Автоматизация судовых паротурбинных установок

Курсовая работа на тему:Автоматизация судовых паротурбинных установок
Задание на курсовую работу:
Номер варианта: № 1
 Δt, с м1, мм м2, мм мmax, мм Pmax, Па 13 65 26 70 5 ∙ 105
Разгоннаяхарактеристика, снятая через Δt, с:Pп, ∙ 105 Па 5 4,15 3,5 3,25 2,87 2,64 2,49 2,3 2 2 2 2 Смоделировать системуавтоматического регулирования давления пара в пароводяном барабане спропорциональным гидравлическим регулятором, а также определить и построитьдиаграммы показателей качества переходных процессов в зависимости отнастроечных параметров регулятора.
Оглавлениеавтоматизация паротурбинная установка регулятор парВведениеПервый раздел
1.  Назначение и описаниеобъекта регулирования
2.  Особенности эксплуатацииобъекта регулирования
3.  Необходимость ицелесообразность автоматизации объекта
регулирования
4. Возмущающиеи регулирующие воздействия. Требования к качеству регулирования
5. Выводуравнения динамики объекта регулирования
6. Определениекоэффициентов уравнения динамики объекта регулирования
Второй раздел
1. Выборрегулятора. Принципиальная, функциональная и структурная схемы регулятора.Устройство и принцип действия
2. Уравнениединамики и статики регулятора. Динамическая и статическая характеристики регулятора
3. Уравнениединамики и статики САР. Статические характеристики САР
4. УстойчивостьСАР
5. Исследованиединамики САР
6. Вопросыэксплуатации САР
Вывод
Список используемой литературы

Введение
Широкаяавтоматизация процессов управления судовой энергетической установкой — важнейшее средство не только поддержания высоких технико-экономическихпоказателей ее эксплуатации, но и существенного сокращения числа обслуживающегоперсонала, создания благоприятных условий для выполнения производственныхфункции, и, следовательно, повышения эффективности труда персонала.
Работыв области автоматизации процессов управления СЭУ вообще и паротурбиннымиустановками в частности в отечественном судостроении практически были начатысразу после окончания второй мировой войны и ведутся непрерывно в возрастающемобъеме. Первый этап характеризовался разработкой систем автоматическогорегулирования рабочего процесса в различных элементах установки — созданием такназываемых локальных автоматических систем. В результате были созданы средстваи схемы автоматического регулирования котельных установок, конденсатных систем,деаэрационных установок, систем снабжения греющим паром потребителей, системвсережимного и ограничительного регулирования частоты вращения вала ГТЗА и др.
На первом этапе работ по автоматизации судовых паротурбинныхустановок были разработаны теоретические основы расчета, наладки, испытания иэксплуатации автоматических систем, что нашло отражение в многочисленныхпубликациях работ по этому вопросу и способствовало существенному сокращениюпродолжительности проектирования и наладки систем и повышению надежности ихдействия. Второй этап развития автоматизации судовых технических средств вообщеи их энергетических установок в частности характерен комплексным подходом крешению этой проблемы. Этот подход заключается в том, что автоматизацияохватывает комплекс функций в сфере управления установкой, включая контрольпараметров, обработку и представление результатов контроля оператору в наиболееудобной для него форме, конечные режимы работы установки, исходя при этом изусловия достижения максимальной эффективности ее эксплуатации. Рядспецифических задач автоматизации возник в связи с переходом кцентрализованному управлению установкой из изолированного поста, в том числе ииз рулевой рубки, и к безвахтенному ее обслуживанию.
Весьмаактуальными для современного судостроения и перспективных судов становятсяновые задачи управления автоматическая оптимизация стационарных режимов работыустановки в связи с изменением условий ее эксплуатации и характеристиквходящего в ее состав энергетического оборудования, диагностический контрольсостояния энергетического оборудования с представлением оператору обобщенныхпараметров, характеризующих ухудшение этого состояния, и др. Такой контрольпозволит обнаружить отклонения от нормального состояния оборудования ипредотвратить аварийные ситуации на ранних стадиях их возникновения. Этоповысит надежность действия установки и сократит продолжительность ремонта ееоборудования.
Комплексный подход к решению проблемы автоматизации процессовуправления заключается также и в том, что объекты и средства автоматизациирассматриваются как составные части единой автоматической системы независимо отстепени их конструктивного единства. Исходя из этого, должны быть, согласованыстатические и динамические характеристики средств и объектов управления. Тольков этом случае будут созданы необходимые условия для нормальногофункционирования автоматической системы.

