Автоматическое регулирование и контроль прямоточных паровых котлов

13.2.2.1 Прямоточный паровой котел как объект управления

Принципиальная схема технологического процесса, протекающего в прямоточном котле, изображена на Рисунке 13.21, схема циркуляционного контура - на Рисунке 13.22.

Последовательно соединенные поверхности нагрева прямоточного котла можно представить в виде змеевика, в один конец которого поступает питательная вода, а из другого выходит перегретый пар. Этот змеевик укрупненно может быть разделен на три части: водяную, водопаровую и паровую. Положение точки начала пере­грева, определяющей границу между испарительной и перегревательной частями, может изменяться в зависи­мости от паропроизводительности, количества подводимой теплоты и расхода питательной воды.

В прямоточном котле в отличие от барабанного расход питательной воды оказывает непосредственное воздействие на расход, температуру и давление пара на выходе. В нем тесно связаны регулирование теплового и материального балансов. Существенно усложняется и регулирование температуры перегрева первичного пара.

На нее одновременно влияют изменения расхода питательной воды и подачи топлива. Это приводит к необходимости увеличения числа впрысков до 3-4 и расхода воды на впрыск до 10% общего количества выработанного пара. Впрыс­ки на прямоточном котле оказывают заметное влия­ние на расход и параметры перегретого пара.

Упрощенная схема связей между входными и вы­ходными величинами прямоточного котла представлена на Рисунке 13.23. Для прямоточных котлов сохраняются задачи регулирования процесса горения, тепловой нагрузки и перегрева пара. Кроме того, добавляется задача регулирования температурного режима пароводяного (первичного) тракта от его начала до первого регулируемого впрыска.

Рисунок 13.21 – Принципиальная технологическая схема прямоточного котла: 1 – дутьевой вентилятор; 2 – дымосос; 3 – воздухоподогреватель; 4 – водяной экономайзер; 5 – нижняя радиационная (испарительная) часть; 6 – переходная зона; 7, 8 – радиационный и конвективный пароперегреватель; 9 – пароохладители.

Рисунок 13.22 – Принципиальные схемы пароводяного тракта прямоточного котла: 1 – водяной экономайзер; 2 – испарительная часть; 3 – переходная зона; 4 – средняя радиационная часть; 5, 6 – ступени пароперегревателя; 7 – пароохладитель.

Рисунок 13.23 – Структурная схема вход-выход прямоточного котла.

13.2.2.2 Регулирование тепловой нагрузки и температурного режима первичного тракта

Общие положения. Регулирование тепловой нагрузки, характеризуемой давлением и расходом пара, требует совместного и согласованного изменения В_ти D_п.в.. В свою очередь температурный режим первичного трак­та, характеризуемый температурой пара в промежуточ­ной точке тракта до первого впрыска T_п.р., зависит от со­отношения расходов воды и топлива и влиять на него также можно посредством любого из этих регулирую­щих воздействий. Поэтому АСР подачи топлива и пита­тельной воды для прямоточных котлов следует разра­батывать и налаживать совместно.

Схемы автоматического регулирования подачи топ­лива и питательной воды разделяются по виду основных сигналов, используемых для поддержания заданной теп­ловой нагрузки и стабилизации температурного режима первичного тракта.

В качестве основного сигнала для системы регулиро­вания температурного режима первичного тракта ис­пользуются расход питательной воды D_п._в., количество теплоты D_qили же непосредственно температура T_п.р.. В качестве основного сигнала, характеризующего фак­тическую тепловую нагрузку котла, применяются: рас­ход питательной воды D_п._в.,количество теплоты D_q и расход топлива B_т (на газомазутных установках). О на­грузке котла, работающего в моноблоке с турбиной, можно судить также по мощности турбогенератора N_э, давлению в камере регулирующей ступени турбины Р_р, положению регулирующих клапанов турбины Н_кл, если давление пара перед турбиной поддерживается посто­янным, и др.

