автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Управление судовыми вспомогательными котельными установками с утилизационными котлами (теория, разработка, реализация)

пе 0

Я ПОРСКАЯ АЩЕШ 2 ^ им . ац*. С.О.МАКАРОВА

На правах рукописи

СМОЛЬШ Алексей Юрьевич

чправлшр силовыми всгшзпшлыши ШКПЬНШ истмшвши С УТИЛИЗАЦИОНННМИ КОТЛАМИ (ТЕОРИЯ. РАЗРАБОТКА, РЕАЛИЗАЦИЯ)

Сппциальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элемента (главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических паук (в форне научного доклада)

Санит - Петербург

\т

Работа выполнена в Центральном ордена Трудового Красного Знамени нлучно-исследовательском и проектно--констрцкторгком институте морского флота С ЦККИИФе)

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, профессор

ФРПШ1ГП PofiepT Эдуардович

докт. техн. наук. профессор КЧРПП11 Пианий Григорьевич

докт. trxii. нлук

ПЕТИЯ Игорь Иванович

Редумла организация: ПО ШТНИСКОЕ МОРСКОЕ ПАРОХОДСТВО

Памита согтоится "¿6"".....kAscJ 13Я4г, п ¿У час. мин.

на заседании глгциалияирьванного соиста Д.101.02.01 в Государственной морской академии имени адм. С.0.Макарова по адресу: ЮПОП!). Санкт-ПстерОург. 21 линия. д.14-а, ауд. 21. Сам отзыв на диссертации в двух экземплярах, заверенной печатью учреждении, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Диссертации разослана jaji-t^u^j ig34r.

Мчвный секретарь гпрциаличирпванного говета

д.т.н.. профессор 1адобин II.Е.

ч

О*'«

!. ОБЩЯ ХПРПКТЕРИСТИКП РПБОТН

Актуальность проблемы. Одним из основных направлений развития научно-технического прогресса на современном этапе является создание энергосберегавжих и ресурсосберегащих технологий. Применительно к судовым энергетическим установкам (34) это означает разработку и использование технических ревений и организационных мероприятий. направленных на всемерное сокращение росходон натурального топлива и затрат на топливо, а также техническое обслуживание и ремонт энергетического оборудовании.

Полминстио морских судов с дизельными ЗУ оборудованы котельными установками, вклвчавчими как котлы на жидком топливе СВК3. так и утилизационные котлы СЯК). Схемы и комплектация вспомогательных котельных установок, а также способы управления ими били разработаны для применения на обычных транспортних судах и в неизменном виде применяется в течение многих лет как в намей стране, так и эа рубежом. Автоматическое управление ПК и УК обычно предусматривается только на основном режиме их использования, в то время как смена режимов использования котлов осуществляется вручную. В последние годы условия эксплуатации таких установок претерпели существенные изменения, заключающиеся прежде всего ь участившихся сменах режимов их работы. Повышение к.п.д. дизелей привело к уменьиению как ко-личоства. так и температуры выпускных газов, являвцихся источ-

никои теплоты для УК, Поэтому пара, производимого УК иа ряде режимов работы установки, часто оказывается недостаточно для обеспечения работы потребителей и необходима совместная работа его с ВК. Изменению режимов использования котельных установок способствует также применение УК в составе многорежимных ЗУ. При эксплуатации вспомогательных котельных установок в составе с безвахтенным обслуживанием эффективность применения УК существенно снижается, т.к. из-за необходимости выполнения вручную операций по управлении установкой при смене режимов се работы обслуживавший персонал зачастую отказывается .от использования УК, отдавая предпочтение ВК, работа которого не связана с работой двигателя. *

В этих условиях недостаточная разработанность методов управления, направленных на повышение эффективности и ш-димности котпльиых установок, а также повнженке степени использования УК, сдерживает реализации потенциальных возможностей утилизации теплоты отработавжих газов главных и вспомогательных дизелей в составе судовых 31).

Таким образом можно констатировать наличие проблемы, заключавшейся в необходимости разработки методов управления, обеспечивающих эффективное использование УК в составе вспомогательных котельных установок судов различных типов.

Диссертация является научным обобщением исследований и практических результатов, полученных автором в процессе решения этой проблемы в 1965-1993 г.г,, п том числе при выполнении отраслевой комплексной целевой программы "Повышение эффективности использования топливно-энергетических и материальных ресурсов на морском транспорте" минморфлота на 1986 - 1990 гг.

Цель работы. Исследование процессов управления судовыми

вспомогательными котельники установкам, содержаниям НК, и разработка основных концепций, способов и систем управления, направленных на повышение надежности таких установок и уменьшение расхода топлива при их эксплуатации.

Методы реаения поставленных задач. Основные научные результаты получены путем математического моделирования процессов управления УК с принудительной циркуляцией. При разработке математических моделей соискатель использовал как известные, так и составленные на основе собственных экспериментальных исследований представления о характере протекания физических процессов в элементах УК,

Личное участие автора закличается в получении научных результатов. отраженных п диссертации, в том числе и в работах, опубликованных в соавторстве, разработке и определении направлений, задач и принципиальных методических положений, проведении теоретических и экспериментальных исследований, их анализе. обобщении и использовании на различных этапах от научно-исследовательских работ до разработки технической документации ,

Научная новизна. При решении поставленной проблемы получены научные результаты, которые выносятся на зациту;

1. Разработка и исследование физических и математических моделей динамики процессов в судовых УК с принудительной цир-куляцирй при работе их в парообразующем режиме, а также при смене парообразующего и водогрейного режимов;

?.. Разработка основных требований к системам управления вспомогательными котельными установками дизельных судов, соде-

ржащими УК;

3. Новые эффективные методы (разработка, реализация) по держания ВК в готовности к подключению иод нагрузку при рабо УК и распределения тепловых нагрузок между ВК и УК при их со местной работе:

4. Разработка способа управления распределением тепло« нагрузок между несколькими УК. обогреваемыми независимыми и точниками газов переменной интенсивности. Разработка схем к тельных установок и алгоритмов управления ими, обеспечивав!*: реализации предлагаемого способа;

5. Разработка способов и систем управления УК, работавши! в условиях существенно переменной интенсивности обогрева, по; воляющих использовать УК на судах с многорежимными ЗУ (ледок( лы. суда ледового плавания, паромы и т.д.);

5, Постановка и ревение комплекса задач управления, напра! ленных на обеспечение эффективного и надежного исиользоваш УК в составе судовых дизельных ЗУ,

Практическая ценность работы заключается в;разработке ко» плекса технических рекений, обеспечивающих повыиение зффектиЕ ности и надежности УК в составе судовых ЗУ. а также ыатемат» ческих моделей УК с принудительной циркуляцией, позволяющих »; этапе разработки котельных установок исследовать процессы уг равления и выбирать способы управления и системы для их реали зации.

Реализация полученных результатов. Основные результаты исс ледования используются в ЦНИИ морского флота при рассмотреть технических заданий и проектов котельных установок судов.

Рекомендации по поддержании ВК в готовности к подклвчвни

под »лгрузку введение* его в контур циркуляции УК /8/ использованы в проекте модернизации котельных установок судов типа "Магнитогорск".

Рекомендации по поддержанию ВК в готовности к подклвчению под нагрузку /12/ и оптимизации распределения тепловых нагрузок между ВК и УН /13/ использованы на судах типа "Академик Вавилов".

Рекомендации по обеспечении работы УК в условиях существенно переменной интенсивности обогрева использованы при проектировании ЗУ ледокола ПК25. а также приняты к использовании на судах ледового плавания типа "Дмитрий Донской" Мурманского морского пароходства.

Разработанные модели динамики процессов в УК и предложенные на их основе схемы котельных установок и способы управления ими используются в учебном процессе на курсах и факультете понижения квалификации.

Апробация работы. Основные положения работы по мере ее выполнения докладывались на научно-техническом совещании "Автоматизация и механизация котельных с котлами малой и средней мощности" (Ленинград, !9?2 г.), на всесоюзных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы научно-технического прогресса судовых турбинных установок" (Ленинград, 1989 г.). "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок" (Ленинград, 1990 г.), на заседаниях секций центрального правления 8НТО им. акад. А.Н.Крылова, научно-технического совета ЦНИИ морского флота, на семинаре работников теплотехнических служб пароходств минморфлота "Обмен опытом эффективного использования топлива транспортным флотом" (Нопороссийск, 1991 г.).

