1. Регулирование экономичности процесса горения в прямоточном паровомкотле по схеме «нагрузка — воздух» с коррекцией по кислороду. Укажите требования,предъявляемые к объекту регулирования, и его динамические свойства. Приведите кривуюразгона объекта регулирования и статическую характеристику АСР
Регулирование экономичностипо соотношению задание — воздух с дополнительным сигналом по содержанию О2 дымовых газах(рис. 11.12). Процентное содержание 02 в продуктах сгорания топлива характеризуетизбыток воздуха и слабо зависит от состава топлива. Поэтому использование 02в качестве входного сигнала автоматического регулятора, воздействующего на расходвоздуха, представляется вполне целесообразным. Однако реализация этой схемы затруднена из-заотсутствия надежных и быстродействующих газоанализаторов на кислород. Поэтому впромышленных условиях получили распространение схемы регулирования подачи воздухане с прямым, а с корректирующим воздействием по 02.
Поддержание избытка воздуха по соотношениютеплота— воздух отличается простотойи надежностью, но не является точным. Этот недостаток устраняется в системе регулированияэкономичности, действующей, например, по схеме задание — воздух с дополнительной коррекцией по 02,в которой регулятор подачи воздуха изменяет его расход по сигналу от главного или корректирующегорегулятора давления 5. Сигнал, пропорциональный расходу воздуха ∆рв, каки в других схемах, во-первых, устраняет возмущения по расходу воздуха, не связанныес регулированием экономичности (включение или отключение систем пылеприготовленияи т. п.), во-вторых, способствует стабилизации самого процесса регулирования подачивоздуха, так как служит одновременно сигналом жесткой отрицательной обратной связи.Введение дополнительного корректирующего сигнала по содержанию 02 повышаетточность поддержания оптимального избытка воздуха в любой системе регулированияэкономичности. Добавочный корректирующий регулятор 4 по 02 в схеме регулирования задание — воздух непосредственно управляет подачей воздуха при топочных возмущенияхи обеспечивает поддержание заданного избытка воздуха в зависимости от нагрузки агрегата.
/>
Рис. 11.12. Регулированиеподачи воздуха по соотношению:
нагрузка — воздух с коррекцией по О2; 1 — регулятор подачи воздуха; 2 — регулирующий орган; 3 – дифференциатор; 4 — корректирующий регуляторвоздуха; 5 — корректирующий регулятор давления перегретогопара (регулятор задания по нагрузке)
2. Как оценивается тепловая нагрузка барабанного парового котла? Какформируется сигнал «по теплу» для барабанного парового котла?
Принципиальная технологическая схема барабанного котла показана нарис. 11.1. Паровой котел в целом по каналу топливо — расход или давлениепара служит системой направленного действия. Однако выходные регулируемые величинынекоторых участков служат одновременно входными по отношению к другим. Например,расход перегретогопара Dп.п, являясь выходной величиной поотношению к расходу топлива Вт, служит входным воздействиемпо отношению к давлению и температуре перегретого пара: давление пара в барабанеpб, являясь выходной величиной по отношению к расходу топлива, служитодним из входных воздействий участка регулирования уровня воды в барабане Hб.
Паровой котел как объект управления представляет собой сложную динамическуюсистему с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами (рис. 11.2).Однако явно выраженная направленность участков регулирования по основным каналамрегулирующих но воздействий, таким как расход питательной воды Dп.в — уровень Hб, расход воды на впрыск Dвпр — перегрев tп.п., расход топливаBт — давление рп.пи др. позволяет осуществлятьстабилизацию регулируемых величин с помощью независимых одноконтурных систем, связанныхлишь через объект управления. При этом регулирующее воздействие того или иного участка(сплошные линии на рис. 11.2) служит основным способом стабилизации регулируемойвеличины, а другие воздействия (пунктирные линии) считаются по отношению к этомуучастку внутренними или внешними возмущениями.
