Матвеев 2.0. Курсовой проект по дисциплине Автоматизированные системы управления судовых энергетических установок
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА» Кафедра эксплуатации судовых энергетических установок КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Автоматизированные системы управления судовых энергетических установок» Автоматизация систем судовых паровых котлов Выполнил: Студент СМ-15-4053 Чубаров А.С. Проверил: Матвеев Ю.И. Нижний Новгород 2021 ВВЕДЕНИЕ Основной целью курсовой работы является выполнение функционального анализа заданной системы автоматического регулирования судового парового котла, оценка ее устойчивости при известном законе регулирования, а также анализ качества переходных процессов, протекающих в данной системе. Основные задачи курсовой работы Изобразить принципиальную схему системы автоматического регулирования судового парового котла, описав ее работу при изменении нагрузки; Произвести статический анализ системы автоматического регулирования с учетом люфтов и зазоров в регулирующих органах; Оценить влияние отдельных элементов на качество системы автоматического регулирования; Привести инструкцию по настройке и обслуживанию регулятора системы автоматического регулирования. Вариант 3 группа 5 Исходные данные: ∆t=14  =66mm   Разгонная характеристика
1.Описание системы автоматического регулирования судового парового котла 1.1 Задачи автоматизации судовых паровых котлов Судовые паровые котлы предназначены для снабжения энергетической установки судна паром заданных параметров при широком диапазоне изменения нагрузки. Задача автоматизации судовых паровых котлов заключается в обеспечении нормальной работы энергетической установки и защите ее при отклонении регулируемых величин сверх допустимых пределов. Рабочий процесс судового парового котла в общем случае характеризуется четырьмя регулируемыми величинами: Уровнем воды в котле; Температурой перегретого пара; Давлением перегретого пара; Коэффициентом избытка воздуха. В связи с этим система автоматического регулирования котла в общем случае состоит из четырех основных контуров. Регуляторы данных контуров 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 (вязкости) жидкого топлива. 1.2 Проблема регулирования уровня воды в судовых паровых котлах Паровым котлом можно назвать всякий аппарат, приспособленный для получения водяного пара с давлением выше атмосферного. Паровые котлы с замкнутым циклом работы предназначены для обеспечения нужд в насыщенном паре нефтеналивного и пассажирского флота. Вся емкость котла делится на водяное и паровое производство, т.е. в котле необходимо поддерживать оптимальный уровень воды, обеспечивающий нормальную работу котла и требуемую сухость (влажность) пара. По мере расходования пара нужно пополнять котел водой. Пополнение (питание) котла водой может быть прерывной или непрерывным в зависимости от назначения котла, объёма водяного пространства и других причин для каждого конкретного котла. На вспомогательных котлах питание в основном прерывное, т.е. начало подачи с момента рабочего низшего уровня и прекращение с достижением верхнего уровня. Уровень воды в судовом паровом котле зависит от материального и энергетического балансов, которые являются функциями количества подаваемой питательной воды и топлива, паропроизводительности котла и других факторов. Для нормальной эксплуатации судового парового котла при широком изменении нагрузки уровень воды в котле должен поддерживаться в заданных допустимых пределах. Понижение уровня воды сверх допустимых пределов может привести к перегреву и выходу из строя нагревательных элементов котла. Помимо этого, при резком изменении режима работы в котлах наблюдаются 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). При резком уменьшении нагрузки (расхода пара) происходит обратное явление, при котором давление пара повышается, а уровень воды понижается, несмотря на интенсивное питание котла водой. 1.3Основные технические характеристики вспомогательного автономного газотрубного парового котла КГВ -0,25/3 Таблица 1
