Измерительная техника (Хомяков В.Б.)x

-1МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГОУ СПО ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
По дисциплине «Измерительная техника и автоматизация технологических
процессов ТЭС»
Специальность 140101
Разработал преподаватель Хомяков В.Б.
Рассмотрено и утверждено
ЦКК теплотехнических дисциплин
Протокол №8 от 21 апреля 2010 г.
2010
-2ОДОБРЕНА
Предметной (цикловой) комиссией
Председатель: Хомяков В.Б.
Протокол_№ 8
"21" апреля 2010г.
Составлена в соответствии с Государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника по
специальности
140443
Заместитель директора по учебной работе
Качнова О.А.
___________________
"22" апреля 2010 г.
Составитель: Хомяков В.Б. – преподаватель ФГОУ СПО ДВЭТ
Рецензент: Козак А.А. – зам. начальника службы и наладки КГУП «Примтеплоэнерго»
-3-
-4Курс лекций по дисциплине «Теплотехнические измерения и автоматизация технологических
процессов ТЭС» предназначен для учащихся энергетического техникума специальности 140101
«Тепловые электрические станции» в качестве.
Данный материал предназначен для третьего курса данной специальности и может быть использован для самообучения и в отсутствии технических средств. После каждой темы представлены контрольные вопросы для закрепления материала. В конце курса даны консультации, в результате чего
можно убедиться в правильности выбранных ответов или обнаружить ошибку.
Материал лекций дан в соответствии с утверждённой Рабочей Программой.
Не рекомендуется обращаться к правильным ответам, пока не сделана попытка самостоятельно
ответить на поставленные вопросы.
В данном томе изложены все темы согласно учебной программы, приведено множество иллюстраций.
-5Содержание
Введение……………………………………………………………………………………………… 9
История развития единиц измерений и создание систем единиц………………………………..9
Единицы физических величин системы СИ……………………………………………………… 10
Механизация и автоматизация теплоэнергетических процессов………………………………. 11
Теоретические основы автоматического управления. Основные понятия и определения… 12
РАЗДЕЛ 1. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ……………………………….. 13
Тема 1.1. Общие сведения об измерениях………………………………………………… 13
1.1.1. Общие метрологические понятия……………………………………………………………….
13
1.1.2. Методы и погрешности измерений……………………………………………………………..
13
1.1.3. Поверка измерительных приборов……………………………………………………………15
1.1.4.Система надзора за измерительной техникой…………………………………………………
16
1.1.5. Характеристика элементов приборов……………………………………………………… 18
1.1.6. Основные свойства измерительных приборов……………………………………………….
18
1.1.7. Теплотехнический контроль на электростанциях……………………………………………..
19
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….. 20
Тема 1.2. Измерение температуры………………………………………………………………..
21
21
1.2.1. Методы измерения температуры и температурные шкалы………………………………….
22
1.2.2.Классификация приборов для измерения температуры……………………………………..
23
1.2.3. Термометры расширения. Стеклянные жидкостные термометры…………………………
1.2.3. Установка и поверка ртутных термометров………………………………………………. 24
25
1.2.4. Поправки к показаниям ртутных термометров………………………………………………..
26
1.2.5 Манометрические термометры…………………………………………………………………..
27
1.2.6. Термоэлектрические термометры………………………………………………………………..
1.2.7. Устройство термопреобразователей и применяемые материалы…………………………27
1.2.8. Милливольтметры…………………………………………………………………………….. 28
1.2.9. Потенциометры…………………………………………………………………………………..28
31
1.2.10. Установка и поверка термопреобразователей и вторичных приборов………………….
32
1.2.11.Термопреобразователи сопротивления……………………………………………………….
1.2.12. Измерительные мосты…………………………………………………………………………33
34
1.2.13. Магнитоэлектрические логометры……………………………………………………………..
35
1.2.14. Систематические погрешности измерения температур контактными методами……….
36
1.2.15. Излучение нагретых тел………………………………………………………………………..
37
1.2.16. Пирометры………………………………………………………………………………………..
1.2.17. Преимущества и недостатки методов измерения температуры среды по
излучению………………………………………………………………………………………………..39
40
1.2.18. Погрешности измерения температур в нестационарных режимах………………………..
42
Контрольные вопросы………………………………………………………………………………..42
Тема 1.3. Измерение давления……………………………………………………………….. 44
1.3.1. Единицы давления и разновидности приборов……………………………………………….
44
1.3.2. Классификация приборов для измерения давления…………………………………………..
44
1.3.3. Жидкостные манометры и дифманометры………………………………………………… 45
1.3.4. Деформационные манометры……………………………………………………………………..
46
1.3.5. Правила измерения трубчато-пружинными манометрами………………………………….
47
1.3.6. Поверка манометров…………………………………………………………………………….47
1.3.7. Тягонапоромеры……………………………………………………………………………….. 47
1.3.8. Манометры с дистанционной передачей показаний. Тензометрические
преобразователи………………………………………………………………………………………..48
1.3.9. Установка и поверка манометров с дистанционной передачей показаний………………
50
1.3.10 методика измерений давлений……………………………………………………………… 51
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….52
52
-6Тема 1.4. Измерение расхода, количества, уровня жидкостей и сыпучих
тел…………………………………………………………………………………………………….. 54
1.4.1. Единицы и методы измерения расхода и количества вещества…………………………..54
1.4.2. Расходомеры с сужающим устройством……………………………………………………….
54
1.4.3. Выбор и установка сужающих устройств………………………………………………….. 55
1.4.4. Дифманометры……………………………………………………………………………………56
1.4.5. Скоростные расходомеры и счётчики………………………………………………………. 57
1.4.6. Объёмные счётчики…………………………………………………………………………………
59
1.4.7. Расходомеры постоянного перепада давления………………………………………………60
1.4.8 Тахометрические и электрические расходомеры………………………………………………
60
1.4.9. Ультразвуковые расходомеры и тепломеры……………………………………………………..
61
1.4.10.Измерение уровня жидкости…………………………………………………………………..62
1.4.11. Измерение уровня воды в барабане парогенератора……………………………………. 63
1.4.12. Измерение уровня жидкостей в конденсаторах, подогревателях и резервуарах……….63
1.4.13. измерение уровня угля и пыли в бункере……………………………………………………..
65
1.4.14. Автоматические весы…………………………………………………………………………..65
Контрольные вопросы…………………………………………………………………………………66
Тема 1.5. Измерение состава газов, воды и пара. Контроль выбросов
тепловых электростанций……………………………………………………………………… 68
1.5.1. Контроль состава газов…………………………………………………………………………..
68
1.5.2. Автоматические газоанализаторы……………………………………………………………..68
1.5.3. Переносные газоанализаторы…………………………………………………………………..71
1.5.4. Методы контроля качества воды и пара……………………………………………………….
72
1.5.5. Кондуктометры……………………………………………………………………………………
73
1.5.6. Кислородомеры…………………………………………………………………………………..74
Контрольные вопросы………………………………………………………………………………..76
76
Тема 1.6. Специальные измерения…………………………………………………………….77
1.6.1. Определение показателей качества рабочей среды………………………………………….77
77
1.6.2. Анализаторы для определения растворённого в воде и паре водорода……………………..
78
1.6.3. Специальные измерения и приборы………………………………………………………………
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….. 79
Тема 1.7. Щиты управления и схемы теплотехнического контроля…………….. 81
81
1.7.1. Информационно-измерительная подсистема АСУ ТП……………………………………….
1.7.2. Щиты управления………………………………………………………………………………..81
1.7.3. Блочный щит управления………………………………………………………………………83
84
Контрольные вопросы………………………………………………………………………………..84
РАЗДЕЛ 2 АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ……………………………………………………………………………….. 85
Тема 2.1. Основные понятия управления, автоматизации, автоматическая
система регулирования…………………………………………………………………………. 85
2.1.1. Автоматическая система управления……………………………………………………………
85
2.1.2. Основные задачи теории автоматического регулирования………………………………….
88
2.1.3. Физическая сущность процесса регулирования………………………………………………….
90
2.1.4. Показатели качества процесса регулирования………………………………………………..
92
2.1.5. Статические и динамические характеристики АСР……………………………………… 93
2.1.6. Переходные процессы в автоматических системах регулирования……………………….2
94
2.1.7. Работы и методы исследований системы автоматического регулирования…………… 95
2.1.8. Линеаризация уравнений переходных процессов……………………………………………..
95
2.1.9. Свойства управляемых объектов…………………………………………………………… 96
2.1.10. Устойчивость САР и анализ качества процесса регулирования…………………………98
2.1.11. Методы экспериментального получения динамических характеристик
регулируемых объектов…………………………………………………………………………………..
98
-7100
2.1.12. Звенья и структурная схема автоматической системы регулирования……………………
2.1.13. Запаздывающее и инерционное звено второго порядка и их свойство…………………..105
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….. 106
Тема 2.2. Технические средства автоматизированных систем
регулирования……………………………………………………………………………………….. 107
2.2.1. Основные законы регулирования………………………………………………………………..
107
2.2.2. Промышленные регуляторы и их основные элементы…………………………………….. 108
2.2.3. Функциональные схемы регуляторов Московского завода тепловой автоматики
(МЗТА)……………………………………………………………………………………………………….
109
2.2.4. Расчёт параметров настройки регуляторов и наладка регулирующих приборов……… 110
2.2.5. Исполнительные механизмы автоматических регуляторов…………………………………
111
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….. 112
Тема 2.3. Автоматическое регулирование барабанных и прямоточных
котлов…………………………………………………………………………………………………….113
2.3.1. Регулирующие органы в автоматической системе регулирования…………………………..
113
2.3.2. Дроссельные регулирующие органы……………………………………………………………..
115
2.3.3. Автоматическое регулирование барабанных котлов……………………………………………
120
2.3.4. Регулирование экономичности процесса горения……………………………………………..
122
2.3.5. Способы и системы регулирования экономичности процесса горения……………………….
123
2.3.6. Регулирование разрежения в топке парогенератора…………………………………………124
2.3.7 Регулирование подачи первичного воздуха в шахтную мельницу……………………….. 124
2.3.8. регулирование температуры первичного перегрева пара……………………………………
124
2.3.9. Регулирование температуры вторичного пара (промперегрева)…………………………. 125
2.3.10. регулирование поддержания уровня воды в барабане котла………………………………..
126
2.3.11. Регулирование качества добавочной котловой воды…………………………………………..
127
2.3.12. Прямоточный паровой котёл как объект управления……………………………………….
128
2.3.13. Регулирование подачи топлива и регулирование тепловой нагрузки………………………
129
2.3.14. Схема регулирования экономичности процесса горения……………………………………..
130
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….. 130
Тема 2.4. Автоматизация регулирования вспомогательного оборудования… 133
2.4.1. Автоматизация установок пылеприготовления…………………………………………….. 133
2.4.2. Регулирование молотковых мельниц……………………………………………………………
134
2.4.3. Автоматизация газораспределительных пунктов………………………………………………
134
2.4.4. Автоматизация установок химической очистки воды…………………………………………
135
2.4.5. Автоматическое регулирование деаэраторов…………………………………………………..
136
2.4.6. Автоматическое регулирование РОУ и подогревателей сетевой воды………………….. 137
2.4.7. Автоматическое регулирование уровня и температуры мазута в баке…………………….
138
2.4.8. Регулирование производительности тяго-дутьевых машин………………………………….
139
2.4.9. Системы регулирования паротурбинных установок………………………………………. 139
2.4.10. Автоматизация вспомогательных установок паровых турбин………………………………
140
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….. 141
Тема 2.5. Автоматизация регулирования вспомогательного оборудования… 143
2.5.1. Особенности эксплуатации энергоблоков………………………………………………………
143
2.5.2. Особенности регулирования энергоблоков………………………………………………….. 143
2.5.3. Системы управления мощностью энергоблока…………………………………………………
145
2.5.4. Автоматизация пуска энергоблоков………………………………………………………………
146
2.5.5. Автоматизация пуска энергоблоков с барабанным и прямоточным
парогенераторами……………………………………………………………………………………….146
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….. 148
Тема 2.6. Автоматические тепловые защиты и системы логического
управления……………………………………………………………………………………………..150
2.6.1. Автоматическая технологическая защита………………………………………………….. 150
-8151
2.6.2. Основные технологические защиты блоков котёл—турбина………………………………..
152
2.6.3. Перевод энергоблока в режим холостого хода……………………………………………………
2.6.4. Логические (структурные) схемы автоматических технологических защит……………. 153
2.6.5. Основные требования к электрическим схемам защиты………………………………….. 153
2.6.6. Электрические схемы защиты…………………………………………………………………..154
Контрольные вопросы………………………………………………………………………………… 155
Тема 2.7. Автоматизированные системы управления на тепловых
электростанциях…………………………………………………………………………………….. 156
2.7.1. Принципы построения автоматизированных систем управления технологическим
процессом (АСУ ТП)……………………………………………………………………………………. 156
2.7.2. Требования к структуре и функционированию АСУ ТП………………………………….. 156
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….. 157
Комментарии к контрольным вопросам………………………………………………………………158
Список литературы……………………………………………………………………………………. 163
-9-
ВВЕДЕНИЕ
История развития единиц измерений и создание
систем единиц
Жизнь человека тесно связана с измерениями. Уже первобытный человек при постройке жилища
и изготовления орудий и посуды применял простейшие меры длины, массы и объёма. По мере развития человеческого общества потребность в измерениях возрастала. Если первоначально человека
вполне удовлетворяли единицы, основанные на размерах частей человеческого тела (локтя, ступни,
пальцев), то с появлением частной собственности, развитием обмена продуктами производства и
разделением труда первоначальные способы измерения оказались уже недостаточными. Люди начали вводить единицы измерений, размеры которых определялись специально изготовленными образцами.
Постепенно образовалось громадное число различных единиц длины и массы не только в разных
странах, но даже и внутри отдельных государств. Особенно большое число разнообразных мер для
одних и тех же величин применяли при феодализме, когда каждому феодалу было дано право иметь
собственные меры и использовать их в пределах своих владений. Множественность мер создавала
большие препятствия для развития торговли, а с зарождением капитализма – и промышленности.
Метрическая система мер, признанная в последствии всеми народами мира, зародилась во Франции в середине ХVIII века. Учёные пришли к заключению, что должна быть создана такая система
мер, в основу которой легли бы единицы, взятые непосредственно из природы, и поэтому всегда
остающиеся неизменными.
8 мая 1790 г. Национальное собрание Франции приняло декрет о реформе мер. Взамен множества
единицы длины был введён метр. А в качестве единицы массы – килограмм. Метрическая система
мер была первой системой связанных между собой единиц для измерения длины, площади, объёма и
массы.
В 1861-1870 годах Комитет по электрическим эталонам Британской ассоциации для развития
наук разработал систему единиц СГС, в которой в качестве основных единиц были приняты сантиметр, грамм и секунда. Для производных единиц силы и работы Комитет предложил наименования
дина и эрг. Этот же Комитет установил две системы электрических и магнитных единиц: абсолютную электростатическую (СГСС) и абсолютную электромагнитную (СГСМ). В настоящее время для
электрических и магнитных единиц существует семь различных систем, построенных на основе системы СГС.
В конце ХIХ века появилась система МКГСС, основными единицами которой являются метр,
тонна и секунда. В настоящее время она вышла из употребления. В 1901 году итальянский физик
Джорджи предложил систему механических единиц, построенную на трёх основных единицах: метре, килограмме и секунде, которая получила сокращённое название «система МКС». Преимущество
этой системы по сравнению с другими системами механических единиц состояло в том, что её легко
можно было связать с абсолютной практической системой электрических и магнитных единиц, так
как единицы работы джоуль и мощности ватт а этих двух системах совпадали.
Ещё в 1913 году в Международном бюро мер и весов и учёными Франции разрабатывалась на основе МКС система единиц, которую предполагалось рекомендовать в международном масштабе.
Однако первая мировая война прервала эту работу. Уже в 1948 году IХ Генеральная конференция по
мерам и весам рассмотрела предложение Международного союза прикладной физики об установлении международной практической системы единиц. За основу проекта новой системы единиц был
принят французский вариант, в котором предполагалось принять в качестве основных единиц системы метр, килограмм (массу) и секунду, и совершенно исключить всякую систему, в которой в качестве основной единицы была бы принята единица силы или веса.
В октябре 1960 года ХI Генеральная конференция по мерам и весам окончательно приняла новую
систему и присвоила ей наименование «Международная система единиц» с сокращённым обозначением «SI». Принятие Международной системы явилось важным прогрессивным актом, так как впервые была создана возможность перехода на единую универсальную систему единиц. То есть систему, охватывающую все виды измерений. Эта система была принята во многих странах мира, в том
числе в бывшем СССР. Принятие новой системы единиц всеми странами мира облегчило бы использование материалов, публикуемых в книгах, научных журналах, патентах, издаваемых в различных
- 10 странах. Метрическая система мер получила международное признание во второй половине ХIХ века. Большую роль в этом сыграла Российская Академия наук. Несмотря на то, Россия подписала
Метрическую конвенцию, до Октябрьской революции метрическая реформа не была осуществлена.
Таким образом, в настоящее время почти во всех странах мира действует система СИ.
ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН СИСТЕМЫ СИ
В качестве единой универсальной системы единиц, охватывающей все отрасли науки и техники в
большинстве стран мира. В том числе и в Российской Федерации, принята международная система
единиц СИ. Основных единиц системы СИ -- семь: длина – метр (м); масса – килограмм (кг); время –
секунда (с); сила электрического тока – ампер (А); термодинамическая температура – кельвин (К);
количество вещества – моль (моль); сила света – кандела (кд).
Градус кельвина – это единица измерений температуры по термодинамической шкале, в которой
в которой для температуры тройной точки воды установлено точное значение 273,16 0К. В тройной
точке одновременно существуют и находятся в температурном равновесии все три фазы: твёрдая
(лёд), жидкая (вода), газообразная (водяной пар).
Значение температуры тройной точки воды выбрано таким, чтобы интервал между точками таяния льда и кипения воды по термодинамической шкале был равен 100 градусам. Связь между числовыми значениями температуры, выраженной в градусах Кельвина и Цельсия может быть выражена
следующим образом:
Т
t
 0  273,16, где:
0
К
С
Т и t – температура в градусах Кельвина и Цельсия.
Кандела – это такая сила света. При которой яркость полного излучателя при температуре затвердевания платины, равна 60 свечей (св) на 1 см2. эталоном для воспроизведения световых единиц
служит полный излучатель (абсолютно чёрное тело) при температуре затвердевания платины. Полный излучатель представляет собой трубочку из окиси тория, погруженную в затвердевающую платину.
Дополнительными единицами системы СИ являются: плоский угол – радиан (рад); телесный угол
– стерадиан (ср). Радиан – это угол между двумя радиуса круга, длина которой равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 570 17' 44,8''. Стерадиан – это телесный угол, вершина которого
расположена в центре сферы, вырезающей на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса
сферы. Измерительных приборов для измерения телесных углов нет. Однако значение телесных углов определяется обычно расчётным путём, по измеренным плоским углам.
Все остальные применяемые единицы физических величин являются производными от основных.
Из единиц, используемых при теплотехнических измерениях и принятых в системе СИ, применяются такие: силы – ньютон (Н); давления – паскаль (Па); работы, энергии – джоуль (Дж); мощности –
ватт (Вт); количества теплоты – джоуль (Дж); теплового потока – ватт (Вт).
Наравне с единицами СИ допускается применение некоторых внесистемных единиц: массы –
тонна (т); времени – минута (мин), час (ч), сутки (сут), плоский угол – градус= (π/180) рад; вместимости – литр (л) и другие единицы.
Из числа внесистемных единиц, подлежащих замене, но продолжающих применяться на практике, следующие: силы – кгс; давления – кгс/см2; работы, энергии -- кгс·м, Вт·ч; мощности -- кгс·м/с;
количества теплоты – кал, Ккал, Гкал; теплового потока – кал/с, Ккал/ч, Гкал/ч. В дальнейшем по
мере необходимости будем использовать и другие внесистемные единицы.
Приведу некоторые соотношения между внесистемными единицами и единицами системы СИ.
Сила…………………………………………………….……………..1 кгс=9, 80665 Н.
Давление………………………………………………….…..….1 кгс/см2=98066,5 Па.
Работа, энергия…………………………………………….…..…1 кгс·м=9,80665 Дж.
Мощность……………………………………………….……….1 кгс·м/с= 9,80665 Вт.
Количество теплоты…………………………………………………1 кал= 4,1868 Дж.
Тепловой поток………………………………………………………1 кал/c=4,1868 Вт,
1 ккал/ч=1,163 Вт.
В системе СИ допускается применять десятичные кратные и дольные единицы, например, 1
кгс/см2= 100 000 Па=0,1 МПа – одна десятая мегапаскаля и т. д.
- 11 Механизация и автоматизация теплоэнергетических
процессов
В современной энергетике из года в год возрастает применение устройств механизации и автоматизации технологических процессов. Механизацией называется применение в производственных
процессах машин и других приспособлений, использующих внешние источники энергии и заменяющих мускульный труд. В полностью механизированном производстве на долю обслуживающего
персонала остаётся только оперативное управление технологическими процессами.
Автоматизацией называется такая организация оперативного управления механизированными
технологическими процессами, когда оно осуществляется централизованно человеком-оператором
или без его участия. Таким образом, автоматизация технологических процессов имеет следующие
преимущества:
1. Повышает экономичность установок.
2. Повышает надёжность эксплуатации установок, снижая аварийность.
3. Облегчает условия труда.
4. Ведёт к сокращению штата обслуживающего персонала.
Автоматизация технологических процессов решается на базе применения комплекса различных
устройств. Наиболее существенными из них являются устройства теплотехнического контроля, дистанционного управления, технологической сигнализации, тепловой защиты и блокировок, автоматического регулирования и управления. К устройствам автоматизации дополнительно можно отнести устройства сигнализации и связи. Целью автоматического регулирования является поддержание
оптимальных условий протекания какого-либо технологического процесса без вмешательства человека.
Автоматические системы могут быть разделены на два класса. К одному классу относят системы,
выполняющие свои функции по заранее заданной программе без свободы выбора. В этих системах
информации о состоянии выходных величин или отсутствуют, или имеют второстепенное значение.
Такие системы носят название циклических или детерминированных, например, машины-автоматы,
автоматические линии. К другому классу относятся системы, работающие с учётом фактического
протекания процесса, на основе информации о его выходных величинах. Такие системы называются
ациклическими или информационными. К ним относятся системы автоматического регулирования
(САР) и автоматического управления (САУ).
Различают четыре основные задачи автоматического регулирования. Первая называется задачей
стабилизации параметров, то есть имеется процесс, характеризуемый определённым значением некоторой величины. Эту величину, которая называется регулируемой величиной или регулируемым
параметром, необхо-димо поддерживать постоянной. Например, регулирование давления и температуры пара после котлоагрегата, регулирование постоянного числа оборотов турбоагрегата, регулирование уровня воды в барабане котла и т. д.
Второй задачей автоматического регулирования является задача поддержания соответствия между двумя зависимыми величинами или одной зависимой и другими независимыми величинами. Эта
задача называется задачей регулирования соотношения или задачей следящего регулирования.
Например, регулирование соотношения топливо-воздух в процессе сжигания топлива, регулирование соотношения расход пара-расход воды при питании котлоагрегата водой.
Третьей задачей автоматического регулирования является задача поддержания значения регулирования величины так, чтобы она изменялась во времени по определённому закону. Эта задача
называется задачей программного регулирования. Например, регулирование температуры при закалке металла, при гибке труб термическим способом.
При решении второй и третьей задач приходится решать и первую – задачу стабилизации. Таким
образом, задача стабилизации является наиболее общей и основной.
Четвёртая задача называется задачей оптимизации. При каком-либо процессе требуется регулировать величину так, чтобы сам процесс протекал при оптимальном режиме, а регулируемая величина имела бы возможно наивысший коэффициент полезного действия (КПД). Например, процесс
сжигание топлива в топке парогенератора с оптимальным при всех его нагрузках избытком воздуха,
то есть с максимальным КПД топочного устройства.
- 12 Часто задача оптимизации технологического процесса требует организации сложной системы
контроля для сбора необходимой информации. Также сложным при этом получается и процесс её
обработки с целью выдачи соответствующей команды для общей автоматической системы управления. Эти задачи решаются с помощью средств технической кибернетики. Кибернетика – это наука об
общих законах управления объектами самой различной природы на основе получения. Передачи и
обработки информации. Средствами технической кибернетики являются различного рода логические элементы, элементы памяти, вычислительные и управляющие машины.
Теоретические основы автоматического управления.
Основные понятия и определения
Прежде чем более подробно изучать автоматические системы управления и регулирования, необходимо изучить общие понятия.
Управление – это целенаправленная организация технологического процесса, обеспечивающая
достижение определённой цели. Регулирование – это частный случай управления, при котором целью является поддержание заданного режима технологического процесса. Объект управления или
регулирования – это промышленная установка или её часть, в которой протекает управляемый или
регулируемый процесс.
Регулируемый параметр – это физическая величина, характеризующая режим регулируемого объекта. При регулировании заданное значение регулируемого параметра является либо постоянным, то
есть обычная задача стабилизации режима, либо заранее определенной функцией времени, то есть
программное регулирование.
Регулирующий орган -- это устройство регулируемого объекта, с помощью которого производят
изменение режима технологического процесса при регулировании. Система управления – это совокупность всех устройств, обеспечивающих управление каким-либо объектом. Система управления
называется автоматической, если управление объектом осуществляется без непосредственного участия человека. Если управление объектом осуществляет человек или группа людей с помощью различных автоматических устройств, система управления называется автоматизированной.
Регулятор – это совокупность устройств, осуществляющих регулирование технологического процесса без участия человека. Системой автоматического регулирования (САР) называется совокупность регулируемого объекта и регулятора. Аналогично совокупность автоматических управляющих
устройств и объекта управления называется автоматической системой управления (САУ).
Регулирующее воздействие – это изменение режима объекта регулирования, совершаемое посредством регулирующего органа. Возмущающее воздействие (или возмущение) – это внешняя сила,
вызывающая изменение состояния САР.
Возмущение может быть приложено как к объекту регулирования, так и к регулятору. Возмущения иногда разделяют на внутренние, действующие на объект со стороны регулирующего органа, и
внешние, приложенные в других точках САР.
Параметры, характеризующие состояние объекта регулирования или управления, существенные
для организации процесса регулирования или управления, называются выходными величинами САР.
Возмущающие и регулирующие или управляющие воздействия, действующие на объект регулирования (управления) или любой другой элемент САР, называются входными величинами.
Системы с одной входной и одной выходной величинами называют одномерными. Системы с несколькими входами и выходами называют многомерными.
Сигналом называется совокупность знаков, символов или значений какой-либо физической величины, содержащую информацию о явлениях, происходящих в технологическом процессе. С помощью электрических, пневматических, световых, звуковых сигналов передают информацию о состоянии технологических процессов, нарушения режима, команды управления и тому подобное.
Сигнал называется непрерывным, если в заданном диапазоне его изменения он проявляется в любой момент времени, то есть постоянно. Сигнал называется дискретным, если он настроен по времени, то есть является прерывистым. Соответственно автоматические системы регулирования или
управления, оперирующие с непрерывными или дискретными сигналами, называются непрерывными или дискретными.
- 13 -
РАЗДЕЛ 1 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Тема 1.1. Общие сведения об измерениях
1.1.1. Общие метрологические понятия
Измерение физических величин является одним из способов познания окружающего нас мира и
основным средством и контроля различных технологических процессов. Научно-технический прогресс неразрывно связан с развитием и совершенствованием метрологии.
Измерением называется определение физической величины с помощью специальных технических
средств.
Измерение физических величин имеет давнюю историю. Ещё в средние века проводились измерения времени, геометрических размеров и массы тел. В ХVII веке появились термометры для измерения температуры, манометры для измерения давления, барометры для измерения атмосферного
давления. В ХVIII и ХIХ веках стали использовать динамометры для измерения силы, калориметры
для измерения количества тепла. Начали создаваться приборы для измерения электрических величин.
Многие оригинальные конструкции измерительных приборов различного назначения были созданы М. Ломоносовым. Русский механик И. Ползунов создал первый промышленный указатель и регулятор уровня воды в паровом котле. Важные работы в области измерений были выполнены русским учёным Д. Менделеевым.
Теплотехнические измерения широко применяются в энергетике для повседневного контроля и
наблюдения за работой основного и вспомогательного оборудования. Для измерения физических
величин служат различные средства измерений, которые подразделяются на меры, предназначенные
для вещественного воспроизведения принятых единиц физических величин, например, метр, килограмм, литр, и измерительные приборы, предназначенные для сравнения измеряемых величин с единицами измерений и выработке соответствующей измерительной сигнала в той форме, которая доступна для наблюдения.
Чувствительностью прибора называется отношение изменения сигнала на выходе к вызывающему его изменению измеряемой величины.
1.1.2. Методы и погрешности измерений
Измерения физических величин делятся на промышленные или технические и лабораторные.
Промышленные измерения имеют сравнительно невысокую точность, но достаточную для практических целей. Лабораторные измерения имеют высокую точность и применяются для наладочных
и других работ, где требуется более точное измерение.
Для определения значений измеряемой величины служат прямые и косвенные измерения. В прямых измерениях искомое значение величины находят на основании непосредственно из опытных
данных, например, значение давления по пружинным манометрам или значение температуры по показаниям стеклянного термометра. Благодаря наглядности и простоте прямые измерения получили в
энергетике большое распространение.
Когда невозможно провести прямое измерение, применяют косвенное измерение, которое является менее точным. В косвенных измерениях искомое значение величины находят на основании известной зависимости между измеряемой величиной и величинами, подвергаемым прямым измерениям, например, измерение расхода среды по перепаду давления на измерительной диафрагме.
Методом измерения называется совокупность приёмов использования принципов и средств измерений. Существует несколько методов измерений, из которых наиболее распространёнными являются: метод непосредственной оценки, метод сравнения с мерой и нулевой метод.
Метод непосредственной оценки предусматривает определение искомой величины по отсчётному
устройству измерительного прибора, например, по положению указательной стрелки манометра относительно его шкалы.
Метод сравнения с мерой состоит в том, что измеряемая величина сравнивается со значением,
воспроизводимым мерой для данной величины, например, при измерении длины калиброванным
метром.
- 14 Нулевой метод является разновидностью метода сравнения с мерой, например, измерение массы
вещества на весах с уравновешиванием её калиброванными грузами.
Качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой
величины, называется точностью измерений. Точность измерения количественно характеризует погрешность измерения. Чем ближе к нулю будет погрешность, тем больше будет точность измерений.
Абсолютной погрешностью прибора называется разность между выходным сигналом (показанием прибора) и истинным значением измеряемой величины.
Δx=хп—х, где:
хп – выходной сигнал (или показание прибора);
х – истинное значение измеряемой величины.
Погрешность измерения может быть оценена не только как абсолютная, то есть в единицах измеряемой величины, но и как относительная или как приведённая. Относительной погрешностью
называется отношение абсолютной погрешности Δx к истинному значению измеряемой величины
Хд и выражается в процентах.
х

100
ХД
Приведённой погрешностью называется отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению и выраженное в процентах. Под нормирующим значением понимают некоторое
условно принятое значение, чаще всего диапазон показаний прибора или при начальном значении
шкалы, равном нулю, конечное (верхнее) значение шкалы прибора.
Погрешности любого средства измерения подразделяют ещё на систематические, грубые, случайные и динамические. Систематическими погрешностями называются такие погрешности, которые
при повторных измерениях одной и той же величины остаются постоянными или изменяются по
определённому закону.
Систематические погрешности слагаются из основной и дополнительной погрешностей. Основная погрешность зависит от назначения, устройства и качества изготовления измерительного прибора. Каждый, даже новый, прибор обладает основной погрешностью, которая с течением времени
возрастает за счёт появления остаточных деформаций пружин, например, манометров, износа трущихся частей, например, самопишущие приборы. Дополнительные погрешности возникают из-за
неправильной установки прибора, влияния неблагоприятных внешних условий, например, из-за вибрации, высокой или низкой температуры воздуха, его влажности и т. д. Частичное или полное устранение таких погрешностей достигается путём установки прибора в соответствии с инструкцией завода-изготовителя прибора, обеспечения нормальных условий эксплуатации прибора и применения
правильных методов измерения.
Например, чтобы избежать погрешность измерения температуры в стеклянном жидкостном термометре, необходимо смотреть на шкалу прямо. Точно также и на шкалу манометра или другого
прибора. Если смотреть на шкалу прибора сбоку, то измеряемая величина будет искажена и неточна.
Влияние на результаты измерения систематических погрешностей учитывается введением к показаниям приборов поправок, определяемых расчётным или опытным путём. Исключение составляют
те погрешности, о которых я говорил, то есть по вине наблюдателя. Такие погрешности учёту не
подлежат. Грубые погрешности связаны с тем, что при снятии показания прибора внезапно снизилось напряжение электрического питания прибора.
Случайные погрешности являются заведомо неопределёнными как по своей величине, так и по
природе. При повторных измерениях они не остаются постоянными, так как возникают в итоге совместного воздействия на процесс измерения многих причин, каждая из которых проявляет себя по
разному и независимо друг от друга. Для одного измерения случайные погрешности не подаются
учёту, однако для ряда повторных измерений одной и той же постоянной величины, проводимых с
одинаковой тщательностью, их влияние на полученный результат после исключения систематических и грубых погрешностей можно оценить с некоторой вероятностью.
Для характеристики средств измерения часто указывают класс точности. Класс точности – это
обобщённая характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных
погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющих на точность. В большинстве случаев класс точности устанавливается численно равным допускаемой основной приведённой
- 15 погрешности, выраженной в процентах. Например, средство измерения класса точности 2,5 должно
обладать приведённой погрешностью, не превышающей 2,5%.
Класс точности выбирается из ряда: К=(1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)·10n, где: n=1; 0; --1; --2.
Если К – класс точности средства измерения, то пределы допускаемой основной погрешности показаний в абсолютных единицах рассчитывается по следующей формуле:

К  ХN
, где:
100
ХN – нормирующее значение.
Для стационарных промышленных измерений применяются приборы, наибольшие погрешности
которых находятся в пределах существующих норм, которые удовлетворяют требованиям практики.
Поэтому к показаниям этих приборов поправки не вводятся. При лабораторных и точных промышленных измерениях учитываются все возникающие погрешности. В этих случаях отсчёт показаний
приборов производится несколько раз подряд с целью определения среднего значения измеряемой
величины, достоверность которого возрастает с увеличением числа отсчётов. В своей практике во
время испытаний тепловых сетей и оборудования ТЭС я использовал довольно точные образцовые
приборы класса точности 0,4 и 0,6. И всё равно для более точного получения измеряемой величины
опыт продолжался столько времени, сколько требовалось для получения показаний прибора в количестве не менее 10. Затем показания складывались и определялось средне арифметическое число,
которое было более или менее точным.
Рассмотрим динамические погрешности. Измерительные приборы служат для измерения переменных величин и обладают различными инерционными свойствами (механическими, тепловыми и
другими). Инерционность приборов при переменном режиме приводит к запаздыванию их показаний. Величина запаздывания показаний зависит от принципа действия и устройства измерительного
прибора. На неё оказывает влияние инерция подвижной части прибора, длина и диаметр соединительных трубок и т. д. Зависимость показаний прибора от изменения измеряемой величины в неустановившемся режиме называется динамической характеристикой измерительного устройства.
Динамическая характеристика в большинстве случаев находится опытным путём.
1.1.3. Поверка измерительных приборов
Определение погрешностей средств измерения и установление их пригодности к применению
называется поверкой. Иногда вместо определения значений погрешностей допускается установить,
находятся ли средства измерения в допустимых пределах.
