Автоматическое регулирование сжигания топлива

Для обеспечения требуемого качества сжигания топлива в котел необходимо подавать воздух и топливо в соотношении, при котором сгорание топлива происходит с требуемым коэффициентом избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха определяется следующей формулой:

– фактический расход воздуха в котел;

– теоретически необходимый расход воздуха с расходом.

- масса воздуха, теоретически необходимая для сжигания единицы массы топлива.

Значение – определяется химическим составом топлива.

0,85 – 0,9 г/см³

В современных котлах коэффициент избытка воздуха составляет:

На малых нагрузках:

Таким образом, область изменения α, которой достигается бездымная и экономичная работа котла, не велика и соотношения расхода топлива и воздуха должно поддерживаться с максимальной точностью.

Для котельных установок танкеров, где котлы являются источником инертных газов для работы СИГ. По международным нормам содержание кислорода в инертных газах не должно превышать 5% по объёму.

Между содержанием О₂ и α существует следующая зависимость:

Рис 2.1. Зависимость концентрации кислорода в дымовых газах от коэффициента избытка воздуха.

Непосредственно регулирование коэффициента избытка воздуха не применяется вследствие отсутствия датчиков α.

В соответствии с графиком заданную концентрацию О₂ можно было бы поддерживать α. Однако датчики содержания О₂ очень инерционные и не могут применяться для регулирования воздуха в котле. Они используются в качестве медленно действующих корректоров к основному регулятору расхода воздуха (РРВ). Это дает возможность на постоянных нагрузках котла обеспечивать горение с требуемым коэффициентом избытка воздуха α.

Современная микропроцессорная техника позволяет создать датчик в котором коэффициент избытка воздуха вычисляется по формуле (2.1) по расходам топлива и воздуха.

Поэтому применяется косвенное регулирование α.

Из этого следует, что для поддержание заданного значения α необходимо поддерживать заданное соотношение.

Непосредственное измерение этих расходов не производится. Расход воздуха определяется по перепаду давления воздуха на каком либо участке воздухопровода, как правило, на ВНУ.

Для турбулентного потока можно считать:

– коэффициент сопротивления ВНУ.

Измерение передачи давления воздуха () позволяет измерять расход воздуха в котел и использовать это для регулирования α.

- давление воздуха перед ВНУ.

– давление газов в топке котла.

Расход топлива в котел так же можно измерять по перепаду давления топлива. Например на форсунке котла.

- коэффициент сопротивления форсунки.

Таким образом измерения можно определить с требуемой точностью расход топлива в котел.

Таким образом поддерживая можно поддерживать α.

Этот принцип топливо сжигания широко используется в котельных установках.

В последнее время стали применяться (пример Aallborg) цифровые датчики объемного расхода топлива.

Перепад давления на форсунке:

Для измерения наиболее широко применяются дифференциальные датчики давления использующие пьезо элементы и цифровую обработку электрических сигналов.

Для измерения давления так же используются датчики с пьезо элементами.

3 СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОПЛИВА СЖИГАНИЯ.

Рис. 3. 1. Схема регулирования сжигания топлива с одним ИМ, изменяющим расход топлива и воздуха.

В котельных установках малой паро производительности (от 2 до 5 тон пара в час) регулятор расхода воздуха отсутствует, и расход топлива и воздуха изменяется от одного исполнительного механизма (ИМ) от РДП (рис. 3. 1).

- коэффициент расхода топлива через золотник;

- площадь проходного сечения золотника, которая является функцией положения золотника;

- перепад давления на ТРЗ.

Если поддерживать постоянной (const), то:

Рис. 3.2. Линейная конструктивная характеристика топливного регулирующего золотника.

Это свойство используется для установки ВРЗ в требуемое положение.

Поворот происходит через кулачек регулируемого топливо.

КПР – кулачек регулируемого профиля.

Рис. 3.3. Схема регулирования расходов топлива и воздуха одним исполнительным механизмом.

На котлах средней и большой паро производительности используются параллельное регулирование расходов воздуха и топлива в котел.

Рис. 3.4. Схема параллельного регулирования расхода топлива и воздуха с регулятором соотношения расходов.

В этом случае система регулирования сжиганием топлива имеет два регулятора:

1) Давление пара;

2) Перепад давления воздуха.

Связанные между собой регулятором соотношения расходов топлива и воздуха (РСР).

Главный регулятор давления пара реализует управляющее воздействие ОР, по отклонению давления пара в котле от заданного значения.

В данной схеме ГРДП является последовательным КУ.

По сигналу ОР формируется:

1) В заданное положение ТРЗ;

2) В заданное положение ВРЗ.

Эти сигналы поступают на систему управления воздушного регулирования заслонкой СУВРЗ и системы управления СУТРЗ – расход воздуха необходимый для сжигания топлива, приближенно поддерживая α. Кроме того имеется регулятор соотношения расходов РСР (воздуха и топлива), вырабатывающий сигнал коррекции к заданному положению ВРЗ, таким образом, чтобы обеспечить требуемое значения α. Сигнал вырабатывается по отношению:

Таким образом:

– коэффициент коррекции к расходу воздуха.