Характеристика участка регулирования по тепловой нагрузке. Сигнал по теплоте у современных прямоточных котлов формируется в промежуточной точке пароводя­ного тракта. Промежуточный сигнал D_q^пр формируется в результате суммирования трех сигналов:

1) „видимого" расхода пара D_пр^вид в промежуточном се­чении тракта до первого впрыска (Рисунок 10.22); отличие «видимого» расхода от действительного D_пр^д связано с отклонениями плотности пара в месте установки сужающего устройства от принятого расчетного значения.

2) скорости изменения давления в том же месте (Рисунок 13.22) (вводится для компенсации отклонения расхода пара, связанного с изменением аккумулированной теплоты при возмущениях нагрузкой);

3) давления пара P_пр в месте установки сужающего устройства (вводится для компенсации влияния откло­нения этого давления от расчетного значения на “види­мый” расход).

Различие между сигналами по теплоте на выходе D_q и в промежуточной точке тракта D_q^пр заключается в том, что основной составляющей первого является действи­тельный расход пара D_пп^д (при поддержании P_п.п.и Т_п.п. вблизи постоянных значений), а второго - видимый D_пр^вид, который зависит не только от действительного расхода, но и от параметров пара, вследствие чего соотношение расхода воды D_п._в. и промежуточной тепло­ты D_q^пр можно использовать в схемах регулирования температуры.

Способы и схемы регулирования. В зависимости от функций, выполняемых регуляторами топлива и возду­ха, существуют разновидности способов и схем регули­рования.

Два основных варианта схемы регулирования пита­ния и топлива с контролем температурного режима пер­вичного тракта по соотношению сигналов промежуточ­ная теплота-расход водыпредставлены на Рисунке 13.24.

Первый вариант - регулятор питания (РП), действующий по сигналам задание-вода, поддержи­вает нагрузку агрегата с соответствии с заданием. Регу­лятор топлива (РТ), действующий по соотношению сигналов промежуточная теплота-вода, стабилизирует температурный режим первичного тракта.

Второй вариант — регуляторы РП и РТ меня­ются местами: тепловую нагрузку поддерживает регу­лятор топлива, а температурный режим-регулятор пи­тания.

Рисунок 13.24 – Схемы регулирования тепловой нагрузки и температурного режима: а – первый вариант; б – второй вариант; Д – дифференциатор; ДП – динамический преобразователь; РТ – регулятор топлива; РП – регулятор питания; РО – регулирующий орган.

Сопоставим приведенные варианты схем регулирования питания и топлива.

В первом варианте контур регулирования тепловыделения не оказывает влияния на контур регулирования питания. Во втором - между ними существует некоторая связь, так как промежуточная теплота реагирует не только на расход топлива В_т, но и на расход питательной воды.

Для поддержания необходимого температурного режима пер­вичного тракта требуется, чтобы существовал достаточный диапазон регулирования топлива в первом варианте и питания - во втором.

Сопоставляемые АСР по-разному реагируют на возмущения топ­ливом и нагрузкой.

Рисунок 13.25 – Переходные процессы в АСР температурного режима: а – при возмущении топливом; б – при возмущении нагрузкой.

Сравниваемые варианты примерно равноценны. По­этому определяющим фактором при выборе одного из них служат длительные испытания в условиях эксплуатации и сравнительный анализ переходных процессов с привлечением интегральных или статистических показателей качества.

Общим и основным недостатком схем регулирования температурного режима первичного тракта по соотно­шению сигналов теплота — вода является необходимость их тщательной статической настройки {совмещения ста­тических характеристик сигналов по теплоте и воде) и ограниченная статическая точность из-за погрешностей датчиков и приборов расхода.

Регулирование температурного режима с непосредст­венным контролем температуры рабочей среды. В схемах с непосредственным контролем температуры рабочей среды статическая погрешность (остаточное отклонение) существенно меньше (1,5—3 раза), чем в схемах, дей­ствующих по соотношению вода — теплота. Это объяс­няется значительно меньшей допустимой погрешностью датчиков температуры по сравнению с датчиками расхо­да. К тому же в этих схемах отпадает необходи­мость в периодическом и тщательном совмещении стати­ческих характеристик двух или нескольких первичных приборов расхода и давления.

