Общие сведения об автоматическом регулировании работы котла

"Судовые котельные работы" Пираниан Б.Н. и др. (рецензия ПТУ-30) 1989 г. 240 стр.

При работе котла количество подаваемого топлива, воздуха и питательной воды (в зависимости от изменения расхода, уровня и давления) необходимо регулировать. Регулирование может быть ручным и автоматическим. При ручном регулировании и частых изменениях режима возможны недопустимые колебания параметров котла, т.к. даже самые опытные котельные машинисты неизбежно, с некоторым опозданием, реагируют на изменение регулируемых величин. Поэтому котельные агрегаты оборудуют системами автоматического регулирования (САР) питания, горения и температуры перегретого пара.

Основным узлом САР является автоматический регулятор. Он состоит из чувствительного элемента (датчика) и регулирующего органа (РО). Датчик реагирует на изменение какого-либо параметра работы котла (например, давление пара) и воздействует на регулирующий орган (РО), который меняет режим питания, горения и т.д.

В регуляторе прямого действия энергии датчика достаточно для перемещения РО. Если же усилие, необходимое для перемещения РО, превышает усилие, создаваемое датчиком, то в состав регулятора вводят усилительное и исполнительное устройства (сервомотор). Усилитель воспринимает импульс (воздействие) от чувствительного элемента, усиливает его за счёт постороннего источника энергии и передаёт исполнительному устройству, которое перемещает РО.

Регуляторы такого типа называют регуляторами непрямого действия. Источником энергии в них служит сжатый воздух (пневматические системы), жидкость (гидравлические системы) или электричество (электромеханические системы).

Чтобы исключить чрезмерные колебания регулируемых параметров (перерегулирование) и ускорить установку усилительного устройства в нейтральное положение, применяют обратную связь. Обратная связь соединяет РО с усилительным устройством так, что перемещение РО оказывает на усилитель обратное воздействие, полученное от датчика. Это воздействие пропорционально перемещению РО.

САР процесса питания позволяет поддерживать постоянный уровень воды в пароводяном коллекторе котла. С увеличением расхода пара возрастает подача воды в котёл и наоборот. Основной элемент этой системы - регулятор питания, который следит за уровнем воды в коллекторе и управляет открытием питательного клапана.

Если объём воды в котле велик и резких колебаний расхода пара не наблюдается, то уровень воды в пароводяном коллекторе изменится незначительно, тогда надёжную работу котла может обеспечить одноимпульсный регулятор уровня (см. рис. а).

Простейший регулятор уровня состоит из чувствительного элемента 2 поплавкового типа, размещённого в коллекторе котла 1, устройства связи 3 для передачи усилия и РО – автоматического, питательного клапана 4, установленного на питательном трубопроводе 5. Такие регуляторы используют для поддержания постоянного уровня воды и в других теплообменных аппаратах котельной установки.

На судах морского флота широкое распространение получили одноимпульсные термогидравлические регуляторы уровня (см. рис. б). Чувствительный элемент такого регулятора представляет собой трубу 4, соединённую клапанами 3 и 5 с паровым и водяным пространствами коллектора котла. Клапаны 3 и 5 в рабочем положении открыты, поэтому уровень воды в трубе 4 соответствует уровню воды в пароводяном коллекторе. Наклонная часть трубы 4 размещена в трубе 2 большего диаметра. Для более интенсивного охлаждения наружная поверхность трубы 2 оребрена. Верхняя часть трубы 4 до её входа в трубу 2 покрыта изоляцией (для уменьшения тепловых потерь), а нижняя - не изолирована и имеет рёбра 1, способствующие интенсивному охлаждению. Кольцевое пространство между трубами 4 и 2 заполнено до определённого уровня дистиллированной водой и соединено трубой 6 с сильфоном 7.