 Рис. 1. Газотрубный котел КГВ 0,63/5 Все обслуживающие механизмы, устройства (кроме питательных насосов и ионообменных фильтров) и системы автоматического регулирования, управления, защиты, сигнализации и КИП размещены вместе с котлом на фундаментной раме 1. Система автоматики обеспечивает безвахтенное обслуживание котла, включая розжиг, автоматическое управление процессами горения и питания, прекращение работы, а также включение аварийно-предупредительной сигнализации при аварийных ситуациях. Сварной корпус котла состоит из цилиндрической обечайки 3, переднего 16и заднего 6днищ, в трубных решетках которых вварены трубы 22, 23 и жаровая труба (топка) 4. Днища подкреплены продольными связями 9. Газы из топки попадают в газовую (огневую) камеру 5, выполняют в ней поворот на 180° и, проходя по трубам 23, попадают в газовую (дымовую) камеру 18. В ней газы вновь поворачиваются на 180°, по трубам 22 направляются в дымник 7 и далее через дымоход в атмосферу. Для доступа внутрь с целью осмотров и очистки со стороны водяного пространства предусмотрен лаз 24 с крышкой. На рис.1 также даны следующие элементы котла: клапан нижнего продувания 2, успокоители воды 8 при качке судна, предохранительный клапан 10, воронка верхнего продувания 11, парозаборная труба 12, стопорный клапан 13, указатель низшего уровня 14, водоуказательный прибор 15, клапан верхнего продувания 21, топочное устройство с механической центробежной форсункой 17, дутьевой электровентилятор 20, топливный насос 19, питательный клапан 25. На лопаточном аппарате со стороны топки установлен змеевик (радиационный топливоподогреватель). На котлоагрегатах КГВ 0,25/3 и КГВ 0,63/5 подача воздуха устанавливается заслонкой (шибером) вручную. Форсунка состоит из корпуса, ствола, распыливающей головки, прижимной втулки, распылителя. Топливо, подводимое к форсунке через башмак, проходя тангенциальные каналы распылителя, закручивается и распыливается в топку через прижимное отверстие. Форсунки котлоагрегатов КГВ 0,25/3 и КГВ 0,63/5 имеют постоянную производительность. Система управления и автоматической защиты предназначена для автоматического управления процессами горения и питания, то есть подержания заданных значений давления пара, давление топлива и уровня воды в котле на всех его нагрузках, а также прекращения горения в топке и включения аварийнопредупредительной сигнализации в автоматическом и ручном режимах работы при: предельном давлении пара в котле; минимальном давлении топлива топлива перед форсункой; нижнем предельном уровне воды в котле; верхнем предельном уровне воды в котле; срыве и погасании факела. Система управления и автоматической защиты включает в себя а  ) регулятор давления пара Рис. 2. Гидромеханический регулятор давления пара. При изменении давления пара в котле сильфон измерительного элемента 4 воздействуя через иглу 5 на рычаг 3 поворачивает струйную трубку усилителя 1. В зависимости от положения струйной трубки рабочая жидкость поступает в верхнюю или нижнюю полость гидроцилиндра 10, и поршень 9 через систему рычагов 7 изменяет положение регулирующего органа 8, что приводит к изменению подачи топлива и воздуха в топку котла, а следовательно, к повышению или понижению интенсивности теплопередачи. Настройка регулятора производится путем изменения сил натяжения пружин 2 и 6. б) датчик уровня воды в котле типа ДУ-3; Р  ассмотрим регулятор уровня воды в котле (рис.3). В корпусеизмерительного устройства 1 (рис. 3,1, а) крепится мембрана 5 всборе с грузами 3, ось мембраны упирается в рычаг передачи 2, наоси которой крепится рычаг 6 (рис. 3,1, а, б). Рис. 3. Принципиальная схема ДУ-III 1 – сосуд уравнительный; 2 – датчик уровня (М – мембрана, ПУ – передающее устройство) В водозащищенномкорпусе 4 на панели 7 расположены два микропереключателя 10Импульсом для изменения уровня воды в баке является изменениевысоты столба воды, действующего на мембрану 5 При нулевомуровне воды в баке горизонтальноеположениемембраны обеспечивается массой грузов и силой натяжения пружины 9, которая одним концом крепится к рычагу 6, а другим к штоку указателя 8 деформации пружины, являющегося настроечным органом регулятора. Р  ис. 3.1. Регулятор уровня воды в котле: а – в разрезе; б – общий вид в) реле давления РД1-ОМ5-02 или РДК-57; Реле представляет собой конструкцию сдвоенного типа. Корпус 1 является базой для монтажа всех узлов и деталей реле. В нижней части корпуса установлены два поршня 2, колонки 11 и мембрана 12 (см. рис. 4). Колонки поршня упираются в подушку 10. Мембрана, зажатая гайкой 14, предназначена для