Свойства барабанного котла как объекта регулирования питания

ВВЕДЕНИЕ

 

В начале развития машинной техники агрегаты обслуживались вручную. Усовершенствование оборудования сопутствовало развитию механизации процессов обслуживания. Физический труд постепенно заменялся управлением механизмами и наблюдением за его работой. Механизация производства подготовила почву к переходу к автоматизации технологических процессов. Автоматические регуляторы отдельных технологических процессов известны давно. В теплоэнергетике применяются автоматические регуляторы для поддержания на постоянном, заданном значении величин (параметров), характеризующих протекание процесса. В течение этого времени обязанностью обслуживающего персонала остается лишь за режимом работы агрегатов и поддержании в работоспособном состоянии автоматических регуляторов. Стабилизирующие не решают задачу полной автоматизации оборудования. Для полного решения задач автоматизации должны применяться и другие средства, взаимно дополняющие друг друга:

Устройства дистанционного управления – для ручного механизированного управления регулирующей и запорной арматурой, а также вспомогательными механизмами агрегатов. Регулирующие органы регуляторов через переключатели могут быть подключены к регулятору или к ключу дистанционного управления.

Устройства технологической защиты – для остановки оборудования или снижения его нагрузки при отклонении от нормы тех или иных показателей режима работы оборудования, т.е. автоматизируется ликвидация возникающих аварийных ситуаций.

Автоматическая блокировка – для обеспечения требуемой последовательности выполнения операций при переводе оборудования в новое состояние.

Автоматическое включение резерва – устройства для включения резервного вспомогательного оборудования в случае аварийной остановки работающего.

Устройства автоматического управления – для автоматического управления агрегатами при переходных процессах.

Технологический контроль – для непрерывного наблюдения за протеканием технологического процесса, записи параметров процесса по времени на бумаге, для счета расхода различных веществ.

Сигнализация – для привлечения внимания персонала к тем участкам в сфере обслуживания, где произошли отклонения от нормального режима. Сигнал подается включением ламп, расположенных на специальных панелях сигнализации или мнемосхемах технологического процесса. В ответственных случаях световой сигнал сопровождается включением сирены или звонка. Звуковой сигнал может быть снят оператором, а световой обычно остается включенным до возвращения нарушенного параметра к норме.

Комплексное применение всех средств автоматизации в экономически целесообразном объеме характерно для последних лет развития энергетики.

Оснащенность агрегатов современных котельных и электростанций средствами автоматизации весьма значительна. Сами средства контроля весьма сложны, что предъявляет высокие требования к персоналу, которому поручено содержание в эксплуатационно-пригодном состоянии оборудования. Чтобы соответствовать этим требованиям работники должны знать устройство автоматизированного оборудования и происходящие в нем процессы, без чего немыслим сознательный подход к обслуживанию этих средств и возможны крупные ошибки, результатом которых может быть возникновение аварий.

Настоящее пособие предназначено для обучения студентов энергетических специальностей.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПИТАНИЯ БАРАБАННЫХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Автоматические регуляторы питания котлов были первыми регуляторами тепловых процессов, получивших практическое применение в технике.

На протяжении многих лет перевод на автоматическое управление питания барабанных котлов составлял основную задачу автоматизации тепловых процессов. Большое внимание, уделявшееся решению этой задачи, объясняется необходимостью точного поддержания баланса между подачей в котел питательной воды и расходом из него пара. Даже кратковременное превышение подачи воды по сравнению с расходом пара может привести к аварийной перепитке котла и забросу воды в пароперегреватель и далее, в паропроводы и турбину. Снижение расхода воды может привести к нарушению циркуляции в экранных и кипятильных поверхностях котла и пережогу трубок, составляющих эти поверхности.

Ручное регулирование питания требовало большого внимания от дежурного водосмотра и было связано с необходимостью пребывания его в течение всей смены на площадке обслуживания, находящейся около верхних барабанов котла, где температура окружающей среды нередко достигала 40-45°С, воздух был загрязнен газами и золой, выбивающимися через неплотности топки и газоходов.

