Разработка и моделирование системы управления промышленного котлоагрегата

Содержание
Введение………………………………………………………………………….....6
Глава 1 Современные схемы регулирования питания промышленных
котлоагрегатов
1.1 Особенности функционирования барабанных котлов ……………..……..7
1.2 Обзор схем регулирования питания парового котла……….………... ...10
1.3 Постановка задачи управления………………………………...............….15
Глава 2 Разработка и моделирование системы автоматического
регулирования питания барабанного котлоагрегата…………..16
2.1 Обоснование выбора технических средств системы
регулирования питания котлоагрегата………….…………........….16
2.1.1 Контроллер управления………………………………………………....16
2.1.2 Исполнительный механизм и регулирующий клапан……………...…30
2.1.3 Питательный клапан………………………………………………….....31
2.1.4 Датчик расхода воды и пара…………………………………………....31
2.1.5 Уравнительный сосуд и датчик перепада давления…………...….......34
2.1.6 Магнитный пускатель ПМЛ……………………………………..……..37
2.2 Структурная схема системы регулирования питания……………..……..38
2.3 Построение математической модели САР………………………….....….39
2.4 Возможности программы VisSim…………………………………...…..…40
2.5 Моделирование САР в программной среде VisSim ………………....…...41
2.5.1 Разработка схем моделирования САР…………………...…………..…42
Глава 3 Экономика………………………………………………………………..45
Глава 4 Безопасность жизнедеятельности………………………………………51
Заключение………………………………………………………………..………61
Список литературы………………………………………………………..……...62
Приложение А программа для реализации одноимпульсного регулятора
питания парового котла………………………………………………………….64
Приложение Б программа для реализации трёхимпульсного регулятора
питания парового котла…………………………………………………………..65
Глава 1 Современные
схемы регулирования питания промышленных котлоагрегатов
Особенности функционирования барабанных котлов

Паровым котлом принято называть комплекс различных агрегатов и
узлов, которые служат для преобразования химически связанной тепловой
энергии углеводородного топлива в потенциальную энергию перегретого пара
высокой температуры и высокого давления на основе использования законов
передачи тепла от продуктов, с высокой температурой, полученной в
результате сгорания различных видов топлива, к рабочей среде, которой
является вода и пар.
К основным узлам котла относятся топка и теплообменны
поверхности. В топке или топочной камере производится сжигание топлива.
В котёл подаётся питательная вода, которая нагревается и впоследствии
превращается в перегретый пар. Основными параметрами перегретого пара
является температура и давление. Преобразование воды в пар происходит в
теплообменных поверхностях. В топке котла, как правило находятся
испарительные поверхности, в которых происходит образование пароводяной
смеси. Для получения перегретого пара используются пароперегреватели. Они
помещаются за топочной камерой. Прежде чем подать питательную воду в
котёл, её необходимо подогреть до определённой температуры. Для этого
используется поверхности экономайзеров. Экономайзер подогревается за счёт
теплоты выходящих из котла продуктов сгорания. К основным элементам
котла относятся такие устройства как барабан, назначением которого является
отделение насыщенного пара от воды и удаление излишков влаги. Также в
барабане происходит аккумулирование такого количества воды, которо
необходимо для нормальной работы котла. Горелочные устройства
предназначены для сжигания топлива в топке. К этим устройствам
предъявляются такие требования как эффективность сгорания топлива. Под
эффективностью понимается наиболее полное сгорание и уменьшение
количества вредных выбросов в атмосферу. Совместно с горелочными
устройствами работают воздухоподогреватели котла, являющиеся
поверхностью нагрева, в которых происходит нагрев воздуха перед подачей в
топку. Различные типы теплообменников и впрыскивающие пароохладители,
относятся к устройствам регулирования температуры перегрева пара.
Основной особенностью водотрубных барабанных котлов является
фиксированная граница раздела между паром и водой. По разновидности
используемого топлива, паровые котлы разделяются на твёрдотопливные,
использующие газообразное, а также жидкое и другие виды
Примером простейшего котла, который производит насыщенный пар
низкого давления, является цилиндрический котёл, в котором помещалась
топка с колосниковой решёткой. В качестве топлива использовался кусковой
уголь. При этом воздух для поддержания горения подавался через решётку
Рисунок 1.1- Развитие типов водотрубных барабанных котлов

а) Барабанно-цилиндрический. б) Камерный горизонтально-
водотрубный. в) Двухбарабанный вертикальноводотрубный. г)
Однобарабанный факельный.

