Принципиальные и структурные схемы систем автоматического регулирования тепловой нагрузки

Схемы систем регулирования тепловой нагрузки весьма разнообразны и определяются видом компоновки электростанции (блочная или с поперечными связями), вида сжигаемого топлива (жидкое или газообразное, угольная пыль), способа пылеириготовления при сжигании угольной пыли, режима работы парогенератора (регулирующий или базовый). В настоящем разделе рассматриваются лишь основные, наиболее часто применяемые на практике схемы автоматизации тепловой нагрузки.

Как уже отмечалось ранее, паропроизводительность парогенератора должна соответствовать количеству потребляемого пара и что показателем такого соответствия является постоянство давления пара в любой точке парового тракта. При этом регулирующим воздействием, предназначенным для компенсации внутренних и внешних возмущений, является расход топлива.

Изменение расхода жидкого или газообразного топлива, поступающего в топку парогенератора, осуществляется с помощью регулирующих клапанов или поворотных заслонок.

При сжигании угольной пыли способ подачи ее в топку и изменение расхода топлива определяются способом пылеприготовления.

В системах пылеприготовления с прямым вдуванием пыли в топку применяются быстроходные, среднеходные молотковые мельницы и мельницы-вентиляторы. Топливо, поступающее в мельницу, размалывается, подсушивается и выносится в топку первичным воздухом. Количество угольной пыли, вносимой в топку, зависит от загрузки мельницы топливом и расхода первичного воздуха.

Системы пылеприготовления с прямым вдуванием пыли в топку применяются сравнительно редко. Чаще всего применяются системы пылеприготовления с промежуточным бункером.

В системах пылеприготовления с промежуточным бункером угольная пыль обычно приготовляется в тихоходных шаровых барабанных мельницах. Измельченная угольная пыль подхватывается и уносится из мельниц воздухом в циклон, где пыль отделяется от воздуха. Угольная пыль из циклона поступает в промежуточный бункер, где происходит ее накопление. Из промежуточного бункера угольная пыль с помощь пылепитателей сбрасывается в пылепроводы и, смешавшись с первичным воздухом в виде аэросмеси через горелки, подается в топку. В связи с тем, что емкость промежуточного бункера достаточна для работы парогенератора в течение нескольких часов, режимы работы системы пылеприготовления и парогенератора не зависят друг от друга. Расход топлива в топку регулируется одновременным изменением частоты вращения электродвигателей всех пылепитателей парогенератора.

К качеству работы АСР тепловой нагрузки предъявляются следующие требования [8]:

• • поддержание в регулирующем режиме работы котла давления пара перед турбиной или общей магистралью Р_м с ошибкой не более двух процентов от номинального значения АР_м < 0,02 • Р_ном;
• • при работе котла в базовом режиме поддержание расхода пара с отклонением не более 3% от заданного значения;
• • при исходной номинальной нагрузке и ступенчатом изменении задания по нагрузке в 10% от номинальной, процесс регулирования должен обеспечить величину интегральной квадратичной оценки при работе в базовом режиме / < 1200 (%²) — с, при работе в регулирующем режиме I < 1000(%²).с, где

Экономически и технологически обоснованным критерием качества работы АСР тепловой нагрузки является минимум интегрального критерия.

при апериодическом переходном процессе [7].

Постоянство давления в любой точке парового тракта свидетельствует о балансе между количеством генерируемого и потребляемого пара. Обычно регулирование давления производят в барабане парогенератора или перед потребителем.

