Расчет САР котла БКЗ-50-39ГМ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ЗАОЧНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
Специальность 220301
По АТПиП
Студента 5 курса:
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012 г.
Характеристика котла БКЗ-50-39ГМ:
- паропроизводительность- 50 т/ч (номинальная);
- 60 т/ч (максимально устойчивая);
- давление в барабане- 39 атм;
- температура перегретого пара- 430 0С;
- расход воды - 50 т/ч (номинальный);
- 65 т/ч (максимальный);
- расход газа- 5650 нм3/ч (при производительности 60 т/ч);
Котел оснащен:
- шестью газовыми горелками;
- дутьевым вентилятором типа ВД-18 с характеристикой 75600 мЗ/ч, 450 мм.вод.ст.;
- дымососом ДН-19ГМ с характеристикой 133400 мЗ/ч, 150 0С.
Рис. 2.2. Функциональная схема САР расхода топлива с коррекцией по давлению пара в барабане котла.
Котёл состоит
из верхнего и нижнего барабанов,
соединенных опускными и
- Характеризация объекта управления
Задачей системы автоматического управления паровым котлом является поддержание давления пара на выходе из котла в соответствии c технологическими требованиями. Регулирование осуществляется изменением подачи топлива в топку котла. При качественном способе регулирования температуры пара на выходе из котла определяет его тепло-производительность.
По каналу регулирования "расход топлива–давление пара" паровые котлы характеризуются значительной инерционностью.
Кроме того, в пределах допустимых отклонений следует поддерживать следующие величины:
- разрежение в топке – регулируется путем изменения положения заслонки, находящейся между топкой и дымососом, отсасывающего газы из топки;
- оптимальный избыток воздуха – регулируется изменением положения заслонки, находящейся между топкой и дутьевым вентилятором, нагнетающего в топку воздух;
К возмущающим факторам относятся: пульсации давления топлива и воздуха, изменение расхода сетевой воды, изменение температуры воздуха и т.п.
Таким образом, паровой котел как объект управления представляет собой динамическую систему с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами.
Система управления паровым котлом включает САР тепловой нагрузки, соотношения "топливо-воздух" и разряжения в топке.
3.1 Анализ существующих схем регулирования тепловой нагрузки
- Регулирование тепловой нагрузки по схеме "задание-расход топлива"
В данной схеме
регулирования регулятор
Рис.3.1. Структурная схема регулятора нагрузки парового котла.
- Анализ схем регулирования экономичности процесса горения
- Регулирование экономичности по схеме "топливо – воздух"
Данная схема
регулирования применяется при
сжигании в топке котельного агрегата
жидкого или газообразного
Регулятор соотношения топлива и воздуха получает два импульса: по расходу (давлению) топлива и давлению воздуха. В соответствии с графиком соотношения "топливо–воздух" регулятор воздействует на направляющий аппарат дутьевого вентилятора.
Рис.3.2.Структурная схема регулятора воздуха по соотношению "топливо - воздух".
- Регулирование экономичности по схеме "топливо – воздух" с коррекцией по давлению пара в котле
Введение
дополнительного
Рис.3.3.Структурная схема регулятора топлива с коррекцией по давлению.
- Анализ существующих схем регулирования разряжения в топке
- Регулирование разряжения по схеме "задание – разряжение"
В данном случае регулирующее устройство получает импульс по разряжению в топке от датчика разряжения и воздействует на направляющий аппарат дымососа, поддерживаю заданное оптимальное значение разряжения в топке.
Рис.3.4.Структурная схема регулятора разряжения.
- Регулирование разряжения с использованием динамической связи от регулятора воздуха
Такая схема регулирования
Рис.3.5. Структурная схема регулятора разряжения с динамической связью.
- Получение объекта модели
Чтобы рассчитать САР, необходима математическая модель объекта управления, т.е. уравнения, которые описывают процессы, происходящие в системе.
Модель динамики
объекта получена методом активного
эксперимента. Он заключается в снятии
переходных характеристик и определении
по ним коэффициентов передаточной
функции. Переходная характеристика -
это решение дифференциального
уравнения системы при
Для определения динамических характеристик объекта регулирования получены кривые переходных процессов соответственно при возмущениях регулирующим органом – расходом (давлением) топлива.
