Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Автоматическое регулирование теплоэнергетических установок
Тема 6. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
6.1. Общие сведения об автоматизации технологического процесса
на ТЭС
Современные системы автоматического регулирования частоты и активной мощности САРЧМ (тема 5) действуют как на САР турбины, так и на САР котла (парогенератора). В свою очередь, эти САР входят в состав системы автоматического управления технологическим процессом тепловой электрической станции (ТЭС).
Тепловая электрическая станция является единым сложным объектом автоматизации, в котором для изменения электрической мощности должно изменяться поступление топлива, воздуха и воды и при этом обеспечиваться необходимое качество энергии на всех этапах её преобразования, а также условия надёжности и экономичности работы оборудования. Кроме электрической энергии, на ТЭС вырабатывается тепловая энергия, качество которой характеризуется значениями давления и температуры энергоносителя (в основном, пара и воды).
Основные системы ТЭС:
1. Топливный тракт (топливный склад, топливоподача и пылеприготовление);
2. Газовоздушный тракт (дутьевой вентилятор, топка парогенератора, золоуловители, дымосос, дымовая труба);
3. Пароводяной тракт (парогенератор, паровая турбина, конденсатор, подогревательно-насосное оборудование);
4. Система технического водоснабжения, химводоочистка;
5. Воздушное, водородное, масляное хозяйства;
6. Электротехническое хозяйство;
7. Система управления и система оперативного постоянного тока.
Автоматизация технологического процесса на ТЭС включает в себя следующие виды:
- автоматический дистанционный контроль текущих значений параметров технологического процесса (электрические измерения неэлектрических величин);
- дистанционное управление агрегатами, машинами, механизмами (формирование команд «включить – отключить» аналогично управлению выключателями; «больше – меньше» аналогично управлению трансформатором с РПН);
- автоматическое регулирование периодических и непрерывных процессов;
- автоматическая защита основного и вспомогательного оборудования от возможных повреждений в процессе эксплуатации;
- технологическая сигнализация о состоянии основного и вспомогательного оборудования ;
- логическое управление, обеспечивающее включение и отключение механизмов в заданной последовательности (автоматическая блокировка);
- определение технико-экономических показателей (ТЭП) работы электростанции в целом и её подразделений или отдельных установок.
При решении вопросов автоматизации технологического процесса на ТЭС всё оборудование расчленяется на технологические участки в соответствии с характером технологических процессов. Например, пароводяной тракт содержит участки: парогенераторный, турбинный, подогревательно-насосный. Вопросы автоматизации решаются отдельно для каждого участка, хотя и координируются между собой. Применение информационно-вычислительных устройств на базе ЭВМ обеспечивает комплексное согласованное управление агрегатами ТЭС.
Вопросы автоматизации технологического процесса на ТЭС в полном объёме изучаются студентами кафедры «ТЭС» на специализации 140102 – Автоматизированные системы управления объектами ТЭС. Здесь же, в порядке общего ознакомления с темой, рассматриваются некоторые вопросы автоматического регулирования режима работы парогенератора, являющегося наиболее важной и сложной частью тепловой схемы ТЭС.
6.2. Парогенератор как объект регулирования
Принципиальная технологическая схема барабанного парогенератора приведена на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Принципиальная схема барабанного парогенератора:
1 – бункер пыли; 2 – питатели пыли; 3 – короб первичного воздуха; 4 – пылепроводы; 5 – горелки; 6 – топка; 7 – циркуляционный контур; 8 – барабан; 9 – газоход; 10 – пароперегреватель; 11 – впрыскивающий пароохладитель; 12 – водяной экономайзер; 13 – воздухоподогреватель; 14 – вентилятор; 15 – дымосос
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: Bт – расход топлива; Qв –расход воздуха (подача дутьевых вентиляторов); Qг – расход газа (производительность дымососов);Dвпр – расход воды на впрыск; Dп.в – расход питательной воды; Dпр – расход воды на продувку.
Главным возмущением является расход перегретого пара Dп.п, изменяемый регулятором частоты вращения (мощности) турбины.
Основными выходными (регулируемыми) величинами являются :
pп.п – давление перегретого пара; α(O2 %) – коэффициент избытка воздуха (% кислорода в уходящих газах); Sт – разрежение в верхней части топки; tоп.п – температура перегретого пара (а также температура в других точках пароводяного и газовоздушного трактов); Нб- уровень воды в барабане; NaCl , мг/кг – солесодержание котловой воды.