Первыйраздел1. Назначение и описание объектарегулирования
Котельная установка паротурбинного судна состоит из одногоили нескольких паровых котлов, вспомогательных механизмов, трубопроводов,теплообменных аппаратов и воздуховодов. Назначение котельной установки —производство пара в необходимом количестве с заданными параметрами при возможноменьших удельных расходах топлива. При этом должна быть обеспечена высокаянадежность.
Заданныезначения параметров (давление Pр и температура перегрева />) определяют располагаемуюпотенциальную энергию пара, поэтому от точности поддержания их зависит экономичностьработы потребителей пара.
Экономичностьсжигания топлива в топках котлов зависит главным образом от точности поддержанияоптимального соотношения расходов топлива и воздуха, которое характеризуетсякоэффициентом избытка воздуха />.
Надежнаяработа котельной установки может быть обеспечена при обязательном условииудержания уровня воды Н в пароводяных барабанах котлов в определенных заданныхпределах, подаче топлива и воздуха в топки в соответствии с количеством ипараметрами вырабатываемого пара.
Автоматикасовременной судовой котельной установки обычно состоит из системавтоматического регулирования топливосжигания, питания котлов водой,температуры перегретого пара, аварийной защиты и предупредительной сигнализациипо срыву факела в топке, прекращению подачи воздуха в топку, повышению давленияпара, отклонению уровня воды за заданные пределы.
Судовымкотлом называют устанавливаемый на судне теплообменный аппарат, в которомэнергия органического топлива преобразуется в энергию пара или воды,используемую для нужд судна. В соответствии с принятой классификацией судовыекотлы различают по ряду признаков.
По назначению котлы делят на главные и вспомогательные.Главным называют судовой котел, производящий, пар для главных двигателей,вспомогательного оборудования котла, технологических общесудовых ихозяйственно-бытовых потребителей. Вспомогательный котел предназначен дляобеспечения паром или горячей водой вспомогательного оборудования,технологических, обще судовых и хозяйственно-бытовых потребителей.
Требования, предъявляемые к вспомогательным паровым котлам,следующие: минимальные масса и габариты, автоматизация управления и защиты,простота и надежность в эксплуатации, высокая экономичность, хорошаяманевренность, т. е. возможность быстрого перехода с одного режима работы на другой.Последние два требования в большей степени относятся к ГПК, а также к ВПК,обеспечивающим работу турбогенераторов, турбоприводов и другого оборудования свысокими маневренными характеристиками.
Все паровые котлы (ПК)разделяются на две основные группы:
водотрубные и газотрубные. Вводотрубных ПК газы омывают трубы снаружи, а вода и пар движутся внутри труб, вгазотрубных ПК наоборот — газы движутся внутри труб, а вода и пар омывают ихснаружи.
В зависимости оторганизации движения воды и пароводяной смеси паровые котлы могут быть с естественнойциркуляцией и с принудительной циркуляцией. В ПК с принудительной циркуляциейспециальный насос создает необходимый напор для преодоления сопротивлениядвижению воды и пароводяной смеси. Все газотрубные ПК относятся к паровымкотлам с естественной циркуляцией. Они имеют вертикальное или горизонтальноерасположение труб.
Паровые котлы, у которыхчасть парообразующей поверхности работает как водотрубная, а другая — какгазотрубная, называются газоводотрубными.
Основные характеристикиВПК следующие; паропроизводительность D — количество производимого пара в единицувремени, кг/с; рабочее давление пара р — избыточное давление в пароводяномколлекторе (сепараторе), МПа; температура перегретого пара на выходе из пароперегревателяtп.п.°С; температура питательной воды на входе в экономайзер или в пароводянойколлектор (сепаратор) при отсутствии экономайзера tп.в. °С;
расход топлива В, кг/с;коэффициент полезного действия (КПД) этта, представляющий собой отношениеполезно используемой теплоты к теплоте, которая выделяется при полном сжиганиитоплива, израсходованного за тот же промежуток времени, в долях единицы или впроцентах; масса ПК без воды (сухая масса) Gд и с водой Gд+Gв, кг.
Водотрубные вертикальныевспомогательные паровые котлы с естественной циркуляцией являются самымираспространенными, особенно на морских судах. Некоторые из них выполняются сразвитыми поверхностями нагрева, т. е. кроме парообразующих имеются и иныеповерхности нагрева, другие ПК имеют только парообразующую поверхность нагрева.
Изображенный на рис. 1.водотрубный вертикальный паровой котел состоит из пароводяного коллектора 5,верхняя часть которого заполнена паром (эта часть называется паровымпространством). Нижняя часть пароводяного коллектора 5 вместе с водянымколлектором 10 и соединяющими их трубами 7, 8, 11 заполнена водой — эта частьназывается водяным пространством,
Поверхность разделапарового и водяного пространств называется зеркалом испарения, уровень которогообозначается на всех схемах знаком у. Трубы 8 обычно располагаются вплотнуюдруг к другу и образуют сплошной боковой экранный ряд (или просто экран);относительный шаг (отношение расстояния между осями двух соседних груб в ряду,называемые шагом S1, к диаметру трубы d) для такого ряда равен единице. Перед вводом в коллектор трубы 8разводятся и образуют два ряда с относительным шагом S1/d=2. Трубы 11 составляютмногорядный притопочный парообразующий пучок. Величина шага S1 в пучке является оченьважным параметром, от которого зависит скорость газов, что в конечном итогеопределяет тепловую напряженность в ПК.
Необогреваемые трубы 7,расположенные за сплошным экранным рядом труб 8, называются опускными. По нимпарогенераторная вода из пароводяного коллектора 5 опускается вниз в коллектор 10и далее поступает в трубы 8 и 11, Эти трубы обогреваются. и на внутреннихстенках труб образуются пузырьки пара, которые вместе с водой поднимаютсявверх; поэтому трубы 8 и 11 называются подъемными. Суммарная наружнаяповерхность всех подъемных труб составляет парообразующую поверхность нагреваВПК.
При выходе из подъемныхтруб паровые пузыри проходят через слой воды и зеркало испарения в коллекторе 5и попадают в его паровое пространство. Неиспарившаяся котловая вода смешиваетсяв коллекторе 5 с непрерывно поступающей питательной водой (ПВ) и сноваучаствует в естественной циркуляции по описанной схеме.
Пространство,ограниченное передней 17 и задней 15 стенками, экранными трубами 8 иповерхностью, проходящей через оси труб первого ряда пригоночного пучка,называется топкой. Длина топки определяется размером Lт. Такую же длину имеют всеостальные газоходы ВПК, где располагаются конвективные поверхности нагрева,
Топочное устройство 9,расположенное на передней стенке, состоит из форсунки 19, куда поступаеттопливо (Т), и воздудонаправляющего аппарата 18, через который в топку проходинеобходимый для сгорания топлива воздух. В топке сгорает топливо и образуютсяпродукты сгорания, имеющие высокую температуру, которые, двигаясь по газоходамВПК, последовательно обогревают все поверхности нагрева и на выходе из котлаимеют температуру tух.
За притопочнымпарообразующим пучком располагается пароперегреватель. Насыщенный пар (НП) изпароводяного коллектора 5 поступает во входной коллектор пароперегревателя и,проходя по трубам 12, перегревается. Из выходного коллектора перегретый пар(ПП) направляется к потребителям.
/>
Рис. 1.1.1 Водотрубныйвертикальный ВПК с естественной циркуляцией
За пароперегревателемрасполагаются так называемые хвостовые поверхности нагрева: экономайзер ивоздухоподогреватель. Питательная вода в количестве, равном суммарному количествуотбираемого потребителями пара, питательным насосом подается во входнойколлектор экономайзера, Из него вода поступает в параллельно включенные трубы 13,где подогревается, но не доводится до кипения. Из выходного коллектораэкономайзера вода через питательный клапан 16 направляется в пароводянойколлектор.
Последним по ходу газовявляется воздухоподогреватель, который состоит из труб 14, закрепленных внижней и верхней трубных досках 1. Газы проходят внутри труб. Снаружи трубыомываются воздухом (В), подаваемым вентилятором. Нагретый воздух поступает ктопочному устройству.
Все стенки ВПКпредставляют собой прочный металлический каркас, к которому крепятсяколлекторы, листы обшивки, покрытые теплоизоляционными материалами (на схемахзаштрихованы). Обычно делают двойные стенки. Пространство между ними заполненовоздухом, подаваемым в воздухонаправляющий аппарат и далее в топку.
Передняя и задняя стенкитопки и газоходов в районе парообразующего пучка и пароперегревателя свнутренней стороны выкладываются огнеупорным кирпичом. Такая кладка называется футеровкой.
Уровень воды и давлениепара в пароводяном коллекторе контролируют с помощью водоуказательного прибора 6и манометра 3. Для защиты ВПК от повышения давления выше допустимого служитпредохранительный клапан 4.
Воздушный тракт котласостоит из комплекса оборудования и устройств для приема атмосферного воздуха,его подогрева. транспортировки и подачи в топку. Газовый тракт начинается втопке, проходит через парообразующие ПН, ПП, ЭК, ВП и заканчивается дымовойтрубой. Воздушный и газовый тракты соединены между собой последовательно иобразуют газо-воздушный тракт.
На ВПК устанавливаютразличную запорную арматуру: клапаны 2 для отключения пароперегревателя иразобщения ПК с потребителями, клапаны для продувки и др.
Развитие хвостовыхповерхностей нагрева связано с усложнением конструкции, увеличением габаритов,массы и стоимости ВПК, а также с увеличением аэродинамического сопротивлениядвижению воздуха и газов и расходов энергии на его преодоление. Поэтому ВПК,предназначенные для теплоснабжения судна, обогрева жидкого груза и работыпаровых насосов, выполняют без хвостовых поверхностей и пароперегревателя; ониимеют только парообразующую поверхность. Главное преимущество их заключается впростоте конструкции, компактности и более высокой надежности в работе(повышенный расход топлива, который имеет место при более низких значениях КПД,не имеет существенного значения в тепловом балансе всей энергетическойустановки).2. Особенности эксплуатации объекта регулирования
Однимииз основных регулируемых величин котла как объекта регулирования являютсядавление пара и уровень воды в пароводяном барабане. К регулированию этихпараметров предъявляются высокие требования, так как их изменение в большихпределах влияет не только на технико-экономические показатели котельнойустановки в целом, но также на безопасность её работы и обслуживающего персонала.Нарушение этих требований может привести к серьёзной аварии и угрозечеловеческой жизни. Итак, перечислим некоторые особенности эксплуатации котла сточки зрения показателей качества. В переходных режимах АСР должна поддерживатьзаданное давление пара, которое при изменении нагрузки котла от максимальной кминимальной в течение не менее 30 с не должно вызывать подрывапредохранительного клапана. Поскольку этот клапан настраивают на срабатываниепри давлении рпр = 1,05 рн, где рн – номинальное давление в котле, то присбросе нагрузки котла отклонение давления пара не должно превышать Dр=0,04 рн. При повышениинагрузки от минимальной к максимальной допускается несколько большая величинаотклонения давления пара, а именно Dр=(0,1¸0,15) рн, поскольку оноопределяется главным образом вскипанием воды в котле и, как следствиеповышением уровня воды в барабане за пределы видимой части водомерной колонки.Давление пара в указанных пределах должно сохранятся при изменении расхода параиз котла со скоростью не более 1,5 % секунду при увеличениинагрузки и 3 % в секунду при сбросе нагрузки.
Автоматизацияпитания котлов водой не влияет на их коэффициент полезного действия, но имеетважнейшее значение для надежности эксплуатации энергетической установки исущественно облегчает ее обслуживание. В судовых котлах с естественнойциркуляцией процесс регулирования питания в конечном счете сводится кподдержанию уровня воды в пароводяных барабанах в заданных пределах. Обычноотклонения уровня от заданного не должны превышать ± (50—100) мм.
Принарушении питания котлов водой уже через 1—2 мин отклонение уровня можетпревысить допустимое и вызвать серьезную аварию. Так, повышение уровня воды впароводяном барабане увеличивает влажность пара, поступающего впароперегреватель, и может привести к забросу воды в него и даже в турбину, чтоприведет к аварии пароперегревателя или турбины. Снижение уровня может нарушитьрежим циркуляции воды в котле, что повлечет за собой деформацию или пережогводогрейных и экранных труб.
Несколькослов о других особенностях эксплуатации СПК как объекта регулирования. Совершенство процессагорения топлива определяет экономичность работы котла и способствует защитеокружающей среды от загрязнения. Подача топлива и воздуха в топки котлов должнаосуществляться в определенном соотношении: как недостаточная, так и чрезмернаяподача воздуха снижает КПД котла. Сжигание топлива с коэффициентом a избытка воздуха, отличнымот оптимального, увеличивает суммарные потери теплоты с уходящими газами ихимическим недожогом (q2 + q3). Увеличение a повышает температуруточки росы, интенсифицируя коррозию низкотемпературных поверхностей нагрева, ауменьшение приводит к дымлению и повышенному загрязнению поверхностей нагрева.Для конкретных условий топливосжигания имеется определенное значение a, соответствующееминимуму потерь теплоты. Значение a для современных котловнезначительно и диапазон его изменений, в пределах которого обеспечиваетсябездымное горение топлива, мал. Поэтому соотношение подач топлива и воздуха втопку должно поддерживаться АСР с высокой точностью, обеспечивающеймаксимальный КПД котла или минимум потерь теплоты.
Такжеважно при проектировании АСР котла учитывать и такие особенности как:
1. давлениетоплива в напорной топливной магистрали не должно откланяться за пределыпревышающиеDрт=(0,08¸0,1) ртн, где ртн – номинальное давлениетоплива;
2. наибольшееотклонение температуры подогрева топлива лимитируется качеством распыливаниятоплива форсунками и не должно превышать 5-8°С;
3. продолжительностьлюбого переходного процесса в системе регулирования процесса горения не должнапревышать 60-90 с.
3. Необходимость ицелесообразность автоматизации объекта регулирования
 