4.1 Расчет одноконтурной САР давления топлива
При ступенчатом открытии регулирующего клапана на 10 % получена зависимость изменения давления топлива, в общем топливопроводе с течением времени. При этом давление возросло на 0.3 кПа, что составляет 15 % от диапазона его измерения. Отсюда:
Коэффициент передачи измерительного преобразователя:
Коэффициент передачи исполнительного механизма:
Коэффициент передачи системы по каналу давление топлива равен:
Время запаздывания объекта
Рис. 4.1 Кривая разгона по каналу давление топлива.
Производится нормирование полученной кривой разгона с использованием следующей формулы:
Кривая разгона объекта может быть аппроксимирована передаточной функцией вида:
Кривая инерционной составляющей, была аппроксимирована в Linreg следующей передаточной функцией:
Погрешность аппроксимации – СКО = 0.0025
Рис 4.2. Модель одноконтурной САР давления топлива
Рис 4.3. КЧХ объекта
Для правильного функционирования регулятора необходимо рассчитать оптимальные настройки. Расчет настроек регулятора проводится двумя методами: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача.
\Рис 4.4. Выход одноконтурной САР давления по заданию
Таблица 4.1. Настройки регуляторов полученные с помощью программы LinReg
Параметр настройки |
ПИ-Регулятор (метод Ротача) |
ПИД-Регулятор (метод Ротача) |
Kp |
0,226 |
0,39 |
Tи |
2,38 |
1,83 |
Тд |
0 |
1,84 |
Рис. 4.5. Выход одноконтурной САР давления по внутреннему возмущению.
Рис 4.6. Варьированная АЧХ одноконтурной САР давления
Сравнение двух методов: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача в табл.4.1. показало что, с настройками ПИ регулятора по методу Ротача В. Я., при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания.
4.2 Расчет одноконтурной САР давления пара в котле
При ступенчатом увеличении давления топлива на 4 % от диапазона его изменения, получена зависимость изменения давления в котле барабана с течением времени. Давление возросло на 2,3%, что составляет 0,03 МПа от диапазона его измерения. Отсюда:
Коэффициент передачи измерительного преобразователя:
Коэффициент передачи исполнительного механизма:
Коэффициент передачи системы по каналу давление топлива равен:
Время запаздывания объекта
Рис. 4.7. Кривая разгона по каналу давление пара.
Производится нормирование полученной кривой разгона с использованием следующей формулы:
Кривая разгона объекта может быть аппроксимирована передаточной функцией вида:
Кривая инерционной составляющей, была аппроксимирована в Linreg следующей передаточной функцией:
Погрешность аппроксимации – СКО = 0.0043
Рис 4.8. КЧХ объекта
Для правильного функционирования регулятора необходимо рассчитать оптимальные настройки. Расчет настроек регулятора проводится двумя методами: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача.
Таблица
4.2. Настройки регуляторов
Параметр настройки |
ПИ-Регулятор (метод Ротача) |
ПИД-Регулятор (метод Ротача) |
Kp |
2,16 |
5,18 |
Tи |
19,5 |
14,17 |
Тд |
0 |
12 |
Рис 4.9. Выход одноконтурной САР давления пара в котле по заданию
Рис. 4.10. Выход одноконтурной САР давления пара по внутреннему возмущению.
Сравнение двух методов: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача в табл.4.2. показало что, с настройками ПИ регулятора по методу Ротача В. Я., при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания.
Рис
4.11. Варьированная АЧХ
Рис 4.12. Модель одноконтурной САР давления пара в котле
5. Расчет каскадной САР
Рис. 5.1. Структурная схема САР процесса горения по схеме расход топлива с коррекцией по давлению пара в котле.
Каскадные системы применяются для автоматизации объектов, обладающих большой инерционностью по каналу регулирования, если можно выбрать менее инерционную по отношению к наиболее опасным возмущениям промежуточную координату и использовать для нее то же регулирующее воздействие, что и для основного выхода объекта.
Вследствие
более высокого быстродействия внутреннего
контура в каскадной АСР
Моделирование объекта осуществляется в пакете Matlab Simulink.
