Сти к. П. Д. Котла от избытка воздуха в топке.

газах, чаще применяются не в качестве основного сред­ства регулирования, а как корректирующие устройства, оптимизирующие процесс, управляемый другими устрой­ствами.

При необходимости уменьшения избытка воздуха с ростом нагрузки система автоматического регулирова­ния должна поддерживать содержание 0₂ в газах с не­равномерностью, уменьшая эту величину по мере роста нагрузки.

Регулирование воздуха по заданной нагрузке. Показателем, характеризующим заданную нагрузку котла, служит сигнал от главного регулятора по давлению пара в паропроводе перед турбиной. При ручном дистанционном управлении сигнал по нагрузке создается специальным задатчиком ручного управления.

По одному из распространенных способов подача воздуха регулируется по сигналу от главного (корректи­рующего) регулятора или задатчика ручного управле­ния. Подобные схемы регулирования носят название схем «заданная нагрузка — воздух». При их выполнении должны быть обеспечены условия поддержания опти­мального значения избытка воздуха в топке путем па­раллельного или последовательного воздействия на по­дачу топлива с корректировкой избытка воздуха по со­держанию кислорода в газах.

Регулирование воздуха по расходу топ­лива. При этой схеме регуляторы поддерживают за­данное соотношение между расходами воздуха и топ­лива. Схемы, основанные на этом принципе, обычно называют схемами «топливо — воздух». Так как схема «топливо — воздух» имеет простое построение, ее жела­тельно применять во всех случаях, когда она дает доста­точно высокий экономический эффект. Первое условие, необходимое для применения схемы «топливо — воздух», заключается в возможности непрерывного измерения те­кущего расхода топлива с приемлемой точностью. Вто­рое условие состоит в том, что теплотворная способность топлива, отнесенная к 1 кг или 1 м³, длительно должна поддерживаться без изменений. Такие условия дости­гаются только при работе котла на природном газе, по­ступающем из определенного месторождения, и отчасти при сжигании мазута. Для этих топлив применение схе­мы «топливо — воздух» полностью оправдывается, и она имеет преимущество перед другими схемами.

При работе на твердом топливе схема «топливо— воздух» неэкономична, так как из-за отсутствия прямого способа мгновенный расход топлива приходится оцени­вать по вспомогательным показателям, что связано с не­допустимо низкой точностью измерения. В настоящее время регулирование воздуха по расходу топлива на котлах, работающих на твердом топливе, практически не применяется. Следует, однако, отметить, что выпускав­шиеся ранее регуляторы электромеханического и гидрав­лического типов были рассчитаны только на применение этой схемы.

Из числа косвенных показателей для оценки мгно­венного расхода топлива в системах регулирования про­цесса горения наиболее часто применялись: оценка по сумме чисел оборотов всех работающих питателей пыли или по положению органа, регулирующего число оборо­тов питателей (траверсы реостата или плоского контрол­лера). Малая достоверность такого способа измерения расхода топлива объясняется нестабильностью характе­ристик топливоподающих устройств, например шнековых питателей пыли. При одном и том же положении регули­рующего реостата количество пыли, подаваемой питате­лями, может изменяться в больших пределах в зависи­мости от качества пыли, уровня ее в бункерах, плотности мигалок, износа шнека и других причин эксплуатацион­ного порядка. Возникающие при этом внутренние возму­щения непосредственно не учитываются системой регу­лирования, вследствие чего работа регуляторов услож­няется, а качество процесса ухудшается.

Регулирование воздуха по расходу пара. Этот способ регулирования основан на том, что количество тепла, уносимого с паром из котла, при не­изменном качестве пара прямо пропорционально его рас­ходу. Вместе с тем, как было установлено выше, расход воздуха должен поддерживаться пропорциональным ко­личеству тепла, выделяющегося в топке. Для пояснения следует рассмотреть уравнение теплового баланса котла при установившемся состоянии

, (2-4)

где — низшая рабочая теплотворная способность топ­лива, ккал/кг; В — часовой расход топлива, кг/ч; D — часовой расход пара, кг/ч; I_пе и I_в — энтальпии перегре­того пара, выработанного котлом, и поступающей к нему питательной воды, ккал/кг; η_к — к. п. д. котла.

Предполагая, что величины I_пе и I_В при работе котла постоянны, и пренебрегая колебаниями величины η_к, по­лучаем:

, ккал/к, (2-5)

где k — постоянная величина.

Отсюда следует, что расход пара пропорционален расходу тепла, внесенного в топку топливом. Таким образом, появляется возможность применить в качестве показателя для регулирования воздуха расход пара, точ­ное измерение которого с помощью дроссельного органа затруднений не вызывает.

Схему регулирования расхода воздуха по расходу пара обычно называют схемой «пар — воздух». При по­стоянстве параметров, входящих в уравнение теплового баланса, такой способ регулирования дает удовлетвори­тельные результаты. Однако эти условия достигаются только при установившихся состояниях (в статике). По­этому схема «пар — воздух» применима только на кот­лах, не участвующих в регулировании нагрузки электро­станции.

В переходных процессах равенство, выраженное уравнением (2-4), нарушается. Так, при увеличении на­грузки котла часть тепла, выделившегося в топке, не воспринимается паром, а затрачивается на повышение теплового уровня нагретых частей агрегата. При сниже­нии нагрузки некоторое количество тепла переходит в пар от раскаленных частей. Кроме того, переходные процессы сопровождаются отклонением параметров пара от номинального значения, следовательно, энтальпия пара не может считаться постоянной.