Степень автоматизации котельных установок различна взависимости от их назначения. В главных котельных установках полностьюавтоматизируется процесс генерации пара на стационарных режимах с любойпаропроизводительностью и на всех переходных режимах, процесс защиты установкив аварийных ситуациях и процесс контроля параметров. Главные котельныеустановки, следовательно, оборудуют системами автоматического регулированиявсего рабочего процесса, защиты и контроля параметров. Если на суднеустановлена система централизованного контроля параметров всей паротурбиннойустановки (ПТУ), то автоматизация контроля параметров котельной установки обычноосуществляется этой системой.
Автоматизацияпроцессов регулирования и защиты полностью исключает необходимость участиячеловека в сфере управления этими процессами и поэтому действительно сокращает числообслуживающего персонала, позволяет более точно поддерживать заданные значениярегулируемых величин и повышает надежность действия котельной установки.Поэтому стоимость используемых для этой цели технических средств быстроокупается достигаемым технико-экономическим эффектом.
Вспомогательныекотлы небольшой паропроизводительности при работе их на дизельном и тяжеломтопливе, как правило, оборудуются системой дистанционно-автоматизированногоуправления конечными режимами (ввода котла в действие и вывода его издействия).
4. Возмущающие и регулирующие воздействия.
Требования к качеству регулирования
 
