Автоматизированное управление технологическими процессами функциональной группой перегрева пара пылеугольного барабанного парогенера

Регулирующим  воздействием служит изменение расхода  питательной воды подаваемой в барабан, а изменение давления пара может  достигаться, например, путем воздействия на расход топлива подаваемого в топку котла.

Для получения  оптимальных показателей качества переходных процессов предусматривается подстройка динамических параметров настройки регуляторов нижнего уровня. Подстройка осуществляется при изменении режимов работы энергоблока или условий его эксплуатации (изменение вида и характеристик топлива или состава работающего оборудования). Подстройка может осуществляться дистанционно, оператором с помощью приспособлений, имеющихся на пульте управления и на регуляторах или автоматически с помощью УВК

5.3 Стабилизация параметров  технологического процесса

При эксплуатации технологического оборудования необходима стабилизация параметров технологического процесса, таких как давление пара и тепловой нагрузки барабанного  котла, экономичность процесса горения, разрежение в топке, температура  первичного и вторичного перегрева  пара, питание котла водой, качество котловой воды и другие. Даже небольшой  выход какого-либо из этих параметров за допустимые пределы может привести к серьезным последствиям, вплоть до критической ситуации, невозможности предотвращения аварии. Для стабилизации используют регулирующие устройства. Но так как необходимо учитывать, что все вышеперечисленные параметры взаимно связаны и  изменение одного из них повлечет за собой изменение остальных, то в настоящее время используют управляющие вычислительные комплексы. Вычислительные комплексы обладают достаточно большим быстродействием, большой памятью и вычислительными возможностями. Они также быстро выдают необходимые рекомендации, либо сами воздействуют на технологический процесс. В наше время УВК очень часто используются и хорошо себя зарекомендовали.  

Стабилизация  параметров технологического процесса обеспечивается локальными системами (для конкретного участка котлоагрегата). Категория локальных АСР - основа  иерархической структуры АСУ ТП.

6 ДЕТАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

6.1 Идентификация ТОУ

Регулирование уровня во многом определяет надежность работы котельного агрегата. Поэтому снижение или повышение уровня может привести к аварийным ситуациям. И если в первом случае это повышение температуры стенок обогреваемых труб с последующим их пережогом, то во втором случае это поломка турбины. Следовательно, даже маленькое изменение уровня недопустимо.

Как правило, качество регулирования питания  определяется не только точностью поддержания уровня на заданном значении, но и равномерностью подачи питательной воды.

Отличительной чертой регулирования уровня в барабане котла является то, что в данном случае регулируется уровень двухфазной среды. В связи с этим при воздействии  различных возмущений приводит к  изменению состояния двухфазной среды и как следствие к  изменению уровня. В стационарных режимах барабан и экранные трубы  котла заполнены водой при  температуре кипения, в которой содержится пузырьки пара. Разность удельных весов пара и воды, а следовательно, и объемов при изменении режима приводит к отклонению уровня.

Рассмотрим  более подробно динамические свойства барабанного котлоагрегата как объекта регулирования уровня по различным каналам регулирующих и возмущающих воздействий.

6.1.1 Возмущение расходом  питательной воды

Возмущение  расходом питательной воды может  происходить как при регулирующем воздействии, так и при изменении давления в питательной магистрали. Динамические свойства объекта регулирования можно определить экспериментальным и аналитическим путем.

Для котла  с некипящим экономайзером временная характеристика по уровню при возмущении питательной водой имеет вид, изображенный на рисунке 2 [4, с.241]. здесь видно как в первоначальный момент времени уровень изменяется в сторону, не соответствующую знаку возмущающего воздействия благодаря увеличению подачи холодной воды вызывает понижение температуры всей пароводяной смеси и соответственное уменьшение объема пара в барабане котла и циркуляционной системе.

Рисунок 2 -Характеристика изменения уровня

Таким образом, функция Н = f(t) является сложным динамическим звеном. Временную характеристику можно аппроксимировать двумя параллельно включенными элементарными звеньями: инерционным первого порядка и интегрирующим. Передаточная функция при этом будет иметь вид:

, 

где W₁(р) – передаточная функция объекта регулирования, соответствующая характеристике 2 (см. рисунок 3); W₂(р) – та же функция, соответствующая характеристике 3.