Несмотря на рассмотренные преимущества схемы «пар — воздух» по сравнению со схемой «топливо — воз­дух» на мощных котлах ее применяют редко из-за недо­статочной экономичности. Более широкое применение эта схема имеет в промышленных котельных с котлами малой производительности, где решающее значение имеет простота. Так, на выполнение схемы «пар — воз­дух» рассчитана система регулирования «Кристалл», се­рийно выпускаемая для котлов производительностью 10—20 т/ч.

Регулирование воздуха по «теплу». Рас­согласование между количеством тепла, выделившегося в топке, и теплом, идущим на парообразование, в пер­вую очередь приводит к отклонению давления пара в барабане котла: увеличение расхода пара (без подачи дополнительного топлива) ведет к понижению давления, а уменьшение расхода — к повышению. При этом ско­рость изменения давления¹ пропорциональна величине небаланса между приходом и расходом тепла: чем больше этот небаланс, тем быстрее изменяется давле­ние р_б в барабане. Таким образом, сумма

или ( ) (2-6)

дает достаточно полное представление о количестве теп­ла, полезно использованного на образование пара. Здесь а — коэффициент пропорциональности.

Так как к. п. д. котла, учитывающий непроизводи­тельные потери тепла, меняется по времени незначитель­но, можно принять, что суммарный сигнал по расходу пара D и скорости изменения давления в барабане скр_б достаточно полно характеризует количество тепла, вне­сенного в топку с топливом, как при установившемся со­стоянии, так и в переходных процессах.

При установившемся режиме давление в барабане котла поддерживается постоянным, следовательно, ско­рость его изменения равна нулю и все полезно исполь­зованное тепло идет на образование пара. В этом слу­чае количество тепла, выделяемого топливом, пропор­ционально расходу пара и схема «тепло — воздух» превращается в схему «пар — воздух».

¹ Эта величина равна отношению приращения давления к соот­ветствующему промежутку времени, т. е. производной величине давления по времени , кг/см² · сек. . Скорость для каждого дан­ного момента можно найти, проведя касательную к кривой разгона по давлению.

Сигнал, достаточно близко характеризующий ско­рость изменения давления в барабане котла, при авто­матизации с помощью электронных авторегуляторов си­стемы ВТИ формируется при помощи электронного диф­ференцирующего прибора типа ДЛ-П с подключенным к его входу датчиком-манометром.

2-4. СХЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Показателем баланса между количеством газов, образующихся в топке и удаляемых из котла дымососа­ми, служит разрежение в топочном пространстве S_т. В установившемся состоянии эта величина поддержи­вается постоянной. Повышение форсировки топки приводит к увеличению количества дымовых газов, вследствие чего давление в топке повышается (снижается S_т) и для восстановления равновесия нужно увеличить отсос газов дымосососами. Разрежение в топке служит командным сигналом для регулирования расхода газов во всех схе­мах авторегулирования процесса горения котлов.

Благоприятные динамические характеристики участка регулирования в большинстве случаев позволяют полу­чить удовлетворительное качество процесса без примене­ния каких-либо дополнительных воздействий. На мощ­ных современных котлах для улучшения качества регулирования к регулятору газов часто подается допол­нительное исчезающее со временем воздействие от регу­лятора воздуха. Сигнал по изменению расхода воздуха возникает раньше, чем командный сигнал по разреже­нию в топке, но по мере приближения процесса к уста­новившемуся состоянию, исчезает. При электронных авторегуляторах системы ВТИ дополнительное воздей­ствие осуществляется с помощью цепочки динамической связи между регуляторами воздуха и газов.

2-5. ПРИМЕРЫ СХЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ БАРАБАННЫХ КОТЛОВ

Схемы «топливо — воздух». Выше было по­казано, что эти схемы целесообразно применять при работе котлов на газообразном, а при определенных усло­виях и на жидком топливах. На рис. 2-4 показаны два наиболее известных варианта схемы «топливо — воздух» для станций с общим паропроводом (с поперечными свя­зями). Давление пара р_п в выбранной точке общего паропровода воспринимается главным (корректирую­щим) регулятором ГР. Командный сигнал от главного регулятора подается в систему регулирования процесса горения всех автоматизированных котлов. При схеме рис. 2-4,а сигнал от главного регулятора поступает одно­временно на регулятор топлива РТ и воздуха РВ каж­дого котла. Такая схема носит название параллельной или схемы «заданная нагрузка — воздух». В схеме 2-4,б воздействие от главного регулятора подается только на регулятор топлива. Расход топлива измеряется и в качестве командного сигнала подается к регулятору воздуха. Схема носит название последовательной. В ка­честве обратной связи в регуляторе воздуха применяется сигнал по расходу воздуха. Этот сигнал измеряется по сопротивлению участка воздушного тракта котла или по перепаду давления в специальном устройстве — мульти­пликаторе, помещаемом в поток воздуха. В схемах рис. 2-4,а и б регулятор топлива получает сигнал, про­порциональный расходу топлива.

Для статической настройки системы служат на­строечные приспособления (задатчики 3). С помощью задатчика 3₁ устанавливается доля участия данного котла в общей выработке пара котельной. Задатчик З₂ служит для настройки соотношения между расходами топлива и воздуха, т. е. коэффициента избытка воздуха, поддерживаемого регуляторами.

Рис. 2-4. Схема автоматического регулирования процесса горения по соотношению «топливо—воздух». а — параллельная; б — последовательная.

