Конспект лекций авторы М. В. Посконин Красноярск 2021г. 2 Введение
 Скачать 3.28 Mb.
|
|
РАЗДЕЛ II АВТОМАТИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ГЛАВА 4 АВТОМАТИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ 4.1. Общие вопросы автоматизации Как известно, рабочий процесс механизма, агрегата, системы ит.д., связанный с переносом и преобразованием энергии или рабочего вещества, характеризуется некоторым количеством физических величин или параметров, которые в процессе эксплуатации должны поддерживаться постоянными либо изменяться по какому-либо закону, т.е. регулироваться. Механизм, агрегат, система, в которых одна или несколько из этих физических величин регулируются автоматически, называется объектом регулирования. Устройство, осуществляющее регулирование указанных величин без вмешательства человека, называется автоматическим регулятором. Объект регулирования, соединенный связями с автоматическим регулятором, образует систему автоматического регулирования (САР). В ряде случаев объекты регулирования имеют несколько регулируемых величин и соответственно несколько регулирующих воздействий. В этом случае совокупность отдельного регулятора и объекта составляет контур регулирования. В том случае, если взаимное влияние контуров регулирования является существенным, регулирование носит название связанного, при несущественном влиянии этих контуров друг на друга регулирование называется несвязанным. В зависимости от динамических характеристик объекта регулирования и требований, предъявляемых к САР, для осуществления процесса автоматического регулирования применяют регуляторы различной сложности. Наиболее простыми в конструктивном исполнении являются одноимпульсные регуляторы прямого действия, однако динамические качества, в том числе точность поддержания заданной величины, при применении таких регуляторов получаются невысокими. Для улучшения динамических характеристик САР в регуляторы вводят различные корректирующие устройства, чаще всего в виде жестких либо гибких обратных связей, а также применяют чувствительные элементы, реагирующие на несколько импульсов (многоимпульсные регуляторы). Судовая энергетическая установка, паротурбинная, газотурбинная либо дизельная, включает в себя большое количество; взаимосвязанных агрегатов и механизмов, устройств и систем с большим количеством регулируемых величин. Многие современные энергетические установки характеризуются быстрыми изменениями величин, определяющих протекание рабочих процессов, при которых оператор в силу своих ограниченных физиологических возможностей не в состоянии следить за их изменением. В связи с этим для нормальной эксплуатации современных энергетических установок они должны быть оборудованы средствами автоматического регулирования, сигнализации и защиты. На первых этапах автоматизации судовых энергетических установок предусматривалось оборудование машин и механизмов, устройств и систем самостоятельными, не связанными между собой системами автоматического регулирования, сигнализации и защиты. При таком уровне автоматизации достигается только улучшение режимов работы механизмов и облегчение условий труда обслуживающего персонала при сохранении постоянного присутствия его в машинном отделении. В настоящее время на подавляющем большинстве вновь строящихся судов от автоматизации отдельных механизмов переходят к комплексно-автоматизированным энергетическим установкам, под которыми понимают такие, нормальная работа которых обеспечивается без постоянного присутствия вахтенных в машинном отделении, а нормальное управление установкой как на установившемся, так и на маневровых режимах осуществляется 37 средствами автоматизированного дистанционного управления, при наличии средств сигнализации и защиты, либо из центрального пульта управления, расположенного в машинном отделении, либо с ходового мостика. В качестве обязательного элемента комплексной автоматизации предусматривается дистанционное автоматизированное управление (ДАУ) главным двигателем, включающее в себя программные устройства подготовки пуска и вывода механизма на режим, комплекс защитных и блокировочных устройств, а также устройства централизованного контроля работы механизмов. Комплексная автоматизация, не предусматривая исключение человека из сферы управления и обслуживания механизмов, влечет за собой существенное изменение организации труда плавсостава. Так, на комплексно-автоматизированных судах начинают