Курсова робота
з дисципліни Автоматизация технологических процессов
на тему: «АСР редукционной установки по давлению пара»
/>2010
Курсовой проект содержит: стр. __,рисунков __, таблиц __, приложений __
Ключевые слова: Математическаямодель, Редукционная установка.
Объектом исследования являетсяРедукционная установка
Цель проекта: Разработкаматематической модели.
В процессе работы быларазработана математическая модель, проведен анализ статических и динамическиххарактеристик объекта, произведен расчет регулирующего органа для регулированиярасхода пара.
Содержание
1. Описаниередукционной установки
2. Принципиальная схема включения и регулирования
3. Динамика РУ
4. Разгонные характеристики
Выводы
Литература
Приложения
1. Описаниередукционной установки
В схемах энергоблоков дляредуцирования давления и снижения температуры пара до заданных параметровприменяются редукционно-охладительные установки (РОУ). В редукционныхустановках (РУ) производится только снижение давления пара с частичнымснижением температуры за счет дросселирования.
Пар по трубопроводу череззапорную задвижку (1) поступает к регулирующему клапану (2), где и происходитредуцирование давления. Установка снабжена автоматическим регулятором давления.
Этот регулятор поддерживаетзаданное давление редуцированного пара с точностью ±0,5 кгс/см2. Снижениедавления осуществляется в регулирующем клапане с помощью золотника,соединенного с рычагом. Открывается клапан электрический с евромоторомэлектронного регулятора, связанным с рычагом клапана штангой.
На трубопроводе редуцированногопара расположено импульсно-предохранительное устройство, предназначенное длясброса излишков пара в атмосферу при повышении давления в трубопроводе вышедопустимого.
/>
Рис.1: Схема РУ
Импульсно-предохранительноеустройство состоит из импульсного (3) и главного предохранительного (4) клапанов.
Номинальная производительностьредукционных установок:
РУ-14/6-54 т/ч;
РУ-14/3-20 т/ч.
Таблица 1: Состав редукционныхустановок РУ-14/6 РУ-14/3 Ду, мм Ру, кгс/см2 Ду, мм Ру, кгс/см2 Задвижка с цилиндрическим редуктором 300 64 150 64 Клапан регулирующий поворотный 300 64 150 64 Клапан предохранительный 300 10 250 25 Клапан импульсивный 20 40 20 40
Задвижка Ду 300, серия 2с 26
Изготовитель — ПО «Сибэнергомаш».
Задвижка с приводной головкой,снабженной цилиндрическим зубчатым редуктором. Приводная головка имеет маховикдля ручного управления и шарнирную муфту для присоединения дистанционногопривода.
Задвижка состоит из следующихосновных узлов и деталей: корпуса с приварными седлами, крышки с бугелем, затвора,шпинделя,
узла сальникового уплотненияшпинделя, приводной головки.
Корпус и крышка с бугелемизготовлены из литых заготовок углеродистой стали. Соединение корпуса с крышкойфланцевое. Уплотнение соединения осуществляется с помощью металлическойрифленой прокладки.
Затвор задвижки клиновой,двухдисковый, с распорным элементом. Соединение дисков (тарелок) с обоймой припомощи тарелкодержателей. Распорный элемент выполнен в виде грибка, один изконцов которого плоский, а другой — в виде полусферы. Такая конструкцияраспорного элемента обеспечивает самоустановку тарелок относительно седел. Компенсациянеточности изготовления, определение взаимного положения затвора и седелобеспечивается за счет прокладки.
Приводная головка расположена вверхней части бугеля и состоит из стальной втулки, соединенной с приводом, двухупорных подшипников, резьбовой втулки, взаимодействующей со шпинделем.
Присоединение задвижки ктрубопроводу сварное.
Материалы основных деталейзадвижки:
крышки и корпуса — сталь 25Л;
шпинделя — сталь 35;
сальниковой набивки — прессованныеасбографитовые кольца;
тарелки — сталь 38ХМЮА с твердымазотированием;
седла — сталь 20 с наплавкойуплотнительных поверхностей.
Рисунок представлен в приложении1.
Регулирующий клапан Ду 150,300, серия 6с-8.
Представлен на рисунке вприложении 2.
Изготовитель — ПО «Сибэнергомаш».
/>
Основные детали регулирующего поворотно-золотниковогоклапана:
Главный предохранительный клапан
Представлен на рисунке вприложении 3.
Таблица 2: Технические х-киглавных предохранительных клапанов
/>
Главный и импульсный клапаны ИПУ устанавливаются только нагоризонтальных участках трубопроводов в строго вертикальном положении, вместах, удобных для обслуживания. Направление потока рабочей среды в ГПК — натарелку (прижимает к седлу), в ИК — под тарелку (отжимает от седла).