Управляемый процесс парообразования происходит в подъемных трубах циркуляционногоконтура 2, снабжающихся водой из опускных труб 3 и экранирующих камернуютопку 1, в которой сжигается топливо Вт. Для поддержанияпроцесса горения с заданным коэффициентом избытка α в топку нагнетается вентиляторомДВ воздух QB, предварительно нагретый в воздухоподогревателе 9.
Дымовые газы Qr,образовавшиеся в результате процесса горения, отсасываются из топкидымососом ДС. Они проходят через поверхности нагрева экономайзера 8, воздухонагревателя9 и удаляются в атмосферу через дымовую трубу. Насыщенный пар из барабана4 поступает в пароперегреватель 5, 6, где перегревается до требуемойтемпературы за счет радиации факела и конвективного обогрева топочными газами.
Основные регулируемые величины котла — расход перегретого пара Dп.п, давление рп.п и температура tп.п.
При этом расход пара может изменяться в широком диапазоне, а давлениеи температура поддерживаются в сравнительно узких пределах допустимых отклонений,что обусловливается требованиями заданного режима работы турбины или иного потребителятеплоты.
Температура перегрева пара может поддерживаться вблизи заданного значения,например, посредством изменения расхода охлаждающей воды Dвпр на пароохладитель 7. Давление пара отклоняетсяот заданного значения во всех случаях небаланса между количествами потребляемогопара Dп.п и генерируемого (вырабатываемого) в экранных трубах Dб. Небаланс устраняется посредствомрегулирования тепловыделения в топке, главным образом изменением подачи топлива.Кроме названных, следует поддерживать в пределах допустимых отклонений следующиевеличины: уровень воды в барабане Нб (регулируется изменением подачипитательной воды Dп.п); разрежение в верхней части топки ST (регулируется изменениемпроизводительности дымососов, отсасывающих дымовые газы из топки); оптимальный избытоквоздуха за пароперегревателем α (регулируется изменением производительностидутьевых вентиляторов, нагнетающих воздух в топку); солесодержание котловой водыв пересчете на NaCl (регулируется изменением расхода воды Dnp, выпускаемой из барабанав сепаратор непрерывной продувки).
Система автоматического регулирования барабанного парового котла вцелом состоит из отдельных замкнутых систем: 1) давления перегретого пара рп.пи тепловой нагрузки Dq ;2) избытка воздухав топке, определяемого содержанием О2 за пароперегревателем,— экономичностипроцесса горения; 3) разрежения в верхней части топки SТ; 4) температуры перегрева пара; 5) питания котловой водой; 6) качествакотловой воды.
/>
Рис. 11.1. Принципиальная технологическая схема барабанного паровогокотла
/>
Рис. 11.2. Схема взаимосвязей между выходными и входными величинамив барабанном котле
3. Регулирование температуры вторичного пара за счет рециркуляции уходящихгазов. Укажите требования, предъявляемые к поддержанию температуры вторичного пара,и динамические свойства объекта регулирования. Приведите кривую разгона объектарегулирования и статическую характеристику АСР
Характеристика участка регулирования. На современных мощных паротурбинныхустановках предусматривается повторный перегрев пара после его расширения в ЦВДтурбины. Для этого пар, прошедший через ЦВД, возвращается в котёл, где он нагреваетсядо требуемой температуры и в качестве вторичного пара поступает на вход турбины.Температура вторичного пара также должна поддерживаться с высокой точностью в допустимыхпределах при различных нагрузках турбины и изменениях топочного режима.
Способы и схемы регулирования. Регулирование вторичного перегрева парас помощью впрыска оказывается неэкономичным: пар, образовавшийся в результате испаренияохлаждающей воды, не проходит через проточную часть ЦВД турбины, что приводит кснижению КПД теплосиловой установки.
1. Регулирование с помощью паро-парового теплообменника (ППТО).Конструктивно ППТО представляет собой вынесенный из газоходов парового котла корпус,выполненный из трубы большого диаметра (300—400 мм), внутри которого проходят змеевикитруб малого диаметра, укрепленные в трубных досках. Внутри змеевиков проходит частичноперегретый (до 450—520 °С) первичный или греющий пар Dг.п; внутри трубы большого диаметра встречно проходит вторичныйпар Dв.пс температурой 320—350 °С.
