автоматизация паротурбинная установка регулятор пар

1. Назначение и описание объекта регулирования

2. Особенности эксплуатации объекта регулирования

3. Необходимость и целесообразность автоматизации объекта

регулирования

4. Возмущающие и регулирующие воздействия. Требования к качеству регулирования

5. Вывод уравнения динамики объекта регулирования

6. Определение коэффициентов уравнения динамики объекта регулирования

Второй раздел

1. Выбор регулятора. Принципиальная, функциональная и структурная схемы регулятора. Устройство и принцип действия

2. Уравнение динамики и статики регулятора. Динамическая и статическая характеристики регулятора

3. Уравнение динамики и статики САР. Статические характеристики САР

4. Устойчивость САР

5. Исследование динамики САР

6. Вопросы эксплуатации САР

Вывод

Список используемой литературы

Введение

Одними из основных регулируемых величин котла как объекта регулирования являются давление пара и уровень воды в пароводяном барабане. К регулированию этих параметров предъявляются высокие требования, так как их изменение в больших пределах влияет не только на технико-экономические показатели котельной установки в целом, но также на безопасность её работы и обслуживающего персонала. Нарушение этих требований может привести к серьёзной аварии и угрозе человеческой жизни. Итак, перечислим некоторые особенности эксплуатации котла с точки зрения показателей качества. В переходных режимах АСР должна поддерживать заданное давление пара, которое при изменении нагрузки котла от максимальной к минимальной в течение не менее 30 с не должно вызывать подрыва предохранительного клапана. Поскольку этот клапан настраивают на срабатывание при давлении рпр = 1,05 рн , где рн - номинальное давление в котле, то при сбросе нагрузки котла отклонение давления пара не должно превышать р=0,04 рн . При повышении нагрузки от минимальной к максимальной допускается несколько большая величина отклонения давления пара, а именно р=(0,10,15) рн , поскольку оно определяется главным образом вскипанием воды в котле и, как следствие повышением уровня воды в барабане за пределы видимой части водомерной колонки. Давление пара в указанных пределах должно сохранятся при изменении расхода пара из котла со скоростью не более 1,5 секунду при увеличении нагрузки и 3 % в секунду при сбросе нагрузки.

Автоматизация питания котлов водой не влияет на их коэффициент полезного действия, но имеет важнейшее значение для надежности эксплуатации энергетической установки и существенно облегчает ее обслуживание. В судовых котлах с естественной циркуляцией процесс регулирования питания в конечном счете сводится к поддержанию уровня воды в пароводяных барабанах в заданных пределах. Обычно отклонения уровня от заданного не должны превышать ± (50--100) мм.

При нарушении питания котлов водой уже через 1--2 мин отклонение уровня может превысить допустимое и вызвать серьезную аварию. Так, повышение уровня воды в пароводяном барабане увеличивает влажность пара, поступающего в пароперегреватель, и может привести к забросу воды в него и даже в турбину, что приведет к аварии пароперегревателя или турбины. Снижение уровня может нарушить режим циркуляции воды в котле, что повлечет за собой деформацию или пережог водогрейных и экранных труб.

Несколько слов о других особенностях эксплуатации СПК как объекта регулирования. Совершенство процесса горения топлива определяет экономичность работы котла и способствует защите окружающей среды от загрязнения. Подача топлива и воздуха в топки котлов должна осуществляться в определенном соотношении: как недостаточная, так и чрезмерная подача воздуха снижает КПД котла. Сжигание топлива с коэффициентом избытка воздуха, отличным от оптимального, увеличивает суммарные потери теплоты с уходящими газами и химическим недожогом (q2 + q3). Увеличение повышает температуру точки росы, интенсифицируя коррозию низкотемпературных поверхностей нагрева, а уменьшение приводит к дымлению и повышенному загрязнению поверхностей нагрева. Для конкретных условий топливосжигания имеется определенное значение , соответствующее минимуму потерь теплоты. Значение для современных котлов незначительно и диапазон его изменений, в пределах которого обеспечивается бездымное горение топлива, мал. Поэтому соотношение подач топлива и воздуха в топку должно поддерживаться АСР с высокой точностью, обеспечивающей максимальный КПД котла или минимум потерь теплоты.