- б -

Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме научного доклада, состоящего из четырех разделов, заключении и списка публикаций по теме из 37 позиций. Общий объем работы составляет 51 стр., в т.ч. 10 рисунков, 4 стр. список публикаций.

?.. ОСНОВНОЕ СОДЕРШМЕ РАБОТ!!

2.1 МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ УТИЛИЗАЦИОННОГО КОТЛА С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ, РАБОТАЮЩЕГО В ПАРООБРАЗУЮЩЕМ РЕ1ИИЕ

Для решения комплекса вопросов, относящихся к управление УК с принудительной циркуляцией (котлы именно этого типа получили в последние годы наибольшее распространение на судах) необходимо ясное представление характера протекания внутрикотло-вых процессов при различных возмущениях. С этой целью были выведены уравнения возмущенного состояния котла, работающего в парообразующем режиме,

R отличие от известных работ, в которых по аналогии с разработанными моделями главных паровых котлов при исследовании динамических характеристик УК с принудительной циркуляцией представлялся как об'ект с сосредоточенными параметрами (модели С.Б.Готлиба» А.В.Золотухина, Н.В.Таранчука и др.), в настоящей работе УК с самого начала рассматривался ка^ об'ект, в которой температура, давление и агрегатное состояние рабочего тела изменяются по длине водопарового тракта. Уравнения поз-

- -

мученного состояния били выведены для отдельных конструктивных элементов - пароперегревателя, экономайзера, парообразующей части и сепаратора пара. Такой подход позволяет отразить распределенность параметров по длине водопарового и газового трактов с учетом основных нелинейных зависимостей при исследовании процессов управления в котельных установках, имеющих как одинаковое, так и различные конструктивные схемы.

При выводе уравнений принималось, что температура рабочего тола » каждом из рассматриваемых участков сосредоточена и равна температуре рабочего тела на выходе из него.

Парообразующая часть УК в общем случае рассматривалась состоящей из двух последовательно включенных по ходу рабочего тела однофазного и двухфазного участков водопарового тракта. В качестве границ« этих участков принималось сечение, в котором вода достигает температуры насыщения. Предполагалось, что условия теплопередачи на границе участков такие «е. как и на всем участке с двухфазной средой, и что граница участков явно выражена. Выходными величинами при моделировании процессов в парообразующей части являются количество и сухость получаемого в ней пара, а также температура газов на выходе. Вначале уравнения динамики били получены для каждого из названных участков » предположении постоянства их длины. Смещение точки начала испарения по разному определялось и учитывалось для первого и второго участков. Смещение конца однофазного участка определялось по отклонению п каждый момент времени температуры воды на пыходе условного участка фиксированной длины от температуры насыщения в предположении, что распределение температуры жидкости по длине первого участка линейно. Смещение начала второго участка учитывалось на основании принятого допущения, что изменению только длины участка с двухфазной средой соответст-

вует пропорциональное изменение сухости пара на выходе из него.

Совокупность перечисленных физических явлений и конвективной части котла с принудительной циркуляцией в различной степени учитывается в моделях, разработанных впоследствии другими авторами (Г.Гроссманн-Германия, Б.Зекчак-Польша). Основным отличием модели, используемой в данной работе, является учет изменения температуры воды при движении ее в водяном пространстве сепаратора пара. Модель сепаратора пара создавалась на основании анализа экспериментальных разгонных характеристик утилизационной котельной установки танкера "Великий Октябрь". В процессе эксперимента били отмечены суцественно различная скорость изменения давления пара при сбросе и набросе паровой нагрузки котла, а также исчисляемое минутами запаздывание в изменении температуры циркуляционной воды на выходе из сепаратора пара, что свидетельствовало с сложном харелтере процессов, протекавших в его водяном пространстве.

На основании обработки экспериментальных данных а также анализа физических процессов эквивалентная в динамике система рассматривалась состоящей из трех звеньев, которым в устано-вивиемся состоянии соответствуют следующие участки водяного объома:

участок, содержаний воду, выделиввувся из состава пароводяной смеси и находящуюся в состоянии термодинамического равновесия с паром;

участок, в котором происходит изменение температуры йоды, поступивией из первого участка за счет смешения ее с питательной водой (участок "полного перемевивания");

участок "чистого переноса" воды из зоны перемешивания к циркуляционному насосу, на котором не происходит изменение те-

хЪс„-2>и + Зи- ^(Упр

о!6

Л = <

а? с' " г 'с/Т

¿Р*

с/Т

<0

(1-х)2>см1са2)в ¿8 - с&$цгс ¿с)

*

I. Расчетная схема и основные уравнения динамики сепаратора пара УК

мпературы. |

Принципиально«важным является то, что действие этих участков проявляется только в динамике. При принятых допущениях возмущенное состояние сепаратора пара в предположении постоянства уровня воды описывается системой следующих уравнений: материального баланса парового пространства; i материального баланса водяного объема сепаратора;

теплового баланса участка водяного объема, заполненного кипящей водой. Зто уравнение учитывает вскипание йоды при понижении давления пара;

теплового баланса участка "полного перемешивания" воды; уравнения изменения температуры воды на выходе из участка "чистого переноса" (уравнения с запаздывающим аргументом).

Расчетная схема и исходные уравнения динамики сепаратора пара приведены на рис,1.

Инерционность сепаратора по давлению пара характеризуется двумя коэффициентами, один из которых отражает влияние массы пара, содержащегося в паровом пространстве, а второй - переход рабочего тела через границу фаз. При увеличении нагрузки котла или уменьвении интенсивности обогрева основное влияние на , инерционность сепаратора по давлении пара оказывает содержаца-яся в сепараторе масса поды, имеющей температуру насыщения

С учетом математической модели сепаратора пара есть основания полагать, что в используемой в настоящей работу модели UK изменение параметров рабочего тела (давления, температуры и агрегатного состояния) в элементах водоиарового тракта учитываются и наиболее полной мере.

Система уравнений возмущенного состояния утилизационной котельной установки включает также уравнение циркуляционного на) coca, получаемое путей обработки его статических характерно-

- и -

тик.

Коэффициенты уравнений элементов утилизационной котельной установки приведены как к виду, позволяющему вычислять их путем непосредственной подстановки конструктивных и расчетных данных, так и к виду, удобному для вычисления их путем подстановки величин, замеренных в процессе эксперимента.

Сопоставление зкспериментальных данных с результатами решения полученных уравнений подтвердили их достоверность и пригодность для исследования динамических характеристик утилизационных котельных устлнонок.

Моделирование переходных процессов в УК показало, что наи-болъкее влияние на скорость уменьнения давления пара при увеличении нагрузки котла или уменьиении интенсивности обогрева оказывает содержащаяся в контуре циркуляции масса воды, имеющей температуру насыщения. Догретая до температуры насыщения вода, являющаяся основным аккумулятором пара, сосредоточена на двух участках водоиарового тракта;

и составе пароводяной смеси, содержащейся в парообразующей части кптла;

п водяном пространстве сепаратора пара.

Масса поды, содержащейся в конвективной части котла и имеющей температуру насыщения, невелика т.к. объем воды в составе пароводяной смеси не превышает 82.

Границы водяного объема сепаратора пара, содержащего воду при температуре насыщения, в выполненных установках конструктивно не оформлены н в общем случае даже для одного и того же сепаратора могут быть переменными во времени (например, при двухпозиционнпи регулировании подачи в него питательной воды). Масса поды, имевшей температуру насыщения мояет изменяться от [фенгбрмимо «алой величины (в качестве сепаратора пара ис-

пользуется котел на видком топливе с подачей питательной во; непосредственно под уровень) до полного объема водяного прост ранства (при двухпозиционном регулировании питания длительш работа УК при малой паропроизводительности без подвода пите тельной воды).

Следовательно суммарное количество воды, содержащейся контуре циркуляции УК и имеющей температуру насыцения, опреде ляющее его динамические характеристики является величиной пе ременной и не во всех случаях момет быть определено с доста точной точностью.

Касса воды, содержащейся на участке "полного перемешивания водяного объема сепаратора пара определяет скорость изменения температуры циркуляционной воды при различных возмущениях, масса води на участке "чистого переноса" не оказывает замет ного влияния на скорость изменения давления пара и определяв главным образом продолжительность переходных процессов.

Основное содержание этой части диссертации опубликовано работах 2.3.5,7,9.