В процессе подготовки средств измерения к применению приходится производить их градуировку и юстировку. Градуировкой называется операция по определению градуировочной характеристики средств измерения.
Градуировочной характеристикой средств измерения называется зависимость между значениями на
выходе и входе прибора. Такая характеристика составляется в виде таблиц, графиков или формул и
используется при изготовлении отсчётного устройства прибора. Юстировкой называется совокупность операций по доведению погрешностей средств измерений до значений, соответствующих техническим требованиям прибора.
Поверка приборов производится как на специальных лабораторных стендах, так и на рабочем месте. Порядок поверки различных приборов в лаборатории устанавливается соответствующими государственными стандартами и инструкциями, пользование которыми является обязательным.
При поверке в лаборатории число поверяемых делений шкалы для промышленных приборов составляет обычно 3÷5, а для лабораторных и образцовых -- не менее 10. Результаты поверки заносятся в протокол, на основании которого в случае пригодности прибора выписывается свидетельство.
Для промышленных приборов свидетельство не выписывается.
В свидетельстве паспортных данных прибора для всех поверяемых отметок шкалы проводятся
действительные значения и поправки. Кроме того, в свидетельстве указываются дата поверки и срок
её действия.
Обычно поверку приборов производят сначала при возрастающем значении измеряемой величины (так называемый прямой ход), а затем при убывающем (обратный ход). Наибольшая разность по-
- 16 казаний, полученная в этом случае при одном и том же значении измеряемой величины и неизменных внешних условиях, называется вариацией показаний прибора.
Характерными величинами при поверке приборов являются также непостоянство показаний и порог чувствительности прибора.
Непостоянство показаний представляет собой разность между наибольшим и наименьшим показаниями прибора, соответствующие одному и тому же значению измеряемой величины при многократных поверках в одинаковых условиях.
Порог чувствительности выражает изменение значения измеряемой величины, вызывающее
наименьшее изменение показаний прибора. Порог чувствительности зависит в основном от наличия
трения деталей в измерительном устройстве прибора.
1.1.4. Система надзора за измерительной техникой
Руководство стандартизацией и измерительным делом в российской Федерации возложено на государственный комитет стандартов (сокращённо Госстандарт РФ). В области метрологии главной задачей его является обеспечение единства и правильности измерений, обеспечение методов и средств
измерений точных величин, надзор за состоянием и использованием измерительной техники.
Обеспечение единства измерений, поддержание в надлежащем состоянии средств измерения
осуществляется единой метрологической службой страны, возглавляемой Госстандартом РФ и состоящей из государственной метрологической службы и ведомственных метрологических служб.
Основными задачами государственной метрологической службы являются:
1. Осуществление государственного надзора за измерительной техникой.
2. Разработка нормативно-технических документов государственной системы обеспечения единства измерений (сокращённо ГСИ) и контроль за их выполнением.
3. Создание и совершенствование эталонной базы и парка образцовых средств измерений, обеспечивающих передачу размера физических единиц от эталонов до исходных образцовых средств измерений органов ведомственных метрологических служб.
4. Проводить поверку средств измерений.
ГСИ представляет собой комплекс установленных государственными стандартами правил, положений, требований и норм, определяющих организацию и методику Работ по оценке и обеспечению
точности измерения. Эти стандарты регламентируют: единицы физических величин; методы и средства воспроизведения этих единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений; требования к методике выполнения измерений; порядок и методику проведения государственных испытаний, поверки и ревизии средств измерений.
Основными задачами ведомственных метрологических служб являются: обеспечение повсеместного соблюдения требований государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ),
внедрения в практику современных методов и средств измерения, проведения на ведомственных
предприятиях надзора за состоянием и использованием измерительной техники.
Все меры и измерительные приборы, предназначенные для серийного производства и выпуска в
обращение, подвергаются обязательным государственным испытаниям. В процессе испытаний устанавливается соответствие приборов, в частности, в энергетике, современному уровню измерительной техники и требованиям государственных стандартов.
При положительных результатах государственных испытаний приборов Госстандарт РФ разрешает
их производство и выпуск в обращение. Все средства измерения подлежат государственной или ведомственной поверке.
Государственной поверке, выполняемой системой Госстандарта РФ, подвергаются средства измерения, применяемые в органах государственной метрологической службы, исходные образцовые
приборы, а также рабочие средства измерения, применяемые для учёта и взаимных расчётов , обеспечения техники безопасности, охраны окружающей среды и здоровья населения.
Ведомственная поверка осуществляется органами ведомственных метрологических служб отдельных предприятий, например, ТЭС, ОАО «Дальтехэнерго», имеющих разрешение органов Госстандарта РФ на проведение поверочных работ и лицензию на все эти виды работ.
Для выполнения поверочных работ государственные и ведомственные органы метрологических
служб имеют необходимые помещения, эталонные и образцовые приборы, поверочные установки,
оборудование и штат аттестованных поверителей, прошедших специальное обучение.
- 17 1.1.5. Характеристика элементов приборов
Главными узлами измерительного прибора являются измерительное и отсчётное устройства. Измерительное устройство непосредственно осуществляет измерение физической величины при поство показывает, записывает полученное значение.
Измерительное устройство приборов зависит от рода измеряемой величины (например, давления,
расходы и т. д.) и принципа действия прибора (механический, электрический и т. д.). В большинстве
случаев измерительное устройство состоит из подвижной и неподвижной частей. чувствительного
элемента и при необходимости усиливает входной сигнал. Перемещение подвижной части происходит под воздействием измеряемой величины на чувствительный элемент прибора.
Отсчётное устройство в зависимости от характера показаний приборов выполняется в виде шкалы
и указателя (показывающие приборы),записывающего приспособления и диаграммной бумаги (самопишущие приборы) и счётного устройства (интегрирующие приборы).
Шкала показывающего прибора состоит из ряда последовательно нанесённых на плоском или
профильном циферблате делений, соответствующих числовым значениям измеряемой величины.
Циферблатом называется лицевая сторона прибора, на которой нанесена шкала, условные обозначения и пояснительные надписи. Отметки и числа на циферблате называются градуировкой шкалы. Разность значений между двумя соседними делениями шкалы, выраженная в единицах измерения, называется ценой деления шкалы.
Показание прибора, характеризующее значение измеряемой величины, определяется как число
отсчитанных делений, умноженных на цену деления шкалы. В некоторых случаях показание находится умножением отсчёта на постоянную прибора, выражаемую в единицах измерения, а также по
данным градуировочной характеристики прибора.
Градуировочная характеристика прибора представляет собой зависимость в виде таблице или
графика отсчёта от значения измеряемой величины, или особым расчётом. Начальное и конечное
значение шкалы определяют собой диапазон показаний прибора, то есть пределы шкалы, а допускаемая по шкале при условии точности область измерения представляет собой диапазон измерений
прибора.
Шкалы могут быть прямолинейными, дуговыми и круговыми. Кроме того, шкала может быть
равномерной и неравномерной. Равномерная шкала имеет одинаковые расстояния между делениями,
и поэтому более удобная для отсчёта показаний прибора, чем неравномерная. У неравномерной
шкалы расстояния между делениями изменяются по определённому закону (параболе, синусоиде и
тому подобное). Точность отсчёта показаний прибора по равномерной шкале выше, чем по неравномерной.
Если шкала прибора начинается с нуля, то тона называется односторонней, а если деления расположены по обе стороны нуля, то – двусторонней. Иногда измерительные приборы выполняются с
безнулевой шкалой, начинающейся с некоторого значения.
Измерения по прибору с безнулевой шкалой точнее, чем с другими шкалами, так как она имеет
меньшую цену деления.
У некоторых измерительных приборов циферблат со шкалой выполняется вращающимся, а указатель неподвижным. Приборы с одним диапазоном показаний имеют однострочную шкалу, а с многими – двухстрочную, трёхстрочную и т. д.
Указателем у промышленных приборов служит хорошо заметная на расстоянии
клиновая или клиновая стержневая стрелка (рис. 1.1.1),
Рис. 1.1.1.
тогда как более точные приборы снабжаются ножевой
стрелкой, конец которой имеет вид лезвия, расположенного перпендикулярно к плоскости шкалы.
У жидкостных стеклянных приборов указателем служит видимый уровень (мениск)
жидкости в измерительной трубке. Если жидкостью является вода или спирт, то из-за хорошей смачиваемости стенок образуется вогнутый мениск, и отсчёт показаний производится по нижней его
границе. В случае применения ртути образуется выпуклый мениск, который позволяет производить
отсчёт по верхней его границе.
У некоторых приборов применяется световой указатель отсчёта (зайчик), получаемый от специальной лампочки при отражении луча на шкалу от зеркальца, закреплённого на подвижной части
- 18 измерительного устройства При отсчёте показаний приборов положение глаз наблюдателя должно
быть перпендикулярным к плоскости шкалы, что не искажает показание прибора.
В самопишущих приборах применяются бумажные диаграммные ленты и диски. Скорость движения диаграммной ленты в самопишущих приборах составляет 20÷7200 мм/ч, а частота вращения
диаграммного диска –1 или 2 оборота в сутки.
Запись показаний прибора на диаграммных лентах и дисках производится непрерывной или точечной линией. Для перемещения диаграмм служит электрический или механический привод, содержащий встроенный в прибор синхронный микродвигатель с редуктором или часовой механизм.
Счётное устройство интегрирующих приборов, например, счётчиков, для отсчёта показаний имеет
стрелочный, роликовый или стрелочно-роликовый счётный указатель.
Измерительный прибор конструктивно может быть выполнен как одно целое, то есть в одном
корпусе, или состоять из нескольких частей, то есть в отдельных корпусах, которые самостоятельно
участвуют в процессе измерения и представляющих собой измерительный комплекс. Прибор, имеющий один корпус, обычно является местным, а состоящий из нескольких корпусов – с дистанционной передачей показаний по проводам или трубкам.
Большинство измерительных приборов с дистанционной передачей показаний содержит в себе
две самостоятельные части: первичный измерительный преобразователь (он называется датчиком) и
вторичный показывающий прибор.
Датчик, являющийся воспринимающей и передающей частью комплекта, снабжается чувствительным элементом и располагается в месте измерения. Он подвергается непосредственному воздействию со стороны измеряемой величины.
Вторичный прибор (или измеряемая часть) выдаёт показания измеряемой величины, преобразовывая при помощи измерительного устройства получаемый им выходной сигнал от датчика в отсчётное устройство.
Для защиты всего измерительного комплекса от механических повреждений, влаги, пыли, агрессивных сред применяются обыкновенные, пылебрызгозащищённые и взрывозащищённые корпуса,
которые могут быть прямоугольные, квадратные и круглые, а по габаритам – полногабаритные, малогабаритные и миниатюрные. Защитные корпуса приборов изготавливаются из алюминиевых сплавов, стали, пластика или дерева.
1.1.6. Основные свойства измерительных приборов
В зависимости от назначения, устройства и принципа действия измерительные приборы характеризуются точностью, чувствительностью, быстродействием и надёжностью работы. Точность измерительного прибора определяется степенью достоверности его показаний.
Чувствительность прибора выражается отношением линейного или углового перемещения указателя (стрелки или уровня жидкости) к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение. Чем меньше отклонение измеряемой величины отмечается прибором, тем выше его чувствиl
тельность. Это видно из формулы: S 
, где: S – чувствительность прибора; Δ l -- перемещение
X
указателя прибора; ΔХ – изменение измеряемой величины. Как видно, чувствительность обратно
пропорциональна цене деления шкалы. Поэтому более высокой чувствительностью обладают приборы со шкалой, имеющей небольшую цену деления.
Быстродействие прибора зависит от его инерционности, вызывающей запаздывание показаний
измеряемой величины. Запаздывание характеризует время с момента начала изменения измеряемой
величины до момента показания его прибором.
Инерционность приборов в большинстве случаев вызывается механическими, гидравлическими и
тепловыми факторами. Чем более быстродействующим является средство измерения, тем выше его
качество.
Надёжность прибора характеризует его свойство сохранять работоспособность в течение заданного времени, а работоспособность -- это состояние прибора, при котором он может выполнять свои
функции в соответствии с установленными для него техническими условиями.
- 19 Например, нормальная температура окружающей среды, при которой приборы должны давать
правильные показания, принимается равной 200С, а колебания относительной влажности должны
лежать в пределах 30÷80%.
Каждый поставляемый заводом-изготовителем прибор снабжается паспортом, в котором содержатся основные технические характеристики, техническое описание и инструкция по эксплуатации.
1.1.7. Теплотехнический контроль на электростанциях
В энергетических установках теплотехнические измерения служат для непрерывного производственного контроля за работой основного и вспомогательного обо-рудования и называется теплотехническим контролем. Кроме того, теплотехнические измерения широко применяются для проведения наладочных работ и во время испытания оборудования.
На электростанции имеется огромное количество самых разнообразных измерительных
устройств. Большинство из них имеет дистанционную передачу показаний на щиты управления.
При эксплуатации оборудования электростанции производятся измерения основных величин следующих рабочих веществ:
-- пара после котлоагрегата и перед турбиной, пара после вторичного перегрева в котле, пара нерегулируемых отборов турбины и отработавшего пара после неё;
-- воды питательной, охлаждающей, химически очищенной, продувочной, сетевой и основного
конденсата;
-- дымовых газов в топке и газоходах котла;
-- воздуха атмосферного и поступающего в топку котлоагрегата, водорода, служащего для охлаждения турбогенератора;
-- масла в системе смазки турбоагрегата, насосов, вентиляторов, дымососов, мельниц и в системе
регулирования турбины;
-- топлива твёрдого, жидкого и газообразного и так далее.
Осуществляются также измерения температуры металла паропроводов и водопроводов.
Теплотехнический контроль на электростанциях позволяет обеспечить:
1. Надёжную и безопасную эксплуатацию основного и вспомогательного оборудования.
2. Экономически наивыгоднейший режим работы оборудования.
3. Организацию технического учёта работы оборудования и электростанции в целом.
Технический учёт на электростанциях осуществляется в основном пои помощи самопишущих и
интегрирующих приборов. Повседневное обслуживание установленных на станции приборов теплотехнического контроля и устройств автоматизации технологических процессов производится цехом
тепловой автоматики и измерений (ЦТАИ).
ЦТАИ является местным органом ведомственной метрологической службы, осуществляющим
надзор за теплоизмерительным хозяйством электростанции. В ведении цеха находятся все имеющиеся на станции тепло- и электротехнические измерительные приборы и устройства тепловой автоматики.
Цех ТАИ обеспечивает правильную и надёжную работу измерительных приборов путём наблюдения за их состоянием, обслуживанием, своевременной поверкой и ремонтом.
Для выполнения этих задач цех имеет оперативно-эксплуатационную, контрольно-поверочную,
ремонтно-наладочную группу и множество соответствующих лабораторий: давления, расхода, термометрии и другие. Для получения права производства поверки и ремонта измерительных устройств
цех ТАИ проходит регистрацию в органах Госстандарта РФ.
Цех ТАИ обеспечивает также производственные подразделения электростанции необходимой измерительной аппаратурой для проведения работ по наладке и испытанию оборудования.
В цехе хранятся паспорта и карточки на все имеющиеся на станции теплотехнические измерительные приборы. В карточку цехом вносятся технические данные о приборе, результаты поверок,
сведения о ревизиях и ремонте и т. д.
Контрольные вопросы к Введению и Теме 1.1.
№
п/п
Вопрос.
Ответ.
Консультации
- 20 -
1.
2.
Что называется динамической характеристикой?
Какую единицу измерения следует применить для оценки размерности силы?
3.
Каким методом измерения следует считать измерение уровня воды простой
водомерной стеклянной трубкой?
4.
Какую наибольшую абсолютную погрешность можно ожидать при изменении давления около 40 МПа, если использовать?
5.
Включает ли юстеровка средств измерений в комплекс операций по поверке?
А. Зависимость изменения выходной величины от входной во
времени
В. Зависимость изменения входной величины от выходной во
времени.
С. Зависимость изменения времени возмущения от входной величины.
D. Зависимость изменения времени возмущения от выходной
величины.
Е. Зависимость изменения времени возмущения от входной и
выходной величины.
А. Килограмм-сила-метр (кгс∙м).
В. Джоуль (Дж).
С. Мегапаскаль (МПа)
D. Ньютон (Н).
Е. Ватт (Вт).
А. Непосредственной оценки (при
измерении высота уровня в трубке непосредственно ни с чем не
сравнивается).
В. Противопоставления.
С. Нулевым.
D. Сравнения.
Е. Сопоставления с эталонным.
А. 0,6 МПа.
В. 1,0 МПа.
С. 1,5 МПа.
D. 2,1 МПа.
Е. 2,4 МПа.
А. Включается.
В. Не включается.
С. Включается иногда.
D. Включается в исключительных случаях.
Е. Включается, если прибор измерения сложный.
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 159
Тема 1. 2. Измерение температуры
1.2.1. Методы измерения температуры и температурные шкалы
- 21 Температура характеризует степень нагретости вещества. Единицей температуры является кельвин К, а температуру в градусах Цельсия отсчитывают от точки таяния льда, равной 273,15 К=0 0С.
Термометром называется средство измерения или совокупность средств измерения для выработки
сигнала температурной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Контроль температуры на электростанции обеспечивает поддержание заданного режима работы
оборудования, экономичность электростанции, надёжную и долговечную работу оборудования, безопасность общестанционного персонала.
Измерить температуру какого-либо тела непосредственно, как измеряют длину. Объём и массу
тела, невозможно, так как в природе не существует эталона или образца единицы этой величины.
Поэтому определение температуры вещества производят непосредственным наблюдением за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического вещества. Будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, термометрическое вещество вступает с ним через какоето время в тепловое равновесие. Такой метод измерения даёт не абсолютное значение температуры
нагретой среды, а только разность относительно исходной температуры термо-метриче6ского вещества, условно принятой за нуль.
Переход тепла от одного тела к другому указывает на зависимость температуры от количества
внутренней энергии, носителями которой являются молекулы вещества. По молекулярнокинетической теории сообщаемая телу тепловая энергия, вызывающая повышение его температуры,
преобразуется в энергию движения молекул.
Вследствие изменения при нагреве вещества все его физические свойства зависят от температуры, но для её измерения выбираются те, которые однозначно меняются с изменением температуры и
не подвержены влиянию других факторов. Таким требованиям наиболее полно соответствуют такие
свойства вещества, как объёмное расширение. Изменение давления в замкнутом объёме, изменение
электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы, интенсивность излучения, положенные в основу устройства приборов для измерения температуры.
Таким образом, температура является параметром, характеризующим как качественную, так и количественную сторону процессов теплообмена.
Изменение агрегатного состояния химически чистого вещества, такие как плавление или затвердевание, кипение или конденсация, протекает при постоянной температуре, значение которой определяется составом вещества, характером его агрегатного изменения и давлением.
Значения этих воспроизводимых температур равновесия между твёрдой и жидкой или жидкой и
газообразной фазами различных веществ при нормальном атмосферном давлении 101325 Па (760 мм
рт ст), называются реперными (или опорными) точками.
Международная практическая температурная шкала воспроизводится по шести реперным точкам:
Точка кипения кислорода…………………………………--182,970С.
Тройная точка воды……………………………………….+0,010С.
Точка кипения воды……………………………………….+1000С.
Точка кипения серы……………………………………….+144,660С.
Точка затвердевания серебра……………………………..+960,800С.
Точка затвердевания золота………………………………+1063,000С.
Промежуточные точки определены путём интерполяции. Если принять в качестве основного интервал температур между реперными точками плавления льда и кипения воды. То есть от 0 до 100, в
этих пределах температур измерить объёмное расширение какого-либо вещества, например, ртути
или спирта, находящегося в узком цилиндрическом стеклянном сосуде, и разделить на 100 равных
частей высоту столба, то в результате будет построена температурная шкала. Деления температурной шкалы называются градусами.
Поэтому при такой шкале можно точно измерить температуру только при 0 и 100 0С, остальные
результаты измерения будут неточными. Такое же явление наблюдалось бы и при построении температурной шкалы с использованием других физических свойств рабочего вещества, например, как
изменение электрического сопротивления проводника, возбуждение термоэдс и т. д.
Пользуясь вторым законом термодинамики, английский физик Кельвин в 1848 году предложил
совершенно точную и равномерную, не зависящую от свойств рабочего вещества шкалу, которая
получила название термодинамической температурной шкалы, или шкалы Кельвина.
- 22 Второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: теплота горячего источника в круговом процессе (цикле) не может быть полностью превращена в работу, так как часть
подведённого тепла должна быть передана более холодному источнику (холодильнику).
Этот закон можно изложить ещё и так: для совершения любого кругового процесса (цикла) необходимо иметь как минимум два источника тепла – горячий и холодный и, следовательно, для этой
цели в термодинамической системе необходимо наличие разности температур.
Шкала кельвина основан на уравнении термодинамики для обратимого процесса (цикла Карно) и
имеет вид:
Q1 Т1

.
Q2 Т 2
Это уравнение показывает, что при работе теплового двигателя по обратимому процессу отношение количества тепла Q1, получаемого рабочим веществом от нагревателя, к количеству тепла Q2,
отдаваемое им холодильнику, пропорционально отношению температур нагревателя Т1 и холодильника Т2. задаваясь значениями Т2 при известных значениях Q1 и Q2 можно из уравнения найти искомую величину Т1. Но в то же время практически этот метод измерения температуры использовать
нельзя, так как невозможно осуществить обратимый цикл работы теплового двигателя.
Несколько позднее Кельвин установил, что термодинамическая температура совпадает с показанием газового термометра, заполненного идеальным газом, который обладает пропорциональным
изменением давления от температуры.
Идеальный – это воображаемый газ. Близкими по своим свойствам к идеальному газу являются
водород, гелий и азот, которые и применяются для измерения термодинамической температуры с
введением небольших поправок на отклонение их свойств от свойств идеального газа. Например,
свойства водорода и гелия близки к законам идеального газа при низких температурах, а азота – при
высоких.
Точность показаний газового термометра очень высока, но пользоваться им сложно и неудобно, а
диапазон измерения незначителен. Однако термодинамическая температурная шкала была получена.
Она начинается с абсолютного нуля и в настоящее время является основной.
Абсолютным нулём называется температура, при которой давление идеального газа при постоянном объёме равно нулю.
В дальнейшем с помощью газовых термометров была построена Международная практическая
температурная шкала. Эта уточнённая шкала в 1968 году применяется и в настоящее время.
Кроме международной практической температурной шкалы имеется также шкала Фаренгейта,
предложенная в 1725 году. Эта шкала применяется в США Великобритании, Австралии и Новой Зеландии. Шкала Фаренгейта построена путём деления интервала между реперными точками плавления льда и кипения воды не на 100 равных частей, а на 180 (градусов) и обозначается 0Ф.По этой
шкале точка плавления льда равна 320, а кипения воды 2120.
Для пересчёта температуры, выраженной в кельвинах или градусах фаренгейта, в градусы Цельсия можно пользоваться равенством:
T0С=Т К-273,15=0,556·(n0Ф-32), где:
n – число градусов по шкале Фаренгейта.
1.2.2. Классификация приборов для измерения температуры
По принципу используемых фактических свойств веществ приборы для измерения температуры
делятся на следующие группы:
1. Термометры расширения.
2. Манометрические термометры.
3. Термометры сопротивления.
4. Термоэлектрические термометры.
5. Пирометры излучения.
6. Биметаллические и дилатометрические термометры.
Термометры расширения основаны на свойстве тел изменять под действием температуры объём.
А следовательно, линейные размеры. Они применяются для измерения температур в таких пределах:
--200÷=+6500С.
- 23 Манометрические термометры используют изменение давления газа, жидкости или пара в замкнутом объёме при изменении температуры. Они применяются для измерения температур в таких
пределах: --160÷=+6500С.
Термометры сопротивления основаны на изменении электрического сопротивления проводника
или полупроводника при изменении температуры. Они применяются для измерения температур в
таких пределах: --200÷= +6500С.
Термоэлектрические термометры (или термопары) основаны на возникновении электродвижущей
силы (эдс) при изменении температуры спая разнородных термоэлектродов. Они применяются для
измерения температур в таких пределах: --50÷=+20000С.
Пирометры излучения работают на принципе измерения интенсивности излучения нагретых тел в
зависимости от их температуры. Они применяются для измерения температур в таких пределах:
+300÷ +60000С.
Принцип действия биметаллических и дилатометрических термометров основан на зависимости
температурного коэффициента линейного расширения твёрдых тел от их температуры
Эти термометры применяются для измерения температур в таких пределах: --150÷=+7500С. В
температурных реле и других устройствах, где не требуется высокая точность измерения, широко
применяются биметаллические и дилатометрические термометры.
1.2.3. Термометры расширения. Стеклянные жидкостные термометры
На принципе изменять свой объём в зависимости от нагрева основано устройство жидкостных
стеклянных и дилатометрических термометров. В жидкостных термометрах, построенных на принципе теплового расширения жидкости в стеклянном резервуаре, в качестве рабочих веществ используются: ртуть, этиловый спирт, толуол и др.
Стеклянные термометры по своей конструкции бывают палочные и с вложенной шкалой.
Стеклянный термометр с вложенной шкалой состоит из стеклянного резервуара и припаянного к
нему стеклянного капилляра. Вдоль капилляра расположена шкала, которая наносится на пластине
молочного стекла. Резервуар, капилляр и шкала помещаются в стеклянную оболочку, которая припаивается к резервуару.
Примером может служить медицинский термометр, который вы все видели. И некоторые даже
использовали его. Палочные стеклянные термометры изготавливаются из толстостенных капилляров, к которым припаивается резервуар, а шкала наносится на наружной поверхности капилляра.
Температура измеряемой среды, в которую помещены резервуар и часть капилляра, определяется
по изменению объёма термометрической жидкости, отсчитываемому по положению уровня жидкости в капилляре. Шкала термометров отградуирована в градусах Цельсия.
В связи с тем, что одновременно с расширением термометрической жидкости происходит также
расширение резервуара и капилляра, то фактически мы судим о температуре не по изменению объёма жидкости, а по видимому изменению объёма термометрической жидкости в стекле. Поэтому видимое расширение жидкости несколько меньше действительного. Наибольшее распространение получили ртутные термометры и потом термометры на этиловом спирте.
Химически чистая ртуть как термометрическое вещество имеет ряд достоинств: она остаётся
жидкостью в широком интервале температур, не смачивает стекло, легко может быть получена в чистом виде.
Однако ртуть имеет относительно малый температурный коэффициент объёмного расширения,
что требует изготовления термометров с тонкими капиллярами. Нижний предел измерения ртутных
термометров –350С определяется температурой затвердевания ртути. Верхний предел измерения
+6000С определяется прочностными характеристиками стекла.
Стеклянные термометры с органическими термометрическими жидкостями (толуол, керосин,
пентан) применяются в интервале температур от –200 до +2000С. однако эти жидкости смачивают
стекло и поэтому требуют применения капилляров с относительно большим диаметром канала.
К достоинствам стеклянных жидкостных термометров относятся высокая точность измерения,
простота и дешевизна.
Недостатками стеклянных термометров являются относительно плохая видимость шкалы, практическая невозможность передачи показаний на расстояние и, следовательно, невозможность автоматической регистрации показаний, а также невозможность ремонта термометров.
- 24 Разбил термометр -- выбрось. Кроме того, при повреждении стеклянного ртутного термометра
имеется возможность утечки ртути, а ртуть и её пары вредны для организма человека. Поэтому при
утечке ртути из термометра её необходимо собрать специальной грушей.
По назначению ртутные термометры разделяются на промышленные (или технические), лабораторные и образцовые. При испытании тепловых сетей я использовал лабораторные ртутные стеклянные термометры. Технические ртутные термометры изготовляются с вложенной шкалой и по
форме нижней (хвостовой) части с резервуаром бывают прямые и угловые, то есть изогнутые под
900 в сторону, противоположную шкале.
Лабораторные ртутные термометры типа ТЛ изготовляются палочными или с вложенной шкалой.
Образцовые ртутные термометры делятся на два разряда. Термометры первого разряда бывают
только палочными, а второго палочными и с вложенной шкалой. Посредством термометров первого
разряда проводится поверка второго разряда, которые в свою очередь применяются для поверки и
градуировки технических и лабораторных термометров.
В зависимости от области применения по методике градуировки термометры делятся на две
группы: термометры, градуируемые при полном погружении, и термометры, градуируемые при неполном погружении при определённой длине погружения хвостовой части. Термометры первой
группы применяются как лабораторные и позволяют обеспечить более высокую точность измерения.
Термометры второй группы – технические и применяются для измерения в промышленности. Глубина погружения их должна быть постоянной.
1.2.3. Установка и поверка ртутных термометров
Точность показаний ртутного термометра зависит от способа его установки, так как от этого зависит теплообмен между измеряемым веществом, термометром и окружающей средой. Эта задача
сводится к двум основным требованиям: к обеспечению наиболее благоприятных условий передачи
тепла от измеряемой среды резервуару термометра и к уменьшению по возможности отдачи тепла
прибором окружающей среде. Неправильная установка термометра даёт большую потерю тепла в
окружающую среду и может привести к искажению его показаний до 10÷15%.
Применяются два способа установки ртутного термометра: в защитных гильзах и без них, то есть
путём непосредственного погружения термометров в измеряемую среду. Самой распространённой
является установка термометра в защитной гильзе, которая предохраняет его от поломки и обеспечивает необходимую плотность соединения в месте расположения прибора. Для улучшения теплопередачи от гильзы к резервуару термометра в гильзу желательно подлить машинное масло, если
измеряется температура среды до 1500С. При более высокой температуре кольцевой зазор между резервуаром и стенкой гильзы заполняется медными опилками. Заполнение гильзы маслом или опилками производится так, чтобы в эту среду был погружен только резервуар термометра. Чрезмерное
заполнение гильзы понижает точность измерения из-за возрастания оттока тепла и увеличивает
инерционность прибора.
При измерении температуры в трубопроводе термометр устанавливается в положение, при котором ось трубы проходит посредине резервуара термометра (рис. 1.2.1). Погружение конца термометра до центра
трубы, то есть а зону наибольшей скорости потока, улучшает
теплообмен движущейся средой и прибором, а также уменьшает
влияние на результаты измерения тепловых потерь защитной
гильзы.
Защитные гильзы изготовляются из металлов, плохо проводящих тепло, например, из нержавеющей стали. Выступающие
части нержавеющих гильз покрываются тепловой изоляцией.
Рис. 1.2.1.
Технические ртутные термометры устанавливаются в защитных оправах, предохраняющие также
и выступающую часть термометра от поломки. Установка ртутного термометра без гильзы практически исключает отвод тепла от резервуара.
Однако из-за влияния на показание термометра давления измеряемой среды, то есть сжатие резервуара с выдавливанием ртути в капилляр, а также из-за недостаточной прочности термометра и
- 25 трудности уплотнения места его установки использование этого способа ограничивается областью
небольших давлений. Установка ртутных термометров без гильзы применяется главным образом
при кратковременных точных измерениях температуры среды.
Периодическая поверка технических и лабораторных ртутных термометров проводится путём
сравнения их показаний с показаниями образцовых термометров второго разряда, а также по реперным точкам плавления льда и кипения воды. Термометры поверяются в трёх—пяти делениях шкалы,
расположенных через равные интервалы.
При поверке термометров методом сравнения применяются термостаты с электрообогревом, заполненные дистиллированной водой с интервалом поверки до 990С, минеральным маслом до 2000С
и селитрой до 5500С. Поверка положения делений 0 и 1000С термометра проводится соответственно
в термостатах плавления льда и кипения воды.
Термостатом называется устройство, служащее для поддержания постоянной температуры находящейся в нём среды. Технические термометры градуируются и поверяются в термостате при погружении в жидкость только хвостовой части, то есть при постоянной глубине погружения. Лабораторные и образцовые термометры градуируются и поверяются при переменной глубине погружения
так, чтобы при каждом очередном отсчёте температуры ртутный столбик в капилляре не выступал
более чем на 5 мм над крышкой термостата.
Для уменьшения погрешности, обусловленной инерционностью ртутных термометров, поверка
их в термостате проводится при медленном повышении температуры до заданного значения. До и
после поверки ртутного термометра в термостате определяется положение нулевой точки прибора,
которое может изменяться из-за расширения капилляра и резервуара вследствие термического последействия стекла, появляющегося в результате нагрева и последующего охлаждения термометра.
Это явление, вызываемое нарушением равновесной структуры стекла при нагревании, исчезает с течением времени.
1.2.4. Поправки к показаниям ртутных термометров
При точных измерениях температур ртутными термометрами к их показаниям должны вводиться
следующие поправки: основная Δt, на температуру выступающего столбика Δtв, на смещение положения нулевой точки Δtс.
Таким образом, в общем случае определение действительной температуры среды t по показаниям
ртутного термометра tт производится по равенству:
t=tт+Δt+Δtв+Δtс.
Основная поправка Δt принимается из паспорта термометра. Поправка на температуру выступающего столбика ртути вводится к показаниям только лабораторных и образцовых термометров, когда при измерении часть ртутного столбика выступает из защитной гильзы, а измеряемая температура значительно превышает температуру окружающего воздуха.
Эти термометры градуируются и поверяются при условии, что ртутный столбик почти не выходит за пределы уровня жидкости в термостате, то есть имеет ту же температуру, что и ртуть в резервуаре.
При измерениях столбик практически всегда выступает наружу и имеет температуру, отличающуюся от температуры измеряемой среды.
Поправка на температуру выступающего столбика определяется по следующей формуле:
Δtв=n·αв·(tт-tв), где:
n – число градусов в выступающей части ртутного столбика;
αв – температурный коэффициент видимого расширения ртути в стекле, К-1;
tв – температура окружающей среды,
Температурный коэффициент видимого расширения ртути в стекле зависит от сорта термометрического стекла и может быть в среднем принят равным 0,16·10-3 К-1
Поправка на смещение положения нулевой точки ртутного термометра периодически определяется в процессе эксплуатации с помощью термостата плавления льда. В случае отклонения положения
нуля от указанного в паспорте после нагрева в термостате эта поправка вычисляется по следующей
формуле:
- 26 t С  t 0  t 0/ , где:
t0 -- , температура, соответствующая положению нулевой точки термометра по паспорту после
нагрева в термостате, 0С;
t 0/ -- температура после очередной поверки нуля в эксплуатации, 0С.
1.2.5. Манометрические термометры
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления термометрического вещества в герметическом замкнутом объёме от температуры.
Термосистема манометрического термометра состоит из термобаллона (1), капилляра (2), и манометрической пружины, один конец которой
соединён с капилляром, а другой запаянный конец пружины соединён
со стрелкой измерительного прибора. В зависимости от заключённого в
термосистеме рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсационные. Выбор рабочего
вещества производится исходя из заданного диапазона измерения.
Внутренний диаметр капилляра составляет несколько десятых
миллиметра. Манометр градуируется не в единицах давления, а в градусах температуры. В качестве упругого элемента в манометрических
термометрах применяются одно- и многовитковые пружины, изготовленные из медного сплава. При нагреве термобаллона увеличивается 1
2
3
давление рабочего вещества, которое передаётся через капилляр трубчатой пружине и вызывает раскручивание её до тех пор, пока действуюРис. 1.2.2.
щее на неё усилие не уравновесится силой её упругой деформации.
Манометрическим термометрам свойствен ряд погрешностей. Основная погрешность вызывается
несовершенством работы пружины и передаточного механизма. Дополнительные погрешности – это
барометрическая, которая связана с изменением атмосферного давления; температурная, особенно у
газовых и жидкостных термометров, возникающая при колебаниях температуры окружающего воздуха; гидростатическая у жидкостных и конденсационных термометрах, появляющаяся при установке термобаллона и пружины на разных высотах.