Постоянная времени интегрирующего звена при постоянном ступенчатом возмущающем воздействии f_w = W₀ с учетом рис. 2 равна:

T₁ = W₀ / tg a₁, 

а коэффициент передачи инерционного звена первого порядка определяется из соотношения: k₁ = H₁/W₀.

Постоянная времени T₂ определяется графически из рисунок 3.

Это был первый способ, но есть и другой, который в практических расчет наиболее целесообразен – это способ аппроксимации временной характеристики. Здесь участок, соответствующий провалу или набуханию уровня, заменяют звеном запаздывания. И передаточная функция объекта регулирования по каналу «расход питательной воды - уровень» (рисунок 3) при таком способе аппроксимации представляет собой:

, 

где W₃(p) = exp(–pt) – передаточная функция запаздывающего звена.

Рисунок 3 - Структурная  схема объекта регулирования  уровня барабанного котла

Временную характеристику можно посмотреть в [1, стр.18, рисунок 2-2 б].

С учетом дополнительного запаздывания временную  характеристику по уровню котла с  кипящим экономайзером при возмущении питательной водой, так же и до случая с некипящим экономайзером, приближенно можно аппроксимировать только двумя последовательно включенными элементарными звеньями: интегрирующим запаздывающим (см. рисунок 4).

 

Рисунок 4 - Структурная  схема объекта регулирования  барабанного котла

Время запаздывания в этом случае слагается из чистого  и некоторого переходного запаздываний. Величина времени запаздывания зависит от интенсивности парообразования и обычно составляет 100-150 с.

При этом можно  отметить, что аппроксимация временной  характеристики двумя элементарными звеньями для котлов с кипящим экономайзером дает более точные результаты, чем для котлов с не кипящим экономайзером.

6.1.2 Возмущение температурой  питательной воды

Возмущение  температурой питательной воды может  произойти при изменении количества работающих регенеративных подогревателей высокого давления, что приводит к  перемене режима работы экономайзера.

При увеличении температуры питательной воды и  постоянном обогреве увеличивается  парообразование в испарительном контуре. В результате уровень в барабане будет повышаться. В дальнейшем увеличение парообразование при постоянном расходе пара потребителю приведет к подъему давления в барабане котла и, как следствие, к уменьшению удельного объема пара и сокращению  парообразования, что вызовет снижение уровня.

Таким образом, реакция объекта регулирования  на изменение температуры питательной  воды аналогична его поведению при  изменении расхода топлива. Переходные процессы при возмущении температурой питательной воды показаны на рис. 2-2,в [1].

Полная структурная  схема объекта регулирования  уровня барабанного котла, составленная на основании анализа динамических свойств объекта по основным каналам  возмущения, передаточная функция соединения запишется как

. 

Здесь W₈(p) - передаточная функция интегрирующего звена; W₉(p) – передаточная функция запаздывающего звена.

При известной  временной характеристике (см. рис. 2-2,6 [1]) постоянная времени интегрирующего звена Т₃ определяется из соотношения подобному и для T₁:

T₃ = W₀/tg a₂. 

Рассмотрев  динамические свойства барабанного  котлоагрегата, как объекта регулирования уровня по различным возмущающим воздействиям необходимо выбрать структурную схему АСР питания водой.

6.1.3 Возмущения нагрузкой  потребителя

При увеличении нагрузки потребителя падает давление в барабане, а это увеличивает  удельный объем пара в пароводяной  смеси. Кроме того, при этом уменьшается  температура кипения воды в циркуляционном контуре и за счет тепла аккумуляции происходит дополнительное парообразование, что приводит к увеличению паросодержания.

При увеличении давления в котле увеличивается  температура кипения. Парообразование  уменьшается, соответственно снижается  паросодержание в экранных трубах и в барабане, а так же уменьшается удельный объем пара.

Временную характеристику изменения уровня в барабане при  постоянном ступенчатом изменении паровой нагрузки можно посмотреть на рис. 2-2,в [1].

