Автоматизированные системы регулирования тепловых процессов основного оборудования ТЭС и АЭС

Допущено
Министерством образования
Республики Беларусь
в качестве учебного пособия 
для студентов
учреждений высшего образования 
по специальностям
«Проектирование и эксплуатация 
атомных электрических станций»,
«Тепловые электрические станции»,
«Автоматизация и управление 
теплоэнергетическими процессами»,
«Промышленная теплоэнергетика»

Автоматизированные 
системы регулирования
тепловых процессов 
основного оборудования 
ТЭС и АЭС

Минск
      «Вышэйшая школа»
2022

В.И. Назаров  В.В. Кравченко

УДК 621.1:681.51.01(075.8)
ББК 31.37-5я73
 
Н19

Р е ц е н з е н т ы: кафедра электроники УО «Белорусский государственный университет 
информатики и радиоэлектроники» (заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент С.М. Сацук); доцент кафедры автоматизации производственных процессов и электротехники УО «Белорусский государственный технологический университет» кандидат технических наук О.Г. Барашко

Назаров, В. И.
Автоматизированные системы регулирования тепловых процессов 
 основного оборудования ТЭС и АЭС : учебное пособие / В. И. Назаров, 
В. В. Кравченко. – Минск: Вышэйшая школа, 2022. – 215 с. : ил.
ISBN 978-985-06-3452-8.

Рассматриваются наиболее распространенные системы регулирования и их структуры для основного теплоэнергетического оборудования, т.е. для котлов (барабанных, прямоточных) и турбин в составе энергоблоков ТЭС и АЭС, а также динамические характеристики объектов регулирования, необходимые для параметрической оптимизации систем регулирования, изучается широкий спектр вопросов, связанных с автоматизацией 
теплоэнергетических процессов на ТЭС и АЭС.
Для студентов учреждений высшего образования для изучения курсов по автоматизации специальностей «Проектирование и эксплуатация атомных электрических станций», 
«Тепловые электрические станции», «Автоматизация и управление теплоэнергетическими 
процессами», «Промышленная теплоэнергетика». Предназначено также для курсового и 
дипломного проектирования систем регулирования основного теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС.

УДК 621.1:681.51.01(075.8)
ББК 31.37-5я73

Н19

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-3452-8  
© Назаров В.И., Кравченко В.В., 2022
 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2022

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АСР – автоматическая система регулирования
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь
БУ – блок управления
ВРЧ – верхняя радиационная часть
ГС – главный сервомотор
ДС – динамическая связь
ИМ – исполнительный механизм
КДС – комплект динамической связи
КПД – коэффициент полезного действия
КР – корректирующий регулятор
КТС – комплекс технических средств
КЧ – корректор частоты
МУТ – механизм управления турбиной
МЭО – механизмы электрические однооборотные
НАДВ – направляющий аппарат дутьевых вентиляторов
НАДС – направляющий аппарат дымососов
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство
ПА – противоаварийная автоматика
ПИ-закон – пропорционально-интегральный закон
ПП – перегретый пар
ПЛК – программный логический контроллер
ПО – 1) пароохладитель; 2) программное обеспечение
ППП – промежуточный пароперегреватель
ППТО – паропаровой теплообменник
ПТ – питатель топлива
ПТК – программно-технический комплекс
ПТН – питательный турбонасос
РД – регулятор давления
РКТ – регулирующий клапан турбины
РМ – регулятор мощности
РНМ – регулятор нейтронной мощности
РО – регулирующий орган
РОУ – редукционно-охладительная установка
РП – регулирующий прибор
РПК – регулирующий питательный клапан
РТ – регулятор температуры
СП – сервопривод
СР – стабилизирующий регулятор
ССУЗ – стержни системы управления и защиты
СУЗ – система управления и защиты
ТВЭЛы – тепловыделяющие элементы ядерного реактора
ЦПУ – центральное процессорное устройство
ЧУПДВ – частотный управляемый привод дутьевых вентиляторов
ЧУПДС – частотно-управляемый привод дымососов