Регулирование температуры вторичного пара производится путем измененийего расхода через ППТО с помощью трехходового клапана и обводного паропровода. Вкачестве резервного средства регулирования на случай чрезмерного повышения tв.ппредусматривается аварийный впрыск.
Принципиальная схема автоматической системы регулирования, температурывторичного пара с помощью ППТО приведена на рис 11.28 (вариант а). НедостатокППТО — существенная инерция по tв.п.
2. Регулирование с помощью газопаро-парового теплообменника (ГППТО).Теплообменник сконструирован по принципу труба в трубе и представляет собой размещеннуюв газоходе систему змеевиков из труб диаметром 60x3,5 мм, внутри каждой из которыхпроходят две трубки диаметром 16x3 мм. По трубкам малого диаметра движется первичныйили греющий пар; навстречу ему по трубам большого диаметра проходит вторичный пар.Трубы большого диаметра обогреваются топочными газами снаружи, что требует их надежногоохлаждения изнутри. В связи с этим через змеевики большего диаметра пропускаетсявесь вторичный пар, и регулирование его температуры осуществляется путем изменениярасхода первичного пара. Принципиальная схема регулирования температуры вторичногопара, с помощью ГППТО изображена на рис. 11.28 (вариант б).
/>
Рис. 11.28. Схемы регулирования температуры вторичного пара с помощьюпаро-парового (пунктирная линия а) или газопарового (пунктирная линияб) теплообменников:
1,3 — ступени вторичного пароперегревателя;2 — паровой или газопаровой теплообменник; 4 — термопара; 5 — дифференциатор; 6— регулятор температуры пара на выходе; 7 — пароохладитель; 8 —трехходовой регулирующийклапан; 9 —- обводной клапан; 10 — аварийный впрыскивающий пароохладитель
Способы регулирования с помощью теплообменников экономически целесообразны,при этом ГППТО менее инерционен, чем ППТО. Однако недостаток их состоит в появлениисущественных взаимосвязей между системами регулирования первичного и вторичногопара. Кроме того, эти способы не всегда обеспечивают достаточный диапазон регулирования.
3. Регулирование перепуском частипара в обвод конвективной поверхности нагрева вторичного пароперегревателя (паровойбайпас).
Принципиальная схема регулирования при использовании парового байпасированияизображена на рис. 11.29.
/>
Рис 11,29. Схема регулирования температуры вторичного пара перепускомчасти пара помимо холодного пакета пароперегревателя
Конструктивно вторичный — «холодный пакет» 1 размещается в зоне сравнительнонизких температур газов, а «горячий пакет» 2 выносится в зону высоких температургазов. Тепловосприятие пароперегревателя регулируется трехходовым клапаном 3, перепускающимчасть «холодного» пара, помимо первого пакета, на вход второго. При таком способерегулирования температура вторичного пара практически не зависит от температурыпервичного. В то же время диапазон регулирования может быть достаточно широким.ПИ-регулятор температуры 4 действует от двух сигналов — по отклонению температурына выходе из вторичного пароперегревателя (основного) и дополнительного (исчезающего),сформированного с помощью дифференциатора 5 и датчика 6, установленногопосле смешения холодного и частично перегретого пара.
На случай чрезмерного повышения tв.п предусматривается дополнительный впрыск 7,управляемый автоматическим регулятором 8. Заданное значение tв.п основного регулятора 4 устанавливаетсяменьшим, чем у регулятора 8, с тем, чтобы клапан аварийного впрыска 9в нормальном режиме работы был закрыт. Кроме того, наличие блокировки в электрическойсхеме управления предусматривает возможность открытия аварийного клапана 9 лишьпосле полного открытия трехходового клапана 3.