Особенность парогенератора заключается в наличии сложных перекрестных связей. Выходные регулируемые величины Sт, pп.п одновременно являются входными возмущениями, а расход перегретого пара Dп.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 Dп.п, количества подводимой теплоты Q'т и расхода питательной воды Dп.в. В отличие от барабанного парогенератора, расход питательной воды оказывает непосредственное воздействие на расход Dп.п, температуру tоп.п и давление pп.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 Dвпр1,Dвпр2. 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:
tопр – температура пара в промежуточной точке; Dв.п, tов.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).
Рис. 6.4. Упрощенная схема связей прямоточного парогенератора
В динамическом режиме парогенератор по каждой из связей вход-выход можно рассматривать как комбинацию последовательно, параллельно и встречно-параллельно соединенных звеньев: усилительных (безынерционных), инерционных первого порядка, интегрирующих, реальных дифференцирующих и звеньев транспортного запаздывания. В качестве отдельного звена целесообразно рассматривать участок тракта, обладающий направленностью действия и однородностью протекающего в нём физического или химико-технологического процесса.
Для примера проследим прохождение входного сигнала через схему парогенератора (см. рис. 6.1) по связи: расход топлива Bт – давление перегретого пара pп.п (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Структурная схема барабанного парогенератора по связи Bт pп.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 =0,52,5с). 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 Qт, 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=1015с.
Четвёртый участок – парообразование в испарительных трубах. Конструктивно это звено составляют подъёмные и опускные трубы циркуляционного контура 7 с расходами пара Dпод и воды Dоп, а также барабан 8. Изменение подводимого к воде тепла Q'т.вых приводит к изменению двух регулируемых величин – паропроизводительности барабана Dб и давления пара в барабане pб, которые являясь выходными величинами четвёртого звена (рис. 6.5), одновременно оказывают влияние на паропроизводительность подъёмных труб Dпод (обратные связи), т.е. одновременно являются и входными величинами.
Если Dб поддерживать постоянной (например, регулирующими клапанами турбины), а Q'т изменить скачком, то кривая разгона по давлению пара в барабане pб 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: Dб, pб, Q''т. При Dб =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 (Bтpп.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 =∆ Bтy =∆ pп.п,
представляет собой зависимость y =∆ pп.п (t), измеряемую при ступенчатом изменении u =∆ Bт.
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:
Wэкв(p)= kэкв/(Tэквp+1). (6.1)
Определение параметров: τэкв – время запаздывания, Tэкв – время разгона объекта, kэкв - коэффициент усиления – показано на рис. 6.6,а, где a – точка перегиба, в которой проводится касательная к кривой разгона.
Коэффициент усиления
kэкв =y∞/u0,
степень самовыравнивания
ρэкв= 1/ kэкв=u0/ y∞,
относительная скорость разгона
ξэкв= tgα/u0 = y∞/(Tэквu0) =kэкв/Tэкв.
Параметр (Tэкв + τэкв) можно определить более точно, не используя точку перегиба, по площади S между кривой разгона и установившимся значением y∞:
S = y∞ ∙ τэкв + y∞ ∙ Tэкв ,
откуда τэкв+ Tэкв = S/ y∞.
Эквивалентная структурная схема теплового объекта без самовыравнивания, к которому относится связь Dп.вHб (рис. 6.2), может быть представлена в виде последовательного соединения звеньев: запаздывающего и интегрирующего. Её эквивалентная передаточная функция:
Wэкв(p)=e-pτ∙ξэкв/p, (6.2)
где относительная скорость разгона (рис. 6.6,б)
ξэкв = tgα/u0 =b/ (τэкв u0).
Эквивалентные параметры объекта можно определить, используя экспериментальную импульсную характеристику yи(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):
yи (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) = yи (t) + y(t -t)
Рис. 6.7. Построение кривой разгона по импульсной характеристике
получается суммированием ординат yи(t) с ординатами кривой разгона, полученными для момента времени t-t (рис. 6.7). В качестве примера показано построение двух точек кривой разгона:
y(t1) = yи (t1) + y(t1 -t),
y(t2) = yи (t2) + y(t2 -t).
6.3. Регулирующие органы и исполнительные механизмы
Регулирующие органы (РО) изменяют расход или направление потока вещества или энергии в соответствии с требованием технологического процесса.
Подразделяются РО на три группы:
1 – дроссельного типа, изменяющие расход вещества за счет изменения гидравлического сопротивления дросселирующего устройства (клапаны, заслонки, задвижки);
2 – объёмного типа, изменяющие расход вещества за счет изменения его объёма (ленточные питатели сырого угля);
3 – скоростного типа, изменяющие производительность транспортирующих устройств за счет изменения скорости вращения (электропривод с регулируемой частотой вращения вентиляторов, дымососов и пр.)
