Автоматизация судовых паровых котлов

РАЗДЕЛ II

АВТОМАТИЗАЦИЯ СУДОВЫХ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

ГЛАВА 4

Автоматизация судовых паровых котлов

4.1. Общие вопросы автоматизации

Как известно, рабочий процесс механизма, агрегата, системы и т.д., связанный с переносом и преобразованием энергии или рабочего вещества, характеризуется некоторым количеством физических величин или параметров, которые в процессе эксплуатации должны поддерживаться постоянными либо изменяться по какому-либо закону, т.е. регулироваться.

Рекомендуемые материалы

Механизм, агрегат, система, в которых одна или несколько из этих физических величин регулируются автоматически, называется объектом регулирования.

Устройство, осуществляющее регулирование указанных величин без вмешательства человека, называется автоматическим регулятором.

Объект регулирования, соединенный связями с автоматическим регулятором, образует систему автоматического регулирования (САР). В ряде случаев объекты регулирования имеют несколько регулируемых величин и соответственно несколько регулирующих воздействий. В этом случае совокупность отдельного регулятора и объекта составляет контур регулирования.

В том случае, если взаимное влияние контуров регулирования является существенным, регулирование носит название связанного, при несущественном влиянии этих контуров друг на друга регулирование называется несвязанным.

В зависимости от динамических характеристик объекта регулирования и требований, предъявляемых к САР, для осуществления процесса автоматического регулирования применяют регуляторы различной сложности. Наиболее простыми в конструктивном исполнении являются одноимпульсные регуляторы прямого действия, однако динамические качества, в том числе точность поддержания заданной величины, при применении таких регуляторов получаются невысокими. Для улучшения динамических характеристик САР в регуляторы вводят различные корректирующие устройства, чаще всего в виде жестких либо гибких обратных связей, а также применяют чувствительные элементы, реагирующие на несколько импульсов (многоимпульсные регуляторы).

Судовая энергетическая установка, паротурбинная, газотурбинная либо дизельная, включает в себя большое количество; взаимосвязанных агрегатов и механизмов, устройств и систем с большим количеством регулируемых величин. Многие современные энергетические установки характеризуются быстрыми изменениями величин, определяющих протекание рабочих процессов, при которых оператор в силу своих ограниченных физиологических возможностей не в состоянии следить за их изменением. В связи с этим для нормальной эксплуатации современных энергетических установок они должны быть оборудованы средствами автоматического регулирования, сигнализации и защиты.

На первых этапах автоматизации судовых энергетических установок предусматривалось оборудование машин и механизмов, устройств и систем самостоятельными, не связанными между собой системами автоматического регулирования, сигнализации и защиты. При таком уровне автоматизации достигается только улучшение режимов работы механизмов и облегчение условий труда обслуживающего персонала при сохранении постоянного присутствия его в машинном отделении.

В настоящее время на подавляющем большинстве вновь строящихся судов от автоматизации отдельных механизмов переходят к комплексно-автоматизированным энергетическим установкам, под которыми понимают такие, нормальная работа которых обеспечивается без постоянного присутствия вахтенных в машинном отделении, а нормальное управление установкой как на установившемся, так и на маневровых режимах осуществляется средствами автоматизированного дистанционного управления, при наличии средств сигнализации и защиты, либо из центрального пульта управления, расположенного в машинном отделении, либо с ходового мостика.

В качестве обязательного элемента комплексной автоматизации предусматривается дистанционное автоматизированное управление (ДАУ) главным двигателем, включающее в себя программные устройства подготовки пуска и вывода механизма на режим, комплекс защитных и блокировочных устройств, а также устройства централизованного контроля работы механизмов. Комплексная автоматизация, не предусматривая исключение человека из сферы управления и обслуживания механизмов, влечет за собой существенное изменение организации труда плавсостава.

Так, на комплексно-автоматизированных судах начинают отказываться от традиционного деления команды на палубную и машинную. Вместо этого судовой состав делится на эксплуатационников, обеспечивающих ходовую вахту, и ремонтников, занимающихся проведением профилактических и ремонтных работ как по механической, так и палубной части.

При проектировании комплексно-автоматизированных энергетических установок необходимо обязательно учитывать свойства человека как звена системы управления.

Внедрение комплексной автоматизации и освобождение судового состава от несения постоянной вахты в машинном отделении выставило ряд новых требований к судовым механизмам с точки зрения комплектации, конструктивного выполнения и их надежности.

В подавляющем большинстве автоматизация оборудования, предназначенного для ручного управления, является неэффективной. Поэтому при создании автоматизированных установок необходимо в первую очередь создавать оборудование, отвечающее условиям автоматизации. К числу основных требований, которым должно отвечать оборудование, предназначенное для автоматизации, относятся повышенная надежность, уменьшение числа регулируемых величин, упрощение и сокращение количества операций по управлению и обслуживанию.

Состав и компоновка оборудования машинного отделения должны быть подчинены условию удобства обслуживания, а также упрощения и сокращения операций по управлению и ремонту.

В последние годы, при разработках проектов комплексно-автоматизированных установок стали уделять определенное внимание вопросам саморегулирования, под которыми понимается создание таких механизмов, в которых стабильность регулируемых величин обеспечивается без применения специальных регуляторов. В качестве примеров, поясняющих высказанную мысль, можно привести следующие.

Соответствующим подбором соотношения между поверхностями конвективного и радиационного пароперегревателей можно добиться почти полной независимости температуры перегретого пара от нагрузки котла, так как с увеличением нагрузки котла температура пара после конвективного пароперегревателя увеличивается, а после радиационного — уменьшается. На паротурбинном танкере «Ялта» постройки ФРГ главные котлы не имеют специального регулятора температуры, а стабильность ее при любых нагрузках обеспечивается за счет соответствующего подбора радиационной и конвективной поверхностей перегревателя.

В качестве второго примера следует указать на разработки американских фирм по саморегулированию парового котла в целом. Предложение сводится к тому, что в главный паропровод котла включена одноступенчатая турбина активного типа, работающая на насыщенном паре. Так как турбина включена в паропровод последовательно, то развиваемая ею мощность пропорциональна паропроизводительности котла. Эта турбина приводит в действие котельный вентилятор и топливный насос, мощности для привода которых определяются производительностями приводимых агрегатов, которые в свою очередь соответствуют паропроизводительности котла.