Однако по сравнению с ртутными термометрами существенными преимуществами манометрических термометров являются такие: возможность автоматической записи показаний прибора, возможность установки прибора на некотором расстоянии от места измерения благодаря большой
длине капилляра (до 40 метров) и большая механическая прочность.
К недостаткам манометрических термометров относятся: невысокая точность измерения температуры, большая инерционность вследствие значительных размеров термобаллона и трудность ремонта при нарушении плотности термосистемы.
Наибольшее распространение получили газовые манометрические термометры, замкнутая система которых заполнена инертным газом или азотом. Газовые термометры выпускаются с конечным
значением шкалы 50÷6000С, а класс точности приборов составляет 1 и 1,5.
Жидкостные манометрические термометры заполняются органическими полиметилсилоксановыми жидкостями. Температурная погрешность у жидкостных термометров несколько больше, чем у
газовых, поэтому длина капилляра у них не превышает 10 метров. Для уменьшения барометрической погрешности термометры заполняются жидкостью при начальном давлении 1,5÷2 МПа.
Конденсационные манометрические термометры имеют в качестве рабочего вещества низкокипящие органические жидкости: хлористый метил, ацетон и фреон. Действие этого прибора даёт однозначную зависимость между давлением и температурой насыщенного пара. Термобаллон конденсационных термометров на две трети заполнен рабочей жидкостью, над которой находится образующийся из неё насыщенный пар. Капилляр и пружина термометра заполнены той же жидкостью, что
и термобаллон. Для обеспечения постоянного заполнения капилляра жидкостью конец его опускается до дна термобаллона.
На показания конденсационного термометра не влияет изменение температуры окружающего
воздуха, так как давление в системе зависит только от давления пара в термобаллоне, то есть от из-
- 27 меряемой температуры. Конденсационные термометры имеют узкий диапазон показаний (до 300 0С)
и неравномерную шкалу, сжатую вначале вследствие нелинейной зависимости между давлением
насыщенного пара и его температурой. Класс точности этих приборов составляет 1,5 и 2,5.
1.2.6. Термоэлектрические термометры
Применение термоэлектрических термометров (или другое более современное название – термоэлектрические преобразователи) для измерения температуры основано на зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) термопары от температуры. Термо-ЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников при неравенстве температур в местах соединения этих
проводников.
Чувствительным элементом преобразователя является термопара. К свободным концам термопары присоединены провода, направляемые ко вторичным измерительным устройствам, которыми могут быть магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры.
Термоэлектрические преобразователи широко применяются в энергетических установках для измерения температуры перегретого пара, дымовых газов и т. д. Положительными свойствами их являются: большой диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность,
отсутствие постороннего источника тока и лёгкость осуществления дистанционной передачи показаний.
Явление термоэлектричества заключается в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух
разнородных проводников, непрерывно течёт электрический ток, если места спаев проводников
несут различные температуры. Концентрация в межмолекулярном пространстве свободных электронов, находящихся в единице объёма, зависит от материала проводника и его температуры.
При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных металлов, из которых в одном количество свободных электронов больше в единице объёма, чем в другом, то электроны из проводника, где их больше, будут диффундировать во второй, где их меньше. Таким образом, из-за потери электронов первый проводник будет заряжаться положительно, а второй из-за приобретения электронов – отрицательно. Образующееся при этом в месте спая разнородных проводников электрическое поле будет противодействовать этой диффузии, в результате чего наступит состояние подвижного равновесия, при котором между свободными концами проводников появится
, стабильность, однозначность и линейность градуировочной характеристики и другие.
К числу обязательных требований относятся стабильность градуировочной характеристики и
воспроизводимость в необходимых какая-то разность потенциалов, то есть термо-ЭДС. С увеличением температуры проводников значение этой термо-ЭДС также увеличивается.
1.2.7. Устройство термопреобразователей и применяемые материалы
Два любых разнородных проводника могут образовать термопару. К материалам, используемым
для изготовления термопар, предъявляются следующие требования: жаростойкость, жаропрочность,
химическая стойкость, воспроизводимость количествах материалов, которые обладали бы определёнными термоэлектрическими свойствами. Все остальные требования являются желательными.
В соответствии со стандартами применяются следующие термопары:
-- медь--копелевые и медь-медноникелевые типа Т, которые применяются для измерения низких температур в энергетике и в лабораториях до 4000С;
-- железо—медноникелевые типа J применяются от –200 до +7000С. Верхний предел измерения
ограничен окислением железа и медноникелевого сплава;
-- хромель—копелевые, верхний предел измерения которых составляет менее 6000С, хромель –
это сплав, состоящий из 90% никеля и10% хрома; копель – это сплав, состоящий из 56% меди 44%
никеля;
-- хромель--алюмелевые, верхний предел измерения которых 10000С, алюмель – это сплав,
состоящий из 95% никеля и 5% трёх элементов: алюминия, кремния и марганца;
-- платинородий—платиновые измеряют температуру от 0 до 13000С, платонородий – это
сплав, состоящий из 90% платины и 10% родия;
-- платинородий—платинородиевые измеряют температуру от 300 до 16000С, положительный
электрод – сплав из 30% родия и 70% платины, а отрицательный – из 6% родия и 94% платины;
- 28 -- вольфрамрений—вольфрамрениевые измеряют температуру от 0 до 22000С,
положительный электрод – сплав из 95% вольфрама и 5% рения, а отрицательный – из 80% вольфрама и 20% рения.
Для удобства применения термоэлектрические преобразователи защищаются от влияния окружающей среды, поломки и опасного воздействия на обслуживающий персонал.
К термоэлектрическим преобразователям предъявляются следующие требования:
1. Термоэлектроды должны быть изолированы.
2. Защита термоэлектродов от вредного воздействия измеряемой и окружаемой сред, от загрязнений и механических повреждений.
3. Придание преобразователям необходимой механической прочности.
4. Обеспечение удобства монтажа на технологическом оборудовании и удобство подключение
соединительных проводов.
Рабочий спай термопреобразователя чаще всего изготавливается сваркой, в отдельных случаях
пайкой, а для вольфрамрениевых – скруткой. Электрическая изоляция термопреобразователя осуществляется материалами, сохраняющими свои изоляционные свойства при соответствующих измеряемых температурах и не загрязняющими термоэлектроды. Наибольшее распространение при температурах до 13000С получили фарфоровые одно- и двухканальные трубки и бусы. Для более высоких температур применяются бусы из окиси алюминия.
Для защиты термоэлектродов от воздействия измеряемой среды их помещают в защитный чехол
из газонепроницаемых материалов, выдерживающих необходимые высокие температуры. Защитные
чехлы изготавливают чаще всего из легированных марок сталей до 1000 0С, а при более высоких
температурах применяются специальные чехлы из тугоплавких материалов, например, из диборида
циркония с молибденом.
Свободные концы термопреобразователя должны иметь температуру, равную 00С, так как в противном случае их температура должна быть постоянной, чтобы можно было ввести поправку на
температуру свободных концов. Если расположить свободные концы в головке термопреобразователя, то есть там, где кончаются термоэлектроды, то невозможно обеспечить постоянство температуры
свободных концов, потому что температура головки термопреобразователя будет зависеть от режима работы установки. Температуры окружающей среды и других факторов.
Поэтому возникает необходимость удлинения термопреобразователя, не искажая его термо-ЭДС,
чтобы отвести свободные концы в такое место, где будет удобно поставить устройство для автоматического введения поправки. Так как температуры головки термопреобразователя и мест прокладки проводов значительно ниже измеряемых, то это удлинение преобразователя осуществляется не
обязательно теми же материалами, которые идут на изготовление термоэлектродов. Однако удлиняющие провода должны обладать определёнными свойствами, чтобы исключить возникновение паразитной термо-ЭДС. Возникновение паразитных термо-ЭДС будет исключено, если удлиняющие
провода будут иметь ту же градуировочную характеристику, что и сам термопреобразователь.
Например, удлиняющие провода должны быть: медь—копель, медь—константан, хромель—копель
и другие. Каждый материал провода имеет свой цвет изоляции или цветные нити в обмотке и оплётке проводов.
1.2.8. Милливольтметры
В настоящее время для измерения термо-ЭДС термопреобразователей наибольшее распространение получили магнитоэлектрические милливольтметры, которые являются чувствительным вторичным прибором. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в 0С. Принцип действия
милливольтметра основан на взаимодействии тока, проходящего через подвижную рамку прибора, с
магнитным полем постоянного магнита.
Основными частями милливольтметра являются постоянный магнит с полюсными наконечниками, сердечник из мягкомагнитной стали, рака из большого числа витков медной проволоки, скреплённых лаком. При прохождении тока через рамку появляется магнитное поле, перпендикулярное её
плоскости, которое взаимодействует с полем основного магнита и образует две одинаковые силы F,
действующие согласно правилу левой руки на боковые стороны рамки в противоположных направлениях. Под влиянием этого момента рамка стремится повернуться вокруг оси до совпадения по
- 29 направлению её магнитного поля с полем постоянного магнита. Рамка жёстко скреплена со стрелкой
и образует подвижную систему милливольтметра.
Трение в опорах рамки является одной из причин погрешности милливольтметра. В приборах высокой чувствительности вместо стрелки устанавливается зеркало для светового указателя угла поворота, а подвижная система крепится на растяжках или подвесках. Предварительная установка от руки стрелки милливольтметра производится при помощи корректора нуля.
Термо-ЭДС преобразователя однозначно зависит от температуры рабочего спая, если температура свободных концов постоянна. Когда термо-ЭДС преобразователя измеряется милливольтметром,
нужно иметь в виду, что фактически он измеряет не термо-ЭДС преобразователя, а ток, протекающий по рамке прибора. Поэтому для однозначности зависимости между термо-ЭДС и показаниями
милливольтметра необходимо, чтобы сопротивление всей цепи «термопара—милливольтметр» было
постоянным.
Кроме того, на показания милливольтметра при измерении температуры среды могут оказывать
влияние такие факторы: электростатические заряды, которые могут образовываться на стекле прибора; внешние магнитные поля от других приборов; изменение наклона прибора относительно рекомендованного техническими условиями положения.
При измерении температуры термопреобразователем в комплекте с Милливольтметре к показаниям милливольтметра вводятся следующие поправки:
-- основная;
-- на изменение температуры свободных концов термопары;
-- на изменение сопротивления измерительной цепи милливольтметра.
Основная поправка учитывает погрешность показаний милливольтметра, возрастающую вследствие появления остаточных деформаций спиральных пружин, износа трущихся частей и тому подобное. Значения основной поправки определяется в результате поверки милливольтметра.
При измерениях поправка на температуру свободных концов в случае её постоянства может вводиться путём перестановки корректором нуля указательной стрелки отключённого от термопреобразователя милливольтметра на отметку шкалы, отвечающую новой температуре свободных концов.
1.2.9. Потенциометры
Измерение температуры термопреобразователем в комплекте с милливольтметром не обеспечивает достаточной точности из-за наличия ряда погрешностей. Класс точности этих приборов 1, и 2,5.
Основной причиной этого является влияние изменений температуры окружающей среды на сопротивление милливольтметра и внешней соединительной линии. Это влияние отсутствует при измерении термо-ЭДС компенсационным методом, при котором вместо милливольтметра применяется потенциометр.
Принцип действия потенциометра основан на том, что в нём развиваемая термопреобразователем термо-ЭДС уравновешивается (компенсируется) равным ей по величине, но обратным по знаку
напряжением от другого источника тока, в частности от аккумуляторной батареи, расположенной в
приборе, которое затем измеряется с большой точностью. Потенциометры являются наиболее совершенными вторичными приборами для работы с термопреобразователями. Благодаря высокой
точности они широко применяются при промышленных и лабораторных измерениях.
Рассмотрим принципиальную схему потенциометра (рис. 1.2.3) Измерительная схема потенциометра содержит три источника напряжения: термопреобразователь, аккумуляторную батарею и нормальный элемент и соответственно три цепи: термопреобразователя, батареи и нормального элемента.
Нормальный элемент характеризуется высоким постоянством развиваемой им ЭДС в течение нескольких лет при правильной его эксплуатации и используется в качестве эталона электродвижущей
силы. С помощью нормального элемента устанавливается постоянное значение силы тока в компенсационной цепи. Для этого переключатель ставится в положение 1.
- 30 Воздействуя на движок реостата (резистора) Rр, изменяют силу тока I до тех пор, пока стрелка гальванометра G не встанет на нуль. Это показывает, что ЭДС, развиваемая нормальным
элементом НЭ равна падению напряжения на участке са компенсационной цепи, то есть на реостате Rнэ. Так как напряжение батареи Б постепенно падает, то стандартизацию тока приходится
повторять через несколько часов работы.
Rр
С
--
+
НЭ
+
Б
Rнэ
b
--
Рис. 1.2.3.
R
а
G
1
2
-- в положение 2 и производят измерение
После стандартизации тока ставят переключатель
термо-ЭДС, развиваемой термопреобразователем, компенсационным методом. Для этого, воздействуя на движок реостата R, изменяют значение падения напряжения на участке аb компенсационнойцепи
цепидодо
пор,
пока
небаланса
в цепи
термоэлектрического
преобразователя
сационной
техтех
пор,
пока
токток
небаланса
в цепи
термоэлектрического
преобразователя
станет
станет
равным
нулю
и
стрелка
гальванометра
встанет
на
нулевую
отметку.
равным нулю и стрелка гальванометра встанет на нулевую отметку.
При измерениях термо-ЭДС потенциометром приходится перемещать движок реостата до тех
пор, пока стрелка не встанет на нулевую отметку. Только после этого можно производить отсчёт.
Это осложняет и затягивает процесс измерения.
Автоматизировать и существенно ускорить процесс измерения можно, если, предварительно преобразовав постоянный ток небаланса в переменный, применить вместо гальванометра электронное
устройство для измерения и усиления токов небаланса. Электронное устройство управляет электродвигателем, перемещающим движок реостата, что компенсирует термо-ЭДС падением напряжения
на соответствующем участке реохорда.
В автоматических потенциометрах применяется так называемая мостовая измери-тельная схема,
как более совершенная и обеспечивающая непрерывное введение поп-равки на температуру свободных концов термометра. Автоматические потенциометры относятся к обширной группе вторичных
автоматических электронных приборов, основанных на компенсационном методе измерения и повсеместно применяемых для теплотехнических измерений. Эти приборы обладают сравнительно
простым устройством, высокой точностью, большой чувствительностью и быстродействием.
В настоящее время новые серии автоматических электронных показывающих и самопишущих
приборов: потенциометров, уравновешенных мостов, миллиамперметров и т. д. Они более свершены, с широким использованием агрегатно-блочно-модульного принципа построения. К этим автоматическим приборам относятся вторичные приборы таких серий: КС (компенсирующие самопишущие и показывающие), КП (компенсирующие показывающие с плоской шкалой) и КВ (компенсирующие показывающие с вращающимся цилиндрическим циферблатом.
Автоматические потенциометры выпускаются промышленностью следующих типов: КСП4 –
полногабаритный с диаграммной лентой, КСП3 – малогабаритный с диаграммным диском, КСП2 –
малогабаритный с диаграммной лентой, КСП1 – миниатюрный с диаграммной лентой, КПП1 – миниатюрный с плоской шкалой, КВП1 – миниатюрный с вращающейся шкалой.
Полногабаритные приборы применяются для промышленных измерений повышенной точности и
лабораторных измерений, а малогабаритные -- для обычных промышленных измерений. Особенно
широкое распространение получили малогабаритные приборы, применение которых даёт значительную экономию места на щитах управления.
- 31 Миниатюрные приборы устанавливаются главным образом на пультах управления. Для точного
измерения термо-ЭДС и небольших напряжений применяются лабораторные потенциометры постоянного тока: переносные типов ПП-63 и ПП-70, а также образцовые типов Р330, Р37-1 и другие.
1.2.10. Установка и поверка термопреобразователей и вторичных приборов
На точность измерений термопреобразователей большое влияние оказывает способ установки и
правильность проведения поверки термопары и вторичного прибора.
Одним из основных требований, предъявляемых при установке термопреобразователей, является
достижение минимальной утечки тепла по его арматуре. Для этого термопара возможно глубже погружается в измеряемую среду, что приводит к возрастанию тепловоспринимающей поверхности, и
располагается в местах с большой скоростью потока, улучшающей условия теплообмена.
При установке в трубопроводах рабочий конец термопары должен располагаться в середине потока, то есть в центре сечения трубопровода, а случае небольших диаметров трубопровода – наклонно, навстречу потока измеряемой среды. При измерении температуры свыше 700 0С наиболее правильным является вертикальное расположение термопары. То есть установка термопары такая же,
как и ртутных термометров.
При измерении температуры газа в топке парогенераторов могут появиться ошибки из-за лучистого теплообмена между термопарой и менее нагретыми поверхностями, расположенными в пространстве, где она расположена. Такими менее нагретыми поверхностями могут быть стенки и своды
топки, газоходов. Тепловые потери термопары, вызываемые лучеиспусканием, зависят от разности
температур между его защитным чехлом и окружающими поверхностями нагрева. Чем больше эта
разность, тем более интенсивен лучистый обмен.
Для уменьшения погрешности термопреобразователя от лучеиспускания усиливают теплоизоляцию стенок и свода топки с целью максимального понижения разности температур между ними и
газом, а также располагают термопары в местах со значительной скоростью газового потока, что
улучшает условия теплообмена между термопарой и движущимся потоком газов в топке парогенератора.
При прокладке соединительных линий провода защищаются от механических повреждений, электрических помех, влияния высокой температуры и влажности окружающей среды. С этой целью они
помещаются в стальные заземлённые трубы отдельно от силовых проводов, питающих вторичные
приборы. Присоединение термопары к вторичному прибору производится удлиняющими проводами, которые также защищаются от воздействия окружающей среды и механических повреждений.
Щитовые милливольтметры и автоматические потенциометры должны устанавливаться в доступных и хорошо освещённых местах, не подверженных действию вибрации, высоких температур, влаги, пыли, агрессивных газов, а также вдали от мощных источников переменных магнитных полей, то
есть вдали от электродвигателей, трансформаторов и тому подобное. Корпуса автоматических потенциометров должны быть заземлены медным изолированным проводом диаметром 2÷3 мм.
Термопреобразователи и вторичные к ним приборы (милливольтметры и автоматические потенциометры) подвергаются поверке в отдельности. Поверка технических термопреобразователей может производиться двумя способами: путём сравнения с показаниями образцового термометра и по
реперным точкам равновесия фаз химически чистых веществ.
Поверку путём сравнения с показаниями образцового термометра производят до 3000С в водяном
и масляном термостатах по образцовому ртутному термометру. От 300 до 12000С и от 900 и выше
термопреобразователи поверяются в трубчатой электропечи соответственно по образцовому платинородий-платиновой термопаре.
В процессе поверки температура свободных концов термопары поддерживается постоянной и
равной 00с в термостате плавления льда. Измерение термо-ЭДС образцового и поверяемых термопар
производится с помощью лабораторного потенциометра.
Поверка магнитоэлектрических милливольтметров производится путём сравнения их показаний с
показаниями образцового потенциометра. Автоматические потенциометры поверяются по показаниям образцового потенциометра.
При поверке милливольтметров и автоматических потенциометров переносным потенциометром
типа ПП-63 используется встроенный в него источник регулируемого напряжения.
- 32 1.2.11. Термопреобразователи сопротивления
Термообразователи сопротивления основаны на свойстве электрического сопротивления изменяться с изменением температуры. Металлы увеличивают своё сопротивление при нагреве. Следовательно, зная зависимость сопротивления проводника от температуры и определяя это сопротивление
с помощью электроизмерительного при-бора, можно судить о температуре проводника. У большинства чистых металлов при температуре около 200С сопротивление увеличивается примерно на 0,4%
на градус температуры.
Чувствительные элементы стандартных термопреобразователей изготавливаются либо из тонкой
медной проволоки с лаковой изоляцией, либо из платиновой проволоки. Медные термопреобразователи применяются для измерения температур от –200 до +2000С. Платиновые термопреобразователи
применяются в более широком диапазоне температур: от –260 до +11000С.
Номинальные сопротивления термопреобразователей из медной проволоки при температуре 0 0 С
могут иметь значения 10, 50 или 100 Ом, а из платиновой проволоки 1, 5, 10, 50, 100 и 500 Ом.
Наилучшим материалом для термопреобразователей сопротивления является платина, обладающая
большой химической инертностью и мо-жет быть получена в чистом виде. Она имеет достаточно
большой температурный коэффициент электрического сопротивления и высокое удельное сопротивление. Медь также обладает рядом положительных свойств, позволяющих использовать её для
из-готовления термопреобразователей сопротивления. Её достоинства – это дешевизна, лёгкость получения в чистом виде и сравнительно высокий температурный коэффициент электрического сопротивления. К недостаткам меди относится небольшое удельное сопротивление и лёгкая окисляемость
при высоких температурах.
Чувствительные элементы термопреобразователей помещают сначала в тонкостенную защитную
трубку, а затем во внешний защитный чехол, такой же, как и защитный чехол термопар. Чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления в защитных чехлах имеют довольно
большую рабочую длину – около 100 метров. В качестве вторичных приборов, работающих с термопреобразователями сопротивлений, применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты, магнитоэлектрические логометры.
Достоинствами термопреобразователей сопротивления являются: высокая точность измерения,
возможность получения приборов с безнулевой шкалой на узкий диапазон температур, лёгкость
осуществления автоматической записи и дистанционной передачей показаний, возможность присоединения к одному вторичному прибору при помощи переключателя нескольких однотипных термопреобразователей. К недостаткам этих приборов можно отнести потребность в постороннем источнике тока.
Применяются технические, образцовые и эталонные платиновые термопреобразователи сопротивления. Термопреобразователи сопротивления имеют специальную арматуру, как и термоэлектрические преобразователи: электроизоляцию, защитный чехол и головку для присоединения внешних
проводов. Арматура изолирует чувствительный элемент от внешней среды, обеспечивает необходимую прочность термопреобразователя и возможность закрепления его в месте установки.
Термопреобразователи сопротивления могут быть одинарными и двойными, то есть с одним или
двумя чувствительными элементами, подключаемых к одному или двум вторичным приборам. Эти
приборы могут быть установлены в разных местах.
Кроме металлов для изготовления термопреобразователей применяются также полупроводниковые материалы: германий, окислы меди, марганца, кобальта, магния, титана и их смеси. Такие термопреобразователи сопротивления называются терморезисторами. Терморезисторы характеризуются небольшими размерами чувствительных элементов. При повышении температуры электрическое
сопротивление терморезисторов резко уменьшается, а не возрастает, как у медных или платиновых
терморезисторов сопротивления.
Терморезисторы невзамозаменяемые. Для каждого из них устанавливается своя зависимость сопротивления от температуры. Полупроводниковые терморезисторы чаще всего применяются для
технологической сигнализации и защиты в интервале температур от –60 до +1800С, а также для компенсации температурной погрешности в различных технологических устройствах. Наиболее распространёнными для измерения и регулирования температуры являются терморезисторы типов КМТ
(смесь окислов кобальта и марганца) и ММТ (смесь окислов меди и марганца).
- 33 Терморезисторы типа КМТ обладают более высокой температурной чувствительностью, характеризуемой температурным коэффициентом сопротивления.
1.2.12. Измерительные мосты
Сопротивление термопреобразователей, а, следовательно, и температуру можно измерить обычными в электротехнике мостовыми измерительными схемами: уравновешенными и неуравновешенными.
Простейшая двухпроводная схема (рис. 1.2.4) уравновешенного моста состоит из четырёх плеч:
двух постоянных R1 и R2, переменного R3 и термопреобразователя Rt, последовательно включённого
с двумя известными сопротивлениями линий Rл. Питание моста подаётся к диагоналям D и В от батареи Б. В диагональ СА включён чувствительный магнитоэлектрический гальванометр G. Для измерения значения сопротивления термопреобразователя Rt добиваются, изменяя сопротивление резистора (реостата) R3, равенства падения напряжения на плечах DA и DC, на плечах СВ и АВ моста.
Тогда сила тока в диагонали СА будет равна нулю, а отношение
R1
R2
.

R2 Rt  2RЛ
R
Отсюда, зная R3 и постоянные значения R1, R2 и Rл, легко определить Rt= 2 R3  2RЛ .
R1
Отношение сопротивлений R2/R1 (плеч отношения), а также сопротивление соединительной линии
Rл для данного моста – величины постоянные, поэтому каждому значению Rt соответствует определённое сопротивление резистора R3 (плеча сравнения), шкала которого может быть градуирована в
Омах сопротивления Rt или в градусах Цельсия.
Измерение не зависит практически от
напряжения батареи Б и может быть осуществлено с высокой точностью. Положение
+
Б
движка резистора R3 можно отградуировать в
D
градусах температуры для определённой ноR1
минальной статической характеристики преR2
образователя.
Изменение сопротивления соединительС
G
А
ной линии в зависимости от температуры
окружающего воздуха влияет на точность изR3
а
б
мерения температуры термопреобразователями сопротивления с уравновешенными моВ
стами.
Для уменьшения возможного влияния темпеRл
ратуры окружающей
среды на сопротивление соедиратуры
Rл
нительных линий место присоединения цепи питания
переносится непосредственно к термопреобразователю Rt. Такая схема включения термопреобразователя
называется трёхроводной.
Rt Рис. 1.2.4.
Недостатком уравновешенных мостовых схем является необходимость, прежде чем произвести отсчёт,
t
выполнить определённые ручные манипуляции.
В схеме неуравновешенного моста в диагональ включается вместо гальванометра миллиамперметр. Отклонение стрелки прибора будет зависеть от сопротивления термопреобразователя. Шкалу
прибора можно отградуировать в градусах температуры для определённого сопротивления линии
связи.
К недостаткам неуравновешенного моста следует отнести зависимость показаний миллиамперметра от изменения напряжения питания, поэтому они для измерения температуры промышленностью не выпускаются, а находят применение лишь в схемах других приборов.
- 34 Автоматические уравновешенные мосты устраняют основной недостаток обычных уравновешенных мостовых схем: обязательную необходимость ручных манипуляций перед отсчётом показаний.
1.2.13. Магнитоэлектрические логометры
Логометрами называются двухрамочные магнитоэлектрические милливольтметры, измеряющие
отношение силы токов в двух электрических цепях. Они являются одним из вторичных промышленных приборов, работающих в комплекте с термопреобразователями сопротивлений. Логометры градуируются обычно в градусах температуры.
Логос в переводе с латинского переводится как отношение. Принцип действия логометра основан
на измерении отношения токов в двух электрических цепях, питаемых от постороннего источника
постоянного тока. В одну из них включён термопреобразователь сопротивления, а в другую – постоянное сопротивление.
Логометр имеет подвижную часть, состоящую из двух жёстко скреплённых под небольшим углом
рамок (обмоток), поворачивающихся на опорах около вертикальной оси в неравномерном магнитном поле постоянного магнита. Подвижная часть логометра не имеет пружинок для её уравновешивания, которое достигается здесь посредством взаимодействия противоположно направленных вращающих моментов рамок. Показания логометра практически не зависят от колебаний напряжения
источника, что является достоинством этого прибора.
Подвижная система будет находиться в равновесии, когда вращающиеся моменты будут равны
друг другу. Отношение токов I1/I2 зависит от сопротивления резисторов одной и другой цепей. Обе
ветви электрической цепи питаются параллельно от одного источника питания. В сопротивление одной из ветвей входят сопротивление рамки и сопротивление добавочного резистора. Сопротивление
другой ветви состоит из сопротивления второй рамки, сопротивления добавочного резистора и сопротивления термопреобразователя сопротивления. Угол поворота подвижной системы, при котором вращающиеся моменты рамок будут равны, зависит от сопротивления термопреобразователя и
не зависит от напряжения питания.
Предположим, что подвижная система логометра находится в равновесии, а затем изменилась измеряемая температура. Изменение температуры вызовет соответствующее изменение сопротивления
термопреобразователя, а это в свою очередь вызовет изменение тока I1 и I2 и, следовательно, отношения токов I1/I2.
При этом нарушится равновесие подвижной системы. Направления магнитного поля и тока
должны быть подобраны так, чтобы при нарушении равновесия рамка с большим моментом поворачивалась в направлении уменьшения магнитной индукции. При этом рамка с меньшим моментом
будет перемещаться в сторону увеличения магнитной индукции.
Ток к рамкам логометра подводится с помощью трёх тонких спиральных волосков. В отличие от
милливольтметра в логометре оба действующих на подвижную часть вращающих момента исчезают
при выключении тока. Поэтому, если не предусмотреть особого упругого устройства, стрелка логометра будет оставаться в том положении, в котором застало её отключение питания, и может создать
ложное представление о работе прибора.
Уменьшение влияния на показания логометра изменения сопротивления соединительной линии
при колебаниях её температуры производится теми же методами, что и у измерительных мостов.
Выпускаются щитовые показывающие логометры типов Л-64, ЛПр-66 и другие, которые предназначены для работы с техническими термопреобразователями сопротивления.
При установке термопреобразователей сопротивления действительны те же требования, что и при
установке термоэлектрических преобразователей: достижение минимальной утечки тепла по его арматуре. При прокладке соединительных линий провода защищаются от механических повреждений,
электрических помех, влияния высокой температуры и влажности окружающей среды. С этой целью
они помещаются в стальные заземлённые трубы отдельно от силовых проводов, питающих вторичные приборы.
Для уменьшения стоимости и экономии места на щите управления к одному логометру очень часто подключается при помощи двухполюсного переключателя несколько однотипных термопреобразователей сопротивления.
Образцовые платиновые термопреобразователи сопротивления градуируются по реперным точкам плавления льда (00С), кипения воды (1000С) и затвердевания цинка (419,580С). Поверка техниче-
- 35 ских термопреобразователей производится при температурах 00С в термостате плавления льда и
1000С в термостате кипения воды с электрообогревом.
В термостате плавления льда термопреобразователь сопротивления обкладывается со всех сторон
льдом толщиной не менее 30 см. До начала поверки термопреобразователь должен находиться в
термостате не менее 30 минут.
Измерение сопротивления образцовых и технических термопреобразователей во время их поверки производится с помощью образцового потенциометра. Поверка автоматических уравновешенных
мостов и логометров проводится при помощи образцового моста.
1.2.14. Систематические погрешности измерения температур
контактными методами
При измерении температуры контактными методами (стеклянными, манометрическими термометрами, термоэоектрическими преобразователями и термопреобразователями сопротивлениями)
температура чувствительного элемента нередко существенно отличается от температуры измеряемой среды. Это происходит за счёт систематических погрешностей, возникающих по многим причинам:
1. За счёт лучистого теплообмена термопреобразователя с поверхностями нагрева или охлаждения.
2. За счёт оттока теплоты от термопреобразователя во внешнюю среду.
3. За счёт воздействия больших скоростей потока измеряемой среды.
4. За счёт быстро меняющихся температур измеряемой среды (динамические погрешности).
Погрешности за счёт лучистого теплообмена возникают при измерениях температуры газовых
потоков, когда измеряемый поток отдаёт или получает теплоту поверхностям нагрева или охлаждения, температура которых существенно отличается от температуры потока.
Допустим, что температура потока tп больше температуры стенок tс поверхностей нагрева. Температура t термопреобразователя будет больше температуры стенок tс. В таких условиях более нагретый термопреобразователь будет отдавать тепло лучеиспусканием на более холодные стенки поверхностей нагрева.
В свою очередь термопреобразователь будет получать теплоту от измеряемого потока, а это возможно лишь при наличии определённой разности температур между потоком и термопреобразователем tп-t, что и является систематической погрешностью. Систематическая погрешность зависит от
скорости измеряемого потока и стенки, условий лучистого теплообмена.
Если термопреобразователь удалён от поверхности нагрева или если температура стенок tс,
ограждающих поток, близка к температуре tп потока, то систематическая погрешность за счёт явлений лучистого теплообмена практически близка к нулю.
В зонах интенсивного теплообмена можно снизить систематическую погрешность в несколько
раз путём экранирования. При этом термопреобразователь излучает на внутреннюю поверхность
экрана с температурой tэ1, а внутренняя поверхность экрана на внешнюю, которая выше температуры tс стенки поверхности нагрева.
Погрешности за счёт оттока теплоты от чувствительного элемента во внешнюю среду возникают
вследствие разности температур чувствительного элемента и внешних частей термопреобразователя
Отток теплоты происходит по защитному чехлу и другим конструктивным деталям термопреобразователя.
Погрешность за счёт оттока теплоты во внешнюю среду зависит от многих факторов. Она уменьшается с увеличением коэффициента теплоотдачи от измеряемой среды к чувствительному элементу, что имеет место при повышении скорости потока. Погрешность уменьшается с уменьшением
теплопроводности материала защитного чехла и с уменьшением толщины стенок чехла. При установке термопеобразователей для измерения температуры твёрдых тел нужно также считаться с возмож-ностью возникновения погрешностей за счёт оттока теплоты во внешнюю среду по проводникам термопреобразователя.
Чаще всего приходится производить измерение температуры металлических поверхностей под
слоем тепловой изоляции.
- 36 tс
t
tп
tс
tэ2
tп
tэ1
t
tп
Из двух вариантов установки термоэлектрических преобразователей вариант 1 применять не
рекомендуется. При установке по варианту 2
термоэлектродные провода на длине около 100
мм прокладываются в зоне температур, близких
к температуре поверхности. В этом случае искажение температурных полей у рабочего конца
термопреобразователя и погрешность за счёт оттока теплоты будут существенно меньше, чем
при установке по варианту 1.
Погрешность за счёт больших скоростей потока измеряемой среды возникает из-за того, что
поток, встречая на своём пути чувствительный
элемент термопреобразователя, затормаживается.
Кинетическая энергия части потока, заторможенного термопреобразователем, преобразуется
в теплоту и повышает температуру этой части
газа. В результате температура, измеряемая термопреобразователем, получается более высокой,
чем температура всей остальной, значительно
большей части потока.
1.2.15. Излучение нагретых тел
С повышением нагретого тела интенсивность
его теплового излучения в виде электромагнитных волн различной длины быстро возрастает.
При нагреве до 5000С тело излучает невидимые
1
2
инфракрасные лучи большой длины волны. Однако дальнейшее увеличение температуры вызывает появление и видимых лучей меньшей длины, благодаря которым тело начинает светиться.
Сначала раскалённое тело имеет тёмнокрасный цвет, который по мере роста температуры и появления лучей постепенно убывающей
длины переходит в красный, оранжевый, жёлтый
и белый цвет, состоящий из комплекса лучей
100
различной длины волны.
мм
Одновременно с увеличением температуры
нанагретого тела и изменением его цвета сильно возрастает интенсивность частичного (монохроматического или одноцветного) излучения (яркость) для данной эффективной длины волны, а также заметно увеличивается интенсивность суммарного излучения (радиации) телом энергии, что позволяет
использовать эти свойства для измерения температуры нагретых тел.
Разные физические тела, нагретые до одной и той же температуры, имеют неодинаковые частичную и суммарную интенсивности излучения. Если излучение какого-либо тела падает на другое, непрозрачное для этого излучения тело, то оно поглощается на поверхности и превращается в теплоту.
Процессы поглощения и излучения взаимообратимы. Лучи, падающие извне на поверхность тела,
могут полностью или частично поглощаться телом, проходить через тело.
Отношение отражённого, поглощённого и пропущенного потока излучения называется соответственно коэффициентами отражения p=Фотр/Ф0, поглощения α=Фп/Ф0 и пропускания τ=Фпр/Ф0. Для
частичного (монохроматического) излучения эти коэффициенты называются соответственно спектральными коэффициентами отражения pl, поглощения αl и пропускания τl. Они зависят от материаРис. 1.2.5.