Исполнительные механизмы (ИМ), называемые сервоприводами, являются выходными органами регуляторов и предназначены для перемещения регулирующих органов РО, с которыми они соединены посредством рычажных, кулачковых, редукторных или троссовых передач.
Управляется ИМ автоматически, дистанционно или вручную и перемещает регулирующий орган за счет энергии внешнего источника – электрического, гидравлического или пневматического.
Подразделяются ИМ на три типа по виду зависимости выходного сигнала от входного – управляющего. Выходной сигнал – это перемещение поршня или угол поворота вала.
Выходной вал редуктора или поршень ИМ перемещается с постоянной скоростью при наличии входного сигнала независимо от его значения.
Уравнение движения:
= 1∙sign(xвх);
xp*= ,
где Tс – время перемещения РО из одного крайнего положения в другое;
1/Tc= νc – скорость перемещения. Знак правой части определяет направление движения.
Рис. 6.8. Кривые разгона ИМ с постоянной скоростью
Кривые разгона показаны на рис. 6.8, где tgα = 1/Tc.
Этот ИМ представляет собой интегрирующее звено с постоянным входным сигналом.
К ИМ с постоянной скоростью относятся электрические исполнительные механизмы, состоящие из асинхронного электродвигателя, сочленённого с редуктором. Входной сигнал вызывает включение магнитного пускателя. Для изменения направления изменяется порядок следования фаз.
Выходной вал редуктора или поршень ИМ перемещается со скоростью, пропорциональной значению управляющего сигнала.
Уравнение движения:
Tс dxp*/dt = KИМ∙xвх
откуда
xp* = (KИМ / Tс) ∫xвхdt.
Кривые разгона показаны на рис. 6.9.
Этот ИМ представляет собой интегрирующее звено. К ИМ с переменной скоростью относятся:
двигатели постоянного тока (xвх= 1/If, где If – ток в обмотке возбуждения);
асинхронные двигатели с управляемыми преобразователями частоты;
Рис. 6.9. Кривые разгона ИМ с переменной скоростью
гидравлические исполнительные механизмы (ГИМ) – поршневой сервопривод с золотниковым усилителем.
Уравнение движения:
dxp/ dt = KИМ ∙dxвх/ dt или Δ xp = KИМ ∙Δxвх.
Этот ИМ представляет собой пропорциональное звено с памятью. Примером является электромеханический преобразователь ЭП с ГУ1 на рис. 5.8. «Упрощенная принципиальная схема ЭГР», а также пневматический или гидравлический мембранный сервопривод с уравновешивающей пружиной.
6.4. Регуляторы
6.4.1. Основные законы регулирования
Закон регулирования – это зависимость положения регулирующего органа xp (выходного сигнала ИМ) от отклонения регулируемой величины – рассогласования = yуст – y, т.е.
xp (t) = F( (t)).
Pп – закон (релейный позиционный):
Например, ,– отклонения верхнего и нижнего уровней жидкости в баке от заданного; xp,max, xp,min – клапан закрыт, открыт. Графическое изображение закона регулирования показано на рис. 6.10.
Рис. 6.10. Графическое изображение
Pп – закона регулирования
На участке величина может иметь два значения в зависимости от предшествующих значений .
Промышленные двухпозиционные регуляторы выполняются с использованием измерительных приборов, снабженных контактным устройством, которое управляет исполнительным механизмом релейного действия. Такой регулятор является нелинейным динамическим звеном.
П-закон:
– перемещение регулирующего органа пропорционально отклонению регулируемой величины или
– скорость перемещения РО пропорциональна скорости изменения регулируемой величины, откуда
.
Замкнутая САР с П-регулятором (реализующим П-закон) обладает статической ошибкой.
И-закон:
– скорость перемещения РО пропорциональна отклонению регулируемой величины, или
Замкнутая одноконтурная САР из объекта и И-регулятора не имеет статической ошибки, т.е. является астатической.
ПИ-закон:
– регулирующий орган перемещается
со скоростью, пропорциональной отклонению и скорости отклонения регулируемой величины, или
.
Кривая разгона ПИ-регулятора (реализующего ПИ-закон) показана на рис. 6.11
Рис. 6.11. Кривая разгона ПИ-регулятира
При – время удвоения выходного сигнала:
, откуда .
Передаточная функция ПИ-регулятора:
.