Сильфон представляет собой гофрированный упругий цилиндр, одно донышко которого через систему промежуточных элементов связано с РО - питательным клапаном 8, а к другому от измерительного органа подведена труба 6. Кольцевое пространство заполняется дистиллятом при полном закрытии питательного клапана и среднем уровне воды в котле. В связи с этим сильфон 7 постоянно находится под давлением, равным давлению в кольцевом пространстве.

При уменьшении уровня воды в коллекторе уровень воды снизится и в наклонной трубе 4; следовательно, большая её часть заполнится паром, который, конденсируясь, отдаст больше теплоты дистилляту в кольцевом пространстве, повысив в нём давление. С ростом давления среды над сильфоном 7 его донышко перемещается и открывается питательный клапан 8. При увеличении уровня воды давление дистиллята в кольцевом пространстве снижается и клапан 8 постепенно закрывается.

В котлах с малым водосодержанием и резкими изменениями расхода пара одноимпульсные регуляторы непригодны. При увеличении расхода пара, снижении его давления и интенсивном парообразовании в коллекторе, сопровождающемся повышением уровня воды, одноимпульсный регулятор вместо увеличения подачи воды закрывает питательный клапан. В таких случаях применяют двухимпульсные регуляторы питания: первый импульс - по уровню воды в коллекторе, второй - по расходу пара.

На рис.4.29 приведена принципиальная схема двухимпульсного регулятора питания. Датчик 8 регулятора представляет собой цилиндр с двумя мембранами 4 и 7. Полость А под мембраной 7 соединена с конденсационным сосудом 2, полость Б между мембранами - с водяным объёмом коллектора 1, а полость В над мембраной 4 - с трубопроводом, отводящим пар от пароперегревателя 3 котла. Уровень воды в сосуде 2 превышает уровень воды в пароводяном коллекторе и поддерживается постоянным, т.к. избыток воды сливается по дренажной трубе.

При понижении уровня воды в коллекторе 1 расстояние увеличивается, давление в полости А становится больше, чем давление в полости Б, мембрана 7 прогибается и перемещает рычаг 5, который воздействует на струйную трубку 6. Эта трубка, поворачиваясь, направляет поток жидкости под поршень сервомотора 9, который рычагом 10 открывает питательный клапан 12. При повышении уровня жидкости мембрана 7 прогибается в обратную сторону, струйная трубка подаёт жидкость в другую полость сервомотора и питательный клапан постепенно закрывается.

При увеличении расхода пара давление в полости В уменьшается, мембрана 4 прогибается вверх и струйная трубка, перемещаясь, открывает питательный клапан на трубопроводе 11. Таким образом, перемещение струйной трубки происходит под действием двух импульсов: изменения уровня воды в коллекторе и расхода перегретого пара.

Резкое увеличение расхода пара может привести к повышению уровня воды вследствие интенсивного парообразования. В этом случае импульсы по расходу пара и уровню воды гасят друг друга. При дальнейшем увеличении расхода пара оба импульса будут действовать в одном направлении - на открытие питательного клапана.

При автоматическом регулировании процесса сгорания расход топлива соответствует количеству отбираемого пара на потребители. Кроме того, поддерживаются оптимальные соотношения количества подаваемых топлива и воздуха. Последнее необходимо потому, что при недостатке воздуха топливо сгорает не полностью и в результате резко возрастает дымность, а при избытке воздуха снижается температура горения. В обоих случаях КПД котла падает. Поэтому во всех САР процесса сгорания предусмотрено одновременное изменение подачи к котлу топлива и воздуха.

На рис.4.30 показана схема гидравлической САР процесса сгорания, широко применяемой для вспомогательных котлов отечественной постройки. При уменьшении расхода пара повышается давление в пароводяном коллекторе 1 котла. Сильфон 2 поворачивает рычаг, изменяющий положение струйной трубки 3. В результате от струйной трубки вода поступает в нижнюю полость сервомотора 4. Его поршень перемещается, перекрывая заслонку 6 котельного вентилятора 5, уменьшая подачу воздуха. Клапан 7 на топливном трубопроводе снижает подачу топлива к форсунке 8. При увеличении расхода пара поршень сервомотора перемещается в обратном направлении, увеличивая подачу топлива и воздуха.