- 37 ла тела, способа обработки, состояния поверхности, температуры и ряда других факторов. Между
ними существуют следующие соотношения:
p+α+τ=1 и pl+αl+τl=1
Наибольшей способностью излучения и поглощения энергии обладает абсолютно чёрное тело.
Тело, поглощающее все падающие на него излучения, называется абсолютно чёрным телом. В природе его не существует, оно представляет собой воображаемый идеальный излучатель. Абсолютно
чёрное тело имеет коэффициент поглощения, равный единице.
Законы излучения абсолютно чёрного тела хорошо изучены, поэтому его лучеиспускательная
способность может служить эталоном для сравнения с лучеиспускаемой способностью различных
физических тел, которые имеют при одинаковой температуре меньшую, чем абсолютно чёрное тело,
интенсивность излучения. Физические тела обладают способностью отражать часть падающих на
них лучей, и поэтому всегда имеют коэффициент поглощения меньше единицы. Тело, имеющее
тёмную и шероховатую поверхность, ближе по своим свойствам к абсолютно чёрному телу, чем тело
со светлой и полированной поверхностью.
Интенсивность частичного излучения абсолютно чёрного тела сильно растёт с повышением температуры, неодинакова для лучей различной длины волны.
1.2.16. Пирометры
Все термометры для измерения температуры (термометры расширения, термоэлектрические и сопротивления) предусматривают непосредственный контакт между чувствительным элементом термометра и измеряемым телом или средой. Верхний предел применения контактных методов измерения температуры ограничивается значениями 1800÷22000С. Однако в энергетике, при исследованиях
возникает необходимость измерять более высокие температуры. Бывает часто недопустимым непосредственный контакт термометра с измеряемой средой. В этих случаях применяются бесконтактные средства измерения температуры, которые измеряют температуру тела или среды по тепловому
излучению. Такие средства измерения называются пирометрами.
Таким образом, пирометрами называются устройства для бесконтактного измерения температуры, использующие электромагнитное излучение нагретых тел.
Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур от 20 до 6000 0С. Бесконтактные методы измерения теоретически не имеют верхнего предела измерения и возможности
их использования определяются соответствием спектров излучения измеряемых тел или сред и спектральных характеристик пирометров. Если для каких-либо условий могут быть использованы и контактные и бесконтактные методы измерения, то предпочтение обычно отдаются контактным, так как
они позволяют обеспечить более высокую точность измерения.
Существует большое число различных методов измерения температуры тел и среды по излучению, но для измерения высоких температур в реальных технологических процессах применяются
следующие типы пирометров: квазимонохроматический (или частичного излучения), полного (или
суммарного) излучения и спектрального отношения. Наибольшее распространение получили квазимонохроматические и полного излучения. Квазимонохроматические пирометры (пирометры частичного излучения) принято называть оптическими, а пирометры полного излучения – радиационными.
Температуры, показываемые оптическими пирометрами, называются яркостными.
При измерении яркостной температуры тела или среды оптическими пирометрами сравнивается
спектральная энергетическая яркость излучения волн определённой длины от измеряемого тела и
регулируемого источника света. Яркостная температура источника света устанавливается заранее
путём предварительной градуировки в зависимости от силы тока, питающего регулируемый источник света. В нашей стране наибольшее распространение имеют оптические пирометры с исчезающей нитью. В таких пирометрах спектральная яркость излучения измеряемого тела сравнивается со
спектральной яркостью излучения на тех же длинах волн нити электрической пирометрической лампы накаливания.
Нить лампы видна на фоне раскалённого тела. Если нить имеет температуру меньшую, чем температура тела, то нить будет казаться тёмной на светлом фоне. Если нить иметь более высокую температуру, чем тело, то нить будет светлее фона. При равенстве яркостных температур нити и тела
средняя часть нити исчезает на фоне раскалённого тела. Тогда по силе тока, питающего лампу пирометра, можно определить яркостную температуру нити, а, следовательно, и яркостную температуру
- 38 тела. Эти пирометры являются визуальными, то есть оператор через окуляр определяет путём сравнения температуру тела или среды.
Промышленные оптические пирометры применяются для измерения температур от 700 до
80000С. Минимальное расстояние от объекта измерения до объектива пирометра обычно составляет
0,7 метра. При меньших расстояниях пришлось бы вводить поправки на влияние фокусного расстояния оптической системы пирометра. Максимальное расстояние теоретически неограниченны, но для
точности измерения всё же расстояние до объекта измерения не должно превышать 5÷6 метров.
На точность измерения температуры оптическими пирометрами оказывают заметное влияние
степень отклонения свойств излучателя от свойств абсолютно чёрного тела, а также лучепоглощение
промежуточной среды, через которую производится наблюдение. На результаты измерения отражаются наличие в окружающем воздухе пыли, дыма и большого содержания двуокиси углерода. Кроме
того, всякое загрязнение оптической системы пирометров также ведёт к увеличению погрешности
измерения.
Достоинствами оптических пирометров являются сравнительно высокая точность измерения,
компактность прибора и простота обращения с ним. К числу их недостатков можно отнести потребность в источнике питания, невозможность стационарного измерения температуры и автоматической её записи, субъективность метода измерения, основанного на спектральной чувствительности
глаз наблюдателя. Существует большое число различных по принципу построения схем пирометров
спектрального отношения, каждая из которых имеет свои положительные и отрицательные стороны
В качестве пирометров спектрального отношения применяются фотоэлектрические, цветовые и
пирометры истинной температуры. В фотоэлектрических пирометрах в качестве чувствительного
элемента используется чаще всего фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Такие фотоэлементы
развивают электрический ток (он называется фототоком), пропорциональный падающему на него
световому потоку или энергии излучения волн определённого участка спектра.
Фотоэлектрические пирометры позволяют производить измерения температуры без наблюдателя,
могут осуществлять автоматическую запись температуры и могут быть использованы в системах автоматического управления производственными процессами.
Цветовые пирометры выпускаются на предел измерения от 200 до 28000С. предел основной погрешности их не превышает 1% верхнего предела измерения. Пирометры истинной температуры
(ПИТ-1) представляет собой пирометр спектрального отношения, осуществляющий автоматическое
введение поправок, вычисляемых на основе информации, хранящейся в памяти прибора. Пирометр
рассчитан на диапазон измерения от 800 до 20000С.
Измерение температуры пирометрами суммарного или полного излучения основано на использовании теплового излучения нагретых тел. Пирометры полного излучения являются наиболее простыми по устройству. Улавливаемые пирометром тепловые лучи концентрируются при помощи собирательной линзы на термочувствительном элементе, который состоит из небольшой термобатареи.
Лучистый поток направляется линзой на рабочие концы термобатареи, которая является чувствительным элементом, по степени нагрева которых можно судить о температуре излучателя. Кроме
того, чувствительным элементом, воспринимающего излучение, может быть специальные термозависимые резисторы – болометры. Для концентрации излучения на спаях термобатареи или на чувствительном элементе болометра применяют оптические системы с собирающей линзой или с вогнутым зеркалом. Для того, чтобы получить однозначную зависимость термо-ЭДС термобатареи или
сопротивления болометра от потока излучения, необходимо поддерживать свободные концы термобатареи или корпус болометра при постоянной температуре. Вторичным прибором пирометра служит милливольтметр или автоматический потенциометр.
Пирометр суммарного излучения обладает рядом преимуществ по сравнению с визуальным, заключающихся в объективности метода измерения, отсутствии постороннего источника питания и
возможности применения дистанционной передачи показаний на вторичные приборы, но уступает
ему в точности измерения.
Шкала пирометра градуирована в градусах Цельсия радиационной температуры, имеет неравномерные деления, сильно сжатые в начале и растянутые в конце, так как изменение полной мощности
излучения нагретого тела в зависимости от его температуры по закону четвёртой степени. Выпускается пирометр суммарного излучения типа РАПИР для стационарных измерений радиационной температуры от 400 до 25000С. В комплект этого пирометра входит телескоп, вторичный прибор, (мил-
- 39 ливольтметры или автоматические потенциометры) и панель сопротивлений с уравнительными резисторами. Телескопы пирометров изготавливаются с объективами из кварцевого стекла для диапазона температур от 400 до 15000С и из оптического стекла для диапазона температур от 900 до
25000С. применение кварцевого стекла объясняется его способностью хорошо пропускать длинные
волны, излучаемые нагретым телом при более низких температурах. Инерционность телескопа не
превышает четырёх секунд.
Показания пирометра суммарного излучения корректируются по образцовому пирометру реостатом, встроенным во вторичный прибор. Телескоп пирометра рассчитан для работы при температуре
окружающего воздуха 10÷1000С. В схему пирометра между телескопом и вторичным прибором
включена панель уравнительных сопротивлений для обеспечения постоянной нагрузки телескопа
при работе с одним или двумя вторичными приборами, а также для приведения сопротивления соединительных линий между телескопом и вторичными приборами к определённому значению.
В энергетике пирометры суммарного излучения применяются для измерения температуры газов в
топке парогенераторов. Для защиты от механических повреждений, пыли, высокой температуры телескоп снабжается защитной арматурой. Пирометры суммарного излучения рекомендуется применять с визирной трубкой, устанавливаемой в стенке топки котла и изготовляемой из стали, выдерживающей температуру до 11000С, а выше – из карборунда (карбида кремния).
Карборундовые визирные трубы выполняются открытыми с обоих концов, а также закрытыми с
одного конца (с дном). Визирные трубы с дном обычно применяются при измерении температуры в
топке котла и заделываются в её обмуровку так, чтобы закрытый конец выступал внутрь топки на 50
мм. В этом случае телескоп наводится на разогретое дно визирной трубы, которая в данном случае
является излучателем, близкой по своим свойствам к абсолютно чёрному телу. Телескоп после этого
закрепляется неподвижно.
Применение визирной трубы с глухим дном в качестве излучателя предохраняет телескоп от
нагрева и повреждения при выбивании из топки горячих газов, исключает погрешности измерения
из-за возможного присоса холодного воздуха в топку, влияния лучепоглощения среды, находящейся
между излучателем и телескопом и загрязнения объектива телескопа от пыли, дыма, двуокиси углерода и тому подобное. Соединительные провода подводятся к телескопу в металлическом гибком
шланге или стальной трубе.
Промышленные оптические пирометры поверяются путём сравнения их показаний с температурой нити накала образцовой температурной лампы или с показаниями образцового пирометра. Образцовая температурная лампа служит для воспроизведения яркостной температуры в диапазоне от
900 до 20000С. она представляет собой лампу с вольфрамовой лентой накала. Яркостная температура, до которой нагревается лента, зависит от силы проходящего через лампу переменного тока
напряжением 20 вольт, измеряемого амперметром, и определяется по данным градуировочной характеристики лампы. При поверке пирометра по температурной лампе телескоп наводится на накалённую поверхность ленты и при уравнивании яркостей нити пирометрической лампы и ленты показания пирометра сравниваются с соответствующими значениями яркостной температуры, определяемой по силе тока, проходящего через температурную лампу. Поверка оптического пирометра методом сравнения с показаниями образцового пирометра производится путём одновременной наводки
на излучатель обоих телескопов, установленных под одинаковым углом к температурной лампе с
цветным стеклом или обычная лампа с ленточным нагревателем. Сила тока, протекающего через пирометрическую лампу образцового пирометра, измеряется потенциометром.
Пирометры суммарного излучения поверяются путём сравнения их показаний с показаниями образцового пирометра такого же типа. Для этой цели применяется специальная поверочная установка,
которая позволяет проводить поверку пирометров до радиационной температуры 20000С.
1.2.17. Преимущества и недостатки методов измерения
температуры среды по излучению
Преимущества методов:
1. Все методы измерения температуры тел или среды по излучению не требуют непосредственного контакта с измеряемой средой; они могут измерять температуру тела на расстоянии бесконтактным способом и поэтому не искажают температурного поля объекта измерения.
- 40 2. Верхний предел измерения температуры тела или среды пирометрами излучения не ограничен.
3. Все методы измерения пирометрами очень чувствительны.
Однако все методы при измерении реальных тел или сред пирометрами излучения дают значение
условной псевдотемпературы (яркостной, цветовой, радиационной), а не действительной температуры тела или среды. В общем случае наименьшее отклонение от действительной имеет цветовая температура, а наибольшее – радиационная, особенно при очень высоких температурах тела или среды
(свыше 10000С).
Пирометры излучения могут применяться без ограничений при измерении температуры твёрдых
тел и жидких сред, которые имеют непрерывный спектр излучения, то есть каждый объект имеет
свои волны излучения. Методы измерения температуры среды по излучению могут быть использованы и для измерения температуры газов, имеющих линейчатый или полосовой спектр излучения, то
есть обычно газовый поток состоит из газовой смеси с различными длинами волн излучения. Поэтому при измерении температуры газового потока по излучению необходимо так подобрать характеристики пирометра, чтобы полоса пропускания оптической системы пирометра практически совпадала с одной из полос излучения данного газа.
Одной из основных составляющих погрешности измерения температуры тела или среды пирометрами излучения является погрешность за счёт неопределённости коэффициента теплового излучения измеряемого тела или среды. В пирометрах полного излучения погрешность измерения температуры за счёт неопределённости оценки этого коэффициента определяется по эмпирическому
уравнению. Поэтому и ошибка в оценке коэффициента теплового излучения может достичь 20÷30%.
Кроме погрешности, связанной с неопределённостью коэффициента теплового излучения, при
измерении температуры всеми пирометрами могут иметь место погрешности за счёт влияния промежуточной среды, находящейся между объектом измерения и пирометром.
Однако степень этого влияния может быть различной. Например, запылённость и задымлённость
промежуточной среды в наибольшей степени влияет на показания пирометров полного и частичного
излучения. Это объясняется тем, что частицы пыли, копоти рассеивают излучение, ослабляя почти
все длины волн.
В квазимонохроматических пирометрах и при измерении методом спектрального отношения влияние промежуточной среды меньше. На показание всех пирометров излучения будут оказывать влияние посторонние источники излучения. Расчёт этой погрешности весьма труден. Поэтому желательно так организовать измерения температуры, чтобы просто исключить эту погрешность. Практически все пирометры излучения имеют стеклянную или кварцевую оптическую систему. Изменение температуры этой оптики может привести к изменению коэффициента пропускания оптической
системы и исказить показания измеряемой температуры.
Выбору и применению различных методов измерения температуры по излучению должны предшествовать изучение излучающих свойств объекта измерения и анализ условий измерения, промежуточной и окружающей среды, посторонних источников излучения и других факторов, которые
могут влиять на излучение, воспринимаемое пирометром.
Мне приходилось пользоваться ручным оптическим пирометром в виде пистолета для измерения
температуры сетевой воды в трубопроводах. При надземной прокладке измерение проводилось довольно точно. При подземной прокладке измерение температуры проводили в камерах (колодцах), и
при парении показания прибора были явно неточны, так как промежуточной средой между трубопроводом и оптикой пирометра являлся водяной пар. Кроме того, этим пирометром в основном
можно измерить температуру поверхности трубы, по которой протекает горячая вода, а температуру
самой воды всё равно приходилось измерять контактным методом, то есть ртутными термометрами.
Поэтому в отдельных случаях, когда не нужно знать более точной температуры среды или поверхности тела, например поверхности трубы, а только приблизительное её значение, можно пользоваться переносным оптическим пирометром.
1.2.18. Погрешности измерения температур в нестационарных режимах
Если в установившемся режиме погрешность измерения температуры зависела в основном от
теплового потока, проходящего через термометр, то в неустановившемся, нестационарном, режиме
погрешность измерения носит специфический, динамический характер и зависит от многих факто-
- 41 ров. Неустановившийся режим в энергетике бывает при пуске и останове энергетического блока, или
парогенератора и т. д. Причиной возникновения динамической погрешности измерения является
несоответствие между количеством теплоты, которую необходимо передать термометру (или от
термометра), чтобы нагреть (или охладить) его до нового значения температуры измеряемой среды,
и количеством теплоты, которое при данных условиях теплообмена может быть мгновенно от измеряемой среды термометру. То есть нужно некоторое время, чтобы датчик (первичный прибор) показал истинную температуру и передал вторичному прибору информацию при изменении режима технологического процесса.
Динамические свойства датчиков зависят не только от конструкции и теплофизических свойств
материалов термометра, но и от условий теплообмена. Поэтому все расчётно и экспериментально
определённые численные значения динамических характеристик термометров будут справедливы
только для данного термометра и конкретных условий теплообмена.
Практические изменения температуры отличаются разнообразием условий измерения и требований, предъявляемых к средствам измерения. Например, температуру сетевой воды измеряют стеклянными термометрами, температуру пара – термопреобразователями сопротивления или электротермическими преобразователями, температуру газов в топке котла – оптическим пирометром и т. д.
Всё это заставляет тщательно анализировать и совершенствовать методы и средства измерения
применительно к конкретным условиям.
В большинстве случаев в энергетике стараются использовать термометры и пирометры, выпускаемыми серийно приборостроительными заводами. Однако в ряде случаев из-за особенностей условий измерения температуры применяются термометры специального назначения, например радиационно защищённые при измерении температуры в атомном реакторе или измерение температуры
на поверхности тела (например, трубы).
Измерение температуры поверхностей осуществляется как контактными, так и бесконтактными
методами. Однако при этом имеется определённая проблема: обеспечение равенства температур
термометра и измеряемой поверхности. Для получения этого равенства надо создать наилучшие
условия теплопередачи от измеряемой поверхности к термометру. Даже очень малые воздушные зазоры или слои изоляционных материалов с низкой теплопроводностью между измеряемой поверхностью и термометров могут существенно исказить результаты измерения.
Чтобы обеспечить хороший контакт термометра с измеряемой поверхностью применяется специально изготовленный термометр, который приклеивают или приваривают к поверхности. Для непрерывного измерения температуры поверхности, например, трубопровода термометр часто прижимают
к поверхности специальным зажимом.
Наличие теплоизоляции трубопровода практически исключает отвод или подвод теплоты от места измерения и поэтому термометр не искажает температуры поверхности. А хороший тепловой
контакт между термометром и поверхностью путём зажима обеспечивает равенство температур термометра и поверхности.
Измерение температуры движущихся поверхностей или среды имеет свои специфические проблемы. Наиболее желательно при этом измерять температуру по излучению, то есть пирометром.
Однако не всегда им можно воспользоваться, если нет прямой видимости измеряемого объекта. Поэтому в этом случае широко применяют контактный метод измерения температуры.
Измерение температур в атомных реакторах имеет также свои специфические особенности. Это
вопросы безопасности, которые требуют применения методов и средств измерения температуры, отличающихся высокой надёжностью, обеспечением длительной работы средств измерения температуры со стабильными характеристиками.
Вопросы надёжности средств измерения температуры сводятся в основном к созданию такой конструкции термометров, которая обеспечила бы безотказную работу, точность измерения как в течение длительной эксплуатации, так и при аварийных ситуациях.
В заключение этого раздела надо ещё раз отметить, что выбор того или иного метода измерения и
его конструктивное исполнение определяется конкретными условиями измерения температуры среды, их взаимодействием с различными материалами, их излучательной способностью и другими физическими и химическими свойствами. И в каждом случае может быть своё отличное от других случаев решение этой проблемы.
- 42 Контрольные вопросы к Теме 1.2
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Вопрос.
Ответ.
А. Изменение напряжения сети питаЧто может вызвать значительные ния.
дополнительные погрешности у по- В. Изменение температуры окружатенцииометра?
ющей среды.
С. Недостаточная длина компенсационных проводов.
D. Изменение атмосферного давления.
Е. Изменение влажности воздуха.
А. В двухпроводной уравновешенного
В какой мостовой измерительной моста.
схеме имеет существенное значение В. В трёхпроводной уравновешенного
напряжение питания моста?
моста.
С. В трёхпроводной неуравновешенного моста.
D. В двухпроводной неуравновешенного моста.
Е. Ни в какой.
А. Увеличением теплопроводности
материала защитного чехла термопреобразователя.
Чем можно снизить погрешность за В. Уменьшением коэффициента тепсчёт оттока теплоты во внешнюю лоотдачи от измеряемой среды к терсреду?
мопреобразователю.
С. Увеличением глубины погружения
термопеобразователя.
D. Уменьшением скорости потока измеряемой среды.
Е. Увеличением скорости потока измеряемой среды.
А. Шкалы Кельвина
В. Шкалы Фаренгейта
Какой температурной шкалы не С. Шкалы Менделеева.
существует?
D. Шкалы Цельсия.
Е. Шкалы Реомюра.
А. Можно.
В. Нельзя.
Можно ли измерить температуру С. Только лабораторными ртутными
вещества ртутным термометром термометрами.
5000К?
D. Только спиртовым термометром.
Е. Только при температуре окружающего воздуха не более 200С.
А. В газовых.
В каких манометрических термо- В. В конденсационных.
метрах термобаллон наполняется С. В жидкостных.
низкокипящей жидкостью и её па- D. В любых.
рами?
Е. Ни в каких.
А. При двух однородных термоэлек-
Консультации
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 159
Стр.159
Стр. 159
Стр. 159
- 43 7.
8.
9.
10.
11.
12.
В каких случаях может возникнуть тродах и различных температурах
в термопреобразователе термо-ЭДС? рабочего и свободных концов.
В. При двух разнородных термоэлектродов и одинаковых температурах
рабочего и свободных концов.
С. При двух разнородных термоэлектродах и различных температурах
рабочего и свободных концов.
D. При двух однородных термоэлектродах и одинаковых температурах
рабочего и свободных концов.
Е. Во всех случаях.
А. Действительную.
В. Яркостную
Какую температуру тела измеряют С. Радиационную.
квазимонохроматические пиромет- D. Конвекционную.
ры?
Е. Тусклую.
А. Квазимонохроматических.
Каких типов пирометров не суще- В. Фотоэлектрические.
ствует?
С. Светомагнитные.
D. Радиационные.
Е. Спектрального отношения.
А. Термобатарея.
В Нить накала.
Какой элемент пирометров полного С. Телескоп.
излучения является чувствительны D. Потенциометр.
Е. Защитная арматура.
А. У манометрических термометров.
В. У пирометров.
У каких приборов для измерения С. У термоэлектрических преобразотемпературы используется зависи- вателей.
мость между эдс и температурой?
D. У термопреобразователей сопротивления.
Е. У ртутных термометров.
А. С манометрическими термометраС какими приборами применяется ми.
логометр?
В. С термопреобразователями сопротивления.
С. С термоэлектрическими преобразователями.
D. С пирометрами.
Е. С ртутными термометрами.
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 159
- 44 Тема 1.3. Измерение давления
1.3.1. Единицы давления и разновидности приборов
Давление относится к числу распространённых измеряемых физических величин. Контроль за
протеканием большинства технологических процессов в тепловой и атомной энергетике связан с измерением давления или разности давления газовых и жидких сред.
Давлением жидкости, пара или газа называется сила, действующая равномерно на площадь, а
единицей давления называется единица силы, действующая равномерно на единицу площади. Единица давления измеряется в паскалях (Па), то есть давление на площадь 1 м 2 силы в 1 ньютон (Н).
Единица давления по системе СИ – это сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение в 1 м/с2.
На практике до сих пор продолжается применение другой внесистемной единицы силы – кгс (килограммсилы), сообщающей телу массой 1 кг ускорение 9,80665 м/c2 в направлении действия силы.
Таким образом. 1 кгс=9,80665 Н. наряду с единицей паскаль допустимо применение единицы бар (1
бар=106 Па=0, МПа).В технической документации могут встретиться и другие внесистемные единицы давления: кгс/м2, кгс/см2, м вод ст, мм рт ст. соотношение между ними и основной единицей давления паскаль такое: 1 кгс/м2=1 мм вод ст=9.80665 Па; 1 кгс/см2=980666,5 Па0,1МПа; 1 мм рт
ст=133,322 Па.
При измерении различают: атмосферное (или барометрическое), избыточное, вакуумметрическое
и абсолютное давления.
Атмосферное давление рб создаётся массой воздушного столба земной атмосферы. Оно имеет переменное значение, которое зависит от высоты местности над уровнем моря, географической широты и метеорологических условий, то есть от погоды.
Избыточное давление р выражает превышение давления среды над атмосферным давлением.
Вакуумметрическое давление рв среды характеризует давление (вакуум), которое ниже атмосферного давления. Иногда вакуумметрическое давление выражается в виде относительной величины V
процентах атмосферного давления:
р
V  В 100 %.
рБ
Абсолютное давление ра среды – это полное давление , которое равно сумме атмосферного и избыточного давлений:
Абсолютное давление может быть больше ра=р+рб или меньше атмосферного на величину вакуумметрического давления ра=рб-рв. В частном случае, когда избыточное давление р или вакуумметрическое давление рв равно нулю, абсолютное давление равно атмосферному.
Полное давление движущейся силы рп слагается из статического рс и динамического рд давлений,
то есть:
рп=рс+рд.
Статическое давление потока рс может быть избыточным или вакууметрическим, а в частном
случае оно может быть равно атмосферному.
Динамическое давление рд, зависящее от скорости потока для жидкости, газа или пара при умеренных скоростях определяется по следующей формуле:
2 
рД 
, где:
2
 -- cкорость движения вещества, м/с;
 -- плотность вещества, кг/м3.
1.3.2. Классификация приборов для измерения давления
Приборы для измерения давления или разности давлений имеют общее название – манометры.
Измерение давления основывается на уравновешивании действующего усилия при помощи столба жидкости или за счёт упругой деформации различных чувствительных элементов.
Используемые в энергетике приборы для измерения давления делятся на следующие группы:
1. Манометры избыточного давления Они предназначены для измерения давления выше атмосферного.
- 45 2. Мановакууметры предназначены для измерения избыточного и вакууметрического давлений.
Тягонапоромеры предназначены для измерения небольшого вакуумметрического и избыточного
давления. Манометры и вакуумметры в верхним пределом измерений до 40 КПа и мановакууметры с
верхним пределом измерения до 20 КПа
3. Вакуумметры предназначены для измерения вакууметрического давления.
4. Тягонапоромеры предназначены для измерения небольшого вакуум-метрического и избыточного давления. Манометры и вакуумметры в верхним пределом измерений до 40 КПа называются
напоромерами и тягомерами, а мановакууметры с верхним прелом измерения до 20 КПа называются
тягонапоромерами.
5. Манометры абсолютного давления предназначены для измерения давления, отсчитываемого от
абсолютного нуля.
6. Барометры предназначены для измерения атмосферного давления.
7. Дифференциальные манометры (или сокращённо дифманометры) предназначены для измерения разности двух давлений (перепада давлений), ни одно их которых не является давлением окружающей среды. Дифманометры лабораторного типа с верхним пределом измерения до 40 КПа называются микроманометрами.
Дифманометры применяются для измерения расхода вещества и уровня жидкости. Эти приборы
будем рассматривать в следующем разделе. Огромное количество приборов, применяемых для измерения давления, являются манометрами избыточного давления
Приборы для измерения давлений по принципу действия делятся на следующие группы:
1. Жидкостные, в которых измеряемое давление (или разность давлений) уравновешивается давлением столба жидкости.
2. Деформационные, в которых измеряемое давление определяется по деформации чувствительных элементов или по развиваемой ими силе.
3. Грузопоршневые, в которых измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым
весом поршня и грузов, с учётом сил жидкостного трения.
4. Электрические, действие которых основано на зависимости электрических параметров манометрического преобразователя от измеряемого давления.
1.3.3. Жидкостные манометры и дифманометры
В жидкостных манометрах измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости. В приборах используется принцип сообщающихся сосудов, в которых уровни рабочей жидкости совпадают при равенстве давлений над ними, а при неравенстве занимают такое положение, когда избыточное давление в одном из сосудов уравновешивается гидростатическим
давлением избыточного столба жидкости в другом. Большинство жидкостных манометров имеют
видимый уровень рабочей жидкости, по которому производится непосредственное снятие показаний. Существует группа жидкостных дифманометров В них уровень рабочей жидкости непосредственно не наблюдается.
К жидкостным манометрам относятся однотрубные и двухтрубные U-образные манометры. В
этих манометрах в качестве уравновешивающей жидкости используются ртуть, подкрашенная дистиллированная вода или этиловый спирт. Эти приборы использовались в лабораториях и при проведении испытаний. Однако за последние 15 лет на электростанциях от использования этих приборов отказались, так как ртуть опасна, стеклянные трубки, в которых находилась рабочая жидкость,
часто разбивались. Поэтому мы их рассматривать не будем.
Для точных измерений небольших давлений газа или воздуха применяется лабораторный многопредельный жидкостный микроманометр с наклонной трубкой типа ММН-240. Показания микроманометра определяются по длине столбика рабочей жидкости в измерительной трубке.
Кроме того, на точность измерения давления жидкостными манометрами оказывают влияние правильность установки приборов, правильность отсчёта высоты столба и определения плотности уравновешивающей жидкости в зависимости от температуры окружающей среды, где расположены эти
приборы. Короче говоря, этими приборами пользоваться неудобно. Абсолютная погрешность измерения жидкостных манометров зависит от правильности отсчёта высоты столба жидкости невооружённым глазом и обычно составляет (0,5÷1.0) мм. Применение оптических визиров заметно
уменьшает эту погрешность.
- 46 Определение плотности уравновешивающей жидкости, заполняющей манометры, производится в
зависимости от температуры окружающей среды по соответствующим таблицам.
1.3.4. Деформационные манометры
Наиболее широкое применение для измерения избыточного давления жидкости, газа и пара получили деформационные манометры, которые обладают простой и надёжной конструкцией, наглядностью показаний и небольшими размерами. Существенным достоинством этих приборов также является большой диапазон измерений давления, возможность автоматической записи и дистанционной
передачи показаний.
Принцип действия деформационного манометра основан на использовании деформации упругого
чувствительного элемента, возникающий под влиянием измеряемого давления. Значение этой деформации передаётся отсчётному устройству прибора, градуированному в единицах давления.
Чувствительным элементом деформационного манометра является согнутая по кругу на угол 270 0
трубка овального или эллиптического сечения. Один конец трубки закрыт, а открытый присоединяется к неподвижному штуцеру, через который внутренняя полость трубки соединяется с измеряемым давлением.
При увеличении давления такая трубка стремится распрямиться. При меньшем давлении трубка
распрямляется меньше, при большем – больше. Перемещение конца трубки при изменении давления
служит мерой измерения давления. Перемещение конца трубки невелико и обычно равно нескольким мм. Перемещение передаётся стрелке прибора передаточным механизмом.
Перемещение свободного конца трубчатой пружины под действием давления находится в прямой
зависимости от измеряемого давления, поэтому шкала манометра получается равномерной. Однако
эта зависимость сохраняется только до известного предела, который называется пределом пропорциональности. Затем возрастание давления приводит к более быстрому росту перемещения конца
пружины. Это вызывает появление остаточной деформации пружины, и манометр искажает показания. Манометр становится непригодным.
Предел пропорциональности трубчатой пружины является одной из важнейших её характеристик
и зависит от толщины её стенок, механических свойств материала и радиуса закругления пружины.
Повышение предела пропорциональности пружины связано с уменьшением её чувствительности,
характеризуемой перемещением свободного конца трубки на единицу давления.
Конечное значение шкалы манометра, соответствующее максимальному значению давления, при
котором допускается работа трубчатой пружины. Принимается не более половины её предела пропорциональности. Обычно на стекле таких манометров наносится красная полоса, которая указывает
на предел измерения давления этим манометром. Обычно это – 2/3 шкалы.
По своему назначению трубчато-пружинные манометры разделяются на промышленные и образцовые. Во время испытания теплотрасс я пользовался только образцовыми манометрами класса точности 0,4 и 0,6.
Промышленные манометры с трубчатой пружиной могут быть показывающими и самопишущими. Показывающие манометры ещё могут иметь сигнализирующее устройство. Показывающие приборы имеют диаметр корпуса 60÷250 мм. Класс точности промышленных приборов составляет от 0,6
до 4,0. К числу промышленных показывающих трубчато-пружинных манометров относится манометр типа МТИ. Этим манометром можно измерять давление жидкостей, пара и газа.
Самопишущие манометры с трубчатой пружиной и диаграммным диском применяется одноточечным типа МТС и двухточечным типа МТ2С. Класс точность таких приборов – 1. манометры
имеют прямоугольный корпус.
Образцовые манометры типа МО применяются для поверки промышленных манометров, а также
для проведения испытаний на оборудовании. Приборы имеют трубчатую пружину и зубчатосекторный передаточный механизм В образцовых манометрах применяется пружина высокого качества и тщательно выполненный передаточный механизм.
Шкала имеет 100 условных единиц с числами через каждые пять делений. Для пересчёта условных делений в кгс/см2 образцовые манометры снабжаются переводной таблицей или графиком.
Пользование образцовыми манометрами допускается при температуре окружающего воздуха
10÷350С и относительной влажности 80%. Кроме того, в качестве чувствительных элементов используются сильфоны, плоские и гофрированные мембраны.
- 47 Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Жёсткость сильфона зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, числа
гофр и т. д. При выборе манометра на электростанциях руководствуются прежде всего требуемой
точностью показаний. Учитывая особенности манометра и условия измерения (температуру окружающей среды, влажность и т. д.). Самопишущие манометры должны устанавливаться строго вертикально. Из-за запаздывания показаний давления длина соединительных линий не должна превышать
50 метров и должна быть плотной.
1.3.5. Правила измерения трубчато-пружинными манометрами
Включение и отключение манометров надо производить медленно, чтобы не повредить передаточный механизм. Для предохранения чувствительного элемента от появления остаточной деформации нельзя допускать превышения измеряемым давлением конечного деления шкалы. Соединительная линия манометра должна быть продута перед его включением. После продувки соединительной
линии повторное включение манометра в работу должно производиться через некоторое время, достаточное для охлаждения жидкости в сифонной трубке. Для установки манометра при измеряемой
среды до 2,5 МПа применяется трёхходовой пробковый кран, свыше 2,5 МПа – трёхходовой вентиль. С помощью трёхходовых кранов и вентилей соединительные линии продуваются, то есть сбрасывается в атмосферу воздух, грязь, ржавчина.
В зависимости от требуемой точности измерения к показаниям деформационных манометров
вводятся такие поправки:
-- основная, которая определяется по паспорту манометра;
-- на расположение манометра относительно места отбора давления; если манометр расположен
ниже места отбора давления, поправка вводится с минусом, а если выше, то с плюсом;
-- на температуру прибора; увеличение температуры манометра выше паспортной искажает его
показания в сторону завышения измеряемого давления;
--на барометрическое давление; в зависимости от географической широты и высоты над уровнем
моря вводится эта поправка; в принципе она незначительна.
Для точного определения поправки на температуру манометра необходимо знать его температурный коэффициент, значение которого может колебаться в больших пределах. Приближённо поправку на увеличение температуры трубчато-пружинного манометра можно принимать 0,4% при отклонении температуры окружающего воздуха на каждые 100С.
1.3.6. Поверка манометров
Жидкостные манометры при исправном состоянии и правильной установке обеспечивают достаточно высокую точность измерения, которая не зависит от времени работы, поэтому эти приборы не
требуют поверки.
Деформационные манометры нуждаются в периодической поверке. А при возрастании основной
погрешности – в переградуировке шкалы. Как мы уже знаем, чувствительный элемент этих манометров постепенно теряет свои упругие свойства из-за появления остаточных деформаций. Одновременно на точность показаний манометров оказывает влияние износ передаточного механизма
прибора. Для поверки и градуировки деформационных манометров используются в основном грузопоршневые манометры, которые как самостоятельные приборы для измерения давления на электростанциях не используются. Грузопоршневые насосы являются только образцовыми приборами, так
как обладают высокой чувствительностью и точностью. Принцип действия этих манометров заключается в уравновешивании давления измеряемой среды на свободно перемещающийся в цилиндре
поршень силой, создаваемой калиброванным грузом. По массе этого груза определяют действующее
на поршень давление.
