Регулирование температуры перегретого пара котельного агрегата

УДК 629.113.001

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-5-120-128

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА КОТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА © П.А. Лузин1, М.П. Дунаев2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты первого этапа исследований в области математического моделирования тепловых процессов котельного агрегата. Представлена разработанная математическая модель управления температурой перегретого пара котельного агрегата. Установлено, что система управления адекватно реагирует на возмущение и восстанавливает заданную температуру перегретого пара, изменяя при этом необходимые параметры системы.

Ключевые слова: математическая модель, перегретый пар, тепловые процессы, впрыск «собственного» конденсата, система управления, энтальпия пара.

CONTROL OF BOILER UNIT SUPERHEATED STEAM TEMPERATURE P.A. Luzin, M.P. Dunaev

Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article introduces the first phase results of research in the field of mathematical modeling of boiler thermal processes. A designed mathematical model of temperature control of boiler unit superheated steam has been developed. The developed control system is found to provide an adequate response to disturbances and recovers a predetermined temperature of the superheated steam through changing the required parameters of the system.

Keywords: mathematical model, superheated steam, thermal process, injection of own condensate, control system, vapor enthalpy

Регулирование температуры перегретого пара котельного агрегата осуществляется путем впрыска «собственного» конденсата в пароохладители первой и второй ступеней. Первый впрыск выполнен после фронтовых ширм, второй - после третьей ступени пароперегревателя. Для впрыска используется конденсат, получаемый в установках «собственного» конденсата путем охлаждения насыщенного пара, поступающего из барабана, питательной водой, прошедшей первый (по ходу воды) пакет водяного экономайзера. После конденсаторов питательная вода направляется во входные камеры второго пакета водяного экономайзера. Через конденсаторы проходит вся питательная вода. Конденсаторы работают в затопленном режиме. Подача конденсата в пароохладители первой ступени осуществляется за счет перепада давления между пароохладителем и раз-

дающей камерой, а также перепада, создаваемого с помощью паровых эжекторов, расположенных в камерах пароохладителей. Подача конденсата в пароохладители второй ступени осуществляется за счет перепада давления между раздающей камерой и камерой каждого из пароохладителей. Для впрыска используется питательная вода [1, 3].

Функциональная схема системы управления температурой перегретого пара

На основе функциональной схемы рассмотрим работу предлагаемой системы управления [2] (рис. 1).

Основной сигнал, пропорциональный температуре перегретого пара на выходе участка регулирования, преобразованный в нормирующем преобразователе (ПТ-ТП-68), поступает на вход промышленного микроконтроллера (ПМК), где сумми-

1

Лузин Петр Александрович, аспирант, e-mail: banzaiman@bk.ru Luzin Petr, Postgraduate, e-mail: banzaiman@bk.ru

2Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, e-mail: mdunaev10@mail.ru

Dunaev Mikhail, Doctor of Engineering sciences, Professor of the Department of Electrical Drive and Electric Transport, e-mail: mdunaev10@mail.ru

Пароперегреватель I ст.

Рис. 1. Функциональная схема предлагаемой системы управления температурой

перегретого пара

Fig. 1. Function circuit of the proposed control system of superheated steam temperature

руется с отрицательным сигналом задающего устройства (ЗУ-11). В установившемся состоянии и при температурах, на значение которых сбалансирован модуль, сигнал рассогласования равен нулю. При отклонении температуры или изменении задания машинистом, или изменении сигнала корректирующего регулятора на выходе ПМК появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулирующего модуля. При этом считываются сигналы с датчиков, установленных на исполнительном механизме (датчик положения - энко-дер) и во впрыскивающем устройстве (датчик расхода - электромагнитный расходомер), поступающие на входы соответствующих регулирующих модулей. Регулятор расхода формирует на выходе модуля сигнал, пропорциональный расходу «собственного» конденсата. Этот сигнал поступает на регулятор положения. В нем реализован релейный элемент, при срабатывании которого формируется сигнал напряжением 220 В, при этом идет воздействие на бесконтактные пускатели, и происходит запуск исполнительного механизма. Исполнительный механизм перемещает шток

клапана соответствующего регулятора и тем самым изменяет расход впрыскиваемого «собственного» конденсата в ту или иную сторону с целью восстановления температуры перегретого пара на выходе участка регулирования.

Корректирующий регулятор температуры в свою очередь получает те же сигналы, пропорциональные температуре перегретого пара на выходах обоих участков регулирования, суммирует их на своем измерительном модуле и балансирует сигналом корректора. Таким образом, основные регуляторы температуры находятся в диапазоне регулирования и поддерживают «свои» температуры. Сигнал рассогласования измерительного модуля, пропорциональный сумме сигналов, зависящих от температуры, не выходит за пределы зоны нечувствительности регулирующего модуля ПМК корректирующего регулятора температуры (^=5°С). При выходе из диапазона регулирования регулятора температуры 11-й ступени (что происходит, как правило, при изменении нагрузки котла) сумма вышеупомянутых сигналов, учитывая, что регу-

лятор температуры 1-й ступени поддерживает постоянное значение своей температуры, становится больше величины зоны нечувствительности модуля корректирующего регулятора температуры, и на выходе последнего появляется сигнал напряжением 10 В. Этот сигнал поступает на вход регулятора температуры 1-й ступени и в свою очередь изменяет величину поддерживаемой им температуры, тем самым приводя систему в новое значение, установившееся для новой нагрузки котла.