передачи давления, подаваемого через штуцер 13 на поршень механизма контактной системы, и для исключения возможности проникновения среды, на которой работает реле, внутрь корпуса. В верхней части корпуса расположены контактная система и регулирующее устройство. Контактная система реле состоит из двух микровыключателей 6 типа МГК2101 и рычажной системы. Один из микровыключателей размыкает или замыкает цепь (в зависимости от подключения контактов) при нижнем, другой – при верхнем пределах давления. Подвижный и неподвижный контакты микровыключателя помещены внутри карболитового корпуса и могут занимать только два положения, замыкая подвижный контакт с одним и размыкая его с другим неподвижным контактом. Регулирующее устройство реле позволяет производить двухпозиционное регулирование пределов давления с изменением диапазона между ними. Регулирующее устройство состоит из двух пружин 8, установленных на стержнях 9, жестко соединенных с корпусом. Одна из пружин предназначена для регулирования нижнего, а другая – для регулирования верхнего пределов давления. Регулирование достигается изменением степени сжатия пружин при помощи гаек 7. Болт 3 служит упором для кнопки  микровыключателя, а гайка 4 – для законтривания этого болта.Рис. 4. Устройство (а) и схема работы (б) реле давления РДК-57: 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – болт; 4 – гайка; 5 – шпора; 6 – микровыключатель; 7 – гайка; 8 – пружина; 9 – стержень; 10 – подушка; 11 – колонка; 12 – мембрана; 13 – штуцер; 14 – гайка г  ) фотореле; Рис. 5 Схема фотоэлектрического защитного устройства по прекращению горения топлива в топке котла: ЭК — электромагнит топливного клапана; ДГ — датчик горения (фотосопротивление); ПЗ — пульт защиты; РФ — реле факела (типа РКН); РТ — реле топливного клапана (типа РМ-4); R — сопротивление При нормальном горении топлива факел имеет достаточную яркость, фотосопротивление хорошо освещено и поэтому имеет малое электрическое сопротивление. Вследствие этого электрическая цепь, в которую включено это фотосопротивление, замкнута, а быстрозапорный электромагнитный (топливный) клапан открыт. При нарушении нормального процесса горения либо полном срыве факела освещенность фотосопротивления уменьшается, сопротивление его резко возрастает, электрическая цепь, в которую включено это фотосопротивление, размыкается, а быстрозапорный электромагнитный клапан закрывается. е) клапан электромагнитный; ж) щит автоматического управления; з) ревун; и) дистанционный звонок с лампой и дистанционный включатель (если они предусмотрены проектом судна) 1.4 Система автоматического регулирования уровня воды в судовых паровых котлах Рассматриваемая система автоматического регулирования (рис. 1) предназначена для поддержания постоянного уровня воды в судовом паровом котле. Данная система автоматического регулирования имеет регулятор включающий: Мембранное измерительное устройство - I; Усилительное водяное реле - II; Поршневой сервомотор - III. Мембранное измерительное устройство измеряет разность уровней воды в пароводяном барабане котла 1 и в установленном над ним конденсационном сосуде 2. Большая часть измеряемого столба воды Ahуравновешивается грузом 12, остальная часть - натяжением пружины 11. Наличие груза 12 позволяет в значительной степени снизить влияние качки судна на изменение величины столба жидкости Ah, так как изменение усилия на мембрану от Ahи от груза 12 происходят по одинаковому закону. Валик 4 выведен из корпуса измерительного устройства и размещен в корпусе усилительного реле через резиновое уплотнение, которое при вращении валика работает на скручивание, не создавая заметного сопротивления (поворот валика не превышает 1.2°). На свободном конце валика укреплена струнная трубка 6 усилительного реле. В корпус усилительного реле вставлено сопло 5, через которое подается рабочая вода к струйной трубке. Струя воды, вытекающая из струйной трубки, попадает в приемные сопла, установленные в нижней крышке реле. В установившемся режиме струйная трубка 6 находится в среднем положении и давление на выходе из левого и правого приемного сопла одинаково.  