Рис. 5.2. Модель эквивалентного объекта в программе MatLab Подавая ступенчатое возмущение по каналу давления топлива получаем кривую разгона эквивалентного объекта. Производится нормирование и рассчитывается передаточная функция эквивалентного объекта в программе Linreg.
Рис 5.3. Переходная характеристика эквивалентного объекта
Полученную кривую разгона эквивалентного объекта обрабатываем также, как и при идентификации объектов управления по каналам давления топлива и давления пара в котле. В результате получаем передаточную функцию эквивалентного объекта:
Рис 5.4. КЧХ эквивалентного объекта
Для правильного функционирования каскадной системы автоматического регулирования необходимо найти оптимальные настройки основного регулятора. Определим настройки для ПИ- и ПИД-регулятора методом Ротача. Для этого воспользуемся программой LinReg.
Рис 5.5. Выход каскадной САР по заданию
Рис 5.6. Выход каскадной САР по возмущению
Таблица
5.1. Настройки регуляторов
Параметр настройки |
ПИ-Регулятор (метод Ротача) |
ПИД-Регулятор (метод Ротача) |
Kp |
0,78 |
1,68 |
Tи |
19,3 |
14,3 |
Тд |
0 |
13,4 |
Сравнение двух методов: ПИ-регулятора Ротача и ПИД-регулятора Ротача в табл.5.1. показало что, с настройками ПИ регулятора по методу Ротача В. Я., при изменении задания, наблюдается наименьший выброс и время регулирования, наибольшая степень затухания.
Рис 5.7. Варьированная АЧХ каскадной САР
6. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР
Таблица 6.1. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР
Параметр |
Одноконтурная САР |
Каскадная САР | ||
По заданию |
По возмущению |
По заданию |
По возмущению | |
Максимальный выброс |
30,5% |
25% |
23,4% |
8,5% |
Время регулирования |
140 сек |
175 сек |
130 сек |
140 сек |
Степень затухания |
0,855 |
0,816 |
0,889 |
0,9 |
Рис 6.1. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР по заданию
Рис 6.2. Сравнение работы одноконтурной и каскадной САР по возмущению
Таким образом,
сравнивая работу одноконтурной
системы регулирования и
7. Моделирование САР с учетом нелинейностей
Для более полной оценки качества работы рассчитанной системы автоматизации добавим в нее нелинейности. Модель каскадной САР с учетом нелинейных элементов представлена на рис. 7.1.
Учтем следующие типы нелинейностей:
- Нечувствительность
- Насыщение
- Люфт
7.1 Нечувствительность
Зону нечувствительности определим по формуле:
где D - предел измерения входного сигнала элемента;
K - класс точности элемента.
Таким образом, зона нечувствительности:
Датчик давления топлива: DР=40*0,01=0,40 кПа;
Датчик давления пара в котле: DP=1600*0,01=16 кПа;
Зона нечувствительности исполнительного механизма, для того что бы он не работал в каждый момент времени. Это можно обеспечить задав 0,5% зону нечувствительности исполнительного механизма;
7.2 Насыщение
Зона насыщения
исполнительного механизма
7.3 Люфт
Техническими условиями эксплуатации исполнительных механизмов предусмотрено, что люфт исполнительного механизма не должен превышать 5-10%. Зададимся максимально допустимым значением, т.е. 10%.
Рис.
7.1. Схема для моделирования
По полученным
переходным процессам (Рис. 7.2, 7.3) видно,
что в данной системе наличие
нелинейных элементов приводит к
возникновению статической
В целом работа
системы с наличием нелинейных элементов
отклоняется от работы идеальной
каскадной АСР незначительно, но
при изменении задания
Рис. 7.2. Переходный процесс каскадной САР по заданию с учетом нелинейных элементов
Рис. 7.3. Переходный процесс каскадной САР по возмущению с учетом нелинейных элементов
Список использованной литературы.
1. Стефани
Е.П. Основы расчета настройки
регуляторов
2. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. – М.: Энергия, 1973. – 440 с.
3. Воронов
А.А. Основы теории
4. Суриков В.Н., Буйлов Г.П. Методическое пособие АТПиП 2010г.