Автоматизация вспомогательных котельных установок

 

Транспортные и пассажирские суда с дизельными, газотурбинными и ядерными СЭУ оборудуются вспомогательными котельными установками, которые обладают рядом особенностей по сравнению с главными котельными установками паросиловых СЭУ. В частности расход топлива вспомогательных котлов сравнительно мал, поэтому регулирование соотношения топливо-воздух для них не имеет существенного значения. Уровень воды и давление пара изменяются довольно медленно, поэтому часто применяют релейное (позиционное) регулирование, а в ряде установок – непрерывное или комбинированное. Однако нагрузка (расход пара) изменяется в широком диапазоне от нуля до максимальной, что усложняет схему автоматического регулировании. Малая аккумуляция тепла вспомогательными котлами и ограниченная глубина регулирования форсунок осложняют подачу топлива.

Вспомогательные котлы, как правило, не имеют пароперегревателе ii и вырабатывают насыщенный пар невысоких параметров (0,4-1,7 МПа), необходимый для обеспечения хозяйственно-бытовых нужд, подогрева танков, тяжелого топлива, смазочного масла и т. и. Паропроизводительность котлов 0,25-10 т/ч.

По назначению вспомогательные котельные установки подразделяются на три группы:

- паровые, для производства водяного пара;

- водогрейные, для получения горячей воды;

- смешанные, для получения пара и горячей воды.

На промысловых судах типа РТМС, БМРТ, плавучих базах, производственных рефрижераторах вспомогательные паровые котлы обеспечивают паром технологические процессы обработки рыбы и приготовления рыбной продукции. Паропроизводительность котлов достигает 40 т/ч при рабочем давлении пара около 5 МПа. В таких котлах важно регулировать подачу соотношения топлива и воздуха, что определяет их экономичную работу. При оптимальном соотношении топлива и воздуха уменьшаются расход топлива, дымность и сажеобразование.

Вспомогательные котлы танкеров имеют также сравнительно большую паропроизводительность, чем котлы транспортных судов, так как они обеспечивают работу турбоприводных грузовых насосов и подогрев груза в танках. Системы автоматического регулирования (САР) таких котлов мало отличается от САР главных котлов судов с пароэнергетическими установками.

В современных вспомогательных котельных установках применяют:

водотрубные котлы с естественной циркуляцией при паропроизводительности свыше 1 т/ч;

огнетрубные котлы, имеющие большую, чем водотрубные, теплоаккумулирующую способность; расход пара — до 1 т/ч.

В полностью автоматизированных котельных установках весь цикл работы котла, т.е. розжиг топлива, регулирование давления пара, уровня воды и температуры подогрева топлива, а также остановка котла и сигнализация при аварийных значениях регулируемых параметров, должен происходить по заданной программе без помощи обслуживающего персонала (непрерывная вахта на судах не предусматривается). При этом потребители должны обеспечиваться необходимым количеством пара заданных параметров, что осуществляется воздействием на три основных тракта котла: питательный, топливный, воздушный.

Система автоматического управления (САУ) вспомогательным котлом должна в соответствии с изменением нагрузки (расхода пара) обеспечивать подачу воды, топлива и воздуха в количестве, необходимом для надежной и экономичной работы, поэтому в основу функционирования большинства систем положен электромеханический принцип.

 

Рисунок 6.1 - Упрощенная схема автоматизации управления вспомогательным котлом.

 

Здесь БАУ — блок автоматического управления

1 - питательный насос; 2 — регулятор питании нормального уровня воды (Н_н < H < Н_в) — регулятор питания аварийного уровня воды (Н_min < H < Н_g); 4 — реле нормального давления (р_н < р < р_в); 5 — реле максимального значения уровня волы Н_max; 6 - фотореле; 7 — электрод зажигания; 8 — форсунка; 9 - регулятор вязкости тяжелого топлива; 10 — тяжелое топливо; 11 — легкое топливо; 12 — электромагнитный клапан; 13 — топливный насос; 14—водяной коллектор; 15 — трансформатор; 16 — вентилятор

Основным параметром, по которому осуществляется управление подачей питательной воды, является уровень воды.

Регуляторы могут быть одноимпульсными, двухимпульсными и многоимпульсными. На судах нашли широкое применение регуляторы типа «Мобрей» и «Игема»,

Регуляторы главных котлов двухимпульсные, работающие по комбинированному принципу, т. е. по отклонению регулируемой величины и по возмущению (нагрузке), или по уровню воды и расходу пара, либо трехимпульсные, работающие по уровню воды, расходу пара и воды (рис. 6.1).