ПД-закон:
– регулирующий орган перемещается в положение, пропорциональное отклонению и скорости отклонения регулируемой величины.
Кривая разгона реального ПД-регулятора показана на рис. 6.12.
Рис. 6.12 Кривая разгона ПД-регулятора
Передаточная функция реального ПД-регулятора:
.
ПИД-закон:
– скорость перемещения регулирующего органа зависит от отклонения регулируемой величины, ее первой и второй производной, или
.
В замкнутой САР с ПИД- регулятором отсутствует статическая ошибка и обеспечивается большее быстродействие по сравнению с использованием ПИ- регулятора.
Законы П, И, ПИ, ПД, ПИД являются линейными.
6.4.2. Структурные схемы регуляторов с исполнительными механизмами различных типов
Функциональная схема замкнутой САР технологического процесса показана на рис. 6.13.
Рис. 6.13.Функциональная схема замкнутой САР технологического процесса
Регулятор содержит суммирующие устройства, командно-управляющее устройство (КУУ), исполнительный механизм (ИМ), обратную связь (ОС).
Выбором передаточных функций КУУ и ОС можно реализовать любой закон регулирования при любом типе исполнительного механизма.
Например, структурная схема ПИ-регулятора с последовательной коррекцией параметров настройки показана на рис. 6.14.
Рис.6.14. Структурная схема ПИ- регулятора с ИМ пропорционального типа
Передаточная функция регулятора:
,
где
.
,
то методом последовательной коррекции реализуется лишь И-закон:
.
При этом типе ИМ, как и при любых других, для реализации линейных законов регулирования широко применяется параллельная коррекция с помощью обратной связи, как показано на рис. 6.15.
Рис. 6.15 Структурная схема регулятора с отрицательной обратной связью
Передаточная функция регулятора с отрицательной обратной связью
.
При Ку » 1, что обычно выполняется,
,
т.е характеристики регулятора определяются устройством обратной связи. Прямой канал (усилительное устройство, исполнительный механизм) усиливает входной сигнал по мощности, а маломощная корректирующая цепь обратной связи позволяет воспроизводить выбранный закон регулирования при возможности изменения в широких пределах параметров настройки: Кп, Ти, Кд, Тд в П, ПД, ПИ, ПИД - регуляторах.
Определим параметры обратной связи для этих регуляторов.
П-регулятор: Wp(р)=Kп, – степень жесткой обратной связи (по положению РО).
Кривая разгона П-регулятора (рис. 6.16) отличается от идеальной в начальной части из-за ограниченной скорости ИМ.
Рис. 6.16.Кривая разгона реального П- регулятора
ПД-регулятор обычно получают из П-регулятора путем последовательной коррекции с использованием дифференциатора Д (рис. 6.17).
Поскольку Woc(р)=, то передаточная функция при реальном дифференциаторе Д будет иметь вид
Рис. 6.17. Функциональная схема ПД- регулятора
; .
Рис. 6.18. Кривая разгона реального ПД- регулятора
ПИ-регулятор может иметь две функциональные схемы (рис. 6.19,а,б).
В варианте (а) ИМ охвачен отрицательной обратной связью, и его характеристика не влияет на формирование закона регулирования.
Рис. 6.19. Функциональные схемы ПИ-регулятора
Определим передаточную функцию ОС ПИ- регулятора рис. 6.19,а:
,
где
, ,
т.е. устройство ОС должно иметь характеристику реального дифференцирующего звена. Такая ОС называется гибкой или упругой. Пример электрической ГОС приведен на рис. 6.20,а.
В варианте (б) устройство ОС охватывает только усилитель У, поэтому передаточная функция регулятора
,
откуда
,
т.е. ОС должна быть инерционным звеном первого порядка. Пример электрической схемы ОС приведен на рис. 6.20,б.
Рис. 6.20. Электрические схемы устройства обратной связи:
а – дифференцирующее звено; б – инерционное звено
первого порядка
ПИД-регулятор приближенно воспроизводит ПИД-закон, получается из ПИ-регулятора путем последовательной или параллельной коррекции с помощью реального дифференцирующего звена с передаточной функцией
Кривая разгона ПИД-регулятора (рис. 6.21) содержит три составляющие: пропорциональную хр,п, интегральную хр,и, дифференциальную хр,д.
Рис. 6.21. Кривая разгона ПИД- регулятора
Структурные схемы ПИД-регулятора показаны на рис. 6.22.
Рис. 6.22. Структурные схемы ПИД- регулятора, полученные коррекцией ПИ-регулятора: а- последовательной; б- параллельной
При последовательной коррекции
При параллельной коррекции
где
; .
