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 рекомендации 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», изучающих 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 теплоносителей основаны на применении котельных агрегатов, целевые 
показатели которых достигаются применением разнообразных АСР. 
Выбор АСР нагрузки парового котла для курсового проектирования 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 используется 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 уравнения и передаточной функции модели объекта определяются с учетом 
технических характеристик паровых котлов, выпускаемых ОАО 
«Бийский котельный завод» [7]. 
Оптимизация параметров настройки ПИ-регулятора нагрузки выполняется 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 команд, обеспечивающих изменение состояния технологического (в т.ч. 
теплотехнического) объекта при соблюдении заданных требований и 
ограничений. 
Под теплотехническим объектом регулирования понимается совокупность теплоэнергетического оборудования и реализуемых в нем 
технологических процессов производства тепловой энергии и теплоносителей. 
Регулирование, осуществляемое без участия человека, называется 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 оптимальной настройки регулятора выполняется в два этапа.  
На первом этапе методом ограничения корневого показателя колебательности 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 данных 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 коэффициентов 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.