Основным недостатком грузопоршневых манометров является влияние на их чувствительность
трения поршня в цилиндре, что при измерении требует строго вертикальной установки манометров
и проворачивания от руки поршня вокруг оси. Класс точности этих приборов 0,02 и 0,05.
Изготавливаются грузопоршневые манометры типов МП-2,5; МП-6; МП-60; МП-600 и МП-2500 с
конечным пределом измерений соответственно 0,25; 0,6; 6; 60 и 250 МПа.
- 48 Деформационные манометры поверяются в лаборатории. Для этой цели применяются жидкостные (ртутные) манометры, грузопоршневые и образцовые трубчато-пружинные.
Поверка манометров проводится в пяти делениях шкалы поверяемого прибора через одинаковые
промежутки сначала при возрастании, а затем при понижении давления для тех же отметок. По достижении конечной отметки шкалы поверяемый манометр выдерживается под этим давлением в течение 5 минут для определения упругого последействия чувствительного элемента при последующем понижения давления. В каждой поверяемой отметке после отсчёта показаний производится повторный отсчёт после лёгкого постукивания пальцем по корпусу манометра. Скачкообразное перемещение указательной стрелки при сотрясении манометра указывает на наличие зазоров и чрезмерного трения в передаточном механизме.
1.3.7. Тягонапоромеры
Для измерения небольших давлений газа или воздуха тягомеры, напоромеры и тягонапоромеры.
Эти приборы, используемые для определения давления в топке, газоходах и воздуховодах парогенераторов, имеют одностороннюю или двухстороннюю шкалу, градуированную в кгс/м 2 или в мм вод.
ст. Так как между тягомером, напоромером и тягонапоромером нет принципиального различия, то
они называются просто тягонапоромерами.
По принципу действия тягонапоромеры делятся на жидкостные, мембранные и сильфонные.
Мембранные и сильфонные тягонапоромеры относятся к деформационным манометрам.
Жидкостные тягонапоромеры используются как для лабораторных, так и для промышленных измерений избыточного и вакуумметрического давлений, а также разности давлений газа или воздуха
Приборы заполняются этиловым спиртом или дистиллированной водой. Жидкостный дифференциальный тягонапоромер типа ТДЖ применяется для промышленных измерений. Класс точности жидкостного тягонапоромера 1,5.
Наиболее широкое применение получили показывающие мембранные тягонапоромеры типов
ТМ-П1, НМ-П1 и ТНМ-П1. Их достоинством является простота устройства, небольшие размеры,
наглядность показаний и удобство размещения на щитах управления. Сильфонные тягонапоромеры
разделяются на механические (они могут быть показывающие и самопишущие) и бесшкальные с
электрической дистанционной передачей показаний (это – первичные преобразователи) на вторичные приборы.
Сильфонные механические тягонапоромеры применяются тогда, когда расстояние между местом
измерения и вторичным прибором не превышает 50 метров. Если нужно увеличить это расстояние,
то применяются сильфонные электрические тягонапоромеры. Сильфонные электрические тягонапоромеры выпускаются в пылебрызгозащищённом исполнении.
Жидкостные тягонапоромеры закрепляются на стенах и щитах по отвесу или уровню. Они не
должны подвергаться воздействию высокой температуры и сотрясениям. Мембранные и сильфонные механические тягонапоромеры устанавливаются на щитах, не имеющих значительной вибрации,
к которой они чувствительны.
Поверка мембранных и сильфонных механических тягонапоромеров в пределах всего диапазона
измерений производится как на рабочем месте, так и в лабораториях. Для этого параллельно с поверяемым прибором, предварительно отключённым от соединительной линии, если поверка проводится на рабочем месте, подключается лабораторный прибор.
Сравнение показаний приборов производится при искусственно создаваемым избыточном или
вакуумметрическом давлении. Давление создаётся воздушным насосом.
Кроме поверки тягонапоромеров в диапазоне всей шкалы на рабочем месте производится поверка
нулевой шкалы путём отключения тягонапоромера от отборной трубки и сообщения его с атмосферой. Показания должны быть на нуле. Поверка нулей проводится также сравнением работающего
тягонапоромера с показаниями параллельно подключаемого лабораторного прибора.
1.3.8. Манометры с дистанционной передачей показаний.
Тензометрические преобразователи
В прошлом семестре мы говорили, что наибольшее расстояние между манометром и первичным
прибором (датчиком) ограничивается допускаемой длиной соеди-нительной трубки, равной 50 метров. Часто это бывает недостаточным. Тогда применяется бесшкальный деформационный манометр
- 49 с электрической дистанционной передачей показаний; он называется первичным преобразователем,
который работает в комплекте с показывающим или самопишущим вторичным прибором, образующим с ним измерительную схему.
В деформационном электрическом манометре упругая деформация чувствительного элемента,
состоящего из трубчатой пружины или мембраны, преобразуется в непрерывный электрический выходной сигнал. Этот сигнал передаётся по проводам установленному в удобном для наблюдений месте вторичному прибору, который градуирован в единицах давления. Для дистанционной передачи
показаний при измерении давления жидкости, газа и пара в теплоэнергетике применяются бесшкальные деформационные электрические манометры с дифференциально-трансформаторным, магнитомодуляционным и тензометрическим преобразователями, работающие в комплекте с соответствующими вторичными приборами.
Дифференциально-трансформаторные преобразователи (ДТП) предназначены для преобразования линейного перемещения сердечника, связанного с чувствительным элементом, в выходной электрический сигнал. Выходным сигналом у прибора деформационного типа в большинстве случаев
является взаимоиндуктивность между первичной и вторичной цепями дифтрансформатора, изменяющаяся пропорционально измеряемому давлению. Для передачи показаний от таких приборов необходимо преобразовать линейное перемещение в электрический сигнал, а у вторичного прибора сделать обратное преобразование электрического сигнала в линейное перемещение.
Такую задачу решает дифференциально-трансформаторная система передачи показаний на расстояние. К таким приборам относится взаимозаменяемый трубчато-пружинный электрический манометр типа МЭД с унифицированным выходным сигналом.
Прибор питается переменным током, обладает достаточным быстродействием. Дифтрансформатор находится внутри корпуса манометра. Под действием выходного сигнала (изменение давления)
трубчатая пружина изменяет свою кривизну и перемещает сердечник в катушке дифтрансформатора,
что приводит к изменению взаимной индуктивности между её цепями. Сердечник соединён со
стрелкой прибора, которая и показывает величину измеряемого давления.
Прибор может иметь сигнализирующее устройство. При превышении давления подаётся звуковой
сигнал. Допускается длина соединительной линии между манометром и вторичным прибором 250
метров. При увеличении длины линии до 1500 метров появляется дополнительная погрешность прибора, равная 1%. Манометр типа МЭД работает в комплекте с такими вторичными автоматическими
дифференциально-трансформаторными приборами, как миниатюрные показывающие КПД1, ВМД и
показывающие самопишущие КСД1, КСД2, КСД3 и т. д. Класс точности таких приборов 1.
Дифференциально-трансформаторные преобразователи просты по устройству и надёжны в работе, имеют малую погрешность. Однако есть и недостатки: к первичному прибору можно подключать
только один вторичный прибор, система дистанционной передачи, как и все системы передач на переменном токе, подвержена влиянию внешних магнитных полей и соседних линий связи, например,
при совместной прокладке их в одном кабельном канале. Результатом такого влияния может быть
значительная дополнительная погрешность. Этих недостатков лишены преобразователи с магнитной
компенсацией с передачей сигналов на постоянном токе.
Приборы давления, снабжённые преобразователями с магнитной компенсацией, предназначены
для измерения избыточного, абсолютного и вакуумметрического давлений газа или жидкости, а
также для измерения перепада давления среды.
Эти приборы представляют собой магнитомодуляционные измерительные преобразователи с
компенсацией магнитных потоков, содержащие упругий трубчато-пружинный, мембранный или
сильфонный чувствительный элемент.
К числу магнитомодуляционных преобразователей давления относятся электрические манометры: мембранный типа ММЭ и трубчато-пружинный типа МПЭ. Класс точности этих приборов 1.
Принцип действия манометров такого типа заключается в следующем. Измеряемое давление воздействует на упругую мембрану, которая деформируясь, приводит к перемещению по вертикали сидящего на ней небольшого постоянного магнита, называемого плунжером. При своём движении
плунжер оказывает влияние на магнитомодуляционный преобразователь (ММП), выходной сигнал
которого после усиления в усилительном устройстве поступает в виде сигнала постоянного тока на
вторичный прибор.
- 50 Для обеспечения пропоциональности между выходным сигналом и перемещением плунжера служит обратная связь. То есть управляющий магнитный поток в магнито-модуляционном преобразователе компенсируется магнитным потоком обратной связи, создаваемым в этом же преобразователе
током обратной связи.
Преобразователи с магнитной компенсацией обладают рядом достоинств: возможностью подключения нескольких вторичных приборов к одному преобразователю, достаточно высокой виброустойчивостью и надёжностью, обладают высокой чувствительностью и быстродействием, пригодны для работы при наличии в нём пыли и водяных брызг.
Но и имеют некоторые недостатки: довольно высокая температурная погрешность, большое влияние на погрешность первичного преобразователя погрешностей чувствительного элемента (например, мембранной коробки) и индикатора магнитных потоков, так как они не охвачены обратной связью.
В качестве вторичных приборов используются миллиамперметры, выполненными на базе автоматических показывающих или показывающих и одновременно самопишущих потенциометров. Кроме
того, эти приборы могут быть использованы для работы с автоматическими регуляторами.
Отдельным видом бесшкальных первичных преобразователей давления являются тензометрические преобразователи, которые обладают простотой устройства, высокой точностью, надёжностью и
быстродействием, малыми габаритами весом, большой виброустойчивостью. Принцип действия тензометрического измерения давления заключается в непосредственном преобразовании деформации
чувствительного элемента (проволоки, ленты из тензочувствительного материала в изменении электрического сопротивления закреплённого на нём тензорезистора.
Тензорезистором называется проволочный или полуп родниковый резистор, сопротивление которого изменяется в зависимо3
сти от механической его деформации (рис. 3.1.3).
Основными требованиями к тензочувствительным материалам
являются стабильность характеристик, малый температурный ков
1
2 Рис. 3.1.3.
эффициент электрического сопротивления, высокая чувствитель1 – бумажная или пластмассовая
подложка;
ность
2 – проволока диаметром 0,01÷0,05 мм;
3 – выводные проводники диаметром 0,5 мм.
ность. Обычно в качестве материалов используются константан, сплавы меди и никеля, никеля и
хрома и т. д.
Наряду с металлическими тензопреобразователями находят применение и полупроводниковые,
которые обладают высокой тензочувствительностью по сравнению с металлическими, малыми размерами и массой. По устройству металлические тензопреобразователи подразделяются на наклеиваемые и запрессованные. Наибольшее распространение получили наклеиваемые тензорезисторы, которые выполняются из зигзагообразно уложенной и приклеенной клеем на подложку 1 (из бумаги
или пластмассы). К концу проволоки приварены выводные проводники 3.
Тензопреобразователь наклеивается на деформирующий элемент, при деформации которого изменяются размеры и электрическое сопротивление проволоки, причём это изменение зависит от степени деформации. Изменение сопротивления обычно измеряется с помощью мостовой схемы. Для
уменьшения влияния температуры окружающей среды применяются специальные схемы термокомпенсации.
На практике применяются такие манометры с тензометрическим преобразователем, как мембранный полупроводниковый манометр типа «Кристалл»
1.3.9. Установка и поверка манометров с дистанционной передачей показаний
Манометры этого типа рекомендуется устанавливать недалеко от места забора давления, причём
манометры типов МЭД, МПЭ и «Кристалл» должны закрепляться вертикально, а манометр типа
ММЭ – горизонтально на плоском основании. Все приборы должны располагаться в удобных местах
для монтажа и эксплуатации. Они не должны подвергаться вибрации, высокой температуры, пыли,
водяных брызг и агрессивных газов. Кроме того, манометры должны быть удалены от мощных источников переменных магнитных полей, например, электродвигателей, трансформаторов, сварочных
агрегатов и т. д. Для манометров типа МЭД и «Кристалл» температура окружающего воздуха долж-
- 51 на быть от +5 до +500С и относительная влажность 30÷80%. Для манометров типов МПЭ и ММЭ -5÷600С и 30÷95%.
Соединительная линия от места забора давления до манометра прокладывается длиной не более
50 м из соображений ограничения запаздывания показаний. Соединительная линия должна быть
плотной и прокладываться по кратчайшему расстоянию с уклоном к манометру, который устанавливается выше места забора давления при измерении давления газа и ниже места забора при измерении
давления жидкости и пара. Изгибы линии должны быть плавными.
Для соединения манометра со вторичным прибором применяются кабели с сечением жилы
0,75÷1,5 мм2 и длиной до 250 метров.
От правильности показаний манометров зависит не только экономичность работы технологических объектов, но и во многих случаях и безопасность, поэтому манометры подвергаются периодическим поверкам. Для большинства приборов межповерочный период составляет один год. Если
приборы работают в условиях повышенной вибрации и температуры, то этот период может быть сокращён. Поверка приборов осуществляется представителями метрологических служб.
Поверка деформационных электрических манометров включает в себя следующие операции:
внешний осмотр прибора, установку электрического нуля, проверку герметичности узла чувствительного элемента, определение основной погрешности.
В качестве образцовых приборов для измерения давления применяются грузопоршневые манометры типа МП и образцовые трубчато-пружинные манометры типа МО. Поверке подлежит не менее пяти значений поверяемого давления, соответствующих 0, 25, 50, 75 и 100% диапазона показаний манометра. Сначала прибор поверяется при плавно возрастающем давлении, а потом, после выдержки на конечном значении не менее 5 минут, в тех же точках при плавно убывающем давлении.
1.3.10. Методика измерения давлений
Методы и средства измерений избыточного, абсолютного и вакуумметрического давлений широко применяются при автоматизации технологических процессов, при проведении испытаний и научных исследований. Точность измерения давлений зависит от выбранного метода измерения, от метрологических характеристик средств измерения, от условия измерения и ряда других причин. Поэтому выбор метода и средств измерения давлений необходимо производить в зависимости от поставленной задачи, требуемой точности и условий измерения. При выборе средств измерений необходимо иметь в виду не ту точность, которая свойственна им при работе в нормальных условиях, а
ту точность, которые приборы могут обеспечить в данных эксплуатационных условиях.
Одновременно с выбором средств измерений в зависимости от их метрологических характеристик должен стоять вопрос о минимальном и максимальном значениях измеряемого давления и, следовательно, о выборе шкалы прибора. При выборе первичного прибора не надо брать приборы, которые требуют применения дополнительного преобразователя для согласования рода энергии выходного сигнала первичного и входного сигнала вторичных измерительных устройств. Применение
дополнительного преобразователя в измерительной системе увеличивает погрешность измерения.
При выборе шкалы средств измерения давления необходимо иметь в виду, что допускаемые погрешности приборов давления и вторичных приборов выражены в виде приведённых погрешностей
в процентах от диапазона измерения. Поэтому погрешность измерения давления для первой половины шкалы прибора будет больше, чем для второй половины его шкалы. Внешние условия, при которых должны работать средства измерения, могут сильно влиять на точность измерения. Поэтому при
выборе места их установки необходимо учитывать и этот фактор. Место установки приборов давления должно обеспечивать удобство обслуживания и наблюдения за их работой. Длина соединительных линий от места забора давления или разрежения до прибора должна быть минимальной.
Наибольшая длина соединительной линии не должна превышать 50 метров.
Для предохранения приборов от непосредственного воздействия горячей среды, давление которой измеряется, необходимо устанавливать специальные дополнительные устройства.
Для измерения разрежения, например, в газоходах парогенератора применяют мембранные тягомеры прямого действия и тягомеры, снабжённые передающими преобразователями. Для измерения
давления в топках парогенераторов в зависимости от их мощности применяют мембранные тягона-
- 52 поромеры прямого действия или тягонапоромеры, снабжённые передающими преобразователями
для передачи сигнала измерительной информации на щит управления.
При измерении давления в топках парогенераторов необходимо учитывать наличие пульсаций
этого параметра. При применении для измерения давления или разрежения в топке мембранного тягонапоромера упругий чувствительный элемент (мембранный блок), а следовательно, и подвижная
система с указателем будут работать в колебательном режиме. Это объясняется сравнительно малым
изменением объёма внутренней полости блока в процессе измерения. Поэтому для обеспечения
нормального режима работы мембранного тягонапоромера необходимо в соединительную линию
перед прибором устанавливать дроссель для сглаживания пульсаций давления или разрежения.
Для измерения давления на ответственных участках технологического объекта, например, давление перегретого водяного пара за парогенератором, давление питательной воды, применяются манометры, снабжённые передающими преобразователями. Для контроля за изменением давления среды на вспомогательных участках технологического объекта, например, давление сетевой воды, применяются манометры прямого действия, которые устанавливаются по месту или на местном щите
управления.
Для выбираемого манометра рабочий предел измерения избыточного давления должен быть не
менее трёх четвёртых (3/4) наибольшего значения диапазона измерений при постоянном давлении и
не менее двух третей (2/3) наибольшего значения диапазона измерений при переменном давлении.
Для измерения давления жидкости в трубопроводе манометр подсоединяют через трёхходовой
кран, который позволяет включить и отключить манометр, поверить нулевую точку, продуть соединительную линию, проверить прибор в рабочей точке. Если жидкая среда имеет температуру более
700С, то кроме трёхходового крана, то манометр подсоединяют ещё через кольцеобразную трубку. А
если измеряется давление пара, то ещё дополнительно к трёхходовому крану и кольцеобразной
трубки, перед трубкой дополнительно поставить запорный вентиль.
Контрольные вопросы к Теме 1.3.
№
п/п
Вопрос.
1.
Изменятся ли показания U-образного манометра при повышении
температуры заполняющей жидкости? При этом измеряемый перепад
давления не изменяется.
2.
3.
Ответ.
Консультации
А. Не изменятся.
В. Увеличатся.
С. Уменьшатся.
D. Сначала уменьшатся, а затем уве- Стр. 159
личатся.
Е. Сначала увеличатся, а затем
уменьшатся.
А. 0,1 мм вод ст.
Какой высоте водяного столба В. 1 мм вод ст
наиболее близко соответствует ос- С. 10 мм вод ст.
Стр. 159
новная единица паскаль?
D. 100 мм вод ст.
Е. 0,01 мм вод ст.
А. Можно.
Можно ли использовать манометры В. Нельзя.
общего назначения для измерения С. Можно использовать с диапазоном Стр. 159
давления кислорода?
измерения манометра, не превышающем 10 КПа.
D. Можно использовать с диапазоном
измерения манометра, не превышающем 100 КПа.
Е. Можно использовать с диапазоном
измерения манометра менее 10 КПа.
А. 40 МПа
- 53 4.
5.
6.
7.
Какой манометр нужно выбрать для В. 60 МПа
измерения постоянного давления С. 100 МПа
около 35 МПа?
D. 250 МПа
Е. 300 МПа.
А. 16 МПа
Каким манометром нужно восполь- В. 25 МПа.
зоваться для измерения давления , С. 40 МПа.
колеблющегося около 14 МПа?
D. 60 МПА.
Е. 80 МПа.
А. Внешний осмотр прибора.
Какая операция не входит в состав В. Установка электрического нуля.
поверки деформационных электри- С. Разборка и смазка прибора.
ческих манометров?
D. Определение основной погрешности.
Е. Проверка герметичности узла чувствительного элемента.
Какова должна быть наибольшая А. Не более 50 метров.
длина соединительной линии у ма- В. Не менее 50 метров.
нометров деформационного элек- С. Только 50 метров.
трического типа?
D. Не менее 100 метров
Е. Не менее 75 метров.
Стр. 159
Стр. 159
Стр. 150
Стр. 160
- 54 Тема 1.4. Измерение расхода, количества, уровня жидкостей и сыпучих тел
1.4.1. Единицы и методы измерения расхода и количества вещества
Расходом вещества называется количество вещества (массы или объёма), проходящее через определённое сечение в единицу времени. Объёмными единицами количества обычно служат литр и кубический метр, а массовыми – килограмм и тонна. Объёмное количество газа иногда для сравнения
представляют приведённым к нормальному состоянию, то есть к абсолютному давлению101325 Па,
температуре 200С и относительной влажности 0%. Предполагается, что измеряемая среда протекает
по полностью заполненным трубопроводам или каналам.
Переход от объёмных единиц расхода к массовым и обратно производится по такой формуле:
Qм=Qоб·ρ,
где: Qм – массовый расход вещества, кг/ч;
Qоб – объёмный расход вещества, м3/ч;
ρ – плотность вещества, кг/м3.
Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. В зависимости от рода измеряемого
вещества они делятся на расходомеры воды, пара, газа и т. д. Расходомеры бывают показывающими
и самопишущими.
Приборы, измеряющие количество вещества, называются счётчиками и весами. С их помощью
определяется количество вещества, прошедшего по тракту за известный промежуток времени. Для
этого отсчитываются показания прибора в начале и конце периода измерения и вычисляется разность этих показаний.
Для определения расхода и количества вещества применяются такие методы измерений: переменного перепада давления, скоростной, объёмный и весовой. Метод переменного перепада давления, имеющий большое практическое значение, основан на изменении статического давления среды,
проходящей через искусственное сужение. Скоростной метод основан на определении средней скорости движения потока. Объёмный и весовой метод основан на определении объёма и массы вещества.
Достоинством методов переменного перепада давления и скоростной является сравнительная
простота и компактность измерительных приборов, а достоинством скоростного и весового методов
– более высокая точность измерений.
В соответствии с применяемыми методами измерений расхода и количества вещества измерительные приборы разделяются на следующие группы:
-- расходомеры с сужающим устройством;
-- скоростные расходомеры и счётчики;
-- объёмные счётчики;
-- ротаметры;
-- электромагнитные расходомеры;
-- автоматические весы.
Все разновидности расходомеров и счётчиков количества имеют ограничения: по температурам,
давлениям сред, диаметру трубопроводов и другим условиям.
1.4.2. Расходомеры с сужающим устройством
Одним из наиболее распространённых является способ измерения расхода жидкостей, газов и пара в трубопроводах по перепаду давления в сужающем устройстве, которое выполняет функции первичного преобразователя. Сужающее устройство устанавливается в трубопроводе и создаёт в нём
сужение, вследствие чего при протекании вещества повышается скорость в суженном сечении по
сравнению со скоростью потока до сужения.
Увеличение скорости, а следовательно, и кинетической энергии вызывает уменьшение потенциальной энергии потока в суженном сечении. Соответственно статическое давление в суженном сечении будет меньше, чем в сечении до сужающего устройства. Таким образом, при протекании вещества через сужающее устройство создаётся перепад давления Δр=р1-р2. зависящий от скорости потока и, следовательно, расхода жидкости.
- 55 Вторичным прибором является дифференциальный манометр, который предназначен для измерения разности статических давлений протекающей среды до и после сужающего устройства. Первичный прибор (сужающее устройство) и вторичный прибор (дифманометр) связаны между собой соединительными линиями, представляющие собой две трубки. Отсюда следует, что перепад давления,
создаваемый сужающим устройством, может служить мерой расхода вещества, протекающего в трубопроводе, а численное значение расхода вещества может
быть определено по перепаду давления Δр, измеренному дифманометром.
р1
р2
В качестве сужающих устройств для измерения расхода
жидкостей,
газов
и
пара
широко
применяются
стандартные диафрагмы, сопла и сопла Вентури. В особых
Рис. 1.4.1.
случаях измерения расхода находят также применение не
нормализованные типы сужающих устройств.
Диафрагма представляет собой тонкийДиафрагма
диск с отверстием
круглого
сечения,
центр
лежит
представляет
собой
тонкий
дисккоторого
с отверстием
на оси трубопровода. Сужение потокакруглого
начинается
до
диафрагмы,
и
на
некотором
расстоянии
за
диасечения, центр которого лежит на оси трубопровода.
фрагмой поток достигает минимального
Сужение потока начинается до диафрагмы, и на некотором
Диафрагма представляет собой тонкий
диск с отверстием
круглого
центр
которого лежит
расстоянии
за диафрагмой
потоксечения,
достигает
минимального
сена оси трубопровода. Сужение потокачения.
начинается до диафрагмы, и на некотором расстоянии за диафрагмой поток достигает минимального
расстоянии за диафрагмой поток достигает минимального сечения. Далее поток постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. При протекании вещества через диафрагму за ней в углах
образуется мёртвая зона, в которой из-за разности давления возникает обратное движение жидкости
или так называемый вторичный поток. Вследствие вязкости жидкости струйки основного и вторичного потоков, двигаясь в противоположных направлениях, свёртываются в виде вихрей. На вихреобразование за диафрагмой затрачивается значительная часть энергии, а следовательно, имеет место и
значительная потеря давления. Изменение направления струек перед диафрагмой и сжатие струи
после диафрагмы имеют незначительное влияние.
При определении расхода вещества и расчёте сужающего устройства характерной величиной является относительная площадь отверстия сужающего устройства m, выражающая отношение площадей проходных сечений сужающего устройства и трубопровода. Для круглых отверстий m равно:
d2
m  2 , где:
D
D – внутренний диаметр трубопровода при температуре t1 измеряемой среды перед сужающим
устройством, мм.
Измерение диаметра сужающего устройства и внутреннего диаметра трубопровода производится
обычно при температуре окружающего воздуха 200С.
Сопло выполняется в виде насадки с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавно
сужающуюся часть на входе и развитую цилиндрическую часть на выходе.
Профиль сопла обеспечивает достаточно полное сжатие струи, а вихреобразование за соплом вызывает меньшую потерю энергии, чем у диафрагмы. Принцип измерения расхода вещества по перепаду давления, создаваемому сужающим устройством, и основные уравнения одинаковы для всех
типов сужающих устройств, различны лишь некоторые коэффициенты в этих уравнениях, определяемые опытным путём.
1.4.3. Выбор и установка сужающих устройств
Всесторонние исследования сужающих устройств дали возможность нормализовать диафрагмы,
сопла и сопла Вентури, что позволило изготавливать и применять их в комплекте с дифференциальными манометрами для измерения расхода и количества жидкостей, газов и паров в горизонтальных,
наклонных и вертикальных круглых трубопроводах по результатам расчёта без индивидуальной градуировки. Поэтому перечисленные сужающие устройства называются стандартными.
Не допускается наличие на внутренней поверхности трубопровода перед сужающим устройством
больших неровностей, например, сварных швов, уступов, выступающих внутрь уплотнительных
прокладок и т. д. До и после сужающего устройства необходимо иметь прямые ламинарные участки
- 56 трубопровода постоянного диаметра, так как различные местные сопротивления (колена, вентили,
задвижки) приводят к искажению показаний прибора.
При изготовлении и установке стандартных сужающих устройств в трубопроводах должны соблюдаться определённые требования. При выборе сужающего устройства учитываются допустимое
значение безвозвратной потери давления, требуемую точность измерения, условия изготовления и
установки сужающего устройства в трубопроводе.
Необходимо, чтобы измеряемое вещество заполняло всё поперечное сечение трубопровода перед
сужающим устройством и за ним. Расход пара измеряется только перегретый. Поток в трубопроводе
может быть практически принят установившимся. Фазовое состояние вещества не изменяется при
прохождении через сужающее устройство, например, растворённые в жидкости газы не выделяются,
водяной пар остаётся перегретым, жидкость не испаряется. Конденсат и пыль, выделяющиеся при
измерении расхода газа или пара, а также осадки, выделяющиеся при измерении расхода жидкости,
не скапливаются в трубопроводе вблизи сужающего устройства.
При измерении расхода вещества, вызывающего отложения на сужающем устройстве, обеспечена
возможность периодической очистки, продувки или промывки сужающего устройства.
Перепад давления Δр измеряются у стандартных диафрагм с помощью кольцевых камер. Диафрагмы с кольцевыми камерами, расположенными в отдельных корпусах, называются камерными.
Если кольцевые камеры вытачивают в теле фланца или трубы, присоединяемых к диафрагме, или
располагают вне трубопровода, то такие диафрагмы называются бескамерными.
Камерные диафрагмы изготавливаются на условное давление измеряемой среды до 10 МПа и
устанавливают на трубопроводах с условным диаметром прохода Dу от 50 до 500 мм
Диафрагмы с кольцевыми камерами более удобны в эксплуатации, особенно в тех случаях, когда
поток не вполне симметричен благодаря наличию изгибов трубопровода или других местных сопротивлений. Кроме того, кольцевые камеры, способствующие выравниванию давления, позволяют более точно измерять перепад давления при меньших длинах прямых участков. Диафрагмы этого типа
широко применяются на тепловых электростанциях высокого давления, например, для измерения
расхода питательной воды парогенераторов.
Стандартное сопло может применяться без градуировки на трубопроводах диаметром от 50 мм.
Сопла, как и измерительные диафрагмы, широко применяются на тепловых электростанциях для измерения расхода перегретого пара высокого давления. Сопло менее чувствительно к загрязнению и
коррозии. При измерении расхода пара и газа сопло обеспечивает более высокую точность измерения по сравнению с диафрагмой.
Сопло Вентури -- это стандартное сопло, но с дополнительной деталью: на конце сопла устанавливается расширяющаяся часть, которая называется диффузором. Диффузор может быть длинным
или коротким. У длинного сопла Вентури диффузор на выходе имеет диаметр, равный диаметру
трубопровода, а короткое сопло Вентури имеет диаметр на выходе у диффузора меньше диаметра
трубопровода.
Итак, неудовлетворительное и неточное измерение расхода за счёт сужающих устройств может
произойти по таким причинам:
-- из-за неправильного изготовления сужающего устройства и несоответствия их размерам трубопровода;
-- из-за близости местных сопротивлений;
-- из-за неправильной установки сужающего устройства в трубопроводе и дефектов трубопровода;
-- из-за дефектов, возникающих в процессе эксплуатации;
-- из-за неправильного расчёта диаметра сужающего устройства, нерассчитанного на данный расход вещества и т. д.
1.4.4. Дифманометры
Дифманометры предназначены для определения перепада давления между двумя точками измерений в жидкой, газовой или паровой среде. Особенно широкое распространение они получили для
измерения перепада давления в расходомерах с сужающими устройствами. По принципу действия
дифманометры практически не отличаются от манометров, тягонапоромеров, вакуумметров. В зависимости от конструкции и назначения дифманометры делятся на лабораторные и промышленные.
- 57 Лабораторные дифманометры являются жидкостными с видимым уровнем. Применяются для
точных измерений перепада давления при исследовательских и наладочных работ, а также при поверке промышленных дифманометров-расходомеров. Жидкостные дифманометры относятся к двухтрубным приборам.
Наибольшее распространение в настоящее время получили деформационные дифманометры, где
уравновешивание измеряемого перепада давления осуществляется за счёт деформации упругих элементов прибора. Деформационные дифманометры подразделяются на мембранные, сильфонные, механические, бесшкальные с электрической дистанционной передачей показаний.
Механические дифманометры-расходомеры могут применяться в тех случаях, когда расстояние
между сужающим устройством и прибором не превышает 50 метров. При более значительных расстояниях используются электрические дифманометры-расходомеры. Класс точности таких приборов
1 и 1,5. Рекомендуемый диапазон измерений дифманометрами-расходомерами исходя из их точности показаний составляет от 30 до 100% конечного значения шкалы. Выпускаются сильфонные механические дифманометры-расходомеры таких типов: показывающие типа ДСП и самопишущие типа ДСС.
Бесшкальные электрические дифманометры-расходомеры, работающие в комплекте со вторичными приборами, служат для дистанционной передачи показаний на щиты управления агрегатами.
Выпускаются мембранные дифманометры типа ДМ с дифференциально-трансформаторным преобразователем, а сильфонные типов ДМЭР и ДСЭР с магнитомодуляционным преобразователем.
Принцип действия таких приборов такой же, как соответствующих деформационных электрических
манометров типов МЭД и ММЭ.
Механические и электрические дифманометры и работающие с ними в комплекте вторичные
приборы должны устанавливаться в местах, не подверженных вибрации и тряске, воздействию высокой и низкой температуры и влажности окружающей среды. Во избежание запаздывания показаний длина соединительных линий не должна превышать 50 метров, а внутренний диаметр трубок не
менее 10 мм. Образование в соединительных трубках воздушных пробок при измерении расхода
жидкостей или пара ведёт к искажению результатов измерений. Поэтому необходимо периодически
продувать соединительные линии. При измерении расхода жидкостей желательно дифманометр
устанавливать ниже сужающего устройства, чтобы затруднить попадание из трубопровода, где установлено сужающее устройство, воздуха в соединительные линии. Если же расположить дифманометр выше сужающего устройства, то в верхних точках линий должны быть установлены воздухосборники с продувочными вентилями.
При измерении расхода газа или воздуха дифманометр лучше всего устанавливать выше сужающего устройства. В случае расположения дифманометра ниже сужающего устройства в верхних точках соединительных линий должны помещаться отстойные сосуды для воды, образующейся при
конденсации содержащегося в газе пара.
Поверка промышленных дифманометров-расходомеров выполняется в лабораторных условиях.
До начала поверки дифманометр подвергается осмотру, чистке или ремонту. Одновременно проводится ревизия работающего с ним сужающего устройства. Поверку дифманометра начинают с определения положения нулевой точки, а затем производится сравнение показаний поверяемого прибора
с образцовым манометром не менее чем в шести отметках шкалы или диаграммы, соответствующих
30, 40, 50, 60,80 и 100% диапазона показаний по прямому ходу (в сторону увеличения), а затем по
обратному ходу (в сторону уменьшения) перепада давления.
1.4.5. Скоростные расходомеры и счётчики
Рассмотренные нами расходомеры переменного перепада давления с сужающими устройствами
нашли наибольшее распространение в промышленности, в том числе и в энергетике. Однако из-за
существующих ограничений на их применение, которые мы уже изучили, сужающие устройства могут быть использованы не всегда. В этих случаях используются другие типы расходомеров, принцип
действия которых заключается в измерении средней скорости потока, связанной с объёмным расходом вещества:
Qоб=νсрF, где:
νср – средняя скорость потока, м/с;
F – поперечное сечение потока, м2.
- 58 По устройству и назначению скоростные расходомеры и счётчики подразделяются на скоростные
расходомеры и счётчики жидкости, напорные трубки и анемометры. Скоростные счётчики жидкости в основном используются для измерения количества воды, поэтому и называются счётчиками
воды. Чувствительным элементом счётчиков является вертушка с лопастями, приводимая во вращение движущимся потоком жидкости. Ось вертушки с помощью передаточного механизма (редуктора), уменьшающего частоту вращения, связана со счётным устройством прибора.
Средняя скорость потока νср пропорциональна частоте вращения n (об/с) вертушки:
n
 ср  , где:
С
С – постоянный коэффициент.
nF
Подставляя значение νср в первое уравнение, получим: Qоб 
.
С
Отсюда следует, что частота вращения вертушки пропорциональна расходу жидкости, благодаря
чему устройство прибора значительно упрощается. Однако при очень маленьких расходах жидкости
наблюдается отклонение от этой зависимости вследствие перетока жидкости через зазоры между
вертушкой и корпусом прибора и трения механизма в опорах. Для уменьшения сил трения вертушку
и её ось выполняют по возможности лёгкими, применяя пустотелые конструкции и лёгкие материалы. Скоростные счётчики изготавливаются для измерения количества холодной воды до температуры 300С и горячей воды до 900С при рабочем давлении до 1 МПа. По форме вертушки скоростные
счётчики могут быть крыльчатыми и турбинными. Крыльчатая вертушка имеет прямые лопасти, а
турбинная – изогнутые по винтовой линии. Ось вертушки у крыльчатых счётчиков расположена
перпендикулярна направлению потока, а у турбинных – параллельно ему.