Особенно тяжелы были условия работы водосмотров на мощных котлах высокого давления, обладающих большими скоростями протекания технологических процессов, оборудованных регулирующими клапанами большого сечения, требующими для перестановки значительных усилий. Наблюдение за уровнем по водоуказательным колонкам через слюдяные пластинки, заменяющие на котлах высокого давления стекло, было связано с большим напряжением зрения.

При автоматизации регулирования питания барабанных котлов, кроме основной задачи — перевода подачи питательной воды на автоматическое управление, были решены важнейшие попутные задачи. Прежде всего была обеспечена возможность надежного наблюдения за уровнем, существующим в верхнем барабане котла, с поста дежурного машиниста, для чего были созданы простые и надежные сниженное указатели и регистраторы уровня. Была освоена также сигнализация достижения уровнем верхнего и нижнего предельно допустимых положений. В дальнейшем задача была расширена освоением устройств автоматической защиты, отключающей котел или осуществляющей некоторые локальные операции при перепитке котла или упуске уровня до нижнего допустимого предела.

Достаточная надежность автоматического регулирования питания была достигнута только после переноса узла питания вместе с питательными линиями и регулирующими клапанами на отметку поста машиниста котла. Это
стало возможным после замены электромеханических регуляторов ЦКТИ (которые обязательно должны были устанавливаться на уровне верхнего барабана котла), электронными, допускающими произвольное размещение датчиков, регулирующего прибора и клапана. Одновременно была обеспечена возможность дистанционного управления органами регулирования питания с поста машиниста котлов, а в дальнейшем с блочного щита управления. Немаловажным было решение проблемы питания котла по двум или одной магистралям, с помощью одного или двух авторегуляторов, окончательно решенная в пользу однониточного питания, с оставлением второй питательной нитки вместе с установленным на ней авторегулятором в резерве.

Решение задачи автоматизации питания барабанных котлов позволило электростанциям перейти на работу без водосмотров. В настоящее время, подавляющее число котлов на районных электростанциях Советского Союза работают без водосмотров. Решается последняя задача автоматизации узла питания: автоматического регулирования подачи воды в котел во время растопки с холодного состояния до достижения нормальных параметров пара и приема котлом нагрузки.

 

СВОЙСТВА БАРАБАННОГО КОТЛА КАК ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПИТАНИЯ

Как и в любой емкости с изменяющимся по времени притоком и стоком жидкости, регулируемым параметром для процесса питания котла служит уровень в барабане. Однако, на этом сходство котла с баком для воды кончается, так как в барабане котла существует уровень не жидкого вещества, а двухфазной среды, которую можно условно рассматривать как смесь, состоящую из воды, находящейся при температуре кипения, соответствующей давлению в котле, и из пузырьков насыщенного пара того же давления. Это особое свойство котла как объекта регулирования питания затрудняет его автоматизацию, как, впрочем, и ручное регулирование питания котла водосмотром.

Для пояснения физической сущности процесса на рис. 1-1 изображен циркуляционный контур топочного экрана котла. Верхний барабан 1 соединен с коллектором 2 системой опускных труб 3, проложенных снаружи обмуровки и не обогреваемых топочными газами. Из барабана в опускные трубы попадает вода, имеющая температуру кипения, но не содержащая пара. Внутри топки от коллектора 2 к барабану проложены экранные трубы 4, образующие одну из секций поверхности нагрева котла.

Рис. 1-1. Схема, поясняющая работу циркуляционного контура котла.

Раскаленные газы и горящее в топке пламя передают свое тепло через стенки трубок находящейся в них воде, благодаря чему в ней образуются пузырьки пара, количество которых тем больше, чем больше тепла перешло от газов к воде. Удельный вес насыщенного пара значительно меньше веса воды, нагретой до кипения и находящейся при таком же давлении. Благодаря этому в конкурс возникает движущая сила: пароводяная, смесь (эмульсия), как более легкая, будет подниматься по экранным трубкам в барабан котла. На ее место из барабана в коллектор по опускным трубам будет двигаться вода, освободившаяся от пузырьков пара. Пар из барабана поступает в пароперегреватель или в паропровод.