Применение установок с саморегулированием снижает первоначальные затраты на постройку, повышает надежность работы и сокращает затраты на обслуживание.

В заключение следует отметить, что, хотя в настоящее время установки с саморегулированием являются только экспериментальными, направление это весьма перспективно и заслуживает достаточного внимания.

Переход на безвахтенное обслуживание требует также повышенной надежности не только средств автоматизации, но и основного автоматизированного оборудования. Учитывая, что при прочих равных условиях увеличение количества одновременно работающих механизмов приводит к снижению надежности установки в целом, в целях обеспечения надлежащего уровня надежности при создании новейших силовых установок уделяется большое внимание сокращению числа агрегатов и устройств за счет внедрения принципиально новых решений, упрощения тепловых схем, тщательной отработки оборудования. Так, в одном из современных проектов ПТУ (мощность 20 тыс.л.с.) для морского судна количество вспомогательных механизмов сокращёно по сравнению с обычной установкой более чем на ⅓. Такое снижение числа механизмов было достигнуто в результате установки одного главного котла вместо традиционных двух, применения однокорпусной турбины, самопроточного конденсатора, агрегатирования механизмов, сокращения арматуры и фланцевых соединений на трубах и т.д.

4.2. Задачи автоматизации котельной установки

Судовые котельные агрегаты предназначаются для снабжения энергетической установки судна паром заданных параметров при широком диапазоне изменения нагрузки. Задача автоматизации судовой котельной установки заключается в обеспечении нормальной работы установки и защите ее при отклонении регулируемых величин сверх допустимых пределов

Рабочий процесс котлоагрегата в общем случае характеризуется четырьмя регулируемыми величинами: уровнем воды, температуры перегретого пара, давлением пара и коэффициентом избытка воздуха.

В связи с этим система регулирования котла в общем случае состоит из четырех основных контуров, регуляторы которые управляют перемещением соответствующих регулирующих органов, изменяющих обычно проходные сечения. Для поддержания неизменных значений перепадов давления на регулирующих органах предусматривается еще четыре дополнительных контура. Помимо этого, имеет место еще один контур, обеспечивающий поддержание заданного значения температуры или вязкости жидкого топлива.

Таким образом, система автоматического регулирования котельной установки в общем случае состоит из девяти контуров. При наличии нескольких котлов, питающих паром общую магистраль, некоторые контуры регулирования (например, давления и температуры перегретого пара) могут выполняться общими для группы котлов.

4.3. Регулирование уровня воды в барабане котла

Уровень воды в барабане котла зависит от материального и энергетического балансов, которые являются функцией количества подаваемой питательной воды и топлива, паропроизводительности котла и т.д. Для нормальной эксплуатации энергетической установки при широком изменении нагрузки уровень воды в барабане котла должен поддерживаться в заданных допустимых пределах. Понижение уровня воды сверх допустимых пределов может привести к перегреву и выходу из строя нагревательных элементов, а повышение — к забросу воды в турбину, результатом чего может быть крупная авария котла или турбины.

Помимо этого, при резком изменении режима работы в котлах наблюдаются так называемые явления набухания. Набухание воды объясняется увеличением интенсивности парообразования, которое возникает за счет повышенного теплосодержания воды по отношению к снизившемуся давлению пара при резком увеличении нагрузки котла (расхода пара).

При резком уменьшении нагрузки (расхода пара) происходит обратное явление, при котором давление пара повышается, а уровень воды понижается, несмотря на интенсивное питание котла водой.

Перечисленные обстоятельства значительно усложняют, а в ряде случаев не позволяют осуществлять надлежащее регулирование уровня воды вручную и требуют обязательной установки автоматических регуляторов.

Динамика водяного аккумулятора котла может быть описана следующим дифференциальным уравнением:

,            (84)

где

В этом уравнении j_у — регулируемая величина,  — регулирующее воздействие. Члены, содержащие l и , а также их производные по времени, являются внешними возмущениями.

Передаточная функция водяного аккумулятора относительно регулирующего воздействия может быть представлена следующим выражением:

,                                                      (85)

где 

Выражение (85) можно рассматривать как произведение двух передаточных функций, что будет соответствовать последовательному включению двух звеньев: интегрирующего  и апериодического ; следовательно, водяной аккумулятор самовыравниванием не обладает.

В зависимости от числа используемых импульсов САР уровня воды делятся на одноимпульсные, многоимпульсные и связанного регулирования.

Наиболее простыми в конструктивном отношении являются одноимпульсные САР.

4.3.1. Одноимпульсная САР уровня воды

с термогидравлическим регулятором

Чувствительным элементом термогидравлического регулятора (рис. 44) является термогенератор, состоящий из трубы 2, окруженной оребренным кожухом 1. Внутренняя полость 2 термогенератора соединена с паровым и водяным пространством барабана котла. Наружная полость 3 термогенератора совместно с полостью мембранного устройства 4 образует замкнутое пространство, заполненное конденсатом. Количество тепла, поступающего от внутренней полости 2 к конденсату в полости 3, а, следовательно, и давление в этой полости определяется уровнем воды в котле и сообщенной с ним полости 2. Это объясняется тем, что коэффициенты теплопередачи от пара к воде и от воды к воде значительно отличаются. При понижении уровня воды поверхность трубы 2, омываемая паром, и количество тепла, поступающего к конденсату, заключенному в полости 3, возрастет, а давление на мембрану увеличится, мембрана прогнется вниз и переместит регулирующий орган в сторону увеличения подачи питательной воды. При повышении уровня все произойдет в обратном направлении.

Рис. 44. Принципиальная схема термогидравлического регулятора

Преимуществом рассмотренного регулятора является простота конструкции и отсутствие подвижных деталей в чувствительном элементе. К недостаткам следует отнести повышенную инерционность и довольно большую статическую ошибку. На рис. 45 приведена зависимость уровня воды в барабане котла от его паропроизводительности. Как следует из приведенного графика, неравномерность поддержания уровня соответствует смещению его на 50—60 мм при изменении паропроизводительности котла на 50%.

