Парогенератор как объект регулирования

Принципиальная технологическая схема барабанного парогенератора приведена на рис. 6.1.

Парогенератор как объект регулирования является сложным динами­ческим звеном с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами. Входными величинами являются возмущения v и управляю­щие воздействия u, выходными - регулируемые величины y.

Связи между входными и выходными величинами схематически представлены на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Упрощенная схема связей барабанного парогенератора

Управляющими воздействиями являются: B_т – расход топлива; Q_в –расход воздуха (подача дутьевых вентиляторов); Q_г – расход газа (произ­водительность дымососов);D_впр– расход воды на впрыск; D_п.в – расход пи­тательной воды; D_пр – расход воды на продувку.

Главным возмущением является расход перегретого пара D_п.п, изме­няемый регулятором частоты вращения (мощности) турбины.

Основными выходными (регулируемыми) величинами являются :

p_п.п – давление перегретого пара; α(O₂ %) – коэффициент избытка воздуха (% кислорода в уходящих газах); S_т – разрежение в верхней части топки; t^о_п.п – температура перегретого пара (а также температура в других точках пароводяного и газовоздушного трактов); Н_б- уровень воды в бара­бане; NaCl , мг/кг – солесодержание котловой воды.

Особенность парогенератора заключается в наличии сложных пере­крестных связей. Выходные регулируемые величины S_т, p_п.п одновременно являются входными возмущениями, а расход перегретого пара D_п.п зави­сит от других входных и выходных величин.

Из приведённых на рис. 6.2 связей можно выделить основные (сплошные линии) и перекрёстные неосновные (штриховые линии). Для регулирования выходных величин используются основные связи. Регуля­тор <<Рег.>> через исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО изменяет управляющее воздействие в зависимости от отклонения ре­гулируемой величины, контролируемой с помощью измерительного пре­образователя ИП, а также от задающего (+) и компенсирующего (-) воздей­ствий. Сигналы от (+) и (-) формируют <<возмущение>>, которое должно быть скомпенсировано. Кроме автоматического управления ИМ, воз­можно ручное <<ручн.>> и дистанционное <<дист.>>.

Совокупность регуляторов входит в состав многомерной САР, осуще­ствляющей, как правило, несвязанное регулирование (без связей между регуляторами вне объекта).

Прямоточный парогенератор как объект регулирования имеет осо­бенности. На рис. 6.3 изображена принципиальная технологическая схема пароводяного тракта прямоточного парогенератора.

Рис. 6.3. Принципиальная технологическая схема пароводяного тракта прямоточного парогенератора: 1-экономайзер; 2-испарительная часть; 3-переходная зона; 4-средняя радиационная часть; 5,6-ступени пароперегревателя; 7-пароохладитель

Последовательно соединенные поверхности нагрева прямоточного парогенератора представлены в виде змеевика, в который поступает пита­тельная вода, а выходит перегретый пар. Этот змеевик укрупненно может быть разделён на три части: водяную, водопаровую и паровую. Положение точки начала перегрева пара, которая определяет границу между испари­тельной и перегревательной частями, изменяется в зависимости от паро­производительности D_п.п, количества подводимой теплоты Q'_т и расхода питательной воды D_п.в. В отличие от барабанного парогенератора, расход питательной воды оказывает непосредственное воздействие на расход D_п.п, температуру t^о_п.п и давление p_п.п перегретого пара на выходе, что оказывает существенное влияние на выбор схемы регулирования. Существенно ус­ложняется регулирование температуры перегрева первичного пара из-за влияния на неё расхода питательной воды и более существенного, чем у барабанных, влияния подачи топлива. Это приводит к необходимости уве­личения числа впрысков и расхода воды на впрыск D_впр1,D_впр2. Доля впры­сков у прямоточных парогенераторов доходит до 10% общего количества выработанного пара и оказывает существенное влияние на расход и пара­метры перегретого пара.

Упрощённая схема связей между входными и выходными величинами прямоточного парогенератора представлена на рис 6.4.

На рис. 6.4 обозначены:

t^о_пр – температура пара в промежуточной точке; D_в.п, t^о_в.п – расход и темпе­ратура вторичного пара (из цилиндра высокого давления ЦВД турбины пар поступает в парогенератор, откуда “вторичный” пар поступает в ци­линдр среднего давления ЦСД турбины).

Для примера проследим прохождение входного сигнала через схему парогенератора (см. рис. 6.1) по связи: расход топлива B_т – давление пере­гретого пара p_п.п (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Структурная схема барабанного парогенератора по связи B_т p_п.п

Первый участок – транспортировка пылевидного топлива от питате­лей пыли 2 по пылепроводам 4 к горелкам 5 (см. рис. 6.1). Это звено транспортного за­паздывания с передаточной функцией

= ,

где время запаздывания τ₁ зависит от скорости движения пылевоздушной смеси и длины пылепровода (для современных парогенераторов =0,5 2,5с). На структурной схеме рис.6.5 входной и выходной величиной звена является расход топлива.