отказываться от традиционного деления команды на палубную и машинную. Вместо этого судовой состав делится на эксплуатационников, обеспечивающих ходовую вахту, и ремонтников, занимающихся проведением профилактических и ремонтных работ как по механической, так и палубной части. При проектировании комплексно-автоматизированных энергетических установок необходимо обязательно учитывать свойства человека как звена системы управления. Внедрение комплексной автоматизации и освобождение судового состава от несения постоянной вахты в машинном отделении выставило ряд новых требований к судовым механизмам с точки зрения комплектации, конструктивного выполнения и их надежности. В подавляющем большинстве автоматизация оборудования, предназначенного для ручного управления, является неэффективной. Поэтому при создании автоматизированных установок необходимо в первую очередь создавать оборудование, отвечающее условиям автоматизации. К числу основных требований, которым должно отвечать оборудование, предназначенное для автоматизации, относятся повышенная надежность, уменьшение числа регулируемых величин, упрощение и сокращение количества операций по управлению и обслуживанию. Состав и компоновка оборудования машинного отделения должны быть подчинены условию удобства обслуживания, а также упрощения и сокращения операций по управлению и ремонту. В последние годы, при разработках проектов комплексно-автоматизированных установок стали уделять определенное внимание вопросам саморегулирования, под которыми понимается создание таких механизмов, в которых стабильность регулируемых величин обеспечивается без применения специальных регуляторов. В качестве примеров, поясняющих высказанную мысль, можно привести следующие. Соответствующим подбором соотношения между поверхностями конвективного и радиационного пароперегревателей можно добиться почти полной независимости температуры перегретого пара от нагрузки котла, так как с увеличением нагрузки котла температура пара после конвективного пароперегревателя увеличивается, а после радиационного — уменьшается. На паротурбинном танкере «Ялта» постройки ФРГ главные котлы не имеют специального регулятора температуры, а стабильность ее при любых нагрузках обеспечивается за счет соответствующего подбора радиационной и конвективной поверхностей перегревателя. В качестве второго примера следует указать на разработки американских фирм по саморегулированию парового котла в целом. Предложение сводится к тому, что в главный паропровод котла включена одноступенчатая турбина активного типа, работающая на насыщенном паре. Так как турбина включена в паропровод последовательно, то развиваемая ею мощность пропорциональна паропроизводительности котла. Эта турбина приводит в действие котельный вентилятор и топливный насос, мощности для привода которых определяются производительностями приводимых агрегатов, которые в свою очередь соответствуют паропроизводительности котла. Применение установок с саморегулированием снижает первоначальные затраты на постройку, повышает надежность работы и сокращает затраты на обслуживание. 38 В заключение следует отметить, что, хотя в настоящее время установки с саморегулированием являются только экспериментальными, направление это весьма перспективно и заслуживает достаточного внимания. Переход на безвахтенное обслуживание требует также повышенной надежности не только средств автоматизации, но и основного автоматизированного оборудования. Учитывая, что при прочих равных условиях увеличение количества одновременно работающих механизмов приводит к снижению надежности установки в целом, в целях обеспечения надлежащего уровня надежности при создании новейших силовых установок уделяется большое внимание сокращению числа агрегатов и устройств за счет внедрения принципиально новых решений, упрощения тепловых схем, тщательной отработки оборудования. Так, в одном из современных проектов ПТУ (мощность 20 тыс.л.с.) для морского судна количество вспомогательных механизмов сокращёно по сравнению с обычной установкой более чем на ⅓. Такое снижение числа механизмов было достигнуто в результате установки одного главного котла вместо традиционных двух, применения однокорпусной турбины, самопроточного конденсатора, агрегатирования механизмов, сокращения арматуры и фланцевых соединений на трубах и т.