Аппаратура и элементы управления в котельной включают в себя огромный спектр оборудования и могут занимать много места, начиная с небольших котельных на промышленных предприятиях и заканчивая огромными комплексными теплостанциями.

Система управления котлом является средством, с помощью которого достигается баланс энергии и массы в и из котла. В Котел поступают топливо, воздух для горения, подогретый воздух или пар и питательная вода. Из них топливо является основным вкладом энергии. Воздух для горения является основной массой, на выходе – пар, дымовые газы, тепловые остатки и сажа.

Контуры управления

Системы управления котла содержат несколько переменных описывающих взаимодействием между контуров управления топливом, воздухом для горения, и питательной водой. В целом система может рассматриваться как ряд основных контуров управления, соединенных вместе. В целях безопасности, помимо топлива должно быть ограничено количество воздуха для горения, для стабильности.

Управление горением

Соотношение количества топлива и воздуха должно тщательно регулироваться, особенно при высоких нагрузках. Это очень важно для эффективной работы котла, независимо от его размеров и типа топливной системы.

Управление подпиткой

В промышленных котлах могут происходить значительные колебания нагрузки, которые требуют быстрого вмешательства с целью поддержания постоянного уровня воды в барабане котла. Несколько элементов управления подачей питательной воды может помочь быстрее и точнее отвечать на изменения в нагрузке.

Рисунок 1 – Блок-схема управления котлом

Блок-схема управления котлом показана на рисунке 1, показатели пара, выходящего из котла, и уровня воды в котле передаются контроллер, который действует как регулятор уровня, индикатор и регулятор потока. Если есть ошибка соответствующая заданному уровню, то сигнал от контроллера передается в конвертер, который будет открывать и закрывать клапан, и вода будет залита или слита, в соответствии с параметрами пара.

Основные контуры в управлении котлом:

1) управление горением;

2) управление питательной водой.

Управление горением

Система управления горением разбивается на (а) управление подачей топлива и (б) управление подачей воздуха для горения. Взаимосвязь между этими двумя подсистемами вызывает необходимость использования системы соотношения топливо/воздух. 

Основные типы топлива для котла – уголь, мазут и газ. Контроль за мазутным и газовым топлива требует простейшего контроля, т.е. регулирующего клапана в топливной магистрали. Давление пара в барабане является показателем баланса между притоком и оттоком тепла. Таким образом, контролируя подачу пара можно установить баланс между потреблением пара и водоснабжением. 

(а) последовательный (б) параллельный (в) серии параллельного

Рисунок 2 – Типы управления горением

Существуют три основных типа схем управления горением, используемых сегодня: это последовательное, параллельное и последовательно-параллельное управления. 

В последовательной схеме управления, изменение давления пара в коллекторах (сигнал главного управления) приводит к изменению потока воздуха для горения, которые в свою очередь, приводит к последовательному изменению расхода топлива. Этот тип управления ограничивается небольшими котлами с относительно постоянной нагрузкой пара и сжигания топлива. 

В параллельном управлении, изменение давления пара одновременно регулирует топливо и воздушные потоки. Этот метод является общим для любых размеров котлов. 

В последовательно-параллельном – изменения в давлении пара регулируют подачу топлива. Расход пара может быть использован в качестве показателя для подачи воздуха для горения.

Аппаратные средства, используемые в управлении горением

Управляющие аппаратные средства, используются в вышеописанных схемах для ON / OFF управления, позиционирования и измерительных систем.

(а) ON / OFF управление: До сих пор используются во многих отраслях промышленности, но, как правило, используется в небольших водотрубных котлах. Когда давление падает до заданного значения, топливо и воздух автоматически подается в котел с заданной скоростью, пока давление не возрастет до верхнего предела. 

(б) системы позиционирования: Реагирует на изменения в давлении, одновременно позиционирует воздушные заслонки и топливные клапаны в заданное положение. Это не используется в котлах на жидком и газообразном топливе. 

(в) измерительные системы управления: В этой системе управление регулируется в соответствии с измерением топливного и воздушного потоков. Это обеспечивает эффективность сгорания в широком диапазоне нагрузки и в течение длительного периода времени. 

И измерительные системы и системы позиционирования используют показатель давления пара в качестве основной измеряемой величины. Главный контроллер давления реагирует на изменение давления пара и позиционирует воздушные заслонки и топливные клапаны для управления горением.

