Автоматическая система регулирования питания барабанного котлоагрегата

Автоматическая система регулирования питания барабанного котлоагрегата (АСР уровня) — одна из основных систем регулирования в паровом котлоагрегате.

Масса воды в котле будет неизменна, если расход воды из котла (в виде отбираемого пара, утечек, расхода на продувку и др.) будет равен количеству нагнетаемой в котёл питательной воды.

Уровень в барабане котла зависит от многих факторов — общей массы воды в котле, её температуры, насыщенности пузырьками пара внутри испарительных поверхностей нагрева и т. п.

Так как общую массу воды в котле невозможно измерить простыми методами, поэтому для АСРП в качестве входного контролируемого параметра используют уровень воды в барабане, который просто измеряется, например, с помощью дифференциальных манометров по гидростатическому давлению столба воды.

Общие сведения

Изменение величины уровня воды в барабане является следствием воздействия на него изменения подачи питательной воды, расхода пара, тепловой нагрузки топки и давления пара в барабане.

Отклонения уровня от среднего положения при его регулировании не должны превышать ±50 мм, а выход за эти пределы до ±100 мм свидетельствует о критическом состоянии параметра. Как видно, из рисунка 1, максимальной нагрузке потребителя соответствует низкий уровень воды в барабане.

В связи с тем, что на уровень воды в барабане котлоагрегата действуют множество возмущений, таких как: изменение расхода питательной воды, изменение потребления пара, изменение расхода топлива и изменение температуры питательной воды, то используют комбинированную систему управления расходом питательной воды и компенсации возмущений, связанных с нагрузкой котла по пару. Выбор этих параметров основан на бо́льшем их влиянии на материальный баланс в барабане котлоагрегата и уровень воды в нём.

Систему регулирования уровня воды в барабане котла можно реализовать как в виде одноконтурной так и двухконтурной систем управления. Но одноконтурная система имеет ряд недостатков, основными из которых является возникновение статической ошибки регулирования из-за неустойчивости контура регулирования с интегральной составляющей (И-регулятор). Применение простейшего закона регулирования — пропорционально-интегрального в такой замкнутой системе авторегулирования неприемлемо по условиям устойчивости. Другой недостаток — низкое быстродействие системы. При использовании двухконтурной системы регулирования уровня удаётся минимизировать статическую ошибку, однако задача увеличения быстродействии системы должным образом также не решается. В такой системе снова не компенсируется влияние возмущающих воздействий, поэтому, сравнивая качество работы вышеупомянутых систем, чаще всего на практике применяют комбинированную систему управления расхода воды и компенсации возмущений представленную на рисунке 2.

В структурной схеме применены следующие обозначения: $D_{\text{п.п.}}$ — возмущающее воздействие по расходу пара, $B_{\text{т}}$ — возмущающее воздействие по расходу топлива, $T_{\text{п.в.}}$ — возмущающее воздействие по изменению температуры питательной воды, $D_{\text{п.в.}}$ — управляющее воздействие расходом питательной воды, $H$ — выходная величина — уровень воды в барабане котла.

Разновидность объектов управления

• Уровень воды в барабане котла как объект управления.
• Расход воды как объект управления.
• Расход перегретого пара как объекта управления.

Уровень воды в барабане котла как объект управления

Возмущение расходом питательной воды может происходить при регулирующем воздействии. Формы переходных процессов существенно различаются в зависимости от типа экономайзера. Динамические свойства объекта регулирования можно получить экспериментальным или аналитическим методами. Аналитический метод предполагает составление дифференциальных уравнений на основании материального и энергетического балансов, что вызывает математические трудности, поскольку достаточно сложно учесть все факторы, влияющие на переходный процесс при выбранных возмущающих воздействиях.

Временна́я характеристика этой модели управления аппроксимируется двумя параллельно включёнными звеньями — инерционным звеном первого порядка и интегрирующим звеном. Выходные сигналы этих звеньев суммируются с разными знаками.

Расход воды как объект управления

Для системы автоматического регулирования уровня по расходу воды оптимальным является апериодический процесс при минимальном времени регулирования. Поскольку объект управления обладает самовыравниванием, то процедуру идентификации параметров модели проводят методом площадей. Этот метод относится к активным методам определения параметров математической модели объекта. Использование активного метода идентификации предполагает проведение на действующем объекте специальных спланированных экспериментов в определённой степени нарушающих его нормальный режим работы. Ступенчатое возмущение является наиболее часто используемым возмущающим сигналом для идентификации устойчивого процесса, что позволяет использовать для описания процесса достаточно простую модель объекта в виде апериодического звена первого порядка или второго порядка с запаздыванием (в англоязычной литературе эти модели называются first-order-plus-dead-time (FOPDT) и secondorder-plus-dead-time (SOPDT) соответственно). Измеренные параметры переходного процесса используют для настройки ПИД-регуляторов.

Расход перегретого пара как объекта управления

Изменения расхода пара вызывает отклонение давления в котле при неизменном расходе топлива, поэтому при падении давления в барабане котла, вызванное увеличение расхода пара увеличивается объём пароводяной смеси в испарительных поверхностях котла. Кроме того, при снижении давления уменьшается температура кипения воды в циркуляционном контуре и за счёт теплоты, запасённой в металле поверхностей нагрева происходит дополнительное парообразование, что также приводит к увеличению паросодержания в воде. Увеличение объёма пара в циркуляционном контуре вследствие увеличения паросодержания и удельного объёма вызывает повышение уровня в барабане. Таким образом, изменение нагрузки при неизменном расходе питательной воды и топлива приводит к изменению уровня. Передаточную функцию по расходу пара аппроксимируют в виде интегрирующего и апериодического звеньев с запаздыванием, соединённых последовательно.

Литература

• Клюев А. С., Товарнов А. Г. Наладка систем энергетического регулирования котлоарегатов — М., «Энергия»,1970 — 280 с. с илл.
• ГОСТ 3619-89. Котлы паровые стационарные. Типы и основные параметры — Введён. 01.01.1990 ‑ М.: Издательство стандартов, 1995 — 12 с.
• Ротач В. Я. Автоматизация настройки систем управления. / В. Я. Ротач, В. Ф. Кузищин, А. С. Клюев — М.: Энергоатомиздат, 1984 — 272 с.
• Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования — М.: Наука, 1975 — 768 с.