Впрактике эксплуатации морского судна систематически возникают различного родавозмущения котельной установки. Кроме колебаний по расходу пара, котельнаяустановка получает возмущения по подаче топлива, воздуха и воды вследствиеизменения режимов работы механизмов и систем, обеспечивающих их подачу, и т. п.Возможны отказы отдельных устройств и узлов котельной установки.
В этих условиях безавтоматизации технологического процесса производства пара обслуживание судовыхкотельных установок становится все более затруднительным, а порой иневозможным. Даже самый квалифицированный обслуживающий персонал не в состояниивовремя и всегда правильно оценить все возможные возмущения и принятьсоответствующие меры по регулированию. В результате при ручном регулированиикотельной установки снижается ее экономичность, маневренность и надежность,увеличиваются износы. В связи с этим в настоящее время все судовые котельныеустановки оборудуют системами автоматического регулирования, которые полностьюуправляют технологическим процессом производства пара.
Учитывая, что процесспроизводства пара характеризуется многими величинами, скорость изменениякоторых в неустановившихся режимах достаточно велика, допустимые отклонения ихот заданных значений ограничены узкими пределами, а также учитывая возможныеотказы оборудования котельной установки и регулирующей аппаратуры, кроме системавтоматического регулирования, устанавливают устройства защиты и сигнализации.
Автоматика современной судовойкотельной установки обычно состоит из систем автоматического регулированиятопливосжигания, питания котлов водой, температуры перегретого пара, аварийнойзащиты и предупредительной сигнализации по срыву факела в топке, прекращениюподачи воздуха в топку, повышению давления пара, отклонению уровня воды задопустимые пределы.
Автоматизация судовыхкотельных установок позволила не только уменьшить численный составобслуживающего персонала и облегчить его работу, но и существенно приблизитьрежимы работы к оптимальным, т. е. повысить среднеэксплуатационный коэффициентполезного действия, надежность и долговечность оборудования, обеспечить егоманевренность. Замена ручного управления автоматическим в зависимости отмощности судовой котельной установки и совершенства систем автоматическогорегулирования позволила уменьшить обслуживающий персонал на одного-двухчеловек, сократить расходы топлива на 0,7—3,1%, значительно уменьшить затратына ремонт оборудования.
Основным возмущающимвоздействием на котельную установку является изменение расхода пара. Крометого, имеют место возмущающие воздействия со стороны подачи топлива, воздуха иводы вследствие изменения режимов работы соответствующих механизмов,теплообменных аппаратов. Возмущающие воздействия приводят к изменению давленияи температуры производимого пара, уровня воды в котле, соотношениятопливо-воздух.
Независимо от типа регуляторы давления пара не получаютисчерпывающей информации по действительному расходу топлива, вследствие чегозначение выходного сигнала из регулятора при одних и тех же нагрузках котламожет быть неодинаковым. Величина выходного сигнала из регулятора обусловленане только нагрузкой, но и положением топливорегулирующего органа, котороезависит от сорта топлива, температуры его подогрева, износовтопливорегулирующего органа и распылителей форсунок. Так как выходной сигналрегулятора давления пара обычно является сигналом задания для регулятора подачивоздуха, это обстоятельство соответствующим образом влияет на отклонениякоэффициента избытка воздуха и снижает экономичность котельной установки.
В переходных режимахработы котельной установки система автоматического регулирования должнаобеспечить возможно меньшие отклонения давления пара, исключить подрывпредохранительных клапанов и уменьшить влияние контура регулирования давленияпара па контур регулирования уровня воды. Кроме того, необходимо учитыватьвлияние контура регулирования давления пара на контур регулирования подачивоздуха. Последний налагает ряд существенных ограничений на процессрегулирования давления пара — необходимо исключить колебательность процесса привозможно меньших динамических рассогласованиях в подаче топлива и воздуха.Очевидно, что различные структуры регуляторов обеспечивают неодинаковоекачество переходных процессов.
5.Вывод уравнения динамики котла как объекта регулирования
 
1.Судовой паровой котёл с естественной циркуляцией представляется как единаяёмкость, в которой аккумулируется тепло.
2.Пренебрегаем инерционными свойствами пароперегревателя.
3.Рассматривается только пароводяной тракт котла, при этом не затрагиваетсягазовоздушный тракт.
4.Пренебрегаем физическим теплом топлива, питательной воды и воздуха подаваемогов топку котла.
5.Коэффициент избытка воздуха α принимаем оптимальным и постоянным при любыхнагрузках котла.
Экспериментальныеисследования динамических свойств судовых котлов показывают, что привозмущениях как внешних (расход пара), так и внутренних (расход топлива)разгонные характеристики по давлению пара несущественно отличаются от разгонныххарактеристик одноемкостных объектов со слабо выраженным самовыравниванием.Таким образом имеем упрощенное уравнение динамики котла как объектарегулирования давления пара – уравнение одноемкостного устойчивого объекта
/>      (1)
/> — время разгона котла по давлениюпара – время, в течение которого относительное изменение давления парадостигает величины, равной относительному ступенчатому изменению />или />, с;
/> — относительное изменение давленияпара;
/> — относительное изменение подвода тепла кпарообразующей части котла;
/> — относительное изменение паровой нагрузки;
/>Количество тепла,аккумулированного в котле, может быть определено как
/>– коэффициент аккумуляции тепла парообразующейчасти котла, показывающий, сколько нужно подвести (или отвести) тепла кпарообразующей части котла, чтобы давление пара изменилось на 1 />;
/>– давление пара приноминальной нагрузке, />. Значение />может быть определено по формуле
/>