Действуетимпульсно-предохранительное устройство следующим образом. При повышениидавления в паропроводе выше допустимого открывается ИК. Это открывает доступпара из импульсного клапана через соединительный трубопровод 25x3 в главныйпредохранительный клапан. Пар попадает в надпоршневое пространство сервоприводаГПК. Площадь поршня сервопривода превышает площадь тарелки, на которуювоздействует давление пара, стремящееся закрыть клапан. Усилие, действующее напоршень сверху, преодолевает усилие, действующее на тарелку снизу. Вследствиеэтого в системе «поршень-тарелка» возникает перестановочное усилие,направленное вниз, и главный клапан открывается.
Когда давление пара втрубопроводе понижается, ИК закрывает доступ пара в надпоршневое пространствоГПК. Оставшийся в надпоршневом пространстве пар через зазоры между штоком ивтулкой предохранительного и импульсного клапанов выходит в атмосферу. Давлениенад поршнем сервопривода ГПК падает, и под действием пружины и давления пара натарелку со стороны трубопровода ГПК также закрывается.
С целью предотвращениянепроизвольного срабатывания ГПК (в случае неплотности затвора ИК) в крышке ГПКвыполнен штуцер, соединяющий надпоршневую полость с выхлопным трубопроводом ГПК.С помощью этой системы утечка через затвор удаляется в атмосферу.2. Принципиальная схема включения и регулирования
Редукционно-охладительныеустановки (РОУ) предназначены для снижения давления и температуры пара (обычноострого, отводимого из основного паропровода). Снижение давления осуществляетсяс помощью дроссельного регулирующего клапана, а температуры — впрыскомохлаждающей воды. Давление и температура редуцированного пара определяютсяназначением и требованиями потребителя пара.
На ТЭС ГОУ применяются длярезервирования теплофикационных отборов, собственных нужд, подогрева мазута.
На АЭС ГОУ применяются дляподачи пара на уплотнения турбины, к эжекторам и пароэжекторным машинам.
Точность поддержания давления итемпературы редуцированного пара диктуется потребителем. Обычно точностьподдержания давления пара составляет ± 2%, температуры — 1,5%.
Схема подключения РОУ изображенана рис.7.1. Свежий пар поступает к дроссельному клапану 2 через входнуюзадвижку 1, дросселируется сначала в дроссельном клапане, а затем вшумоглушителе 3. Последние применяются при околозвуковом или сверхзвуковомперепаде давления.
Охлаждающая вода поступает черезводяную задвижку 4 и регулирующий клапан 6 на форсунку 8. Часто переддроссельным клапаном 6 устанавливается дроссельное устройство в видедроссельной шайбы 5 или группы шайб. Это делается в тех случаях, когдаохлаждающая вода подается к РОУ от источника с высоким давлением (например, отпитательного насоса), значительно превышающим давление, необходимое для впрыскаводы.
Дроссельное устройстворассчитывается на пропуск такого количества воды, которое необходимо дляохлаждения максимально возможного расхода пара. Для предотвращения опасногоповышения давления дросселированиого пара на выходном паропроводеустанавливается предохранительное устройство 10, На охладителе пара 9 соосно сего корпусом обычно устанавливается защитная труба, предназначенная для уменьшениявредного воздействия воды на стенку охладителя пара.
Как объект регулирования РОУимеет две регулируемые величины: давление и температура пара за РОУ.
Основным возмущающимвоздействием на давление пара является изменение его потребления или давления свежегопара. Возмущающим
воздействиям на температуру параявляются изменения потребления пара расход и давление свежего пара.
/>
Рис.3: Принципиальная схемавключения и регулирования
Регулирующим воздействием надавление пара является изменение расхода свежего пара, а на температуру — изменениерасхода охлаждающей воды. Как объект регулирования давления РОУ обладаетсамовыравниванием, и ее динамику можно описать уравнением инерционного звенапервого порядка.
I как объект регулирования температуры РОУ можно считатьбезынерционным
\ объектом, однако, таккак температура измеряется инерционным датчиком, то инерционность РОУопределяется инерционностью датчика.
Регулирование давленияосуществляется регулятором 11, получающим импульс от манометра 12 ивоздействующим на клапан 2.
Температура редуцированного парарегулируется регулятором 14,| получающим импульс от термопреобразователя 13 ивоздействующим на клапан 6. Для повышения точности измерения температуры
I термопреобразователь должен устанавливаться нарасстоянии 8-10 м после впрыска, чтобы влага успела полностью испариться. Иногдадля сохранения Постоянного перепада давления на клапане 6 в широком диапазонеизменения расходов впрыска в качестве клапана 6 применяется трехходовой клапанпостоянного расхода. Такой клапан обеспечивает изменение подачи воды впароохладитель путем сброса ее в сливную линию 7 при неизменном расходе водычерез дроссель 5.