Регулирование подачи легкого топлива (соляра) в топки вспомогательных котлов осуществляется двухпозиционным регулятором; регулируемой величиной является давление пара на выходе из котла. Система автоматически поддерживает заданное давление, периодически прекращая подачу топлива.

Подача тяжелого топлива (мазута) регулируется форсунками;

- паромеханическими; в диапазоне малых нагрузок схема работает как двухпозиционная, при остальных нагрузках — по принципу пропорционального регулирования;

- главной, которая подводит мазут и при малых нагрузках переходит на двухпозиционный режим работы, а при больших плавно изменяет подачу топлива и воздуха, и дежурной, которая подает соляр и топку котла и работает постоянно или отключается.

Соотношение между топливом и воздухом устанавливается зависимостью, определяемой опытным путем. CAP в общем случае обеспечивает:

- регулирование процесса горения в топках котла;

- регулирование питания;

- регулирование температуры подогрева и давления топлива;

- защиту и сигнализацию по параметрам: максимальному и минимальному уровню воды; максимальному давлению пара; наличию факела в топках котла; минимальному давлению воздуха; по температуре воздуха;

- сигнализацию по минимальному давлению пара.

Уровень воды в котле регулируется двухпозиционным регулятором 2 (см. рисунок 6.1).           

При уменьшении уровня ниже установленного нижнего Н _н включается электропитательный насос, который отключается при достижении верхнего уровня Н_в. Котел имеет защиту по верхнему предельно допустимому (аварийному) Н_maxв и нижнему Н_minн значениям уровней, которую обеспечивает регулятор питания 3. При срабатывании защиты по верхнему предельно допустимому значению Н_maxв отключается питательный насос 1.

Регулирование процесса горения в топке котла осуществляется при помощи реле нормального давления 4, настроенного на определенный диапазон давления р_н< р < р_в. При возрастании давления в котле выше р_в реле подает сигнал на закрытие электромеханического клапана 12 и на включение реле времени. Подача топлива прекращается, но в зависимости от настройки реле времени продолжается подача воздуха в топку для ее продувки. По истечении времени настройки (15-30 с) реле отключает электродвигатели M 1 вентилятора 16 и М2 топливного насоса 13. При понижении давления в топке до нижнего значения р_н реле давления 1 включает электродвигатели M 1 вентилятора 16 и М2 топливного насоса 13, а также подает питание на реле времени, которое через 15—30 с, необходимых для вентиляции топки, включает трансформатор зажигания 18 и электромагнитный клапан 12. Топливовоздушная смесь зажигается возникающей между концами электродов электрической дугой. При зажигании факела фотоэлемент (фотореле) 6 отключает трансформатор зажигания и реле времени и продолжает контролировать процесс горения.

Защита по максимальному давлению р_max вкотле осуществляется с помощью специального реле давления 5, которое прекращает процесс горения. Одновременно включается звуковая и световая сигнализации. Реле времени обеспечивает надежное вентилирование топки до зажигания факела во избежание возможности взрыва в топке или газоходе.

Защиту факела от срыва обеспечивает фотореле (фоторезистором) 6. При срыве факела отключается электромагнитный клапан 12, подача топлива прекращается, включается реле времени, контролирующее продувку топлива, и включается соответствующая сигнализация. На судах применяются отечественные огнетрубные котлы марки КОВ, КВА, КОАВ и (водогрейные) водотрубные марок KB, КАВ, КВС, КВВА.

Котлы зарубежной постройки весьма разнообразны по конструкции: водотрубные «Роуэн», «Ваходаг», «Вагнер», оборудованные автоматизированными топочными форсунками типа «Монарх» или центробежными форсунками типа «Саане», «Ваходаг», огнетрубные типов «Кохран», «Линдхольмен», «Сунрод», «Крупп», «Стимблок», «Паксман» и др.

Рассмотрим упрощенные уравнения динамики процессов в котле, отражающие основные принципиальные закономерности. Анализ таких уравнений позволит сформулировать требования к системам управления.

Уравнения динамики котла по давлению пара определяются тепловым балансом, уравнения по уровню воды — материальным балансом.

