Автоматическая система регулирования разрежения в топке котла

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

 

 

Паровой котел  как объект управления представляет собой сложную динамическую систему  с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами. Однако явно выраженная направленность участков регулирования по основным каналам регулирующих но воздействий, таким как расход питательной воды D_п.в , уровень H_б, расход воды на впрыск D_впр , перегрев t_п._п., расход топлива

B_т , давление р_п.п и др. позволяет осуществлять стабилизацию регулируемых величин с помощью независимых одноконтурных систем, связанных лишь через объект управления. При этом регулирующее воздействие того или иного участка служит основным способом стабилизации регулируемой величины, а другие воздействия считаются по отношению к этому участку внутренними или внешними возмущениями.

Управляемый процесс  парообразования происходит в подъемных  трубах циркуляционного контура 2, снабжающихся водой из опускных труб 3 и экранирующих камерную топку 1, в которой сжигается топливо В_т. Для поддержания процесса горения с заданным коэффициентом избытка α в топку нагнетается вентилятором ДВ воздух Q_B, предварительно нагретый в воздухоподогревателе 9.

Дымовые газы Q_r, образовавшиеся в результате процесса горения, отсасываются из топки дымососом ДС. Они проходят через поверхности нагрева экономайзера 8, воздухонагревателя 9 и удаляются в атмосферу через дымовую трубу. Насыщенный пар из барабана 4 поступает в пароперегреватель 5, 6, где перегревается до требуемой температуры за счет радиации факела и конвективного обогрева топочными газами.

Основные регулируемые величины котла — расход перегретого  пара D_п.п, давление р_п._п и температура t_п.п.

При этом расход пара может  изменяться в широком диапазоне, а давление и температура поддерживаются в сравнительно узких пределах допустимых отклонений, что обусловливается требованиями заданного режима работы турбины или иного потребителя теплоты.

Температура перегрева пара может  поддерживаться вблизи заданного значения, например, посредством изменения расхода охлаждающей воды D_впр на пароохладитель 7. Давление пара отклоняется от заданного значения во всех случаях небаланса между количествами потребляемого пара D_п.п и генерируемого (вырабатываемого) в экранных трубах D_б. Небаланс устраняется посредством регулирования тепловыделения в топке, главным образом изменением подачи топлива. Кроме названных, следует поддерживать в пределах допустимых отклонений следующие величины: уровень воды в барабане Н_б (регулируется изменением подачи питательной воды D_п.п); разрежение в верхней части топки S_T (регулируется изменением производительности дымососов, отсасывающих дымовые газы из топки); оптимальный избыток воздуха за пароперегревателем α (регулируется изменением производительности дутьевых вентиляторов, нагнетающих воздух в топку); солесодержание котловой воды в пересчете на NaCl (регулируется изменением расхода воды D_np, выпускаемой из барабана в сепаратор непрерывной продувки).

Система автоматического регулирования  барабанного парового котла в целом состоит из отдельных замкнутых систем:

1) давления перегретого пара р_п.п и тепловой нагрузки D_q ;

2) избытка воздуха в топке, определяемого содержанием О₂ за пароперегревателем,— экономичности процесса горения;

3) разрежения в верхней  части топки S_Т;

4) температуры перегрева  пара;

5) питания котловой  водой; 

6) качества котловой  воды.

 

Рисунок 1.1. Принципиальная технологическая схема барабанного парового котла

 

 

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АСР РАЗРЕЖЕНИЯ В ТОПКЕ КОТЛА

 

 

          Автоматическая система регулирования разрежения предназначена для поддержания материального соответствия между количеством газов, образующихся при сжигании топлива, и количеством газов, удаляемых из котла. Показателем этого соответствия служит разрежение в топке котла.

        Повышение давления в топке ведет к выбиванию дымовых газов из-за неплотности обшивки котла и пылению. Увеличение разрежения приводит к увеличению присосов неорганизованного холодного воздуха в топку и как следствие — к уменьшению КПД котла. Резкое увеличение разрежения (до 150—250 Па) может привести к срыву и погасанию факела с последующим остановом котла защитой по погасанию факела.