Также важно при проектировании АСР котла учитывать и такие особенности как:

1. давление топлива в напорной топливной магистрали не должно откланяться за пределы превышающиерт=(0,080,1) ртн , где ртн - номинальное давление топлива;

2. наибольшее отклонение температуры подогрева топлива лимитируется качеством распыливания топлива форсунками и не должно превышать 5-8С;

3. продолжительность любого переходного процесса в системе регулирования процесса горения не должна превышать 60-90 с.

3. Необходимость и целесообразность автоматизации объекта регулирования

В этих условиях без автоматизации технологического процесса производства пара обслуживание судовых котельных установок становится все более затруднительным, а порой и невозможным. Даже самый квалифицированный обслуживающий персонал не в состоянии вовремя и всегда правильно оценить все возможные возмущения и принять соответствующие меры по регулированию. В результате при ручном регулировании котельной установки снижается ее экономичность, маневренность и надежность, увеличиваются износы. В связи с этим в настоящее время все судовые котельные установки оборудуют системами автоматического регулирования, которые полностью управляют технологическим процессом производства пара.

1. Выбор регулятора. Принципиальная, функциональная и структурная схемы регулятора. Устройство и принцип действия регулятора и его элементов

Основная регулируемая величина -- давление пара, которая характеризует баланс между производимым паром в котле и потребляемым. Нарушение этого баланса сопровождается отклонением давления, которое измеряется регулятором давления пара, изменяющим через исполнительный орган подачу топлива в топку и восстанавливающим тем самым нарушенный тепловой баланс.

Основные требования к регулятору давления пара могут быть сформулированы следующим образом:

-отклонение давление пара в точке отбора импульса на регулятор должно составлять 0.05 МПа;

-в переходных режимах падение давления пара не должно превышать 10% номинального при изменении нагрузки котла от минимальной до максимальной за период не менее 60с;

-допускается повышение давления пара, не приводящее к подрыву предохранительных клапанов при изменении нагрузки котла от максимальной до минимальной за время не менее 30с;

-давление пара в указанных пределах должно поддерживаться при изменениях расхода пара со скоростью не более 1.5% в секунду (при повышении нагрузки) и 3% в секунду (при снижении нагрузки).

Рис. 2.1.1. Принципиальная схема П-регулятора давления пара

Котел обладает малым самовыравниванием по давлению пара, поэтому регуляторы давления пара должны обязательно иметь стабилизирующие элементы. Для регулирования давления пара обычно применяют 1- и 2-импульсные П-регуляторы, а также ПИ-регуляторы.

Для судов отечественной постройки типичен гидравлический П-регулятор давления пара с жесткой обратной связью (рис.2.1). Регулятор измеряет давление в паропроводе посредством сильфона 2, к которому подведен импульсный трубопровод 1. В установившемся режиме усилие от сильфона уравновешивается натяжениями задающей пружины 4 и пружины обратной связи 6, заслонка водяного усилительного реле 5 (к нему подведена вода под давлением) находится в среднем положении, и поршень ИМ 10 неподвижен. При отклонении давления пара от заданного равновесие нарушается, новое усилие сильфона 2 на рычаг 3 приводит к отклонению заслонки регулирующего реле 5 и подаче воды в одну из полостей ИМ 10; в результате его поршень перемещается и изменяет степень открытия регулирующего подачу топлива клапана 11, оказывая регулирующее воздействие на давление пара в котле. Одновременно шток клапана 11 через рычаг 7 и пружину обратной связи 6 оказывает выключающее воздействие на усилительное реле 5. Дроссельный клапан 8 предназначен для изменения времени ИМ, а клапан 9 -- для соединения его полостей при переходе с автоматического регулирования на ручное.

