиберами имеет свои недостатки. При загрязнении трубной системы пароперегревателя сажистыми отложениями, для поддержания необходимой температуры перегретого пара приходится перепускать все больший и больший расход газов через газоход, в котором расположен пароперегреватель. При сильном загрязнении возможно наступление такого момента, когда газовый шибер будет полностью направлять весь поток газа через газоход с пароперегревателем для поддержания заданной температуры пара. Второй газоход при этом полностью выключается из работы.

Регулирование температуры пара с помощью пароохладителей

Для работы котлотурбинной установки в большинстве случаев необходимо иметь пар пониженных параметров, который поступает на вспомогательное оборудование КТЭУ - турбоприводы вспомогательных механизмов и в теплообменные аппараты. Для этой цели можно отбирать насыщенный пар непосредственно из парового коллектора котла. Но отбор пара из парового коллектора снижает скорости и расходы пара в трубах пароперегревателя, приводя к ухудшению условий охлаждения трубной системы, повышению температуры стенок труб пароперегревателя и увеличивая опасность их пережога.

Способ регулирования температуры перегретого пара за счет охлаждения всего пара или его части в специальном пароохладителе широко используется в котельных установках транспортных судов. Суть метода регулирования состоит в том, что часть перегретого пара направляется в змеевик пароохладителя - ПО, расположенный в водяном пространстве парового коллектора котла (Рис. 84). Охлаждение пара в змеевике происходит за счет теплоотдачи от пара к котловой воде. Охлажденный пар может отбираться непосредственно на потребители, либо смешиваться с перегретым паром, регулируя его температуру. Регулирующим органом является перепускной клапан - РК, распределяющий поток пара за секцией пароперегревателя 1 на пароохладитель, или байпассируя его мимо трубной системы пароохладителя сразу во вторую секцию пароперегревателя. Регулятор температуры пара - РТП сравнивает заданное значение температуры перегретого пара - ТПЕ с фактическим - ТфЕ за второй секцией пароперегревателя, а их рассогласование усиливается и преобразуется в перемещение штока регулирующего клапана.

Регулирование температуры пара впрыском конденсата

22

Редукционно-охлаждающие устройства - РОУ используются для регулирования параметров пара перед конечными потребителями и обеспечивают поддержание перед этими потребителями постоянных заданных давления и температуры пара. Типичная схема регулирования температуры и давления слабоперегретого пара с помощью РОУ представлена на Рис. 85.

РОУ состоит из трех регуляторов:

- регулятора давления пара - РДП;

- регулятора температуры пара - РТП;

- дифференциального регулятора давления - ДРД.

Регулируемыми параметрами в РОУ являются давление и температура перегретого пара. Пар подается в смесительную камеру - СК. Сюда же впрыскивается конденсат, поступающий от конденсатной системы КТЭУ.

В регуляторе давления пара сравнивается заданное значение давления

- рПЕ с фактическим - рФЕ. Рассогласование сигналов, усиленное струйным усилительным реле, передается на сервопривод управления регулирующим клапаном РК1. В регуляторе температуры пара сравнивается заданное значение давления - іПЕ с фактическим - ^Е. Рассогласование сигналов, усиленное струйным усилительным реле, передается на сервопривод управления регулирующим клапаном РК2, изменяющим расход конденсата в смесительную камеру. Для обеспечения синхронного регулирования давления пара и его температуры на выходе из РОУ, штоки регулирующих клапанов РК1 и РК2 (сервоприводов) имеют

Жесткую связь, позволяющую РТП оперативно реагировать на изменения расхода пара через клапан РК1 .

Дифференциальный регулятор давления - ДРД необходим для обеспечения линейной характеристики клапана РК2 за счет поддержания на нем постоянного перепада давления. Для этого фактический перепад давления - АрФ сравнивается с заданным - АрЗад, и их рассогласование через сервопривод воздействует на регулирующий клапан РК3, через который конденсат от КПС подается в РОУ.

В струйные усилительные реле регуляторов и сервоприводы клапанов подается вода системы рабочей воды котельной автоматики. Защитно­предохранительный клапан - ЗПК предназначен для защиты магистрали слабоперегретого пара от несанкционированного повышения давления при выходе из строя основного регулятора - РДП.

Регулирование температуры перегретого пара, отбираемого от главных котлов, производится в соответствии со схемой, изображенной на Рис. 86.