где />– коэффициенты,характеризующие соответственно долю воды, пара и метала в общей тепловойаккумуляции котла;
/> – объемы водыи пара в котле, /> ;
/> - масса металла котла, кг;
Коэффициенты /> могут бытьопределены из таблиц водяного пара как/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

Количество тепла,отведенного из котла:
/>
где /> – расход пара – паспортнаяпаропроизводительность котла, кг/с;
Тогда время разгона (с)
/> (2)
/> - энтальпия воды, ккал/кг;
Коэффициент самовыравниванияможет быть определен как безразмерная разность частных производных по отводу и подводутепла к парообразующей части котла:
/> (3)
где />– количество тепла,отведенное с паром;
/> – количество тепла, подведенное стопливом;
Если уравнение (1)разделить на коэффициент самовыравнивания z, то получитсяпредставляющее собой классическую форму записи дифференциального уравнения:
/>, (4)
где /> — постоянная времениобъекта регулирования, с;
/> — коэффициент усиления объекта.
6. Определение коэффициентов уравнения динамики объектарегулирования
 
Существует два методаопределения коэффициентов уравнения динамики объекта регулирования:аналитический и графоаналитический. Первый из них связан с определениемконструктивных и теплотехнических характеристик, что порой бывает поройзатруднительно в судовых условиях и к тому же требует много времени наобработку полученных данных. Второй метод более прижился в инженерной практике,прост в использовании и экономный во времени. Заключается он в снятии разгоннойхарактеристики по каналу регулирования путём нанесения ступенчатого возмущения наобъект регулирования. При съёме разгонной характеристики системуавтоматического регулирования размыкают, т. е. объект отсоединяют отрегулятора. Возмущение обычно наносится регулирующим органом (РО), в даннойкурсовой работе роль регулирующего органа выполняет регулирующий топливныйклапан, путём изменения его положения на небольшую величину. Эта величинавозмущения выбирается так, чтобы изменение выходного параметра не выходило затехнологически допустимую величину. В нашем случае величина возмущающего воздействия(ступенчатого открытия топливного клапана) составляет:
/>
Если объект являетсянеустойчивым или нейтральным, то снимают часть разгонной характеристики сдопустимыми отклонениями выходной величины. Для регистрации величины отклонениярегулируемого параметра используют безинерционные точные измерительные приборы,самописцы, шлейфовые или запоминающие осциллографы. При ручной регистрацииразгонной характеристики снимают показания измерительного прибора через равныепромежутки времени ∆t. По заданию курсовой работы:
∆t = 13 с.Дляопределения постоянной времени объекта регулирования на разгоннойхарактеристике проводим из точки начала координат касательную к кривой. Доведякасательную до уровня (линии) установившегося состояния, получаем точкупересечения. Из этой точки к оси времени проводим перпендикуляр. Расстояние отначала кривой разгонной характеристики до точки пересечения перпендикуляра сосью времени будет постоянной времени, величина которого в нашем варианте имеетвид:
/>= 42 с.
С разгонной характеристики также определяем
/>= 0,6
/>= 0,557
Отсюда по известной формуле определяем коэффициент усиленияобъекта
/>
С учётом выше написанного запишем типовое уравнение динамикикотла как объекта регулирования по давлению пара:
/>
Переходная характеристикаобъекта регулирования

/>

ВТОРОЙ РАЗДЕЛ
 
1. Выбор регулятора. Принципиальная, функциональная и структурнаясхемы регулятора. Устройство и принцип действия регулятора и его элементов
Основная регулируемая величина — давление пара, котораяхарактеризует баланс между производимым паром в котле и потребляемым. Нарушениеэтого баланса сопровождается отклонением давления, которое измеряетсярегулятором давления пара, изменяющим через исполнительный орган подачу топливав топку и восстанавливающим тем самым нарушенный тепловой баланс.
Основные требования к регулятору давления пара могут бытьсформулированы следующим образом:
-отклонениедавление пара в точке отбора импульса на регулятор должно составлять ±0.05 МПа;
-впереходных режимах падение давления пара не должно превышать 10% номинальногопри изменении нагрузки котла от минимальной до максимальной за период не менее60с;
-допускаетсяповышение давления пара, не приводящее к подрыву предохранительных клапанов приизменении нагрузки котла от максимальной до минимальной за время не менее 30с;
-давлениепара в указанных пределах должно поддерживаться при изменениях расхода пара соскоростью не более 1.5% в секунду (при повышении нагрузки) и 3% в секунду (приснижении нагрузки).
/>
Рис. 2.1.1. Принципиальная схема П-регулятора давления пара
Котел обладает малымсамовыравниванием по давлению пара, поэтому регуляторы давления пара должныобязательно иметь стабилизирующие элементы. Для регулирования давления параобычно применяют 1- и 2-импульсные П-регуляторы, а также ПИ-регуляторы.
Длясудов отечественной постройки типичен гидравлический П-регулятор давления парас жесткой обратной связью (рис.2.1). Регулятор измеряет давление в паропроводепосредством сильфона 2, к которому подведен импульсный трубопровод 1. Вустановившемся режиме усилие от сильфона уравновешивается натяжениями задающейпружины 4 и пружины обратной связи 6, заслонка водяного усилительного реле 5 (кнему подведена вода под давлением) находится в среднем положении, и поршень ИМ 10неподвижен. При отклонении давления пара от заданного равновесие нарушается,новое усилие сильфона 2 на рычаг 3 приводит к отклонению заслонки регулирующегореле 5 и подаче воды в одну из полостей ИМ 10; в результате его поршеньперемещается и изменяет степень открытия регулирующего подачу топлива клапана 11,оказывая регулирующее воздействие на давление пара в котле. Одновременно штокклапана 11 через рычаг 7 и пружину обратной связи 6 оказывает выключающеевоздействие на усилительное реле 5. Дроссельный клапан 8 предназначен дляизменения времени ИМ, а клапан 9 — для соединения его полостей при переходе савтоматического регулирования на ручное.
Для незначительногоизменения давления в пароводяном коллекторе котла место отбора импульсавыбирают в паропроводе за стопорным клапаном котла. При этом давление впароводяном коллекторе, по сравнению с давлением в месте отбора импульса будетвыше на значение снижения давления, вызванного гидравлическими сопротивлениямипаропровода от коллектора до места отбора импульса. Для повышения запасаустойчивости АСР необходимо увеличивать неравномерность регулирования DРмах, т. е. наклон статическойхарактеристики, которая определяется в основном жесткостью пружины обратнойсвязи.
Местоотбора импульса по длине паропровода следует выбирать таким образом, чтобыгидравлические потери от коллектора до этого места компенсировали неравномерностьстатической характеристики, обусловленную ЖОС. Для обеспечения запаса устойчивостизначение DРмахдолжно составлять 10—15% номинального регулируемого давления. Так как малыенагрузки котла по сравнению с большими характеризуются меньшим коэффициентомсамовыравнивания по давлению пара, то на малых нагрузках для созданиядостаточного запаса устойчивости целесообразно иметь больший угол наклона статическойхарактеристики.
При своей простотеП-регуляторы давления пара требуют для обеспечения устойчивости относительнобольшого коэффициента обратной связи. Жесткая обратная связь в нихосуществляется по положению топливорегулирующего органа или от расходомератоплива и не учитывает такие факторы, как элементарный состав топлива и егоплотность, износы топливорегулирующего органа и распылителей форсунок, вследствиечего при одинаковых нагрузках котла значение сигнала обратной связи может бытьразличным. Это приводит к отклонению давления пара от заданной статическойхарактеристики.
По приведенной вышепринципиальной схеме построим функциональную схему:
/>
 