2.2 УПРАВЛЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ КОТЕЛЬНЫМИ ЯОТМШВШИ ПРИ РАБОТЕ ОДНОГО УТИЛИЗАЦИОННОГО КОТЛА В ППРООБРЛ-ЗУ1ЩК РЕШЕ

Анализ условий эксплуатации позволил сформулировать следующие оенрвные требования, предъявляемые к вспомогательным котельным установкам современных дизельных судов и системам и> управления:

котельная установка должна обеспечивать производство пар£ заданных параметров при любых ревимах работы 3!? а также при

смене режимов роботы ЗУ;

должно обеспечиваться максимальное использование теплоты отработавших газов п отроком диапазоне режимов работы двигателей, надежная работа самих котлов, минимальный расход топлива на ВК:

котельная установка должна требовать минимального участия обслуживающего персонала для осуществления операций управления и быть удобной для использования ее в составе машинного отделения с безвахтенным обслуживанием.

Выло установлено, что наиболее полно требованиям эксплуатации отвечают котельные установки, управление элементами которых осуществляется как звеньями единой системы для производст-па пара.

Использование рассмотренных ранее математической моделей, раскрывающих характер процессов, протекающих в УК с принудительной циркуляцией, позволил предложить несколько технических решений, направленных на совершенствование управления котельными установками при работе ЯК.

Были рассмотрены, в частности, применяемые способы регулирования давления пара в УК. В действующих установках стабилизация давления пара и УК в больиинстве случаев достигается путем изменения интенсивности обогрева котла (изменением температуры и расхода греющих газов), сбросом части производимого пара на конденсатор, либо изменением действующей величины поверхности нагрева. В последние годы в связи с участившимися случаями пожаров в УК способ изменения числа работающих секций не рекомендован к использованию для вновь вводимых в действие установок.

Пхтором был предложен способ стабилизации давления пара, адклвчавцийся в том, что для конденсации излииков пара ис-

пользуется имеющаяся в контуре циркуляции УК вода. 1Гедогретая

до температуры иасыцения. Этот способ может быть реализован

>

либо путем подачи пароводяной смеси в содержащие недогретую до температуры насыщения воду второй или третий участки водяного объема сепаратора пара, либо использованием питательной или циркуляционной воды для конденсирования пара непосредственно в паровом пространстве сепаратора. Изменение паропроизводитель-кости при Стабилизации давления пара этим способом в начальный период процесса управлении достигается главным образом за счет конденсации части пара, производимого котлом, а затем также за счет изменения температурного напора в конвективной части котла, вызванного изменением температуры циркуляционной воды. Глубина регулирования, достигаема!! при применении этого способа определяется схемой котла, а также кратностью циркуляции на расчетном режиме.

При стабилизации давления пара этим способом повышение температуры циркуляционной воды на долевых нагрузках УК способствует повышении его надежности. Зто объясняется тем. что повы-иение температуры стенок труб в зкономайзерной части защипает их от низкотемпературной коррозии и способствует уменьшении отложения сажи.

€

Другой важной задачей, которую необходимо решать при работе ЯК. является поддержание ВК в готоиности к немедленному подключению под нагрузку. В практике эксплуатации эта задача ре-мастся по разному в зависимости от схемы котельной установки.

В случае параллельного включения БК и УК через невозвратные стопорные клапаны на общий паропровод обеспечивается приоритетное использование пара УК, в котором устанавливают большее по отношении к ВК рабочее давление. При необходимости поддержания ПК и готовности к подключении под нагрузку, он заблаговременно

- - 11] -

вводится и действие и работает на режиме поддержки, т.е. поддержание рабочего давления в нем достигается путем периодического с питания топлива даже и случае, когда паропроизводитель-иость УК превышает потребность судна в паре.

В установках, где ПК выполняет функции сепаратора пара, содержащаяся » нем вода имеет суцсственный недогрев до температуры насыщения, поэтому включение форсунки не приводит к немедленному парообразованию и сопровождается провалом давления пара.

Таким образом, ни один из применяемых способов решения этой задачи не может считаться удовлетворительным.

Для возможности быстрого подключения ЙК под нагрузку предложено поддерживать в нем избыточное давление путем подогрева паром УК. для чего в водяном пространстве ПК предусматривается змеевик /[?./. Впервые этот способ был реализован на судах типа "Академик Вавилов". Благодаря тому, что при использовании этого способа отсутствует влияние подогрева на уровень воды в ВК, являющееся основным недостатком непосредственного сброса излишков пара УК в водяное пространство ВК, он может быть использован как для поддержания ВК в готовности к подключению под нагрузку, так и для хранения ВК методом избыточного давления.

Для котельных установок с возможностью использования ВК в качестве сепаратора пара, имеющих в своем составе также автономный сепаратор пара или второй ВК, разработана схема соединения указанных элементов, в которой задача поддержания ВК в готовности решается наиболее эффективно. При разработке схемы считалось, что 1\К готов к немедленному подключению под нагрузку, если давление пара п при равно давлению в сепараторе ЧИ. а ипдмтн; пространство заполнено водой при температуре насыщения. Как гл1'ДУ''Т из рассмотрения расчетной схемы сепарато-

ра пара (рис.1), для удовлетворения эти* условиям ВК должен быть помещен в часть контура циркуляции НК. содержацув паровое пространство сепаратора пара и первый (заполненный водой при температуре насыщения) участок водяного пространства сепаратора пара, который в установках, выполненных но традиционным схимам, не имеет четкой границы. Предлагаемая схема котельной установки представлена на рис. 2. Ее особенностью является выполнение сепаратора пара в види двух сообщенных по пар*} и воде сосудов ■ разделительного и питательного.

В первом сосуде, в качестве которого используется ВК, пре-»

дуг.млтривактся отделение пара и поды из пароводяной смеси, поступавшей от УК. Из ВК вода, выделившаяся из пароводяной смеси. перетекает во второй сосуд, в качестве которого может быть использован либо автономный сепаратор пара, либо второй ВК.

От Ж

Рис. 2. Схема котельной установки с включением ВК по схеме сливного аккумулятора кипящей воды

Благодаря тому, что верхняя часть переливного трубопровода расположена ннви; нормального уровня води в ВК. при работе УК уровень води в ВК поддерживается постоянным и питательная вода в него не подастся. Циркуляционным насосом производится подача поды к УК из иторого сосуда, уровень води в котором поддержи-кается пигтоянным за счет подвода в него питательной воды и наличию систгыц стабилизации уровня.

Предложенное включение ВК в контур циркуляции УК по схеме слиаиого аккумулятора води позволяет*.

при работе УК поддерживать ВК в готовности к немедленному подключению иод нагрузку в большей степени, чем при использовании других способов, т.к. водяное пространство ВК заполнено кодой, имеющей температуру насыщения, при максимально возможном давлении пара;

покрынать пики нагрузки УК за счет увеличения количества пара, аккумулированного в водяном пространстве ВК;

при необходимости осуществлять сепарирование пара УК как в автономном сепараторе пара, так и во ВК.

В настоящее время разработана техническая документация на модернизацию котельных установок судов типа "Смоленск", в которой предусматривается реализация этой схемы.

Основное содержание этой части диссертации опубликовано в работах I,4,5,8,10-12,10,26.28-30,33,35.

1.Ъ УПРАВЛЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОЙ РВВОТЕ НЕСКОЛЬКИХ КОТЛОВ

Естественным продолжением исследования комплекса вопросов.

посвященных поддержании ВК в готовности к немедленному" подключении под нагрузку, является рассмотрение задачи обеспечения эффективной и надежной работы УК и ВК при их совместной работе, которая характерна для ряда режимов эксплуатации котельных установок. Совместная работа УК и ВК предусматривается практически на всех дизельных судах, где установлены эти котлы. Ока может бить длительной непрерывной (экономические хода, подогрев груза на танкерах или рефрижераторных судах), или носить спорадический характер (проход судном узкостей, плавание во льдах, мытье танков).

На большинстве современных судов применяются котельные установки, содержащие по крайней мере один УК и один ВК. При совместной работе этих котлов возникает задача максимального использования теплоты выпускных газов и минимизации расхода топлива при обеспечении условий надежной работы котлов.