Для незначительного изменения давления в пароводяном коллекторе котла место отбора импульса выбирают в паропроводе за стопорным клапаном котла. При этом давление в пароводяном коллекторе, по сравнению с давлением в месте отбора импульса будет выше на значение снижения давления, вызванного гидравлическими сопротивлениями паропровода от коллектора до места отбора импульса. Для повышения запаса устойчивости АСР необходимо увеличивать неравномерность регулирования Рмах, т. е. наклон статической характеристики, которая определяется в основном жесткостью пружины обратной связи.

Место отбора импульса по длине паропровода следует выбирать таким образом, чтобы гидравлические потери от коллектора до этого места компенсировали неравномерность статической характеристики, обусловленную ЖОС. Для обеспечения запаса устойчивости значение Рмах должно составлять 10--15% номинального регулируемого давления. Так как малые нагрузки котла по сравнению с большими характеризуются меньшим коэффициентом самовыравнивания по давлению пара, то на малых нагрузках для создания достаточного запаса устойчивости целесообразно иметь больший угол наклона статической характеристики.

При своей простоте П-регуляторы давления пара требуют для обеспечения устойчивости относительно большого коэффициента обратной связи. Жесткая обратная связь в них осуществляется по положению топливорегулирующего органа или от расходомера топлива и не учитывает такие факторы, как элементарный состав топлива и его плотность, износы топливорегулирующего органа и распылителей форсунок, вследствие чего при одинаковых нагрузках котла значение сигнала обратной связи может быть различным. Это приводит к отклонению давления пара от заданной статической характеристики.

По приведенной выше принципиальной схеме построим функциональную схему:

Рис. 2.1.2. Функциональная схема П-регулятора

ЧЭ - чувствительный элемент;

УУ - усилительное устройство;

ИМ - исполнитель-ный механизм;

ЖОС - жесткая обратная связь

Тогда структурная схема примет вид:

Рис. 2.1.3. Структурная схема П-регулятора

Передаточные функции звеньев:

- коэффициент усиления чувствительного элемента (ЧЭ),

- постоянная времени сервомотора (СМ),

- коэффициент усиления ЖОС.

2. Уравнение динамики и статики регулятора. Динамическая и статическая характеристики регулятора

Решив структурную схему, показанную на рис. 4. найдем передаточную функцию регулятора:

В соответствии с передаточной функцией уравнение динамики пропорционального одноимпульсного регулятора примет вид:

(5)

Для построения динамической характеристики регулятора (рис. 2.2.1) примем настроечные параметры регулятора из конструктивных соображений - Тс=15; Ки=50;

Кжос=5 при этом .

Рис. 2.2.1. Динамическая характеристика регулятора

Если в уравнении (5) принять равными нулю все производные получим уравнение статики регулятора:

или (6)

Разделим уравнение (5) на К ж и получим: (7)

- постоянная времени регулятора (8)

- коэффициент усиления регулятора (9)

П-регулятор имеет два параметра настройки: и . - коэффициент постоянный, т.к. его величина определяется конструктивным исполнением регулятора, зависит от угла наклона лекала ЖОС. Время сервомотора изменяется в зависимости от степени открытия дроссельного игольчатого клапана.

Принимая в уравнении динамики все производные равными нулю, получаем уравнение статики регулятора:

Рис. 2.2.2. Статическая характеристика регулятора

Из условий качества переходных процессов неравномерность регулятора , тогда при = 50 получаем .

3. Уравнение динамики и статики САР.

Статические характеристики САР

Для получения уравнения динамики САР необходимо решить совместно уравнения ОР (15) и Р (18).:

(10)

Выразим из уравнения Р и подставим в уравнение ОР, тогда:

В результате преобразований окончательно получим уравнение динамики АСР в операторной форме (уравнение вынужденного движения системы):

(11)

Если в уравнении (11) принять = 0, то получим уравнение свободного движения системы:

(12)

Если в уравнении (11) принять р = 0, то получим уравнение статики АСР которое примет вид:

(13)

Статическая характеристика строится в соответствии с уравнением статики (13). Статической характеристикой называется графическое представление зависимости выхода от входа в установившемся режиме (рис.5.).

Рис. 2.3.1. Статическая характеристика САР давления пара.