В данном случае можно обеспечить требуемый коэффициент избытка воздуха (α) с требуемой точностью на постоянных нагрузках котла и допустимые изменения α в переходных режимах, включая быстрое и большое изменение нагрузки котла.

4. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Судовая котельная установка представляет собой многомерный объект регулирования со сложной динамической структурой. Происходящее в котельной установке преобразование, энергии топлива в потенциальную энергию пара, представляет собой ряд взаимосвязанных физически процессов, протекающих в аккумуляторах котла.

Динамическая схема котла представлена на рисунке 4.1.:

Рис. 4.1. Динамическая схема котла.

Не линейная модель котла представляет собой сложную систему дифференциальных и алгебраических уравнений. Однако при изучении автоматизации котла, можно пользоваться линейными уравнениями динамики. Они могут быть получены экспериментальным путем по разгонным характеристикам котла.

Уравнение динамики котла по давлению пара (используется оператор уравнения):

(4.1)

Где обозначены относительные величины:

– давление пара;

– расход топлива;

– расход пара;

– расход питательной воды;

- постоянная времени котла по давлению пара.

Величина зависит от массы воды, которая находится в котле в состоянии кипения. Величина так же зависит от режима работы котла.

,, – коэффициенты передачи по соответствующим воздействиям.

Из уравнения (4.1) следует, что котел по давлению пара рассматривается как одноемкостный устойчивый объект.

Из формулы (4.1) и значение коэффициента следует, что расход питательной воды оказывает существенное влияние на расход пара в котле.

При работе котла на малой нагрузке, полное открытие питательного клапана и соответствующее увеличение расхода питательной воды, может вызвать провал давления пара в котле.

Уравнение динамики котла по уровню в операторной форме:

(4.2)

Где:

– относительное изменение уровня воды в котле;

– время разгона котла по уровню.

Обычно:

– коэффициент передачи от расхода пара из котла на уровень.

– время воздействия на уровень скорости изменения давления пара в котел.

Из уравнения (4.2) следует, что котел как объект регулирования уровня является одноемкостным нейтральным объектом.

Таким образом регулируемые величины котла по давлению пара () и по уровню () воздействуют друг с другом.

Контуры регулирования давления пара в котле и уровня, так же являются взаимодействующие. Это показано на следующей схеме:

Рис. 4.2. Схема взаимодействия контуров регулирования давления пара и уровня в котле.

Воздухопровод рассматривается как одноемкостный устойчивый объект, малоинерционный.

– постоянная времени воздухопровода.

Особенностью уравнения динамики является отсутствие нагрузки.

Уравнение динамики в топливной магистрали (топливная магистраль как безъемкостный объект):

Где:

– давление топливной магистрали;

– положение регулирующего клапана слива;

– положение ТРЗ;

, – соответствующие коэффициенты передачи.

Подогреватель топлива рассматривается как двух емкостный устойчивый объект:

Где:

– постоянная времени подогревателя;

– положение регулирующего клапана греющего пара;

– температура топлива на выходе подогревателя;

– соответствующие коэффициенты передачи.

5. РЕГУЛИРУЕМОЕ ПИТАНИЕ КОТЛА.

Изменение уровня воды в котле определяется неравенством расхода пара из котла и питательной воды, а так же изменение давления пара в котле. Количественно динамические изменения уровня описывается в уравнении динамики котла по уровню.

(5.1)

Рассмотрим процессы в верхнем коллекторе котла, где находится пароводяная смесь в состоянии кипения (насыщения).

Рис. 5.1. Процессы в верхнем коллекторе котла.

Рассмотрим поведение уровня при скачкообразном увеличении расхода пара из котла.

Рис. 5.2. Графики поведения уровня при скачкообразном увеличении расхода пара из котла.

Расход питательной воды считаем постоянным. Давление пара в котле сначала уменьшается, а затем установится с помощью регулятора давления пара.

Если в уравнении (1) не учитывать изменение давления, то динамика котла по уровню будет описываться поведением одноемкостного нейтрального объекта (линия 1).

Уменьшение давления пара в котле приведет к тому, что вода в верхнем коллекторе окажется перегретой, относительно температуры кипения, соответствующей уменьшенному давлению. При этом будет происходить испарение воды. Объем пароводяной смеси в коллекторе возрастет и так же возрастет ее уровень.

Линия 2 показывает увеличение уровня воды в следствии увеличения объема пароводяной смеси.

Линия 3 отражает изменение уровня, вызванное суммарным действием обоих факторов.

В случае уменьшения расхода пара из котла и роста давления пара, картина изменения уровня будет обратной.

Поскольку вода в водоуказательной колонке практически имеет температуру воздуха в МО, ее плотность, при рассмотренных процессах изменения уровня, не изменяется, то изменение уровня в колонке будет незначительным.

Поскольку измерение уровня в котле производится с помощью дифференциальных датчиков, измеряющих перепады давления, то на них выходные сигналы изменения давления пара в котле практически не сказывается.

Рассмотрим работу системы регулирования уровня воды в котле при пропорциональном законе регулирования.

Рис 5.3. Статическая характеристика и переходные процессы системы регулирования уровня.