Совместная работа УК и ВК была рассмотрена в координатах "давление пара - паропроизиодительность" (рис.3). На малых нагрузках котельной установки осуществляется одиночная работа УК. давление пара в котором поддерживается штатной системой регулирования, осуществляющей конденсирование излишков пара, перепуск газов, изменение действующей поверхности нагрева или сочетание этих воздействий. Этим режимам работы соответствует

линия а & . При увеличеиии нагрузки УК втатная сиг.ема регули-*

рования выходит на упор, и давление пара в нем уменьшается. При снижении давления пара в УК до значения, являющегося уставкой системы стабилизации давления пара в ВК (точка с), происходит подключение ВК под нагрузку. В случае дальнейвего увеличения напрузки установки, ее работа осуществляется по линии с с/, так как давление пара в котлах поддерживается системой регулирования горения ВК, настраиваемой без учета условий ра-

Рк МПа

Ь' { с а

N

N лЯ* дог -

я* Г

Рис. 3. Совместная работа УК и Ш

боты УК. При неизменных интенсивности обогрева и степени загрязнения УК. его паропроизводительность на этом режиме работы установки сохраняется неизменной. Так, при нагрузке котельной установки _Д, нагрузка УК составляета ВК -Д,,.

Во многих котельных установках весь пар, получаемой в котлах. непосредственно к потребителям не поступает, а вначале редуцируется. Поэтому с целью более выгодного распределения нагрузок между котлами предложено понижать давление пара, на которое настроен регулятор котла на жидком топливе, со значения, которое принято для его одиночной работы (линия Ы). до значения, минимально допустимого по условиям 'работы как котлов. так й потребителей (линия е/ ). Это приводит к увеличении паропроизводительности УК на величину & 2) и уменьшению расхода топлива на ВК. так как при сохранении нагрузки котельной устамоики по пару И, потребная паропроизводительность ВК

DRi меньве. чем Dat . В зависимости от типа УК сни«ение давления пара в vie« может ограничиваться температурой циркуляционной воды, скоростью пароводяной смеси в змеевиках и другими величинами. В случае, когда эти величины не связаны явно с давлением пара в котлах они могут использоваться в законах управления ВК непосредственно.

Впервые этот способ управления был реализован на с^дах типа "Академик Вавилов"» для оптимизации распределения нагрузок между УК. обогреваемым выпускными газами дизельгенераторов, и ВК.

В отличие от котлов с естественной циркуляцией, для которых понижение давления пара является единственным способом увеличения количества утилизируемой теплоты, в установках, где при/

меняются УК с принудительной циркуляцией, возможности оптимизации значительно вире и во многом определяются схемой котельной установки.

При ревении задачи распределения тепловых нагрузок между котлами УК рассматривался как теплообменник, работающий при неизменной поверхности нагрева и заданных расходе и температуре греющих газов. Каксимальное количество теплоты газов в таком теплообменнике может быть утилизировано в случа^ обеспечения наибольиего температурного напора между газами и нагреваемой жидкостью. В связи с тем, что температура выпускных газов всецело определяется режимом работы двигателя, увеличение разности температур при заданном давлении пара может быть достигнуто понижением температуры воды, подводимой к котлу.

I

Пнализ характера изменения температуры циркуляционной воды ,и ее влияния на паропроизводительность УК позволяет сделать

¡следующие выводы:

i

при неизменном давлении пара и расходе циркуляционной воды циеньвение паропроизводите„пьности НК (т.е. увеличение кратное-

ти циркуляции) приводит к увеличению температуры циркуляционной поды. Поэтому уменьшение мощности двигателя или загрязнение поверхности нагрена УК приводит к уменьшению его паропро-изводительности как за счет уменьшения коэффициента теплопередачи и температурного нагюра, вызванных уменьшением расхода газов и его начальной температуры, так и за счет уменьшения температурного напора, вызванного увеличением температуры циркуляционной поды. Таким образом, при уменьшении интенсивности обогрева котла, т.е. именно тогда, когда с целью получения наибольшего количества пара требуется максимально понизить тем-ппратуру газов, при прохождении их через УК, температура циркуляционной поди повивается, и за счет уменьшения температурного напора производительность УК понижается;

при перегрузке УК или уменьшении производительности циркуляционного иаг./са, и также в случае работы при пониженном давлении пара температура циркуляционной воды также понижается, что монет способствовать снижению надежности работы котла;

если в качестве сепаратора пара используется котел на жидком топливе, включение форсунки СК при недостаточной производительности УК приводит к тому, что температура циркуляционной поди повышается и становится близкой к температуре насыщения. Таким образом подключение отапливаемой части контура принудительной циркуляции для покрытия дефицита паропроизводительнос-ти УК неизбевно приводит к уменьшению разности температур в лкономайзерной части УК. т.е. повышенному против возможного расходу топлива.

Из изложенного следует, что для уменьшения расхода топлива при совместной работе УК и ВК необходимы такие схемные решения и такие способы управления установкой, которые при одиночной работе УК обеспечивают поддеряание температуры циркуляционной

води вине или равной минимально допустимой по условиям низкотемпературной коррозии, а при совместной работе котлов обеспечивают равенство этой температуры минимально допустимому значению.

Для решения этой задачи разработан способ управления предложенной ранее котельной установкой, система управления которой дополнена контуром регулирования температуры циркуляционной иоды. Это осуществляется распределением питательной воды между сосудами, образующими сепаратор пара (рис. 4.). При одиночной работе УК, когда температура циркуляционной воды выше минимально допустимой по условиям низкотемпературной коррозии, вся питательная вода направляется только в питательный сосуд. Ц случае снижения температуры циркуляционной воды до минимально допустимого значения (что имеет место в случае, когда паровая нагрузка котельной установки превыиает паропроизводитсль-ность УК), удерживают это значение температуры за счет того, что часть питательной воды с помощью регулятора температуры направляют в работающий ОК.

За рубежом для уменьиения расхода топлива на ВК при совместной работе его с УК путем оптимизации распределения тепловых нагрузок между ними применяются котельные установки, в которых ПК являются сепараторами пара УК, и которые содержат теплообменники для регулируемого охлаждения циркуляционной воды питательной водой.

Предложенные установка и способ управления ею по сравнению с зарубежными установками имеют следующие преимущества:

при одиночной работе УК водяное пространство ВК заполнено водой, имеющей температуру близкую к температуре насыщения, что обеспечивает возможность немедленного подключения его под нагрузку и увеличивает количество пара, аккумулированного в

Рис. 4. Схема котельной установки

I - ВК; 2 - УК; 3 - автономный сепаратор пара; 4 - циркуляционный насос; 5 - питательный трубопровод; 6 - регулятор питания; 7 - дгтчик уровня; 8 - регулятор температуры; 9 - датчик температуру

системе:

на режиме совместной работы котлов исключается перекачивание циркуляционным насосом воды, имеющей температуру*насыцения что способствует повывонив надежности его работы.

Г)ыли рассмотрены особенности работы котельных установок, содержащих несколько УК с принудительной циркуляцией, обогреваемых независимыми источниками газов переменной во времени интенсивности. Обычно все котлы, входящие в состав таких установок. работают на общий сепаратор пара. При заданных давлении пара и производительности циркуляционного насоса температура поды на входе во все котлы одинакова, определяется суммарной паропроизводительностью котлоь и не зависит от условий обогрева каждого из них.

Разработаны варианты схем котельных установок, позволяющие изменять суммарную паропроизводительность котлов путем изменения температуры циркуляционной воды на входе в отдельные котлы. С этой целью предлагается охлаждать циркуляционную воду питательной водой в поверхностных теплообменниках или путем непосредственной подачи питательной воды в трубопроводы подвода циркуляционной воды к котлам. Разработаны также способ и алгоритм управления такими установками, которые дают возможность как повывать, так и понижать паропроизводительность установки по отношению к паропроизводительности при традиционном способе управления. Сущность способа заключается в том. что формируется последовательность котлов в порядке возрастания температуры газов перед ними, и затем в соответствии с этой последовательностью производится понижение до минимально допустимого значения температуры воды, подаваемой к части котлов.

Основное содержание этой части диссертации опубликовано в рлйогах 1.13.14.16-22.25,27.31.32.35.