Регулирование давления пара в барабане парогенератора предпочтительней, чем перед потребителем с точки зрения подавления внутренних возмущений. Это связано с тем, что по отношению к внутренним возмущениям импульс по давлению пара в барабане парогенератора имеет меньшую инерционность, чем импульс по давлению пара перед потребителем. Схема регулирования тепловой нагрузки парогенераторов работающих на общую паровую магистраль с регулированием давления пара в барабанах приведена на рис. 2.21. В этой схеме для каждого парогенератора К, и К₉ импульс по давлению с датчика 1 поступает на регулирующее устройство 2. Регулирующее устройство воздействует на исполнительный механизм 3, который при посредстве регулирующего органа 4 изменяет расход топлива в топку. В качестве регулятора в этой схеме может быть применен регулятор, реализующий ПИ-закон регулирования. Как показывает практика, применение ПИ-закона регулирования дает удовлетворительные результаты. При внутренних возмущениях регулятор тепловой нагрузки быстро приводит в соответствие выделяющееся в топке и потребляемое тепло, обеспечивая высокую стабильность поддержания нагрузки параллельно работающими парогенераторами. При этом внутренние возмущения, возникшие в одном из парогенераторов, практически нс пройдут к другим парогенераторам.

При всех своих достоинствах (простота и быстрое устранение внутренних возмущений) рассматриваемая схема регулирования имеет серьезные недостатки. Так, при внешних возмущениях возможно перераспределение нагрузки между параллельно работающими парогенераторами. Это связано с тем, что распределение нагрузок между парогенераторами зависит от величины сопротивления парового тракта между точкой отбора пара потребителем и барабаном каждого парогенератора. К недостаткам следует отнести и то, что давление пара регулируется в барабанах парогенераторов, а не у потребителя. Поэтому приведенная схема регулирования тепловой нагрузки применяется весьма редко.

Рис. 2.21. Схема регулирования нагрузки парогенераторов с регуляторами давления в барабанах

Схема регулирования тепловой нагрузки, лишенная указанных недостатков, представлена на рис. 2.22. В этой схеме сигнал по давлению в общей магистрали или у потребителя поступает с датчика давления 5 на вход корректирующего регулятора б, формирующего воздействия на локальные регуляторы тепловой нагрузки. При возникновении внешнего возмущения вес регуляторы тепловой нагрузки одновременно участвуют в стабилизации давления пара в общей магистрали или у потребителя на заданном значении. С помощью корректирующего регулятора (его иногда называют главным регулятором) можно установить требуемое относительное распределение нагрузки между параллельно работающими парогенераторами. В качестве корректирующего регулятора обычно применяют регулятор, формирующий ПИ-закон регулирования.

К недостатку рассматриваемой схемы можно отнести возможность перераспределения нагрузки между парогенераторами в переходных режимах при внутренних возмущениях в связи со значительной инерционностью импульса по давлению пара в барабане. С этой точки зрения для увеличения быстродействия регулятора тепловой нагрузки вместо импульса по давлению пара в барабане целесообразно применение импульса по «теплу». В отличие от импульса по давлению пара в барабане импульс по «теплу» имеет в несколько раз меньшую инерционность и обеспечивает более высокую динамическую точность работы АСР. Принципиальная схема АСР тепловой нагрузки с применением импульса по «теплу» представлена на рис. 2.23.

Рис. 2.22. Схема регулировании нагрузки парогенераторов с регуляторами давления в барабане и корректирующим регулятором.

Рис. 2.23. Применение импульса по тепловосприятию в схеме регулятора тепловой нагрузки

В приведенной схеме АСР тепловой нагрузки импульс по «теплу» представляет собой сумму двух сигналов: сигнала по расходу пара D_{n п}, формируемого датчиком 8 расхода пара, и сигнала по производной от давления пара в барабане dP^/clt, формируемого датчиком / давления пара в барабане и дифференциатором 7.