Проследим работу схемы «топливо — воздух» при появлении внутреннего возмущения, например при переходе, на сжигание топлива с более высокой теплотворной способностью. В этом случае регулятор топлива не контролирует возмущение, и приход тепла окажется больше расхода с паром. На регулятор воздуха это не окажет воздействия, и он будет продолжать подавать воздух в прежнем количестве. В результате рассматриваемого внутреннего возмущения нагрузка котла повысится, а коэффициент избытка воздуха снизится за допустимые по условиям экономичности пределы. Незакономерное увеличение паропроизводительности котла приведет к повышению давления в общем паропроводе, что будет вос­принято главным регулятором, который уменьшит на грузку всех автоматизированных котлов и восстановит нарушенное равновесие. Таким образом, при схеме «топливо — воздух» с главным регулятором внутренние возму­щения, полученные одним из котлов, приводят в действие регуляторы всех остальных автоматизированных котлов. На многих станциях (особенно работающих на пыли) наблюдается, что внутренние возмущения возникают ча­сто и имеют большую величину. В этом случае при авто­матизации по схеме «топливо — воздух» с главным регу­лятором котлы работают с резко переменным режимом даже при постоянной нагрузке электростанции. Отклоне­ние от нормы величины коэффициента избытка воздуха, появившееся в результате внутреннего возмущения, ре­гуляторами полностью не снимается, и котел будет про­должать работать с пониженной экономичностью.

Эти недостатки приводят к тому, что применение схемы «топливо — воздух» нецелесообразно на большин­стве современных агрегатов. Только при работе на газе со стабильной теплотворной способностью эта схема себя полностью оправдывает. Как наиболее простая, схема «топливо — воздух» в этом случае имеет преиму­щество перед другими схемами автоматизации. Точное измерение расхода газа дроссельным способом затрудне­ний не представляет.

Несколько сложнее измерение расхода жидкого топ­лива, например мазута. Однако с помощью дроссельных диафрагм типа «четверть круга» и постоянного подо­грева мазута можно получить удовлетворительный ре­зультат и в этом случае.

Нарушение статической настройки системы автомати­ческого регулирования процесса горения под влиянием внутренних возмущений может быть компенсировано вручную, с помощью задатчиков. Это же может быть до­стигнуто автоматически, с помощью корректора, дей­ствующего по содержанию свободного кислорода в га­зах. Корректор по 0₂ показан на схеме рис. 2-4,б пунк­тиром. Эта схема может быть изменена (перевернута) таким образом, что сигнал от главного регулятора будет подан на регулятор воздуха, а регулятор топлива полу­чит сигнал по расходу воздуха в качестве командного воздействия. Преимущества такой схемы объясняются простотой получения представительного сигнала по рас­ходу воздуха.

Регулирование отсоса газов выполняется по разреже­нию в топке S_T, как показано на схеме рис. 2-4,а. С дру­гими регуляторами системы регулятор газов связан только общностью процессов, происходящих в котлоагрегате.

Регуляторы воздуха и газов в схемах рис. 2-4 можно поменять местами, заставляя регулятор воздуха поддер­живать заданное разрежение в топке, а регулятор газов поддерживать экономический режим горения. В этом случае регулятор газов помимо задающего сигна­ла получает также сиг­нал по сопротивлению га­зового тракта котла. По­добные варианты схем применяются в тех слу­чаях, когда измерение расхода воздуха на кот­ле затруднительно, а шлакование и занос зо­лой газоходов не мешает измерению расхода газов по сопротивлению участ­ка газового тракта.

Рис. 2-5. Схема регулирования процесса горения по соотношению «пар—воздух» с исчезающим кор­ректирующим воздействием по расходу топлива

Выше было показа­но, что регулирование воздуха по расходу па­ра обычно не оправдывается экономически из-за запаздывания развития регулирующего сигнала при внешнем и внутреннем возмущении. Качество регу­лирования может быть улучшено, если на регулятор воз­духа будет подан исчезающий по времени сигнал дина­мической связи от регулятора топлива. Подобная схема показана на рис. 2-5. Регулятором нагрузки в этой схеме служит регулятор топлива. Регулятор воздуха получает основное командное воздействие по расходу пара D и исчезающий сигнал от регулятора топлива. Влияние этого сигнала на расход воздуха наиболее интенсивно в первый момент после получения возмущения, а затем постепенно уменьшается до полного исчезновения. Время действия сигнала по расходу топлива выбирается так, чтобы к концу переходного процесса в силу вступило воздействие по расходу пара. Таким образом, при уста­новившемся режиме расход воздуха поддерживается пропорциональным расходу пара, а в переходных про­цессах подача воздуха пропорциональна расходу топ­лива.

Схемы с воздействием «по теплу». Схемы с воздействием суммы сигналов но расходу пара и ско­рости изменения давления в барабане котла находят ши­рокое применение при автоматизации котлов, работаю­щих на топливах практически всех видов. В последнее время эти схемы пополняются корректирующим воздей­ствием по содержанию свободного кислорода в дымовых газах. В зависимости от решения схемы суммарный сиг­нал «по теплу» подводится к регулятору воздуха или топлива.

Рис. 2-6. Схема с воздействием по «теплу» для котла, работающего на пыли, с промбункером. Диф — дифференцирующий прибор; Корр — корректи­рующий прибор.