д. 4.2. Задачи автоматизации котельной установки Судовые котельные агрегаты предназначаются для снабжения энергетической установки судна паром заданных параметров при широком диапазоне изменения нагрузки. Задача автоматизации судовой котельной установки заключается в обеспечении нормальной работы установки и защите ее при отклонении регулируемых величин сверх допустимых пределов Рабочий процесс котлоагрегата в общем случае характеризуется четырьмя регулируемыми величинами: уровнем воды, температуры перегретого пара, давлением пара и коэффициентом избытка воздуха. В связи с этим система регулирования котла в общем случае состоит из четырех основных контуров, регуляторы которые управляют перемещением соответствующих регулирующих органов, изменяющих обычно проходные сечения. Для поддержания неизменных значений перепадов давления на регулирующих органах предусматривается еще четыре дополнительных контура. Помимо этого, имеет место еще один контур, обеспечивающий поддержание заданного значения температуры или вязкости жидкого топлива. Таким образом, система автоматического регулирования котельной установки в общем случае состоит из девяти контуров. При наличии нескольких котлов, питающих паром общую магистраль, некоторые контуры регулирования (например, давления и температуры перегретого пара) могут выполняться общими для группы котлов. 4.3. Регулирование уровня воды в барабане котла Уровень воды в барабане котла зависит от материального и энергетического балансов, которые являются функцией количества подаваемой питательной воды и топлива, паропроизводительности котла и т.д. Для нормальной эксплуатации энергетической установки при широком изменении нагрузки уровень воды в барабане котла должен поддерживаться в заданных допустимых пределах. Понижение уровня воды сверх допустимых пределов может привести к перегреву и выходу из строя нагревательных элементов, а повышение — к забросу воды в турбину, результатом чего может быть крупная авария котла или турбины. Помимо этого, при резком изменении режима работы в котлах наблюдаются так называемые явления набухания. Набухание воды объясняется увеличением интенсивности парообразования, которое возникает за счет повышенного теплосодержания воды по отношению к снизившемуся давлению пара при резком увеличении нагрузки котла (расхода пара). 39 При резком уменьшении нагрузки (расхода пара) происходит обратное явление, при котором давление пара повышается, а уровень воды понижается, несмотря на интенсивное питание котла водой. Перечисленные обстоятельства значительно усложняют, а в ряде случаев не позволяют осуществлять надлежащее регулирование уровня воды вручную и требуют обязательной установки автоматических регуляторов. Динамика водяного аккумулятора котла может быть описана следующим дифференциальным уравнением: 𝑇 2 2 𝑑 2 𝜑 𝑦 𝑑𝑡 2 + 𝑇 1 𝑑𝜑 𝑦 𝑑𝑡 − 𝜇 𝑏 = 𝑇 3 2 𝑑 2 𝜑 𝑘 𝑑𝑡 2 − 𝑇 4 𝑑𝜑 𝑘 𝑑𝑡 + 𝑏𝜑 𝑘 − 𝑇 5 𝑑 𝑑𝑡 − , (84) где В этом уравнении у — регулируемая величина, 𝜇 𝑏 — регулирующее воздействие. Члены, содержащие и 𝜑 𝑘 , а также их производные по времени, являются внешними возмущениями. Передаточная функция водяного аккумулятора относительно регулирующего воздействия может быть представлена следующим выражением: 𝑊(𝑝) = 1 𝑇 1 𝑝(𝑇 2 1 𝑝+1) , (85) где 𝑇 2 1 = 𝑇 2 2 𝑇 1 Выражение (85) можно рассматривать как произведение двух передаточных функций, что будет соответствовать последовательному включению двух звеньев: интегрирующего 1 𝑇 1 𝑝 и апериодического 1 𝑇 2 1 𝑝+1 ; следовательно, водяной аккумулятор самовыравниванием не обладает. В зависимости от числа используемых импульсов САР уровня воды делятся на одноимпульсные, многоимпульсные и связанного регулирования. Наиболее простыми в конструктивном отношении являются одноимпульсные САР. 4.3.1. Одноимпульсная САР уровня воды Т 1 , Т 2 , Т 3 , Т 4 и Т 5 — постоянные времени; b — коэффициент; 𝜑 𝑦 = ∆𝑉 пв 𝐹ℎ 𝑚𝑎𝑥 — относительное приращение объема пара, содержащегося в водяном объеме котла, эквивалентное относительному приращению уровня воды в котле; V пв — объем пароводяного пространства под зеркалом испарения котла. Изменение этого объема эквивалентно изменению уровня воды в котле ∆ℎ = ∆𝑉 пв 𝐹 (F — площадь зеркала испарения); h max — высота столба воды между уровнями в конденсационном сосуде и барабане котла; 𝜇 𝑏 = ∆𝑚 𝑏 𝑚 𝑏 𝑚𝑎𝑥 — относительное перемещение питательного клапана; 𝜑 𝑘 = ∆𝑝 𝑘 𝑝 𝑘 𝑚𝑎𝑥 — относительное приращение давления пара; = ∆𝐿 𝐿 𝑚𝑎𝑥 — относительное перемещение маневрового клапана у турбины (относительное внешнее возмущение). 