        АСР должна обеспечить при стационарном режиме работы котла максимальное отклонение разрежения не более ±20 Па, а при скачкообразном изменении нагрузки на 10% исходной номинальной разрежение не должно изменяться более 30 Па.

        Автоматическая система регулирования разрежения тесно связана с АСР расхода воздуха и является составной частью АСР процесса горения. Она строится обычно по типовой схеме (рисунок 2.1): разрежение 5_Т в верхней части топки измеряется первичным измерительным преобразователем (датчиком) разрежения Дs и подается на регулятор разрежения РР, дополнительно на РР поступает сигнал от регулятора воздуха РОВ через комплект динамической связи КДС; РР воздействует на направляющий аппарат НАД дымососа ДС. АСР состоит из объекта регулирования, датчика разрежения, регулирующих устройств,  коммутирующей и управляющей аппаратуры, исполнительных механизмов и регулирующих органов.

     Объектом регулирования в АСР разрежения является газо-воздушный тракт котла от ввода воздуха в топку до всаса дымососов.

 

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема АСР разрежения

 

      Характерными для объекта регулирования являются малое запаздывание τ малая постоянная времени Т и значительные пульсации,  иногда превышающие уровень регулируемого параметра.       Пульсации разрежения связаны с работой вращающихся механизмов (вентиляторов, дымососов), а также с процессом горения топлива (пульсация факела), их частота 5—10 Гц. Наличие регенеративных вращающихся воздухоподогревателей приводит к низкочастотной пульсации разрежения.

    При  установке в качестве золоулавливающих  устройств электрофильтров появляются  дополнительные объемы, соизмеримые с объемом топки, что ухудшает динамические свойства объекта регулирования.

     Характерными для АСР возмущениями  являются изменения расходов воздуха, дымовых газов, топлива и присосов в газо-воздушный тракт котла. Наиболее существенны первые два. Любые изменения расхода воздуха сразу же сказываются на разрежении.

Однако использование  КДС в АСР разрежения желательно только для котлов с электрофильтрами, в остальных случаях применение динамической связи между АСР воздуха и АСР разрежения нецелесообразно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ объекта РЕГУЛИРОВАНИЯ

 

 

При разработке систем автоматического  регулирования разного уровня сложности  нужно знать точную математическую модель динамических свойств объекта. Она необходима как для синтеза АСР, так и для исследования реакций объекта на разные воздействия.

Математическую модель можно построить двумя способами: аналитическим и экспериментальным. Аналитический способ применяется  для построения математических моделей простых объектов, когда есть явная зависимость между всеми входными и выходными величинами.

Получить аналитическое  описание теплоэнергетических объектов, как правило, не удается, поэтому  прибегают к экспериментальному определению математических моделей управления.

При экспериментальном  исследовании возможные два пути:

- проведение активного  эксперимента. Активный эксперимент проводят на действующем объекте или системе, в определенной степени нарушая процесс нормального функционирования. В этом случае на вход объекта подается некоторое идентифицирующее воздействие. Потом совместно обрабатываются входные и выходные переменные и получают математическую модель объекта в виде передаточной функции.

• пассивный метод. В случае использования пассивных экспериментов математическая модель объекта определяется по результатам естественного изменения входных и выходных величин в процессе нормального функционирования системы без каких-либо вмешательств в режим ее работы.

На практике чаще всего используются активные методы проведения эксперимента. В этом случае на вход объекта подают ступенчатое воздействие X (в данном случае единичное) и снимают временную зависимость выходной величины h(t) от входного ступенчатого воздействия – кривую разгона. Затем, обработав результаты эксперимента, строят математическую модель объекта регулирования в виде передаточной функции.

На рисунке 2.1 представлена экспериментальная временная характеристика объекта.

 

Рисунок 2.1 – Временная характеристика объекта

 

По переходной функции временной характеристики можно сказать, что переходная функция объекта обладает самовыравниванием и некоторым запаздыванием и имеет вид переходной функции апериодического звена n - го порядка. Поэтому в качестве структуры математической модели объекта  можно выбрать передаточную функцию следующего вида:

 

. (2.1)

Для выбора исходных значения неизвестных коэффициентов к, Т, n, τ, использована методика приведенная в [1].