4.3.2. Одноимпульсная САР уровня воды

с изодромным регулятором типа «Аскания»

Отличительной особенностью этого регулятора (рис. 46) является наличие конденсационного сосуда 1. Измерение уровня сводится к измерению разности давлений, одно из которых (в конденсационном сосуде) является постоянным, а другое определяется положением уровня воды в барабане котла. Перед вводом котла в действие сосуд 1 заполняется конденсатом, уровень которого поддерживается постоянным благодаря расположенной внутри сосуда сливной трубке.

Рис. 45. Изменение уровня в барабане котла в зависимости от нагрузки

Таким образом, на мембрану М с левой стороны действует суммарное давление пара и постоянного столба жидкости, определяемого уровнем воды в конденсационном сосуде, а с правой — суммарное давление пара и переменного столба жидкости, определяемого уровнем воды в барабане котла.

При снижении уровня в барабане котла давление на мембрану справа уменьшится, в результате чего она прогнется и переместит через систему рычагов 5 струйную трубку 4 вправо. При перемещении струйной трубки от среднего положения произойдет изменение давления в полостях сервомотора 8, в результате чего поршень сервомотора переместится и увеличит проходное сечение клапана 9; количество питательной воды, поступающей в котел, увеличится, уровень начнет повышаться. Для повышения быстродействия и увеличения усилий, развиваемых сервопоршнем, в систему включен вторичный усилитель 20, принцип действия которого показан на рис. 16.

При перемещении поршня сервомотора перемещается также связанный гидравлически с ним поршень изодрома 14, который через систему рычагов 11 и 13, а также пружину 6 возвращает струйную трубку в нейтральное (среднее) положение, сжимая пружину изодрома 19. В этот первый момент вследствие появившейся деформации пружины 6 регулятор работает как статический, т.е. со статической ошибкой. В последующий момент под действием усилия сжатой пружины 19 поршень изодрома, перемещая жидкость из одной полости в другую через дроссель 17, переместится в среднее положение. При этом пружина 6 придет в недеформированное состояние, а статическая ошибка исчезнет. Вследствие этого изодромные регуляторы называют также регуляторами с временным статизмом.

Для перехода на дистанционное, неавтоматическое регулирование на трубопроводе, подводящем рабочую жидкость к сервомотору, установлен клапан 10. Клапанная коробка 3 служит для отключения мембранного устройства и продувания трубопроводов. Краны 18 служат для удаления воздуха из системы. Установка необходимого уровня воды в котле осуществляется с помощью настроечного винта на рычаге 11 за счет изменения натяжения пружины 6. Настроечные приспособления на рычаге 13 позволяют изменять степень неравномерности регулятора. На схеме позиции 2, 15 указывают на клапаны; 7, 16 — отводные патрубки; 12 — места соединения трубок.

Рис. 46. Схема одноимпульсной САР уровня воды с

изодромным регулятором типа «Аскания»

4.3.3. Многоимпульсные регуляторы уровня воды

Многоимпульсные регуляторы выполняются в виде двух- или трехимпульсных.

В качестве примера рассмотрим двухимпульсный гидравлический регулятор уровня непрямого действия с жесткой обратной связью (рис. 47), нашедший широкое распространение на судах отечественной постройки. В корпусе измерителя 4 размещены две мембраны, разделяющие полость корпуса на три части. Полость между мембранами сообщается с нижней частью барабана котла, нижняя полость — с конденсационным сосудом 3, который располагается над барабаном котла. Конденсационный сосуд сообщен трубой с паровой частью барабана котла, а благодаря наличию внутри него сливной воронки в нем поддерживается всегда постоянный уровень. Верхняя полость измерителя сообщена с паровым трактом котла. При нормальном уровне воды и установившемся расходе пара мембранное устройство находится в равновесном состоянии.

Рис. 47. Схема двухимпульсного регулятора уровня воды

При изменении расхода пара изменяется разность давлений между барабаном котла и паропроводом перегретого пара. В результате этого еще до изменения уровня воды в барабане котла равновесное состояние мембранного устройства нарушится, мембранное устройство переместится и через систему валиков и рычагов переместит струйную трубку усилительного устройства 2, в результате чего давление в одной из полостей сервомотора 1 повысится, а в противоположной — понизится. Поршень сервомотора переместится и передвинет регулирующий орган соответственно в сторону увеличения или уменьшения подачи питательной воды. При перемещении регулирующего органа струйная трубка усилителя, связанная с регулирующим органом рычагами и тягами жесткой обратной связи, возвратится в исходное положение.

Если в рассмотренной схеме убрать верхнюю мембрану, на которую воздействует давление пара, и заменить жесткую обратную связь изодромной, получим рассмотренную ранее схему одноимпульсного изодромного регулятора типа «Аскания», изображенную на рис. 46.

В американской практике находят применение и более сложные, трехимпульсные САР уровня. Так, трехимпульсный регулятор «Копес» измеряет и взаимно согласовывает три величины: уровень воды в барабане (основной импульс), расход пара и количество воды, поступающей в котел.

Указанные трехимпульсные регуляторы не нашли широкого распространения в связи с тем, что применение сложных многоимпульсных САР на морских судах не является технически оправданным.

Из сопоставления рассмотренных способов регулирования можно сделать следующие выводы.

Существующие средства автоматического регулирования уровня позволяют получить статическую, астатическую и гиперстатическую зависимость уровня воды в барабане котла от нагрузки при установившемся режиме, т.е. обеспечить соответственно некоторое снижение уровня с увеличением нагрузки котла, сохранение его неизменным при всех нагрузках либо повышение его при увеличении нагрузки (рис. 48).

При использовании простейших одноимпульсных регуляторов регулирование осуществляется с ошибкой, поэтому одноимпульсные регуляторы можно применять на котлах с относительно большим водосодержанием (порядка 30—50% от часовой паропроизводительности).