Второй участок – подача частиц топлива в топку 6, их воспламене­ние и выгорание. Процесс тепловыделения приближённо описывается уравнением инерционного звена первого порядка с передаточной функ­цией

=k₂/(T₂p+1),

где T₂ находится в диапазоне от нескольких секунд до нескольких десят­ков секунд. Тепло Q_т, выделяемое в топке 6 в процессе сгорания топлива, частично передаётся через поверхности нагрева воде циркуляционного контура 7 и идет на парообразование – Q'_т.вх, а частично – на перегрев пара в пароперегревателе 10 – Q''_т. Остальная часть тепла Q'''_т расходуется на подогрев питательной воды в водяном экономайзере 12, воздуха в возду­хоподогревателе 13 и уносится с уходящими газами.

Третий участок – теплопередача тепловой энергии Q'_т.вх через ра­диационные и конвективные поверхности нагрева. Приближённо дина­мика процесса теплопередачи отражается передаточной функцией

W₃(p)= k₃/(T₃p+1), где T₃=10 15с.

Четвёртый участок – парообразование в испарительных трубах. Конструктивно это звено составляют подъёмные и опускные трубы цир­куляционного контура 7 с расходами пара D_поди воды D_оп, а также барабан 8. Изменение подводимого к воде тепла Q'_т.вых приводит к изменению двух регулируемых величин – паропроизводительности барабана D_б и давления пара в барабане p_б, которые являясь выходными величинами четвёртого звена (рис. 6.5), одновременно оказывают влияние на паропроизводитель­ность подъёмных труб D_под (обратные связи), т.е. одновременно являются и входными величинами.

Если D_б поддерживать постоянной (например, регулирующими кла­панами турбины), а Q'_т изменить скачком, то кривая разгона по давлению пара в барабане p_б будет иметь форму, близкую к экспоненте, т.е.

W₄ (p)= k₄/(T₄p+1).

Пятый участок – перегрев пара в пароперегревателе 10, в котором происходит нагрев пара до требуемой температуры при одновременном снижении его давления из–за гидравлического сопротивления трубок па­роперегревателя. Этот участок имеет три входа: D_б, p_б, Q''_т. При D_б =const

W₅₍₂₎ (p)=k₅₍₂₎ ; W₅₍₃₎ (p)= k₅₍₃₎/(T₅p+1).

Структурная схема на рис. 6.5 приближённо отражает динамику ра­боты парогенератора по одной из связей (B_т p_п.п). Получаемые рассмотрен­ным способом структурные схемы основных связей использу­ются для анализа САР на стадии проектирования парогенератора.

Для действующего парогенератора составляют его математическую модель на основании экспериментальной кривой разгона.

Кривая разгона по рассматриваемой связи, например

u =∆ B_т y =∆ p_п.п,

представляет собой зависимость y =∆ p_п.п (t), измеряемую при ступенчатом изменении u =∆ B_т.

По виду кривой разгона все связи (тепловые объекты) подразделя­ются на две группы: с самовыравниванием (рис. 6.6,а) и без самовыравни­вания (рис. 6.6,б).

Рис. 6.6. Кривые разгона тепловых объектов

а – с самовыравниванием,

б – без самовыравнивания

Эквивалентная структурная схема теплового объекта с самовыравни­ванием может быть представлена в виде последовательного соединения звеньев: запаздывающего и инерционного первого порядка. Её эквива­лентная передаточная функция:

W_экв(p)= k_экв/(T_эквp+1). (6.1)

Определение параметров: τ_экв – время запаздывания, T_экв – время разгона объекта, k_экв - коэффициент усиления – показано на рис. 6.6,а, где a – точка перегиба, в которой проводится касательная к кривой разгона.

Коэффициент усиления

k_экв =y_∞/u₀,

степень самовыравнивания

ρ_экв= 1/ k_экв=u₀/ y_∞,

относительная скорость разгона

ξ_экв= tgα/u₀ = y_∞/(T_эквu₀) =k_экв/T_экв.

Параметр (T_экв + τ_экв) можно определить более точно, не используя точку перегиба, по площади S между кривой разгона и установившимся значением y_∞:

S = y_∞ ∙ τ_экв + y_∞ ∙ T_экв ,

откуда τ_экв+ T_экв = S/ y_∞.

Эквивалентная структурная схема теплового объекта без самовырав­нивания, к которому относится связь D_п.в H_б (рис. 6.2), может быть пред­ставлена в виде последовательного соединения звеньев: запаздывающего и интегрирующего. Её эквивалентная передаточная функция:

W_экв(p)=e^-pτ ∙ξ_экв/p, (6.2)

где относительная скорость разгона (рис. 6.6,б)

ξ_экв = tgα/u₀ =b/ (τ_экв u₀).

Эквивалентные параметры объекта можно определить, используя экс­периментальную импульсную характеристику y_и(t) (рис. 6.7). Импульсная характеристика измеряется проще и по ней восстанавливается кривая раз­гона y(t). Алгоритм восстановления кривой разгона основан на использо­вании метода наложения, справедливого для линейного объекта (для ма­лых отклонений):

y_и (t) = y(t) - y(t - t),

где t – длительность входного импульса с амплитудой u₀;

- y(t - t) – кривая разгона от ступенчатого воздействия - u(t - t), t> t, смещенная на t относительно кривой разгона y(t).

Отсюда кривая разгона

y(t) = y_и (t) + y(t - t)

y(t₁) = y_и (t₁) + y(t₁ - t),

y(t₂) = y_и (t₂) + y(t₂ - t).