Схемы с воздействием «по теплу» в котельных с общим паропроводом дают возможность ликвидиро­вать внутренние возмущения, возникающие при работе, в пределах самого котла без привлечения к этому других агрегатов, объединенных общей системой регулирования. При их исполнении расход воздуха правильно пропорционируется по количеству выделяющегося в топке тепла и коэффициент избытка воздуха поддерживается по­стоянным.

Чтобы предотвратить незакономерную переброску на­грузки между котлами, нужно заставить систему регули­рования котла воспринимать внутренние нарушения ре­жима и, воздействуя на органы, регулирующие подачу топлива и воздуха, восстанавливать нагрузку, заданную котлу, вручную или главным регулятором. Это должно осуществляться настолько быстро, чтобы нарушение подачи топлива в топку восстанавливалось, не вызывая сколько-нибудь существенного отклонения давления в паропроводе перед турбинами. Опыт показал, что на­рушение подачи топлива на котле, работающем при дав­лении около 100 ат, сказывается на давлении пара пе­ред турбинами через несколько десятков секунд. Этого времени бывает достаточно для ликвидации внутренних возмущений в пределах самого котла.

Рис 2-7. Схема ВТИ с воздействием по «теплу». ДС — устройство динамической связи.

На рис. 2-6 показан один из наиболее часто приме­няемых вариантов схемы автоматического регулирования процесса горения для котлов, работающих на пылеугольном топливе с промбункером. Сигнал от главного регулятopa подается одновременно на регуляторы топлива и воздуха каждого автоматизированного котла. Регулятор топлива получает также воздействие «по теплу». Вну­тренние возмущения вызывают отклонения давления в барабане со скоростью, пропорциональной величине этих возмущений. Благодаря воздействию сигнала «по теплу» на регулятор топлива, влияние этих возмущений ликвидируется в контуре самого котла. Отклонения от заданного значения коэффициента избытка воздуха ликвидируются корректирующим воздействием на по­дачу воздуха регулятора «экономичности», восприни­мающего отклонение содержания 0₂ в газах от установ­ленной при настройке величины. Отсос газов по-преж­нему управляется регулятором газов, поддерживающим заданное разрежение в топке.

Рис. 2-8. Схема регулирования процесса горения для котла с шахтно-мельничной топкой.

Корр — корректирующий прибор; ДС — устройство динамической связи.

На рис. 2-7 представлен один из вариантов схемы с воздейст­вием сигнала «по теплу», разработанный ВТИ. Главный (корректи­рующий) регулятор РГ в этой схеме воспринимает давление пара в сборном паропроводе. Командный сигнал от этого прибора посы­лается на регуляторы воздуха РЕ всех автоматизированных котлов. Эти регуляторы получают обратный сигнал по расходу воздуха. Таким образом, главный регулятор задает всем котлам расход воз­духа в соответствии с общей нагрузкой электростанции, а регуля­торы воздуха поддерживают этот расход постоянным до тех пор, пока не произойдет изменение команды от главного регулятора или от задатчика. Регулятор топлива РТ воспринимает задающий сиг­нал по расходу воздуха, сигнал «по теплу», т. е. по сумме величи­ны паровой нагрузки D и скорости изменения давления в барабане котла. Всякое нарушение подачи тепла с топливом, не связанное с командой от главного регулятора, прежде всего приводит к изме­нению давления в барабане. Скорость этого изменения пропорцио­нальна величине возмущения. Построенный по такой схеме регулятор топлива приводит расход тепла к заданному значению при любом внутреннем возмущении котла, не изменяя нагрузки других котлов, работающих параллельно с ним.

Разрежение в топке поддерживается регулятором газов РГ, который получает дополнительный опережающий сигнал от регуля­тора воздуха (пунктирная линия на рис. 2-7). Эта дополнительная связь позволяет регулятору газов воспринимать изменения подачи воздуха раньше, чем произойдет изменение разрежения в топке.

Схемы регулирования в топках с инди­видуальными пылеприготовительными установками. Автоматизация регулирования процес­са горения на котлах с индивидуальными пылеприготовительными установками, в том числе с шаровыми бара­банными мельницами без промежуточного бункера пыли, с шахтными или молотковыми мельницами, усложняется тем, что подача сырого топлива в мельницу должна управляться регулятором топлива, входящим в систему авторегулирования процесса горения котла.

Ниже рассмотрена одна из известных схем автомати­зации котла, оборудованного шахтно-мельничными топ­ками. Особенность регулирования этих котлов состоит в том, что пыль, приготовленная в мельницах, вдувается непосредственно в топку воздухом, вентилирующим шах­ту. Поэтому подача топлива в мельницу должна в каж­дый момент времени соответствовать нагрузке котла. Для выполнения этой задачи регулятор загрузки мель­ницы должен входить в систему авторегулирования про­цесса горения в качестве регулятора топлива.

Так как в объеме шахты мельницы во время работы скапливается ощутимое количество пыли, готовой к сжи­ганию, его можно рассматривать как промежуточную емкость, из которой во время переходных процессов мо­жет быть получено дополнительное количество топлива. Однако в связи с этим шахтные мельницы обладают большим временем запаздывания при изменении подачи сырого топлива. Это запаздывание определяется объемом шахты и запасом пыли в ней и сильно затрудняет авто­матизацию процесса горения.