Структурная схема АСР тепловой нагрузки с импульсом по «теплу» представлена на рис. 2.24. На этой схеме:

Sj — задание корректирующему регулятору;

— задание стабилизирующему регулятору; f_D — возмущение нагрузкой;

Wp к (р) ~ передаточная функция корректирующего регулятора;

W_{p с}(р) — передаточная функция стабилизирующего регулятора;

Wp о (р) — передаточная функция регулирующего органа;

Wвр₆{р) ~ передаточная функция объекта регулирования по каналу «расход топлива — давление в барабане котла»;

Wp (р) — передаточная функция датчика давления;

Wgp (р) — передаточная функция объекта регулирования по каналу «расход топлива — давление в паровой магистрали»;

^диф (_Р) ~ передаточная функция дифференциатора;

W_BD(p) — передаточная функция объекта регулирования по каналу «расход топлива — расход пара от котла»;

W_D(p) ~ передаточная функция датчика расхода пара;

Wp _t (р) — передаточная функция датчика давления в магистрали;

Wjр (р) — передаточная функция объекта регулирования по каналу «возмущение нагрузкой — давление в магистрали»;

Wfp^ (р) — передаточная функция объекта регулирования по каналу «возмущение нагрузкой — давление в барабане»;

Wfo (p) — передаточная функция объекта регулирования по каналу.

«возмущение нагрузкой — расход пара»;

k" _ч, к_{п ч 2}? к_{п ч} з — масштабирующие коэффициенты;

Р_м — давление пара в общей магистрали.

Рис. 2.24. Структурная схема АСР тепловой нагрузки

Изменение импульса по «теплу» косвенно определяет изменение расхода топлива в топку. При постоянном тепловыделении в топке импульс по «теплу» не должен изменяться. Эго положение определяет условие настройки импульса по «теплу». Характер изменения импульса по «теплу» и его составляющих при внешнем и внутреннем возмущениях иллюстрирует рис. 2.25.

При внешнем возмущении и постоянном тепловыделении в топке изменяются расход пара D_{n п} и давление пара в барабане Р₆. Для того чтобы в этом случае импульс по «теплу» не изменялся, сигнал с датчика расхода пара U_D и сигнал на выходе дифференциатора U_m± должны изменяться в противоположных направлениях (рис. 2.25, а). Изменение этих сигналов в одном направлении должно происходить лишь при внутренних возмущениях (рис. 2.25, б).

Рис. 2.25. Характер изменения импульса по «теплу» и его составляющих

В практике автоматизации парогенераторов для схем систем автоматического регулирования приняты сокращенные наименования. Так, например, рассматриваемая схема системы регулирования тепловой нагрузки с корректирующим регулятором и импульсом по «теплу» получила название «Электронный корректирующий прибор — тепло» или сокращенно «ЭКП — тепло».

Рис. 2.26. Схема регулирования нагрузки парогенератора «ЭКП-топливо»

В случае сжигания жидкого или газообразного топлива с постоянной теплотой сгорания количество тепла, выделившегося в топке при сгорании топлива, прямо пропорционально расходу топлива. Учитывая, что измерение расхода жидкого или газообразного топлива не вызывает технических трудностей, то вместо косвенного способа измерения расхода топлива с помощью импульса по «теплу» в схеме регулирования тепловой нагрузки применяют импульс по расходу топлива (рис. 2.26). Практическая безынерционность импульса по расходу топлива обеспечивает высокое быстродействие и динамическую точность стабилизации расхода топлива.

В схеме на рис. 2.26 корректирующий регулятор 2 получает сигнал по давлению пара в магистрали или у потребителя от датчика давления 1 и формирует сигналы задания для локальных регуляторов тепловой нагрузки (регуляторов топлива). Регулирующие устройства регуляторов тепловой нагрузки 3 воздействуют на исполнительные механизмы б, изменяя расход топлива В с помощью регулирующего органа 5. Импульс по расходу топлива поступает на регулирующее устройство 3 от датчика расхода 4.

Схема системы автоматического регулирования тепловой нагрузки с корректирующим регулятором и импульсом по расходу топлива получила название схемы «ЭКП — топливо». Структурная схема такой системы регулирования приведена на рис. 2.27, где fV_B(p) — передаточная функция датчика расхода топлива, а остальные обозначения соответствуют обозначениям, принятым на рис. 2.24.

Рис. 2.27. Структурная схема АСР тепловой нагрузки со стабилизацией расхода топлива