Проектирование автоматической системы регулирования нагрузки паровых барабанных котлов
Проектирование автоматической системы регулирования нагрузки паровых барабанных котлов: Краткий обзор учебного пособия
Учебное пособие, разработанное В.А. Хлебниковым и П.Н. Анисимовым, посвящено проектированию автоматических систем регулирования (АСР) нагрузки паровых барабанных котлов. Оно ориентировано на студентов направления "Теплоэнергетика и теплотехника", изучающих курс "Метрология, теплотехнические измерения и автоматизация", а также может быть полезно студентам других специальностей, изучающим автоматические системы управления технологическими процессами. Цель пособия – предоставить студентам знания и практические навыки в области автоматизации теплоэнергетических процессов, а также развить способность к разработке мероприятий по совершенствованию этих процессов на примере АСР нагрузки котла.
Основные положения и требования к АСР
В пособии рассматриваются основные требования к АСР нагрузки парового котла, подчеркивается важность обеспечения достаточного запаса устойчивости и оптимального качества регулирования. Оптимальная настройка регулятора выполняется в два этапа: сначала определяется область параметров настройки, обеспечивающих заданный запас устойчивости, а затем выбираются оптимальные параметры, обеспечивающие наилучшее качество регулирования по линейному интегральному показателю точности регулирования.
Структура и содержание
Пособие содержит необходимые теоретические сведения и методические рекомендации по проектированию АСР нагрузки паровых котлов серии ДЕ, выпускаемых АО «Бийский котельный завод». Материал структурирован в соответствии с требованиями к курсовому проектированию и включает в себя введение, исходные данные, описание принципа действия АСР нагрузки, дифференциальное уравнение объекта, передаточные функции и переходные характеристики объекта и замкнутой системы, а также методику расчета оптимальных параметров настройки ПИ-регулятора. Особое внимание уделяется изложению материала с ориентацией на выполнение расчетов в среде графического программирования LabVIEW.
Математическое моделирование и расчеты
В качестве математической модели объекта регулирования используется линейное дифференциальное уравнение, описывающее изменение давления в барабане парового котла при возмущениях. Числовые значения коэффициентов дифференциального уравнения и передаточной функции модели объекта определяются с учетом технических характеристик паровых котлов, выпускаемых ОАО «Бийский котельный завод». Оптимизация параметров настройки ПИ-регулятора нагрузки выполняется методом ограничения корневого показателя колебательности. Критерием оптимальности служит линейный интегральный показатель точности регулирования. Расчеты и построение графиков кривых разгона объекта и АСР нагрузки рекомендуется выполнять в среде графического программирования LabVIEW.
Практические аспекты и оформление
Пособие содержит рекомендации по оформлению расчетно-пояснительной записки и графической части курсового проекта, включая требования к содержанию разделов, оформлению расчетных формул и графиков. В приложении представлены параметры паровых котлов серии ДЕ, требования к составлению списка литературы в соответствии с ГОСТ Р 7.0.100–2018 и описание назначения кнопок лицевой панели LabVIEW.
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.
Похожие