В большинстве случаев в схемах регулирования с не­посредственным контролем Т_пр поддержание нагрузки котла возлагается на регулятор питания, действующий по схеме задание -вода (Рисунок 13.24, а), а поддержание температурного режима — на регулятор топлива.

Рассмотрим некоторые варианты схем.

Вариант I. Основным сигналом служит темпера­тура пара в промежуточной точке тракта Т_пр. В качестве опережающих, поступающих на вход регулятора топли­ва через дифференциатор (Д), используются сигналы по температуре дымовых газов (внутренний опережающий сигнал) θ_г и по расходу питательной воды (внешний опережающий сигнал). Для изменения внешнего сигнала в широком диапазоне значений в схеме предусматрива­ется динамический преобразователь (ДП) с изменяемы­ми коэффициентами настройки.

Достоинства рассматриваемого варианта АСР: бы­страя реакция на топочные возмущения (τ=8-10 с); независимость настройки внешнего опережающего сиг­нала; относительная простота настройки собственно ре­гулятора топлива и дифференциатора с использованием отработанной методики расчета настроек. Его недостаток - сравнительно быстрый износ газовых термоприемников, контактирующих с агрессивной средой, и пульсация сигнала θ_г. В настоящее время взамен сигна­ла по θ_г применяется менее инерционный сигнал по из­лучению факела θ_ф. Он формируется с помощью не­скольких параллельно включенных радиационных пиро­метров, устанавливаемых в верхней части топки и визи­руемых на факел. Вариант опробован и внедрен на большем числе пылеугольных котлов различной мощно­сти.

Рисунок 13.26 – Схема регулирования температурного режима с непосредственным контролем температуры пара в промежуточной точке тракта: I-III – варианты схем регулироания.

Вариант II. Отличается от первого только тем, что вместо сигнала по θ_г используется сигнал по расходу топлива В_т (Рисунок 13.26).

Вариант III (Рисунок 13.26). Отличается от первого и второго применением опережающего сигнала по темпе­ратуре воды перед зоной максимальной теплоемкости (ЗМТ) θ_змт. Этот сигнал, являясь более инерционным по сравнению с θ_г и θ_ф, все-таки сравнительно быстро реа­гирует на возмущения топлива (τ=15 с) и водой (τ=40 с). В то же время температуру воды проще и на­дежнее измерить, чем температуру топочных газов или излучение факела.

К недостаткам схемы следует отнести зависимость динамики участка по каналу В_т- θ_змт от режимных фак­торов, влияющих на положение ЗМТ, и как следствие этого ухудшение качества процессов регулирования в резкопеременных режимах, вызываемых возмущения­ми нагрузкой и температурой питательной воды. Схема опробована и внедрена на ряде мощных котлов.

Для всех трех вариантов схем отсутствует прямая взаимосвязь между контурами питания и топлива. Ха­рактер переходных процессов, вызванных топочными возмущениями, остается таким же, как для схемы теп­лота— вода. При возмущениях нагруз­кой во всех трех вариантах достигается соответствие расходов воды D_п.в.и топлива В_тв динамике, что необ­ходимо по условиям допустимых отклонений температу­ры Т_пр1.

Выбор того или иного варианта схемы регулирования подачи топлива с непосредственным контролем темпера­туры пара определяется типом прямоточного котла, его параметрами и видом сжигаемого топлива. Исключение составляет лишь вариант II для газомазутных котлов, в котором регулятор топлива и питания можно поменять местами (рисунок 13.27). Это не ведет к усложнению схемы в целом. Выбор варианта должен основываться на срав­нении переходных процессов и результатах испытаний при включенной АСР подачи воздуха.