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

AUS – прекращение управления, режим покоя
AWL – лист указаний по языку программирования в STEP7
AWS –  1) переключатель аналогового значения; 2) модульная программная функция
САЕ – программированное обучение
CFC – 1) обозначение продукции SIMATIC S7; 2) графический экран параметрирования и 
структурирования в SIMATIC
CPU – центральный процессорный модуль
CYCLE – параметр времени считывания в стандартных функциональных модулях SIMATIC
D – D-звено
DB – 1) блок данных; 2) узел данных
DDC – система регулирования, в которой вся обработка сигналов от измерительного до исполнительного звена выполняется цифровым вычислителем
DIN – Немецкий институт по стандартизации
DP – 1) децентрализованная периферия; 2) протокол передачи PROFIBUS DP
EMSR – электротехника, техника измерений, управления и регулирования
FB – функциональный блок
FC – вызов функции (программа)
FM – функциональный модуль
FUZZY – общее название продуктов нечеткой логики
HAND – ручной режим работы
HL – верхний предел
HW – аппаратура
HW-Сonfig – аппаратный инструмент конфигурации SIMATIC Manager
I – 1) I-звено (интегрирующее звено); 2) инструменты
IP – вид защиты
LIM – функция ограничения
LL – нижний предел
OP – 1) панель оператора; 2) прибор обслуживания (например, ОР7, ОР17)
OS – операторская станция
P – Р-звено
PA – 1) автоматизация процесса; 2) протокол передачи (PROFIBUS PA)
PCS7 – обозначение продукта SIMATIC S7
PDM – аппаратный диспетчер процесса
PER_TM – период импульсного выхода
PG – прибор программирования со STEP7 как Window-приложение для программирования, 
обслуживания, наблюдения и диагностики компонент SIMATIC S7
PLC – программный логический контроллер
PLS – система управления процессором
PLT – 1) техника управления процессами; 2) точка измерения; 3) информационный пункт
PROFIBUS – Европейский стандарт EN50 170, том 2 (PROFIBUS DP – для децентрализованной 
периферии есть часть функций, определенных в этом стандарте; PROFIBUS PA – для 
автоматических процессов, расширяет PROFIBUS DP в части собственной техники передачи в соответствии со стандартом IEC 1158-2)

PV – действительное значение; значение процесса 
R – трубопровод
SAMPLET – параметр интервала считывания в стандартных функциональных модулях SIMATIC
SCADA – управление и сбор данных
SIPART – обозначение продукции семейства процессных регуляторов фирмы SIEMENS
Soll – уставка (значение процесса)
SPC – автоматизированное задание уставки
SW – программное обеспечение
TD – текстовой дисплей
TE – термоэлемент
TIA – 1) полностью интегрированная автоматика; 2) обозначение для всех устройств SIMATIC
ТМ – 1) время процесса; 2) время срабатывания исполнительного устройства; 3) время перехода
TN – время переустановки
TV – время упреждения
WinCC – станция наблюдения и обслуживания
Z – Z-звено

ВВЕДЕНИЕ

Основу современной энергетики составляют тепловые электрические 
станции (ТЭЦ, ГРЭС, АЭС). Для их управления широко используются системы автоматического регулирования, обеспечивающие повышение экономичности и безаварийности их работы. Однако эффективность и надежность работы теплоэнергетического оборудования определяется не только объемом 
автоматизации, но и в значительной степени эффективностью выбранных 
структур систем регулирования.
В данном пособии, состоящем из пяти глав, рассматриваются наиболее 
распространенные системы регулирования и их структуры для основного теплоэнергетического оборудования, т.е. для котлов (барабанных, прямоточных) 
и турбин в составе энергоблоков ТЭС и АЭС, а также приводятся основные 
характеристики различных комплексов технических средств (КТС) и примеры 
их реализации.
На ряду со структурами систем регулирования приводятся и динамические 
характеристики объектов регулирования, необходимые для параметрической 
оптимизации последних.
Уникальность данного пособия заключается в том, что в нем собран материал, позволяющий изучать широкий спектр вопросов, связанных с автоматизацией теплоэнергетических процессов на ТЭС и АЭС.
Пособие предназначено для студентов учреждений высшего образования 
при подготовке курсового и дипломного проектирования систем регулирования основного теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС, а также для 
изучения курсов по автоматизации специальностей «Проектирование и эксплуатация атомных электрических станций», «Тепловые электрические станции», «Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами», 
«Промышленная энергетика».
Авторы

СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ 
БАРАБАННОГО КОТЛА

1.1. СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПИТАНИЯ БАРАБАННОГО КОТЛА

1.1.1. Общие сведения о системе

Автоматическая система регулирования (АСР) питания предназначена для 
поддержания материального соответствия между расходами питательной воды 
в котел и нагрузки котла по пару. Показателем этого соответствия служит 
уровень воды в барабане котла.
Снижение уровня воды ниже допустимых пределов может привести к нарушению циркуляции в экранных трубах (опрокидыванию циркуляции) и как 
следствие – к пережогу труб. При значительном повышении уровня воды в 
барабане возможен захват частиц воды паром, вынос ее в пароперегреватель 
и турбину, что вызывает занос пароперегревателя и турбины солями.
Автоматическая система регулирования питания барабанного котла должна обеспечить удержание уровня воды в допустимых пределах:
 y при стационарном режиме максимально допустимые отклонения по 
уровню не должны превышать ±20 мм;
 y при скачкообразном возмущении по нагрузке на 10% максимально допустимые отклонения по уровню не должны превышать ±50 мм.
Зона работы АСР питания обычно ограничена уставкой защиты от понижения уровня воды в барабане котла, с одной стороны, и уставкой открытия 
аварийного слива – с другой. Эти пределы определяют безопасность работы 
котла, превышение их вызывает аварийную ситуацию.