Пароперегреватель котла разбит на две секции - ПП-1 и ПП-2. Между секциями пароперегревателя включен пароохладитель с эжектором - ЭЖ. В РТП происходит сравнение заданного значения температуры перегретого пара - іПЕ с фактическим за секцией ПП-2 - іфЕ. Рассогласование этих сигналов, усиленное струйным усилительным реле,

Воздействует на сервопривод регулирующего клапана РК, подающего конденсат в смесительную камеру эжектора. Конденсат для впрыска образуется в поверхностном конденсаторе - ПКр. Конденсатор прокачивается охлаждающей водой, роль которой выполняет питательная вода, поступающая из экономайзера котла. Пар, поступивший в поверхностный конденсатор из парового коллектора, конденсируется, и образовавшийся конденсат скапливается в конденсатосборнике. Для предотвращения переполнения конденсатосборника из него в паровой коллектор проведена дренажная трубка.

Важной особенностью этой схемы регулирования является тот факт, что при изменении паропроизводительности котла одновременно изменяется количество впрыскиваемого конденсата. Вследствие этого получается эффект, аналогичный использованию второго импульса по нагрузке котла.

Регулирование температуры пара добавкой перегретого пара в

Насыщенный

Этот способ широко распространен для получения пара пониженных параметров в магистралях слабоперегретого пара. Насыщенный пар отбирают непосредственно из парового коллектора котла. В этот же трубопровод через дроссельные шайбы добавляют часть перегретого пара из главного паропровода. Давление и температура в магистрали слабоперегретого пара регулируются с помощью автоматического редукционного клапана.

Использование пароперегревателя с отдельной топкой

Этот способ позволяет получить ШиРокий диапазон регулирования температуры перегретого пара с помощью изменения расхода топлива в отдельной топке пароперегревателя. Однако устройство отдельной топки для пароперегревателя значительно усложняет конструкцию котла, систему регулирования, а также связано с увеличением массогабаритных показателей котлоагрегата. Такой способ регулирования не получил распространения в судовых котельных установках.

Система автоматического регулирования и защиты котлов

Система автоматического регулирования предназначена для регулирования и поддержания заданных параметров работы парового котла.

Как правило, система обеспечивает регулирование следующих параметров:

- давление пара в паровых котлах (регулирование расхода топлива в соответствии с заданной нагрузкой котла);

- регулирование температуры топлива, поступающего к форсункам котла;

- поддержание необходимого коэффициента воздуха (регулирование подачи воздуха в котел);

- регулирование уровня воды в котле;

- регулирование температуры пара (при необходимости);

- регулирование параметров работы основного оборудования (топливных и питательных насосов, котельных вентиляторов и т. д.).

Для выполнения указанных функций система автоматического регулирования главных котлов - САР включает в свой состав регуляторы горения, питания и регулятор давления (расхода) воздуха. При необходимости поддержания заданного значения температуры перегретого пара в состав системы входит регулятор температуры пара.

САР главных котлов по сути представляет собой разрозненные регуляторы, конструктивно входящие в состав различных систем котла. Так, регуляторы горения и температуры топлива конструктивно входят в состав топливной системы котла; регулятор давления (расхода) воздуха входит в состав системы подачи воздуха; регулятор питания котла входит в состав питательной системы. Каждый из них выполняет свою определенную функцию, а их работа взаимосвязана условно режимом работы котла.

В основном системы регулирования главных котлов выполняются на основе гидравлических регуляторов, рабочей средой которым служит питательная вода. Питательная вода на систему рабочей воды котельной автоматики отбирается от одной из ступеней питательного насоса. В современных системах могут устанавливаться отдельные электронасосы системы рабочей воды котельной автоматики. В этом случае устанавливается, как правило, не менее двух насосов, один из которых является основным, второй - резервным. Резервный насос должен запускаться автоматически в случае падения давления в системе рабочей воды автоматики ниже определенного аварийного значения (при аварии основного насоса). Вода от насосов САР подается на сервоприводы регулирующих клапанов: ДРП, сервопривод клапана подачи пара к котельному вентилятору (добавительной паровой турбине ТНА) и к струйным усилительным реле. Слив воды осуществляется в цистерну рабочей воды автоматики или в конденсатно-питательную систему КТЭУ.

В современных условиях все чаще применяются САР главных котлов на основе аппаратно-программных комплексов (микропроцессорной техники), которые обеспечивают:

- автоматизированный ввод в действие подготовленных главных котлов при работающих вспомогательных механизмах;

- автоматическую работу котлов на различных нагрузочных режимах;

- работу одного котла в автоматическом режиме а второго - в дистанционном или ручном (для двухкотельной установки);

- автоматическое регулирование основных параметров работы котла;

- прием информации и ее обработку о параметрах работы ТНА (для высоконапорных котлов);

- контроль состояния котла;

- дистанционное управление регулирующей арматурой;

- ручное управление регулирующей арматурой с местных постов управления горением, питанием и подачей воздуха;

- аварийную защиту котла по аварийным параметрам;

- выдачу сигналов в локальные системы управления

Вспомогательными механизмами;

- взаимодействие с системой РУЗ ГТЗА;

- остановку котла с пульта управления котельной установкой;

- сигнализацию состояния работающего котла, основных его параметров, представление информации по параметрам работы котла на пульте оператора котельной установки;

- аварийную и предупредительную сигнализацию при выходе

Основных параметров за допустимые пределы.

