Расчет САР котла БКЗ-50-39ГМ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

ЗАОЧНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

 

Специальность  220301                                       Шифр

 

 

 

                                   Контрольная работа №1

По АТПиП

 

Студента  5 курса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                           Преподаватель:

 

 

 

 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012 г.

 

 

 

 

Характеристика  котла БКЗ-50-39ГМ:

• паропроизводительность- 50 т/ч (номинальная);

- 60 т/ч (максимально  устойчивая);

• давление в барабане- 39 атм;
• температура перегретого пара- 430 ⁰С;
• расход воды - 50 т/ч (номинальный);

- 65 т/ч (максимальный);

• расход газа- 5650 нм³/ч (при производительности 60 т/ч);

Котел оснащен:

• шестью газовыми горелками;
• дутьевым вентилятором типа ВД-18 с характеристикой 75600 м^З/ч, 450 мм.вод.ст.;
• дымососом ДН-19ГМ с характеристикой 133400 м^З/ч, 150 ⁰С.

 

Рис. 2.2. Функциональная схема САР расхода  топлива с коррекцией по давлению пара в барабане котла.

 

Котёл состоит  из верхнего и нижнего барабанов, соединенных опускными и подъемными трубами. Радиантная зона топки котла защищена экранными трубами. Пароперегреватель имеет две выносные коллекторные камеры: входную и выходную. Змеевики пароперегревателя расположены в конвекционной зоне топки котла. Для более полного использования тепла уходящих газов установлен экономайзер, в котором питательная вода дополнительно подогревается. Тракт дымовых газов заканчивается дымовой трубой. Воздух для сжигания топливного газа подаётся принудительно вентилятором с электроприводом.

 

3.  Характеризация объекта управления

 

Задачей системы  автоматического управления паровым  котлом является поддержание давления пара на выходе из котла в соответствии c технологическими требованиями. Регулирование осуществляется изменением подачи топлива в топку котла. При качественном способе регулирования температуры пара на выходе из котла определяет его тепло-производительность.

По каналу регулирования "расход топлива–давление пара" паровые котлы характеризуются значительной инерционностью.

Кроме того, в пределах допустимых отклонений следует  поддерживать следующие величины:

• разрежение в топке – регулируется путем изменения положения заслонки, находящейся между топкой и дымососом, отсасывающего газы из топки;
• оптимальный избыток воздуха – регулируется изменением положения заслонки, находящейся между топкой и дутьевым вентилятором, нагнетающего в топку воздух;

К возмущающим  факторам относятся: пульсации давления топлива и воздуха, изменение  расхода сетевой воды, изменение  температуры воздуха и т.п.

Таким образом, паровой котел как объект управления представляет собой динамическую систему  с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами.

Система управления паровым котлом включает САР тепловой нагрузки, соотношения "топливо-воздух" и разряжения в топке.

 

3.1 Анализ существующих схем регулирования тепловой нагрузки

 

1. Регулирование тепловой нагрузки по схеме "задание-расход топлива"

В данной схеме  регулирования регулятор нагрузки котла получает сигнал от датчика  давления пара в котле и воздействует на регулирующий орган, изменяя подачу топлива к котлу.

 

Рис.3.1. Структурная схема регулятора нагрузки парового котла.

 

3. Анализ схем регулирования экономичности процесса горения

 

3. Регулирование экономичности по схеме "топливо – воздух"

Данная схема  регулирования применяется при  сжигании в топке котельного агрегата жидкого или газообразного топлива  с постоянной теплотой сгорания. В  этом случае расход воздуха изменяется системой автоматического регулирования пропорционально расходу сжигаемого топлива. Изменение расхода жидкого или газообразного топлива обычно производится достаточно точно, поэтому схема "топливо – воздух" наряду с простотой исполнения и надежностью обеспечивает также экономичное ведение процесса горения.

Регулятор соотношения  топлива и воздуха получает два  импульса: по расходу (давлению) топлива  и давлению воздуха. В соответствии с графиком соотношения "топливо–воздух" регулятор воздействует на направляющий аппарат дутьевого вентилятора.

 

Рис.3.2.Структурная  схема регулятора воздуха по соотношению  "топливо - воздух".

 

3. Регулирование экономичности по схеме "топливо – воздух" с коррекцией по давлению пара в котле

Введение  дополнительного корректирующего  сигнала по давлению пара в котле  повышает точность поддержания оптимального количества топлива в системе  регулирования экономичности при  изменении качественного состава  топлива, топочных возмущений и т.д.

 

 

Рис.3.3.Структурная  схема регулятора топлива с коррекцией по давлению.

 

3. Анализ существующих схем регулирования разряжения в топке

 

2. Регулирование разряжения по схеме "задание – разряжение"

В данном случае регулирующее устройство получает импульс по разряжению в  топке от датчика разряжения и  воздействует на направляющий аппарат  дымососа, поддерживаю заданное оптимальное  значение разряжения в топке.

 

Рис.3.4.Структурная схема  регулятора разряжения.

 

• Регулирование разряжения с использованием динамической связи от регулятора воздуха

Такая схема регулирования применяется  для улучшения качества регулирования  в переходных режимах в системах регулирования разряжения котельных  агрегатов большой производительности. Динамическая связь позволяет компенсировать все возмущения в топке, которые  возникают при работе регулятора воздуха.

 

Рис.3.5. Структурная схема  регулятора разряжения с динамической связью.

