Автоматическое регулирование питания паровых котлов водой

Автоматическое регулирование  питания паровых котлов водой.

 

     Различные способы автоматического регулирования подачи питательной воды в котел.

     Регулирование подачи питательной воды в котел естественной циркуляции при наличии питательного насоса с турбинным приводом осуществляют изменением величины открытия питательного клапана, поддерживая определенное количество воды перед этим клапаном. Величина открытия питательного клапана меняется регулятором уровня, измеряющим уровень воды в паровом коллекторе котла. Давление воды перед питательным клапаном можно поддерживать в определенных пределах с помощью регулятора частоты вращения ротора насоса, регулятора давления на питательном клапане.

     В случае перемещения  регулятора вращения ротора насоса, частота вращения ротора поддерживается постоянной. Тогда центробежный питательный насос в координатах Q-H будет иметь неизменную характеристику BС для данного n=const (рис.1). Изобразим линией ОА характеристику сети при полностью открытом питательном клапане. Ординаты кривой ОА равны гидравлическим сопротивлениям в питательной магистрали на участке от насоса до котла – эти сопротивления являются квадратичной функцией расхода воды Q. По мере прикрытия питательного клапана в сети создается добавочное сопротивление, что равносильно повороту характеристики сети вокруг начала координат на рис.1 против часовой стрелки. Рабочими точками для насоса при различных положениях питательного клапана будут, например, точки 1,2,3. Отрезки, равные разности ординат точек 1,2 и точек 1’,2’, представляют перепады давлений, теряемые на питательном клапане при уменьшенных режимах работы насоса. Так как мощность питательного насоса относительно велика, эти потери давления заметно сказываются на экономичности работы всей установки, в следствие чего регуляторы постоянной частоты вращения питательных насосов применять не целесообразно.

Рис.1. Характеристика питательного насоса и сети в случае применения

                  регуляторов уровня и частоты вращения насоса.

 

Рис.2. Схема регулятора давления питательного насоса прямого действия.

 

     Для регулятора давления  питательного насоса (рис.2) регулируемой  величиной является давление  нагнетателя насоса. Так как рассматриваемый  регулятор – статический, он поддерживает давление нагнетания с некоторой неравномерностью регулирования ΔH, т.е. статическая характеристика системы автоматического регулирования, является падающей (линия DE на рис.3). пусть характеристика сети при полностью открытом питательном клапане имеет вид кривой ОА. Регулятор давления, изменяя частоту вращения ротора насоса, производит тем самым параллельное смещение насоса до ее пересечения с характеристикой сети на статической характеристике системы автоматического регулирования. Если регулятор уровня воды в котле прикрывает питательный клапан, то сопротивления сети возрастают (например, линия ОА1 на рис.3). Тогда регулятор давления уменьшает частоту вращения насоса, в результате происходит переход от характеристики BC к характеристике B1C1 так, чтобы линии О1А1 и B1C1 пересекались на статической характеристике DE. Отрезок 2-2’ представит величину перепада давления, теряемого на питательном клапане при уменьшенном режиме работы насоса. Этот перепад будет меньше, чем соответствующий перепад при использовании регулятора постоянной частоты вращения насоса, ввиду выпуклой вверх формы характеристики центробежного насоса (в случае регулятора постоянной частоты вращения этот перепад на рис.3 определялся бы при том же Q отрезком 3-2’).

     Для этого регулятора  регулируемой величиной является  перепад давления на питательном  клапане. Так как данный регулятор  статический (регулятор непрямого  действия без обратной связи), то он поддерживает указанный  перепад постоянным при любом  расходе воды через клапан. Применение такого регулятора возможно благодаря заметным свойствам саморегулирования питательного турбонасоса.

 

Рис.3. Характеристики питательного насоса и сети в случае применения

                  регуляторов уровня и давления нагнетания насоса.

 

     Пусть характеристикой  сети при полностью открытом  питательном клапане является  кривая ОА на рис.4. Отложив  постоянный перепад на питательном  клапане, получим давление перед  клапаном, т.е. давление нагнетательного насоса, изображаемое кривой DE. Последняя кривая и будет статической характеристикой регулирования питательного насоса в координатах Q-H в случае применения регулятора перепада давления. Если уровень в котле повысится, регулятор уровня прикроет питательный клапан, сопротивления в сети возрастут и характеристика сети повернется вокруг начала координат на рис4, приняв, например, положение ОА1. Действие регулятора перепада давления будет заключаться в параллельном смещении характеристики центробежного насоса BC до ее пересечения с характеристикой сети на линии DE. Отрезок 2-2’ представит величину перепада, теряемого на питательном клапане. Этот перепад выбирается равным 2-2,5кгс/см²

Рис.4. Характеристики насоса и сети в случае применения регуляторов

                   уровня и перепада давления на питательном клапане.