Автоматическое регулирование температуры перегретого пара осуществляют с помощью пароохладителей (ПО) или путём изменения тепловой нагрузки поверхности нагрева пароперегревателя, со стороны дымовых газов (газовое регулирование). В судовых котельных установках применяется несколько типов ПО; схемы основных из них показаны на рис.4.31 (одноимённые узлы на схемах обозначены одинаковыми номерами).

На рис.4.31,а приведена схема регулирования температуры перегретого пара с помощью внутрикотлового поверхностного ПО 3, расположенного в пароводяном коллекторе 1 котла. Регулятор 6 получает информацию о температуре пара от термодатчика 8, установленного на паропроводе после второй секции 7 пароперегревателя (перед турбиной). При отклонении температуры пара от заданной регулятор 6 воздействует одновременно на регулирующие клапана 5 и 4. Если температура пара повышается, то регулятор 6 закрывает клапан 5 (после первой секции 2 пароперегревателя) и открывает клапан 4. В результате увеличивается количество пара, проходящего через пароохладитель 3, и уменьшается расход пара через клапан 5 от первой секции 2 пароперегревателя к второй секции 7. В результате смешения неохлаждённого пара с охлаждённым, снижается температура пара перед турбиной; регулятор открывает клапан 5 и закрывает клапан 4. При этом проход пара через ПО уменьшается и температура пара перед турбиной (стрелка 9 указывает направление к турбине) повышается.

На рис.4.31,б представлена схема регулирования перегретого пара с помощью поверхностного внекотлового ПО, установленного в воздуховоде. ПО 3 одновременно служит подогревателем воздуха, направляемого к ВНУ котла (стрелка 11). Из пароводяного коллектора пар поступает к первой секции 2 ПП и далее к турбине (стрелка 9).

При отклонении температуры от заданной регулятор перераспределяет потоки воздуха, поступающего от вентилятора 10 (с помощью регулирующих клапанов 5 и 4), по основному воздуховоду, где расположен ПО, и байпасному воздуховоду. С ростом температуры пара поток воздуха через ПО увеличивается, а с понижением температуры пара - уменьшается.

На рис.4.31в, изображена схема регулирования температуры перегретого пара за счёт подачи в ПО конденсата. Такая схема применяется на танкерах типа "София". При повышении температуры пара, по сравнению с заданной, регулятор 6 открывает клапан 4, через который конденсат поступает в ПО 3. Конденсат, смешиваясь с паром, понижает его температуру. При снижении температуры пара подача конденсата к распыливающему устройству уменьшается. При нагрузке котла менее80% подача конденсата полностью прекращается.

Чтобы снизить содержание пара, конденсат получают из котельного пара в конденсаторе 13, который прокачивается питательной водой, поступающей из экономайзера 12.

Судовые котлы рассчитаны на безвахтенное обслуживание, поэтому они имеют надёжные средства сигнализации и защиты. Автоматическая система защиты котла срабатывает при чрезмерном давлении пара, уровне воды ниже критической отметки, недопустимом снижении давления воздуха перед топкой, самопроизвольном затухании факела. Системы защиты различаются по конструкции, но основная их функция - прекращение подачи топлива к форсункам. Для этой цели служит электромагнитный запорный клапан (рис.4.32). При нормальной работе котла по обмотке катушки 1 проходит электрический ток и магнитное поле катушки втягивает сердечник с запорной иглой 5, которая, поднимаясь, открывает доступ топлива к форсунке через седло 4, запрессованное в корпусе клапана 3. В случае появления одной из перечисленных выше неисправностей катушка обесточивается, пружина 2 прижимает запорную иглу к седлу клапана, закрывая доступ топлива к форсункам.