Рисунок 13.27 – Схема регулирования температурного режима для котлов работающих на газомазутном топливе

13.2.2.3 Регулирование экономичности процесса горения

Схемы регулирования экономичности процесса горе­ния прямоточных котлов строятся в зависимости от вы­бранных вариантов схем регулирования тепловой нагрузки. В частности, могут использоваться схемы: на­грузка-воздух при регулировании по дачи топлива по схеме нагрузка - теплота; во­да-воздух (Рисунок 13.28) при регулировании по­дачи топлива по схеме теплота - вода; топливо - воздух при газовом или жидком топливе.

Введение корректирующею сигнала но содержанию свободного кислорода О₂ во всех схемах обеспечивает более точное поддержание коэффициента избытка воз­духа.

Разрежение вверху топки регулируется так же, как и в барабанных котлах.

Рисунок 13.28 – Регулирование подачи воздуха прямоточного котла по схеме вода воздух с коррекцией по О₂: 1 – регулятор экономичности процесса горения; 2 – регулирующий орган подачи воздуха; 3 – корректирующий регулятор по содержанию О₂.

13.2.2.4 Регулирование перегрева пара

Регулирование температуры первичного перегрева. Регулирование температуры перегрева пара в прямоточ­ных котлах представляет собой более сложную задачу по сравнению с барабанными, так как по условиям тем­пературного режима металла поверхностей нагрева ее следует стабилизировать по всей длине пароперегревательного тракта. При этом необходимо поддерживать неизменным местоположение точки начала перегрева или границы между испарительным и перегревательным участками.

Перегревательная часть прямоточных котлов состоит из отдельных последовательно включенных участков, разграниченных конструктивно и размещенных в различ­ных температурных зонах газового тракта. Поверхности нагрева отдельных участков, соединительные трубопро­воды и паросборные коллекторы, а также устройства впрыска охлаждающей воды образуют объект регулиро­вания. Последний представляет собой сложную динами­ческую систему, подверженную воздействию многих воз­мущений. Температура на выходе каждого участка ста­билизируется с помощью автономных автоматических регуляторов, воздействующих на впрыскивающие устрой­ства, устанавливаемые между отдельными поверхностя­ми нагрева. Динамические характеристики пароперегревательных участков могут быть получены эксперимен­тально или по данным теплового расчета.

Рисунок 13.29 – Регулирование температуры первичного пара: 1-3 – ступени пароперегревателя; 4 – сужающее устройство; 5, 6 – пароохладитель; 7 – дифференциатор; 8 – регулятор температуры перегрева первичного пара на выходе из котла; 9 – предвключенный регулятор температуры перегретого пара; 10 – вспомогательный корректирующий регулятор; 11 – регулирующий клапан.

Способы и схемы регулирования. Регулирование тем­пературы пара последовательно включенных перегревательных участков первичного тракта осуществляется с помощью АСР впрысков, работающих по двухимпульсной схеме.

На Рисунке 13.29 изображена принципиальная схема авто­матической системы регулирования температуры первич­ного пара одного из контуров прямоточного котла с дву­мя впрысками. Введение дополнительного входного сиг­нала по заданию (расходу пара — вариант а) для регулятора 9, первого по ходу пара впрыска, позволяет поддерживать температуру пара на выходе промежуточ­ной ступени пароперегревателя в соответствии с тепло­вой нагрузкой агрегата. Переменный сигналпо заданию может быть сформирован и по положению регулирующе­го органа регулятора, второго по ходу пара впрыска (вариант б). В этом случае сигнал от датчика положе­ния исполнительного механизма поступает на вход вспо­могательного корректирущего регулятора, а с его выхода - на вход регулятора первого впрыска 10.

Регулирование температуры вторичного перегрева. На современных мощных паротурбинных установках преду­сматривается повторный перегрев пара после (ЦВД) турбины. Температура вторичного пере­грева пара также должна поддерживаться с высокой точностью в допустимых пределах при различных на­грузках турбины и изменениях топочного режима котла.

Конструктивные особенности участка регулирования и его динамические свойства определяются выбранным способом регулирования вторичного перегрева пара.

