Курсовая работа: Автоматизация судовых паротурбинных установок
Паровые котлы, у которых часть парообразующей поверхности работает как водотрубная, а другая — как газотрубная, называются газоводотрубными.
Основные характеристики ВПК следующие; паропроизводительность D — количество производимого пара в единицу времени, кг/с; рабочее давление пара р — избыточное давление в пароводяном коллекторе (сепараторе), МПа; температура перегретого пара на выходе из пароперегревателя tп.п.°С; температура питательной воды на входе в экономайзер или в пароводяной коллектор (сепаратор) при отсутствии экономайзера tп.в. °С;
расход топлива В, кг/с; коэффициент полезного действия (КПД) этта, представляющий собой отношение полезно используемой теплоты к теплоте, которая выделяется при полном сжигании топлива, израсходованного за тот же промежуток времени, в долях единицы или в процентах; масса ПК без воды (сухая масса) Gд и с водой Gд+Gв, кг.
Водотрубные вертикальные вспомогательные паровые котлы с естественной циркуляцией являются самыми распространенными, особенно на морских судах. Некоторые из них выполняются с развитыми поверхностями нагрева, т. е. кроме парообразующих имеются и иные поверхности нагрева, другие ПК имеют только парообразующую поверхность нагрева.
Изображенный на рис. 1. водотрубный вертикальный паровой котел состоит из пароводяного коллектора 5, верхняя часть которого заполнена паром (эта часть называется паровым пространством). Нижняя часть пароводяного коллектора 5 вместе с водяным коллектором 10 и соединяющими их трубами 7, 8, 11 заполнена водой — эта часть называется водяным пространством,
Поверхность раздела парового и водяного пространств называется зеркалом испарения, уровень которого обозначается на всех схемах знаком у. Трубы 8 обычно располагаются вплотную друг к другу и образуют сплошной боковой экранный ряд (или просто экран); относительный шаг (отношение расстояния между осями двух соседних груб в ряду, называемые шагом S1, к диаметру трубы d) для такого ряда равен единице. Перед вводом в коллектор трубы 8 разводятся и образуют два ряда с относительным шагом S1/d=2. Трубы 11 составляют многорядный притопочный парообразующий пучок. Величина шага S1 в пучке является очень важным параметром, от которого зависит скорость газов, что в конечном итоге определяет тепловую напряженность в ПК.
Необогреваемые трубы 7, расположенные за сплошным экранным рядом труб 8, называются опускными. По ним парогенераторная вода из пароводяного коллектора 5 опускается вниз в коллектор 10 и далее поступает в трубы 8 и 11, Эти трубы обогреваются. и на внутренних стенках труб образуются пузырьки пара, которые вместе с водой поднимаются вверх; поэтому трубы 8 и 11 называются подъемными. Суммарная наружная поверхность всех подъемных труб составляет парообразующую поверхность нагрева ВПК.
При выходе из подъемных труб паровые пузыри проходят через слой воды и зеркало испарения в коллекторе 5 и попадают в его паровое пространство. Неиспарившаяся котловая вода смешивается в коллекторе 5 с непрерывно поступающей питательной водой (ПВ) и снова участвует в естественной циркуляции по описанной схеме.
Пространство, ограниченное передней 17 и задней 15 стенками, экранными трубами 8 и поверхностью, проходящей через оси труб первого ряда пригоночного пучка, называется топкой. Длина топки определяется размером Lт. Такую же длину имеют все остальные газоходы ВПК, где располагаются конвективные поверхности нагрева,
Топочное устройство 9, расположенное на передней стенке, состоит из форсунки 19, куда поступает топливо (Т), и воздудонаправляющего аппарата 18, через который в топку проходи необходимый для сгорания топлива воздух. В топке сгорает топливо и образуются продукты сгорания, имеющие высокую температуру, которые, двигаясь по газоходам ВПК, последовательно обогревают все поверхности нагрева и на выходе из котла имеют температуру tух.