Функциональная схема релейно-импульсного ПИ-регулятора (рис. 6.23) соответствует варианту «б» линейного ПИ-регулятора (см. рис. 6.19,б).
В качестве устройства обратной связи ОС используется инерционное звено первого порядка с передаточной функцией
Woc (р) =
Рис. 6.23. Функциональная схема релейно-импульсного ПИ-регулятора
и кривой разгона
,
где Тос=RC.
Значение сигнала на выходе У1: .
На рис. 6.24 выполнено построение кривых разгона релейно-импульсного ПИ-регулятора при двух значениях .
Построение кривых разгона начинается с рассмотрения сигналов х1, хрэ, хос при отключенной ОС от СЭ. Влияние ОС определяет значение х1, следовательно, и моменты срабатывания и возврата релейного элемента У2, т.е. включения и отключения ИМ с постоянной скоростью.
Идеализированные кривые разгона хр(t),проведенные штрих-пунктирными линиями, соответствуют ПИ-регулятору: при значения tg2>tg1 и хрп2>хрп1.
Параметры идеализированного регулятора Кп и Ти определяются параметрами обратной связи Кос и Тос, изменяемыми при настройке.
ПИ-закон (и другие линейные законы регулирования) реализуются только в пульсирующем режиме работы ИМ с постоянной скоростью. В зависимости от значения входного сигнала ε изменяется соотношение длительностей включенного и отключенного состояний ИМ. Математическое условие возникновения пульсирующего режима регулятора при подаче на его вход ступенчатого сигнала определяется неравенством:
,
т.е. при .
Если это условие нарушить, то регулирующий орган переместится из одного крайнего положения в другое без остановки, т.е. будет реализован Рп-закон. Для реализации ПИД-закона в пульсирующем режиме можно использовать последовательную коррекцию ПИ-регулятора с помощью реального дифференцирующего звена, как показано на рис. 6.2, а.
Рис. 6.24. Кривые разгона релейно-импульсного ПИ-регулятора при двух значениях
6.5. Измерительные органы–датчики неэлектрических величин
Измерительные органы неэлектрических величин–датчики или первичные измерительные преобразователи служат в САР для преобразования неэлектрической величины в сигнал, пригодный для передачи на вход регулятора (ИОу на рис. 6.13).
В теплоэнергетических установках необходимо измерять давление, расход, температуру вещества (пара, газа, воды), уровень воды, содержание О и СО в газах, солесодержание в воде и т. п.
На рис. 6.25 показан схематический вид некоторых первичных измерительных преобразователей–датчиков.
Для измерения больших давлений обычно применяются трубчато-пружинные датчики (рис. 6.25,а) и сильфонные (рис. 6.25,б) (сильфон–гармоникообразная мембрана). При сравнительно небольших давлениях применяются мембранные датчики давления (рис. 6.25,в).
Перечисленные датчики преобразуют значение подводимого к ним давления х1 в перемещение у.
Измерение расхода вещества (пара, газа, воды) чаще всего осуществляется косвенным способом по перепаду давления на гидравлическом сопротивлении, создаваемом сужающей диафрагмой (рис. 6.25,г), который измеряется дифманометром (дифтягомером) (рис. 6.25,д). Разность давлений до и после диафрагмы р-р, а следовательно, и перемещение у пропорциональны расходу.
Датчиками температуры обычно служат термопары (рис. 6.25,е) с электродами хромель-копель (термоэлектрические пирометры) или терморезисторы- электрические термометры сопротивления (рис. 6.25, ж). Эти датчики преобразуют значение температуры х в значение постоянного напряжения у.
В качестве датчика свободного кислорода в газах применяется магнитный газоанализатор (кислородомер), контролирующий магнитную проницаемость газа с помощью неравновесного моста (кислород - парамагнетик, μ > 1; органические соединения- диамагнетики, μ < 1).
Работа датчика СО основана на сравнении теплопроводностей воздуха и продуктов сгорания топлива.
Существует много других типов датчиков по принципу действия.
Рис. 6.25. Схематический вид основных типов первичных измерительных преобразователей: (а, б, в – давления; г, д – расхода; е, ж - температуры; x1 - давление; y - перемещение; x=p-p- разность давлений; x- температура; y- напряжение)
Для преобразования механического перемещения y (рис. 6.25) в значение переменного напряжения могут использоваться индукционные (ИП) или дифференциально-трансформаторные (ДТП) преобразователи (рис. 6.26).