Вредное влияние инерционности регулятора топлива, управляющего подачей сырого топлива в мельницы, можно уменьшить, изменяя запас пыли, накопленной в шахте, воздействием на подачу первичного воздуха. В этом случае необходимо также обеспечить хорошее качество помола, в основном зависящее от скорости первичного воздуха в шахте. При повышении скорости, а следовательно, и расхода первичного воздуха вынос пыли из шахты увеличивается, а мельница разгружается. Этим можно воспользоваться для быстрого изменения поступления топлива в топку при переходных процессах, для чего в схему автоматического регулирования котла включают специальные регуляторы первичного воздуха. В схемах находят применение также автоматические ре­гуляторы загрузки мельницы, действующие по величине тока ее электродвигателя. При этом используется зави­симость, существующая между загрузкой мельницы топ­ливом и током электродвигателя. Находит применение, например, схема, при которой регуляторы поддерживают постоянным величину тока электродвигателя мельницы, воздействуя на расход первичного воздуха, поступаю­щего в шахту, а нагрузку регулируют расходом сырого топлива в мельницу. Эта схема может быть изменена таким образом, что сигнал по току электродвигателя бу­дет воздействовать на подачу сырого угля, а команда по нагрузке — на расход первичного воздуха.

Следует заметить, что схемы с изменением расхода первичного воздуха не могут обеспечить постоянства ка­чества пыли (тонины помола). При увеличении расхода воздуха мельница выдает более грубую пыль. Однако это обычно совпадает с требованиями эксплуатации и не ухудшает экономичности сжигания топлива.

На рис. 2-8 показана одна из применяемых на элек­тростанциях схем с регулированием экономичности по соотношению «топливо — воздух» и корректором по со­держанию свободного кислорода в дымовых газах. В этой схеме первичный воздух регулируется по расходу топлива. Регулятор топлива получает задание от глав­ного регулятора и воздействует на подачу сырого топ­лива в мельницы. Одновременно регулятор топлива по­дает командный сигнал регулятору общего воз­духа РВ_общ и регуляторам первичного воздуха РВ_пср всех мельниц. Таким образом, при изменении подачи топлива одновременно изменяется расход первичного воздуха, вентилирующего каждую мельницу, что без заметного запаздывания увеличивает или уменьшает поступление пыли в топку. Регулятор общего воздуха под­держивает заданную пропорциональность между расхо­дами топлива и воздуха, поступающих в топку. При на­рушении оптимальных условий работы топки в действие вступает корректор по 0₂, восстанавливающий нарушен­ный из-за внутренних возмущений коэффициент избытка воздуха. Регуляторы первичного и вторичного воздуха получают обратные сигналы по регулируемому ими рас­ходу воздуха, измеренному по сопротивлению участка воздухопровода или измерительной диафрагмы. Рассма­триваемая схема не учитывает загрузку мельницы углем, поэтому при неблагоприятных условиях возможна пере­грузка или выхолащивание мельниц. Для предотвраще­ния этого схему следует дополнить корректирующим ре­гулятором, воспринимающим сигнал по току электродви­гателя мельницы, с воздействием на подачу топлива.

2-6. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕВА ПАРА НА БАРАБАННЫХ КОТЛАХ

Коэффициент полезного действия парового цикла электростанции растет с повышением температуры остро­го пара. Даже незначительное снижение температуры (на несколько градусов) приводит к ощутимому сниже­нию к. п. д. цикла. Поэтому стремятся к поддержанию температуры перегрева по возможности более высокой. Предел повышения температуры перегрева определяется прочностью стали, из которой изготовлены трубки паро­перегревателя, паропроводы, арматура и камеры клапа­нов турбины. Эти части на современных агрегатах вы­полняются из специальных сортов жароупорной стали, что позволило повысить предельную температуру с 400— 420° С при углеродистой стали до 520—560°С на котлах блочных установок.

Регулирование температуры пара на котлах осуще­ствляется путем снятия излишнего перегрева в поверх­ностных или смешивающих теплообменниках — паро­охладителях. Для облегчения условий регулирования следовало бы устанавливать пароохладители за послед­ней ступенью поверхности пароперегревателя. В этом случае время запаздывания процесса было бы минималь­ным. Однако такая схема не защищает пароперегрева­тель котла и исключает возможность поддержания тем­пературы на максимально допустимом по условиям работы металла пределе, поэтому она практически не применяется.

Оптимальные условия регулирования перегрева пара достигаются при установке пароохладителя между двумя ступенями пароперегревателя (в «рассечку» перегрева­теля). Получив в первой ступени перегрев, близкий к предельно допустимому, пар проходит через регулируе­мый пароохладитель, после чего поступает во вторую ступень и на выход из котлоагрегата. Температура долж­на быть снижена в пароохладителе настолько, чтобы на выходе температура поддерживалась на максимально допустимом пределе.

На современных барабанных котлах большой паропроизводительности, также как и на прямоточных котлах применяется установка двух и более пароохладителей, последовательно расположенных в разных точках паро­вого тракта. Регулирование перегрева с помощью паро­охладителя, установленного в рассечку перегревателя, приводит к увеличению запаздывания изменений темпе­ратуры на выходе из котла. Поэтому желательно, чтобы пароохладитель был установлен по возможности близко к выходу пара из котлоагрегата. Однако это не всегда возможно по конструктивным соображениям. Например, у котлов старых выпусков пароохладители установлены не в рассечку, а перед пароперегревателем, на стороне насыщенного пара. Охлаждение «насыщенного» пара приводит к увеличению его влажности, в результате чего температура пара за пароперегревателем понижается. В большинстве случаев эти котлы имеют пароохлади­тели поверхностного типа, вследствие чего время за­паздывания процесса (с момента подачи охлаждающей воды до начала изменения регулируемой температуры) достигает значительной величины (примерно 160— 200 сек), что практически исключает возможность авто­матизации процесса. Следует заметить, что на большом количестве котлов поверхностные пароохладители были переделаны на впрыскивающие, расположенные в рас­сечку перегревателя.

