1.1 Конструкция и работа котла

Топливо, сжигаемое в топке, выделяет определенное количество тепла, которое воспринимается активными поверхностями нагрева котла. Обычно это экранные водонагревательные трубки, которые, спускаясь из барабана котла, опоясывают топочное пространство и создают замкнутый контур циркуляции воды.

Тепло, передаваемое экранным трубам горячими газами, заставляет воду в трубах вскипать, и в последних образуется водяная смесь. Плотность такой смеси меньше плотности воды, поэтому нагретая пароводяная эмульсия подымается вверх по трубам и попадает в барабан котла, где пар отделяется от воды и занимает верхний объем барабана. По опускным необогреваемым трубам, которые внизу котла соединены с обогреваемыми трубами, на место ушедшей в барабан котла эмульсии поступает новая вода и снова образуется эмульсия, подымающаяся вверх. Таким образом, в котле создается постоянная циркуляция воды.

Образующийся пар собирается в барабане котла и через пароперегреватель поступает в паровую турбину. Продукты сгорания топлива (в виде топочных газов) отсасываются дымососом. На своем пути топочные газы омывают трубки пароперегревателя и водяного экономайзера. Вторичное использование тепла дымовых газов повышает коэффициент полезного действия, так как тепло используется для повышения энергетических показателей пара, а подогретая питательная вода, поступая в барабан, не охлаждает находящуюся там воду. Подогретая вода после водяного экономайзера поступает через питательный клапан в барабан, восполняя потери воды с отбираемым паром.

Топливо в топку поступает через отсечной клапан и регулирующий орган. Нормальный режим горения топлива обеспечивается подачей в топку воздуха от вентилятора. Для того чтобы поддерживать экономичный и устойчивый режим котельного агрегата, нужно прежде всего выбрать параметр, который лег бы в основу регулирования подачи топлива в топку.

В индивидуальных котельных агрегатах, работающих каждый на свою турбину, таким параметром является давление пара в барабане котла. Действительно, если в топке сгорает столько топлива, сколько требуется для образования пара, покрывающего его расход, то давление в барабане котла будет неизменным. Иначе говоря, подвод тепла к котельному агрегату от сгорающего топлива, с учетом коэффициента полезного действия, должен соответствовать уходу тепла с отбираемым паром.

Если количество пара, поступающего в топку, превышает расход тепла с уходящим паром, то парообразование в котле будет протекать более интенсивно и давление в барабане увеличится. Если количество тепла, отбираемое с паром, превышает тепло, подаваемое с топливом, давление в барабане котла будет падать.

Количество тепла, подаваемого в топку, может изменяться по причине изменения состава и калорийности топлива. Но, если считать, что состав подаваемого топлива не меняется, что соответствует действительности для газового и жидкого топлива, то изменение подачи топлива может быть вызвано только одной причиной - изменением количества отбираемого пара. Поэтому процесс регулирования подачи топлива называется регулированием нагрузки котла, а регулятор, ведущий этот процесс, называется регулятором нагрузки. автоматизация котлоагрегат барабан котел

Регулятор получает импульс давления в барабане котла и передает команду на исполнительный механизм, который перемещает регулирующий орган топлива. Регулятор не просто передает команду на регулирующий орган, он ее обрабатывает в соответствии с законами регулирования. Дело в том, что процесс образования пара в котле имеет определенную инерционность, т.е. с изменением подачи топлива не сразу изменяется количество выработанного пара. Причиной этого является то, что сам процесс образования пара происходит во времени, кроме того, часть тепла тратятся на нагревание топочных масс котла.

Для обеспечения процесса горения топлива в топку должно быть подано определенное количество воздуха, кислород которого необходим для полного сгорания топлива. Избыток подаваемого воздуха вызовет повышенный унос тепла с топочными газами и приведет к переохлаждению топочного пространства, а недостаточная подача воздуха - к неполному сгорания топлива.