Система защиты предназначена для предотвращения аварии котла в нештатных ситуациях.

Защита котлоагрегата обычно производится по следующим

Аварийным параметрам:

- при достижении давления пара в котле более чем на 5 % превышающего рабочее значение;

- при разрывах трубопровода питательной воды или главного паропровода;

- при срыве факела в топке котла;

- при повышении или понижении уровня воды в паровом коллекторе до аварийного значения.

Система защиты также служит для экстренной (в течение 1 ^ 2 сек.) остановки котла оператором котельной установки путем воздействия вручную на быстрозапорное устройство - БЗУ.

Дополнительно к перечисленному, в высоконапорных котлах система защиты срабатывает в следующих аварийных ситуациях:

- при угрозе возникновения помпажа осевого компрессора;

- при увеличении частоты вращения ротора ТНА выше допустимой;

- при падении давления в системе смазки ТНА ниже допустимого значения.

В систему защиты котла обычно входят следующие устройства:

- импульсные и главные предохранительные клапаны, расположенные на паровом коллекторе котла;

- быстрозапорное устройство котла - БЗУ, включающее в себя главный и вспомогательный стопорные клапаны с сервоприводами, отключающие котел от магистралей перегретого и насыщенного пара (вспомогательный стопорный клапан на некоторых типах котлов может иметь только ручной привод, в этом случае он в состав БЗУ не входит), и быстрозапорный топливный клапан, отключающий котел от топливной магистрали;

- невозвратно-запорный питательный клапан, предотвращающий упуск воды из котла при разрыве питательного трубопровода.

В систему защиты ВНК, дополнительно к перечисленному, входят следующие устройства:

- командный блок, расположенный на ТНА и предназначенный для выдачи управляющего сигнала на БЗУ котла для остановки котлоагрегата по сигналам защиты ТНА;

- быстрозапорный клапан ТНА, предназначенный для быстрого прекращения подачи пара на добавительную турбину ТНА;

- заслонка перепуска воздуха, обеспечивающая снятие нагрузки с ТНА по воздуху и перепускающая воздух с напора ТНА в атмосферу;

- клапан блокировки ТНА по маслу, предназначенный для остановки котлоагрегата при падении давления масла в системе смазки ТНА и предотвращающий пуск ТНА без смазки.

При использовании САР котла на базе аппаратно-программных комплексов, сигналы по аварийным параметрам котла вырабатываются в АПК и передаются на исполнительные органы системы защиты.

Система теплотехнического контроля паровых котлов

Система теплотехнического контроля предназначена для постоянного или периодического контроля основных параметров работающего котла. С этой целью котельную установку оборудуют следующими контрольно-измерительными приборами:

- не менее чем двумя водоуказательными приборами;

- манометрами, термометрами, расходомерами, солемерами, уровнемерами, кислородомерами, газоанализаторами и другими КИП.

Водоуказательные приборы - ВУП являются ответственным элементом любого котлоагрегата. От надежности и точности их показаний непосредственно зависит надежная работа котла. Каждый котел имеет не менее двух независимых ВУП, устанавливаемых на паровом коллекторе со стороны переднего фронта (зоны обслуживания). На ВУП отмечаются нижний, средний и верхний уровни воды в котле (дополнительно могут указываться аварийные нижний и верхний уровни).

Работа котла разрешается только с двумя исправными ВУП. При выходе из строя одного из них разрешается работа котла не более 15 ^ 20 минут (до 1 часа, в зависимости от конструкции котла). Этого времени, как правило, достаточно для замены неисправного водоуказательного прибора запасным. Если в течение указанного времени заменить неисправный ВУП не удалось, необходимо вывести котел из действия. Котел незамедлительно должен быть выведен из действия при выходе из строя двух водоуказательных приборов.

В настоящее время в судовых котельных установках широко применяются дистанционные указатели уровня воды в котле - ДУУ, показывающие приборы которых выведены на пульт управления котельной установкой. Показания ДУУ периодически должны сравниваться с показаниями водоуказательных приборов. При неисправности ДУУ необходимо усилить контроль за уровнем воды в котле по водоуказательным приборам.

При использовании САР котла на базе аппаратно-программных комплексов, сигналы от измерительных приборов системы теплотехнического контроля преобразуются в электрические сигналы, поступающие в центральный компьютер, преобразуются в цифровую форму, а их значения высвечиваются на пульте управления оператора котельной установки. Часть из этих сигналов может использоваться в системах предупредительной и аварийной сигнализации и в системе защиты котла.