Реальная статическая характеристика - это площадь, отличающаяся наличием нечувствительности, которая зависит от регулятора и характеризуется:

зоной нечувствительности;

абсолютной нечувствительностью;

коэффициент нечувствительности.

Абсолютная нечувствительность - это диапазон изменения входного сигнала, при котором выходной сигнал не меняется ( ?Р неч ).

Зона нечувствительности равна двум абсолютным нечувствительностям.

Коэффициент нечувствительности - отношение абсолютной нечувствительности к базисному значению.

Для гидравлических регуляторов ?Рнеч=0,5ч 5% от номинального значения давления.

Построим статическую характеристику АСР давления пара в безразмерных единицах и при различных Кжос.

Рис. 2.3.2. Статические характеристики АСР.

4. Устойчивость САР

Характеристическое уравнение имеет вид, которое получим из уравнения вынужденного движения системы (11) приравняв к нулю правую его часть, а т.к , то:

(14)

Для определения диапазона настроечных параметров, в котором данная АСР будет устойчивой, воспользуемся критерием устойчивости Раусса-Гурвица.

=, =, =

>0 , >0 , >0 (15)

1. , эта система не имеет смысла, так как параметры не отвечают действительности.

2., решения системы является

Параметры этого диапазона соответствуют трем устойчивым режимам:

а) колебательному; б) монотонному; в) апериодическому.

Из характеристического уравнения находим его корни;

(16)

Как видно из выражения (16) данная система всегда устойчива, так как корни могут быть:

Отрицательные действительные равные, при условии, что подкоренное выражение равно нулю. При этом переходной процесс будет оптимально устойчивый - апериодический.

Отрицательные действительные разные, при условии, что подкоренное выражение больше нуля. При этом переходной процесс будет устойчивый - апериодический или монотонный.

Комплексно сопряжённые с отрицательной действительной частью, при условии, что подкоренное выражение меньше нуля. При этом система будет устойчива, а переходной процесс - колебательный сходящийся.

С точки зрения оптимизации САР по быстродействию, необходимо выбирать значения настроечных параметров в диапазоне апериодического переходного процесса. Для этого составим уравнение:

(17)

Корень не удовлетворяет техническим требованиям, так как является не допустимым значением (очень большим) для данного регулятора, при .

Для наших расчетов будем использовать корень . При ,

Проверим устойчивость разработанной АСР давления пара, подставляя различные значения характеристического уравнения при этих параметрах системы. Так можно оценить влияние настроечных параметров регулятора на динамику АСР, а значит на качество переходного процесса.

Корни являются комплексно сопряженными, с отрицательной действительной частью, при этом система устойчива, переходной процесс колебательный сходящийся.

Анализируя выражение для корней можно оценить влияние всех коэффициентов на качество переходных процессов. Так, например, увеличение Кжос ведет к увеличению абсолютного значения действительной части, а значит повышению запаса устойчивости АСР, при этом статическая ошибка увеличивается, а вид переходного процесса изменяется от колебательного к апериодическому.

5. Исследование динамики АСР давления пара

Для исследования динамики АСР в частности, для оценки влияния параметров настройки системы рассмотрим математическую модель используя при этом уравнение вынужденного движения данной системы и варьируя в широких пределах один параметр Кжос или Тс. Оценка качества полученных при этом переходных процессов позволяет дать количественную оценку влияния каждого из параметров настройки на показатели качества переходных процессов.

Исследуем влияние параметров настройки регулятора на переходные процессы в САР и представим графики на рис.2.5.1

Рис. 2.5.1. Переходные процессы САР при и

Примем Тс=8,902с, а будем изменять.

При значении = 3, получим следующие показатели:

- статическая ошибка 5,7 %

- время переходного процесса составило = 26 с

- динамическая ошибка 2,2 %

- колебательность 1,3 %

При значении = 5, получим следующие показатели:

- статическая ошибка 9,2 %

- время переходного процесса составило = 14,5 с

- динамическая ошибка 0,5 %

- колебательность 0 %

При значении = 7, получим следующие показатели:

- статическая ошибка 12,5 %

- время переходного процесса составило = 13,5 с

- динамическая ошибка 0 %

- колебательность 0 %

Оптимальным выбираем Кжос =7.