1) Топка. 2) Барабан-сепаратор. 3) Нижний барабан. 4) Выход пара. 5)
Раздающая водяная камера. 5’) Коллектор. 6) трубы котельных пучков. 6’)
Трубы настенных экранов. 7) Экономайзер. 8) Пароперегреватель. 8’)
Настенный ленточный перегреватель. 9) Воздухоподогреватель. 10)
Колосниковая решётка. 11) Горелка. 12) Вход воды в котёл.

колосника снизу. Областью нагрева являлась нижняя часть барабана, в
качестве которого использовался стальной цилиндр, диаметром
приблизительно равным 1,5м. Барабан заполнялся на три четверти водой.

Поверхность нагрева омывали горячие газы, полученные в результате
сгорания угля. Конструкция котла была очень простой, и поэтому
насыщенного пара он выдавал относительно небольшое количество. КПД
котла был очень низким из-за того, что температура выходящих из котла газов
была очень высокой. Водотрубные котлы являются развитием
цилиндрических. Основой конструктивного развития водотрубных котлов
является большое количество труб малого диаметра (среднее значение-50мм),
которые находятся в потоке раскалённых газов. Это решение позволило
заметно повысить производительность и экономичность котла. В
двухбарабанных вертикальноводотрубных котлах дальнейшим развитием
стала установка в опускном газопроводе змеевика из труб для подогрева
питающей воды. Змеевик (экономайзер) позволил несколько повысить КПД
котла. В вертикально водотрубных котлах с факельным сжиганием топлива
горение происходит во взвешенном состоянии, при этом факел занимает весь
объём топки. Так как большая часть площади топочной камеры покрыта
топочными экранами, КПД таких котлов заметно возрастает. В общем случае
получение перегретого пара из воды состоит из следующих друг за другом
процессов: нагрев питательной воды до температуры насыщения, образование
пара в барабане, перегрев пара до необходимой температуры. Все процессы
имеют строго определённые границы раздела и происходят в следующих
теплообменных устройствах: экономайзерной, испарительной и
пароперегревательной поверхностях.
Рисунок 1.2- Схема работы парового котл
1.2 Обзор схем регулирования питания парового котла

Схемы регулирования паровых барабанных котлов выполняет большой
комплекс задач. Автоматические системы управления должны обеспечивать
заданные значения таких параметров как давление и температура, изменение
которых может происходить из-за возникающих возмущающих воздействий,
вызванных изменением нагрузки. В паровом котле изменение нагрузки
определяет расход перегретого пара. Колебания расхода пара приводят к
отклонениям уровня воды, давления и температуры в котле. Системы
регулирования котла работают как независимые. Так управление процессом
горения топлива независимо от управления контуром питания водой в котёл.
И обе эти системы вместе не связаны с поддержанием постоянства
температуры перегретого пара. Регулирование питания парового котла может
быть реализовано на трёх основных принципах: одно, двух и трёхимпульсном
управлении. К одноимпульсным системам можно отнести пропорциональный
регулятор питания. К этому регулятору подводится только один канал – поуровню
H воды в барабане котла. Величина открытия регулирующего
клапана зависит от величины и полярности сигнала на входе регулятора. По
статической характеристике видно, что регулятор поддерживает уровень воды
в барабане с положительной неравномерностью. Это значит что уровень H в
барабане с увеличением нагрузки D в установившемся режиме понижается.
Рисунок 1.3- Одноимпульсная схема регулирования уровня воды

На рисунке 1.4 изображены упрощённые графики переходного
процесса, которые были построены без учёта запаздывания в системе, а также
без учёта колебательного процесса.
Рисунок 1.4