Уравнение по давлению пара имеет вид

 

                                                 (6.1)

где  — тепловая мощность топлива, питающей воды, отбора соответственно, Вт; W_ak — тепловая энергия, аккумулированного в котле тепла, Дж.

Преобразуя и линеаризируя (6.1), получаем

 

,                                   (6.2)

 

где T_{a 1} — время регулирования котла (по давлению пара):

T_a1=50—80 с; k — коэффициент самовыравнивания, k =0,3÷0,8 > 0;

 — относительное приращение давления пара;

  р_к.н. - номинальное значение давления пара;

 — относительные изменения регулирующих органов: топливного, питательного, отбора пара соответственно;  — номинальные их значения; a ₁, а₂, а₃ — постоянные коэффициенты.

Паровой котел с естественной циркуляцией обладает свойством положительного самовыравнивания по отношению к изменению давления. Система регулирования статическая. С увеличением  и  давление пара возрастает, при увеличении  и  давление падает.

Уравнение по уровню воды имеет вид

                                                  (6.3)

где  — масса питательной воды и отводимого пара;  —масса воды и пара, аккумулированных в котле. Преобразуя и линеаризируя уравнение (6.3), получаем

 

,                       (6.4)

 

где Т_а2 — время регулирования котла (по уровню):

Т_а2 == 30— 100 с;  — относительное приращение уровня воды;

Н_б — базовое значение уровня воды; b ₁, b ₂, b ₃, b ₄ — постоянные коэффициенты.

Свойством самовыравнивания по уровню воды паровой котел с естественной циркуляцией не обладает.

Уровень воды в котле возрастает при увеличении , но убывает с возрастанием .

 

Вопросы для самопроверки:

 

1. Назначение автоматизации вспомогательных котельных установок

2. Назовите основные элементы системы автоматизации вспомогательных котлов

3. Назначение реле нормального давления

4. Напишите уравнения динамики котла по давлению пара к уровню

 

 

Топочная форсунка «Монарх»

 

Автоматизированная топочная форсунка «Монарх» (Германия) (рисунок 6.2) нашла широкое распространение на судах и используется на вспомогательных котлах различных типов и фирм. Эта система является электромеханической с параллельным воздействием на органы топливо- и воздухоподачи; она обеспечивает работу котла на дизельном либо тяжелом топливе. В последнем случае предусмотрен автоматический подогрев топлива периодическим включением и выключением электрического топливоподогревателя, а также подогрев сопл форсунки.

От электродвигателя 1 приводятся во вращение крылатка вентилятора 2 и вал топливного шестеренного насоса 9. Топливо из расходной цистерны через фильтр подводится к штуцеру 10 и насосом через электромагнитные клапаны 6 подается к двухсопловой форсунке 5. Расход топлива и качество распыления определяются его давлением в напорной магистрали, а регулируются натяжением пружины топливного золотника 11. Золотник поддерживает заданное давление топлива путем его обратного слива через штуцер 8 во всасывающий трубопровод перед фильтром.

Подача воздуха в топку определяется степенью открытия заслонок (шиберов) 12 и 13 всасывающего патрубка вентилятора. Положение заслонки 13 регулируется вручную установкой рукоятки 14 при работе обоих сопл форсунки, обеспечивая необходимую подачу воздуха для бездымного горения топлива. Заслонка 12 ограничивает подачу воздуха при работе одного сопла и открывается автоматически электрическим исполнительным механизмом второго сопла. Угол разворота этой заслонки, а следовательно, подача воздуха в топку регулируется установкой ограничительных упоров 15.

 

                                  Рисунок 6.2 - Топочная форсунка «Монарх»

1 - электродвигатель: 2 - вентилятор; 3 - фотоэлемент: 4 электроды зажигания;

5 - двухсопловая форсунка; 6 - электромагнитные клапаны; 7 - трансформатор; 8 - штуцер; 9 - топливный насос; 10 - штуцер; 11 - топливный золотник;

12, 13 — заслонки; 14 - рукоятка заслонки; 15 – ограничительные упоры;

16 - исполнительный механизм

Топливо при розжиге котла воспламеняется от искры между электродами 4, возникающей при подаче питания на высоковольтный трансформатор 7 зажигания. Контроль за наличием факела в топке ведется с помощью фотоэлемента 3.