Крыльчатые счётчики предназначены для установки в горизонтальных трубопроводах и применяются при измерении расходов воды не превышающих 9,5 м3/ч. Турбинные счётчики могут устанавливаться в любом положении и служат для измерения боды до 150 м3/ч. Область применения
скоростных счётчиков на тепловых электростанциях ограничивается измерениями расхода технической воды. Наиболее широкое применение такие приборы получили в водопроводных коммунальных и тепловых сетях для учёта отпускаемого потребителям количества холодной и горячей воды.
Установка скоростных счётчиков в трубопроводах производится с обводной линией или без неё в
зависимости от условий эксплуатации. Повреждение этих приборов не вызывает прекращения подачи воды, только возрастание гидравлического сопротивления, примерно в 3 раза. Поверка и регулировка скоростных счётчиков выполняются на специальных испытательных установках. Погрешность
приборов определяется путём сравнения их с объёмом воды, поступившей через счётчик в мерный
бак установки. При расхождении показаний выше допускаемой величины проводится регулировка
прибора изменением положения лопастей.
Напорные трубки применяются для измерения скорости и давления в потоках при экспериментальных исследованиях в лабораторных и в производственных условиях, при испытаниях оборудования. Измерение скорости в потоке жидкости или газа напорными трубками сводится к измерению
динамического давления (скоростного напора), которое равно разности полного и статического давлений и связано с со скоростью соотношением, получаемым из уравнения Бернулли:
р п  рс 
 2
,
2
Для измерения расхода применяются трубка Пито и трубка Прандтля. Динамический напор поИзмерит.
цилиндр
Рис. 9.
Рис. 1.4.2.
тока измеряется центральным отверстием в трубке, а статический – отверстиями по краям головки трубки. К
трубке подключается вторичный прибор, например, дифманометр или микромано метр, в которых мерой значения рп-рс является раз ность уровней рабочей жидкости.
Зная плотность , и значения давлений, находят скорость
потока и, соответственно, расход жидкости.
- 59 Подключение к трубке вторичного прибора позволяет непосредственно измерить динамическое
давление в том месте, где находится её измерительный цилиндр. Наружный диаметр напорной трубки выбирается из условия её механической прочности. Обычно этот диаметр не превышает 0,1 внутреннего диаметра трубопровода.
Измеряемое трубками Пито и Прандтля динамическое давление обычно небольшое. Поэтому при
маленьких скоростях потока в качестве вторичных приборов применяются микроманометры и тягонапоромеры, а при высоких скоростях – жидкостные дифманометры.
Установка цилиндра трубок не должно отклоняться на 150 по отношению к оси трубопровода
иначе произойдёт искажение показаний замеров. Кроме того, трубки должны измерять расход чистых жидкостей. Поэтому трубки являются только приборами лабораторного типа.
Для определения скорости потока газа или воздуха, когда из-за небольшого динамического давления измерение напорными трубками не обеспечивает необходимой точности, применяются более
чувствительные приборы – анемометры. Анемометры применяются для определения производительности вентиляционных устройств и при метеорологических измерениях.
1.4.6. Объёмные счётчики
Принцип действия объёмных счётчиков основан на отмеривании определённого объёма проходящего через прибор вещества и суммирования результатов этих измерений. К таким приборам относятся: мерные баки, счётчики жидкости с овальными шестернями и ротационные счётчики газа.
Мерный бак является самым простым и точным измерительным устройством для определения
количества жидкости при поверке расходомеров и счётчиков, а также при испытаниях соответствующих установок. Мерный бак – это два спаренных бака: прямоугольный и расходный цилиндрический баки. Внутри них имеются успокоители в виде патрубков с большим числом отверстий в стенках.
Оба бака снабжены водомерными стёклами, рядом с которыми установлены циферблаты с миллиметровыми шкалами. Измеряемая жидкость направляется поочередно в каждый из мерных баков.
Слив жидкости осуществляется снизу через патрубки с запорными клапанами. Каждый бак проградуирован, то есть определяется зависимость между высотой уровня жидкости в указательном стекле
и внутренним объёмом бака. Ёмкость мерного бака выбирается равной 10÷12% максимального часового расхода измеряемой им жидкости.
Счётчики с овальными шестернями применяются для измерения количества жидкости практически во всех диапазонах вязкости. Жидкость выдавливается шестернями, при вращении которых под
влиянием разности давлений измеряемой жидкости до и после счётчика.
Овальные шестерни, находящиеся между собой в непрерывном зацеплении, при вращении обкатывают друг друга. Размер зазоров между шестернями и стенками измерительной камеры не превышает 0,04÷0,06 мм, поэтому погрешность измерения из-за перетекание через зазоры жидкости небольшая.
Количество жидкости, прошедшей через счётчик, учитывается по числу оборотов одной из его
шестерен, связанной со счётным стрелочно-роликовым указателем. Класс точности приборов
0,5.Поверка счётчиков жидкости с овальными шестернями проводится с помощью мерных баков на
специальных испытательных установках.
Для измерения количества горючих газов используются ротационные счётчики типа РГ, принцип
действия которых тот же, что и счётчиков жидкости с овальными шестернями. Только вместо шестерен используются лопасти в форме восьмёрки, приводимые в движение разностью давлений газа,
проходящего через счётчик.
Прибор имеет счётное устройство с роликовым указателем, связанное с одной из лопастей при
помощи магнитной муфты. Для контроля за работой счётчика в него встроен водяной дифманометр,
измеряющий перепад давления газа в приборе. Зазоры между лопастями и корпусом счётчика составляют 0,04÷0,1 мм.
Установка ротационных счётчиков производится на вертикальных участках трубопроводов с нисходящим потоком газов. Приборы рассчитаны на давление газа 0,1 МПа и температуру от 0 до 500С.
Счётчики допускают работу при наибольшем расходе газа не более 6 часов в сутки. Гидравлическое
сопротивление ротационных счётчиков при номинальном расходе газа соста-вляет 300 Па.
- 60 1.4.7. Расходомеры постоянного перепада давления.
Расходомеры постоянного перепада давления относятся к средствам измерения, называемым расходомерами обтекания. Они основаны на измерении вертикального перемещения чувствительного
элемента (тела), зависящего от расхода среды и приводящего одновременно к изменению площади
проходного отверстия расходомера так, что разность давлений на чувствительный элемент (перепад
давления) остаётся практически постоянной. Противодействующей силой в расходомерах этого вида
является сила тяжести чувствительного элемента, выполняемого в виде поплавка или поршня.
К приборам постоянного перепада давления относятся ротаметры, поршневые и поплавковые
расходомеры.
Ротаметры широко применяются в лабораторных и промышленных условиях и предназначены
для измерения плавно меняющегося объёмного расхода однородных потоков чистых и слабозагрязнённых жидкостей и газов. На тепловых электростанциях ротаметры в качестве расходомеров не
применятся.
Ротаметры имеют равномерную шкалу, что является их достоинством. В зависимости от устройства ротаметры подразделяются на стеклянные и металлические. Стеклянные являются лабораторными показывающими приборами, а металлические – промышленными бесшкальными приборами с
дифференциально- трансформаторным преобразователем. В этом случае вторичными приборами являются автоматические приборы типов КСД2 и КСД3.
Поплавки могут иметь различную форму, одной из которых является цилиндрическая с нижней
конической частью и верхним бортиком с вырезанными на нём косыми канавками. Измеряемая среда при протекании через эти канавки обеспечивает вращение поплавка, при этом он центрируется по
оси трубки и устраняется его трение о стенки.
Между бортиком поплавка и стенкой трубки образуется кольцевой зазор, при прохождении через
который жидкость сужается и, таким образом, возникает разность между
В
В
давлением р1 в сечении А—А до начала сужения и давлением р2 в самом
узком сечении В—В кольцевой струи. С подъёмом поплавка площадь
кольцевого зазора увеличивается, что при неизменном расходе вещества
А
А
приведёт к уменьшению разности р1-р2.
Принцип действия ротаметра основан на уравновешивании при любом
расходе силы тяжести поплавка силами, действующими на него со стоРис. 1.4.3.
роны жидкости.
Недостатками ротаметров являются необходимость установки только на вертикальных участках
трубопроводов,
А
Атрудности дистанционной передачи показаний и записи, непригодность измерения
расхода сред с высокими давлением и температурами.
Все рассмотренные нами методы измерения расхода и количества вещества характеризуются тем,
что чувствительный элемент прибора находится непосредственно в измеряемой среде, то есть подвергается механическому и химическому её воздействию. Непрерывное воздействие измеряемой
среды на чувствительный элемент оказывает с течением времени отрицательное влияние на точность, надёжность и срок службы прибора.
Для измерения расхода химически агрессивных (кислоты, щёлочи), абразивных (шлакозоловой
пульпы) и других жидкостей, которые разрушающе действуют на материал соприкасающихся с ними частей расходомера, все эти методы вообще непригодны. Существует ряд приборов для измерения расхода жидкости, чувствительный элемент которых не имеет непосредственного с ней контакта, что позволяет применять их при агрессивных средах.
1.4.8. Электрические и тахометрические расходомеры
К числу приборов, чувствительный элемент которых не имеет непосредственного с ней контакта,
что позволяет применять их при агрессивных средах, относятся электромагнитные или индукционные расходомеры. Они применяются для измерения расхода жидкостей, обладающих достаточной
электропроводностью (проводимостью). Расходомеры промышленного назначения предназначаются
для измерения невзрывоопасных жидких сред и пульп с температурой от-40 до +1800С. Электромагнитные расходомеры основываются на законе электромагнитной индукции осуществляют измерение
- 61 объёмного расхода посредством прямого преобразования скорости потока измеряемой среды в электрический сигнал.
При движении проводника в магнитном поле в нём будет наводиться ЭДС, пропорциональная
скорости движения. Если же в качестве проводника использовать электропроводную жидкость,
например, воду, протекающую по трубопроводу и пересекающую магнитное поле, то в этой движущейся жидкости будет, так же как и в проводнике, наводиться ЭДС. Скорость движения жидкости
пропорциональна расходу. Следовательно, и наводимая ЭДС также будет пропорциональна расходу.
Расходомер состоит из датчика-преобразователя и вторичного прибора. Электромагнитные расходомеры применяются для измерения расхода жидкостей в трубопроводах с диаметром условного
прохода от 6 до 1000 мм. Класс точности расходомеров 0,5; 1,0; 1,5; 2,5. Избыточное давление измеряемой среды не должно превышать 2,5 МПа.
Тахометрические расходомеры предназначены для измерения мгновенного расхода жидкости.
Наиболее широкое распространение получили скоростные турбинные и шариковые расходомеры.
Принцип действия шарикового расходомера основан на вращении закрученным потоком свободно
плавающего шара, частота вращения которого пропорциональна расходу. Шар обладает магнитными
свойствами.
Далее частота преобразуется в электрический выходной сигнал постоянного тока.
Другой разновидностью тахометрического расходомера является прибор с чувствительным элементом
турбинкой. Отличие этих двух приборов заключается
в конструктивном различии чувствительных элементов, преобразующих измеряемую величину -- расход
жидкости в электрический сигнал.
Наиболее широкое распространение получили два
типа бесконтактных передающих преобразователей-магнитоэлектрический и дифференциально—трансформаторный. Магнитоэлектрический передающий
Рис. 1.1.4.
~
преобразователь используется в первичных тахометрических преобразователях, имеющих большие диаметры условного прохода, а передающие дифференциально-трансформаторные преобразователи применяются в первичных турбинных и шариковых
преобразователях расхода с диаметрами условного прохода до 200 мм.
В качестве вторичных показывающих или самопишущих приборов используются миллиамперметры и другие приборы. К достоинствам первичных шариковых преобразователей расхода можно
отнести простоту устройства. Кроме того, шариковые преобразователи расхода в отличие от турбинных могут быть использованы для измерения расхода жидких сред с абразивными частицами.
1.4.9. Ультразвуковые расходомеры и тепломеры
Ультразвуковой метод измерения расхода основан на зависимости скорости распространения
ультразвука относительно трубы от скорости потока. Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость звука в среде зависит от её физико-химических
свойств, температуры, давления, а также от чистоты среды и отложений на стенках трубы. Кроме
того, скорость звука значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в среде неподвижной. Эти обстоятельства
обусловливают необходимость применения специальных методов компенсации погрешностей, что
сильно усложняет измерительные схемы.
Основными элементами преобразователей ультразвуковых расходомеров являются излучатели и
приёмники ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые колебания, попадающие на приёмник, вызывают его механическую деформацию в виде периодических сжатий и растяжений, которые преобразуются в переменное электрическое напряжение.
Погрешность показаний ультразвуковых расходомеров увеличивается при наличии вблизи преобразователя местных сопротивлений (поворотов, отводов, арматуры, тройников и т. д. ). Поэтому возникает необходимость прямых участков до и после расходомеров. Несмотря на эти недостатки, ультразвуковые расходомеры начали широко применяться в энергетике.
- 62 Ультразвуковые расходомеры имеют следующие достоинства:
1. Возможность использования на трубопроводах различных диаметров (от 10 мм и выше).
2. Возможности безконтактного измерения расхода любых средств, в том числе и неэлектропроводных.
Измерение расхода и количества теплоты играет важную роль при автоматизации систем теплоснабжения. Прибор, измеряющий количество теплоты, перенесённой теплоносителем в единицу
времени, называется тепломером. Прибор, измеряющий расход и количество теплоты за некоторый
промежуток времени, называется тепломером со счётчиком количества тепла или просто теплосчётчиком. В теплоэнергетике может измеряться либо расход теплоты с потоком теплоносителя, либо
количество теплоты, вырабатываемой или потребляемой различными установками.
Применяемые в энергетике расходомеры обычно измеряют объёмный расход, то есть в принципе
это измерители скорости потока, которая однозначно связана с объёмным расходом через площадь
сечения трубопровода.
Тепломер состоит из приборов, измеряющих расход прямой сетевой воды и разность температур
прямой и обратной воды, корректирующего и множительного устройств, интегратора. В качестве
прибора для измерения расхода воды могут быть использованы тахометрический и электромагнитный индукционный расходомер или дифманометр, то есть расходомер с сужающим устройством.
Для измерения разности температур прямой и обратной воды могут быть использованы термометрические термометры. При оценке погрешностей результата измерения количества или расхода тепла,
отпускаемого потребителю, необходимо учитывать возможные методические погрешности, а также
изменение показания тепломера, обусловленное влиянием температуры окружающего воздуха и
других влияющих величин.
В настоящее время уже используется такой прибор, как тепловизор.
1.4.10. Измерение уровня жидкости
Измерение уровня жидкости играет важную роль при автоматизации технологических процессов
энергетике. Эти измерения особенно важны в тех случаях, когда поддержание некоторого постоянного уровня, например, уровня воды в барабане парогенератора, уровня жидкости в резервуарах, регенеративных подогревателях и других устройставах, связано с условиями безопасной работы оборудования. Технические средства, применяемые для измерения уровня жидкости, называются
уровнемерами. Приборы, предназначенные для сигнализации предельных уровней жидкости, называются сигнализаторами уровня.
Уровнемеры, предназначенные для измерения уровня жидкости с целью поддержания его постоянным, имеют двустороннюю шкалу. Шкала и диаграммная бумага этих уровнемеров градуируются
в сантиметрах или метрах, а приборов, применяемых для измерения уровня воды в барабане парогенератора, -- в миллиметрах.
Уровнемеры, применяемые для измерения по уровню количества жидкости в резервуарах, баках и
других устройствах, имеют одностороннюю шкалу. Шкалы и диаграмная бумага этих уровнемеров
градуируются в сантиметрах и метрах, а иногда в процентах.
Уровнемеры, применяемые для измерения уровня жидкости с целью поддержания его постоянным в определённых пределах, снабжают устройством для сигнализации предельных отклонений
уровня от заданного значения. У сигнализаторов уровня жидкости контактное устройство срабатывает при некотором заданном значении уровня для данного объекта.
В зависимости от требований, предъявляемых к автоматизации технологических процессов, применяются различные методы измерения уровня жидкости. Если нет необходимости в дистанционной
передаче показаний, уровень жидкости с достаточной точностью и надёжностью можно измерять с
помощью водомерных указательных стёкол или показывающими дифманометрами-уровнемерами.
Измерение уровня жидкости указательными стёклами основано на принципе сообщающихся сосудов. Конструкция арматуры и материал указательных стёкло зависит от давления и температуры
жидкости, уровень которой необходимо контролировать. Для дистанционного измерения уровня
жидкостей, находящихся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением, применяется метод измерения по разности давления с помощью дифманометра, буйковые и поплавковые, ёмкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические и другие. Например, при
- 63 измерении буйковым уровнемером об уровне жидкости судят по изменению силы тяжести буйка.
Эта сила определяется степенью погружения буйка в жидкость.
Простейшим гидростатическим уровнемером является водомерное стекло, представляющее собой
стеклянную трубку, длина которой определяется диапазоном измеряемого уровня. Трубка соединяется с внутренней полостью резервуара вверху и внизу. шкала прибора наносится или на самой
трубке, или на пластинке, укреплённой в одном каркасе с трубкой. точность такого устройства определяется ценой одного деления шкалы.
Ёмкостный, индуктивный, радиоизотопный, акустический методы измерения уровня жидкости в
энергетике не применяются, поэтому их мы рассматривать не будем.
1.4.11. Измерение уровня воды в барабане парогенераторов
Нормальная эксплуатация барабанных парогенераторов может осуществляться только при условии строго поддержания уровня воды в барабане в некоторых допускаемых пределах. Поэтому измерение уровня воды в барабане, особенно в современных мощных парогенераторов. имеющих
ограниченный запас воды, является важной и ответственной задачей при их эксплуатации.
Контроль уровня воды в барабане парогенераторов с малой производительностью пара и низким
давлением пара в барабане осуществляется путём непосредственного наблюдения за уровнем воды
по водомерному устройству, поставляемому вместе с парогенератором. В ряде случаев для большей
надёжности дополнительно устанавливают непосредственно у парогенератора сниженный указатель
уровня воды в барабане.
В этом случае применяют показывающие дифманометры-уровнемеры. Вторичные показывающие
и самопишущие приборы уровнемеров устанавливаются на щите управления парогенератора или
энергоблока. Эти приборы снабжены контактным устройством для сигнализации недопускаемого
изменения уровня воды в барабане парогенератора. Верхнюю часть водомерного стекла устанавливают в паровое пространство, а нижнюю – в водяное пространство барабана.
В качестве уровнемеров широко применяются дифманометры мембранного типа ДМ в комплекте
со вторичными приборами дифференциально-трансформаторной системы или дифманометры-уровнемеры типа ДМЭ с выходным сигналом постоянного тока.
Для присоединения дифманометров--уровнемеров к барабану парогенератора применяют специальные уравнительные сосуды различных конструкций. Расчёт шкалы дифманометров-уровнемеров
или их вторичных приборов производят на рабочее (номинальное давление пара в барабане с учётом
типа уравнительного сосуда.
Все типы уравнительных сосудов, применяемых для измерения уровня воды в барабане парогенераторов с помощью дифманометра позволяют обеспечить надёжный контроль его в широком диапазоне только при номинальном значении давления пара.
Уравнительный сосуд устанавливается строго вертикально и соединяется с барабаном парогенератора двумя трубками внутренним диаметром 20÷25 мм. Верхняя трубка прокладывается с уклоном
в сторону барабана, а нижняя горизонтально. Установка в этих трубках запорных вентилей не допускается. Для уменьшения охлаждения уравнительный сосуд и трубки покрываются теплоизоляцией.
1.4.12. Измерение уровня жидкостей в конденсаторах, подогревателях
и резервуарах
Измерение уровня конденсата в конденсаторах турбин имеет важное значение при их эксплуатации. Повышение уровня конденсата в конденсаторе приводит к затоплению нижних рядов охлаждающих трубок, что вызывает переохлаждение конденсата. Значительное понижение уровня конденсата ухудшает работу конденсатных насосов из-за уменьшения подпора со стороны всасывающей трубы насоса.
Для большей надёжности контроль уровня воды в конденсаторе турбин осуществляется по месту
и дистанционно. Контроль уровня по месту производится с помощью водоуказательного стекла или
показывающего уровнемера. Для дистанционного измерения уровня конденсата в конденсаторе
применяются уровнемеры-дифманометры, снабжённые преобразователем с выходным электрическим сигналом. Вторичные показывающие приборы уровнемеров устанавливаются на щите управ-
- 64 ления турбины или энергоблока. Показывающие приборы должны быть снабжены контактным
устройством для сигнализации повышения и понижения уровня в конденсаторе.
Контроль уровня конденсата в подогревателях высокого давления (ПВД), низкого давления
(ПНД) и сетевых подогревателях паротурбинных установок имеет также важное значение для обеспечения нормальной их эксплуатации. Для измерения уровня конденсата в подогревателях могут
быть использованы дифманометры, снабжённые преобразователями с выходным электрическим
сигналом типа ДМ.
Вторичные показывающие приборы к ним должны быть снабжены контактным устройством для
сигнализации повышения уровня конденсата в ПВД, ПНД и сетевых подогревателях. Для присоединения дифманометров к подогревателям применяют однокамерные уравнительные сосуды. Расчёт
шкалы дифманометров-уровнемеров или их вторичных приборов производится на номинальные параметры подогревателей.
Наиболее простым устройством для измерения уровня жидкости в открытых, то есть сообщающихся с атмосферой, и закрытых, то есть находящихся под давлением, резервуарах является водоуказательное стекло. Однако, если резервуар находится высоко или низко, то пользоваться указательным стеклом неудобно. В этом случае применяются специальные уровнемеры такие, как поплавковые, гидростатические и радиоизотопные.
Поплавковые уровнемеры являются простыми и надёжными устройствами. Они широко применяются для измерения уровня жидкости в различных резервуарах, которые находятся под атмосферным или небольшим избыточным давлением. В баке, расположенном низко, на поверхности
жидкости плавает полый цилиндрический поплавок, закреплённый на рычаге. Этот рычаг насажен
на ось, присоединённой к корпусу указателя уровня и стрелке вторичного прибора. При изменении
уровня жидкости в баке стрелка указателя перемещается вдоль шкалы с диапазоном показаний от 0
до 400 мм и ценой деления 10 мм.
Указатель уровнемера снабжён реостатным преобразователем для передачи показаний вторичному электроизмерительному прибору, установленному на щите управления турбины, и двумя микропереключателями для сигнализации предельных положений уровня жидкости в резервуаре с помощью сигнальных ламп.
Гидростатические уровнемеры применяются для измерения уровня жидкости в резервуарах по
разности давлений с помощью дифманометра. В зависимости от требований, предъявляемых к автоматизации технологических процессов, применяются различные типы дифманометров. Если нет
необходимости в дистанционной передаче показаний уровня, то целесообразно применять дифманометры с отсчётным устройством.
Эти дифманометры могут быть снабжены контактным устройством для сигнализации предельных
значений уровня. Для дистанционного измерения уровня жидкости могут быть использованы дифманометры с электрическим или пневматическим выходным сигналом в комплекте с соответствующим вторичным прибором.
Так как жидкость, уровень которой необходимо измерять, может находиться под атмосферным,
вакуумметрическим или избыточным давлением, то это необходимо учитывать при выборе типа и
модели дифманометра. Для присоединения дифманометра к резервуару или другому устройству
применяются различные типы уравнительных сосудов.
Радиоизотопные уровнемеры применяются для непрерывного измерения уровня агрессивных, горючих и других жидкостей без соприкосновении с ними. Их действие основано на пропускании через резервуары с жидкостью γ-лучей радиоизотопов некоторых веществ.
Если объект измерения поместить между излучателем (радиоизотопом) и приёмником излучения
(счётчиком ядерных частиц), расположенными в одной горизонтальной плоскости, то в момент прохождения через эту плоскость контролируемого уровня жидкости будет проходить резкое изменение
интенсивности падающих на приёмник γ-лучей вследствие изменения поглотительной способности
жидкости. Это свойство лучепоглощения используется для синхронного перемещения излучателя и
приёмника вслед за уровнем жидкости в резервуаре.
Эксплуатация радиоизотопных уровнемеров производится в строгом соответствии с инструкцией
завода-изготовителя и санитарно-гигиеническими требованиями. Ввиду опасности для обслуживающего персонала радиационного облучения при неосторожном обращении с прибором такие
уровнемеры имеют ограниченное применение.
- 65 1.4.13. Измерение уровня угля и пыли в бункере
Измерение уровня или количества угля или угольной пыли в бункере не отличается большой точностью, так как поверхность пыли и угля в бункере не является плоской.
При поступлении пыли или угля в бункер уровень её приобретает выпуклую форму, а при удалении вогнутую. Кроме того, значительное количество пыли или угля налипает на стенки бункера изза её влажности. По мере удаления пыли или угля из бункера возможно зависание её, а потом скачкообразное понижение уровня пыли или угля.
Бункеры для кускового и пылевидного топлива на тепловых электростанциях в большинстве случаев имеют форму усечённой пирамиды с направленной вниз вершиной. Они выполняются из армированного бетона или стали. Такая форма бункера оказывает определённое влияние на характер
движения топлива. При высоте бункера 8÷10 метров слой топлива в нём подвергается достаточно
большому горизонтальному сжатию, что вызывает заметное ухудшение его сыпучих свойств. Из-за
возможности этих явлений на внутренней поверхности бункера не должно быть никаких выступов,
которые могут искажать характер движения топлива.
Технические средства, предназначенные для измерения и сигнализации уровня сыпучих тел, подразделяют на электромеханические, электрические, электронные, пневматические, радиоактивные и
весовые.
Всё это большое число уровнемеров пыли повсеместного распространения не получили по ряду
эксплуатационных дефектов и сложности конструкции. Одной из наиболее приемлемых разновидностей является указатель уровня в виде механического щупа для периодического измерения положения уровня пыли в одной из точек поперечного сечения бункера. Очевидно, что выбранная точка
измерения должна быть достаточно представительной. Такие указатели имеют невысокую точность
измерения, значительную инерционность действия и недостаточно надёжны в эксплуатации вследствие износа подвижных частей.
Указатель уровня пыли в бункере представляет собой автоматически действующую электролебёдку с измерительным устройством.
К лампочке
2
на табло.
При включении двигателя электролебёдки трос
начинает разматываться до тех пор, пока щуп не коснётся уровня пыли в бункере. При этом натяжение
3
троса резко уменьшится, что приведёт к срабатыванию контактов блока управления. Автоматическая
4
лебёдка переключается на обратный ход и подтяги1
вает штангу до исходного положения.
Одновременно с вращением барабана щётки переключателя, которые замыкают реле, а реле включает
5
лампочки на табло, показывающие значение измеряРис. 1.4.5. 1 – штанга с щупом; 2 – трос;
емого уровня пыли или угля.
3 – устройство управления; 4 – контактный
Затемнённая часть светового табло будет соответблок; 5 – бункер пыли.
ствовать пространству бункера, занятого угольной
пылью, а освещённая – свободному пространству. В
промежутках между очередными измерениями промежутках
световое табло
показывает
результат
предыдущего
между
очередными
измерениями
свеизмерения.
товое табло показывает результат предыдущего измерения.
1.4.14. Автоматические весы
Наиболее точным и распространённым методом измерения количества твёрдого топлива является
взвешивание. Основным прибором, применяемым для взвешивания топлива, служат весы, определяющие массу взвешиваемого топлива различными способами. Определение больших количеств
сжигаемого на тепловых электростанциях производится автоматическими весами, которые не только
механизируют процесс взвешивания, но и суммируют результаты измерений с помощью счётного
устройства. По своему назначению автоматические весы делятся на вагонные и конвейерные.
Автоматические вагонные весы устанавливаются непосредственно на железно-дорожных путях,
служащих для транспортировки на электростанцию гружённых углём вагонов. Для взвешивания вагоны поступают на весовую платформу весов по расположенным на ней рельсам.
- 66 В настоящее время для автоматического взвешивания железнодорожных вагонов с топливом получили электронно-тензометрические вагонные весы, производящие взвешивание вагонов на ходу в
составе поезда, движущегося со скоростью до 6 км/ч. Основная погрешность таких весов ±1%.
Процесс взвешивания каждого проходящего через платформу весов вагона состоит из двух этапов: сначала взвешивается первая тележка вагона, а затем – вторая. Результаты этих измерений автоматически суммируются вторичным измерительным прибором. Раздельное определение массы
тележек позволяет взвешивать вагоны различных типов (четырёх-, шести- и восьмиосные) независимо от очерёдности следования их в составе поезда.
Конвейерные весы устанавливаются на ленточных конвейерах (транспортёрах). В зависимости от
вида счётного устройства они разделяются на механические и электронные. Конвейерные весы применяются на тепловых электростанциях, работающих на угле, где они учитывают расход топлива,
поступающего по конвейерам углеподачи в котельную или в пылеприготовительную установку.
Конвейерные весы не нарушают режима подачи угля, достаточно надёжны в работе.
Основная погрешность измерения конвейерных весов равна ±1%. Весы обладают небольшими
размерами, удобны для монтажа и позволяют проводить взвешивание при скорости движения ленты
конвейера до 2÷2,5 м/с.
Поверку автоматических вагонных весов производят при 8÷13 значениях нагрузки, устанавливаемых в зависимости от конечной величины диапазона взвешивания весов. При поверке пропускают
через весовую платформу тележку с образцовыми гирями не менее трёх раз при каждой поверяемой
нагрузке. Основная погрешность весов не должна превышать ±1%.
Поверка автоматических конвейерных весов проводится путём пропускания через них топлива,
взвешенного в таре на рычажных весах общего назначения до и после
определения его массы на поверяемых весах. Относительная погрешность показаний
конвейерных весов также не должна превышать ±1%.
Контрольные вопросы к Теме 1.4.
№
п/п
1.
2.
3.
Вопрос.
Ответ.
Консультации
А. Для заполнения конденсатом соедиЗачем устанавливаются конденса- нительных линий.
Стр. 160
ционные сосуды?
В. Для поддержания практически на
одной высоте уровня конденсата в соединительных линиях.
С. Для удаления из пара частиц конденсата.
D. Для конденсации пара.
Е. Для создания подпора конденсата.
А. Требуемую точность измерений.
В. Условия изготовления сужающего
Что можно не учитывать при вы- устройства.
Стр. 160
боре сужающего устройства для С. Класс точности вторичного прибоизмерения расхода?
ра.
D. Условия установки сужающего
устройства в трубопроводе.
Е. Допустимое значение безвозвратной
потери давления.
А. Площади трубки прибора.
В. Площади кольцевого зазора между
Чему пропорционален расход газа, трубкой и поплавком.
Стр. 160
измеряемого ротаметром?
С. Положению поплавка в трубке.
D. Площади поперечного сечения поплавка.
- 67 4.
5.
6.
7.
8.
Можно ли использовать скоростные счётчики для измерения расхода холодной воды с таким давлением?
Почему электромагнитный расходомер может измерять только
электропроводную жидкость?
Из какого материала следует изготавливать шарик в шариковых
расходомерах?
Как называется прибор, измеряющий количество теплоты, перенесённой теплоносителем в единицу
времени?
Какое техническое средство получило широкое применение на тепловых электростанциях для измерения уровня сыпучих тел?
Е. Длине трубки прибора.
А. 10 МПа.
В. 5 МПа.
С. 1,1 МПа
D. 0,1 МПа.
Е. 0,5 МПа.
А. При измерении расхода электропроводной жидкости не будет создаваться
электромагнитное поле, которое необходимо для работы прибора.
В. Принцип действия расходомера таков, что при протекании жидкости в
ней должна наводиться ЭДС, а ЭДС
может наводиться только в электропроводной жидкости.
С. Только электропроводная жидкость
будет наводить ЭДС в обмотке электромагнита и, следовательно, может
быть измерена прибором.
D. При измерении расхода неэлектропроводной жидкости будет создаваться
электромагнитное поле, которое необходимо для работы прибора.
Е. Из-за конструкции вторичного прибора.
А. Из лёгких металлов – хороших проводников.
В. Только из цветных металлов.
С. Из любых металлов, обладающих
хорошей магнитной проводимостью.
D. Из диэлектрических лёгких материалов.
Е. Из легированных сталей.
А. Дифманометром-уровнемером.
В. Ротаметром.
С. Тепломером.
D. Термометром.
Е. Манометром.
А. Электромеханическое.
В. Пневматическое.
С. Радиоактивное.
D. Механический лот.
Е. Гидравлическое.
Стр. 160
Стр. 160
Стр. 160
Стр. 160
Стр. 160
- 68 Тема 1.5. Измерение состава газов, воды, пара.
Контроль выбросов тепловых электростанций
1.5.1. Контроль состава газов
Одним из показателей эффективности работы теплоэнергетических установок является удельный
расход условного топлива на выработанный киловатт-час электроэнергии или на единицу выработанной теплоты. Эта величина зависит от многих факторов, основным среди которых является режим сжигания топлива. Топливо должно полностью сгорать, тогда количество выделяемой теплоты
будет максимальным.
Однако на экономичность работы, в частности, парогенератора большое влияние оказывают потери тепла из-за химического недожога топлива и потери с уходящими газами. Размеры этих потерь
зависят от количества воздуха, подводимого в топку парогенератора.
Уменьшение подачи воздуха приводит к возрастанию потери от химического недожога из-за недостатка кислорода. Увеличение расхода воздуха вызывает возрастание потери с уходящими газами,
так как на нагрев добавочного воздуха бесполезно затрачивается часть тепла.
Поэтому поддержание оптимального режима работы топки парогенератора требует непрерывного
контроля количественного и качественного состава дымовых газов. Ведь, кроме того, выброс и состав газов существенно влияет и на экологию окружающей среды, где находится тепловая электростанция.
Средства измерений, предназначенные для количественного определения состава газа, называются газоанализаторами и газовыми хроматографами. Эти технические средства в зависимости от их
назначения подразделяются на переносные и автоматические.
Для измерения концентрации одного из компонентов газовой смеси используется то или иное физико-химическое свойство этого газа, отличающееся от свойств остальных газов. Чем резче это отличие и чем оно специфичнее, тем выше чувствительность метода анализа состава газа и проще
осуществляется подготовка пробы газа. Разнообразие используемых в газоанализаторах методов измерения обусловлено обширностью анализируемых компонентов газовых смесей и широким диапазоном изменения их концентрации.
Подавляющее большинство промышленных автоматических газоанализаторов предназначено для
измерения концентрации одного компонента в газовой смеси. Существуют газоанализаторы, предназначенные для анализа различных составляющих многокомпонентных газовых смесей. Газоанализаторы градуируются в процентах по объёму, г/м3, мг/л. Первая единица измерения является более
удобной, так как процентное содержание компонентов газовой смеси сохраняется при изменении
температуры и давления.
Газоанализаторы включают в себя основные группы приборов: механические, тепловые, магнитные, оптические, хроматографические, электрические и масспектрометрические.
Газоанализаторы в отличие от средств измерения температуры, давления представляют собой
установку, содержащую кроме измерительного преобразователя (приёмника) ряд устройств, обеспечивающих отбор, подготовку и транспортирование пробы газа через прибор.
Для газоанализаторов характерно наличие двух групп приборов. В первую группу входят измерительные приборы, во вторую – индикаторы, сигнализаторы, детекторы утечки газов. Приборы второй группы в основном являются переносными, более простыми по конструкции и имеют меньшее
число вспомогательных устройств.