Рис. 6.26. Электрические схемы индукционного (ИП) и дифференциально-трансформаторного (ДТП) преобразователей
При среднем положении магнитного стержня ИП и ДТП напряжение U0. Перемещение стержня приводит к пропорциональному увеличению U, фаза которого определяется направлением перемещения у. Напряжение U подается на вход фазочувствительного усилителя измерительного блока регулятора.
Для управления теплоэнергетическими установками (парогенераторы, турбины, вспомогательное оборудование) применяются автоматические регуляторы различных серий: РПИБ, Каскад-1, Каскад-2, АКЭСР 1, АКЭСР 2 (РПИБ - автоматический регулятор с электронным регулирующим прибором пропорционально-интегрального действия бесконтактным; АКЭСР - агрегатированный комплекс электрических средств регулирования).
Автоматические регуляторы обеспечивают:
- суммирование и компенсацию электрических входных сигналов, поступающих от измерительных органов (п.6.5), и их усиление, необходимое для управления пусковым устройством исполнительного механизма (п.6.3);
- формирование совместно с исполнительным механизмом П-, ПИ-, ПД-, ПИД- законов регулирования в пульсирующем режиме изменения выходного сигнала (п.6.4);
- компоновку взаимосвязанных САР теплоэнергетических установок (с использованием функциональных и вспомогательных блоков), управляемых централизованным вычислительным комплексом.
В автоматических регуляторах используются унифицированные сигналы постоянного тока 0-5 мА или 0-20 мА, которые удобно суммировать, преобразовывать, контролировать, использовать многократно.
Функциональные и принципиальные схемы блоков и модулей аппаратуры «Каскад» и «АКЭСР», принцип действия, настройка параметров рассматриваются на с.128-170 учебника: Плетнев Г.П. Автоматическое управление и защита теплоэнергетических установок электростанций,- 3-е изд.- М.: Энергоатомиздат, 1996.-344 с.
В настоящее время все более широкое применение находят ремиконты – регулирующие микропроцессорные контроллеры. Это новый класс устройств управления, выполненных на микропроцессорной элементной базе и специализированных для решения задач автоматического регулирования. Ремиконт – программируемое устройство, но настраивать его может эксплуатационный персонал, связанный с обслуживанием традиционной аналоговой аппаратуры (РПИБ, Каскад, АКЭСР и др.) и незнакомый с методами математического программирования. В процессе настройки непосредственно на объекте оператор назначает алгоритмы управления, конфигурацию управляющего контура, параметры статической и динамической настройки, а также устанавливает сигналы задания и режимы управления. Запрограммированные параметры сохраняются при отключении питания. Для настройки используется специализированная панель, клавиши и индикаторы которой обычно обозначены терминами, привычными для специалистов по автоматике. Ремиконт заменяет несколько десятков аналоговых приборов и обеспечивает адаптацию системы регулирования к изменяющейся динамике процесса регулирования.
К устройствам этого же класса относятся ломиконты (ло - локальная сеть), димиконты (ди - дисплейный) с возрастающими номерами по мере совершенствования.
6.7. Система автоматического регулирования парогенератора
Автоматическое регулирование парогенератора осуществляется системами регулирования: процесса горения, температуры перегрева пара, питания парогенератора водой, водного режима.
Рассмотрим некоторые варианты выполнения перечисленных систем регулирования барабанного парогенератора.
Регулирование процесса горения сводится к поддержанию на заданном уровне следующих параметров: давления перегретого пара р; коэффициента избытка воздуха α (О%); разрежения в верхней части топки S. Функциональные схемы соответствующих регуляторов показаны на рис. 6.27.
Давление перегретого пара р перед турбиной является показателем соответствия между количеством сжигаемого топлива (тепловыделением) и количеством пара, потребляемого турбиной. Значение р должно быть стабилизировано с высокой точностью по условиям экономичности и безопасности работы турбины. Регулирование р в соответствии с рис. 6.2 осуществляется путем управления подачей топлива В.
Вариант схемы регулирования давления перегретого пара р в общем паропроводе нескольких парогенераторов, известная под названием «задание- тепло», приведена на рис. 6.27,а. Управление подачей топлива в топку осуществляется ПИ- регулятором топлива РТ, находящимся под воздействием входных сигналов: задающего (+) от корректирующего регулятора давления в общем паропроводе РД, выполняющего функции автоматического задатчика – «задание», и компенсирующих (-) по расходу пара D и скорости изменения давления пара в барабане р- «тепло». Суммарный компенсирующий сигнал пропорционален тепловой нагрузке парогенератора:
Q= γ D+ γdр/ dt .