Рис. 6. Принципиальная схема системы автоматического регулирования с одноимпульсным пропорциональным регулятором по уровню воды: I - мембранное измерительное устройство; II - усилительное водяное реле; III -поршневой сервомотор; 1 - пароводяной барабан; 2 конденсационный сосуд; 3 - рычаг; 4 - валик; 5 - сопло; 6 - струйная трубка; 7 - регулирующий клапан; 8 - обводной клапан; 9 - поршень; 10 - питательный клапан; 11 - пружина обратной связи; 12 - уравновешивающий груз. При понижении уровня воды в пароводяном барабане котла величина столба воды, действующая на мембрану измерителя снизу-вверх, увеличивается. Мембрана через рычаг 3 разворачивает валик 4, а вместе с ним и струйную трубку 6 по часовой стрелке. Давление в правом приемном сопле возрастает, а -0.051 Tcв левом уменьшается. Под действием возникшего перепада давления поршень 9 сервомотора перемещается вниз, открывая питательный клапан 10 и увеличивая подачу воды в котел. Одновременно изменится усилие со стороны пружины 11 (отрицательная жесткая обратная связь), в результате чего струйная трубка 6 в новом установившемся режиме займет среднее положение при более низком уровне воды в пароводяном барабане котла. При повышении уровня воды в пароводяном барабане котла мембрана поворачивает валик 4 и струйную трубку 6 против часовой стрелки, сервомотор прикрывает питательный клапан 10, уменьшая подачу воды в котел. Усилие пружины 11 увеличивается, и новый равновесный режим наступает при более высоком уровне воды в пароводяном барабане котла. Таким образом, данный регулятор поддерживает уровень воды в котле с определенной степенью неравномерности. Установка заданного уровня воды, а также коррекция его положения осуществляются начальным натяжением пружины 11. Величина неравномерности по уровню воды может регулироваться точкой подвески пружины 11 к рычагу валика 4 либо жесткостью пружины (осуществляется методом замены исходной пружины пружиной с другой жесткостью или с другим количеством рабочих витков). Время срабатывания сервомотора регулируется степенью открытия регулирующего клапана 7. Ручное управление осуществляется при открытом обводном клапане 8. 1.5 Классификация системы автоматического регулирования уровня воды Рассматриваемая система автоматического регулирования может быть описана следующими параметрами: Объектом регулирования является пароводяной барабан судового парового котла КВА - 0,65/5; Регулятором является совокупность мембранного измерительного устройства, усилительного водяного реле и поршневого сервомотора; Регулируемой величиной является уровень воды в пароводяном барабане судового парового котла; Регулирующим воздействием является подача питательной воды в судовой паровой котел; Нагрузкой является расход пара по потребителям. Рассматриваемая система автоматического регулирования может быть описана согласно классификации: По назначению - стабилизирующая (требуемое значение уровня воды в пароводяном барабане котла остается неизменным); По принципу регулирования - по отклонению (подача питательной воды в пароводяной барабан котла происходит только после отклонения уровня воды в барабане от требуемого значения); По закону регулирования - пропорциональная (открытие клапана подачи питательной воды в пароводяной барабан котла пропорционально отклонению уровня воды в барабане от требуемого значения); По наличию обратной связи - замкнутая (действие усилительного водяного реле, контролируется жесткой пружиной, выполняющей роль обратной связи); По наличию усилителя - непрямого действия (действие мембранного измерительного устройства передается на поршневой сервомотор через усилительное водяное реле); По виду используемой энергии - гидравлическая; По характеру сигналов - непрерывная. Вывод уравнения динамики котла как объекта регулирования 1. Судовой паровой котел с естественной циркуляцией представляется как единая емкость, в которой аккумулируется тепло. 2. Пренебрегаем инерционными свойствами пароперегревателя. 3. Рассматривается только пароводяной тракт котла, при этом не затрагивается газовоздушный тракт. 4. Пренебрегаем физическим теплом топлива, питательной воды и воздуха подаваемого в топку котла. 