Рис. 48. Зависимости уровня воды в барабане котла

от нагрузки при установившемся режиме:

1 — астатический регулятор; 2 — статический;

3 — гиперстатический

Регулирование без ошибки может быть осуществлено при установке одноимпульсного изодромного регулятора либо двухимпульсного регулятора, у которого в качестве второго импульса используется нагрузка котла.

4.3.4. Регулирование производительности

котельно-питательного насоса

В качестве котельно-питательных насосов современных паротурбинных установок применяются центробежные насосы с приводом от паровой турбины или электродвигателя.

Производительность насосов регулируется изменением частоты вращения крылатки насоса, которое в турбоприводных насосах осуществляется за счет изменения количества пара, подаваемого к турбине.

Одна из возможных схем регулирования турбоприводного питательного насоса приведена на рис. 49. При изменении режима работы котлов изменяется открытие питательных клапанов 1 и 2, а поэтому при неизменной производительности турбоприводного насоса 8 будет изменяться давление питательной воды в магистрали 6. Регулятор давления 4 при помощи сильфонов 3 и 5, сообщенных соответственно с питательным турбоприводом и внутренней полостью котла, измеряет разность давлений на питательном клапане 1 или 2, которая не должна превышать 3-5 кгс/см². При повышении указанного перепада давлений выше допустимого регулятор давления 4 через усилительное устройство 7 и сервомотор 9 изменяет положение регулирующего парового клапана 10, а, следовательно, изменяет и количество пара, поступающего к турбине, приводящей питательный насос. В результате частота вращения турбины, а, следовательно, и производительность питательного насоса изменятся в необходимую сторону.

Рис. 49. Схема регулирования турбоприводного питательного насоса

4.4. Регулирование температуры перегретого пара

Как известно, температура перегретого пара изменяется с изменением режима работы котла, а для обеспечения экономичной и безопасной работы турбины необходимо поддерживать температуру перегретого пара в заданных пределах.

Регулирование температуры перегретого пара может осуществляться вручную либо автоматически одним из следующих способов:

1) впрыском конденсата в трубопровод перегретого пара;

2) охлаждением части перегретого пара в пароохладителях;

3) смешением перегретого пара с насыщенным;

4) установкой пароперегревателя в отдельной топке с регулируемым процессом горения;

5) изменением количества газов, омывающих пароперегреватель.

Каждый из перечисленных методов имеет свои преимущества и недостатки, которые рассматриваются в специальных курсах.

Рассмотрим некоторые из перечисленных САР температуры перегретого пара.

4.4.1. Регулирование температуры впрыском конденсата

Наиболее простой в конструктивном и динамическом отношении является САР температуры перегретого пара, осуществляемая за счет впрыска в паропровод перегретого пара конденсата. Эта система получила довольно широкое распространение на турбоходах отечественной постройки. Схема такой САР приведена на рис. 50. Чувствительным элементом или измерителем температуры служит ампула 4, заполненная инертным газом. При повышении температуры пара увеличившееся внутри ампулы давление по капиллярной трубке воздействует на сильфон 1, в результате чего происходят отклонение заслонки в усилителе 6, перемещение поршня сервомеханизма 7 и связанного с ним штока клапана 2, дозирующего через форсунку 5 подачу в паропровод конденсата.

Рис. 50. Схема САР температуры перегретого пара

В связи с тем, что на указанных судах к температуре пара на ТЗХ предъявляются дополнительные ограничения, в САР предусмотрен еще один чувствительный элемент давления с сильфонной камерой 3. В результате этого при подаче пара к ТЗХ автоматически происходит дополнительное снижение температуры пара.

4.4.2. Регулирование температуры в

поверхностных пароохладителях

Регулирование температуры перегретого пара путем охлаждения его во внутрикотловом пароохладителе, схема которого представлена на рис. 51, получило широкое распространение.

Рис. 51. Принципиальная схема системы автоматического регулирования

температуры перегретого пара при внутрикотловом пароохладителе

Пароперегреватель состоит из двух секций I и II. Пароохладитель III расположен внутри пароводяного коллектора котла. Температура перегретого пара измеряется чувствительными элементами 1 или 2, каждый из которых с помощью переключателя 3 может быть подключен через задающее устройство 4 к устройству сравнения 5, к которому подводится также дополнительная информация (второй импульс) о нагрузке котла.

Наличие двух измерительных устройств (1 и 2), одно из которых служит для измерения температуры до 470°С, а другое — до 510°С, связано с тем, что во время маневровых операций, при которых возможны кратковременные броски температуры, целесообразно переходить на работу при более низкой температуре пара (470°С).

Сигнал рассогласования, выходящий из элемента сравнения, поступает в усилительно-исполнительное устройство 6, управляющее клапанами А и Б. При изменении проходного сечения клапанов А и Б изменяется количество пара, поступающего в пароохладитель III, а, следовательно, и температура пара на входе и выходе из секции II пароперегревателя.

Достоинством рассмотренной САР является то, что стенки секций пароперегревателя защищены от чрезмерного перегрева.

4.5. Регулирование горения

Система автоматического регулирования горения состоит из двух связанных контуров: контура регулирования давления пара и контура регулирования коэффициента избытка воздуха в топке.

Динамика парового аккумулятора котла может быть описана следующим дифференциальным уравнением:

,                                                  (86)

где

Передаточная функция парового аккумулятора в отношении регулирующего воздействия m_т может быть представлена следующим выражением:

,                                                          (87)

Из выражения (87) следует, что паровой аккумулятор котла является апериодическим звеном 1-го порядка.

Способ регулирования процесса горения зависит от типа форсунок, которые, помимо конструктивных особенностей, отличаются также способом распыливания и допустимой глубиной регулирования.

Как известно, количество топлива, поступающего через форсунки, определяется выражением

,                                                       (88)

где     m — коэффициент расхода;

           f — площадь проходного сечения форсунки;

          п — число работающих форсунок;

        р_ф — давление топлива перед форсунками.

Различают схемы с качественным, количественным и качественно-количественным регулированием. При качественном регулировании изменение количества топлива, подаваемого в топку, осуществляется за счет изменения давления распыла. При количественном — за счет изменения работающих форсунок п, а при качественно-количественном — (комбинированном) как за счет изменения давления перед форсунками, так и за счет изменения количества одновременно работающих форсунок.

