Определение управляемой величины. В первую очередь необходимо управлять температурой пара на выходе из котла. Поэтому управляемой величиной является температура перегретого пара за пароперегревателем. Для улучшения процесса управления, а также для защиты пароперегревателя от повышенных температур в систему управления вводятся величины температуры пара из других доступных мест пароперегревателя.
В парогенераторах с промежуточным перегревом пара управляемыми величинами отдельных контуров управления являются также температуры пара на выходе из ступеней промежуточного перегрева.
Для измерения температур пара, в особенности в крупных парогенераторах, преимущественно применяются термопары, а в некоторых случаях и термосопротивления. При этом особо важное значение имеет правильное конструктивное исполнение защитных кожухов термопар, так как в противном случае передаточные функции ухудшаются в результате дополнительного запаздывания.
В парогенераторах старых конструкций, не имеющих электрических систем управления, а также вспомогательных котлах находят применение и другие типы измерителей, как, например, жидкостные термометры и дилатометры.
Способы управляющего воздействия. Существуют многочисленные способы управления температурой перегретого пара за основным и промежуточным пароперегревателями, обзор которых приведен в работе. Однако для судовых котельных установок сложились определенные типовые решения, которые рассматриваются ниже.
а) Охладители поверхностного типа. Такие охладители различных конструкций применяются для управляющего воздействия на температуру перегретого пара. На рис. 1 показана схема, в которой пароохладитель помещен в водяном пространстве барабана котла и пар охлаждается кипящей водой. Воздействие на температуру оказывается путем изменения расходов охлажденного и неохлажденного пара с последующим смещением их обоих. Характерными свойствами этого способа являются хорошая управляемость и инертность динамического состояния.
Рис. 1. Управление температурой пара путем его охлаждения в поверхностном охладителе.
б) Перепуск дымовых газов. Способ управления с помощью дымовых газов основан на изменении тепловой нагрузки двух включенных параллельно газоходов с помощью заслонок (исполнительных органов) и иллюстрируется рис. 2. Пароперегреватель находится в одном из этих газоходов. Путем поворота заслонок перераспределяются расходы тепла на генерирование и перегрев пара. Недостатком этого метода является низкая точность стабилизации в установившемся режиме.
Рис. 2. Управление температурой пара путем поворота заслонок в газоходах.
Рис. 3. Управление температурой пара путем охлаждения впрыском.
в) Охлаждение впрыском. На рис. 3 представлена схема, иллюстрирующая способ охлаждения впрыском. Охлаждающее действие основано на снижении энтальпии пара за счет распыления питательной воды или конденсата в потоке пара. Исполнительным органом является клапан в трубопроводе впрыскиваемой воды. Этот метод обеспечивает хорошую управляемость и благоприятные динамические свойства.
Передаточные функции объекта управления. Основным звеном объекта управления температуры пара является участок пароперегревателя, расположенный между местом приложения управляющего воздействия и местом измерения управляемой величины. Рассмотрим передаточные функции для разных входных величин, так как они могут существенно отличаться друг от друга.
а) Температура пара на входе в пароперегреватель. Изменения температуры пара при входе В пароперегреватель Фвх являются следствием влияния многих факторов перед управляемым участком пароперегревателя и имеют, таким образом, характер возмущающего воздействия. Кроме того, при управляющем воздействии на стороне отвода пара (охлаждение впрыском и охладители поверхностного типа) изменения могут быть вызваны самим управляющим воздействием.
Входные величины описанного типа проходят через весь пароперегреватель и имеют в соответствии с этим весьма инертный динамический характер.
б) Поток пара. Изменения расхода пара qnc приводят к противоположному изменению температуры на выходе из пароперегревателя. Так как теплоотдача через стенки трубок происходит во всех частях пароперегревателя почти одновременно, то передача возмущающих воздействий имеет лишь незначительное запаздывание.
в) Изменение мощности топки. Динамическое состояние выходной температуры пара при изменении теплового режима топки QT можно приближенно сравнивать с рассмотренной выше динамикой изменения количества вырабатываемого пара. Изменения теплового режима носят характер возмущающего воздействия для температуры пара, однако при управлении перепуском дымовых газов они могут быть вызваны также и самим процессом управления.
Диаграмма сигналов пароперегревателя показана на рис. 4.
Задача определения передаточных функций пароперегревателя физико-математическим путем в настоящее время может считаться в значительной мере решенной.
Рис. 4. Диаграмма движения сигналов пароперегревателя с охлаждением впрыском.
Практические расчеты в большинстве случаев ведутся по передаточным функциям типа
Автоматическое управление температурой пара. Блок-схема простои системы управления температурой перегретого пара с управляющим воздействием на дымовые газы показана на рис. 5. Она удовлетворяет лишь невысоким требованиям в отношении точности и применяется, главным образом, на небольших парогенераторах.
Схема управления реализуется во многих случаях с помощью пневматических или электропневматических средств.
Более высокую точность стабилизации можно достигнуть, как правило, только с помощью многоконтурных схем управления. Наиболее подходящими решениями являются управление со вспомогательной управляющей величиной, а также каскадное управление. В обоих случаях кроме основной управляемой величины — температуры перегретого пара на выходе из пароперегревателя — контролируется также температура непосредственно при входе в пароперегреватель. Благодаря этому уже на ранней стадии процесса регулирования система реагирует на возмущающие воздействия, действующие на входе и особенно неблагоприятные в динамическом отношении. Однако при таком управлении их можно компенсировать прежде, чем они пройдут через пароперегреватель и окажут влияние на управляемую величину.
Каскадная схема управления температурой перегретого пара с охлаждением пара впрыском питательной воды изображена на рис. 6. Она обеспечивает высокое качество управления, но требует наличия двух регуляторов. Для следящего регулятора обычно достаточна П-характеристика, в то время как управляющий регулятор целесообразно выполнять для исключения остаточных отклонений управляемой величины в виде ПИ-регулятора. Схема управления температурой пара промежуточного пароперегревателя имеет, как правило, более простую структуру. Однако для защиты промежуточного пароперегревателя схема сочетается часто с контуром управления, обеспечивающим закрытие заслонок газохода этого пароперегревателя при частоте вращения вала турбины ниже определенной величины, а также на заднем ходу.
Рис. 5. Простое управление температурой перегретого пара.
Рис. 6. Многоконтурное управление температурой перегретого пара (каскадная схема).
УР — управляющий регулятор; CP — следящий регулятор; 0пп.вх — температура пара на входе в пароперегреватель; ^пп.вых — тем» пература пара на выходе из пароперегревателя.