Охлаждение пара в поверхностных пароохладителях производится питательной водой, ответвленной из общего потока и пропущенной по трубкам пароохладителя. При этом наблюдается взаимное влияние регуляторов питания и перегрева котла. На рис. 2-9 изображена упро­щенная схема питательных линий котла высокого давления с поверхностным пароохладителем на стороне насы­щенного пара. Вода из питательных магистралей посту­пает через клапан П₁ или П₂ авторегуляторов питания. Нормально питание производится по одной линии, а за­движка 3 находится в закрытом состоянии. Пройдя кла­пан П, часть воды через клапан Д подается в экономай­зер котла, а остальная вода через клапан Т регулятора перегрева поступает к пароохладителю, после чего вновь смешивается с потоком воды, движущимся в эко­номайзер. При увеличе­нии открытия клапана Я регулятора питания дав­ление воды за этим кла­паном повышается, что приводит к увеличению расхода воды через паро­охладитель.

Рис. 2-9. Упрощенная схема пита­тельных линий котла с поверхно­стным пароохладителем на сторо­не насыщенного пара.

Стремясь поддерживать заданную температуру пара, регуля­тор перегрева уменьшает расход воды на пароохлаждение, прикрывая клапан Т. Это вызовет повышение давления во­ды за клапаном регуля­тора питания и соответственно уменьшение подачи воды в котел. Регулятор питания вновь придет в действие, увеличив открытие клапана П и вызав новое включение регулятора перегрева. Взаимное влияние регуляторов приводит к ухудшению процессов регулирования уровня и температуры перегрева.

Может оказаться, что при полном открытии кла­пана Т регулятора температуры расход охлаждающей поды будет недостаточен. В этом случае клапан Д дол­жен быть прикрытым, что приводит к повышению давле­ния перед клапанами Д и Г, т.е. после клапана П—регу­лятора питания. В результате действия обоих регулято­ров расход воды через пароохладитель увеличится при прежнем расходе питательной воды. Возможен предель­ный случай, когда клапан Д окажется полностью закры­тым и вся питательная вода будет проходить через паро­охладитель. Клапан Д на большинстве котлов переме­щается с помощью дистанционного привода ручного управления. При наличии дифференциального регуля­тора давления этот клапан может переставляться авто­матически, поддерживая постоянным перепад давления на клапане П регулятора питания.

На рис. 2-10 показана схема автоматизации смеши­вающего (впрыскивающего) пароохладителя 1, установ­ленного между коллекторами 2 и 3 пароперегревателя.

Р ис. 2-10. Схема автоматизации смешивающего (впрыскивающего) пароохладителя.

Диф— дифференцирующий прибор; ИМ — исполнительный механизм.

Пар из предыдущей ступени перегревателя через коллек­тор 2 направляется в пароохладитель, где в его поток впрыскивается охлаждающая вода, давление которой превосходит давление пара в месте впрыска. Расход воды зависит от открытия клапана РК, управляемого регулятором Pt°_пе. Внутри пароохладителя размещается предохранительная рубашка, не допускающая резкого охлаждения металла его внутренней поверхности вслед­ствие попадания на нее капель охлаждающей воды. Пройдя через пароохладитель и коллектор 5, пар посту­пает в секцию пароперегревателя, расположенную за ним, выйдя из которой, направляется в турбину или в последующую ступень пароперегревателя. Основным регулирующим сигналом для регулятора Pt°_пе служит температура t''_ne на выходе из охваченной регулирова­нием секции пароперегревателя. Для уменьшения влия­ния запаздывания и улучшения качества регулирования к регулятору подводится дополнительный, исчезающий со временем сигнал по скорости изменения температуры t_пр, измеренной за впрыском. Сигнал от термопары, измеряющей температуру t_пр , пропускается через диффе­ренцирующий прибор Диф. Подобная схема авторегули­рования перегрева пара выполняется и на прямоточных котлах.

Рис. 2-11. Схема авторегулирования температуры перегрева пара впрыском «собственного» конденсата.

При регулировании температуры перегрева пара в смешивающих пароохладителях необходимо иметь источник очищенной от солей воды, впрыск которой в пар не будет загрязнять его солями. Питательная вода барабанных котлов не всегда достаточно очищена от со­лей, поэтому возможность впрыска ее в пар ограничена. На прямоточных котлах, питаемых чистым конденсатом с добавкой химически обессоленной воды, применение питательной воды для охлаждения пара во впрыскиваю­щих пароохладителях допустимо.

Удобный в эксплуатации способ получения и подачи в пароохладитель чистого конденсата был разработан в Чехословацкой ССР проф. Долежалем. По этому спо­собу впрыскиваемую воду получают путем охлаждения пара, отведенного из барабана котла в поверхностном теплообменнике — конденсаторе. Полученный «собствен­ный» конденсат находится под давлением, поддерживае­мым в барабане котла. Транспортировка и впрыск его в пар происходят за счет перепада давления при про­хождении основного потока пара от барабана до места впрыска без применения специальных насосов.