За притопочным парообразующим пучком располагается пароперегреватель. Насыщенный пар (НП) из пароводяного коллектора 5 поступает во входной коллектор пароперегревателя и, проходя по трубам 12, перегревается. Из выходного коллектора перегретый пар (ПП) направляется к потребителям.
Рис. 1.1.1 Водотрубный вертикальный ВПК с естественной циркуляцией
За пароперегревателем располагаются так называемые хвостовые поверхности нагрева: экономайзер и воздухоподогреватель. Питательная вода в количестве, равном суммарному количеству отбираемого потребителями пара, питательным насосом подается во входной коллектор экономайзера, Из него вода поступает в параллельно включенные трубы 13, где подогревается, но не доводится до кипения. Из выходного коллектора экономайзера вода через питательный клапан 16 направляется в пароводяной коллектор.
Последним по ходу газов является воздухоподогреватель, который состоит из труб 14, закрепленных в нижней и верхней трубных досках 1. Газы проходят внутри труб. Снаружи трубы омываются воздухом (В), подаваемым вентилятором. Нагретый воздух поступает к топочному устройству.
Все стенки ВПК представляют собой прочный металлический каркас, к которому крепятся коллекторы, листы обшивки, покрытые теплоизоляционными материалами (на схемах заштрихованы). Обычно делают двойные стенки. Пространство между ними заполнено воздухом, подаваемым в воздухонаправляющий аппарат и далее в топку.
Передняя и задняя стенки топки и газоходов в районе парообразующего пучка и пароперегревателя с внутренней стороны выкладываются огнеупорным кирпичом. Такая кладка называется футеровкой.
Уровень воды и давление пара в пароводяном коллекторе контролируют с помощью водоуказательного прибора 6 и манометра 3. Для защиты ВПК от повышения давления выше допустимого служит предохранительный клапан 4.
Воздушный тракт котла состоит из комплекса оборудования и устройств для приема атмосферного воздуха, его подогрева. транспортировки и подачи в топку. Газовый тракт начинается в топке, проходит через парообразующие ПН, ПП, ЭК, ВП и заканчивается дымовой трубой. Воздушный и газовый тракты соединены между собой последовательно и образуют газо-воздушный тракт.
На ВПК устанавливают различную запорную арматуру: клапаны 2 для отключения пароперегревателя и разобщения ПК с потребителями, клапаны для продувки и др.
Развитие хвостовых поверхностей нагрева связано с усложнением конструкции, увеличением габаритов, массы и стоимости ВПК, а также с увеличением аэродинамического сопротивления движению воздуха и газов и расходов энергии на его преодоление. Поэтому ВПК, предназначенные для теплоснабжения судна, обогрева жидкого груза и работы паровых насосов, выполняют без хвостовых поверхностей и пароперегревателя; они имеют только парообразующую поверхность. Главное преимущество их заключается в простоте конструкции, компактности и более высокой надежности в работе (повышенный расход топлива, который имеет место при более низких значениях КПД, не имеет существенного значения в тепловом балансе всей энергетической установки).
2. Особенности эксплуатации объекта регулирования
Одними из основных регулируемых величин котла как объекта регулирования являются давление пара и уровень воды в пароводяном барабане. К регулированию этих параметров предъявляются высокие требования, так как их изменение в больших пределах влияет не только на технико-экономические показатели котельной установки в целом, но также на безопасность её работы и обслуживающего персонала. Нарушение этих требований может привести к серьёзной аварии и угрозе человеческой жизни. Итак, перечислим некоторые особенности эксплуатации котла с точки зрения показателей качества. В переходных режимах АСР должна поддерживать заданное давление пара, которое при изменении нагрузки котла от максимальной к минимальной в течение не менее 30 с не должно вызывать подрыва предохранительного клапана. Поскольку этот клапан настраивают на срабатывание при давлении рпр = 1,05 рн , где рн – номинальное давление в котле, то при сбросе нагрузки котла отклонение давления пара не должно превышать Dр=0,04 рн . При повышении нагрузки от минимальной к максимальной допускается несколько большая величина отклонения давления пара, а именно Dр=(0,1¸0,15) рн , поскольку оно определяется главным образом вскипанием воды в котле и, как следствие повышением уровня воды в барабане за пределы видимой части водомерной колонки. Давление пара в указанных пределах должно сохранятся при изменении расхода пара из котла со скоростью не более 1,5 % секунду при увеличении нагрузки и 3 % в секунду при сбросе нагрузки.
