Проектирование автоматической системы регулирования нагрузки паровых барабанных котлов

В. А. Хлебников
П. Н. Анисимов

Проектирование автоматической 
системы регулирования нагрузки 

паровых барабанных котлов

Учебное пособие

по курсовому проектированию

Йошкар-Ола

ПГТУ
2023

УДК 621.181.1(076)
ББК 31.361я73

Х 55

Рецензенты:

профессор кафедры машиностроения и материаловедения

Поволжского государственного технологического университета

С. Я. Алибеков;

профессор кафедры строительных конструкций и водоснабжения 
Поволжского государственного технологического университета 

А. Г. Поздеев

Печатается по решению

редакционно-издательского совета ПГТУ

Хлебников, В. А.

Х 55
Проектирование 
автоматической 
системы 
регулирования

нагрузки паровых барабанных котлов: учебное пособие по курсовому проектированию / В. А. Хлебников, П. Н. Анисимов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2023. – 52 с.
ISBN 978-5-8158-2330-3

Приводятся необходимые теоретические сведения и методические ре
комендации по проектированию АСР нагрузки паровых котлов серии ДЕ 
АО «Бийский котельный завод». Изложение материала ориентировано на 
выполнение расчетов в среде графического программирования LabVIEW. 

Для бакалавров направления «Теплоэнергетика и теплотехника», изу
чающих курс «Метрология, теплотехнические измерения и автоматизация». Может быть также использовано при изучении автоматических систем регулирования технологических процессов студентами других специальностей.

УДК 621.181.1(076)

ББК 31.361я73

ISBN 978-5-8158-2330-3
© В. А. Хлебников, П. Н. Анисимов, 2023
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..................................................................................................4

1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АСР 
НАГРУЗКИ ПАРОВОГО КОТЛА 
И АЛГОРИТМ ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТОВ.................................5

2. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 
И ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОЕКТА ......................................... 7

3. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ........................................10

4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСР НАГРУЗКИ................................12

5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ОБЪЕКТА................14

6. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ И ПЕРЕХОДНЫЕ 
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТА....................................................24

7. РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЙКИ 
ПИ-РЕГУЛЯТОРА ...........................................................................34

8. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ И ПЕРЕХОДНЫЕ 
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ........................39

Контрольные вопросы........................................................................40

Список литературы.............................................................................42

Приложение 1. Параметры паровых котлов серии ДЕ .....................47

Приложение 2. Требования к составлению списка литературы ......48

Приложение 3. Назначение кнопок лицевой панели LabVIEW.......50

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее издание разработано в соответствии с требованиями 

действующего государственного образовательного стандарта по 
направлению «Теплоэнергетика и теплотехника».

Целью выполнения курсового проекта (КП) является получение

студентами знаний и практических навыков в области автоматизации 
технологий производства тепловой энергии и теплоносителей и выработки у них способности к разработке мероприятий по совершенствованию этой технологии на примере автоматической системы регулирования (АСР) нагрузки барабанного котла, вырабатывающего влажный насыщенный пар.

Современные технологии выработки тепловой энергии и тепло
носителей основаны на применении котельных агрегатов, целевые 
показатели которых достигаются применением разнообразных АСР.

Выбор АСР нагрузки парового котла для курсового проектирова
ния не случаен. Нагрузка котла, которую в рассматриваемых котлах 
оценивают по давлению пара в барабане, является одним из важнейших параметров, характеризующих его работу. Проектирование АСР 
нагрузки позволяет студентам лучше понять тесную взаимосвязь в 
котле процессов горения топлива и парообразования, получить практические навыки по анализу и синтезу систем регулирования.

В качестве математической модели объекта регулирования ис
пользуется линейное дифференциальное уравнение, описывающее 
изменение давления в барабане парового котла при возмущениях тепловыделением в топке, энтальпией и расходом питательной воды, расходом вырабатываемого пара [2]. 

Числовые значения коэффициентов дифференциального уравне
ния и передаточной функции модели объекта определяются с учетом 
технических характеристик паровых котлов, выпускаемых ОАО 
«Бийский котельный завод» [7].

Оптимизация параметров настройки ПИ-регулятора нагрузки вы
полняется методом ограничения корневого показателя колебательности. Критерием оптимальности служит линейный интегральный показатель точности регулирования [5].

Расчеты и построение графиков кривых разгона объекта и АСР 

нагрузки рекомендуется выполнять в среде графического программирования LabVIEW [6].

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АСР 

НАГРУЗКИ ПАРОВОГО КОТЛА 

И АЛГОРИТМ ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТОВ

Регулированием называется непрерывный процесс выработки ко
манд, обеспечивающих изменение состояния технологического (в т.ч. 
теплотехнического) объекта при соблюдении заданных требований и 
ограничений.

Под теплотехническим объектом регулирования понимается со
вокупность теплоэнергетического оборудования и реализуемых в нем 
технологических процессов производства тепловой энергии и теплоносителей.

Регулирование, осуществляемое без участия человека, называ
ется автоматическим. Оно производится автоматическим регулирующим устройством (регулятором, контроллером).

Объект регулирования и регулятор, взаимодействующие друг с 

другом, образуют автоматическую систему регулирования (АСР).

К АСР нагрузки парового барабанного котла предъявляются два 

основных требования. Первое требование состоит в том, что АСР
должна иметь достаточный запас устойчивости. Выполнение этого 
требования будет гарантировать, что АСР не потеряет устойчивость
при всегда существующих в реальных условиях изменениях динамических и статических характеристик объекта регулирования. Второе 
требование заключается в том, что в пределах заданного запаса устойчивости качество регулирования должно быть наилучшим.

В соответствии с этими требованиями расчет параметров опти
мальной настройки регулятора выполняется в два этапа. 

На первом этапе методом ограничения корневого показателя ко
лебательности определяется область параметров настройки регулятора, обеспечивающих заданный запас устойчивости АСР.

1 

На втором этапе
определяются оптимальные параметры 

настройки
регулятора, обеспечивающие в выделенной области 

наилучшее качество регулирования по линейному интегральному показателю точности регулирования [5].

Выполнение КП рекомендуется начинать со сбора исходных дан
ных для заданной марки парового котла. Затем следует составить 
функциональную и структурные схемы АСР нагрузки. При этом 
нужно принять во внимание, что с учетом накопленного опыта проектирования и эксплуатации АСР нагрузки паровых котлов для реализации в регуляторе применяется ПИ-закон регулирования [3].

После этого следует рассчитать числовые значения коэффициен
тов дифференциального уравнения и передаточной функции объекта
и оптимальные параметры настройки ПИ-регулятора.

Затем необходимо построить кривую разгона АСР нагрузки на

ступенчатое возмущение заданием при найденных оптимальных параметрах настройки ПИ-регулятора. С целью проверки правильности 
выполненных расчетов по полученному графику следует определить 
полученную степень колебательности, пересчитать ее в величину 
корневого показателя и сравнить полученное значение с заданным. 
Если относительное расхождение не превысит по абсолютной величине 5 %, можно считать, что оптимальные параметры настройки регулятора определены с требуемой точностью.

Удобным методом для построения кривых разгона объекта и АСР 

является метод математического моделирования с использованием
соответствующих разностных уравнений.

Для выполнения расчетов и построения графиков переходных 

процессов рекомендуется использовать программы на LabVIEW.