При изменении  паровой нагрузки с неизменным расходом питательной воды и топлива в  начальный момент времени вызывает набухание уровня. Эта величина зависит  от рабочих параметров, конструктивных особенностей котельного агрегата и от теплового напряжения экранных испарителей поверхностей нагрева котла.

Временная характеристика уровня при возмущении паросъемом котла достаточно точно аппроксимируются двумя параллельно включенными звеньями: апериодическим звеном первого порядка и интегрирующим звеном, выходные величины которых складываются с противоположными знаками (рисунок 5).

Рисунок 5 - Структурная  схема объекта регулирования  уровня барабанного котла

, 

где W₄ – передаточная функция регулирования, соответствующая характеристике 5, на рис. 2-2,в [1], W₅ – та же функция, соответствующая характеристике 6; k₄ -коэффициент передачи инерционного звена.

6.1.4 Возмущение расходом  топлива

Характер  переходного процесса при возмущении расходом топлива и неизменном расходе  питательной воды аналогичен характеру  переходного процесса при возмущении нагрузкой потребителя, отличны же значения коэффициентов в уравнениях передаточных функций.

При возмущении расходом топлива изменяется парообразование  и одновременно идет процесс аккумуляции тепла. Так, при увеличении расхода топлива повышается уровень, в то же повышается и давление, сопровождаемое уменьшением удельного объема пара и увеличение температуры кипения и как следствие уменьшением парообразования, что вызывает снижение уровня.

В общем виде передаточная функция по каналу «возмущение  топливо - уровень» имеет вид:

, 

где W₆(p) – передаточная функция инерционного звена первого порядка, характеризующего процесс изменения уровня за счет изменения количества пара в испарительном контуре; W₇(p) – передаточная функция интегрирующего звена, характеризующего материальный небаланс между подачей воды и генерацией пара.

6.2 Выбор структурной  схемы

Применение  одноимпульсной одноконтурной АСР  уровня воды в барабане парового котла  не обеспечивает требуемого качества регулирования, так как характерным  возмущением на систему является изменение расхода пара для потребителя. При этом проявляется так называемое явление набухания. В первый момент при увеличении расхода пара на потребление уровень воды даже возрастает. И регулятор РУ, вместо того чтобы прибавлять питательную воду, начинает ее убавлять. Только после уменьшения уровня начинается добавление воды; уровень воды в барабане сильно падает. При определенных достаточно глубоких возмущениях по нагрузке появляется опасность аварийных ситуаций.

Введение  дополнительного импульса по расходу  пара с помощью датчика ДП позволяет повысить качество регулирования и не допустить значительного отклонения уровня воды при возмущении по этому каналу. Недостатком такой (двухимпульсной) схемы было бы наличие статической ошибки, так как регулятор в этом случае стабилизирует не уровень в барабане котла, а некоторую алгебраическую сумму сигналов по уровню и расходу пара со своими весовыми коэффициентами, определяемыми при настройке. Так, если чувствительность по каналу расхода пара минимальна, то приближаемся к одноимпульсной схеме; если же минимальна чувствительность по каналу регулирования уровня, то приближаемся к схеме регулирования расхода пара. Для ликвидации статической ошибки применяют трехимпульсную схему (рисунок 6). В этом случае в динамике при возмущении по расходу пара АСР работает, как описано выше, а статическая ошибка устраняется за счет того, что сигналы по расходу пара и воды подаются в установившемся состоянии (в статике) на вход регулятора равными по значению и противоположными по знаку.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 - Трехимпульсная система регулирования воды в барабане котла

 

Наличие нестационарных режимов на границе  раздела паровой и двухфазовой  сред в условиях непрерывного перемещения больших масс воды и пара приводят к пульсации уровня в барабане котла с некоторой амплитудой А и частотой со около средних значений. Для уменьшения амплитуды пульсаций выходной до допустимых пределов служит демпфер, представляющий собой инерционное звено первого порядка. Структурная схема трех импульсной АСР питания приведена на рисунке 7. Для расчета АСР уровня произведем преобразование структурной схемы представленной на рисунке 7 к виду, изображенному на рисунке 10.

 

 

W_HD(p) – передаточная функция объекта регулирования по каналу расход пара – уровень;

W_HW(p) – передаточная функция объекта регулирования по каналу расход питательной воды – уровень;