 

     Оба последних способа регулирования подачи питательной воды – с применением регулятора давления и регулятора перепада давления – находят применение в судовых пароэнергетических установках. Сравнивая эти два способа между собой, можно отметить следующее.

     1. Применение регулятора  перепада давления позволяет  на уменьшенных нагрузках осуществить  более экономичную работу питательного  насоса – с меньшей частотой вращения, т.е. с меньшей мощностью, по сравнению со схемой, в которой используется регулятор давления. Это достигается за счет меньшего перепада давления на питательном клапане на уменьшенных нагрузках.

     2. При использовании регулятора перепада давления в случае одинаковых максимальной производительности насоса Qмах и характеристики сети ОА требуется большая спецификационная мощность насоса по сравнению с мощностью насоса в схеме, в которой используется регулятор давления (рис.3, 4 – точка 1, определяющая спецификационный напор насоса, на втором графике расположена выше, чем на первом; в случае использования регулятора давления этот напор на рис.4 определялся бы точкой 3).

     3. Регулятор перепада давления не предохраняет турбонасос от развития слишком большой частоты вращения его ротора, поэтому требуется применение специальных ограничителей развития скорости ротора, не нужных при наличии регулятора давления.

     4. Применение регулятора  давления в установке, в которой котельное давление на разных статистических режимах различно (случае управления установкой изменением давления пара), требует постоянной перенастройки этого регулятора на поддержание того или иного давления, необходимость в которой отпадает при использовании регулятора перепада давления.

     5. рассмотренный регулятор  давления прямого действия по  конструкции проще, чем дифференциальный  регулятор перепада давления, но  может быть применен лишь в  установках относительно небольшой  мощности. Для питательных насосов  большой мощности требуется применение регуляторов (давления или перепада давления) не прямого действия.

     Двухимпульсный регулятор уровня воды в котле.

     В рассмотренных схемах  регулирования подачи питательной  воды в котел управления открытием  питательного клапана осуществляет регулятор уровня. Поскольку котел не обладает свойством саморегулирования по уровню, возможность применения регулятора непрямого действия без обратной связи в качестве регулятора уровня исключена (система получилась бы не устойчивой). Одноимпульсный регулятор уровня с жесткой обратной связью имел бы значительную неравномерность регулирования. Это нежелательно, так как уровень воды в котле на всех режимах должен находиться в пределах видимости водомерного прибора. С целью стабилизации системы регулирования уровня в данном случае применяется регулятор с жесткой обратной связью, а улучшения статической характеристики регулирования

 

регулятор выполняется обычно двухимпульсным, сочетающим принципы регулирования  по отклонению и по нагрузке.

     Схема двухимпульсного регулятора уровня, используемого на судах с паросиловыми установками отечественной постройки представлена на рисунке 5. Измерительный орган регулятора имеет две мембраны: «мембрану уровня» 2 и «мембрану расхода» 3, заключенные в корпусе 1. Над паровым коллектором котла 4 конденсационный сосуд 5, уровень в котором поддерживается постоянным за счет слива в нижнюю часть парового коллектора. Конденсационный сосуд трубками 6 и 7 соединен с паровым и водяным пространствами парового коллектора. Средняя полость измерительного органа сообщается с паровым коллектором, нижняя – с конденсационным сосудом. Таким образом, на мембрану уровня действует направленная вверх сила, определяемая площадью мембраны и давлением, равным высоте Н столба жидкости между постоянным уровнем в сосуде и переменным уровнем в коллекторе котла. Тем самым мембрана измеряет значения уровня в коллекторе. Верхняя полость измерительного органа соединена с магистралью свежего пара, отбираемого от котла. Следовательно, мембрана расхода измеряет перепад давления на участке от парового коллектора до точки отбора импульса в трубопроводе свежего пара. Так как сечение паропровода неизменно, этот перепад пропорционален расходу пара. Между весовым рычагом регулятора и мембраной расхода установлена импульсная пружина 8, которая всегда сжата. С увеличением нагрузки котла давление в верхней полости измерительного органа уменьшается, и мембрана расхода, перемещаясь вверх, частично разгружает импульсную пружину. Оба воздействия – по уровню и по расходу пара – суммируются на весовом рычаге регулятора и трансформируются в перемещение регулирующей заслонки водяного усилительного реле 9. При отклонении заслонки меняется давление воды в одной из полостей сервомотора 10, сервомотор перемещает питательный клапан 11. Обратное положение заслонки осуществляется через жесткую пружинную обратную связь 12.