Рис. 6.27. Функциональные схемы регуляторов процесса горения:
a - давления перегретого пара; б - избытка воздуха;
в - разрежения в верхней части топки
Расход пара D измеряется по перепаду давления на сужающей диафрагме, а сигнал dр/ dt формируется с помощью датчика давления пара в барабане парогенератора р и дифференциатора Д.
При изменении давления пара в паропроводе и тепловой нагрузки (тепловыделения в топке) измерительный блок РТ формирует сигнал:
ε= γΔр+ γ ΔD- (γ Δ D+ γ dр/ dt),
где ΔD – отклонение фактического расхода пара от начального; ΔD– изменение уставки; γ, γ, γ – коэффициенты пропорциональности.
В соответствии с ПИ- законом изменится регулирующее воздействие на подачу топлива: x= k+ (k/ Т)dt.
Регулирование прекратится после того, как станут равными нулю , Δp (так как РД является ПИ- регулятором), а следовательно, ΔD станет равным ΔD.
Изменение «задания» всем параллельно работающим парогенераторам может осуществляться с помощью задающего устройства ЗУ вручную или от САР ЧМ. Задатчик ручного управления ЗРУ служит для изменения доли участия каждого парогенератора в общей паровой нагрузке.
Коэффициент избытка воздуха α (О% – содержание свободного кислорода в газах, покидающих топочную камеру) влияет на потери тепла с уходящими газами q и потери тепла от химического недожога топлива q, причем с увеличением α: q- возрастает, q- уменьшается, а q+ q имеет минимум. Оптимальное значение О%, соответствующее минимуму тепловых потерь и максимуму КПД парогенератора, при сжигании пылевидного топлива лежит в пределах 3-4 %.
При сжигании газообразного или жидкого топлива постоянного состава регулирование избытка воздуха для обеспечения наибольшей экономичности процесса горения осуществляется по схеме «топливо–воздух». Это значит, что с изменением расхода топлива пропорционально изменяется с помощью дутьевых вентиляторов расход воздуха (связь Q α (О%) на рис. 6.2).
Расход угольной пыли пока не может измеряться быстро и непрерывно, поэтому на пылеугольных парогенераторах применяется схема «задание–воздух» с дополнительным корректирующим сигналом по О(рис. 6.27,б). Регулятор подачи воздуха РВ изменяет его расход по задающему сигналу (+) от регулятора давления РД. Компенсирующий сигнал (), пропорциональный расходу воздуха, поступает от дифференциального тягомера, измеряющего расход по перепаду давления на воздухоподогревателе p. Введение с помощью корректирующего регулятора кислорода РК дополнительного сигнала () по содержанию кислорода, измеряемому магнитным кислородомером, повышает точность поддержания оптимального избытка воздуха.
Разрежение в верхней части топки S до 20-30 Па препятствует выбиванию газа из-под обмуровки топки, обеспечивает устойчивость факела, является косвенным показателем баланса между нагнетаемым в топку воздухом и уходящими газами.
Регулирование разрежения осуществляется посредством изменения количества уходящих газов, отсасываемых дымососами (связь , рис. 6.2).
Наибольшее распространение получила схема, приведенная на рис. 6.27,в, с регулятором разрежения в топке РРТ ПИ-действия. Для увеличения быстродействия системы регулирования разрежения при работе парогенератора в регулирующем режиме на вход РРТ может подаваться, помимо сигнала от датчика разрежения S, дополнительное воздействие от регулятора подачи воздуха РВ через устройство динамической связи УДС. Сигнал на вход РРТ через УДС поступает лишь в момент включения регулятора РВ.
Регулирование температуры перегрева пара. Температура перегрева пара на выходе парогенератора относится к важнейшим параметрам, определяющим экономичность и надежность работы паровой турбины и парогенератора, и должна автоматически стабилизироваться с высокой точностью (при t=540°С, Δt= -10+5°С).
Регулирование температуры пара осуществляется с помощью впрыскивающих пароохладителей. Изменение подачи воды (конденсата) D, впрыскиваемой в паропровод, приводит к изменению количества тепла, отбираемого на испарение воды, а следовательно, и температуры пара (связь D→ t на рис.6.2). Система регулирования температуры пара с ПИ- регулятором РТП показана на рис. 6.28,а.