До значения t1 нагрузка поддерживалась равной D1 и являлась
постоянной. Этой нагрузке соответствовал расход воды W1 и уровень
питательной воды H1. Далее в момент t1 резко уменьшается нагрузка до
значения D2 Что явилось следствием падения уровня воды со значения H1 до
Hа . Из за уменьшения объема пароводяной смеси, находящейся в барабане и
трубах топочного экрана. После того как регулятор воспринял сигнал о
снижениии уровня воды, регулятор даст команду на открытие клапана и
подача питательной воды увеличится от W1 до Wa. Поскольку произойдёт
превышение поступления воды над расходом пара, то это будет являться
постепенным превышением уровня, который будет отслеживать регулятор и
соответственно перекрывать клапан уменьшая поступление воды до уровня
W2 который, будет соответствовать новой нагкузке D2, а в барабане
установится уже другой уровень H2, причём этот уровень будет несколько
выше первоначального. В момент t2 нагрузка увеличилась до значения D3 и
из за этого увеличился объём пароводяной смеси. Уровень при этом
повышается до отметки Hв, а регулятор при этом сократит подачу воды до
Wв. Из за несоответствия между расходом пара и поступлением воды
произойдёт снижение уровня и увеличение поступления питательной воды до
отметки W3 в результате чего установится новый уровень H3. Из
вышесказанного можно заключить, что колебания воды в результате такой
регулировки будут значительными. Поэтому регуляторы с воздействием по
уровню применяются для котлов со значительным объемом воды и
небольшим колебанием её уровня и незначительным тепловым напряжением
поверхностей нагрева. Помимо применения одноимпульсной системы может
исползоватся двухимпульсная система, где пропорциональный регулятор
использует два сигнала: по уровню H в барабане котла и по расходу пара D на
выходе. Статическая характеристика образована в результате суммирования
характеристик статического регулирования с неравномерностью и
характеристики сигнала по расходу пара. Сигнал по расходу пара имеет
квадратичную зависимость от нагрузки парового котла, именно от этого
зависит форма статической характеристики регулирования.
Рисунок 1.5- Двухимпульсная система регулирования уровня воды

На рисунке 1.4 показана структурная схема и статическая
характеристика регулирования пропорционального регулятора питания,
действующего при отклонении уровня воды и расхода пара. Двухимпульсный
регулятор воспринимает изменение расхода воды только через отклонение
уровня. Состояние уровня в основном зависит от нагрузки, хотя на него
влияет также расход воды, определяющейся перепадом давлений на
регулирующем клапане. В связи с этим, при других равных условиях,
положение уровня напрямую зависит от перепада давлений на регулирующим
клапане. На графике это показано двумя линиями: статической
характеристики при постоянных перепадах ΔPнаиб. и ΔPнаим. Между этими
двумя этими характеристиками находится возможное положение уровня воды
в барабане. Поэтому при изменениях расхода пара из котла двухимпульсный
регулятор начинает работать ещё до отклонения уровня воды в барабане. Это
обстоятельство заметно улучшает качество процесса регулирования.
Основным недостатком двухимпульсного регулятора питания уровня является
то что он учитывает изменения подачи воды в котёл только через изменение
уровня воды в барабане. Если по какой либо причине увеличится давление
перед клапаном, поступление воды тоже может увеличиться. При этом
нарушится равновесия между расходом пара и поступлением воды нарушится
и уровень начнёт повышатся. Только после повышения уровня в барабане
регулятор начнёт работу, прикрывая клапан. Регулятор будет действовать до
тех пор пока не наступит равновесие и установится новый уровень в барабане.
Двухимпульсные регуляторы обычно используют в котлах на изменение и
поведение уровня в барабане значительно влияет набухание, а колебания
давления в внутри поверхностей нагрева являются незначительными.
Набухание – это процесс образования в воде большого количество паровых
пузырей из за падения давления над зеркалом испарения. Эти пузыри
увеличивают уровень воды в барабане в связи с чем датчики уровня
указывают на необходимость изменения подачи воды в котёл. В этом случае
может произойти сбой системы подачи и при ошибочном сигнале датчика
уровня произойдёт упуск воды. Наиболее надёжными и эффективными в
данное время являются трёхимпульсные системы управления в которых
дополнительным параметром регулирования является расход питательной
воды при подаче в котёл. Структурная схема и график регулирования уровня
при возмущениии изменением нагрузки комбинированного трёхимпульсного
регулятора питания показаны на рисунке 1.5. Здесь в качестве примера
приведены графики изменения относительного уровня ф при возмущении
нагрузкой λ на втором графике показан переходный процесс регулирования
уровня трёхимпульсным регулятором. Кривая 1 для сравнения показывает
регулирование при двухимпульсном регуляторе уровня.....