Автоматические газоанализаторы выполняются показывающими и самопишущими, имеют дистанционную передачу показаний на щиты управления. Переносные газоанализаторы благодаря
большой точности измерения широко используются при испытаниях и наладочных работ на парогенераторах, а также при поверке автоматических газоанализаторов.
1.5.2. Автоматические газоанализаторы
На тепловых электростанциях для определения объёмного состава дымовых газов применяются
автоматические термомагнитные, электрохимические газоанализаторы и другие.
- 69 Термомагнитные газоанализаторы служат для определения содержания в дымовых газах кислорода. Эти газоанализаторы основаны на измерении магнитных свойств кислорода, который имеет
магнитную восприимчивость, то есть обладает парамагнитными свойствами.
Кислород втягивается в магнитное поле подобно железным опилкам, притягивающимся к магнитным полюсам. Подобные магнитные свойства у других газов, кроме кислорода, встречаются
очень редко, что позволяет определять содержание кислорода в многокомпонентной газовой смеси.
При повышении температуры магнитные свойства кислорода существенно уменьшаются.
В термомагнитном газоанализаторе анализируемый парамагнитный газ, протекающий непрерывно в канале, втягивается в специальную измерительную камеру с магнитной системой, между полюсами которой находится нагреваемый током чувствительный элемент. Газ, соприкасаясь с чувствительным элементом, нагревается, и магнитная восприимчивость его уменьшается.
Вследствие этого нагретый газ выталкивается из магнитного поля холодным газом, протекающим
в канале, и около нагретого чувствительного элемента возникает непрерывный поток газа, движущийся в сторону падения напряжённости магнитного поля.
Этот поток газа, который называется термомагнитной конвекцией, охлаждает чувствительный
элемент. Интенсивность термомагнитной конвекции, зависящую от магнитной восприимчивости парамагнитного газа, оценивают по изменению электрического сопротивления чувствительного элемента, вызванного его охлаждением. Для измерения изменения сопротивления чувствительного элемента применяют неуравновешенную мостовую или компенсационную мостовую схему.
Магнитное поле в зоне чувствительного элемента обычно создаётся с помощью постоянного магнита. Неоднородное магнитное поле возникает обычно вблизи кромок полюсов постоянного магнита, около которых в измерительной камере располагают чувствительный элемент или нагреватель.
Итак, в термомагнитных газоанализаторах применяется метод измерения интенсивности термомагнитной конвекции с помощью чувствительного элемента, который одновременно является и
нагревателем.
Этот метод обладает достаточно высокой чувствительностью. Процесс теплообмена нагретого
чувствительного элемента, установленного в измерительной камере с неоднородным магнитным полем, осуществляется посредством теплопроводности окружающей газовой среды, тепловой и термомагнитной конвекции и лучеиспускания. На тепловых электростанциях применяются термомагнитные газоанализаторы типа МН5106.
При установке газоанализатора большое значение имеет правильный выбор места для отбора
пробы дымовых газов, которая должна наиболее полно характеризовать средний их состав. Отбор
пробы производится газоотборным устройством, состоящим из стальной газоотборной трубки диаметром 15÷20 мм, приваренной под углом 20÷250 для стока конденсата к патрубку газохода.
Конец газоотборной трубки с керамическим фильтром располагают по возможности в середине
газового потока в местах, где нет завихрений и застойных зон. Недопустимо помещать трубку вблизи мест возможного подсоса воздуха, то есть близко от таких мест, как люки, заслонки, неплотности
обмуровки и т. д.
Газоотборная трубка устанавливается вдали от местных возмущений потока газов, вызываемых
различными местными сопротивлениями (поворотом газохода, шибером, заслонкой и т. д). Наиболее
лучшей является её установка на прямых вертикальных участках газохода с нисходящим потоком, а
также в узких местах тракта, где лучше происходит перемешивание газа.
При установке газоотборной трубки на горизонтальных участках конец её лучше располагать
ближе к верхней части газохода, где скорость движения нагретого газа выше.
Температура газа в месте отбора должна быть в пределах 200÷6000С. При температуре ниже
2000С возможно загрязнение поверхности керамического фильтра конденсирующимися на ней несгоревшими смолами, а при температуре выше 6000С появляется опасность разрушения газоотборной трубки. Соединительная газоподводящая трубка выполняется из молибденовой стали.
Для уменьшения запаздывания показаний первичный преобразователь газоанализатора нужно
устанавливать возможно ближе к месту отбора пробы, а внутренний
диаметр газоподводящей трубки должен быть не более 8 мм. Температура газа при поступлении в
прибор не должна превышать 350С.
- 70 Газоанализатор устанавливается в местах, не подверженных вибрации и расположенных вдали от
нагретых поверхностей. Допускаемая температура окружающего воздуха 5÷500С и относительная
влажность до 95%.
Для нормальной работы газоанализатора необходимо, чтобы газоподводящая трубка и весь
остальной газовый тракт были плотными. Периодически газоотборная трубка с керамическим фильтром должна продуваться сжатым воздухом давлением 0,05 МПа.
При работе периодически проверяются положение нуля и чувствительность прибора, расход газа,
герметичность газовой системы. Поверка термомагнитных газоанализаторов проводится как на месте их установки посредством параллельного подключения с помощью трёхходового крана переносного химического или хроматографического газоанализатора, так и лаборатории путём анализа газовых смесей точно известного состава.
На некоторых тепловых электростанциях применяются газоанализаторы на содержание кислорода, которые по принципу действия относятся к электрохимическим. Эти газоанализаторы имеют
простое устройство и не требуют отбора пробы дымовых газов, так как их чувствительный элемент
устанавливается непосредственно в газоходах парогенераторов. Отсутствие устройств для транспортировки и подготовки пробы газа значительно понижает инерционность прибора и исключает возможные искажения результатов измерений при воздушной неплотности системы.
Так как широкого применения из-за дороговизны этот тип газоанализатора не получил, мы подробно его изучать не будем.
Основным недостатком электрохимических газоанализаторов является невозможность определения очень малых содержаний кислорода в дымовых газах (менее 0,01%).
В тепловых газоанализаторах измерение концентрации определяемого компонента газовой смеси
производится путём измерения тепловых свойств газовой смеси, зависящих от концентрации определяемого компонента. Эти приборы являются только автоматическими устройствами, работающими в составе информационно-измерительных и управляющих систем.
Тепловые газоанализаторы предназначены для непрерывного анализа состава газовых смесей. С
ростом температуры теплопроводность газов возрастает в разной степени, в связи с чем при температуре, например, 5000С относительная теплоёмкость азота, водорода, кислорода, окиси углерода
СО и других компонентов практически не изменяется, а у двуокиси углерода СО 2 близка к единице,
у метана СН4 возрастает от 1,45 до 2,13. Характер влияния температуры на относительный коэффициент теплопроводности газов учитывается при выборе температурных режимов работы чувствительных элементов тепловых газоанализаторов.
Использование данного принципа измерения основано на том, что между теплопроводностью газовой смеси, теплопроводностью и концентрацией её компонентов существует близкая к линейной
зависимость. Если в числе неопределяемых компонентов содержится газ, изменение концентрации
которого влияет на теплопроводность смеси, то этот компонент из газовой смеси должен быть удалён.
Для измерения теплопроводности газовой смеси используется нагреваемый током проводник,
помещённый в камеру, заполненную анализируемой смесью. При постоянстве отдаваемой проводником теплоты и температуры стенок камеры, зависящей от
температуры окружающей среды, теплопроводность газовой смеси будет однозначно определять
температуру проводника, а следовательно, его сопротивление. В качестве проводника используется
проволока из металла, обладающего высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления. Это – платина, вольфрам, никель, тантал.
Для измерения сопротивления проволочных чувствительных элементов используются мостовые
неуравновешенные схемы. Вторичными приборами в газоанализаторах служат автоматические
уравновешенные мосты.
Оптические газоанализаторы основаны на использовании зависимости изменения того или
иного оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения концентрации измеряемого
компонента. В оптических газоанализаторах используются такие оптические свойства. Как спектральное поглощение, оптическая плотность, показатель преломления, спектральное излучение газовой смеси и т. д.
В соответствии с оптическим свойством, положенным в основу принципа работы прибора, оптические газоанализаторы подразделяются на следующие основные три группы:
- 71 1. Абсорбционные, основанные на поглощение лучистой энергии в инфракрасной области спектра, ультрафиолетовой и видимой областях спектра.
2. Интерферометрические, основанные на использовании явления смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух когерентных лучей. Интерференция полос спектра – это взаимное усиление или ослабление полос при их
наложении друг на друга. Когерентность – это согласованное протекание во времени и пространстве
нескольких волновых процессов (а лучи – это волны), проявляющихся при их сложении.
3. Эмиссионные, основанные на излучении лучистой энергии, например, на измерении интенсивности спектральных линий излучения компонента, зависящий от его концентрации в анализируемой газовой смеси.
1.5.3. Переносные газоанализаторы
По принципу действия переносные газоанализаторы имеют множество видов, наиболее распространены химические и хроматографические.
Химические газоанализаторы производят определение процентного содержания отдельных
компонентов дымовых газов путём избирательного поглощения их соответствующими химическими
реактивами. Уменьшение при этом объёма газовой смеси при постоянных давлении и температуре
характеризует содержание того или иного искомого компонента.
Так как избирательного удаления определяемых компонентов используются химические реакции,
то приборы часто называются объёмными химическими газоанализаторами, которые относятся к
приборам периодического действия. С их помощью можно провести измерение концентрации в смеси газов таких компонентов: двуокиси углерода с сероводородом и двуокисью серы, кислорода, окиси углерода, водорода, азота и других.
Для определения содержания двуокиси углерода СО2 и двуокиси серы SО2 используется раствор
щёлочи. Для поглощения водорода и окиси углерода используется щелочной раствор полухлористой
меди. Погрешность этого метода в значительной мере
определяется погрешностью измерения изменения объёма, поэтому начальный и остаточный объёмы пробы газа должны иметь одинаковые температуру и давление.
К числу достоинств объёмного метода измерения концентраций газов относятся: возможность
измерения широкого круга компонентов газовых смесей путём подбора соответствующих поглотителей или химических реакций связывания; возможность анализа многокомпонентных газовых смесей; простота устройства.
Недостатками метода являются: низкая точность анализа (не выше 0,1÷0,2% общего объёма пробы); необходимость частой замены реактивов; сложность создания на этом принципе автоматических приборов; громоздкость прибора из--за большого числа элементов из стекла.
Газовые хроматографы предназначены для количественного анализа газовых смесей, широко
используются в качестве лабораторных приборов. В энергетике хроматографы лабораторного типа
применяют для периодического анализа продуктов горения различных видов топлива, при проведении исследований процесса горения в топочных устройствах и испытаний парогенераторов.
Хроматографы с дополнительным устройством используются для определения количества водорода, растворённого в воде и паре, а также влажности водорода в системах охлаждения обмоток турбогенераторов.
Газовая хромотография подразделяется на газоадсорбционную и газожидкостную. Адсорбция –
это поглощение. Газоадсорбционный метод разделения компонентов газовой смеси основан на различной поглощаемости компонентов твёрдыми адсорбентами, представляющие собой пористые вещества с большой поверхностью.
Адсорбентами являются активированные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты, тонкопористые
стёкла. В газожидкостной хроматографии разделение сложных смесей веществ основано на различии растворимости компонентов анализируемой смеси в тонком слое жидкости, нанесённой на поверхности твёрдого химически инертного носителя. Твёрдый носитель не участвует непосредственно в адсорбционном процессе, а служит только для создания необходимой поверхности растворителя. Для разделения веществ применяются различные жидкости, например, вазелиновое масло, силиконовое масло, высококипящее авиационное масло и т. д.
- 72 В теплоэнергетике для анализа дымовых газов используются хроматографические газоанализаторы, основанные на газоадсорбционном методе измерения.
В разделительную колонку, заполненную твёрдым пористым адсорбентом, непрерывно поступает
газ. Перед колонкой в его поток шприцом-дозатором вводится проба исследуемой газовой смеси,
содержащей компоненты с различными адсорбционными свойствами. При взаимодействии этих газов с адсорбентом происходит выделение их в отдельные зоны смесей с газом-носителем, движущиеся с различными скоростями. С помощью заслонок эти зоны разделяют. Первым покидает разделительную колонку газ, который обладает наименьшей поглощающей способностью, поэтому он
раньше отделяется от поверхности адсорбента, а последним отделяется хорошо адсорбирующий газ.
Выходящий из газовой колонки поток направляется в так называемый детектор, который определяет качественный и количественный состав поступающих в него газов. Детектор подключён к вторичному самопишущему прибору, отмечающему на диаграммной ленте кривую (хроматограмму) в
виде горизонтальных пиков различной длины. Эти пики диаграммы характеризуют содержание в
исследуемой газовой смеси нужных компонентов. В качестве газоносителя для анализа дымовых газов служит воздух или инертные газы.
1.5.4. Методы контроля качества воды и пара
Широкое внедрение в энергетику мощных энергоблоков на высокие и закритические параметры
привело к необходимости организации надёжного автоматического непрерывного и периодического
химического контроля за водным режимом электростанций и работой установок водоочистки и конденсатоочистки.
Применяемые на многих электростанциях ручные методы химического контроля некоторых показателей качества воды и конденсата не удовлетворяют современным повышенным требованиям.
Эти методы требуют много времени, обладают недостаточной точностью результатов анализа и непригодны для оперативного контроля за водным режимом и автоматизации процессов водоприготовления.
Применение на тепловых электростанциях автоматических средств измерений повышает надёжность химического контроля за показателями качества питательной воды парогенераторов, пара и
конденсата и процессами химического обессоливания добавочной воды и очистки конденсата пара
турбин. Для осуществления контроля за водным режимом электростанций и работой установок
очистки воды и конденсата необходимо измерять разнообразные показатели качества отличающихся
по химическому составу сред.
Эти среды находятся под различным избыточным давлением, имеют различную температуру, отличаются по количеству механических и других примесей. Вследствие этого во многих случаях для
снижения давления и температуры, а также для удаления механических примесей или растворённых
газов из пробы контролируемой среды необходимо перед первичным преобразователем устанавливать специальные дополнительные устройства.
Для отбора представительной пробы среды используют различные пробоотборные устройства.
Применение дополнительных устройств позволяет создать для первичных измерительных преобразователей Одинаковые нормальнее эксплуатационные условия и повысить точность измерений.
В настоящее время уделяется огромное внимание экологии и охране окружающей среды. Одним
из важных моментов работы по охране окружающей среды является контроль за состоянием естественных и искусственных водоёмов и анализ сбросных вод электростанций.
К числу наиболее распространённых методов анализа постоянного химического контроля качества воды и пара на электростанциях относятся: кондуктометры (или солемеры), кислородомеры,
водородомеры, определители натрия, кремнемеры, жесткомеры и рН-меры.
Измерительные преобразователи этих приборов имеют выходной сигнал постоянного тока и работают в комплекте со вторичными приборами: автоматическими показывающими и самопишущими миллиамперметрами, снабжёнными сигнализирующими устройствами. Отбор проб воды и пара
из трубопроводов в характерных точках пароводяного тракта для определения содержания вредных
веществ производится с помощью пробоотборных зондов, устанавливаемых с помощью сварки на
прямых участках трубопроводов.
При отборе проб зонды устанавливают так, чтобы входное отверстие было направлено навстречу
потоку. Глубина погружения зондов в трубопровод должны быть не менее 0,25÷0,5 внутренних диа-
- 73 метров трубопровода. Проба воды, пара или конденсата, поступающая в первичный преобразователь
измерительного прибора, должна иметь температуру не более 400С и давление не более 0,14 МПа.
Расход пробы составляет от 10 до 30 кг/ч. Подготовка измеряемой пробы (это охлаждение, редуцирование и прочее) производятся в отдельности для каждого измерительного прибора с помощью
специального пробоподготовительного устройства. Все трубопроводные линии и оборудование пробоподготовительного устройства, соприкасающиеся с отбираемой пробой, изготавливаются из хромоникеливотитанистой стали.
Внутренний диаметр соединительных трубок составляет 8÷10 мм. Измерительные приборы и относящиеся к ним пробоподготовительные устройства должны размещаться отдельно друг от друга в
смежных вентилируемых помещениях с температурой окружающего воздуха 15÷25 0С.
1.5.5. Кондуктометры
Требования к питательной воде по солесодержанию для прямоточных парогенераторов более высокие, чем для барабанных. В прямоточном парогенераторе соли, содержащиеся в воде, переходят в
пар, а затем в виде слаборастворимых соединений осаждаются в проточной части турбины. В барабанном же парогенераторе питательная вода может содержать большее количество солей, так как
часть их задерживается в барабане парогенератора и пар получается чище исходной питательной воды. Соли из барабана выводятся непрерывной продувкой. Таким образом, солесодержание поддерживается на определённом уровне. Содержание солей в воде можно точно определить методами лабораторного химического анализа. Однако такой анализ достаточно сложен и результаты анализа
можно получить лишь через несколько часов. Во много раз быстрее (через несколько секунд) можно
определить концентрацию (солесодержание) солей в воде по электропроводности воды.
Однако при одной и той же концентрации разные соли дают различную электропроводность воды, в которой они растворены. А так как в воде содержится много различных солей в различных количествах, то определить общее солесодержание в воде или конденсате пара по электропроводности
можно только приближённо. Тем не менее определение солесодержания по электропроводности получило широкое применение. Автоматическое определение солесодержания питательной и добавочной воды, кондесата турбин и пара производится кондуктометрическим методом, то есть путём измерения их удельной электропроводности приборами, которые называются кондуктометрами, или
солемерами. Электропроводностью раствора электролита называется величина, обратная удельному
сопротивлению раствора.
RF
Удельное сопротивление раствора электролита равно:  
, Ом·м, где:

R – электрическое сопротивление раствора, Ом;
F – поперечное сечение столба раствора, м2;
ℓ -- длина столба раствора, м.
1

Тогда удельная электропроводность раствора будет равна: χ= 
.
 RF
Для измерения электропроводности или сопротивление раствора в него помещают две металлические плас~U
тины (электроды), к которым подводится переменное напряжение U. Сила тока, протекающего по цепи, будет хаmА
рактеризовать электропроводность раствора при постоянной площади электродов и расстоянии между ними.
Отношение ℓ/f называется константой (или постоянF
ной) измерительной ячейки. Постоянную измерительной
ячейки часто бывает трудно вычислить, и поэтому её чаℓ
ще определяют опытным путём при помощи образцового
раствора известной электропроводности.
Сопротивление раствора определяется не только проРис. 14.
цессом переноса электричества ионами раствора от одного электрода к другому, но и побочными явлениями. При
Рис. 1.5.1.
подаче к электродам постоянного напряжения происходит
- 74 их поляризация, то есть к положительному электроду собираются отрицательные электроды, а к отрицательному электроду – положительные. Сила тока, протекающего через измерительную ячейку,
при поляризации электродов резко уменьшается и не будет правильно характеризовать солесодержание раствора.
Для существенного уменьшения влияния поляризации электродов измерительная ячейка должна
запитываться переменным током частотой 50 Гц. При неизменном солесодержании раствора с повышением только его температуры сопротивление измерительной ячейки будет уменьшаться. Влияние температуры на сопротивление измерительной ячейки и, следовательно, на результаты измерения, уменьшается введением автоматической поправки путём установки в измерительной схеме
устройства температурной компенсации.
Кондуктометр типа АК-130 является стационарным автоматическим прибором для непрерывного
измерения электропроводности питательной воды, пара и конденсата, химически обессоленной воды. Комплект кондуктометра состоит из первичного и нормирующего преобразователей, а также
вторичного прибора. Чувствительным элементом кондуктометра типа АК-130 является электролитическая измерительная ячейка, которая состоит из двух электродов, расположенных в сосуде, в который поступает контролируемый водный раствор. Для определения удельной электропроводности
водного раствора электролитическая ячейка включается в схему неуравновешенного моста в качестве переменного сопротивления одного из его плеч. Удельная электропроводность раствора электролита зависит от химической природы растворённого вещества, степени его концентрации в растворе и температуры раствора.
К числу наиболее существенных недостатков электродных кондуктометров относятся поляризация и загрязнение электродов продуктами электрохимических реакций, протекающих на их поверхности, а также веществами, находящимися в растворах, что требует необходимость их периодической механической или химической очистки и отмывки.
Безэлектродные преобразователи содержат первичные преобразователи, не имеющие непосредственного контакта с измеряемой средой и свободные в связи с этим от таких недостатков, как поляризация электродов и их загрязнение. Различают две разновидности безэлектродных кондуктометров: высокочастотные и низкочастотные. Первичные преобразователи высокочастотных безэлектродных кондуктомеров в зависимости от вида измеряемого реактивного сопротивления разделяются на ёмкостные и индуктивные (рис.1.5.2).
Так как между концентрацией раствора Сх и
Сх
а
b
Lх
выходными величинами Lх существует
сложная зависимость, на которую влияют
природа раствора и материал преобразователя, частота тока, то их градуировочные характеристики определяются экспериментально для конкретного преобразователя и
раствора.
В качестве измерительных преобразователей высокочастотных кондуктометров используются мостовые и резонансные схемы,
питаемые от генераторов высокой частоты.
Рис. 1.5.2.
В резонансных схемах измеряется частота собственных колебаний резонансного контура, зависящая
от индуктивного или ёмкостного сопротивления первичного преобразователя (рис. 1.5.2,а). В низкочастотных безэлектродных кондуктометрах анализируемый раствор протекает по трубе (рис.
1.5.2,b), образующей замкнутый виток, подобный проводнику, в котором от первичной обмотки
трансформатора наводится ЭДС, а протекающий ток зависит от электропроводности раствора. Низкочастотные кондуктометры используются для измерения значительных электропроводностей раствора.
1.5.6. Кислородомеры
В целях обеспечения надёжной эксплуатации мощных энергоблоков с высокими и закритическими параметрами введены строгие ограничения на допустимое содержание растворённого кислорода
в питательной воде. Известно, что присутствие растворённого кислорода в питательной воде вызы-
- 75 вает коррозию металла внутренних поверхностей пароводяного тракта парогенераторов. Для уменьшения коррозии металла необходимо ограничивать содержание растворённого кислорода в питательной воде до 7÷10 мкг/кг. Повышение надёжности эксплуатации мощных парогенераторов связано с возможностями автоматического точного и непрерывного измерения микро-концентраций
растворённого в питательной воде кислорода.
Для автоматического определения содержания кислорода в питательной воде и конденсате водяного тракта тепловых электростанций применяются промышленные кислородомеры. Они устанавливаются за конденсатным насосом турбины или блочной обессоливающей установкой, за подогревателем низкого давления и его сливным насосом, за деаэратором питательной воды, перед парогенератором и т. д.
В настоящее время для определения содержания растворённого кислорода в воде применяется так
называемый таллиевый способ, основанный на использовании взаимодействия кислорода с чистым
металлическим таллием и измеряемой пробой воды согласно реакции:
4Tℓ+О2+Н2О=4Тℓ++4ОН--.
В результате реакции окисления образуется гидроокись таллия, которая в слабом водном растворе практически полностью разделена на ионы таллия Тℓ+ и гидроксильные ионы ОН--. Тогда удельная электропроводность пробы воды будет изменяться пропорционально количеству образовавшейся гидроокиси таллия, и следовательно, может служить мерой содержания растворённого в воде
кислорода.
Для взаимодействия с размельчённым таллием проба воды пропускается через реакторную таллиевую колонку. Изменение удельной электропроводности воды после колонки определяется по дифференциальной схеме кондуктометрическим методом с помощью двух последовательно расположенных по ходу воды (до и после колонки) электролитических измерительных ячеек, которые являются чувствительным элементом, имеющих по два контактных электрода.
Достоинством таллиевого метода определения кислорода в воде являются:
1. Использование простого и надёжного кондуктометрического метода измерения.
2. Возможность определения небольших (до 100 мкг/кг) содержаний кислорода с точностью до
нескольких единиц и чувствительностью до десятых долей мкг/кг кислорода.
3. Возможность длительной работы измерительного устройства без замены таллия (до одного
года).
Существенным недостатком таллиевого метода является большая токсичность таллия и его соединений, что требует принятия соответствующих мер по технике безопасности. Выпускаются такие
типы кислородомеров: АК-300, АКП. Вторичным прибором, подключаемым к первичному преобразователю, является автоматический показывающий и самопишущий миллиамперметр с сигнализирующим устройством.
Кроме таллиевого метода определения концентрации кислорода в воде, применяется ещё фотоколориметрический, но реже. Поэтому рассмотрим этот метод вкратце. Фотоколометрический метод
основан на измерении оптической плотности анализируемой воды, изменяющейся за счёт окрашенных соединений, которые образуются в результате взаимодействия растворённого в воде кислорода
с вводимым в пробу реагентом. Интенсивность окраски зависит от концентрации растворённого в
воде кислорода.
В качестве индикаторов применяются такие вещества, как индигокармин и сафранин. Преобразование измеряемой величины (кислородосодержания) в изменение электрического сопротивления
осуществляется с помощью оптического блока, в состав которого входят: источник света, две линзы,
светофильтр, фоторезистор и кюветы. Анализируемая вода поступает в кювету, куда автоматически
вводится определённый объём реактива. Степень ослабления светового потока воды зависит от интенсивности окраски пробы, проходящей через кювету.
Световой поток, падающий на фоторезистор, а следовательно, и электрическое сопротивление
этого резистора находятся в однозначной зависимости от измеряемой величины, то есть от кислородосодержания. Для автоматического измерения значения электрического сопротивления применяется мостовая измерительная схема.
Основной недостаток автоматических фотоколометрических кислородомеров -- это то, что они
являются приборами дискретного действия. Конечно возможно осуществление непрерывных измерений, но это связано со снижением точности и повышенным расходом реактива.
- 76 Контрольные вопросы к Теме 1.5.
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
Вопрос.
Ответ.
Консультации
А. Окислительное
Какое свойство кислорода ис- В. Теплоёмкость
Стр.
пользуется в термомагнитном С. Теплопроводность
газоанализаторе?
D. Парамагнитное.
Е. Индукционное.
А. При этой температуре и выше будет происходить занос керамического фильтра
Почему газоотборное устрой- твёрдыми включениями продуктов сгора- Стр.
ство не устанавливают в ме- ния.
стах с температурой выше В. При этой температуре забираемая проба
5000С?
газа не будет представительной.
С. При этой температуре появляется опасность разрушения газообразного устройства.
D. При этой температуре может быть расплавлен корпус газоотборного устройства.
Е. Сплав, из которого выполнено газоотборное устройство очень дорог.
А. Пар выносит из котла продукты коррозии, которые при конденсировании пара пеПочему конденсат в замкнутой реходят в конденсат.
Стр.
тепловой схеме подвергается В. В конденсаторе имеет место большие
очистке?
присосы воздуха, кислород которого, растворяясь в конденсате, вызывает коррозию.
С. В конденсаторе происходит интенсивная
коррозия латунных трубок. Медь переходит
в конденсат, поэтому после конденсатора
нужно установить фильтр для улавливания
меди.
D. В конденсат попадают продукты коррозии, кислород и циркуляционная вода. Все
эти компоненты вызывают необходимость
очистки всего конденсата.
Е. С добавочной водой заносятся продукты
коррозии.
Какой метод основан на измере- А. Таллиевый
нии оптической плотности ана- В. Фотоколометрический
лизируемой воды?
C. Химический
D. Физиологический.
Е. Световой.
От чего не зависит удельная А. От химической природы растворённого
электропроводность
раствора вещества.
электролита?
B. От давления раствора.
С. От температуры раствора.
D. От степени концентрации растворённого
вещества.
Е. Электрическое сопротивление раствора.
Стр.
Стр.
- 77 Тема 1.6. Специальные измерения
1.6.1 Определение показателей качества рабочей среды
Показателем, характеризующим химический состав воды, является концентрация свободных
ионов водорода Н+ в питательной воде. Концентрация водородных ионов характеризует степень
кислотности или щёлочности растворов. Молекула воды распадается (диссоциирует) на ионы Н+ и
ионы гидроксильной группы ОН--. Степень диссоциации молекул воды весьма невелика: Н+=ОН-=10-7 г·моль/л.
Отрицательный логарифм степени диссоциации 10-7 называется показателем Н+ и обозначается
рН. Для нейтральной химически чистой воды показатель рН будет равен 7. При наличии кислоты в
воде показатель рН будет меньше 7, а для щелочных растворов – больше 7.
После обработки конденсата гидразином вода должна иметь щелочной характер, что контролируется измерением показателя рН. Для поддержания наиболее благоприятного водного режима на
электростанции рекомендуется иметь показатель рН 8,5÷9,5. Приборы, предназначенные для измерения рН называются рН-метры.
Автоматический рН-метр может измерять показатель рН контролируемых растворов в пределах
1,5÷14,5. прибор рН-метр состоит из первичного прибора, преобразователя и вторичного прибора.
Температура контролируемого раствора обычно лежит в пределах от 5 до 500С.
В качестве вторичного прибора используются миллиамперметры и потенциометры. Датчик прибора содержит два специальных электрода – измерительный стеклянный и вспомогательный сравнительный, образующих при погружении в исследуемый раствор гальванический элемент, ЭДС которого зависит только от рН и температуры водного раствора. Правильность результатов измерения
показателя рН автоматическими приборами будет во многом зависеть от правильности подготовки
пробы для анализа. Как я уже говорил, значение показателя рН существенно зависит от температуры
пробы. Поэтому в автоматических приборах вводится устройство температурной компенсации, то
есть дополнительный резистор, сопротивление которого зависит от температуры подаваемой пробы.
При этом повысились надёжность и точность измерения рН.
1.6.2. Анализаторы для определения растворённого в воде и паре водорода
В настоящее время в энергетике уделяют большое внимание методу контроля скорости коррозии
металла внутренних поверхностей пароводяного тракта парогенераторов, основанному на определении в питательной воде и паре содержания водорода, являющегося неизбежным продуктом водородной коррозии.
Применяемый лабораторный метод анализа требует много времени, не может отражать динамики
процессов и не обладает необходимой точностью. Если учесть, что скорость коррозии металла определяется водным и температурным режимами, то только автоматический непрерывный контроль за
водородом в воде и паре даёт возможность оперативно контролировать правильность режима эксплуатации парогенератора. Надёжный непрерывный контроль за содержанием водорода в воде и паре позволит решить стоящую перед энергетиками задачу повышения надёжности и продления срока
службы парогенераторов.
Известно, что растворимость данного газа в воде зависит от парциального давления этого газа в
находящейся над водой газовой среде и не зависит от состава газов этой среды. Следовательно, если
контролируемый конденсат и питательную воду, содержащую растворённый водород, поместить в
атмосферу кислорода, то водород будет выделяться из воды до тех пор, пока не наступит состояние
равновесия. При этом чем больше водорода содержится в воде, тем большее количество его будет
выделяться в окружающую кислородную среду. При уменьшении содержания водорода в воде часть
его, ранее выделившаяся в кислородную среду, будет снова растворяться в воде до наступления нового состояния равновесия.
Таким образом, по концентрации водорода в кислородной среде можно судить о содержании водорода, растворённого в конденсате или питательной воде, используя для этой цели метод измерения теплопроводности газовой смеси, состоящей из водорода и кислорода, по отношению к кисло-
- 78 роду. Приборы, основанные на измерении теплопроводности газовой смеси, называются термокондуктометрическими анализаторами.
Для снижения давления и температуры анализируемой пробы анализаторы снабжаются дополнительными устройствами, например, холодильником и дросселем, обеспечивающий снижение давления и необходимый расход пара. Из холодильника конденсат пара поступает в специальную колонку
преобразователя при температуре 300С.
Анализируемая вода поступает в приёмную колонку, куда подаётся кислород из электролизёра,
который заполнен раствором едкого калия для получения чистого кислорода. При этом конденсат
или вода соприкасается со средой кислорода и выделяет растворённый водород. Эта газовая смесь,
состоящая из кислорода и водорода, поступает в рабочую камеру с чувствительным элементом, который нагревается постоянным током.
Вследствие этого изменяются условия теплоотдачи от чувствительного элемента, нагреваемого
током, к стенкам камеры, так как теплопроводность бинарной двойной) газовой смеси иная, чем
сравнительного газа – кислорода. В силу этих обстоятельств температура чувствительного элемента
понижается, а следовательно, уменьшается его сопротивление.
При этом на вершинах диагонали измерительного моста из-за нарушения его равновесия появится
напряжение и указатель вторичного прибора займёт положение, соответствующее значению сопротивления чувствительного элемента, а следовательно, и содержанию водорода в анализируемой пробе. Шкалу вторичного прибора анализаторов водорода градуируют в микрограммах на литр (мкг/л)
или микрограммах на килограмм.
Анализаторы для определения водорода в конденсате, паре или питательной воде выпускаются
фирмой «Кембридж» (Англия). Диапазон измерения водорода составляет от 0 до 20 мкг/л или
мкг/кг. Такие анализаторы применяются на Российских тепловых электростанциях для определения
содержания водорода в паре парогенераторов. Пределы допускаемой основной погрешности анализатора не превышают ±5% верхнего предела шкалы вторичного прибора.
1.6.3. Специальные измерения и приборы
Электронные усилители устройств теплотехнических измерений. Современные автоматические устройства теплотехнических измерений снабжаются усилителями такого типа: электронные,
полупроводниковые. Однако за последнее время в основном применяются полупроводниковые. Это
объясняется их лучшими техническими характеристиками, меньшими затратами, весом. Усилители
наиболее распространённых приборов изготавливаются из унифицированных блоков, определённый
набор которых образует схему с нужными характеристиками.
Например, усилители автоматических потенциометров отличаются от усилителей автоматических
уравновешенных мостов переменного тока только входным устройством, в то время как усилители
напряжения и мощности выполнены по одинаковой схеме. Наиболее распространёнными автоматическими уравновешенными мостами являются мосты типа КСМ.
Устройство для измерения параметров вибрации. Это устройство предназначено для измерения параметров вибрации (амплитуда и число циклов) в процессе испытания на усталостную прочность лопаток газовых турбин. Состоит из лазера с механизмом наведения, фотоприёмника и блока
обработки информации.
Устройство позволяет измерять амплитуду вибрации с точностью ±0,005 мм, существенно улучшить условия труда персонала, обслуживающего испытательное оборудование.
Высокотемпературная тензометрическая установка МЭИ. Установка МЭИ для высокотемпературной тензометрии трубопроводов пара и горячей воды на тепловых и атомных электростанциях
предназначена для измерения деформаций наружной поверхности стенки трубопровода под действием возникающих в них механических напряжений, обусловленных различными причинами
(внутренним давлением, температурной неравномерностью, самокомпенсацией температурных
удлинений, весовой нагрузки и т. д.)
Измерение деформаций осуществляется с помощью двухбазового электромеханического роликового тензометра одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Прибор для измерения паросодержания в трубопроводах ТЭС методом гамма--просвечивания.
Этот прибор предназначен для измерения в эксплуатационных условиях среднего по сечению ис-
- 79 тинного объёмного паросодержания в трубопроводах с двухфазным течением, например влажного
пара.
Проектирование и эксплуатация современных энергетических турбоустановок требует знания паросодержания двухфазных потоков. Этот параметр определяет гидравлическое сопротивление, служит для оценки эффективности работы оборудования и является фактором, определяющим эрозию
проточной части турбин и трубопроводов. Достаточно точное определение паросодержания является
неотъемлемой частью любого исследования двухфазных потоков.
Особенно важно определение паросодержания в эксплуатационных условиях, когда дополнительные врезки в оборудование и искажение режима движения среды нежелательны. Малогабаритность и конструктивные особенности прибора обеспечивают возможность измерения паросодержания в сложных производственных условиях на работающем оборудовании.