На рис. 2-11 представлена схема автоматизации тем­пературы перегрева на котле, оборудованном устрой­ством для впрыска «собственного» конденсата. Паровое пространство барабана котла трубкой 1 соединено с кон­денсатором 2. Внутри конденсатора установлен змеевик, по которому проходит питательная вода, поступающая в экономайзер. Конденсат, образовавшийся при охлаж­дении пара питательной водой, стекает по трубке 3 в конденсатосборник 4, где происходит дополнительное охлаждение воды. Излишек конденсата по трубе 5 пере­ливается в барабан котла. Сборный бак соединен трубо­проводом 6 с впрыскивающим устройством 7. На трубо­проводе установлен клапан 8 регулятора температуры. Впрыскивающее устройство выполнено в виде участка паропровода, увеличенного диаметра, врезанного между коллекторами 1-й и 2-й ступеней пароперегревателя. Внутри трубы установлено сопло Вентури, переходящее в защитную рубашку, предохраняющую стенки трубо­провода от резких температурных деформаций, воз­никающих при попадании воды на нагретую поверх­ность. Впрыск осуществляется в суженное сечение сопла Вентури, где скорость пара достигает наибольшего зна­чения, а давление за этот счет понижено ¹. Применение сопла увеличивает перепад давления, под которым про­исходит впрыск воды, что улучшает распыливание. Авто­матический регулятор температуры 9 получает основной регулирующий сигнал по температуре пара на выходе из перегревателя и дополнительный исчезающий сигнал по скорости изменения температуры за местом впрыска.

Применяются также упрощенные схемы регулирова­ния впрыском «собственного» конденсата. В этих схемах сборный бак с переливом в барабан отсутствует. Вода поступает на впрыск непосредственно из конденсатора. При уменьшении расхода на впрыск уровень в конденса­торе повышается, затопляя змеевиковые поверхности охлаждения и выключая их из работы.

¹ Понижение давления в суженном сечении вызывается перехо­дом потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скоро­сти. В расширяющемся участке трубы Вентури за впрыском скорость пара снижается, а давление за счет этого восстанавливается.

Повышение уров­ня продолжается до тех пор, пока производительность конденсатора не уменьшится до величины расхода на впрыск. При увеличении этого расхода уровень в конденсаторе понижается, активная поверхность охлаждения увеличивается, а производительность конденсатора воз­растает. В данном случае использовано свойство само­выравнивания регулируемого участка, благодаря кото­рому приток конденсата сравнивается со стоком, без участия автоматических регуляторов.

2-7. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КЛАПАНА, РЕГУЛИРУЮЩЕГО ПОДАЧУ ВОДЫ ВО ВПРЫСКИВАЮЩИЙ ПАРООХЛАДИТЕЛЬ

Схема устройства приведена на рис. 2-12,а. Вода на впрыск ответвляется из питательной магистрали станции. Пренебрегая относительно малыми гидравлически-

Рис. 2-12. Схема к расчету клапана впрыскивающего авторегулятора перегрева пара.

а — схема устройства регулиро­вания впрыска; Р_к — регули­рующий клапан; б — профиль проходного сечения в шибере регулирующего клапана.

ми со­противлениями участков трубопроводов от питательной магистрали до впрыскивающих сопл, принимаем, что перепад давления Δр между этими точками поглощается сопротивлениями регулирующего клапана и впрыски­вающих сопл :

(2-7)

Так как расход воды на впрыск относительно мал, можно принять, что изменение этого расхода не влияет на величину давления p₁ в магистрали и р₂— в месте впрыска. Следовательно, располагаемый перепад давле­ния р остается без изменения независимо от расхода воды на впрыск.

В соответствии с уравнением (1-2):

для регулирующего клапана

или (2-8)

для разбрызгивающих сопл

или (2-8')

Принимая во внимание (2-7), можно написать:

.

Отсюда

(7-9)

В частном случае, когда :

. (2-9’)

В этих уравнениях: Q — часовой расход воды на впрыск, т/ч;— удельный вес воды, идущей на впрыск, т/м³; F₁ и — площадь проходного сечения (мм²) и коэффи­циент расхода для регулирующего клапана; F₂ (мм²) и — то же для впрыскивающих сопл пароохладителя.

Из уравнений (2-8) и (2-8') вытекает следующая за­висимость между перепадами давлений на дроссельных органах и площадью их проходных сечений:

откуда

. (2-10)

При

. (2-10’)

С учетом (7-7)

или . (2-11)

Пример. Проверочный расчет расходных характеристик кла­пана регулятора впрыска (рис. 2-12,а).

В пластинке шибера клапана выполнено окно, профиль которого показан на рис. 2-12,6. На выходе в пароохладитель вода проходит через сопловые отверстия диа­метром 3 мм. Требуется найти зависимость между расходом воды на впрыск и перепадом давления на клапане регулято­ра от открытия окна в шибере при числе сопловых от­верстий впрыскивающего уст­ройства 24, 12 и 6.

В расчете принято: распо­лагаемый перепад давления = 55 кГ/см. Коэффициенты расхода = 0,85. Удель­ный вес воды т/м³, что соответствует температуре 240° С. Графики, построенные по уравнениям (2-9) и (2-11) показаны на рис. 2-13. Графин рис. 2-13,а изображает завиcимость между ходом шибера клапана и расходом воды (расходную характеристику). График рис. 2-13,6 показывает зависимость между перепадом давления на клапане и хо­дом шибера.

Линии 1 обоих графиков рассчитаны при работе всех 24 сопловых отверстий впрыски­вающего устройства. Из этих графиков видно, что для дан­ного случая расходная харак­теристика клапана близка к линейной; значительная часть располагаемого перепада дав­лений дросселируется в отвер­стии шибера регулирующего клапана; расход воды на впрыск при максимальном от­крытии регулирующего клапа­на достигает 22,5 т/ч.