Из рисунка 2.1 определяем: Т=20с, τ=8с,k=1, n принимаем  
равным 2.

Для проверки адекватности модели и объекта необходимо построить  переходную функцию модели и проверить  ее совпадение с переходной функцией объекта. Для этого проводим моделирование  полученной системы во временной  области при той же форме входного воздействия при которой сымалась экспериментальная функция объекта и нулевых начальных условиях (Х = 0).

Для идентификации объекта во временной области воспользуемся стандартной программой RIOB. Получив с помощью программы RIOB переходную характеристику модели объекта, проводится проверка адекватности модели и объекта. Критерием адекватности модели и объекта является совпадение экспериментальной переходной характеристики объекта с полученной переходной характеристикой модели в трех точках: в начале координат, в точке перегиба и в установившемся режиме, а также совпадение первой производной переходной функции объекта и аппроксимирующей кривой в точке перегиба [1]. 

Если переходная функция модели не совпадает с переходной функцией объекта, осуществляется корректировка Т и τ в ту или  иную сторону и снова осуществляется проверка адекватности.

В данном случае изменяем Т и τ до значений:  Т = 14 c, τ = 4 с. Переходная функция может быть аппроксимирована следующей передаточной функцией (2.2). 

 

  (2.2)

 

На рисунке 2.2 представлены аппроксимирующая и  экспериментальная характеристики объекта.

 

Рисунок 2.2 – Переходные функции объекта регулирования

1 – экспериментальная; 2 – аппроксимирующая

 

Так как экспериментальная  и аппроксимирующая характеристики практически совпадают, то аппроксимация  проведена верно. Следовательно, передаточная функция 2.2 достаточно точно описывает свойства объекта регулирования.

 

 

 

3 ВЫБОР КРИТЕРИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ  И ЗАКОНА РЕГУЛИРОВАНИЯ

3.1 Выбор закона регулирования

 

 

Для управления малоинерционными объектами обычно используются одноконтурные системы управления с регуляторами реализующими пропорциональный (П), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) законы управления.

Одним из основных требований, предъявляемых  к промышленным системам, является поддержание равенства Y=X_зад в условиях действия внешних возмущающих воздействий.

Поскольку  большинство возмущающих воздействий неконтролируемые, то большинство промышленных систем управления реализованы по принципу отклонения, т.е. ведется постоянное наблюдение за отклонением выходной координаты от заданного значения.

При разработке структуры системы  управления, при выборе закона регулирования ставится требование, чтобы отсутствовала статическая ошибка в замкнутой системе управления, т.е отсутствие разницы между выходной координатой и заданием в установившемся режиме. Из-за возникновения опасности потери устойчивости  регулирования при изменении динамических свойств объекта управления в процессе работы, то в качестве критерия оптимальности выдвигается требование, чтобы система регулирования обладала заданным запасом устойчивости. Также требуется минимизация динамической ошибки.

Отсутствие статической ошибки достигается путем введения в прямой канал системы управления астатизма, хотя бы первого порядка. Поэтому в промышленных системах для управления объектами без самовыравнивания, используют  
П-регулятор, для управления объектами с самовыравниванием используют  
ПИ-регулятор.

Как видно из рисунка 2.1, система регулирования  разрежения в топке, как объект регулирования, является объектом с самовыравниванием. Поэтому для отсутствия статической ошибки используем ПИ закон регулирования.   

 

 

3.2 Выбор критерия оптимальности

 

 

 

Для того чтобы замкнутая  динамическая система с обратной связью не потеряла устойчивость необходимо при правильном выборе алгоритма функционирования регулятора  выбрать для него  оптимальные параметры настройки. При определении оптимальных параметров настройки из условия минимума среднеквадратичной ошибки такое явление не наблюдается, однако интенсивность затухания колебаний переходных процессов в такой системе недостаточна для того, чтобы систему использовать на производстве.