В идеальном случае схема регулирования процесса горения представляется в следующем виде: при отклонении давления пара в котле от заданного значения, связанном с изменением нагрузки, происходит перемещение топливорегулирующего органа, в результате чего увеличивается либо уменьшается количество топлива, подаваемого в топку. Одновременно с изменением количества сжигаемого топлива при неизменной подаче воздуха происходит изменение коэффициента избытка воздуха, вследствие чего в дымовых газах появятся либо продукты неполного сгорания топлива — СО, либо избыток кислорода О₂.

При наличии безынерционного анализатора дымовых газов можно было бы измерять состав дымовых газов и поддерживать необходимый минимальный коэффициент избытка воздуха, обеспечивающий полное сгорание топлива. В этом случае систему регулирования процесса горения можно было бы представить в виде двух независимых контуров, один из которых поддерживал бы заданное давление пара в котле за счет изменения количества подаваемого топлива, а другой по данным анализа состава дымовых газов поддерживал бы необходимый коэффициент избытка воздуха, изменяя количество подаваемого в топку воздуха.

Однако в связи с тем, что существующие приборы для анализа дымовых газов обладают большим запаздыванием в выдаче сигнала и значительной инерционностью, осуществить САР процесса горения по рассмотренной выше схеме не представляется возможным.

В связи с этим поддержание необходимого коэффициента избытка воздуха в топках судовых котлов обеспечивается некоторым косвенным путем, за счет поддержания оптимального соотношения между расходами топлива и воздуха, подаваемых в топку котла. В этом случае контуры регулирования давления пара и коэффициента избытка воздуха выполняются связанными. В зависимости от взаимодействия между указанными контурами различают схему с параллельным и последовательным включением контуров.

При последовательной связи между контурами один из них является основным, либо ведущим, а другой ведомым, либо программным. Функциональные схемы указанных систем приведены на рис. 52.

Во всех приведенных на рис. 52 схемах регулятор давления пара, часто называемый главным регулятором, связан непосредственно с паровым аккумулятором котла. В системе с параллельным включением контуров главный регулятор воздействует одновременно на регулятор давления топлива и регулятор давления воздуха. При последовательном включении контуров главный регулятор может воздействовать либо на регулятор топлива — схема «топливо — воздух» , либо непосредственно на регулятор воздуха — схема «воздух — топливо» .

Важным преимуществом схемы «воздух — топливо» является то, что здесь автоматически решается задача защиты котла при прекращении подачи воздуха в топку.

Рис. 52. Функциональная схема САР горения:

а — с параллельным включением контуров;

б — с последовательным включением контуров типа «топливо—воздух»;

в — с последовательным включением типа «воздух—топливо»;

1 — паровой аккумулятор котла; 2 — регулятор давления пара; 3 — регулятор давления (расхода) топлива; 4 — топливный регулирующий орган; 5 — регулятор

давления (расхода) воздуха; 6 — воздушный регулирующий орган

При работе систем на режиме полного хода эксплуатационные характеристики всех трех систем практически одинаковы. При значительных изменениях нагрузки проявляются индивидуальные свойства каждой схемы, которые определяются различными инерционными свойствами воздушного и топливного контуров, так как топливный контур практически безынерционен, а воздушный — обладает заметной инерционностью. В силу этого при резком увеличении нагрузки в схемах «топливо—воздух» отставание подачи воздуха приводит к дымлению, а при сбросе нагрузки (по тем же причинам) дымления не происходит.

В схемах «воздух—топливо» увеличение и уменьшение нагрузки приводит к обратным явлениям.

С точки зрения структуры контура регулирования давления пара существующие САР можно разбить на следующие группы:

¾ системы, работающие со статической ошибкой, в которых, как правило, полной нагрузке соответствует наименьшее давление пара. Снижение давления на полной нагрузке или относительная величина неравномерности для большинства систем — в среднем порядка 10%;

¾ системы, в которых при любой установившейся нагрузке поддерживается постоянное давление пара, т.е. системы с нулевой статической ошибкой.

Если в системах регулирования, работающих со статической ошибкой, применяются сравнительно простые типы регуляторов, то для систем, работающих с нулевой статической ошибкой, в САР вводят дополнительные импульсы по нагрузке котла либо применяют главные регуляторы с изодромной обратной связью.

В качестве примеров рассмотрим некоторые из наиболее распространенных на судах систем автоматического регулирования горения.

4.5.1. Схема регулирования горения с параллельным

включением контуров

Наиболее простой в конструктивном отношении является пародроссельная САР, разработанная ЦНИИМФом для котлов небольшой паропроизводительности (3—4 т/ч), снабженных паромеханическими форсунками.

По характеру взаимодействия между контурами эта САР имеет параллельную схему включения контуров. При изменении давления пара одновременно вступают в действие регулирующие органы подачи топлива и воздуха. Отличительной особенностью этой САР является то, что в качестве рабочей среды в ней используется пар.

Рис. 53. Схема САР горения с параллельным включением контуров

Схема САР этого типа приведена на рис. 53. Давление пара в главном паропроводе группы котлов передается по трубке в полость главного регулятора 1, имеющую два сильфона с различными активными площадями. В качестве вспомогательной энергии используется энергия насыщенного пара при давлении 6—7 ати, который подается к главному регулятору через редукционный клапан 2 и фильтр 3. Паропровод а насыщенного пара через дроссель 4 соединяется с теплым ящиком, обеспечивая при этом расход пара порядка 6—8 кг/ч. От паропровода а подведены трубки к клапану 5, регулирующему давление пара перед приводом котельного вентилятора, а, следовательно, и производительность вентилятора, и к клапану 7, регулирующему расход и давление топлива, поступающего к форсункам. От топливной магистрали после регулирующего клапана 7 передается импульс к клапану 9, регулирующему подачу пара к паромеханическим форсункам. Устройство и принцип действия этого клапана аналогичны таковым главного регулятора. При давлении топлива выше 7 кгс/см² клапан 9 полностью закрыт и топливные форсунки работают как механические.