40 с термогидравлическим регулятором Чувствительным элементом термогидравлического регулятора (рис. 44) является термогенератор, состоящий из трубы 2, окруженной оребренным кожухом 1. Внутренняя полость 2 термогенератора соединена с паровым и водяным пространством барабана котла. Наружная полость 3 термогенератора совместно с полостью мембранного устройства 4 образует замкнутое пространство, заполненное конденсатом. Количество тепла, поступающего от внутренней полости 2 к конденсату в полости 3, а, следовательно, и давление в этой полости определяется уровнем воды в котле и сообщенной с ним полости 2. Это объясняется тем, что коэффициенты теплопередачи от пара к воде и от воды к воде значительно отличаются. При понижении уровня воды поверхность трубы 2, омываемая паром, и количество тепла, поступающего к конденсату, заключенному в полости 3, возрастет, а давление на мембрану увеличится, мембрана прогнется вниз и переместит регулирующий орган в сторону увеличения подачи питательной воды. При повышении уровня все произойдет в обратном направлении. Рис. 44. Принципиальная схема термогидравлического регулятора Преимуществом рассмотренного регулятора является простота конструкции и отсутствие подвижных деталей в чувствительном элементе. К недостаткам следует отнести повышенную инерционность и довольно большую статическую ошибку. На рис. 45 приведена зависимость уровня воды в барабане котла от его паропроизводительности. Как следует из приведенного графика, неравномерность поддержания уровня соответствует смещению его на 50—60 мм при изменении паропроизводительности котла на 50%. 4.3.2. Одноимпульсная САР уровня воды с изодромным регулятором типа «Аскания» Отличительной особенностью этого регулятора (рис. 46) является наличие конденсационного сосуда 1. Измерение уровня сводится к измерению разности давлений, одно из которых (в конденсационном сосуде) является постоянным, а другое определяется положением уровня воды в барабане котла. Перед вводом котла в действие сосуд 1 заполняется конденсатом, уровень которого поддерживается постоянным благодаря расположенной внутри сосуда сливной трубке. 41 Рис. 45. Изменение уровня в барабане котла в зависимости от нагрузки Таким образом, на мембрану М с левой стороны действует суммарное давление пара и постоянного столба жидкости, определяемого уровнем воды в конденсационном сосуде, а с правой — суммарное давление пара и переменного столба жидкости, определяемого уровнем воды в барабане котла. При снижении уровня в барабане котла давление на мембрану справа уменьшится, в результате чего она прогнется и переместит через систему рычагов 5 струйную трубку 4 вправо. При перемещении струйной трубки от среднего положения произойдет изменение давления в полостях сервомотора 8, в результате чего поршень сервомотора переместится и увеличит проходное сечение клапана 9; количество питательной воды, поступающей в котел, увеличится, уровень начнет повышаться. Для повышения быстродействия и увеличения усилий, развиваемых сервопоршнем, в систему включен вторичный усилитель 20, принцип действия которого показан на рис. 16. При перемещении поршня сервомотора перемещается также связанный гидравлически с ним поршень изодрома 14, который через систему рычагов 11 и 13, а также пружину 6 возвращает струйную трубку в нейтральное (среднее) положение, сжимая пружину изодрома 19. В этот первый момент вследствие появившейся деформации пружины 6 регулятор работает как статический, т.е. со статической ошибкой. В последующий момент под действием усилия сжатой пружины 19 поршень изодрома, перемещая жидкость из одной полости в другую через дроссель 17, переместится в среднее положение. При этом пружина 6 придет в недеформированное состояние, а статическая ошибка исчезнет. Вследствие этого изодромные регуляторы называют также регуляторами с временным статизмом. Для перехода на дистанционное, неавтоматическое регулирование на трубопроводе, подводящем рабочую жидкость к сервомотору, установлен клапан 10. Клапанная коробка 3 служит для отключения мембранного устройства и продувания трубопроводов. Краны 18 служат для удаления воздуха из системы. Установка необходимого уровня воды в котле осуществляется с помощью настроечного винта на рычаге 11 за счет изменения натяжения пружины 6. Настроечные приспособления на рычаге 13 позволяют изменять степень неравномерности регулятора. На схеме позиции 2, 15 указывают на клапаны; 7, 16 — отводные патрубки; 12 — места соединения трубок. |