Описанное регулирование давленияпосле РОУ называется регулированием «после себя».3. Динамика РУ
На тепловых электростанциях икотельных агрегатах используются редукционные установки различных типов иназначения, например, РУ1,2/0,8 МПа, РУ1,2/0,65 МПа,
РУ1,2/0,8 МПа и другие. Редукционнаяустановка РУ1,2/0,8 МПа предназначена для догрузки промышленного отбораводяного пара и обеспечения оптимальной работы турбины. Эта редукционнаяустановка имеет производительность 30 тонн пара в час при начальных значенияхдавления пара, равного 1,2МПа, и температуре пара 2400 С. Давлениередуцированного пара составляет 0,8 МПа. Редукционные установки РУ1,2/0,65
МПа и РУ0,8/0,65 МПапредназначены для редуцирования водяного пара перед деаэраторами, работающимипод давлением 0,6МПа, тепловых электростанций, а также для редуцированияводяного пара на промышленных предприятиях. Производительность таких установококоло 15 тонн в час. Аналоговые системы управления, которыми снабженыредукционные установки водяного пара, переоборудуются в настоящее время натепловых электростанциях и промышленных предприятиях на цифровые системыуправления. Синтез цифровых систем управления технологическими процессами с использованиеммикропроцессорных устройств требует более подробного математического описания ианализа работы объектов автоматизации по сравнению с описанием объектовуправления для аналоговых систем управления /1/. Это относится и к редукционнымустановкам пара тепловых электростанций и котельных агрегатов.
На рисунке 4 приведена схемаредукционной установки водяного пара тепловых электростанций и автономныхкотельных агрегатов. Она содержит трубопровод 1 подвода к установке водяногопара, редукционный клапан 2, управление которым обычно осуществляетсярегулятором прямого или непрямого действия, камеру понижения (редуцирования) давления3 до заданного значения, выходной вентиль или выходной регулируемый клапан 4 ивыходной трубопровод 5. Выходной регулируемый клапан 4 конструктивно не входитв редукционные установки, однако в условиях работы тепловых
электростанций или котельныхустановок, например, для подачи пара на деаэраторы, в
качестве выходного вентиля 4используется регулирующий клапан системы регулирования давления пара в головкахдеаэраторов или системы удаления кислорода из воды в деаэраторах путембарботирования паром.
/>
Рис.4: Схема редукционнойустановки водяного пара тепловых электростанций и котельных агрегатов.
Для теплоэнергетическихприложений газовой динамики /2/ при течении газов с достаточно большойскоростью через относительно короткие проточные части машин теплообмен междугазовыми частицами не успевает осуществляться в заметной степени, поэтомугазодинамические расчеты могут строиться на основе предположения об адиабатностипроцесса. Отсюда вытекает, что при дросселировании водяного пара энтальпия неизменяется и температура до и после редукционного устройства остается постоянной.Течение водяного пара через редукционное устройство, как и течение любого газа,может происходить с докритической или сверхкритической (дозвуковой илисверхзвуковой) скоростью и характеризуется коэффициентом b. Для адиабатного процесса и двухатомныхгазов коэффициент адиабаты K=1,4 и коэффициент bопределяетсяпо формуле:
/>
Для перегретого водяного параК=1,3 и bп=0,546. По значениюкоэффициента bп определяют критическоедавление водяногопара на входе редукционных установок. Pкр>bпP1, где P1-давление до редукционногоклапана, Па; Pкр-критическое давление после редукционного клапана, Па.
Для рассматриваемых редукционныхустановок РУ1,2/0,8 МПа, РУ1,2/0,65 МПа и РУ0,8/0,65 МПа критические давлениясоставляют соответственно 0,65; 065 и 0,44 МПа. Эти давления не больше давленийпосле редукционных клапанов, которые составляют соответственно 0,8; 0,65 и 0,65МПа. На основании этих соотношений давлений скорости течения водяного парачерез редукционный клапан 2 и регулируемый клапан 4 редукционных установок (рисунок4) принимаются докритическими.
Уравнение динамики водяного парав редукционной установке может быть представлено в следующем виде:
/>
где V-объем водяного пара вкамере понижения давления редукционной установки, м3, r-плотность водяного пара, кг/м3; t-время, с;
G1 и G2-массовый расход водяногопара соответственно на входе в камеру понижения давления редукционной установкии на выходе из этой камеры, кг/с.