Клапаны 5 и 7 байпасированы редукционными клапанами 6 и 8, которые обеспечивают неавтоматическую работу системы при выходе из строя клапанов 5 и 7.

При увеличении нагрузки давление пара в главном паропроводе и соединенной с ним полости главного регулятора 1 уменьшится. Вследствие того, что верхний сильфон главного регулятора 1 имеет большую активную площадь, чем нижний, произойдет перемещение штока этого регулятора и связанного с ним клапана вниз, в результате чего давление в полости (после регулятора) возрастет, мембраны клапанов 5 и 6 прогнутся вниз и увеличат как подвод пара к приводу котельного вентилятора, а, следовательно, и производительность его, так и количество топлива, подаваемого к форсункам.

В случае уменьшения нагрузки все произойдет в обратном направлении.

Рис. 54. Схема САР горения системы «Бейли»

В качестве второго представителя САР горения топлива с параллельным включением контуров и дополнительной коррекцией топливоподачи по соотношению топливо—воздух, получившей достаточно широкое распространение на транспортных судах иностранной постройки, следует указать САР, собранную на унифицированной пневматической аппаратуре фирмы «Бейли».

Принципиальная схема такой САР, установленной на турбоходе типа «Дружба», приведена на рис. 54.

В качестве усилительных устройств в этой САР применены дросселирующие пневматические золотники, к которым подводится сжатый воздух под давлением около 2,1 кгс/см².

Главный регулятор 1 измеряет давление пара в главном паропроводе, соединяющем два котла.

При отклонении давления пара от заданного значения главный регулятор изменяет давление воздуха в магистрали а, сообщенной с полостью изодрома 2, в результате чего изменяется давление воздуха в магистрали б на выходе изодрома, которое по магистралям в и г передается на сервомотор 3, управляющий подачей воздуха в котел.

Одновременно с этим давление воздуха в магистрали г передается в верхнюю полость суммирующего реле 4 топливоподачи. В среднюю камеру реле через клапан 5 подается давление с выхода корректора 6 соотношения воздух—топливо. На выходе суммирующего реле 4, в магистрали д устанавливается давление воздуха, пропорциональное сумме давлений в верхней и средней полостях. Указанное давление через блок дистанционного управления топливом по магистрали е поступает в мембранную полость топливорегулирующего клапана 8, который увеличивает либо уменьшает подачу топлива к форсункам котла.

Количество воздуха, поступившее в топку котла, пропорциональное разности давления в точках Т (топка) и Ф (фронт), определяется корректором соотношений 6 по разности указанных давлений. Сильфон 7 этого корректора измеряет давление, а, следовательно, и расход топлива через форсунки.

Рис. 55. Устройство главного регулятора давления пара

В случае несоответствия между поступившим в топку топливом и воздухом сигнал на выходе реле изменится, в результате чего изменится давление в нижней камере суммирующего реле 4 и магистрали, т.е. изменятся давление и количество топлива, поступающего через форсунки.

Рассмотрим устройство и принцип действия основных элементов САР регулятора.

Устройство главного регулятора показано на рис. 55. Чувствительным элементом служит манометрическая трубка 1, подвижной конец которой связан с тягой 3 и стрелкой 2. При изменении давления пара происходит перемещение свободного конца трубки 1 и тяги 3, соединенной с импульсным реле, в результате чего давление сжатого воздуха на выходе главного регулятора изменяется. Винт 8 служит для изменения уставки регулятора, соответствующего требуемому давлению пара. При изменении уставки регулятора система рычагов 6 и 7 перемещает стрелку 5, положение которой показывает заданное значение давления.

Устройство универсального прибора, применяемого как в качестве изодрома, так и в качестве суммирующего реле, показано на рис. 56. Прибор имеет четыре камеры А, В, С, D, разделенные между собой и отделенные от атмосферы мембранами 1 и 2 и сильфонами 3 и 4. Пружина 5, соединенная со штоком 6, служит для настройки прибора.

Рис. 56. Универсальный вторичный прибор системы «Бейли»:

а — подключение при использовании в качестве изодрома;

б — подключение при использовании в качестве суммирующего реле

При изменении давления в камере А или С произойдет перемещение штока 6 и поворот коромысла 7. При повороте коромысла 7 изменится степень открытия атмосферного клапана 9 и клапана 10, к которому подведен сжатый воздух, в результате чего давление в камере D изменится. Благодаря тому, что камера С изодрома соединена через дроссельный вентиль 8 с камерой D. давление в этих камерах в статике одинаково. Дополнительный объем 11 служит в качестве демпфера (или катаракта). Наличие указанной связи между камерами С и D приводит к тому, что устройство работает с временным статизмом, обеспечивая достаточно хорошие динамические качества.

В зависимости от способа включения рассмотренного прибора в цепь регулирования он может выполнять также функции суммирующего реле, дифференциатора, ускорителя импульса и т.д. Блоки управления установкой и управления котлом служат для перевода управления с автоматического на дистанционное и обратно, а также для корректировки нагрузки котлов по топливу и воздуху.

Для осуществления управления исполнительным механизмом с высокой степенью точности (положение регулирующего органа в соответствии с давлением командного воздуха) применяют позиционеры.

Рис. 57. Схема соединения мембранного сервомотора с позиционером и топливорегулирующим клапаном:

1 — мембрана сервомотора; 2 — диск мембраны; 3 — шток сервомотора; 4 — пружина; 5 — муфта настройки; 6 — муфта обратной связи; 7 — упор; 8 — топливорегулирующий клапан; 9 — сильфон; 10 — шток золотника; 11 — тяга обратной связи; 12 — кулачок; 13 — рычаг; 14 —

пружина; 15 — рычаг позиционера

Схема соединения мембранного сервомотора с позиционером и топливорегулирующий клапаном показана на рис. 57. Изменение давления командного воздуха через сильфон 9 позиционера приводит к смещению штока золотника 10 и вызывает соответствующее изменение давления рабочего воздуха, который по трубе С поступает под мембрану сервомотора и заставляет шток сервомотора закрывать или открывать топливорегулирующий клапан. При этом тяга обратной связи 11 через кулачок 12, рычаг 13, пружину 14 передает изменение положения штока клапана на рычаг позиционера 15. В результате каждому давлению командного воздуха в установившемся режиме соответствует строго определенное положение штока клапана, которое задается профилем кулачка 12.