Способы и схемы регулирования. Для регулирования перегрева применяются различные способы. При этом регулирование с помощью впрыска оказывается неэкономичным: пар, образовавшийся в результате испарения охлаждающей воды, не проходит через цилиндр высокого давления турбины, что приводит к снижению КПД теплосиловой установки, Для регулирования температуры вторичного перегрева пара обычно используются поверхностные теплообменники.

1. Регулирование с помощью паропарового теплообменника (ППТО). Конструктивно ППТО представляет собой вынесенный из газоходов котла корпус, выполненный из трубы большого диаметра (300—400 мм), внутри которого проходят змеевики труб малого диаметра, укрепленные в трубных досках. Внутри этих змеевиков проходит греющий пар - частично перегретый пар(до 450—520°С) первичного тракта; внутри трубы большого диаметра встречно проходит пар вторичного тракта с температурой 320—350 °С.

Принципиальная схема автоматической системы регулирования температуры вторичного перегрева пара с помощью ППТО приведена на Рисунке 10.30 (пунктирная линия а).

Регулирование температуры вторичного перегрева пара производится путем изменения его расхода через ППТО с помощью трехходового клапана и обводного паропровода. В качестве резервного средства регулирования на случай чрезмерного повышения Т_в.п. предусматривается аварийный впрыск.

2. Регулирование с помощью газопаропарового теплообменника (ГППТО). Теплообменник сконструирован по принципу труба в трубе и представляет собой размещенную в газоходе систему змеевиков из труб диаметром 60x3,5 мм, внутри каждой из которых проходят две трубки диаметром 16X3 мм. По трубкам малого диаметра движется греющий пар первичного тракта; навстречу ему по трубам большего диаметра проходит пар вторичного тракта. Трубы большего диаметра обогреваются топочными газами снаружи, что требует их надежного охлаждения. В связи с этим через змеевики большего диаметра пропускается весь пар вторичного тракта и регулирование его температуры осуществляется путем изменения расхода греющего пара.

Принципиальная схема регулирования температуры вторичного перегрева пара с помощью ГППТО изображена на Рисунке 20.30 (пунктирная линия б).

Способы регулирования с помощью теплообменников экономически целесообразны, однако недостаток их состоит в появлении существенных взаимосвязей между системами регулирования первичного и вторичного перегрева пара. Кроме того, эти способы не всегда обеспечивают достаточный диапазон регулирования.

3. Регулирование перепуском части пара (в обвод конвективной поверхности нагрева вторичного пароперегревателя - паровой байпас). Принципиальная схема регулирования при использовании парового байпасирования изображена на Рисунке 13.31.

Конструктивно вторичный “холодный пакет” 1 размещается в зоне сравнительно низких температур газов, а “горячий пакет” 2выносится в зону высоких температур газов. Тепловосприятие пароперегревателя регулируется трехходовым клапаном 3, перепускающим часть “холодного” пара помимо первого пакета на вход второго. При таком способе регулирования температура вторичного перегрева пара практически не зависит от работы АСР температуры первичного перегрева. В то же время диапазон регулирования может быть достаточно широким.

Рисунок 13.30 – Схема регулирования температуры вторичного пара с помощью паропарового или газопарового теплообменников: 1-3 – ступени вторичного пароперегревателя; 2 – паровой или газопаровой теплообменник; 4 – термопара; 5 – дифференциатор; 6 – регулятор температуры пара на выходе; 7 – пароохладитель; 8 – трехходовой регулирующий клапан; 9 – обводной клапан; 10 – аварийный впрыскивающий пароохладитель.

Рисунок 13.31 – Схема регулирования температуры вторичного пара перепуском части пара помимо холодного пакета пароперегревателя

ПИ-регулятор температуры 4действует от двух сигналов - по отклонению температуры на выходе из вторичного пароперегревате­ля (основного) и дополнительного (исчезающего), сформированного с помощью дифференциатора 5и датчика 6, установленного после смешения холодного и частично перегретого пара.