Управление питательной водой

Система управления питательной водой регулирует уровень воды в барабане котла. Это системы учета массы пара, покидающего котел, и питательной воды, поступающей в котел. Вода поступает в паровой барабан и после поглощения тепла от печи генерирует пар, производимый котлом. 

Правильная работа котла требует, чтобы уровень воды в паровом барабане оставался постоянным в течение определенного диапазона. Снижение этого уровня может раскрыть котельные трубы, что позволяет им перегреваться. Повышение уровня воды может повлиять на работу внутренних устройств котла. Необходимо, чтобы уровень воды в барабане котла был выше 50% все время. 

Уровень воды в барабане котла связан, но не является прямым показателем, количества воды в барабане. При разной нагрузке котла разный объем в воде занимают пузырьки пара. Так что, если нагрузка увеличивается, то появляется больше пузырьков пара, и это причина «набухания» (роста) воды, а не падение из-за роста водопользования.

Рисунок 3 – Частичное испарение

Как система контроля питательной воды должна быть направлена на поддержание баланса массы на ожидаемые изменения нагрузки котла, так и уровень в паровом барабане должен оставаться в пределах заданных параметров для безопасной и эффективной работы. Сложность системы управления зависит от количества измеряемых переменных, используемых для контроля. Включает в себя единичный элемент, двойной элемент, тройной элемент и современные схемы управления для повышения точности окончательного решения.

Одно- и двухэлементные системы управления

Для небольших котлов, имеющих относительно высокие объемы хранения и медленно меняющиеся нагрузки, используется одноэлементные системы управления. Она контролирует поток воды на основе уровня в барабане. Отвечает очень медленно, потому что изменения в потоке питательной воды занимает много времени, чтобы показать изменение уровня. В результате паровой барабан заставляет воду увеличиваться и уменьшаться в объеме, в результате ложных измерений. 

Двух элементные системы преодолевают эти недостатки с помощью измерения расхода пара, который берется в качестве сигнала для подпитки. Этот элемент управления используется в средних а также больших котлах. Здесь показания расхода пара и уровня воды с датчиков суммируются вычислительным реле и будет контрольной точки для подачи питательной воды. Система отвечает быстрее.

Трехэлементные системы управления

На котлах с широким диапазоном и быстрыми изменениями нагрузки требуется трехэлементная система управления. Трехэлементная система управления похожа на двухэлементную за исключением того, что цикл воды закрыт, а не открыт. 

Управляющее воздействие, трехэлементной системы, основано на потоке питательной воды. Расходы пара и уровень воды суммируются и используются в качестве индекса или значения для подачи питательной воды. Измерение потока питательной воды обеспечивает корректирующие действия для изменения давления питательной воды.

Рисунок 4 – Трехэлементное управление

Пятиэлеменнтые системы управления

Дополнительные элементы могут быть добавлены к системе контроля питательной водой для увеличения точности и скорости ответа. Пятиэлементная системы управления, по существу такая же как и трехэлементной конфигурации, в которой измерение расхода пара компенсируется температурой и измерение уровня в барабане компенсируется давлением.

Рисунок 5 – Пятиэлементное управление

Семиэлеменнтые системы управления

Передатчики для продувки барабана и труб можно добавить к пяти элементам управления, чтобы получить семиэлементную систему управления подпиткой.

Типы пара

Здесь мы используем два типа пара, т. е. насыщенный пар и перегретый пар. Пар, полученный при нагреве называется насыщенным паром. Он еще называется влажным паром, потому что содержит влагу. Перегретый пар получается, когда насыщенный пар нагревается свыше 220 градусов. Его также называют сухим паром.

Рисунок 6 – Семиэлементное управление

Преимущества

1. Многоэлементное управление питательной системой может помочь: 

    а) быстрая реакция системы;

    б) более точное управление;

    в) максимальная стабильность системы. 

2. Измерительная система управления поддерживает эффективность горения в широком диапазоне изменения нагрузки и в течение длительного периода времени. 

3. Параллельное управления процессом горения может быть использован в котлах любого размера.

Недостатки

1. Котлы требуют быстрого ответа контроллера. 

2. Уровень воды в котле должен поддерживаться выше 50%.

Выводы

Цели управления котлом: 

1. Минимизировать избыток воздуха. 

2. Минимизировать продувки. 

3. Минимизировать давление пара. 

4. Измерять эффективность (КПД), чтобы подбирать время выполнения технического обслуживания.