4.5.2. Схема регулирования горения с последовательным

включением контуров

Схема гидравлической САР типа «топливо—воздух», нашедшей широкое распространение на крупнотоннажных судах отечественной постройки, показана на рис. 58. Главный регулятор 1, общий для двух котлов, измеряет давление пара в главном паропроводе. Сервомотор 2 регулятора задает положение главному распределительному валу 6 системы поворотом его на определенный угол. При повороте вала 6 через передачу осуществляется поворот золотников регулирующего блока 3, в результате чего изменяется подача топлива к форсункам котла. Жесткая обратная связь главного регулятора выполняется кулачком, установленным на валу 6, который через систему рычагов воздействует на усилитель регулятора.

Количество воздуха, подаваемого в топку, регулируется регулятором 4, который с помощью сервомотора 10 разворачивает лопасти направляющего аппарата на приеме котельного вентилятора в зависимости от давления воздуха в коробе котла. Необходимая зависимость давления воздуха, пропорционального расходу его, от расхода топлива обеспечивается профилированным кулачком на валу 6, положение которого однозначно определяется поворотом золотников регулирующего блока 3, определяющего расход топлива. Регулятор расхода воздуха имеет изодромную обратную связь, осуществляемую звеном 5.

Рис. 58. Схема гидравлической САР

Регулирование давления топлива в системе осуществляется с помощью регулятора 7, который через сервомотор воздействует на сливной топливный клапан 8. Для увеличения глубины регулирования применяют форсунки с паромеханическим распылом топлива.

Для поддержания заданного значения температуры, а, следовательно, и вязкости топлива предусмотрен регулятор 9, чувствительный элемент которого обычно выполняется в виде ампулы, заполненной азотом либо ацетоном, соединенной импульсной трубкой с мембранным (либо сильфонным) устройством. При повышении температуры топлива давление газа внутри ампулы и соединенной с ней камеры сильфонного устройства повысится, в результате чего заслонка усилителя переместится и приведет в действие исполнительный механизм, который прикроет клапан, регулирующий количество пара, подаваемого к подогревателю топлива. В случае понижения температуры топлива все произойдет в обратном порядке.

4.6. Системы защиты и сигнализации котлов

Для обеспечения безаварийной работы котлы должны быть оборудованы средствами сигнализации и защиты. Системой сигнализации и защиты контролируются давление пара в котле, уровень воды в барабане котла, а также параметр, характеризующий нормальное горение топлива.

Устройства систем сигнализации должны выполняться независимыми от устройства систем автоматического регулирования, а также обладать повышенной надежностью, при которой исключаются ложные срабатывания и выходы из строя.

Защита котла по давлению выполняется одностороннего действия, т.е. она срабатывает только при повышении давления сверх номинального значения на 5—6%.

В качестве защитного устройства от повышения давления пара применяют предохранительные клапаны, которые при повышении давления стравливают пар в атмосферу.

В некоторых вспомогательных котлах, помимо предохранительных клапанов, устанавливают реле давления, которое при повышении давления выше допустимого воздействует на быстрозапорный клапан, установленный перед форсунками котла, и прекращает подачу топлива к форсункам.

Защита котлов по уровню воды, так же как и защита по давлению, выполняется одностороннего действия, т.е. защитные устройства срабатывают только при соответствующем понижении уровня воды. В состав защиты по уровню включается реле времени, которое предотвращает ложные срабатывания защиты при кратковременных понижениях уровня, которые могут возникнуть при маневровых операциях. В качестве чувствительного элемента системы защиты обычно применяют мембранные устройства, аналогичные мембранным устройствам регуляторов уровня. Одна из возможных схем дистанционного указателя уровня, сигнального и защитного устройства с мембранным чувствительным элементом изображена на рис. 59.

Перемещение мембраны чувствительного элемента 1, связанное с изменением уровня воды в барабане котла, через систему рычагов передается движку реохорда 3, включенного в цепь логометра 4.

При достижении движком реохорда положения, соответствующего первому аварийному уровню, при помощи микровыключателя 2 замыкается цепь сигнального устройства, включающего в себя световой и звуковой сигналы. При дальнейшем понижении уровня с помощью второго микровыключателя замыкается цепь быстрозапорного клапана и прекращается поступление топлива в топку котла.

Рис. 59. Схема дистанционного указателя уровня, сигнального

 и защитного устройства парового котла

Защита от нарушения нормального горения, которое характеризуется яркостью факела в топке, осуществляется прекращением подачи топлива в топку. В качестве чувствительного элемента такого защитного устройства применяют обычно фотосопротивление, устанавливаемое против глазка топочного устройства и освещаемое факелом топки. Фотосопротивление включается в цепь быстрозапорного электромагнитного клапана, устанавливаемого на трубопроводе, подводящем топливо к форсункам.

Рис. 60. Схема фотоэлектрического защитного устройства

по прекращению горения топлива в топке котла:

ЭК — электромагнит топливного клапана; ДГ — датчик горения (фотосопротивление); ПЗ — пульт защиты; РФ — реле факела (типа РКН); РТ —

реле топливного клапана (типа РМ-4); R  — сопротивление

При нормальном горении топлива факел имеет достаточную яркость, фотосопротивление хорошо освещено и поэтому имеет малое электрическое сопротивление. Вследствие этого электрическая цепь, в которую включено это фотосопротивление, замкнута, а быстрозапорный электромагнитный (топливный) клапан открыт.

При нарушении нормального процесса горения либо полном срыве факела освещенность фотосопротивления уменьшается, сопротивление его резко возрастает, электрическая цепь, в которую включено это фотосопротивление, размыкается, а быстрозапорный электромагнитный клапан закрывается.

Схема такого защитного устройства показана на рис. 60.