 

 

4. Получение объекта модели

 

Чтобы рассчитать САР, необходима математическая модель объекта управления, т.е. уравнения, которые описывают процессы, происходящие в системе.

Модель динамики объекта получена методом активного  эксперимента. Он заключается в снятии переходных характеристик и определении  по ним коэффициентов передаточной функции. Переходная характеристика - это решение дифференциального  уравнения системы при ступенчатом  входном воздействии и нулевых  начальных условиях. Данная характеристика, как дифференциальное уравнение, характеризует  динамические свойства линейной системы (стационарность свойств объекта, линейность объекта регулирования, сосредоточенность  параметров объекта).

Для определения  динамических характеристик объекта  регулирования получены кривые переходных процессов соответственно при возмущениях  регулирующим органом – расходом (давлением) топлива.

 

4.1 Расчет  одноконтурной САР давления топлива

 

При ступенчатом  открытии регулирующего клапана  на 10 % получена зависимость изменения  давления топлива, в общем топливопроводе с течением времени. При этом давление возросло на 0.3 кПа, что составляет 15 % от диапазона его измерения. Отсюда:

 

 

Коэффициент передачи измерительного преобразователя:

 

 

 

 

Коэффициент передачи исполнительного  механизма:

 

 

 

Коэффициент передачи системы по каналу давление топлива равен:

 

 

Время запаздывания объекта 

 

Рис. 4.1 Кривая разгона по каналу давление топлива.

 

Производится  нормирование полученной кривой разгона  с использованием следующей формулы:

 

 

Кривая разгона  объекта может быть аппроксимирована передаточной функцией вида:

 

 

Кривая инерционной  составляющей, была аппроксимирована в Linreg следующей передаточной функцией:

 

 

Погрешность аппроксимации – СКО = 0.0025

 

Рис 4.2. Модель одноконтурной САР давления топлива

 

 

Рис 4.3. КЧХ объекта

 

Для правильного функционирования регулятора необходимо рассчитать оптимальные  настройки. Расчет настроек регулятора проводится двумя методами: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача.

 

\Рис 4.4. Выход одноконтурной САР давления по заданию

 

Таблица 4.1. Настройки регуляторов  полученные с помощью программы  LinReg

Параметр настройки	ПИ-Регулятор (метод Ротача)	ПИД-Регулятор (метод Ротача)
Kp	0,226	0,39
Tи	2,38	1,83
Тд	0	1,84

 

Рис. 4.5. Выход одноконтурной САР давления по внутреннему возмущению.

 

 

Рис 4.6. Варьированная АЧХ одноконтурной САР давления

 

Сравнение двух методов: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача в табл.4.1. показало что, с настройками ПИ регулятора по методу Ротача В. Я., при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания.

 

4.2 Расчет  одноконтурной САР давления пара в котле

 

При ступенчатом увеличении давления топлива на 4 % от диапазона его  изменения, получена зависимость изменения  давления в котле барабана с течением времени. Давление возросло на 2,3%, что  составляет 0,03 МПа от диапазона его  измерения. Отсюда:

 

 

Коэффициент передачи измерительного преобразователя:

 

 

 

Коэффициент передачи исполнительного  механизма:

 

 

 

Коэффициент передачи системы по каналу давление топлива равен:

 

 

Время запаздывания объекта 

 

Рис. 4.7. Кривая разгона по каналу давление пара.

 

Производится  нормирование полученной кривой разгона  с использованием следующей формулы:

 

 

Кривая разгона  объекта может быть аппроксимирована передаточной функцией вида:

 

 

Кривая инерционной  составляющей, была аппроксимирована в Linreg следующей передаточной функцией:

 

 

Погрешность аппроксимации – СКО = 0.0043

 

Рис 4.8. КЧХ объекта

 

Для правильного  функционирования регулятора необходимо рассчитать оптимальные настройки. Расчет настроек регулятора проводится двумя методами: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача.

 

Таблица 4.2. Настройки регуляторов полученные с помощью программы LinReg.

Параметр настройки	ПИ-Регулятор (метод Ротача)	ПИД-Регулятор (метод Ротача)
Kp	2,16	5,18
Tи	19,5	14,17
Тд	0	12

 

Рис 4.9. Выход одноконтурной САР давления пара в котле по заданию

 

 

Рис. 4.10. Выход одноконтурной САР давления пара по внутреннему возмущению.

 

Сравнение двух методов: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача в табл.4.2. показало что, с настройками ПИ регулятора по методу Ротача В. Я., при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания.

 

Рис 4.11. Варьированная АЧХ одноконтурной САР давления пара

 

 

Рис 4.12. Модель одноконтурной САР давления пара в котле

 

5.  Расчет каскадной САР

 

Рис. 5.1. Структурная схема САР процесса горения по схеме расход топлива  с коррекцией по давлению пара в  котле.

 

Каскадные системы  применяются для автоматизации  объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования, если можно  выбрать менее инерционную по отношению к наиболее опасным возмущениям промежуточную координату и использовать для нее то же регулирующее воздействие, что и для основного выхода объекта.

Вследствие  более высокого быстродействия внутреннего  контура в каскадной АСР повышается качество переходного процесса, особенно при компенсации возмущений, поступающих  по каналу регулирования. При этом инерционность эквивалентного объекта существенно снижается по сравнению с инерционностью с основным каналом регулирования.