Аналогично производятся исследование для времени сервомотора.

Здесь примем =3, а варьировать будем временем сервомотора Тс в пределах от 8 до 20с.

Графики представлены на рис. 2.5.2

Рис. 2.5.2. Переходные процессы САР при и

Изначально было принято значение Тс= 8,902, как показывает исследование при этом:

- статическая ошибка 5,7 %

- время переходного процесса составило = 26 с

- динамическая ошибка 2,2%

- колебательность 1,3 %

Далее принимаем значение Тс= 15, исследование показывает:

- статическая ошибка 5,7 %

- время переходного процесса составило = 35 с

- динамическая ошибка 3,9 %

- колебательность 7,7 %

При значении Тс= 20, получим следующие показатели:

- статическая ошибка 5,7 %

- время переходного процесса составило = 49 с

- динамическая ошибка 5 %

- колебательность 10 %

По рассчитанным показателям построим диаграммы качества и представим их на рис. 2.5.3 и рис. 2.5.4.

Рис. 2.5.3. Диаграммы показателей качества при

Рис. 2.5.4. Диаграммы показателей качества при

Исходя из проведенных исследований выбираем оптимальными следующие настройки регулятора: =7, Тс=8,902.

6. Вопросы эксплуатации САР

Наладка автоматических систем. Отклонения характеристик ТСА не должны выходить за допустимые пределы (обычно указываются в технических условиях). С изменением статических и динамических характеристик изменяются значения коэффициентов усиления и постоянных времени, устойчивость системы, ухудшается качество переходных процессов, снижается точность регулирования. Поэтому возникает необходимость в наладке ТСА.

Впервые изготовляемый образец АСР подвергается наладке (настройке) в процессе стендовых испытаний, обычно вместе с объектом регулирования, а затем в период испытаний всей ПЭУ. При этом уточняются и устанавливаются значения всех настроечных параметров системы исходя из требований устойчивости и качества переходных процессов. Затем при серийном изготовлении регуляторов их характеристики проверяются в заводских условиях, где цель наладки (являющейся завершающим этапом изготовления регуляторов) заключается в доведении значений настроечных параметров до проектных, установленных в период испытаний головных образцов.

В дальнейшем, поскольку в процессе эксплуатации характеристики АСР меняются, регуляторы подвергаются наладке на судне в период швартовных и ходовых испытаний, а затем во время эксплуатации ПЭУ, после ремонтов и консервации.

Основными настроечными параметрами типовых САР являются:

- для статических регуляторов прямого действия -- статическая неравномерность регулирования, которая может изменяться перемещением точки опоры рычага, связывающего ЧЭ и ИО, а при наличии катаракта -- время катаракта, измеряемое степенью открытия его дроссельного клапана;

- для регуляторов непрямого действия без обратной связи -- время исполнительного механизма, характеризующее максимальную скорость его перемещения (например, скорость перемещения поршня ИМ, изменяемую посредством степени открытия дроссельного клапана в одном из силовых трубопроводов);

- для регуляторов непрямого действия с ЖОС -- неравномерность регулирования, способ изменения которой зависит от конструкции обратной связи (при рычажной ЖОС -- посредством перемещения точки опоры рычага, соединяющего штоки ИМ и ИО, при силовой -- пружиной жесткой обработки связи -- посредством изменения профиля лекала обратной связи, а также заменой пружины обратной связи на пружину с иной жесткостью); время ИМ (скорость перемещения поршня ИМ у гидравлических регуляторов с ЖОС изменяется также посредством дроссельного клапана);

- для регуляторов непрямого действия с гибкой обратной связью -- время изодрома, время ИМ и статическая неравномерность регулирования (способы изменения времени изодрома и неравномерности регулирования зависят от конструкции гибкой обратной связи).