Запуск системы топливосжигания исключается, если выключена система питания или уровень поды в котле ниже предельно допустимого Н_min. Выбор режима работы системы топливосжигания и ее включение производятся воздействием в определенной последовательности на органы управления программного механизма.

Рассмотрим одну из возможных систем управления (рисунок 6.3). При включении системы в автоматическом режиме с подогревом топлива получает питание электродвигатель программного механизма, если и котле нормальный уровень и: давление пара ниже 0,375 MПа и по сигналу от реле 5 - топливоподогреватель 6. Через контакты программного механизма и реле давления 2 включается электродвигатель М, приводящий во вращение вал вентилятора 18 и топливный насос 20. Вентилятор подает воздух втопку.

 

Рисунок 6.3 - Схема автоматизации топочного агрегата «Монарх»:

БАУ — блок автоматического управления, 1— датчики уровня; 2, 3, 4 — реле давления; 5 — реле температуры; 6 — топливоподогреватель; 7—13 — электромагнитный клапан; 8 — фотоэлемент; 9—10 — сопло; 11 — трансформатор зажигания; 12, 21 — золотник; 14, 16 — конечные выключатели; 15 — электрический исполнительный механизм; 17 —заслонка; 18 — вентилятор; 19 — фильтр; 20 — топливный насос; 22 — цистерна.

Насос 20 из цистерны 22 подает топливо в золотник 21, который под давлением пропускает основную часть топлива на топливоподогреватель 6, а часть — в топливопровод вновь, к насосу через фильтр 19. Нагретое топливо поступает к закрытому электромагнитному клапану 7 и в полость форсунки. Нагнетательный клапан первого сопла 10 форсунки закрыт золотником 12, поэтому топливо через нормально открытый электромагнитный клапан 13 вновь поступает в топливопровод и насос. Такой процесс продолжается, пока происходит вентиляция, а топливо нагревается. При нагреве топлива до заданной температуры по сигналу от реле температуры 5 отключаются нагревательные элементы топливоподогревателя и повторно включаются при снижении температуры, т.е. происходит позиционное регулирование температуры.

Программный механизм включает трансформатор зажигании 11 и электромагнитный клапан 13, который закрывается, давление топлива в форсунке возрастает, топливо через сопло 10 поступает в топку и воспламеняется от искры между электродами запала.

В дальнейшем программа выполняется по разрешающему сигналу фотоэлемента 5. Если топливо не воспламенилось на 24-й секунде, программный механизм останавливается, отключается электродвигатель М, включается световая сигнализация об отсутствии факела. При удавшемся розжиге программный механизм продолжает работать, и, если давление пара меньше 0,375 МПа, то на 37-й секунде реле давления 3 включает электрический исполнительный механизм 15, который увеличивает подачу воздуха при помощи заслонки 17 и через конечный выключатель 16 подает питание на электромагнитный клапан 7. Распыленное топливо через сопло 9 поступает в топку и воспламеняется от факела первого сопла. На 42-й секунде отключается трансформатор зажигания, а на44-й останавливается программный механизм. При росте давления до 0,4 МПа по сигналу реле давления 3 исполнительный механизм 15 уменьшает подачу воздуха и сопло 9 отключается. Если расход пара значительный, то при снижении давления до 0,375 МПа по сигналу от реле давления 2 отключается первое сопло и электродвигатель М, включается электродвигатель программного механизма, который приходит в исходное положение, подготовив систему к последующему пуску.

Повторный розжиг котла с включением первого сопла от реле 2 произойдет при снижении давления до 0,375 МПа, через 3с включается второе сопло, т.е. повторное включение произойдет быстрее, чем при первом розжиге.

В системе предусмотрена защита (прекращение горения топлива) с выдачей звукового и светового сигналов при срабатывании тепловой защиты электродвигателя М, достижении аварийного значения уровня воды в котле (но сигналу от датчика уровня 1), росте давления пара в котле до 0,5 МПа (по сигналу от реле давления 4), неплотном прилегании фланца форсуночного агрегата к фланцу топки (по сигналу от выключателя 14)и низкой температуре топлива (при тяжелом топливе).

При снижении расхода пара второе сопло можно отключить, но в этом случае снижается паропроизводительность.

 

Вопросы для самопроверки:

 

1. Назовите назначение топочной форсунки «Монарх»

2. Назовите режимы работы топочного устройства «Монарх»

3. Назовите ограничения топочного устройства

4. Назовите индикацию и сигнализацию топочного устройства