5. Коэффициент избытка воздуха а принимаем оптимальным и постоянным при любых нагрузках котла. Экспериментальные исследования динамических свойств судовых котлов показывают, что при возмущениях как внешних (расход пара), так и внутренних (расход топлива) разгонные характеристики по давлению пара несущественно отличаются от разгонных характеристик одноемкостных объектов со слабо выраженным самовыравниванием. Таким образом, имеем упрощенное уравнение динамики котла как объекта регулирования давления пара - уравнение одноемкостного устойчивого объекта:  Та-время разгона котла по давлению пара - время, в течение которого относительное изменение давления пара достигает величины, равной относительному ступенчатому изменению  или  ,с: - относительное изменение давления пара; -относительное изменение подвода тепла к парообразующей части котла; - относительное изменение паровой нагрузки;Количество тепла, аккумулированного в котле, может быть определено как  Ap-коэффициент аккумуляции тепла образующей части котла, показывающий, сколько нужно подвести (или отвести) тепла к парообразующей части котла, чтобы давление пара изменилось на кгс/см2; Рп.н. -давление пара при номинальной нагрузке, кгс/см2.Значение АР может быть определено по формуле: Ap= aв * Ve+ an* Vn + am * GМ где aв, ap, aм-коэффициенты, характеризующие соответственно долю воды, пара и металла в общей тепловой аккумуляции котла; Vb, Vp-объемы воды и пара в котле, м3; GМ-масса металла котла, кг; Коэффициенты aв, ap, aммогут быть определены из таблиц водяного пара как:    Количество тепла, отведенного из котла: Q=D(i'-i'') где D- расход пара - паспортная паропроизводительность котла, кг/с; Тогда время разгона (с).  iв- энтальпия воды, ккал/кг; Коэффициент самовыравнивания может быть определен как безразмерная разность частных производных по отводу и подводу тепла к парообразующей части котла:  где Qd= D(i–iв) = Q - количество тепла, отведенное с паром;  - количество тепла, подведенное с топливом;Если уравнение (1) разделить на коэффициент самовыравнивания Z, то получится представляющее собой классическую форму записи дифференциального уравнения:  где To- постоянная времени объекта регулирования, с; Ko- коэффициент усиления объекта. 1.6 Определение коэффициентов уравнения динамики объекта регулирования Существует два метода определения коэффициентов уравнения динамики объекта регулирования: аналитический и графоаналитический. Первый из них связан с определением конструктивных и теплотехнических характеристик, что порой бывает затруднительно в судовых условиях и к тому же требует много времени на обработку полученных данных. Второй метод более прижился в инженерной практике, прост в использовании и экономный во времени. Заключается он в снятии разгонной характеристики по каналу регулирования путем нанесения ступенчатого возмущения на объект регулирования. При съеме разгонной характеристики систему автоматическогорегулирования размыкают, т.е., объект отсоединяют от регулятора. Возмущение обычно наносится регулирующим органом (РО), в данной курсовой работе роль регулирующего органа выполняет регулирующий топливный клапан, путем изменения его положения на небольшую величину. Эта величина возмущения выбирается так, чтобы изменение выходного параметра не выходило за технологически допустимую величину. В нашем случае величина возмущающего воздействия (ступенчатого открытия топливного клапана) составляет:  = Если объект является неустойчивым или нейтральным, то снимают часть разгонной характеристики с допустимыми отклонениями выходной величины. Для регистрации величины отклонения регулируемого параметра используют безинерционные точные измерительные приборы, самописцы, шлейфовые или запоминающие осциллографы. При ручной регистрации разгонной характеристики снимают показания измерительного прибора через равные промежутки времени ∆t(по заданию курсовой работы, например ∆t=14c). Для определения постоянной времени объекта регулирования на разгонной характеристике проводим из точки начала координат касательную к кривой. Доведя касательную до уровня (линии) установившегося состояния, получаем точку пересечения. Из этой точки к оси времени проводим перпендикуляр. Расстояние от начала кривой разгонной характеристики до точки пересечения перпендикуляра с осью времени имеет вид To. To= 50 с Разгонная характеристика, снятая через  ,с :
 С разгонной характеристики также определяем φo, μo. φo=0.6 Отсюда по известной формуле определяем коэффициент усиления объекта  = =1.15С учетом выше написанного запишем типовое уравнение динамики котла как объекта регулирования по давлению пара:   | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