В том случае, если дутьевые вентиляторы котлов снабжены электроприводом, предусматривается защита котла выключением топливоподачи в случае обесточивания привода дутьевого вентилятора. Для обеспечения такой защиты питание быстрозапорного электромагнитного клапана осуществляется от цепи питания вентилятора.

4.7. Регулирование вспомогательных и

утилизационных котлов

Вспомогательные котлы дизельных танкеров предназначаются для обеспечения паром системы подогрева перевозимого груза и системы паротушения, а также привода грузовых насосов. Как правило, эти котлы имеют большую паропроизводительность, а системы автоматического регулирования их мало чем отличаются от рассмотренных САР главных котлов. Вспомогательные котлы сухогрузных и пассажирских теплоходов предназначены для обеспечения насыщенным паром низкого давления: (4—6 кгс/см²) бытовых нужд судна.

Паропроизводительность, а, следовательно, и расходы топлива у этих котлов невелики, и поэтому вопрос повышения экономичности за счет обеспечения работы котла при малых избытках воздуха является несущественным. В связи с этим в таких котлах регулирование соотношения между топливом и воздухом заменяется установлением определенной зависимости между положениями регулирующих органов воздуха и топлива, при которой обеспечивается бездымное сгорание.

В связи с этим большинство систем автоматического регулирования таких котлов выполнены электромеханическими, работающими либо по двухпозиционной схеме («включено—выключено»), либо по комбинированной схеме, при которой на режиме полных и средних нагрузок котла (100— 30%) осуществляется плавное (непрерывное) регулирование, а на малых нагрузках — двухпозиционное.

В качестве примера рассмотрим САР горения и питания вспомогательных котлов, установленных на пассажирских судах типа т/х «Михаил Калинин».

Электромеханическая САР обеспечивает плавное регулирование процесса горения в пределах от 100 до 15% нагрузки и двухпозиционное — при нагрузке менее 15%. Уровень воды в барабане котла регулируется САР типа «Игема», работающей по двухпозиционной схеме.

Топочное устройство котла оборудовано двумя электроприводными вращающимися форсунками системы «Сааке», одна из которых является главной. Главная форсунка обеспечивает плавное изменение расхода в пределах от 400 до 60 кг/ч. При малых нагрузках котла эта форсунка переходит на режим двухпозиционной работы. Вторая форсунка с расходом топлива 15 кг/ч работает непрерывно и обеспечивает зажигание главной форсунки при двухпозиционном режиме работы ее.

При отсутствии расхода пара САР осуществляет полное прекращение горения как основной, так и запальной форсунки.

Принципиальная схема этой САР показана на рис. 61. В качестве чувствительного элемента давления пара используется контактный манометр 7, стрелка которого через щит управления 5 и усилитель 4 осуществляет управление электродвигателем 8, который через редуктор и механическую передачу изменяет открытие топливорегулирующего клапана 9 и шибера воздуховода.

Рис. 61. Схема САР вспомогательного котла теплохода

При повышении давления пара до 5,8 кгс/см² клапан 9 и шибер воздуховода находятся в положении, близком к полному закрытию, при этом замыкается конечный выключатель (на схеме не показан), срабатывает электромагнитный клапан 1, прекращается подача топлива к главной форсунке 2. После срабатывания клапана 1 через 20—30 с автоматически останавливаются котельный вентилятор, топливный насос и привод форсунки.

При снижении давления пара до 5 кгс/см² валик клапана 9 поворачивается в обратную сторону, освобождает конечный выключатель, в результате чего последовательно включаются форсуночный насос, дутьевой вентилятор и привод форсунки, а через 20—30 с после этого открывается электромагнитный клапан 1.

Предусмотрено не только автоматическое регулирование процесса горения, но и защита от повышения давления пара и от обрыва факела, а также регулирование минимального давления дутьевого воздуха.

В том случае, если при повышении давления свыше 5,8 кгс/см² система автоматического регулирования не сработала и основная форсунка продолжает работать, при достижении давления до 7 кгс/см² срабатывает реле давления 6 и замыкает цепь аварийной защиты котла. При срабатывании защиты закрываются электромагнитные клапаны 1 и 3 основной и запальной форсунок. После этого котел вводится в действие вручную.

Регулирование уровня воды осуществляется при помощи электромеханического регулятора системы «Игема».

При изменении уровня воды в барабане котла перемещается поплавок А и закрепленная на нем магнитная пластинка g. На направляющих поплавках расположены стеклянные ампулы а, b, d, внутри которых размещены контакты. Расположение ампул с контактами соответствует нормальному и предельно допустимому уровню воды.

При достижении пластинкой g высоты, на которой расположена ампула b, происходит размыкание контактов в этой ампуле, закрытие электромагнитного питательного клапана 4 и прекращение подачи воды в котел.

При достижении пластинкой g ампулы а происходит открытие клапана 4.

При дальнейшем снижении уровня, когда пластинка g достигнет ампулы d, включается аварийная сигнализация и прекращается процесс горения, что осуществляется при срыве факела запальной (дежурной) форсунки, впуске воды либо повышении давления пара до 7 кгс/см².

Рекомендуем посмотреть лекцию "5 Основная теорема кинематики (первая теорема Гельмгольца)".

Утилизационные котлы, использующие тепло выхлопных газов главных двигателей, обычно оборудуются системами автоматического регулирования уровня воды и давления пара.

Система автоматического регулирования уровня выполняется по типу систем, применяемых на вспомогательных котлах.

Регулирование давления может осуществляться путем перепуска части выхлопных газов помимо утилизационного котла.

В утилизационных котлах с вертикальными дымогарными трубками иногда давление пара регулируют изменением уровня воды, т.е. за счет изменения поверхности, омываемой водой. В этом случае САР уровня воды как таковая отсутствует. Для поддержания постоянного значения давления пара при уменьшении нагрузки уровень воды в котле автоматически понижается, а при увеличении нагрузки — повышается.

Вопросы для самоконтроля:

1. Назвать основные регулируемые величины в котлоагрегате судовом.
2. Назвать схемы регулирования горения в котлоагрегатах.
3. Привести системы защиты и сигнализации котлоагрегатов.
4. Регулирование вспомогательных котлоагрегатов.

Литература [3, 6, 10].