г Л УПРАВЛЕНИЕ УК С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ПРИ СУЩЕСТВЕННО ПЕРЕМЕННОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ОБОГРЕВА

Или показывает практика, на многих судах УК, успешно эксплуатируемое при практически неизменной нагрузке главного двигателя, неудовлетворительно работают в условиях изменяющейся во времени интенсивности обогрева. Так при плавании судов во льдах н сепараторах пара УК наблюдаются изменения уровня води, препятствующие их нормальной эксплуатации, а в ряде случаев делающие ее практически невозможной. И это при том, что для судов ледового плавания отношение времени хода во льдах к суммарному ходовому времени доходит до 0,85.

При управлении судовыми,9К для регулирования питания применяют, как правило, системы стабилизации уровня воды, в которых реализуются те же законы регулирования, и используется та же аппаратура, что и в системах стабилизации уровня воды в котлах на жидком топливе. Часто такой ппдход объясняется схемой установки. т.к. ВК используется в качестве сепаратора пара УК. В случаях работы УК с принудительной циркуляцией в условиях существенных изменений интенсивности обогрева, под которыми в дальнейшем понимаются изменения интенсивности обогрева, вызывающие смену парообразующего и водогрейного режимов работы УК, наблюдаются как значительные снижения, так и повышения уровня воды в сепараторах пара.

Как следствие этих отклонений уровня воды в сепараторах пара при традиционных способах регулирования питания наблюдаются:

!.|ыГч!ТЦН;!!!И!; система сигнализации по уровня воды;

срабатывание защиты в системе управлений горением ВК, являющегося сепаратором пара;

значительные изменения уровня воды в теплом яцике и, как следствие этого образование паразитного контура циркуляции "теплый ящик - танк запаса котельной воды";

нарушение ревима питания ВК, являющегося резервным источником пара;

срыв додачи циркуляционного насоса и т.д. Значительные отклонения уровня воды в сепараторах пара УК были отмечены не только па судах ледового плавания. Так на судах типа "Астрахань" после таги, как в связи с опасностью по «аров стали прокачивать УК водой в течении всего времени работы главного двигателя, появились нарушения в работе системы питания. Это было отмечено практически на всех судах и отражено в донесениях как переполнение сепаратора пара водой при параллельной работе котлов.

Несмотря на го, что как в навей стране, так и за рубежом неоднократно предлагались различные технические решения для стабилизации уровня воды в сепараторе пара при вводе и выводе котла из действия, а также при переменной нагрузке первичного двигателя, ни один из известных способов управления не удовлетворяет сформулированным в процессе исследования основным эксплуатационным требованиям:

должна быть обеспечена устойчивая работа УК в парообразующем режиме при изменении нагрузки котла по пару, а также нагрузки главного двигателя, не вызывающей перехода УК па водогрейный режим;

смена водогрейного и парообразующего режимов работы УК должна протекать как естественный процесс для энергетической установки. Она не долина приводить к срабатыванию систем сигнализа-

ции и защити Г| также к появлению существенных возмущающих воздействий и работе других элементов котельной установки (теплого ящика, системы питания М').

Г целью поиска путей ромепия задачи был рассмотрен характер изменения уровня поды в сепараторе пара УК при пуске и останове котла. При анализе котельная установка принималась состоящей из двух пзаимодействи^их гидравлических емкостей - парообразующей части и сепаратора пара. Было принято допущение о пренебрежимо малой аккумуляции рабочего тела в паровом пространстве УК и се-иаратора пара. Рассматривались скачкообразные изменения интенсивности обогрева УК, приводящие к смене парообразующего и водогрейного режимов его работы.

На рис.5 приведен график изменения водосодержания сепаратора пара, оборудованного одноимпульсинм регулятором питания, при уменьшении интенсивности обогрева, вызывающем переход УК с парообразующего на водогрейный режим работы (участок к1в) и наоборот (участок прц), а также вид уравнения материального баланса водяного объема сепаратора пара. Рассматривался массовый уровень воды, значение которого при известных геометрических характеристиках сепаратора определяется его водосодержанием. Анализ характера изменения водосодержания Еепаратора пара поз-ноляот сделчть следующий выводы:

9

1. Особенностью процесса вытеснения воды в сепаратор пара на участке пр является то, что он не зависит от расходов питательной или циркуляционной поды, а определяется только переходом котла г. водогрейного режима на парообразующий. На этом этапе происходит изменение водосодержания сепаратора пара без увеличения суммарного иодосодераания УК. и сепаратора пара;

2. Система стабилизации уровня води в сепараторе пара, обес-печийаи»ач устойчивую работу УК в парообразующем режиме, ухуд-

^-Д-Д^'А -Па,

о о й и,

к-0) си

ОТ

Л Л к т и Л \

\ /

А А А 0 0 0 А

А А Ли Ли А А А

Ли* 0 Лен Л с» Псы

Ли 0 0 0 0 Лн Л*

о-Л, 0 0 0 0 О-Лг

Рис. 5. Изменение водосодержания сепаратора пара & и вида уравнения материального баланса при смене парообразующего (ПО) и водогрейного (ВТ) режимов работы УК

и,чет динамику изменении уровни води при существенно переменной интенсивности обогрева. Повышение уровня води в сепараторе пара ни отношению к нормальному н» этапе вытеснении води из УК объясняется тем, что ми участке перехода котла с парообразувщего Рг:жим*"} на водогрейный в сепаратор пара подается вода для стабилизации нормального уровня воды в нем.

3. Изменение интенсивности обогрева УК, приводящее к смене парообразувщего и водогрейного режимов работы, приводит к изменению динамической структуры сепаратора, которая на ряде участков переходного процесса отличается от структури на парообразующем режиме работы, положенном в основу выбора традиционно применяемой системы регулирования уровня воды. Так, при вытеснении поды в сепаратор пара (участок пр), система стабилизации уровня, в которой о качестве регулирующего воздействия используется рпгход питательной води, не может обеспечить поддержание заданного уровня поди в сепараторе при смене парообразующего и водогрейного режимов работы УК.

П известных способах удержания уровня воды в сепараторах

1

пара УК при смене парообразувщего и водогрейного режимов их работы использованы расход циркуляционной воды £)ц , расход пароводяной смеси .Д. . расход воды на продувку 2)пА , а также объем водяного пространства сепаратора, в котором должен поддерживаться постоянный уровень. С учетом того, что расход питательной води к известных системах управления зависит от уровня воды (водосодоржлния 6-) сепаратора пара, а паровая нагрузка является возмущением по отношению к сепаратору, следует констатировать, что для решения задачи удержания уровня воды в сепараторе использованы все переменные, входящие в уравнение материального баланса (рис. 5).

На следуюнем этапе для синтеза способа управления, обеспечи-

вашего работу УК при переменной интенсивности обогрева, был применен принцип идеального технического решения. Было установлено следующее;

для того, чтобы смена водогрейного и парообразующего режимов

»

работы УК не приводила к нежелательным явлениям в?системах управления и работе»других элементов установки, изменение суммарного водосодержания УК и сепаратора пара должно быть минимальным (в идеальном случае суммарное водосодержание УК и сепаратора парр должно оставаться неизменным);

неизменность суммарного водосодержания УК и сепаратора пара /означает, что при изменении водосодержания УК в случае смены парообразующего и водогрейного режимов его работы, водосодержание сепаратора пара, а следовательно и уровень йоды в нем, будут переменными;

работа сепаратора пара при переменном в зависимости от режима работы УК уровне воды находится в противоречии с наличием системы стабилизации уровня воды.

Для разревения этого противоречия необходимо, чтобы система автоматического управления УК обладала следующими свойствами:

при длительной работе котла в парообразующем режиме должна обеспечиваться стабилизация уровня воды в сепараторе пара;

при переходе котла с парообразувцего режима работы на водогрейный подача питательной воды в сепаратор.пара должна уменьшаться. а уровень воды понижаться в допустимых пределах; ; | при переходе с водогрейного режима работы на парообразующий вода из УК должна вытесняться в ту часть сепаратора пара, из которой она до этого была откачана. Уровень воды при этом должен восстанавливаться.

Таким образом для реиения поставленной задачи обеспечения работы УК при существенно переменной интенсивности обогрева

требуется создание системы управления питанием, позволяющей в зависимости от режима работы УК оказывать одно из следующих регулирующих воздействий на подачу питательной воды:

первое - направленное на стабилизацию заданного уровня воды в сепараторе пара;

второе - обеспечивающее смену режима работы УК, П такой постановке задача сводится к отысканию сигнала, позволяющего различать область использования каждого из названных видов регулирующих воздействий, определению законов регулирования системы для каждого из них, а также характера изменения уровня поды.