На случай чрезмерного повышения Т_в.п. предусматривается дополнительный впрыск 7, управляемый автоматическим регулятором 8. Заданное значение Т_в.п. основного регулятора 4 устанавливается меньшим, чем у регулятора 8, с тем, чтобы клапан аварийного впрыска 9 в нормальном режиме работы был закрыт. Кроме того, наличие блокировки в электрической схеме управления предусматривает возможность открытия клапана 9 лишь после полного открытия трехходового клапана.

4. Газовое регулирование. Изменение тепловосприятия пароперегревателя вторичного тракта может быть достигнуто за счет изменения количества теплоты, передаваемого поверхностям нагрева топочными газами. При этом можно воспользоваться тремя способами:

а) регулирование путем изменения количества газов, проходящих через пакеты вторичного пароперегревателя, посредством перераспределения потока газов между газоходами конвективного пароперегревателя и водяного экономайзера. Принципиальная схема этого варианта газового регулирования изображена на Рисунке 13.32, а. Регулирующие органы - поворотные заслонки, с помощью которых осуществляется перераспределение газового потока, должны быть выполнены из жаропрочного материала и оборудованы специальной системой воздушного охлаждения;

б) регулирование путем изменения температуры топочных газов перед пароперегревателем. Этот способ предусматривает изменение температуры топочных газов при помощи поворотных горелок или переключения ярусов работающих горелок, иными словами, путем смещения ядра факела по высоте топки Однако положение факела а гонке зависит также от ряда других причин (неравномерности подачи пыли, загрязнения поверхностей нагрева, герметичности топки и т. п.) ив свою очередь оказывает влияние на все параметры агрегата. Поэтому этот способ целесообразно применять лишь при отладке топочного режима;

в) регулирование путем одновременного изменения количества и температуры топочных газов перед пароперегревателем посредством рециркуляции уходящих газов в нижнюю часть топки. Принципиальная схема этого способа регулирования изображена на Рисунке 13.32, 6. В этом случае часть потока уходящих газов специальным вентилятором рециркуляции 5 направляется в нижнюю часть топки. В результате снижается температура факела, уменьшается тепловосприятие радиационных поверхностей нагрева, затягивается процесс сгорания топлива, что приводит к увеличению температуры и скорости газов на выходе из топки и в конечном итоге к увеличению тепловосприятия конвективных поверхностей нагрева первичного и вторичного пароперегревателей.

Рисунок 13.32 – Газовое регулирование температуры вторичного пароперегревателя: а – перераспределением потока газов; 1 – вторичный пароперегреватель; 2 – водяной экономайзер; 3 – поворотные заслонки; б – рециркуляцией топочных газов; 1 – перегреватель вторичного пара;2 – водяной экономайзер; 3 – воздушный подогреватель; 4 – дымосос; 5 – дымосос рециркуляции; 6 – регулирующие заслонки.

Применение рециркуляции приводит к некоторому увеличению потерь с уходящими газами и расхода электроэнергии на тягу. Однако этот способ, помимо возможности регулирования температуры вторичного пара воздействием на производительность вентилятора рециркуляции, позволяет уменьшить поверхность вторичного перегревателя по сравнению с другими способами регулирования.

На вход автоматических регуляторов вторичного перегрева пара при газовом регулировании подаются два сигнала: первый основной,- по Т_в.п., второй упреждающий (исчезающий) - по температуре газов перед вторичным пароперегревателем.

Наличие промежуточного пароперегревателя и нежелательность поддержания температуры вторичного пара с помощью впрысков существенно усложняют задачу регулирования перегрева пара в целом. Различные способы газового регулирования Т_в._п позволяют расширить диапазон действия АСР, но нарушают стабильность топочного режима, оказывают влияние на условия теплообмена первичных пароперегревателей. Поэтому их используют лишь в комбинациях с другими способами регулирования или при отладке топочного режима для получения требуемых статических характеристик пароперегревателей. Для непрерывного регулирования температуры вторичного перегрева пара с помощью автоматических регуляторов чаще всего используют теплообменники и паровое байпасирование.

Дата добавления: 2015-03-29