Изменением рассмотренных настроечных параметров можно оказать влияние на свойства САР. Так, увеличение неравномерности регулирования повышает запас устойчивости системы, но при этом увеличивается статическая ошибка. Увеличение времени изодрома повышает запас устойчивости системы. Влияние времени ИМ на динамические свойства САР различно и зависит от наличия у регулятора дополнительной обратной связи и ее типа, а также от свойств объекта регулирования. Для регуляторов без обратной связи увеличение времени ИМ повышает запас устойчивости.

Изменение заданных значений регулируемых величин без изменения формы статической характеристики системы осуществляют посредством воздействия различных приспособлений (маховиков, винтов и т. п.) на задающий элемент регулятора.

При наладке изменение регулируемых величин в статике, т. е. отключенных от объектов регуляторов, осуществляется посредством устройств, имитирующих величины, измеряемые их ЧЭ. Для этого импульсные трубопроводы отсоединяют от измерительных регуляторов и соединяют с указанными устройствами. Так, на ЧЭ регуляторов высокого давления пара, масла, топлива заданное давление создается посредством подведенного к ним масла от винтовых прессов или поршневых манометров; на мембранах регулятора давления воздуха -- посредством воздушного компрессора; на мембранах регуляторов уровня жидкости -- посредством сосуда с водой, перемещаемого по вертикали, чем имитируется работа регулятора на различных статических режимах. Чувствительные элементы температуры погружаются в сосуд с водой, нагреваемой электронагревателем и охлаждаемой прокачиванием холодной воды через размещенный в ней змеевик и т. п. Однако наладка регуляторов без объектов регулирования не позволяет судить о поведении САР в динамике.

В судовых условиях проверка САР заключается в определении ее статической характеристики и показателей качества переходных процессов, а наладка в доведении указанных показателей до значений, установленных в технических документах. При проверке статической характеристики САР на действующем объекте устанавливают значения регулируемой величины при нескольких (не менее трех) нагрузках объекта, включая максимальную и минимальную.

Проверку статической характеристики осуществляют в следующем порядке:

- фиксируют значения нагрузки объекта, регулируемой величины, давления вспомогательной среды и открытие ИО;

- при разных заданных нагрузках фиксируют соответствующее им значение регулируемой величины;

- по полученным данным строят статическую характеристику, сравнивают ее параметры с паспортными;

- при отличии значений параметров статической характеристики от допустимых выявляется и устраняется причина их изменений, после чего САР вновь настраивают на паспортные данные.

Динамическая настройка САР заключается в определении и установке параметров настройки регуляторов, обеспечивающих необходимое качество переходного процесса, которое характеризуется обычно такими показателями, как: динамическая ошибка -- наибольшее отклонение регулируемой величины относительно ее значения в новом равновесном состоянии; время переходного процесса, определяющее быстродействие системы, -- время с момента нанесения возмущения до момента, когда амплитуда переходного процесса становится меньше нечувствительности регулятора; колебательность, характеризуемая числом минимумов кривой процесса за время регулирования или отношением соседних (одного знака) амплитуд регулируемой величины; интегральная и интегральная квадратичная оценки.

Так как в условиях эксплуатации автоматических систем одновременная оптимизация указанных показателей качества переходного процесса невозможна, то динамическая настройка осуществляется из условий оптимизации только одного показателя.

Обычно наладку начинают с отдельных ТСА, допускающих обособленную настройку, затем выполняют настройку отдельных функционально независимых контуров и в конце -- настройку всей системы.

Функционирование и работоспособность систем проверяют в соответствии с инструкцией. В каждом конкретном случае следует предусматривать специальную оснастку и имитирующие устройства, обеспечивающие необходимые проверки. Функциональная проверка СУ заключается в подаче входных сигналов на вход системы и проверке реакции на эти сигналы по индикаторам, указателям, сигнализации, другим штатным приборам. Функциональная проверка не предусматривает изменения параметров настраиваемой системы и доведение их до требуемых значений. Это осуществляется при проверке работоспособности СУ -- способности системы выполнять свои функции, сохраняя значения заданных параметров в установленных пределах.