Попытки моделирования динамики процессов в элементах теплоутилизационного контура при вводе и выводе УК из действия (т.е. при сиене парообразующего и водогрейного режимов работы) были предприняты специалистами японской фирмы Ниппон Кокан (Сатоии Хошино и др.). Как и и большинстве зарубежных исследований, рассматривалась котельная установка с использованием ОН в качестве сепаратора пара УК. Б связи с этим, для обеспечения работы ПК в качестве резервного источника пара, изначально выдвигалось требование удержаншГуровня воды в заданных пределах. Как уже было показано, стабилизация уровня воды в сепараторе пара не позволяет обеспечить выполнение требований, предъявляемых к системе управления УК при смене парообразующего и водогрейного режимов его работы.

Для выбора вариантов способов управления и анализа получаемых результатов была разработана модель динамики изменения уровня воды в сепараторе пара, В отличие от модели, которая использовалась при изучении процессов динамики при сохранении парообразующего режима работы, в этой модели описывается поведение элементов системы в процессе смены парообразующего и водо-

грейного режимов работы УК.

При моделировании процессов динамики в конвективной масти УК принималось, что в зкономайзерной части аккумуляция % рабочего тела не происходит. Расчетная схема парообразующей части приведена на рис.6. ?

ш

Рис. 6. Расчетная схема парообразующей части котла

Переход УК с водогрейного режима на пароообразующий описывается совокупностью уравнений материального и теплового баланса в предположении, что возмущение интенсивностью обогрева приложено непосредственно к жидкости

7) ~ В = —

хл< мусм

Переход УК с парообразующего на водогрейный режим работы описывается уравнениями, отражающими заполнение водой объема

При моделировании процессов динамики в сепараторе пара использовались те хе исходные уравнения, что и при моделировании пароообразуюцего режима работы (рис.1). В связи с тем, что уровень йоды н сепараторе пара при смене режимов работы УК может изменяться н широких пределах, объемы участков водяного пространства, содержащего кипящую воду и "полного перемешивания" считались переменными. До тех пор, пока первый участок содержит воду, она из него поступает во второй участок.

Моделирование работы УК при сиене парообразующего и водогрейного режимов его работы производилось применительно к утилизационным котельным установкам судов ледового плавания типа "Дмитрий Донской". На рис. 7 показан характер протекания переходных процессов.

При работ« одной секции ПК смена парообразующего режима на водогрейный приводит к понижении уровня воды в сепараторе пара, которое продолжается около 285 с. В течение всего этого времени расход питательной воды является постоянным, определяется только производительностью питательного насоса и не зависит от типа регулятора питания, который при таком снижении

~\f " , занятого паром

г

О

Д« = i

уровня открыт полностьп. Переход котла с водогрейного режима на парообразующий характеризуется вытеснением основной массы воды из конвективной части в сепаратор пара в течение очень короткого промежутка времени (менее 50 с).

С целы) поиска сигнала о смене парообразувщего и водогрейного режимов работы прежде всего были проанализированы величины, характеризующие работу самой утилизационной котельной установки. В качестве такой величины была выбрана температура циркуляционной воды. Моделирование процесса изменения температуры циркуляционной воды производилось в предположении, что скорость изменения давления пара при переходе ПК на водогрейный режим работы составляла -1 кг/кв.см мин, а также в предположении, что водяное пространство сепаратора состоит из двух последовательно включенных участков - заполненного водой при температуре насыщения и участка "полного перемеиивания". Участок переноса воды, на котором не происходят заметные процессы теплообмена, в предлагаемой модели не рассматривался, т.к. в случае необходимости для исключения влияния транспортного запаздывания при получении сигнала на выходе второго участка, всегда имеется йозможность спроектировать сепаратор пара таким образом, чтобы участок "чистого переноса" был минимальным, либо возможна установка датчика температуры непосредственно на границе второго и третьего участков.

Характер изменения температуры циркуляционной воды показывает, что при переходе котла с парообразующего на водогрейный

режим она быстро (в примере менее, чем за 50 с) снижается до

I

проектного значения минимально допустимой температуры по условиям низкотемпературной коррозии ( 140*С), и в дальнейшем в течение всего времени подачи питательной воды в сепаратор остается ниже этой температуры.

§

?ежи.ч работы 1'К

¡10

Рис. 7.

Такой характер изменения температуры циркуляционной води позволяет использовать ее значение в целях управления.

Для уменьвения расхода питательной воды в процессе перехода котла с парообразующего режима на водогрейный, а также защиты котла от низкотемпературной коррозии было предложено использовать систему управления питанием UK, реализующую следующий закон управления:

min (Е>е,у > Дъг),

где: J) - расход питательной воды, устанавливаемый регулятором уровня воды;

_DaT~ расход питательной воды, устанавливаемый регулятором температуры циркуляционной воды, реализующим закон управления

На рис.8-а показан возможный вариант выполнения системы управления для реализации предлагаемого закона управления с использованием обычннх регуляторов уровня и температуры воды. Сущность предлагаемого способа управления заключается в том, что при работе котла в парообразующем режиме, когда температура циркуляционной воды больве минимально допустимого значения, регулятор температуры полностью открыт, и регулятор уровня воды в сепараторе пара работает по прямому назначению. При переходе котла t; парообразующего режима на водогрейный температура 'циркуляционной во^ы. как это было показано ранее, уменьнается и регулятор температуры прикрывается, уменьвая подачу питательной воды в сепаратор пара.

На рис.8-6 приведены результаты моделирования процесса уп-. равления. предполагалось, что регулятор температуры, реализующий функцию -D&T~F(iu\ является идеальным, имеющим характе-

4

Режим работы УК

по /

4

Рис. 8.

! - 38 -

!

! ристику =140"С. После перехода котла с парообразующего режима работы на водогрейный в течение короткого времени (около 20с) процесс изменения уровня воды в сепараторе и температуры циркуляционной воды идет также, как и при традиционном регулировании. Расход питательной воды определяется регулятором питания, т.к. до тех пор, пока температура циркуляционной воды выве 140еС, регулятор температуры циркуляционной воды находится в крайнем положении и не оказывает влияния на расход питательной воды. При понижении температуры циркуляционной воды до НО'С, в системе управления формируется регулирующее воздействие, направленное на цменьиение подачи питательной воды, несмотря на то, что уровень воды в сепараторе пара продолжает ¡понижаться, причем температура циркуляционной воды остается

I

'постоянной в течение всего времени, пока температура газов выше 140°С. Если температура циркуляционной воды окажется ниже 140"С. питательная вода подаваться в сепаратор пара не будет, водосодержание его будет сохраняться неизменным. При переходе на парообразующий режим вытеснение воды из УК будет осуществляться в то же пространство сепаратора, откуда она была взята для заполнения котла.

Особенность способа заключается в том, количество питательной воды, подаваемой в сепаратор, и вызываемое этим изменение суммарного водосодержания УК и сепаратора пара, при переходе УК с парообразующего режима на водогрейный зависит от количества водм, заполняющей первый участок водяного пространства сепаратора пара и характера изменения интенсивности обогрева УК. ►

Для исклпчения влияния характера изменения интенсивности обогрева УК на водогрейном режиме на расход питательной воды было предлояено подавать питательную воду в сепаратор пара

/

- -

только при наличии расхода пара из него. Рассматривалась система, реализующая следующий закон управления:

А

г р«?)

^ о ьр*

Л р >

где:

~рс ~Рп

р - давление пара в сепараторе;

Р -- давление пара в главном паропроводе;

п I

лр - перепад давления, необходимый для открытия стопорного клапана сепаратора.

Результаты моделирования приведены на рис. 9. После появления возмущения, приводящего к переходу котла с парообразующего режима работы на водогрейный, давление пара в сепараторе понижаете^ и в момент появления сигнала об отсутствии паровой нагрузки сепаратора происходит полное прекращение подачи питательной воды, несмотр« на то. что уровень воды в нем снижает-г',1. После заполнения конвективной части котла водой, уровень се о сепараторе остается постоянным. При возобновлении работы котла г» парообразующем режиме, происходит вытеснение воды из конвективной части котла в сепаратор пара и восстановление уровня воды. П момент появления сигнала о расходе пара из сепаратора включается питательный насос, но в сепаратор пара питательная вода подается только при условии нахождения уровня поды в зоне действия регулятора.