Рис. 6.28. Функциональные схемы регуляторов:
а - температуры перегретого пара;
б - питания водой;
в -водного режима (непрерывной продувки)
Регулятор РТП получает основной сигнал (+) от датчика температуры t, установленного на выходе пароперегревателя ПП, заданное значение температуры устанавливается задатчиком ручного управления ЗРУ. Дополнительный сигнал по скорости изменения температуры пара dt/dt за пароохладителем ПО формируется с помощью датчика температуры t и дифференциатора Д. Применение дополнительного сигнала улучшает качество процесса регулирования.
На мощных парогенераторах применяется многоступенчатое регулирование температуры, т.е. по ходу пара устанавливается несколько впрыскивающих пароохладителей, управляемых независимыми регуляторами температуры.
Регулирование питания парогенератора водой необходимо для поддержания соответствия (баланса) между паропроизводительностью парогенератора и подачей питательной воды. Показателем этого соответствия служит уровень воды в барабане Н. Максимально допустимые отклонения уровня воды в барабане составляют 100 мм. Снижение уровня («упуск») может привести к пережогу подъемных труб циркуляционного контура, а чрезмерное повышение уровня («перепитка») – к преждевременному заносу солями пароперегревателя, а также к забросу частиц воды в турбину и ее механическому повреждению.
Функциональная схема «трехимпульсного» ПИ-регулятора питания водой РПВ приведена на рис. 6.28,б.
Регулятор РПВ действует на перемещение регулирующего клапана питательной воды при появлении небаланса между расходом перегретого пара D (задающий сигнал «+») и расходом питательной воды D (компенсирующих сигнал «–»). Расходы контролируются дифференциальными манометрами ИДД. Помимо того, РПВ действует на изменение D при отклонении уровня воды Н, контролируемого измерителем уровня ИУ, от заданного с помощью ЗРУ значения (связь D→ Н на рис. 6.2).
Регулирование водного режима заключается в стабилизации основных показателей качества котловой воды: общего солесодержания (концентрация NaCl, мг/кг) и избытка концентрации фосфатов (содержание ионов РО, мг/кг). Повышение общего солесодержания приводит к уносу солей котловой воды в пароперегреватель и турбину. Длительный недостаток концентрации фосфатов вызывает интенсивный процесс накипеобразования.
Поддержание общего солесодержания в пределах нормы осуществляется с помощью непрерывной и периодической продувок из соленого отсека барабана в специальные расширители (связь D→ NaCl на рис. 6.2). Величина непрерывной продувки колеблется в пределах 0.5-2% максимальной производительности парогенератора. Схема непрерывной продувки с двухимпульсным ПИ-регулятором РНП приведена на рис. 6.28,в. Возрастание паровой нагрузки D (задающий сигнал «+») вызывает открытие регулирующего клапана непрерывной продувки до тех пор, пока увеличение расхода продуваемой воды D (сигнал «–») не компенсирует сигнал по расходу пара. Требуемое соотношение между D и D определяется лабораторным анализом качества котловой воды, который может проводиться 1-2 раза в сутки.
Регулирование концентрации РО осуществляется также в зависимости от расхода перегретого пара D путем ввода раствора фосфатов в чистый отсек барабана.
Вариант функциональной схемы автоматического регулирования барабанного парогенератора ТЭС с общим паропроводом показан на рис.6.29. В схеме используются рассмотренные регуляторы: РД, РТ, РВ, РРТ, РТП, РПВ и следующие датчики: ИД - измеритель давления; ИДД - измеритель давления дифференциальный (дифференциальный манометр); ТД - тягомер дифференциальный; ИР - измеритель разрежения; О - магнитный кислородомер; ДТ - датчик температуры. Каналы воздействия и задающих сигналов показаны на рис. 6.29 сплошными линиями, компенсирующих и корректирующих сигналов - штриховыми.
Рис. 6.29.Вариант функциональной схемы автоматического регулирования барабанного парогенератора: 1 - топка; 2 - барабан; 3 - пароперегреватель; 4 -пароохладитель; 5 - воздухоподогреватель; 6 - пылепитатели; 7 - бункер пыли; 8- дутьевой вентилятор; 9 - дымосос; 10 - направляющий аппарат дымососа; 11 - водяной экономайзер; 12 - главный паропровод; 13 - дроссельная диафрагма; 14 - сервопривод; 15 - станция управления
В прямоточных парогенераторах давление и температура пара тесно связаны. Регулирование также осуществляется несколькими САР, но с обязательной синхронизацией между регуляторами подачи топлива и воды (В и D на рис. 6.4). Так как у прямоточных парогенераторов практически любые возмущения отражаются на температуре перегретого пара, то на них устанавливается несколько регуляторов температуры по всему пароводяному тракту.