1.1.2. Динамические характеристики объекта регулирования

Отклонение уровня воды в барабане котла связано с наличием небаланса 
между притоком питательной воды и расходом пара и описывается дифференциальным уравнением вида

 
F
dН
dt
G
D
ρ
ρ
в
п
ПВ
п
−
(
)
=
−
, 
(1.1)

1

где F  – площадь зеркала испарения, м2; ρ
ρ
в
п
,
– плотность воды и насыщенного пары, кг/м3; GПВ и Dп – расход питательной воды и расход пара соответственно, кг/с.
Хотя на уровень воды в барабане котла оказывают влияние много 
возмущений, но при расчете оптимальных параметров настройки регулятора обычно используется передаточная функция по каналу возмущения расходом питательной воды в виде интегрирующего звена с запаздыванием:

 
G
e
Tp

p

ПВ =

− τ
, 
(1.2)

где τ – постоянная времени запаздывания, принимается в пределах 15–20 с; 
T – постоянная времени интегрирования, принимается в пределах 100–150 с.
На рис. 1.1 приведены переходные процессы по изменению уровня воды 
в барабане котла при различных возмущениях. Для возмущений расходом 
питательной воды, расходом пара, расходом топлива и температурой питательной воды присуще явление «набухания» уровня. В данном случае кривая разгона будет иметь вид, изображенный на рис. 1.1, а, в остальных случаях – вид, 
изображенный на рис. 1.1, б.

Рис. 1.1. Переходные процессы по изменению уровня воды в барабане котла при различных 
возмущениях:
а – при некипящем экономайзере; б – при кипящем экономайзере

Явление «набухания» уровня зависит от параметров пара и конструктивных особенностей котла и определяется в основном разностью предельных 
объемов насыщенного пара и кипящей воды. С повышением давления пара 
этот эффект уменьшается. Кроме того, «набухание» зависит от теплового 

h

t
0
h

t
0
а
б

напряжения топочных экранов: с его увеличением также увеличивается паросодержание в топочных экранах, поэтому резче сказывается изменение нагрузки потребителей на «набухании» уровня. У современных котлов с высоким 
тепловым напряжением колебание уровня при резких и значительных изменениях нагрузки достигает существенных значений.

1.1.3. Структурная схема регулирования питания

На современных барабанных котлах производительностью 20 т/ч и выше 
применяются только АСР с трехимпульсным регулятором, что объясняется 
чрезвычайно жесткими требованиями, предъявляемыми к качеству регулирования (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Структурная схема регулирования питания барабанного котла:

Dп – расход пара, GПВ – расход питательной воды; Н – уровень в барабане котла; РП – регулирующий 
прибор; Зд – задатчик; БУ – блок управления; У – усилитель; ИМ – исполнительный механизм; 
РПК – регулирующий питательный клапан

Типовая АСР питания содержит измерительные преобразователи 
уровня Н, расхода пара Dп, расхода питательной воды GПВ: регулирующий 
прибор, формирующий ПИ-закон регулирования; коммутирующую и 
управляющую аппаратуру; исполнительный механизм; регулирующий 
орган.

D
GПВ
п
H

Зд
РП

БУ

У
ИМ

РПК

Питательная
вода к котлу

1.2. СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА 
(НАГРУЗКИ) БАРАБАННОГО КОТЛА

1.2.1. Общие сведения о системе

Система регулирования расхода топлива (нагрузки) предназначена для 
обеспечения потребителя требуемым количеством пара заданного давления.  
Давление пара является косвенным показателем соответствия количества пара, 
выработанного котлом, расходу пара на турбину.
Нарушение теплового баланса котла происходит за счет внутренних и 
внешних возмущений. К внутренним относятся возмущения, связанные с изменением характеристик топлива и его расхода. К внешним относятся возмущения, связанные с изменением количества потребляемого пара.
Таким образом, система регулирования должна выполнять две функции: 
компенсировать внутренние и внешние возмущения с помощью одного управляющего воздействия – расхода топлива. Эти требования определяют структуру системы регулирования.
Система регулирования расхода топлива должна обеспечить:
 y поддержание в регулирующем режиме работы котла давления пара перед 
турбиной или в главной паровой магистрали с отклонением не более ±2% 
номинального;
 y поддержание в базовом режиме работы котла расхода пара с отклонением не более ±3% заданного.

1.2.2. Динамические характеристики объекта регулирования

Котел как объект регулирования давления и тепловой нагрузки может быть 
представлен в виде последовательного соединения простых участков: топочной 
камеры; парообразующей части, состоящей из поверхностей нагрева, расположенных в топочной камере; барабана и пароперегревателя.
При параметрической оптимизации данной системы регулирования для 
газомазутных котлов используются динамические характеристики следующих 
участков: 
 y участок «расход топлива Вт – давление пара Pп за котлом»:

 
W
p
K
e
T
p
В
Р
В
Р
p

В
Р

В
Р

∆
∆
∆
∆

−

∆
∆
( )=
+

∆
∆

т
п

т
п

т
п

т
п

τ

1
, 
(1.3)

где K
В
Р
∆
∆
=
÷

т
п
1 5
2 5
,
, ; τ ∆
∆
=
÷
В
Р
т
п
c
40
60 ; T В
Р
∆
∆
=
÷

т
п
c
300
400 ;