Рис. 2-13. Графики расчета кла­пана регулятора подачи воды к впрыскивающему пароохладителю.

а — зависимость расхода воды от хода шибера клапана (расходная характери­стика); б — зависимость перепада дав­ления на клапане регулятора впрыска от хода шибера клапана.

Линии 2 рассчитаны для случая, когда в работе находятся 12 выходных отверстий впрыскивающего устройства. Графики показы­вают, что по мере подъема шибера влияние увеличения площади проходного сечения клапана на прирост расхода воды снижается и расходная характеристика значительно отклоняется от линейной. При полном открытии около половины располагаемого перепада давления дросселируется во впрыскивающих соплах.

Линии 3 соответствуют случаю впрыска воды через 6 отверстий пароохладителя. Для этого случая дросселирующее действие клапа­на оказывает влияние на расход воды практически лишь в первой половине хода. Во второй половине открытие клапана очень мало отражается на увеличении расхода воды. Максимальный расход не превышает 11 т/ч. К концу открытия на долю дросселирующего действия клапана остается лишь незначительная часть располагае­мого перепада давлений, чем и объясняется уменьшение прироста расхода воды по мере открытия клапана.

Решим задачу в другом плане. Предположим, что удовлетвори­тельное качество распыливания воды при впрыске в пар достигается при выходе из 12 отверстий, а максимальный расход воды должен быть не менее 22 т/ч. Для достижения этого увеличим ширину от­верстия в шибере клапана с 2,5 до 5 мм. Расчет для этого случая приводит к линии 4 рис. 2-13. Изменение перепада давлений на кла­пане регулятора в этом случае совпадает со случаем для шести сопловых отверстий (линия 3). Кривизна расходной характеристики, большая в начале хода клапана, резко падает по мере открытия. В начале хода, от 0 до 4 мм—открытие приводит к приросту расхо­да воды на 5,5 т/ч, а в конце — от 32 до 36 мм — всего на 0,5 т/ч.

Линии 5 показывают характеристики клапана при 6 отверстиях у впрыскивающего устройства и ширине отверстия в шибере 5 мм. Из графиков видно, что расход воды лишь в самом начале хода, где расходная характеристика имеет очень большую крутизну, зависит от хода клапана. На этом участке, на регулирующем клапане дросселируется значительная часть располагаемого перепада давле­ний. Начиная с хода 8 мм дальнейшее открытие шибера практиче­ски не влияет на увеличение расхода воды на впрыск. Максималь­ный расход не превосходит 12 т/ч, т. е. превышает расход для слу­чая 3 всего на 1 т/ч. К концу хода перепад давлений, дросселируе­мый на клапане, уменьшается с 55 до 0,76 кГ/см².

Из разобранного примера видно, насколько велико влияние гид­равлического сопротивления, включенного последовательно с регу­лирующим органом. Расчет проходного сечения клапана без учета этого влияния приводит к неверным результатам. При точном расче­те необходимо учесть еще гидравлические сопротивления участков трубопроводов, а также изменение располагаемого перепада давле­ний в зависимости от расхода воды через регулируемый участок.

2-8. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРОДУВКИ БАРАБАННОГО КОТЛА

Питательная вода, поступающая в котел, даже после тщательной очистки содержит в растворенном виде не­которое количество солей. При образовании пара эти соли остаются в котловой воде. Через некоторое время концентрация их достигает предельно допустимой вели­чины. Скопившиеся в котловой воде соли должны быть удалены с непрерывной или периодической продувкой барабана котла. Периодическая продувка осуществляет­ся вручную. Непрерывная продувка автоматизируется с помощью специальных регуляторов.

Рис. 2-14. Схема авторегулирования непрерывной продувки барабанного котла.

СКВ — солемер котловой воды; ИМ — исполнительный механизм; П — переключатель управления; УП — указа­тель положения; КУ — ключ дистанционного управления; Зад — задатчик регулятора.

Схема регулятора непрерывной продувки показана па рис. 2-14. Проба воды отбирается из линии непрерыв­ной продувки до регулирующего клапана К и поступает к датчику — солемеру котловой воды СКВ, подключен­ному к измерительному блоку электронного авторегуля­тора (типа РПИБ-НП или РПИК-НП).

Накопление солей в котловой воде происходит с не­большой скоростью, поэтому котел как объект регули­рования непрерывной продувки обладает малой ско- ростью разгона. Это делает нецелесообразным примене­ние изодромных авторегуляторов непрерывной продувки. Практически такой регулятор даже при настройке на максимально возможное время изодрома Т_і будет рабо­тать в двухпозиционном режиме. Поэтому для регулиро­вания непрерывной продувки применяются обычно П-регуляторы. Для этого регулирующий прибор НП снаб­жается датчиком положения регулирующего клапана, сигнал от которого подается к измерительному блоку. Этим осуществляется жесткая обратная связь, охваты­вающая весь регулятор, включая исполнительный меха­низм.

Так как расход продувочной воды должен быть про­порционален паропроизводительности котла, схема регу­лятора дополняется сигналом от датчика ДМ, измеряю­щего расход пара, выработанного котлом. Этот сигнал автоматически изменяет задание регулятору непрерыв­ной продувки при изменении нагрузки котла.

Применение авторегуляторов непрерывной продувки обязательно на котлах производительностью более 35 т/ч, установленных на электростанциях (ТЭЦ), снабжающих паром промышленных потребителей.