Математическая модель температуры перегретого пара

Регулирование впрыском конденсата основано на снижении энтальпии пара путем отбора части тепла перегретого пара. Этот процесс изображен на графике (рис. 2), где обозначено:

Эо - энтальпия пара перед впрыском конденсата;

АЭк - энтальпия, отбираемая при впрыске конденсата;

АЭН1 - энтальпия нагрева пара на 1-й ступени пароперегревателя;

АЭНц - энтальпия пара на 11-й ступени пароперегревателя при впрыске конденсата;

АЭНц* - энтальпия пара на 11-й ступени пароперегревателя без впрыска;

Э ккал/кг

Т0 - температура на входе в пароперегреватель;

АТбк - температура нагрева пара на выходе 11-й ступени пароперегревателя без впрыска конденсата;

АТк - температура нагрева пара на выходе 11-й ступени пароперегревателя после впрыска конденсата.

Из барабана в пароперегреватель поступает насыщенный пар с начальной температурой Т0 и энтальпией Э0 [1]. В процессе продвижения пара по пароперегревателю 1-й ступени (характеристика 1) происходит перегрев пара до температуры Т1 и соответствующей ей энтальпии Э1. Далее следуют два возможных варианта перегрева пара:

1) поступление пара в пароперегреватель 11-й ступени без впрыска конденсата (характеристика 2);

2) происходит впрыск конденсата, и охлажденный пар поступает в пароперегреватель 11-й ступени (характеристика 3).

Структурная схема системы управления температурой перегретого пара

На основе математических моделей температуры перегретого пара и трубопроводной магистрали для подачи конденсата составлена структурная схема (рис. 3), где

ДЭнП*

Т, 0С

Рис. 2. Изменение температуры перегретого пара при впрыске «собственного» конденсата Fig. 2. Change in superheated steam temperature under injection of its own condensate

к>

p т«р

тд Р +1

X Г*

20qS 2ус Q2 -1

У)

1+л— _Dl

т

О

Э

Э

АТ ©

т=1

э э

удпп

-Л

i Э,

Рис. 3. Структурная схема системы управления температурой перегретого пара Fig. 3. Structural circuit of the control system of the superheated steam temperature

обозначено:

1) коэффициент гидравлического сопротивления:

20 g •

4 (У) =

ошибка регулирования была равна нулю);

- кр - П-регулятор расхода конденсата (отрабатывает, пока температура пара не установится равной заданию);

Q  у Г

2) динамическая математическая модель расхода жидкости в трубопроводе:

dQ H • S • g dt L •у

i

Q2

2L • S,,

3) математическая модель температуры перегретого пара:

= (Эпп ~ Эк ) .

Э  о '

удпп ¿^пп

4) энтальпия конденсата:

Э = Э  о + Э,  О Ат.

к нк удпп г~-к

Кроме составляющих математических моделей схема системы управления температурой перегретого пара (см. рис. 3) также содержит следующие элементы:

- Uз - напряжение задания, пропорциональное требуемой температуре перегретого пара;

к

- к + —Р— ПИ-регулятор темпера-

ми Р

туры перегретого пара (предназначен для того, чтобы в установившемся режиме

- релейный элемент, зона нечувствительности которого задана в пределах от -0,005 до +0,005, что соответствует поточности 0,5% ошибки; к

- серводвигатель, у кото-

ТдР +1

рого частота вращения постоянна и соответствует приложенному напряжению (его обороты интегрируются с помощью физического элемента - винта, который отрабатывает необходимое перемещение регулирующего органа - затвора);

- — - интегратор в виде оборотов

Р

винта (тянет за собой затвор регулирующей арматуры);

- к - коэффициент, преобразующий число оборотов в линейное перемещение затвора регулирующего органа;

- кг - датчик температуры;

- к - датчик расхода;

- к - датчик положения;

С

д

k

X

k

П

k

РК

X

k

Т

X

Э

Q

о

- Г0 - температура на входе в 1-ю

ступень пароперегревателя.

Система управления температурой перегретого пара в программной среде МДИДВ

Сначала была сформирована модель исполнительного механизма (рис. 4, 5). Затем были подобраны коэффициенты внутреннего регулятора (положения затво-

ра), после этого была осуществлена отладка контура регулятора производительности (расхода) конденсата [4].