В топку всегда подается небольшой избыток воздуха по сравнению с тем, который нужен для полного сжигания топлива. Этот избыток определяется коэффициентом избытка воздуха, который устанавливается при тепловых испытаниях котлоагрегата. Задача автоматического регулирования заключается в обеспечении подачи воздуха в строгом соответствии с этим коэффициентом. Если характеристика системы «топливо - регулирующий орган» линейна, т.е. перемещение регулирующего органа прямо пропорционально количеству топлива, подаваемого в топку, то сигнал о количестве подаваемого топлива можно снять с датчика дистанционной передачи исполнительного механизма регулирующего органа топлива. Этот сигнал воспринимается регулятором избытка воздуха, который отдает команду исполнительному механизму, служащему приводом направляющего аппарата вентилятора.

Топочные газы должны быть полностью удалены. Полного удаления продуктов сгорания можно достичь обеспечением определенной производительности дымососа. Для того чтобы топочные газы не выбивались из топки наружу, необходимо поддерживать определенное разряжение в топке котла. Вместе с тем, увеличение этого разряжения приводит к повышенному подсосу воздуха через неплотности в стенках котлоагрегата. В котел подается неподогретый воздух. Повышаются потери с отходящими газами, так как возрастает скорость дымовых газов, нерационально увеличивается расход электроэнергии на привод дымососа. Все это ведет к уменьшению коэффициента полезного действия котла.

Импульс разряжения снимается в верхней части топочной камеры в связи с тем, что в нижней части топки могут быть различного рода подсосы.

Поэтому, поддерживая разряжение в верхней части топки, можно быть уверенным, что в других частях топки разряжение может быть только больше, но не меньше. Импульс разряжения передается на регулятор, который через исполнительный механизм поворачивает направляющий аппарат дымососа.

Регулирование уровня в барабане котла осуществляется регулятором. Команда уровня передается на регулирующий клапан. При снижении уровня клапан открывается, при увеличении уровня - открывается.

Такой представляется упрощенная картина регулирования уровня. На самом деле на уровень в барабане котла влияет целый ряд факторов: тепловая нагрузка топки, давление пара в барабане котла, расход пара из барабана котла и подача питательной воды в барабан.

В установившемся состоянии теплового режима количество тепла, воспринимаемое экранными трубами, во времени постоянно и количество образовавшегося пара в котле соответствует количеству пара, отбираемому потребителем. При этом количество пузырьков пара в экранных трубках постоянно и постоянна плотность и объем пароводяной эмульсии.

Любое нарушение установившегося состояния теплового режима приводит к изменению соотношения между средним содержанием пара и воды в экранных трубах.

При увеличении тепловой нагрузки топки количество тепла, передаваемое поверхностям нагрева, увеличивается, следовательно, увеличивается интенсивность парообразования. Увеличение количества пузырьков пара в пароводяной эмульсии приводит к увеличению ее объема, что сказывается на уровне в барабане котла - уровень увеличивается. Увеличение давления в барабане котлоагрегата приведет к уменьшению содержания пара в пароводяной эмульсии, так как при повышенном давлении часть пузырьков пара в сконцентрируется и превратится в воду. Поэтому при повышении давления уровень будет понижаться.

Рассмотрим процесс изменения уровня при возмущении теплового процесса в случае увеличения нагрузки на котел.

Увеличение потребления пара потребителями при неизменной подаче топлива приведет к уменьшению давления в барабане котла, что вызовет увеличение объема пароводяной эмульсии, так называемое «набухание». В результате эффекта «набухания» уровень в барабане котла довольно значительно возрастет. Величина изменения уровня зависит от теплонапряженности поверхностей нагрева и количества воды, содержащейся в котле.

В котлах с большим водяным объемом, не имеющих экранных поверхностей, изменение уровня при изменении нагрузки почти не ощущается. В котлах с одним барабаном «набухание» уровня может достигнуть величины порядка сотен миллиметров.