– статическая ошибка;

– максимальная статическая ошибка;

- максимальное изменение уровня переходных процессов при работе котла.

и – начальные динамические забросы уровня при увеличении и снижении нагрузки.

Величина может оказаться очень большой:

- заброс воды в трубопровод отбора пара и трубо-механизмы;

- обнажение верхних концов испарительных труб.

Рассмотрим изменение уровня воды в котле при комбинированном принципе регулирования и пропорциональном регуляторе в канале управления.

В этом случае, на постоянных нагрузках, расход питательной воды будет определяться:

– коэффициент пропорциональности в КУО;

– коэффициент коррекции по нагрузке.

Уравнение статической характеристики САР уровня в этом случае имеет вид:

Величину выбираем таким образом, чтобы статическая поправка по нагрузке составляла:

Рис 5.4. Статическая характеристика и переходные процессы в комбинированной САР уровня.

1 – статическая характеристика КУО;

2 – суммарная статическая характеристика САР при комбинированном принципе;

– максимальная статическая ошибка комбинированного регулятора.

При комбинированном регулировании максимальное изменение уровня воды в котле:

Т.е. при комбинированном принципе регулирования будет существенно меньше, чем при регулировании по отклонению.

Т.е. комбинированное регулирование позволяет применить в КУО пропорциональный (П) закон регулирования, который наиболее подходит по динамическим свойствам котла.

Комбинированный принцип, как правило, используют для котлов достаточно большой паропроизводительности ≥ 10 т/час, дающих пар на турбину грузовых и балластных насосов.

6. ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛЯТОРА УРОВНЯ ВОДЫ.

Выбор регулятора уровня воды в котле его настройка должны обеспечивать:

1) при всех любых изменениях нагрузок котла, включая скачкообразные от минимального до максимального и обратно, изменение уровня в пределах водоуказательной колонки.

2) отсутствие срабатывания предупредительной и аварийной сигнализации по уровню.

В современных котлах чаще всего применяют регуляторы с последовательным КУ и электропневматической следящей системой.

В регуляторах уровня может применяться любой типовой закон регулирования.

Наилучшие результаты дает П-закон регулирования.

Пример значений настроечных параметров для ПИ регулятора (котел типа Aallborg):

Для котлов большой паропроизводительности может применяться комбинированный принцип регулирования.

Рис. 6.1. Функциональная схема комбинированного принципа регулирования.

ПРК – питательный регулирующий клапан;

ДУ – датчик уровня;

СУПК – система управления питательным клапаном;

ДРП – датчик регулируемого пара;

СУПК – это следящая система (электропневматическая).

В комбинированных системах в КУ целесообразно использовать П-закон регулирования, когда заданное положение питательного клапана по отклонению:

– выбирается из условия устойчивости САР уровня и чтобы статическая ошибка.

- высота видимой части водоуказательной колонки.

После выбора настраивается КУН, в котором задано положение ПРК.

– коэффициент коррекции по нагрузке, подбирается таким образом, чтобы статическая ошибка по уровню на номинальной нагрузке была равна нулю.

Это обеспечивается удовлетворительность статической точности и допустимые переходные процессы.

7 ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛЯТОРОВ СИСТЕМЫ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА.

Данная система содержит два контура регулирования:

1) Давление пара в котле с воздействие на расход топлива в котел;

2) Перепада давления воздуха на воздухонаправляющем устройстве. Регулирование расхода воздуха в котел с воздействием:

а) на воздушно регулирующую заслонку в воздухопроводе для небольших котлов;

б) на лопатки направляющего аппарата на входе воздуха в котельный вентилятор.

Исходными данными для настройки перечисленных регуляторов служат рассмотренные выше характеристики котла как объекта регулирования.

Настройка регуляторов должна обеспечивать:

1) Допустимые статические ошибки;

2) Переходные процессы при любых изменениях нагрузки котла удовлетворяющие следующим условиям:

а) отсутствие срабатывания сигнализации и тем более аварийной остановки котла по сигналам из системы защиты;

б) отсутствие колебательности переходных процессов.

Допустимые изменения давления пара в переходных процессах указываются в технической документации на котел.

Для регулирования давления пара как правило применяется ПИД-закон регулирования (или ПИ-закон регулирования).

Например:

(около 6-8)

c

c

Регулятор расхода воздуха должен обладать:

1) Нулевой статической ошибкой, для точного поддержания коэффициента избытка воздуха на постоянных нагрузках котла;

2) Для уменьшения отклонения коэффициента избытка воздуха в переходных процессах.

Поэтому в данном контуре применяется ПИ регулятор.

Ориентировочно:

c

c

Регулятор давления топлива должен обладать нулевой статической ошибкой и максимальным быстродействием.

Пример:

c

c

Если имеется регулятор расхода топлива, то для него:

c

c

В котлах с паромеханическими форсунками (котлы Aalborg), распыливание за счет давления топлива и пара. Для них используется регулятор давления распыливания пара для которого:

c

c

Регулятор температуры (вязкости) топлива. Подогреватель топлива двух емкостным устойчивым объектом. Ориентировочные настройки регулятора температуры топлива:

c

c