Далее был сформирован контур динамической математической модели расхода жидкости в трубопроводе (рис. 6-9). После чего были подобраны коэффициенты регулятора производительности (расхода) конденсата.

Рис. 4. Формирование контура регулятора положения в программной среде MATLAB Fig. 4. Position regulator circuit formation in MATLAB environment

Рис. 5. Сигнал, характеризующий степень открытия регулирующего органа Fig. 5. The signal characterizing the regulator opening degree

Оссципограф

Рис. 6. Формирование контура регулятора расхода конденсата в программной среде MATLAB Fig. 6. Condensate flow regulator circuit formation in MATLAB environment

Рис. 7. Расход конденсата при номинальном режиме Fig. 7. Condensate flow at nominal conditions

Рис. 8. Степень открытия регулирующего органа в номинальном режиме Fig. 8. Regulator opening degree at nominal conditions

После отладки регулятора расхода конденсата были подобраны коэффициенты регулятора температуры (рис. 9, 10), что

и завершило схему управления температурой перегретого пара.

Рис. 9. Формирование контура регулятора температуры перегретого пара в среде MATLAB Fig. 9. Superheated steam temperature regulator circuit formation in MATLAB environment

Рис. 10. Номинальный режим работы системы управления температурой перегретого пара Fig. 10. Nominal operation conditions of the control system of superheated steam temperature

Необходимо отметить, что поскольку конденсат испаряется не мгновенно, то была введена временная задержка в виде

1

апериодического звена —--.

Исследования проводились на модели, показанной на рис. 11. Была иссле-

дована реакция системы управления при различных возмущениях. Изменение производительности котла, т.е. расход перегретого пара Qпп уменьшался на 10, 20 и 30% в 30, 50 и 70 секунд соответственно (рис. 12).

Рис. 11. Система управления температурой пара при изменении производительности котла Fig. 11. Control system of steam temperature under changes in boiler output

Рис. 12. Реакция системы управления при изменении производительности котла Fig. 12. Control system reaction under changes in boiler output

Как видно из рис. 12, при изменении производительности котла система управления среагировала на возмущение и восстановила заданную температуру, уменьшив расход конденсата. При расходе перегретого пара (¿„„)=0,125 т/с, расход конденсата ¿к стал равным 0,00144 т/с; при ¿„„=0,111 т/с ¿к=0,00127 т/с и при

¿„„=0,097 т/с ¿к=0,0011 т/с.

Далее производилось изменение температуры нагрева пара в пароперегревателе (рис. 13, 14), т.е. температура уменьшалась на 2 и 4°С (34 и 32°С соответственно).

Рис. 13. Система управления температурой пара при изменении температуры нагрева

в пароперегревателе

Fig. 13. Steam temperature control system under changes in heating temperature in a steam superheater

Рис. 14. Реакция системы управления при изменении температуры нагрева в пароперегревателе Fig. 14. Control system reaction under changes in heating temperature in a steam superheater

На рис. 14 видно, что система управления также среагировала на возмущение и восстановила температуру, уменьшив расход конденсата. При температуре, равной 34°С, расход конденсата Qк стал равным 0,00096 т/с, при ¿=32°С расход конденсата Qк уменьшился до 0,000317 т/с.

Таким образом, при использовании

схемы автоматического управления повышается КПД котлоагрегата и качество регулирования, оптимизируется технологический процесс перегрева пара путем поддержания необходимого расхода «собственного» конденсата, чем достигается экономия топлива.

Статья поступила 17.03.2016 г.

Библиографический список

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика: учебник для втузов. 5-е изд., перераб. М.: Наука, 1976. 888 с.

2. Войкунский Я.И., Фаддеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика. Л.: Судостроение, 1982. 455 с.

3. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых станций: учебник. М.: Энергоиздат, 1981.

345 с.

4. Тепловые и атомные электрические станции. Дипломное проектирование: учеб. пособие / А.Т. Глю-за, В.А. Золотарева, А.Д. Качан и др.; под ред. А.М. Леонкова, А.Д. Качана. Минск: Вышейшая школа, 1991. 336 с.

References

1. Abramovich G.N. Prikladnaia gazovaia dinamika [Applied gas dynamics]. Moscow, Nauka Publ., 1976, 888 p.

2. Voikunskii Ia.I., Faddeev Iu.I., Fediaevskii K.K. Gidromekhanika [Hydromechanics]. Leningrad, Su-dostroenie Publ., 1982, 455 p.

3. Reznikov M.I., Lipov Iu.M. Parovye kotly teplovykh

stantsii [Steam boilers of thermal power plants]. Moscow, Energoizdat Publ., 1981, 345 p. 4. Gliuza A.T., Zolotareva V.A., Kachan A.D. i dr. Teplovye i atomnye elektricheskie stantsii. Diplomnoe proektirovanie [Thermal and nuclear power stations. To diploma design]. Minsk, Vysheishaia shkola Publ., 1991, 336 p.