Таким образом, под уровнем в барабане котла находится смесь, состоящая из кипящей воды и некоторого количества пара (пароводяная эмульсия). В результате возникает непрерывное движение (циркуляция) этой эмульсии по контуру, необходимое для интенсивного охлаждения трубок и предохранения их от пережога. Нарушение циркуляции, например из-за понижения уровня в барабане до некоторого предела h, когда в опускные грубы вместе с водой будет засасываться пар из верхнего пространства барабана, может привести к перегреву кипятильных трубок и тяжелой аварии с котлом.

При установившемся состоянии процесса количество тепла, воспринимаемое через рассматриваемую поверхность нагрева, постоянно по времени и объект находится в состоянии динамического равновесия. При этом количество пузырьков пара в любом сечении циркуляционного контура постоянно по времени, как это показано на диаграммах а, б и в на рис.1-1. В сечении /—/ опускной трубы пузырьки пара отсутствуют (диаграмма а); в сечении //—//, находящемся в экранной трубе, вблизи коллектора содержание пузырьков пара незначительно (диаграмма б); в сечении ///—///, у конца экранной трубы содержание пара в эмульсии достигает наибольшего значения (диаграмма в). Любое нарушение установившегося состояния системы приводит к изменению соотношения между средним содержанием пара и воды в пароводяной эмульсии, находящейся под уровнем в барабане. Например, при снижении тепловой нагрузки топки интенсивность поглощения тепла эмульсией уменьшается и относительное содержание пара в ней упадет. Это приведет к резкому понижению уровня в барабане, если даже равенство между подачей воды Q в котел и расходом из него пара D будет поддерживаться в течение всего процесса.

При резком увеличении расхода пара потребителем и неизменной подаче топлива давление в котле упадет, что связано с уменьшением теплосодержания всей массы воды, заполняющей котел при температуре кипения. Освободившееся тепло пойдет на образование пара, и, таким образом, содержание его в эмульсии возрастет, следовательно уровень в барабане повысится. Одновременно с повышением расхода пара потребителем персонал или авторегуляторы котла должны увеличить подачу топлива в топку. Это вызовет возрастание тепловой нагрузки поверхностей нагрева и увеличение образования в них пузырьков пара, т. е. также приведет к повышению уровня.

Снижение (сброс) паровой нагрузки без изменения расхода топлива приведет к повышению давления в котле, а следовательно, к уменьшению содержания пара в эмульсии и резкому снижению уровня. В том же направлении будет действовать уменьшение расхода топлива с целью установления нового равновесного состояния при уменьшенной нагрузке.

Выбеги уровня вследствие изменения объема пароводяной эмульсии при нарушении режима работы котла обычно называют «набуханием» уровня. Величина набухания зависит от теплонапряженности поверхностей нагрева и количества воды, содержащейся в котле, а также от давления, при котором работает котел. На котлах с большим водяным объемом, не имеющих экранных поверхностей, явление изменения уровня при перемене нагрузки почти не ощущается. На котлах с одним барабаном и сильно развитым топочным экраном набухание уровня может достигнуть величины порядка сотен миллиметров. Чтобы удержать уровень после сброса нагрузки, необходимо в конечном результате уменьшить подачу в котел питательной воды в соответствии с уменьшением расхода пара. Однако понижение уровня, сопровождающее сброс, воспринимается автоматическим регулятором питания любого типа как сигнал на увеличение подачи воды. Это приводит к дополнительному увеличению разности между расходом пара и подачей воды в первый момент работы автоматического регулятора. Понижение температуры питательной воды приводит к дополнительному снижению уровня. Это также затрудняет процесс регулирования. Влияние температуры питательной воды особенно сильно отражается на котлах, не имеющих водяных экономайзеров.