Курсовая работа: Автоматизация судовых паротурбинных установок

В практике эксплуатации морского судна систематически возникают различного рода возмущения котельной установки. Кроме колебаний по расходу пара, котельная установка получает возмущения по подаче топлива, воздуха и воды вследствие изменения режимов работы механизмов и систем, обеспечивающих их подачу, и т. п. Возможны отказы отдельных устройств и узлов котельной установки.

В этих условиях без автоматизации технологического процесса производства пара обслуживание судовых котельных установок становится все более затруднительным, а порой и невозможным. Даже самый квалифицированный обслуживающий персонал не в состоянии вовремя и всегда правильно оценить все возможные возмущения и принять соответствующие меры по регулированию. В результате при ручном регулировании котельной установки снижается ее экономичность, маневренность и надежность, увеличиваются износы. В связи с этим в настоящее время все судовые котельные установки оборудуют системами автоматического регулирования, которые полностью управляют технологическим процессом производства пара.

Учитывая, что процесс производства пара характеризуется многими величинами, скорость изменения которых в неустановившихся режимах достаточно велика, допустимые отклонения их от заданных значений ограничены узкими пределами, а также учитывая возможные отказы оборудования котельной установки и регулирующей аппаратуры, кроме систем автоматического регулирования, устанавливают устройства защиты и сигнализации.

Автоматика современной судовой котельной установки обычно состоит из систем автоматического регулирования топливосжигания, питания котлов водой, температуры перегретого пара, аварийной защиты и предупредительной сигнализации по срыву факела в топке, прекращению подачи воздуха в топку, повышению давления пара, отклонению уровня воды за допустимые пределы.

Автоматизация судовых котельных установок позволила не только уменьшить численный состав обслуживающего персонала и облегчить его работу, но и существенно приблизить режимы работы к оптимальным, т. е. повысить среднеэксплуатационный коэффициент полезного действия, надежность и долговечность оборудования, обеспечить его маневренность. Замена ручного управления автоматическим в зависимости от мощности судовой котельной установки и совершенства систем автоматического регулирования позволила уменьшить обслуживающий персонал на одного-двух человек, сократить расходы топлива на 0,7—3,1%, значительно уменьшить затраты на ремонт оборудования.

Основным возмущающим воздействием на котельную установку является изменение расхода пара. Кроме того, имеют место возмущающие воздействия со стороны подачи топлива, воздуха и воды вследствие изменения режимов работы соответствующих механизмов, теплообменных аппаратов. Возмущающие воздействия приводят к изменению давления и температуры производимого пара, уровня воды в котле, соотношения топливо-воздух.

Независимо от типа регуляторы давления пара не получают исчерпывающей информации по действительному расходу топлива, вследствие чего значение выходного сигнала из регулятора при одних и тех же нагрузках котла может быть неодинаковым. Величина выходного сигнала из регулятора обусловлена не только нагрузкой, но и положением топливорегулирующего органа, которое зависит от сорта топлива, температуры его подогрева, износов топливорегулирующего органа и распылителей форсунок. Так как выходной сигнал регулятора давления пара обычно является сигналом задания для регулятора подачи воздуха, это обстоятельство соответствующим образом влияет на отклонения коэффициента избытка воздуха и снижает экономичность котельной установки.

В переходных режимах работы котельной установки система автоматического регулирования должна обеспечить возможно меньшие отклонения давления пара, исключить подрыв предохранительных клапанов и уменьшить влияние контура регулирования давления пара па контур регулирования уровня воды. Кроме того, необходимо учитывать влияние контура регулирования давления пара на контур регулирования подачи воздуха. Последний налагает ряд существенных ограничений на процесс регулирования давления пара — необходимо исключить колебательность процесса при возможно меньших динамических рассогласованиях в подаче топлива и воздуха. Очевидно, что различные структуры регуляторов обеспечивают неодинаковое качество переходных процессов.

5. Вывод уравнения динамики котла как объекта регулирования

1. Судовой паровой котёл с естественной циркуляцией представляется как единая ёмкость, в которой аккумулируется тепло.

2. Пренебрегаем инерционными свойствами пароперегревателя.

3. Рассматривается только пароводяной тракт котла, при этом не затрагивается газовоздушный тракт.

4. Пренебрегаем физическим теплом топлива, питательной воды и воздуха подаваемого в топку котла.

5. Коэффициент избытка воздуха α принимаем оптимальным и постоянным при любых нагрузках котла.

Экспериментальные исследования динамических свойств судовых котлов показывают, что при возмущениях как внешних (расход пара), так и внутренних (расход топлива) разгонные характеристики по давлению пара несущественно отличаются от разгонных характеристик одноемкостных объектов со слабо выраженным самовыравниванием. Таким образом имеем упрощенное уравнение динамики котла как объекта регулирования давления пара – уравнение одноемкостного устойчивого объекта

(1)

- время разгона котла по давлению пара – время, в течение которого относительное изменение давления пара достигает величины, равной относительному ступенчатому изменению или , с;

- относительное изменение давления пара;

- относительное изменение подвода тепла к парообразующей части котла;

- относительное изменение паровой нагрузки;

Количество тепла, аккумулированного в котле, может быть определено как

– коэффициент аккумуляции тепла парообразующей части котла, показывающий, сколько нужно подвести (или отвести) тепла к парообразующей части котла, чтобы давление пара изменилось на 1 ;

– давление пара при номинальной нагрузке, . Значение может быть определено по формуле

где – коэффициенты, характеризующие соответственно долю воды, пара и метала в общей тепловой аккумуляции котла;

– объемы воды и пара в котле, ;

- масса металла котла, кг;

Коэффициенты могут быть определены из таблиц водяного пара как

Количество тепла, отведенного из котла:

где – расход пара – паспортная паропроизводительность котла, кг/с;

Тогда время разгона (с)

(2)

- энтальпия воды, ккал/кг;

Коэффициент самовыравнивания может быть определен как безразмерная разность частных производных по отводу и подводу тепла к парообразующей части котла:

(3)

где – количество тепла, отведенное с паром;