Рис.2.1.2. Функциональная схема П-регулятора
ЧЭ –  чувствительныйэлемент;
УУ– усилительное устройство;
ИМ– исполнитель-ный механизм;
ЖОС– жесткая обратная связь
 
Тогда структурная схемапримет вид:
/>

/>  
Рис.2.1.3. Структурная схема П-регулятора
Передаточныефункции звеньев: />
/> — коэффициентусиления чувствительного элемента (ЧЭ),
/> - постояннаявремени сервомотора (СМ),
/> — коэффициентусиления ЖОС.

2. Уравнение динамики истатики регулятора. Динамическая и статическая характеристики регулятора
 
Решив структурную схему,показанную на рис. 4. найдем передаточную функцию регулятора:
/>
В соответствии спередаточной функцией уравнение динамики пропорционального одноимпульсногорегулятора примет вид:
/>/> (5)
Для построениядинамической характеристики регулятора (рис. 2.2.1) примем настроечныепараметры регулятора из конструктивных соображений – Тс=15; Ки=50;
Кжос=5 при этом />.
/>
Рис. 2.2.1. Динамическаяхарактеристика регулятора
Если в уравнении (5)принять равными нулю все производные получим уравнение статики регулятора:
/>/> или /> (6)
Разделим уравнение (5) наК ж и получим: /> (7)
/> — постоянная временирегулятора (8)
/> — коэффициент усилениярегулятора (9)
П-регулятор имеет двапараметра настройки: /> и />. /> — коэффициент постоянный, т.к. еговеличина определяется конструктивным исполнением регулятора, /> зависит от угла наклоналекала ЖОС. Время сервомотора /> изменяется в зависимости отстепени открытия дроссельного игольчатого клапана.
Принимая в уравнениидинамики все производные равными нулю, получаем уравнение статики регулятора:
/>
/>
Рис. 2.2.2. Статическаяхарактеристика регулятора
Изусловий качества переходных процессов неравномерность регулятора />, тогда при />= 50 получаем />.

3. Уравнение динамики истатики САР.
Статические характеристикиСАР
Для получения уравнениядинамики САР необходимо решить совместно уравнения ОР (15) и Р (18).:
/> (10)
Выразим />из уравнения Р иподставим в уравнение ОР, тогда:
/>
В результате преобразований окончательно получим уравнениединамики АСР в операторной форме (уравнение вынужденного движения системы):
/>

/> (11)
Если в уравнении (11) принять l = 0, то получимуравнение свободного движения системы:
/> (12)
/>

Если в уравнении (11) принять р = 0, то получим уравнениестатики АСР которое примет вид:
/> (13)

Статическая характеристика строится в соответствии с уравнениемстатики (13). Статической характеристикой называется графическое представлениезависимости выхода от входа в установившемся режиме (рис.5.).
/>

Рис. 2.3.1. Статическаяхарактеристика САР давления пара.
Реальная статическаяхарактеристика – это площадь, отличающаяся наличием нечувствительности, котораязависит от регулятора и характеризуется:
· зоной нечувствительности;
· абсолютной нечувствительностью;
· коэффициент нечувствительности.
Абсолютнаянечувствительность – это диапазон изменения входного сигнала, при которомвыходной сигнал не меняется ( ∆Р неч ).
Зона нечувствительностиравна двум абсолютным нечувствительностям.
Коэффициентнечувствительности – отношение абсолютной нечувствительности к базисномузначению.
Для гидравлическихрегуляторов ∆Рнеч=0,5÷ 5% от номинального значения давления.
Построим статическуюхарактеристику АСР давления пара в безразмерных единицах и при различных Кжос.
/>Рис. 2.3.2. Статическиехарактеристики АСР.
 

4.Устойчивость САР
 
Характеристическое уравнение имеет вид, которое получим изуравнения вынужденного движения системы (11) приравняв к нулю правую его часть,а т.к />,то:
/> (14)
Для определения диапазона настроечных параметров, в которомданная АСР будет устойчивой, воспользуемся критерием устойчивостиРаусса-Гурвица.
/>=/>, />=/>, />=/>
/>/>/>>0, />>0, />>0 (15)
1./>, эта система не имеетсмысла, так как параметры не отвечают действительности.
2./>, решения системыявляется />
Параметры этого диапазонасоответствуют трем устойчивым режимам:
а) колебательному; б)монотонному; в) апериодическому.
Из характеристического уравнения находим его корни;
/> (16)
Как видно из выражения (16)данная система всегда устойчива, так как корни могут быть:
1.Отрицательныедействительные равные, при условии, что подкоренное выражение равно нулю. Приэтом переходной процесс будет оптимально устойчивый – апериодический.
2.Отрицательныедействительные разные, при условии, что подкоренное выражение больше нуля. Приэтом переходной процесс будет устойчивый – апериодический или монотонный.
3.Комплексно сопряжённые сотрицательной действительной частью, при условии, что подкоренное выражениеменьше нуля. При этом система будет устойчива, а переходной процесс – колебательныйсходящийся.
С точки зрения оптимизации САР по быстродействию, необходимовыбирать значения настроечных параметров в диапазоне апериодическогопереходного процесса. Для этого составим уравнение:
/> (17)
/>
/>
/>
/>
/>
Корень /> не удовлетворяеттехническим требованиям, так как является не допустимым значением (очень большим)для данного регулятора, при />.
Для наших расчетов будемиспользовать корень />. При />, />
Проверим устойчивостьразработанной АСР давления пара, подставляя различные значенияхарактеристического уравнения при этих параметрах системы. Так можно оценитьвлияние настроечных параметров регулятора на динамику АСР, а значит на качествопереходного процесса.
/>
Корни являются комплексносопряженными, с отрицательной действительной частью, при этом системаустойчива, переходной процесс колебательный сходящийся.
Анализируя выражение для корней можно оценить влияние всехкоэффициентов на качество переходных процессов. Так, например, увеличение Кжосведет к увеличению абсолютного значения действительной части, а значитповышению запаса устойчивости АСР, при этом статическая ошибка увеличивается, авид переходного процесса изменяется от колебательного к апериодическому.
 