Увеличение уровня в барабане котла воспринимается регулятором как сигнал к снижению подачи питательной воды. Уменьшение количества питательной воды, подаваемой в барабан котла, приведет к увеличению температуры воды, а следовательно, к еще большему «набуханию». Однако с увеличением нагрузки котла количество воды, уходящей в виде пара, увеличивается, что, в конце концов, приведет к устойчивому снижению уровня в барабане.

Таким образом, увеличение нагрузки сначала приведет к резкому увеличению уровня в результате «набухания», а затем к снижению его в результате повышенного расхода воды.

Для того чтобы регулятор реагировал на причины, вызывающие изменение уровня, он должен воспринимать сигналы не только уровня в барабане котла, но и расхода пара, а часто и расхода питательной воды, подаваемой в котел. Причем сигнал расхода пара подают в регулятор со знаком, обратным сигналу уровня.

В результате явления «набухания» уровень в барабане котла изменяется на столько быстро, что регулятор не может повлиять на величину этого отклонения. Даже полное закрытие клапана питательной воды в момент увеличения нагрузки почти не уменьшает отклонение уровня в процессе «набухания». Но если позволить регулятору полностью закрыть питательный клапан, то возникает опасность упуска уровня в последующий период, когда уровень начнет устойчиво снижаться за счет несоответствия подачи воды в барабан и расхода пара.

Поэтому при введении в регулятор сигнала по расходу пара процесс регулирования будет выглядеть следующим образом: в первый период после увеличения нагрузки регулятор, приняв сигнал увеличенного расхода пара, выдаст команду на питательный клапан и он начнет открываться; в следующий период начнется «набухание», этот сигнал заставит регулятор прекратить команду на открытие питательного клапана. Если после этого уровень в барабане не установится, а будет изменяться, то этот сигнал изменения уровня, не скомпенсированный сигналом расхода, снова приведет к перемещению питательного клапана до восстановления уровня.

Если питательный насос подает на параллельно работающие котлы, то при отключении одного из них давление, создаваемое питательным насосом, увеличится (вследствие уменьшения нагрузки насоса). Увеличение давления приведет к повышенному количеству воды, подаваемой в оставшиеся в работе котлы, вследствие чего уровень в них повысится. Для предупреждения подобного явления в регулятор заводят еще один сигнал - по расходу питательной воды.

Автоматический процесс регулирования теплового режима котельного агрегата, работающего на турбину, осложняется еще тем, что турбина и котел как объект регулирования имеют разные скорости разгона, т.е. скорости восстановления номинала параметра. Турбина может изменять потребление пара со скоростью, сопоставимой со временем закрытия регулирующих клапанов. Изменение выработки пара котлом происходит значительно медленнее. Поэтому при резком сбросе или наборе нагрузки давление пара в паропроводе перед турбиной может значительно меняться.

Для защиты от резкого повышения давления в паропроводе служит быстровключающаяся редукционно-охладительная установка (БРОУ). При сбросе нагрузки, когда давление пара быстро растет и регулятор нагрузки не успевает привести агрегат в нормальный режим, давление может подняться выше определенного предела, тогда регулятор давления открывает клапан БРОУ и сбрасывает излишек пара в конденсат турбины.

Обычно давление, на которое настроен регулятор давления, несколько выше настройки регулятора нагрузки, и до тех пор, пока регулятор нагрузки не приведет давление в барабане в норму, регулятор с помощью БРОУ будет поддерживать давление несколько выше нормального.

На тракте газового топлива обязательно устанавливается отсечной клапан. Его задачей является обеспечить отсечку газа в случае погасания факела в топке котла, иначе газ может выходить в помещение котельной. В качестве датчика погасания пламени используется фотоэлемент или термопара. Ток, проходя по обмоткам соленоида отсечного клапана, удерживает его в открытом состоянии. При погасании пламени выходной сигнал термопары уменьшается и клапан закрывается. При розжиге котла клапан открывается вручную.

Следовательно, котел представляет собой сложную динамическую систему с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами. Система управления барабанным котлом включает автономные системы регулирования процессов горения и парообразования, температур перегрева пара, питания и водного режима.