Для газообразных сред используютуравнение состояния /2/
P/r=RT,(2)
где P-давление газообразнойсреды, Па; R-газовая постоянная, м2с-20К-1;Т-абсолютная температура среды, 0К. После дифференцированияуравнение (2) по давлению Р и плотности r
/>
и подстановки в уравнение (1) получим:
/>
Скорость течения водяного парачерез редукционный и регулируемый клапаны 2 и 4 докритические. Длядокритического течения газа (водяного пара) массовый расход определяется поформуле /3/
/>
где μ1-коэффициент расхода;F1-площадь проходного сечения редукционного клапана, м2;
K-коэффициент адиабатыперегретого водяного пара;
P1,P-давление водяного пара до ипосле редукционного клапана 2, Па.
Согласно /3/ уравнение (5) можетбыть преобразовано к виду:
/>
где Ka-коэффициент, определяемыйпо формуле:
/>
где μ2-коэффициент расходавыходного регулируемого клапана;
F2-площадь проходного сечениявыходного регулируемого клапана, м2.
Уравнение (4) с учетомсоотношений (6) и (8) принимает вид:
/>
Полученное уравнение (9) — этонелинейное уравнение, которое для дальнейшего анализа необходимо линеаризовать.Переменными величинами в уравнении (9) являются F1, F2, P1, P и P2. Установившиесязначения этих переменных величин обозначаем через F10, F20, P10, P0 и P20. Соответствиямежду переменными величинами и их установившимися значениями имеют вид:
F1→F10; F2→F20; P1→P10;P→P0; P2→P20. (10)
Координаты переменных величин,выражаются через приращения и установившиеся значения следующими соотношениями:
F1=F10+ΔF1; F2=F20+ΔF2;P1=P10+ΔP1;
P=P0+ΔP; P2=P20+ΔP2. (11)
При линеаризации соотношения (9)вначале разлагают его в ряд Тейлора, пренебрегая величинами второго порядкамалости, а затем вместо всех переменных параметров
делают подстановку ихустановившихся значений из соотношений (10). В результате таких действийполучим линеаризованное уравнение:
/>
которое после некоторыхупрощений принимает вид
/>
/>
Для установившегося теченияводяного пара уравнение (9) при значениях соотношений (10) принимает вид:
/>
Это соотношение равно нулюпотому, что производная от постоянной величины dP/dt = 0. Уравнение (13) позволяетопределить установившийся расход водяного пара через оба клапана редукционнойустановки, а именно:
/>
Вычитая из уравнения (12) уравнение(13), и поделив обе части полученного соотношения на установившийся расход G0,получим:
/>
После упрощения это уравнениепринимает вид:
/>
Перепишем уравнение (15) такимобразом, чтобы были отношения ΔP/P0; ΔP1/P10 и ΔP2/P20
/>
Введем в уравнении (16) следующиеобозначения:
/>
С учетом соотношений (17) уравнение(16) принимает вид
/>
После преобразования по Лапласуполучим:
/>
где s-оператор Лапласа.
На рисунке 5 представленаструктурная схема редукционной установки водяного пара, составленная поуравнению (19) с использованием типовых динамических звеньев теорииавтоматического управления. По этой схеме по каждому входному сигналу (каналу) можноопределить передаточную функцию.
/>
Рисунок 5: Структурная схемаредукционной установки водяного пара
Полученные уравнения (18) и (19)позволяют провести анализ влияния различных параметров редукционной установкина постоянную времени Т1 и коэффициенты К1, К2 и К3, а также эффективносинтезировать цифровую систему управления редукционной установкой.4. Разгонные характеристики
/>
Рис.6: Структурная схема
Графики переходных процессов
/>
Рис.7: График кривой разгонаинерционного звена I-го порядка
/>
Рис.8:
/>
Рис.9: Расход пара от мощностиПГ.
Выводы
В данной курсовой работе била исследована динамика редукционной установки. Выходным параметром рассматривалось давление пара. Была составлена мат. модель, выведено дифференциальноеуравнение замкнутой системы, также был проведен анализ динамических свойств, изуравнения замкнутой системы получили передаточные функции редукционнойустановки по давлению пара. По составленной структурной схеме с помощью пакета Simulink получили графики переходных процессов.
Литература
1. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Автоматизированныесистемы управления технологическими процессами АЭС» В.А. Демченко. — Одесса: ОНПУ, 1994. — 27с.
2. Автоматизация и моделирование технологических процессов АЭС и ТЭС В.А. ДемченкоОдесса 2001
Приложения
Приложение 1
/>
Приложение 2
/>
Рис. Регулирующий клапан Ду150, 300, серия 6с-8
Приложение 3
/>
Рис. Главный предохранительныйклапан
Приложение 4
/>