4. Газовое регулирование. Эффективное воздействие на температуру вторичного перегрева пара можетбыть достигнуто за счет изменения количества теплоты, передаваемой поверхностямнагрева топочными газами. Для того чтобы общий расход топочных газов оставался неизменным,целесообразно воспользоваться перераспределением потока газов между газоходами конвективногоперегревателя и водяного экономайзера. Принципиальная схема газового регулированияизображена на рис. 11.30. Регулирующие органы — поворотные заслонки, с помощью которых осуществляется перераспределение газовогопотока, должны быть выполнены из жаропрочного материала и оборудованы специальнойсистемой воздушного охлаждения. На вход автоматических регуляторов вторичного перегревапри газовом регулировании подаются два сигнала: первый (основной) по tв.п, второй упреждающий (исчезающий) по температуре газов перед вторичнымперегревателем.
/>
Рис. 11.30. Газовое регулирование температуры вторичного пароперегревателя перераспределениемпотока газов: 1 — вторичный пароперегреватель; 2 — экономайзер; 3 — поворотные заслонки.
4. В чем заключается особенность барабана котла как объекта регулированияуровня? Какие факторы оказывают влияние на положение уровня в барабане?
Характеристика участка регулирования. Показателем соответствия материальногобаланса между паром и водой служит уровень в барабане Нб. Средний уровеньводы должен поддерживаться постоянным при изменении нагрузки. Принято, что максимальнодопустимые отклонения уровня воды в барабане составляют ±100 мм от среднего значения,установленного заводом-изготовителем. Снижение уровня ниже видимой части водомерногостекла, устанавливаемого на барабане котла, считается «упуском» воды, а превышениеего верхней видимой части — «перепиткой». Расстояние между этими критическими отметкамисоставляет 400 мм. Снижение уровня ниже места присоединения опускных труб циркуляционногоконтура может привести к нарушению питания и охлаждения водой подъемных труб, нарушениюих прочности в местах стыковки с корпусом барабана, а в наиболее тяжелом случае—пережогу. Чрезмерное повышение уровня может привести к ухудшению действия внутрибарабанныхсепарационных устройств, преждевременному заносу солями пароперегревателя, а такжек забросу частиц воды в турбину, что может явиться причиной тяжелых механическихповреждений ее ротора и лопаток.
Снабжение барабана водой осуществляется по одной и, реже, двум ниткамтрубопроводов питательной воды, одна из которых служит резервной.
Отклонение уровня воды в барабане от среднего значения характеризуетналичие небаланса между притоком питательной воды и расходом пара; оно происходиттакже вследствие изменения содержания пара в пароводяной смеси подъемных труб засчет колебаний давления пара в барабане или изменений тепловосприятия испарительныхповерхностей нагрева.
Кривая переходного процесса по уровню в барабане при возмущении расходомпитательной воды для парового котла (420 т/ч) приведена на рис. 11.17, а. Динамикаэтого же участка при возмущении расходом пара показана на рис. 11.17,6.
Выпуклость начального участка кривой разгона при возмущении нагрузкой(увеличением) объясняется снижением давления пара, в свою очередь это приводит кувеличению паросодержания в подъемных трубах циркуляционного контура и росту уровня. Описанное явление носит название набуханияили вспучивания.
/>
Рис 11.17. Динамические характеристики котла типа ТП-87 по уровню водыв барабане при возмущениях: а — водой; б — паром
Схема автоматического регулирования. Автоматический регулятор долженобеспечить постоянство среднего значения уровня независимо от нагрузки паровогокотла и других возмущающих воздействий. В переходных режимах изменение уровня протекаетдовольно быстро, поэтому регулятор питания должен поддерживать постоянство соотношениярасходов питательной воды и пара. Эту задачу выполняет трехимпульсный регуляторпитания (рис. 11.18). Регулятор 3 перемещает клапан 4 при появлениисигнала небаланса между расходами питательной воды Dв.п и пара Dп.п. Помимо того, он воздействует на положение питательногоклапана при отклонениях уровня от заданного значения Нб. Данная схемаимеет широкое применение на крупных энергетических барабанных паровых котлах.
/>
Рис. 11,18. Трехимпульсная АСР питания водой барабанного котла:
1 — барабан; 2 — экономайзер; 3 — регуляторпитания; 4 — регулирующий клапан питательной воды