При анализе результатов моделирования в качестве критерия использовались требования к системе управления, сформулированные ранее. Несмотря на то. что в случае использования предло-аенннх систем управления с переменной структурой максимальное

*

Режим работ УК

м

i

Рис. 9.

изменение нодосодоржания сепаратора пара оказывается значительно меньие, чем в случае использования обычно применяемой системы стабилизации уровня, ни в одном из рассмотренных случаев уровень води не выходит за допустимые пределы. Поэтому дли более объективной оценки способов управления целесообразно рассмотреть характер изменения суммарного водосодержания контура циркуляции УК. С этой целью использовалась величина ^ & на участке смены парообразующего и водогрейного режимов работы УК. На рис.10 приведен график изменения величины £.0 для рассматриваемых способов управления, из которого следует, что н случае применения предложенных систем управления с переменной структурой изменение суммарного водосодержания меньие, чем в случае применения только системы стабилизации уровня. В отличие от способа управления с использованием в качестве входного сигнала температуры циркуляционной воды, когда при работе котла в водогрейном режиме количество питательной воды, подаваемой в сепаратор пара зависит от условий обогрева УК, при использовании дискретного сигнала о паровой нагрузке УК изменение водосодержания системы практически не зависит от Т . т.е. от длительности водогрейного режима работы.

Таким образом система управления питанием с переменной структурой, с использованием входного сигнала о нагрузке УК позволяет избежать появления нежелательных возмущений в систе-[ мах управления-другими злементами котельной установки. Так. если после перехода с парообразующего на водгрейный режим УК проработает 250 с, то при использовании одноимпульсного регулятора уровня воды из теплого ящика в сепаратор пара будет подано 400 л воды, в то время как при использовании систем управления с переменной структурой 130 л и 50 л соответственно.

Реализация способа требует формирования дискретного сигнала

800

600

т

гоо

о 100 200 300 № 500 с

I

Рис. 10., Изменение суммарного водосодержания'УК и. сепаратора пара

»

I, - одноимпулъсный регулятор уровня; 2 - система регулирования с переменной структурой с сигналом по температуре циркуляционной воды; | 3 - то же с сигналом о наличии паровой I ; нагрузки генератора

об отсутствии или наличии паровой нагрузки УК. Использование дифференциальных реле давления для контроля малых перепадов нежелательно, поэтому била исследована возможность применения для этой цели реле давления пара.

Снижение давления пара в УК при переходе с парообразующего режима работы на водогрейный происходит под влиянием следующих основных факторов:

за счет остывания котла, вызванного уменьшением интенсивности обогрев.!:

па счет нагрузки но пару, если в момент перехода на водогрейный режим давление в УК было больие, чем во ВК; за счет подачи питательной воды. Необходимо также отметить, что при переходе УК с парообразующего режима работы на водогрейный скорость изменения давления пара в нем может быть различной в зависимости от режима работы в это время форсунки ПК.

Указанные обстоятельства делают задачу определения времени падения давления пара в сепараторе до значения более низкого, чем рабочее давление в ВК, трудно разрешимой аналитически. Потому была произведена экспериментальная проверка способа управления питанием УК г. использованием реле давления, вырабатывающего сигнал н.1 прекращение подачи питательной воды в сепаратор при давлении пара » УК ниже, чем давление пара в работа-вцом ВК, Система показала работоспособность, причем давление пара и котле поднималось быстрее и падало медленнее, чем при использовании только системы стабилизации уровня, что объясняете« уменьшением охлаждающего действия питательной воды.

Предложенная система управления утилизационной котельной установкой принята к использовании в проекте ледокола ЛК25. Р.прг'бг/т.шнвя мл/и'ль динамики использовалась для расчетов при

выборе схемных реиений. способа управления и основных тохниче ских характеристик оборудования утилизационной котельной установки. Она использовалась также для выбора способа управления Ж судов ледового плавания типа "Дмитрий Донской", и показала спою пригодность для ревения комплекса задач управления УК. работающими в условиях существенно переменной интенсивности обогрева.

Основное содержание этой части диссертации отражено в работах 13.23,24,34,36-30.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований разработаны основные положения, совокупность которых является новым достижением в развитии теории, методов и техники управления судовыми котельными установками с утилизационными котлами и вкладом в решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - повышения эффективности использования вторичных знергоресурсов.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Определены пути повыжения эффективности применения УК в составе котельных 8становок дизельных судов за счет ревения задач управления, направленных на более полное использование как теплоты газов, так и получаемого пара.

2. Па основе экспериментальных и теоретических исследований разработаны математическая модель динамики УК с принудительной

циркуляцией, работающего в парообразующем режиме. Использова-

I

нир этой модi;ли позволяет анализировать поведение в динамике как котла в целом, так и отдельных участков водопарового тракта при возмущениях по нагрузке, интенсивности обогрева и различных регулирущих воздействиях. Модель пригодна для анализа динамических характеристик утилизационных котельных установок, работающих по различным схемам. Впервые при моделировании процессов динамики в котельных установках с УК с принудительной циркуляцией учитывается установленная экспериментально распределенность параметров рабочего тела в водяном пространстве сепаратора пара.

Z. На основе анализа схем и комплектации котельных установок с использованием предложенной модели динамики УК разработана группа технических решений, обеспечивающих стабилизацию ! давления пара и поддержание ВК в готовности к подключении под нагрузку па счет пара и горячей воды, получаемых в УК. Часть чтих решений реализована на практике.

1. Установлено, что-при совместной работе УК и ВК в составе известных котельных установок, имеющих различные схемы и комплектации производительность УК как правило ниже, чек при одиночной работе УК. Показано, что для повыиения эффективности использования УК при совместной работе с ВК, системы управления последними должны учитывать информацию о режиме работы УК. Кроме того, показано, что в установках, содержащих УК с принудительной циркуляцией, решение этой задачи требует изменения схем котельных установок и введения системы регулирования температуры циркуляционной поды.

Предложены схемы котельных установок, способы и системы уп- /

I

равления, направленные на реиенис задачи повыиения эффективности использования УК при их совместной работе с ВК и уменьше-нич расхода топлива на этих реаимах. Часть этих способов реа-

f

лизоиана на практике.

5. Для котельных установок, содержащих несколько УК с принудительной циркуляцией, обогреваемых от независимых источников газов переменной интенсивности, разработаны способы управления, позвс^ляющие менять суммарную паронроизводительность за

' счет изменения характера распределения тепловых нагрузок между работающими котлами. Разработаны схемы котельных установок и алгоритмы управления ими, позволяющие обеспечить максимальную суммарную-паропроизводительность установки, либо стабилизацию . давления пара при изменении паровой нагрузки.

6. Разработана математическая модель динамики процессов смены парообразующего и водогрейного режимов работы УК с принудительной циркуляцией. Выполненный с использованием этой модели анализ работы УК при смене парообразующего и водогрейного режимов, характерной для многорежимных энергетических установок (ледоколы, суда ледового плавания, паромы, буксиры и т.д.), показал недостаточность применения систем стабилизации уровня воды в сепараторах пара при работе УК в условиях существенно переменной интенсивности обогрева.____

| 7. Разработаны требования к системам управления УК. работающих в условиях смены парообразующего и водогрейного режимов. На основании использования математической модели предложена группа технических реиений (способов и систем управления с переменной структурой, в том числе для установок с несколькими УК. обогреваемыми^ независимыми источниками), обеспечивающих возможность использования УК в условиях существенно переменной интенсивности обогрева. Часть предлагаемых технических режений принята к реализации в проекте ЛК25 и на судах типа "Дмитрий Донской".

!). Показано, что преддонекнне технические ренения задач по

- м -

«держания !\К в готовности к немедленному подключении под нагрузку распределения тепловых нагрузок между котлами, а также обеспечения устойчивой работы УК в условиях существенно переменной интенсивности обогрева, могут использоваться совместно, что позволяет создавать котельные установки и системы управления ими, обеспечивающие эффективную и надежную работу УК в составе ;$|ергетических установок современных судов.

П. Предложенные технические решения.не исчерпывают возможна применений результатов работы, т.к. разработанные в ней Физические и математические модели динамики УК позволяют производить анализ систем управлении котельных установок, имеющих различную комплектацию и работающих в соответствии с различными схемами, и синтезировать системы управления наиболее полно отвечающие требованиям эксплуатации на современных судах.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Смольник А.В. Схемы утилизации тепла в судовых дизельных установках и их автоматизация // Инф. сб. ЦНИИКФ "Техническая эксплуатация флота", вып. 58(104), 1967,-с,105-118.