Автоматизация питания котлов водой не влияет на их коэффициент полезного действия, но имеет важнейшее значение для надежности эксплуатации энергетической установки и существенно облегчает ее обслуживание. В судовых котлах с естественной циркуляцией процесс регулирования питания в конечном счете сводится к поддержанию уровня воды в пароводяных барабанах в заданных пределах. Обычно отклонения уровня от заданного не должны превышать ± (50—100) мм.
При нарушении питания котлов водой уже через 1—2 мин отклонение уровня может превысить допустимое и вызвать серьезную аварию. Так, повышение уровня воды в пароводяном барабане увеличивает влажность пара, поступающего в пароперегреватель, и может привести к забросу воды в него и даже в турбину, что приведет к аварии пароперегревателя или турбины. Снижение уровня может нарушить режим циркуляции воды в котле, что повлечет за собой деформацию или пережог водогрейных и экранных труб.
Несколько слов о других особенностях эксплуатации СПК как объекта регулирования. Совершенство процесса горения топлива определяет экономичность работы котла и способствует защите окружающей среды от загрязнения. Подача топлива и воздуха в топки котлов должна осуществляться в определенном соотношении: как недостаточная, так и чрезмерная подача воздуха снижает КПД котла. Сжигание топлива с коэффициентом aизбытка воздуха, отличным от оптимального, увеличивает суммарные потери теплоты с уходящими газами и химическим недожогом (q2 + q3). Увеличение a повышает температуру точки росы, интенсифицируя коррозию низкотемпературных поверхностей нагрева, а уменьшение приводит к дымлению и повышенному загрязнению поверхностей нагрева. Для конкретных условий топливосжигания имеется определенное значение a, соответствующее минимуму потерь теплоты. Значение a для современных котлов незначительно и диапазон его изменений, в пределах которого обеспечивается бездымное горение топлива, мал. Поэтому соотношение подач топлива и воздуха в топку должно поддерживаться АСР с высокой точностью, обеспечивающей максимальный КПД котла или минимум потерь теплоты.
Также важно при проектировании АСР котла учитывать и такие особенности как:
1. давление топлива в напорной топливной магистрали не должно откланяться за пределы превышающиеDрт=(0,08¸0,1) ртн , где ртн – номинальное давление топлива;
2. наибольшее отклонение температуры подогрева топлива лимитируется качеством распыливания топлива форсунками и не должно превышать 5-8°С;
3. продолжительность любого переходного процесса в системе регулирования процесса горения не должна превышать 60-90 с.
3. Необходимость и целесообразность автоматизации объекта регулирования
Степень автоматизации котельных установок различна в зависимости от их назначения. В главных котельных установках полностью автоматизируется процесс генерации пара на стационарных режимах с любой паропроизводительностью и на всех переходных режимах, процесс защиты установки в аварийных ситуациях и процесс контроля параметров. Главные котельные установки, следовательно, оборудуют системами автоматического регулирования всего рабочего процесса, защиты и контроля параметров. Если на судне установлена система централизованного контроля параметров всей паротурбинной установки (ПТУ), то автоматизация контроля параметров котельной установки обычно осуществляется этой системой.
Автоматизация процессов регулирования и защиты полностью исключает необходимость участия человека в сфере управления этими процессами и поэтому действительно сокращает число обслуживающего персонала, позволяет более точно поддерживать заданные значения регулируемых величин и повышает надежность действия котельной установки. Поэтому стоимость используемых для этой цели технических средств быстро окупается достигаемым технико-экономическим эффектом.