     Если в равновесном состоянии регулятора сила, действующая на мембрану и определяемая высотой столба жидкости Н, была бы уравновешена только натяжением пружин (импульсной и обратной связи), то при качке судна равновесие системы регулирования нарушилось бы. Действительно, при крене высота столба Н уменьшилась бы и стала равной Н cosα., где Н – высота указанного столба при горизонтальном положении судна, α – угол крена. Система была бы подвержена действию периодической внешней силы и совершала бы вынужденные колебания. Во избежание этого значительна часть силы, определяемой давлением столба жидкости Н, уравновешивается подвешенным к мембране уровня грузом 13. При качке судна составляющая веса груза, действующая на мембрану уровня, меняется по тому же закону, что и высота столба жидкости Н, и равновесие системы не нарушается. Дополнительные грузы 14 позволяют производить наладку регулятора при его установки на котле.

     Перемещение мембраны  расхода Δs является, согласно закону Гука, линейной функцией действующей на мембрану силы, т.е.

Δs=kΔp,  (1)

Где Δр – перепад давления на мембране;

       k – коэффициент пропорциональности, зависящий от жесткости мембраны и ее активной площади.

     Перепад давления  Δр является квадратичной функцией  скорости пара в трубопроводе, т.е. расхода пара из котла:

Δр=k1D²,  (2)

Где D – расход пара;

       k – коэффициент пропорциональности.

     Без специальных дополнительных  устройств перемещение мембраны расхода было бы квадратичной функцией расхода пара, так как согласно формулам (1) и (2) имеем:

Δs=k1kD².  (3)

     Вследствие этого и натяжение импульсной пружины менялось бы в функции от нагрузки котла по квадратичному закону, а поэтому и статическая характеристика регулирования была бы нелинейной (остальные усилия, действующие на весовой рычаг регулятора – со стороны мембраны уровня, со стороны пружины обратной связи и со стороны грузов 13 и 14, такой не линейности не вызывают). Для исключения этого явления, вызывающего неудобства при наладке системы, и для лучшего согласования между собой работы обеих мембран – уровня и расхода – над мембраной расхода установлены три пары пластинчатых пружин 15 (рис.5). Эти пружины, перемещаясь вместе с мембраной расхода, придают ей дополнительную жесткость. Специальные ограничители хода пластинчатых пружин установлены таким образом, что в некотором интервале перемещения мембраны расхода в действии находятся все три пружины, затем одна из них ложится на упор и выключается из действия, потом на упор ложится вторая пружина и в действии остается одна.

     В целом упругая  система, состоящая из пластинчатых  пружин и мембраны расхода,  имеет, таким образом, переменную  жесткость, так что характеристика этой системы имеет вид, изображенный на рисунке 6. Три отрезка прямых, образующих эту характеристику, достаточно точно аппроксимируют параболу, поэтому приближенно можно принять

Δр=1/kср×Δs²  (4)

где kср – коэффициент пропорциональности, определяемый активной площадью мембраны расхода и эквивалентной средней жесткостью всей рассматриваемой упругой системы. Сравнивая правые части формул (2) и (4), видим, что при наличии указанных пластинчатых пружин перемещение мембраны расхода Δs является линейной функцией измеряемого расхода пара D.

 

       Рис.6. Характеристика мембраны расхода в комплекте с пластинчатыми

                 пружинами.

 

     Для предохранения  мембраны расхода от разрыва  при действии на нее одностороннего  давления в импульсных трубопроводах установлены два сблокированных клапана 16 (рис.5), так что открытие одного возможно лишь при одновременном закрытии второго. С помощью этих клапанов верхняя полость измерительного органа может быть соединена с его средней полостью и с паровым коллектором в случае, если почему-либо отсутствует давление в импульсном трубопроводе, соединяющем верхнюю полость с магистралью свежего пара. Нижняя и средняя полости измерительного органа всегда соединены между собой через импульсные трубопроводы и конденсационный сосуд.

     Дроссельный клапан 17 в силовом трубопроводе, идущем  от одного из приемных сопл  усилительного реле к корпусу  сервомотора, позволяет менять  скорость перемещения поршня  сервомотора и является настроечным  элементом. Обходной кран 18 служит для перехода на ручное управление (для этого достаточно открыть кран, соединив обе полости сервомотора).

     Регуляторы уровня  рассчитывают и настраивают так,  чтобы статическая характеристика  системы регулирования (в координатах  уровень – нагрузка на котел по расходу пара) была падающей с небольшой неравномерностью регулирования. На больших нагрузках уровень целесообразно поддерживать несколько меньшим, так как с ростом нагрузки скорость выхода пара из зеркала испарения увеличивается, и высокий уровень может привести к увеличению влажности пара. Но вместе с тем уровень на максимальной нагрузке котла не должен быть слишком низким, ввиду опасного его пуска ниже допустимого предела при резком уменьшении отбора пар из котла. Обычно величина неравномерности регулирования в системе регулирования воды в котле выбирается порядка 30 мм.