?.. Смольник П.В. Вывод уравнений возмущенного состояния утилизационного котла с принудительной циркуляцией // Труды ЦНИИКФ "Техническая эксплуатация флота",вып.96,1968,-с.97-105.

3. Смольник (1.0, Аккумуляция тепла в сепараторах пара судовых утилизационных котлов // Труды ЦНИИКФ "Техническая эксплуатация флота",вып.111,1363.-с.102-104.

4. Я,с. 245136 СССР. Способ регулирования давления пара судовых утилизационных котлов / Смольник А.В.; Опубл.04.06.69, Бюл, N0 1Э.

5. Л.с. 2?60?3 СССР, Способ регулирования давления пара /

- 48 -

Смольник Л.В.; Опубл.14.07.70, Бвл. No 23.

6. Смольник A.D. Динамические характеристики пароперегревателей утилизационных котлов // Труды ЦНИИНФ "Техническая эк' сллуатация морского сиота".выл.136,1971.-с.67-71.

7. Смольник A.B. Автоматизация утилизационных котлов на морских судах // Тезиси докладов всесопзяого научно-технического совещания "Автоматизация и механизация котельных с кот. лами малой и средней мощности" (Ленинград),1972.-с.28-30.

8. A.c. 336207 СССР. Судовая утилизационная котельная установка / Смольник A.B.; Опубл.21.04.72, Бил, No 14.

9. Смольник A.D. Уравнения динамики сепаратора пара утилизационного котла с многократной принудительной циркуляцией// Труди ЦНИИНО "Техническая эксплуатация морского флота", вин. 177. 1973.-с.43-49.

10. Смольник A.D. Управление котельными установками в системах глубокой утилизации тепла выхлопных газов судовых двигателей // ЦБНТИ МИФ, ЭИ серия "Техническая эксплуатация фло-¡та", вып.21 (346>,1974.-с,3-21;

I опубликовано также в книге; Крнпын Л.К., Остамев Л,В,

Тимченко O.K. Обслуживание парогенераторов и их систем на дизельных танкерах // К., "Транспорт", 1977.-с,55-63,

11. Смольник A.B. Зарубежные патенты по системам утилизации тепла судовых двигателей внутреннего сгорания // Судостроение за рубежом, 1977,Но 10.-с.28-35.

1

12. A.C. 687310 СССР. Котельная установка / Смольт^ A.B.; Опубл.25.09.79, Бил» No 35.

13. A.c. 7174.88 СССР. Способ работы судовой паровой котельной установки / Смольник A.B., Опубл.28.02.80,, бвл. Ко 7.

14. A.c. 984262 СССР. Способ регулирования паропроизводи-тельности утилизационной котельной установки / Смольник A.B.,

Аксельрод C.G.. Трайиина II.В.; Зарегистрировано в Гос. реестре 23. О!).ПО.

15, Смольник А.Н. Расчет динамики изменения уровня воды в генараторе пара утилизационного котла при пуске и останове // Тр. ЦПИИМФ "Автоматизация морских судов", вып. 271, 1932,-с. ЯЗ-ЗО.

1(5. Смольник А.Ю. Резервы повииения экономичности котельных установок теплоходов // ß кн.: Техническое обслуживание и ремонт морских судов: Сб. науч. тр. Л,.Транспорт, 1984.-е.102--107 (ЦНИИ морского флота).

17. A.c. 817374 СССР. Способ работы судовой паровой котельной установки /Смольник A.B., Аксельрод С.Б.. Трайнина Н,В.; Опубл. 30.03.fll, Вал. No 12.

18. A.c.1108035 СССР. Котельная установка / Смольник А.Ю., Аксельрод С.Б., Трайнина II.В.; Зарегистрировано в Гос. реестре

15.04.84. ?

19. Заявка No 59-41483 Япония, Способ регулирования паро-производительности утилизационной котельной установки / Смольник A.B., Аксельрод С.15., Трайнина / Опубл. 02,11.85.

20. Пат. 441209 Ивеция, Способ регулирования паропроизво-дительности утилизационной котельной установки /Смольник A.D., Аксельрод С.Б., Трайнина 11.В./ Опубл.01.09.86.

21. Пат, 232535 ГДР. Способ регулирования паропроизводи-толъности утилизационной котельной установки / Смольник A.D., Аксельрод С.В., Трайнина П.П./ Опубл.29.01,86.

22. Пат. 72193 Финляндия. Способ регулирования паропро-изводительности утилизационной котельной установки / Смольник A.B., Аксельрод С.П., Трайнина Н.Ю. / Опубл.31.12.86.

23. A.c. 1492855 СССР. Устройство управления паровой котельной установкой /Смольник A.B.; Зарегистрировано в Гос. ре-

естре 08.03.86.

24. А.с. 1464618 СССР. Способ управления утилизационной паровой котельной установкой и система автоматического управления для его осуществления / Смольник А.В.; Зарегистрировано в Гос. реестре 08.11.88.

25. Лат. 3407129 ФРГ. Способ регулирования паропроизводи-тельности утилизационной котельной установки / Смольник А.В., Аксельрод С.Б.. Трайнина Н.В./Опубл.21.04.88.

26. Смольник А.В. Анализ условий эксплуатации и^причин повреждений утилизационных котельных установок судов типа "Выборг", "Иркутск" и "Варнемюнде"// В кн.: Техническая эксплуатация морского флота - Я. ."Транспорт", 1988, с. 3-11 (ЦНИИ11Ф).

27. Смольник А.В. Оптимизация распррд^ления нагрузок между котлом на жидком топливе и утилизационным котлом // Тезисы докладов на всесоюзной научно-технической конференции '"Актуальные проблемы технического прогресса судовых турбиннцх устано

1?

вок". П., Судостроение, 1389,-с.44-45.

1

28. Смольник П.В, Опыт эксплуатации вспомогательных котельных установок специализированных судов // В кн.: Энергетические установки и оборудование морских судов. Л.."Транспорт", 1990. с.54-65. СЦНИИКФ).

29. Смольник П.В. Анализ опыта эксплуатации утилизационных

/

котлов Ламонт судов типа "Иркутск", "Варнеыюнде" и "Скульптор Коненков". // Сб. ВИТО им. акад. А.Н.Крылова, 1390, вып.487, -с.54-64.

30. Смольник Л.В. Управление котельными установками с утилизационными котлами. Тезисы докладов на всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития двигателей

. внутреннего сгорания и дизельных установок" (Ленинград), "Су' достросние", 1990.с.106-187.

Si •

31. Смольник A.D. Один из способов управления котельными етанопками с несколькими утилизационными котлами // Сб. науч. рудов ЦНИИКФа "Эксплуатация энергетических установок и топ-ивоиспользопанйе на судах".К.: Транспорт.НИН-;* с.2tí1"-" 32.

32. Смольник ß.S. Оптимизация распределения нагрузок между отлом на жидком топливе и утилизационным котлом // Сб. ВИТО м. акад. П.II.Крылова.1031. вип. 505.- с.56-66.

33. Смольник Л.О. Пожары в утилизационных котлах //Кинмор пот. в/о "Нортехинформреклама", Морской транспорт. Серия "На--шо-технические достижения и передовой опыт, рекомендуемые пи внедрения на морском транспорте". Инф. сб., вып.No 5 (17). 131.-е. 22-30.

34. П.с. 1601620 СССР. Система автоматического управления гилизационной паровой котельной установкой / Смольник A.D.; »регистрировано в Гос. реестре 01.06.01,

35. Смольник A.B. Управление котельными установками тепло )дпв как средство ресурсосГ>ерегащей технологии. Иортехин-фмреклама. Морской транспорт. Серия "Техническая зкеплуата-ы флота". Экспресс информация, вып. 10(774 ).1392. с.1-13.

30. A.c. 173Л740 СССР, Устройство управления паровой ко-¡льной установкой/ Смольник A.B.: Зарегистрировано и Гос. ре тре 00.02.92.

37. Положительное речение по заявка 491270o Российская С..* рация. Способ управления работой утилизационной п.цмььи ко льной угтаноьки и система для <то и< ущр» тпления / Смольник Я'.: Рсл.ци.> о иидаЧ1,- ii.ii.i.i.i 24.10.12.