5. Исследование динамикиАСР давления пара
Для исследования динамики АСР в частности, для оценки влиянияпараметров настройки системы рассмотрим математическую модель используя приэтом уравнение вынужденного движения данной системы и варьируя в широкихпределах один параметр Кжос или Тс. Оценка качества полученных при этомпереходных процессов позволяет дать количественную оценку влияния каждого из параметровнастройки на показатели качества переходных процессов.
         Исследуем влияние параметров настройки регулятора напереходные процессы в САР и представим графики на рис.2.5.1
/>
Рис. 2.5.1. Переходныепроцессы САР при /> и />
Примем Тс=8,902с, а />будем изменять.
При значении />= 3, получимследующие показатели:
- статическаяошибка />5,7%
- времяпереходного процесса составило /> = 26 с
- динамическаяошибка />2,2%
- колебательность/>1,3 %
При значении />= 5, получимследующие показатели:
- статическаяошибка />9,2%
- времяпереходного процесса составило /> = 14,5 с
- динамическаяошибка />0,5%
- колебательность/>0 %
При значении />= 7, получимследующие показатели:
- статическаяошибка />12,5%
- времяпереходного процесса составило /> = 13,5 с
- динамическаяошибка />0 %
- колебательность/>0 %
Оптимальным выбираем Кжос =7.
Аналогичнопроизводятся исследование для времени сервомотора.
Здесьпримем />=3,а варьировать будем временем сервомотора Тс в пределах от 8 до 20с.
Графикипредставлены на рис. 2.5.2
/>Рис. 2.5.2. Переходныепроцессы САР при /> и />

Изначально было принято значение Тс= 8,902, как показываетисследование при этом:
- статическаяошибка />5,7%
- времяпереходного процесса составило /> = 26 с
- динамическаяошибка />2,2%
- колебательность/>1,3 %
Далее принимаем значение Тс= 15, исследование показывает:
- статическаяошибка />5,7%
- времяпереходного процесса составило /> = 35 с
- динамическаяошибка />3,9%
- колебательность/>7,7 %
При значении Тс= 20, получим следующие показатели:
- статическаяошибка />5,7%
- времяпереходного процесса составило /> = 49 с
- динамическаяошибка />5 %
- колебательность/>10 %
По рассчитанным показателям построим диаграммы качества ипредставим их на рис. 2.5.3 и рис. 2.5.4./> /> /> /> /> /> /> /> />

/>/>/>
Рис. 2.5.3. Диаграммыпоказателей качества при />
/>/>/>
/>/>/>
Рис.2.5.4. Диаграммы показателей качества при />

Исходя из проведенных исследований выбираем оптимальнымиследующие настройки регулятора: />=7, Тс=8,902.
 
6.Вопросы эксплуатации САР
Наладка автоматических систем. Отклонения характеристикТСА не должны выходить за допустимые пределы (обычно указываются в техническихусловиях). С изменением статических и динамических характеристик изменяютсязначения коэффициентов усиления и постоянных времени, устойчивость системы,ухудшается качество переходных процессов, снижается точность регулирования.Поэтому возникает необходимость в наладке ТСА.
Впервые изготовляемыйобразец АСР подвергается наладке (настройке) в процессе стендовых испытаний,обычно вместе с объектом регулирования, а затем в период испытаний всей ПЭУ.При этом уточняются и устанавливаются значения всех настроечных параметровсистемы исходя из требований устойчивости и качества переходных процессов. Затемпри серийном изготовлении регуляторов их характеристики проверяются в заводскихусловиях, где цель наладки (являющейся завершающим этапом изготовления регуляторов)заключается в доведении значений настроечных параметров до проектных, установленныхв период испытаний головных образцов.
В дальнейшем, поскольку впроцессе эксплуатации характеристики АСР меняются, регуляторы подвергаютсяналадке на судне в период швартовных и ходовых испытаний, а затем во времяэксплуатацииПЭУ, после ремонтов и консервации.
Основными настроечнымипараметрами типовых САР являются:
— для статическихрегуляторов прямого действия — статическая неравномерность регулирования,которая может изменяться перемещением точки опоры рычага, связывающего ЧЭ и ИО,а при наличии катаракта — время катаракта, измеряемое степенью открытия егодроссельного клапана;
— для регуляторовнепрямого действия без обратной связи — время исполнительного механизма,характеризующее максимальную скорость его перемещения (например, скоростьперемещения поршня ИМ, изменяемую посредством степени открытия дроссельногоклапана в одном из силовых трубопроводов);
— для регуляторовнепрямого действия с ЖОС— неравномерность регулирования, способ изменения которой зависитот конструкции обратной связи (при рычажной ЖОС — посредством перемещения точкиопоры рычага, соединяющего штоки ИМ и ИО, при силовой — пружиной жесткойобработки связи — посредством изменения профиля лекала обратной связи, а такжезаменой пружины обратной связи на пружину с иной жесткостью); время ИМ(скорость перемещения поршня ИМ у гидравлических регуляторов с ЖОС изменяетсятакже посредством дроссельного клапана);
— для регуляторовнепрямого действия с гибкой обратной связью — время изодрома, время ИМ и статическаянеравномерность регулирования (способы изменения времени изодрома инеравномерности регулирования зависят от конструкции гибкой обратной связи).
Изменением рассмотренныхнастроечных параметров можно оказать влияние на свойства САР. Так, увеличениенеравномерности регулирования повышает запас устойчивости системы, но при этомувеличивается статическая ошибка. Увеличение времени изодрома повышает запасустойчивости системы. Влияние времени ИМ на динамические свойства САР различнои зависит от наличия у регулятора дополнительной обратной связи и ее типа, атакже от свойств объекта регулирования. Для регуляторов без обратной связиувеличение времени ИМ повышает запас устойчивости.
Изменение заданныхзначений регулируемых величин без изменения формы статической характеристикисистемы осуществляют посредством воздействия различных приспособлений(маховиков, винтов и т. п.) на задающий элемент регулятора.
При наладке изменениерегулируемых величин в статике, т. е. отключенных от объектов регуляторов,осуществляется посредством устройств, имитирующих величины, измеряемые их ЧЭ.Для этого импульсные трубопроводы отсоединяют от измерительных регуляторов исоединяют с указанными устройствами. Так, на ЧЭ регуляторов высокого давленияпара, масла, топлива заданное давление создается посредством подведенного к ниммасла от винтовых прессов или поршневых манометров; на мембранах регуляторадавления воздуха — посредством воздушного компрессора; на мембранах регуляторовуровня жидкости — посредством сосуда с водой, перемещаемого по вертикали, чемимитируется работа регулятора на различных статических режимах. Чувствительныеэлементы температуры погружаются в сосуд с водой, нагреваемойэлектронагревателем и охлаждаемой прокачиванием холодной воды через размещенныйв ней змеевик и т. п. Однако наладка регуляторов без объектов регулирования непозволяет судить о поведении САР в динамике.
В судовых условияхпроверка САР заключается в определении ее статической характеристики ипоказателей качества переходных процессов, а наладка в доведении указанныхпоказателей до значений, установленных в технических документах. При проверкестатической характеристики САР на действующем объекте устанавливают значениярегулируемой величины при нескольких (не менее трех) нагрузках объекта, включаямаксимальную и минимальную.
Проверку статическойхарактеристики осуществляют в следующем порядке:
— фиксируют значениянагрузки объекта, регулируемой величины, давления вспомогательной среды иоткрытие ИО;
— при разных заданныхнагрузках фиксируют соответствующее им значение регулируемой величины;
— по полученным даннымстроят статическую характеристику, сравнивают ее параметры с паспортными;
— при отличии значенийпараметров статической характеристики от допустимых выявляется и устраняетсяпричина их изменений, после чего САР вновь настраивают на паспортные данные.
Динамическая настройка САРзаключается в определении и установке параметров настройки регуляторов,обеспечивающих необходимое качество переходного процесса, котороехарактеризуется обычно такими показателями, как: динамическая ошибка —наибольшее отклонение регулируемой величины относительно ее значения в новомравновесном состоянии; время переходного процесса, определяющее быстродействиесистемы, — время с момента нанесения возмущения до момента, когда амплитудапереходного процесса становится меньше нечувствительности регулятора;колебательность, характеризуемая числом минимумов кривой процесса за времярегулирования или отношением соседних (одного знака) амплитуд регулируемойвеличины; интегральная и интегральная квадратичная оценки.
Так как в условияхэксплуатацииавтоматическихсистем одновременная оптимизацияуказанныхпоказателей качества переходного процесса невозможна, тодинамическаянастройка осуществляется из условий оптимизации только одного показателя.
Обычно наладку начинают сотдельных ТСА, допускающих обособленную настройку, затем выполняют настройкуотдельных функционально независимых контуров и в конце — настройку всейсистемы.
Функционирование иработоспособность систем проверяют в соответствии с инструкцией. В каждомконкретном случае следует предусматривать специальную оснастку и имитирующиеустройства, обеспечивающие необходимые проверки. Функциональная проверка СУзаключается в подаче входных сигналов на вход системы и проверке реакции на этисигналы по индикаторам, указателям, сигнализации, другим штатным приборам.Функциональная проверка не предусматривает изменения параметров настраиваемойсистемы и доведение их до требуемых значений. Это осуществляется при проверкеработоспособности СУ — способности системы выполнять свои функции, сохраняязначения заданных параметров в установленных пределах.
Наладка типовыхрегуляторов и систем. Наладка СУ (например, паровым котлом) предусматривает комплексработ по наладке отдельных систем (контуров) регулирования и последующейпроверке их совместного функционирования в реальных условиях. При наладкекаждой из САР следует учитывать влияние на нее других систем как возмущающиедействия, на которые данная САР должна реагировать.
Показателем качественнойналадки САР является отсутствие незатухающих колебаний, превышающих допустимыезначения статических и динамических ошибок, быстрое затухание переходныхпроцессов, отсутствие больших перерегулирований.
После разборки регулятораосуществляется настройка всех звеньев системы с последующей проверкой еестатических и динамических характеристик.
Проверяют легкость вращения рычага регулятора и хода поршняИМ, наличие предварительного натяжения упругих элементов, отсутствие заеданий илюфтов в соединениях рычагов. Проверяют установку регулирующей заслонкиусилительного элемента, снимают статическую характеристикуизмерительно-усилительного элемента и приводят ее в соответствие с паспортной.Определяют нечувствительность и время ИМ. Затем регулятор включают в работу ипроверяют его на всех режимах эксплуатации котла.

Вывод
 
Исследования САР давленияпара с одноимпульсным, гидравлическим П – регулятором непрямого действияпоказали, что данная система соответствует требованиям предъявляемым к качествупереходного процесса.

Список использованной литературы
1.  «Основы автоматики икомплексная автоматизация судовых пароэнергетических установок» В.И. Печененко,Г.В. Козьминых. Москва «Транспорт» 1979 г.
2.  «Основы автоматики икомплексная автоматизация судовых пароэнергетических установок» В. Ф.Сыромятников. Москва «Транспорт» 1983 г.
3.  «Технические средстваавтоматизации судовых энергетических установок» М.А.Журенко, Н.В.Таранчук.Москва “Транспорт” 1990г.
4. ШифринМ.Ш. «Автоматическое регулирование судовых паросиловых установок»: Учебное пособиедля вузов морского транспорта – Л.: Судпромгиз, 1963.– 580 с.
5. Конспектлекций по дисциплине АСУСПСУ.