Принцип действия прибора основан фиксированном ослаблении узкого пучка жёсткого гаммаизлучения при прохождении через трубопровод, заполненный исследуемой средой. Прибор состоит
из механической и электронной части и источника радиоактивного излучения.
Механическая часть представляет собой конструкцию, обеспечивающую жёсткое закрепление источника и детектора излучения на трубе. Электронная часть – это блок детектора, состоящая из фотоэлектронного умножителя и монокристалла йодистого натрия, преобразующего энергию ионизирующих гамма-лучей в энергию световых вспышек. Фотоэлектронный умножитель соединён с пересчётным устройством, который суммирует электрические сигналы и представляет их в цифровом
виде.
Тахометр предназначен для измерения угловых скоростей вращения (чисел оборотов в минуту)
вращающихся валов. Тахометры бывают стационарные и переносные (ручные). Стационарный тахометр выпускается типа ТС-100. он может измерять числа оборотов от 150 до 8000 в минуту. Шкала тахометра градуируется с учётом коэффициента тахометра. Коэффициентом тахометра называется отношение числа оборотов в минуту приводного вала к числу оборотов, показываемому тахометром. Коэффициент тахометра наносится на самой части шкалы в виде дроби.
Тахометры выпускаются типа ТМ и применяются для работы в условиях стационарной установки. Эти приборы охватывают диапазон измерения угловых скоростей от 0 до 16000 об/мин. Преобразование оборотов вала в угловое перемещение стрелки магнитоиндукционным измерительным узлом основано на взаимодействии магнитного поля вращающихся магнитов с индукционными токами, наведёнными этим полем в чувствительном элементе.
Основная допустимая погрешность тахометров при температуре +20±50С и относительной влажности окружающего воздуха от 30 до 80% не превышает в рабочем диапазоне 1% от верхнего предела измерения шкалы. Тахометр типа ТМ надёжно работает при температуре окружающего воздуха
от -60±50С до +60±50С и относительной влажности воздуха до 98% при температуре 350С.
Контрольные вопросы к Теме 1.6.
№
п/п
1.
2.
3.
Вопрос.
Ответ.
А. рН=10
Какой раствор имеет наиболее сла- В. рН=12
бые кислотные свойства?
С. рН=13
D. рН=14
Е. рН=5
A. Скорость газовой смеси
В. Теплопроводность газовой смеси.
Какой параметр измеряют термо- С. Солесодержание газовой смеси.
кондуктометрические анализато- D. Расход газовой смеси.
ры?
Е. Давление газовой смеси.
А. Тахометром
Каким прибором измеряется кис- В. Кислородомером.
лотность воды?
С. Кондуктомером.
D. рН-метром.
Консультации
Стр. 160
Стр.161
Стр. 161
- 80 4.
Что является показателем, характеризующим химический состав
питательной воды?
5.
Какой показатель рН является для
нейтральной химически чистой
воды?
Е. Манометром.
А. Свободный кислород
Стр. 161
В. Концентрация взвесей
С. Концентрация свободных ионов водорода Н+
D. Содержание водорода.
Е. Содержание углекислоты.
А. 8
В. 9
Стр.161
С. 6.
D. 7.
Е. 5.
- 81 Тема 1.7. Щиты управления и схемы теплотехнического контроля
1.7.1. Информационно-измерительная подсистема АСУ ТП
Средства измерения теплотехнических величин используются в системах управления технологическими объектами, при теплотехнических исследованиях и испытаниях. Эффективность применения того или иного средства измерения зависит от согласованности его характеристик с характеристиками остальных элементов систем управления и контроля, соответствия условий эксплуатации
условиям, предусмотренным технической документацией. Это определяет необходимость использования системного подхода к выбору средств измерения как одного из элементов системы, выполняющей ту или иную целевую функцию. Структура автоматизированной системы управления технологическим процессом (сокращённо АСУ ТП) и её место в общей системе управления энергопредприятием зависят от вида самого предприятия, разновидности технологического объекта и используемых средств контроля и автоматизации.
Среди промышленных предприятий наибольшей общностью технологического оборудования,
используемых средств автоматизации и структур управления обладают тепловые и атомные электростанции, на которых наиболее сложными технологическими объектами являются энергоблоки,
включающие в себя комплекс основного и вспомогательного оборудования.
Высокие скорости и параметры теплоносителя, большие единичные мощности, непрерывный характер технологического процесса обусловили необходимость создания для ведения технологических процессов энергоблоков одной из наиболее сложных систем управления. Например, система
управления энергетическим блоком мощностью 800 МВт включает в себя более 1600 контролируемых параметров, свыше 1000 регулирующих блоков, 120 местных контуров регулирования. А у
энергоблока мощностью 1200 МВт примерно на 20% больше.
Количественный рост контролируемых и регулируемых величин обусловил качественное изменение структуры АСУ ТП. АСУ ТП энергоблока представляет собой человеко-машинный комплекс, в
состав которого входят такие подсистемы: информационно-измерительная, технологической сигнализации, дистанционного и автоматического управления, автоматического регулирования и технологических защит. Работа подсистем контролируется оператором с блочного щита управления (БЩУ),
построение системы управления предусматривает возможность его вмешательства в работу любой
подсистемы.
В структуре АСУ ТП на измерительной информации от первичных средств измерения непосредственно базируется работа четырёх из пяти подсистем. Обращение оператора к подсистеме дистанционного управления в большинстве случаев также опирается на информацию о состоянии объекта
и ходе технологического процесса.
В зависимости от важности измеряемого параметра и сложности технологического процесса и
объекта используется несколько способов передачи, преобразования и предоставления нужной информации оператору.
Ввиду большого распространения электрических систем передачи преобразования и предоставления информации, структуры АСУ ТП относятся к системам этого типа.
В настоящее время для оперативного контроля за технологическими процессами применяются
компьютерные программы, например, такой оперативный контроль ведётся на Артёмовской ТЭЦ.
1.7.2. Щиты управления
С ростом установленной мощности, укрупнением и совершенствованием основного и вспомогательного оборудования тепловых электростанций повышалась и степень оснащённости их измерительной аппаратурой. В этих условиях становилось всё труднее контролировать работу установок по
показаниям местных приборов, установленных непосредственно на оборудовании. Поэтому появилась необходимость в применении приборов с дистанционной передачей показаний в пункты контроля и управления агрегатами.
Современная тепловая электростанция представляет собой сложный комплекс одновременно действующих агрегатов, механизмов и устройств, расположенных на значительных расстояниях друг от
друга. Так, например, энергоблок мощностью 200 МВт имеет более 50 механизмов собственных
нужд, около 250 запорных органов, свыше 70 автоматических регуляторов и более 15 устройств тех-
- 82 нологической защиты. Общее число измеряемых параметров достигает 300, а при пуске энергоблока
последовательно выполняется около 1000 логических операций.
Ввиду этого наиболее важные приборы технологического контроля, а также аппаратура дистанционного управления, сигнализации, автоматического регулирования, блокировки, тепловой защиты
сосредотачиваются на специальных теплотехнических щитах, устанавливаемых в местах нахождения дежурного персонала. На электростанциях применяются индивидуальные, групповые и блочные
теплотехнические щиты.
Индивидуальные щиты обслуживают отдельные агрегаты или установки станции и располагаются вблизи них, например, парогенератор, турбоагрегат, питательно-деаэраторную установку. Групповые щиты объединяют в одном месте аппаратуру контроля и управления, относящуюся к нескольким однотипным агрегатам или установкам.
Блочные щиты служат для управления связанными и выделенными в один общий блок парогенератором, тубоагрегатом, генератором, иногда трансформатором с их вспомогательным оборудованием. Как правило, эти щиты применяются на мощных тепловых электростанциях с высокими параметрами пара, имеющих блочную компоновку основных агрегатов, и устанавливаются в специальных помещениях по одному на один или два соседних блока.
По своему назначению теплотехнические щиты разделяются на оперативные основные и неоперативные (вспомогательные). Оперативные щиты являются главными пунктами контроля и управления тепловыми агрегатами.
На этих щитах устанавливаются лишь важнейшие приборы, необходимые для наблюдения за режимом работы оборудования. С оперативного щита дежурный персонал не только контролирует работу установки по показаниям приборов и устройств теплотехнической и аварийной сигнализации,
но и оперативно руководит ею при помощи аппаратуры дистанционного управления, регулирующими и запорными органами агрегатов.
Неоперативные щиты служат для размещения приборов теплотехнического контроля и автоматической аппаратуры, не являющихся необходимыми для оперативного управления агрегатами. К неоперативным щитам относятся щиты самопишущих приборов. На этих щитах устанавливаются самопишущие и суммирующие приборы, необходимые для учёта и последующего анализа работы
оборудования.
По своему устройству теплотехнические щиты разделяются на два основных вида: шкафные (или
закрытые) и панельные (или открытые).
Они выполняются полногабаритными, приспособленные для установки на полу, и малогабаритными, служащими для крепления на стене, колонне и т п. Полногабаритные щиты изготавливаются в
виде отдельных однопанельных щитов, предназначенных для индивидуальной установки и служащих для комплектации (сборки) многопанельных щитов.
Малогабаритные щиты имеют закрытую коммуникацию, защищённую от механического воздействия и пыли, и прокладываемую на внутренних стенках, на которых одновременно закрепляются и
другое оборудование щитов.
Наиболее распространёнными на тепловых электростанциях являются полногабаритные шкафные
щиты типа ЩШ. Они выполняются закрытыми или открытыми с двух боковых сторон, открытыми с
правой или левой дверью, с задней дверью.
Размеры щитов в ширину и высоту обеспечивают свободный доступ внутрь при монтаже и обслуживании. При установке щиты прочно прикрепляются к полу помещения болтами. Малогабаритные щиты шкафного типа ЩШМ применяются для небольших установок и в качестве неоперативных щитов. Они отличаются друг от друга размерами и расположением дверей.
Панельные щиты выполняются в виде плоской открытой панели, значительно проще и дешевле
шкафных, но могут применяться только в чистых и просторных помещениях, так как их коммутация
не защищена от пыли и механических воздействий. Панельными обычно выполняются блочные щиты и щиты самопишущих приборов, устанавливаемые в отдельных помещениях. Полногабаритные
панельные щиты типа ЩП состоят из плоской отбортованной панели с боковой правой или левой
стенкой, применяемой для дополнительного размещения на ней с внутренней стороны вспомогательной аппаратуры.
Компоновка теплотехнических щитов зависит от принятой схемы управления работой электростанции и степени её автоматизации. На электростанциях наиболее распространены следующие ви-
- 83 ды компоновки теплотехнических щитов: на блочных электростанциях – блочные щиты управления,
на станциях с поперечными связями – групповые щиты для парогенераторов и индивидуальные для
турбин.
Общее руководство процессом эксплуатации всей электростанции осуществляется с центрального
электрического щита, который называется главным щитом управления. Он находится в особом помещении и связан с блочными, групповыми или индивидуальным щитами управления посредством
командной сигнализации и телефона. С главного щита управления подаются основные распоряжения, особенно при пусках и остановах оборудования и ликвидации аварии.
В целях экономии места и сокращения числа приборов для установки на щитах применяются
многоточечные самопишущие приборы, такие, как милливольтметры, потенциометры, уравновешенные мосты, и показывающие (милливольтметры, логометры, тягонапоромеры. Наиболее важные
по условиям эксплуатации приборы и устройства сигнализации располагаются обычно в центральной и верхней частях щита, что облегчает дежурному персоналу наблюдение за ними.
Для облегчения ориентировки среди большого количества аппаратуры, установленной на щите,
она снабжается пояснительными надписями над каждым прибором. С этой же целью на щите или
пульте иногда наносится упрощённая мнемосхема установки, выполненная в виде накладок из листовой стали.
На мнемосхеме в виде комплексов символов изображают технологическое оборудование и трубопроводы, на которых установлены дистанционно управляемые регулирующие клапаны, заслонки,
задвижки, шиберы, насосы, вентиляторы и т. д. Мнемосхему выполняют фасадных сторонах панелей
щитов или пультов и располагают таким образом, чтобы она была хорошо видна дежурному персоналу с рабочего места. В символы мнемосхемы, изображающие технологическое оборудование,
встраивают органы управления и световую сигнальную арматуру.
Серьёзным недостатком существующих схем контроля и компоновок щитов управления является
то, что дежурному персоналу приходится вести наблюдение за показаниями большого количества
приборов. При том дежурный персонал не всегда достаточно быстро может определить общее состояние обслуживаемого оборудования, что особенно необходимо при возникновении аварий. Поэтому для схем контроля и управления тепловой частью совре-менных электростанций характерна
тенденция к компьютеризации.
На экране компьютера заложены схемы технологических процессов в цвете, и оператор может наглядно видеть и управлять технологическими процессами не сходя с места. Информационно-вычислительные устройства могут выполнять автоматическое вычисление и печатание на бланках основных технико-экономических показателей работы оборудования.
1.7.3. Блочный щит управления
Блочный щит управления представляет собой комплекс устройств, состоящих из пультов и панелей с контрольно-измерительной и пускорегулирующей аппаратурой. Большое количество операций, выполняемых с блочного щита управления (сокращённо БЩУ), требует такого взаимного расположения аппаратуры и приборов, которое бы обеспечило удобное обозрение и пользование всем
необходимым для управления.
БЩУ выполняются из двух основных частей: оперативной и неоперативной. Оперативный конструктивно выполняется в виде вертикальных приборных панелей и противостоящего им пульта
управления. В отдельных случаях БЩУ включает в себя мнемосхему, которая размещается либо над
панелями, либо на наклонной плоскости пульта. В неоперативном контуре БЩУ располагаются панели с приборами вспомогательного назначения, которые располагаются в пределах видимости оператора, и панели с регуляторами и вспомогательной аппаратурой, размещаемые в специальных помещениях.
Например, общее количество точек измерения для блока мощностью 300 МВт, работающего на
угольной пыли, составляет около 2000:
Параметры
Количество точек измерения.
Температура……………………………………………………1160
Давление………………………………………………………..420
Расход……………………………………………………………50
Уровень……………………………………………………….….55
- 84 Механические величины (число оборотов,
вибрация и т. д.)………………………………………………….45
Электрические величины…………………………………..……45
Состав вещества……………………………………………….…15.
Теплотехнический контроль на тепловых электростанциях реализуется на базе государственной
системы обеспечения единства измерений (сокращённо ГСИ). Её принципы: унификация, блочномодульный принцип, повышение точности, надёжности. При выборе прибора и оценки его качества
и свойств пользуются метрологическими характеристиками средств измерения.
Контрольные вопросы к Теме 1.7.
№
п/п
1.
2
Вопрос.
Ответ.
Консультации
А. Информационно-измерительная.
Какая подсистема не входит в со- В. Технологической сигнализации.
Стр. 161
став АСУ ТП?
С. Усилительно-деформационная.
D. Дистанционного и автоматического управления.
Е. Автоматического регулирования и
технологических защит.
А. Стабилизация.
Какой принцип не входит в Госу- В. Унификация.
Стр. 161
дарственную систему обеспечения С. Блочно-модульный.
единства измерений (ГСИ)?
D. Повышение точности.
Е. Повышение надёжности.
- 85 -
Раздел 2. Автоматизация теплоэнергетического оборудования
Тема 2.1. Основные понятия управления, автоматизации,
автоматическая система регулирования
2.1.1. Автоматическая система управления
На тепловых электростанциях основные технологические процессы получения тепловой и электрической энергии происходят непрерывно.
Особенностью этих процессов является то, готовый продукт – электроэнергия и теплота, содержащаяся в паре или горячей воде для нужд промышленных предприятий и теплофикации, не могут
храниться на складе так называемой «готовой продукции» и должны быть использованы одновременно с их получением.
При изменении потребления пара или электроэнергии должна соответственно изменяться и их
выработка. Несоответствие выработки и потребления пара и электроэнергии приводит к изменениям
качества вырабатываемого продукта: частоты и напряжения электрического тока, температуры, давления и количества отпускаемого электростанцией пара.
Для экономичной и надёжной работы оборудования электростанции необходимо поддерживать
постоянными температуру и давление пара перед турбиной, разрежение в топке парогенератора, содержание кислорода в уходящих газах и многие другие показатели, характеризующие технологический процесс получения тепловой и электрической энергии.
Изменениям расхода электроэнергии и теплоты, зависящим от потребителя, должны соответствовать изменения в подаче исходных продуктов, необходимых для поддержания нагрузки: топлива,
воздуха и воды.
Задача поддержания нагрузки электростанции в соответствии с нуждами потребителя является
первой задачей автоматизированных систем управления, сокращённо АСУ.
Второй задачей АСУ является поддержание всех показателей, характеризующих технологический
процесс, в заданных пределах.
Кроме задач непрерывного поддержания нагрузки и показателей, характеризующих технологический процесс, на АСУ возлагаются следующие задачи:
1. Дистанционное управление агрегатами.
2. Теплотехнический контроль (измерение) текущих значений параметров технологического
процесса.
3. Технологическую сигнализацию о состоянии основного и вспомогательного оборудования.
4. Автоматическую защиту основного и вспомогательного оборудования от возможных повреждений в процессе эксплуатации.
5. Автоматическое непрерывное регулирование, обеспечивающее автоматическое поддержание
технологических параметров в нужных пределах.
6. Логическое управление, обеспечивающее автоматическое включение или отключение регуляторов, машин, механизмов и установок в заданной последовательности.
Технологическая установка или её часть, в котором должен поддерживаться нормальный режим
работы за счёт воздействий извне, называется управляемым объектом. Устройство, осуществляющее
автоматическое управление, называется автоматическим управляющим устройством. Управляемый
объект и автоматическое управляющее устройство, взаимодействующие между собой, образуют в
совокупности систему управления.
Автоматическая система управления подвергается различным воздействиям: внешним и внутренним. Под внешним воздействием понимается воздействие на автоматическую систему управления
внешней среды или устройств, не являющихся частью этой системы. Внутреннее воздействие – это
воздействие одной части автоматической системы управления на другую.
На тепловых электростанциях в большинстве случаев применяются автоматические системы
управления с замкнутой цепью воздействия. Управляющее воздействие вырабатывается в результате
сравнения истинного значения управляемой величины, измеряемого чувствительным элементом
средства измерения ЧЭ с заданным значением, которое формируется в задающем устройстве ЗУ.
Разность этих сигналов поступает в функциональное устройство ФУ, формирующее вид и характер
- 86 управляющего воздействия, затем усиливается в усилителе У до значения, достаточного для перемещения исполнительного механизма ИМ и регулирующего органа РО с требуемой скоростью.
Таким образом, управляющее устройство
оказывает управляющее воздействие на объект. В свою очередь объект через чувствительный элемент ЧЭ оказывает на управляюЧЭ
У
ФУ
щее устройство контрольное воздействие. Автоматическая система с такой замкнутой цепью называется автоматической системой регулирования (АСР).
Чувствительный
элемент,
задающее
ИМ
устройство функциональное устройство, усилитель и исполнительный механизм являются
Управляющее устройство
ЗУ
элементами автоматического устройства, ко(регулятор)
торое в целом называется регулятором.
Система регулирования, обеспечивающая
поддержание управляемой величины на поРис. 2.1.1.
стоянном значении, называется стабилизирующей автоматической системой регулироварующей автоматической системой регулирования. Такие
получили
наиболее
широкое
расния. системы
Такие системы
получили
наиболее
широпространение для регулирования технологических процессов
на
тепловых
электростанциях.
кое распространение для регулирования техВ ряде случаев возникает необходимость поддерживать
управляемую
величину
в зависимости
от
нологических
процессов
на тепловых
электрокакой-либо другой величины, изменяющейся по произвольному
закону,
например,
подавать
воздух
в
станциях.
топку парогенератора пропорционально количеству сжигаемого топлива. Такая система называется
следящей автоматической системой регулирования.
Автоматическая система регулирования, которая должна изменять управляемую величину в соответствии с заранее заданной во времени программой, называется программной автоматической системой регулирования. В этом случае задание регулирующему устройству должно меняться во времени по заданному закону.
Итак, автоматическая система регулирования состоит из регулируемого объекта, в котором совершается автоматизируемый процесс, и внешнего по отношению к объекту устройства, называемого автоматическим регулятором или просто регулятором. Регулятор воздействует на процесс с целью поддержания некоторого определённого значения его характеризующей регулируемой величины (параметра) без вмешательства человека.
Воздействие на процесс осуществляется с помощью регулирующего органа. Та часть регулируемого объекта, в которой непосредственно осуществляется процесс регулирования, называется регулируемым участком.
В регулируемый участок непрерывно поступает вещество или энергия – регулируемая среда, которая затем отводится него. Таким образом, в регулируемом участке имеет место приток и сток регулируемой среды. В качестве примера можно взять регулирующий объект – бак, в который поступает и из которого вытекает (с помощью насоса) вода и в котором требуется поддержать постоянным некоторый уровень воды. Регулируемый параметр – это уровень (1). Уровень не будет изменяться только при равенстве притока и стока регулируемой среды (воды) в регулируемом участке, то
есть при наличии в нём динамического равновесия между притоком и стоком воды.
Элементы, входящие в автоматическую систему регулирования, обладают свойством направленного действия, передают поступающие сигналы в одном направлении. Свойство направленности
действия автоматической системы регулирования позволяет расчленять их на отдельные участки
или звенья и исследовать систему по частям.
Рассмотрим автоматическое регулирование уровня воды на примере бака (рис. 2.1.2).
Регулирующий орган (5) может открываться или закрываться с помощью электродвигателя с редуктором (4), который называется сервомотором или исполнительным
механизмом. Электродвигатель управляется контактной системой (3), которая называется командноусилительным или управляющим устройством. Здесь это устройство
РО
объект
управляемая
величина
- 87 выполняет и функции измерения, то есть сравнения значения регулируемой величины, определяемого положением поплавка (2), который называется чувствительным элементом. Чувствительному
элементу (поплавку) задано определённое значение поддержания уровня воды, которое определяется
положением контактной системы. При замыкании верхних контактов сервомотор закрывает регулирующий орган (задвижку). При замыкании нижних контактов регулирующий орган, наоборот, открывается. Верхние и нижние контакты разомкнуты при нормальном или заданном уровне воды.
Таким образом, регулятор начинает работать при отклонении уровня от заданного или номинального своего значения. Это отклонение называется рассогласованием. Совокупность чувствительного
элемента, измерительного и командно-усилительного устройства, сервомотора и возможно других
элементов, внешних по отношению к объекту, является автоматическим регулятором.
В этом примере перемещение регулирующего органа
совершается сервомотором с помощью внешнего постороннего источника энергии—электрической.
Регуляторы, использующие для своей работы внешнюю
энергию, называются регуляторами с усилением или регуляторами непрямого (ещё название – косвенного) действия. Имеются ещё регуляторы прямого действия.
Примером такого регулятора служит поплавковый прямодействующий регулятор уровня (бачок унитаза). Здесь
поплавок сам закрывает регулирующий орган или открывает его при изменении уровня. В прямодействующих регуляторах сервомотор отсутствует,
элегуляторах а чувствительный
сервомотор отсутРис. 2.1.2.
мент, измерительное и управляющее
устройство
обычно
ствует, а чувствительный элеобъединены.
мент, измерительное и управляющее устройство обычно
объединены.
Систему автоматического регулирования можно изобразить в виде скелетно-функциональной
схемы (рис. 2.1.2). Она состоит из следующих элементов: регулирующий участок (1), регулирующий
орган (5), чувствительный элемент (2), измерительное и управляющее устройства (3), сервомотор
(4). Стрелками изображены связи между элементами схемы и направление их действия. У каждого
элемента схемы есть входная и выходная величины. Так, для регулируемого объёкта (пример бака)
входной величиной является разность между притоком и стоком воды, а выходной величиной – изменение регулируемой величины – уровня воды. Для чувствительного элемента входной величиной
является изменение уровня, а выходной – перемещение поплавка. Для сервомотора входной величиной является напряжение на его зажимах, а выходной – изменение положение вала. Очевидно, что
поведение системы автоматического регулирования может обусловливаться как свойствами регулируемого объекта, так и свойствами регулятора.
Элементы регулятора могут быть условно объединены в единое устройство-регулятор. Для регулятора прямого действия (сливной бачок) это объединение осуществлено конструктивно (в одном
корпусе). Тогда скелетная схема того регулятора
будет
выглядеть проще. Такое объединение удобРис. 2.1.3.
1
но при идеализации регулятора и при рассмотре5
нии принципиальных вопросов системы регулирования (рис. 2.1.4 и 2.1.5).
сист
В этом случае входной величиной регулятора
4
2
является отклонение регулируемой величины от
В
её заданного значения, а выходной--отклонение
вала сервомотора. Все рассмотренные системы регулирования состоят из одного регулируемого объекта и одного регулятора, и их функциональные
3
регулятора, и их функциональные схемы предпрставляют
ставляют собой один единственный замкнутый
контур. Такого рода системы автоматического
- 88 регулирования называются одноконтурными. Они являются простейшими и широко распространёнными системами. Однако в практике регулирования встречаются и более сложные системы с несколькими замкнутыми контурами, которые называются многоконтурными. В рабочем состоянии
система автоматического регулирования является замкнутой или составляет замкнутую цепь. В отличие от замкнутых автоматических систем регулирования существуют разомкнутые системы, которые могут быть получены при устранении одной из свяРис. 2.1.4.
Объект
зей замкнутого контура. Подавляющее большинство промышленных АСР, применяемых в энергетике, относится
к замкнутым системам.
Итак, в автоматической системе регулирования всегда
имеется два основных взаимодействующих устройства:
регулятор
регулирующий объект (или участок) и сам регулятор.
Решение задач автоматического регулирования, а следовательно, исследование вопроса о поведении замкнутой
системы имеет ряд существенных принципиальных трудностей. Это обусловлено для теплотехнических регулируРис. 2.1.5. Объект
емых достаточной степенью точности получением уравв
нений высоких порядков или же уравнений в частных
производных, а также и нелинейных уравнений.
Для регуляторов же трудности обусловливаются налирегулятор
чием различных конструктивных особенностей, нару
шающих в какой-то мере заложенную в конструкции заз
кономерность их работы. Таким особенностями являются,
например, на наличие в регуляторах зоны нечувствительнапример, на наличие в регуляторах зоны нечувствительности,
люфты,
трения в исочленениях
и т. д.
ности, люфты, трения
в сочленениях
т. д.
Поэтому для уяснения физической сущности взаимодействия регулируемого объекта и регулятора
целесообразно в первую очередь проследить поведение простейшей регулируемого объекта и простейшего идеализированного регулятора.
2.1.2. Основные задачи теории автоматического регулирования
Системы автоматического регулирования (САР) в первую очередь должны удовлетворять ряду
требований общетехнического характера: надёжности, помехозащищённости, удобству эксплуатации, технологичности конструкции, минимальной стоимости, заданному весу и габаритам. Кроме
того, к ним предъявляется целый ряд требований, связанных со спецификой задач, решаемых САР.
Среди них основное место занимают требования по точности регулирования.
Требования по точности регламентируют величину ошибки, которая при любых условиях работы
системы не должна превосходить заданной величины. Как всякие динамические системы, системы
автоматического регулирования могут работать в двух основных режимах: установившемся и неустановившемся. Неустановившийся режим работы системы автоматического регулирования называется переходным или динамическим. Он может быть вызван либо изменением внешних воздействий, либо изменением параметров САР, либо совместным действием обоих этих факторов.
Под параметрами системы автоматического регулирования понимаются такие данные регулятора
и объекта регулирования, как передаточные числа, коэффициенты усиления, постоянные времени,
моменты инерции. Коэффициенты жёсткости пружин, ёмкости, индуктивности и сопротивления
электрических цепей и т. д.
В общем случае ошибки системы автоматического регулирования могут быть такими:
х(t)=xуст(t)+xп(t), где:
хуст(t) и хп(t) – ошибки САР в установившемся и переходном процессах (или режимах).
Отсюда вытекает: требования, предъявляемые к точности работы САР, могут быть разбиты на
требования по точности в установившихся режимах, ограничивающих ошибки в установившемся
режиме хуст, и требования по точности в переходных режимах. Накладывающие ограничения на
ошибку хп.
Возмущения, действующие на систему автоматического регулирования, обычно представляют
непрерывные функции времени, закон изменения которых трудно предугадать. Поэтому основным
- 89 режимом работы любой системы автоматического регулирования является неустановившийся переходный режим.
При исследовании системы автоматического регулирования следует рассматривать совместно поведение системы автоматического регулирования как в установившемся, так и в переходном режимах. Поведение САР как в статике, так и в динамике существенным образом зависит от того, как изменяются внешние воздействия, приложенные к системе.
Как правило, реальные законы изменения внешних воздействий заранее неизвестны. Это не относится к закону изменения задающего воздействия в системах автоматической стабилизации и программного регулирования. Чтобы обойти эту трудность,
при исследовании системы автоматического регулирования часто ориентируются на так называемые
типовые законы изменения внешних воздействий, в качестве которых
принимают наиболее вероятные, либо наиболее неблагоприятные законы изменения задающего и
возмущающего воздействия.
Момент приложения внешнего воздействия к системе в теории автоматического регулирования
обычно принимается за нуль отсчёта времени. При таком подходе все внешние воздействия для отрицательных моментов времени t считается равными нулю. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство,
в аналитическое выражение для внешнего воздействия в качестве множителя вводят единичную
ступенчатую функцию:
 0, если t 0
1.
1(t)= 
-- единичная ступенчатая функция.
 1, если t  0
2.
у(t)=уmax·Sin(ωf·t+φf)·1(t) – гармоническое типовое воздействие, где:
уmax – амплитуда гармонического сигнала;
ωf – круговая частота;
φf – начальный фазовый сдвиг.
 0, если t  0
3.
δ(t)= 
-- математическая идеализация импульса бесконечно малой дли , если t  0
тельности, имеющего конечную площадь, равную единице.
Типовые воздействия могут иметь весьма сложную форму, определяемую экспериментальным
путём. Какое бы ни было типовое воздействие, оно всегда вызывает в САР переходный процесс. Если этот процесс затухает, то после его окончания система приходит в установившееся состояние.
Вопрос оценки точности работы в установившихся режимах САР решаются сравнительно просто
как при типовых, так и при случайных воздействиях.
Точность работы САР в установившихся режимах оценивается по величине установившейся
ошибки:
хуст=ℓim х(t)
t→ ∞
Чем меньше эта ошибка, тем выше качество САР. Наиболее трудной задачей является изучение
поведения САР в неустановившихся режимах. Это объясняется сложностью САР. Для упрощения
исследования динамики САР обычно разбивают на исследование устойчивости и исследование качества переходных процессов.
Для удовлетворительной работы САР прежде всего необходимо, чтобы возникающие по тем или
иным причины начальные отклонения регулируемой величины от требуемого закона её изменения с
течением времени стремились к нулю. Системы регулирования, обладающие этим свойством, называются устойчивыми. В устойчивых системах переходные процессы затухают. Неустойчивые системы характеризуются расходящимися переходными процессами. Следовательно, любая САР прежде
всего должна быть исследована на устойчивость. При этом устойчивость системы должна быть
обеспечена с некоторым запасом, предусматривающим изменение параметров системы в процессе её
эксплуатации.
Выполнение требований по устойчивости гарантирует лишь факт затухания переходных процессов с течением времени. Время затухания и форма переходных процессов при этом могут быть любыми. Поэтому устойчивость является необходимым, но далеко недостаточным условием практической пригодности системы автоматического регулирования.
- 90 Качество САР характеризует её поведение в неустановившихся режимах. Достаточно полное
представление о качестве САР можно получить, располагая кривой изменения во времени регулируемой величины у(t) или ошибки х(t) при тех или иных типовых воздействиях. В общем случае ввиду
сложности САР теоретическое построение процессов у(t) или х(t) требует трудоёмких вычислений.
В связи с этим при исследовании качества САР обычно широко используются различные критерии
качества, представляющие собой числовые характеристики, зависящие от структуры и параметров
системы.
Исследование устойчивости и качества САР должно производиться в тесной связи с исследованием её поведения в установившихся режимах. Поэтому основными проблемами теории автоматического регулирования являются:
1. Проблема точности работы системы автоматического регулирования в установившихся режимах.
2. Проблема устойчивости.
3. Проблема качества.
Изучение этих проблем и разработка на основе этого изучения инженерных методов анализа и
синтеза САР являются важнейшими задачами теории регулирования.
Анализ -- это исследование готовой САР с целью определения её свойств и путей их улучшения.
Синтез – это проектирование САР, удовлетворяющей поставленным требованиям.
Синтез САР обычно выполняют в следующие этапы:
1. Изучение объекта регулирования, условий его работы и основных возмущений.
2. Формулировка требований, предъявляемых к системе автоматического регулирования.
3. Выбор принципа регулирования и первоначальной схемы регулятора.
4. Выбор элементов регулятора.
5. Выбор и расчёт элементов регулятора и их параметров на основе требований, предъявляемых
к статическим и динамическим свойствам системы.
6. Экспериментальное исследование системы автоматического регулирования и её отдельных
частей в лабораторных условиях.
7. Изготовление и монтаж.
8. Наладка системы автоматического регулирования в реальных условиях.
9. Опытная эксплуатация системы автоматического регулирования.
При проектировании системы автоматического регулирования в равной мере используются как
теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Применение теоретических методов
анализа и синтеза требует предварительного математического описания системы автоматического
регулирования. Система уравнений, описывающих работу системы регулирования, называется математической моделью САР.
Обычно математическое описание системы автоматического регулирования приводит к системе
дифференциальных, интегральных, дифференциально-разностных
или разностных уравнений.
В зависимости от характера математической модели все системы автоматического регулирования
делятся на обыкновенные линейные, особые линейные и нелинейные.
2.1.3. Физическая сущность процесса регулирования
Рассмотрим физическую сущность взаимодействия регулируемого объекта и регулятора, то есть
поведение системы автоматического регулирования в переходном процессе. Для этого воспользуемся той же схемой автоматического регулирования с баком и сервомотором, но представим, что состоит она из простейшего одноёмкостного регулируемого объекта и идеализированного регулятора с
постоянной скоростью сервомотора.
Простейшим одноёмкостным регулируемым объектом называется такой объект, регулируемую
среду в котором можно представить как бы сосредоточенной в одной точке (в одной ёмкости). Под
идеализированным регулятором подразумевается такой регулятор, в котором строго соблюдается
заложенный в его конструкции закон регулирования без каких-либо искажений, обусловленных трением, люфтом, нечувствительностью и тому подобное.
Пусть до начала переходного процесса существует состояние динамического равновесия, то есть
приток воды в бак равен её стоку и уровень воды, в баке. Следовательно, занимает некоторое неиз-
- 91 менное начальное положение Н0. При этом контакты регулятора (3) разомкнуты. В какой-то момент
времени t0 сток внезапно начнёт уменьшаться, то есть системе наносится ступенчатое возмущение.
Уровень начинает расти, и включается регулятор, стремящийся прикрыть регулирующий орган (задвижку).
В момент времени t1 регулятор настолько прикроет регулирующий орган, что приток станет равным новому стоку. Уровень остановится, достигнув максимума. Но он выше нормального, и регулятор будет продолжать закрывать регулирующий орган. При этом уровень начнёт падать, в момент
времени t2 достигнет своего заданного значения, и регулятор выключается. Так как сервомотор работает с постоянной скоростью, то отрезок времени, нужный уровню для достижения максимума и
отрезок времени, необходимый для его возвращения к норме, должны быть равны между собой, то
есть t2-t1=t1-t0. Также будут равны избыток и недостаток воды в баке за те же отрезки времени. Следовательно, в момент времени t2 разность между притоком и стоком воды снова будет равна первоначальной, но с обратным знаком.
Процесс начнётся вновь и будет протекать так же, но в обратном направлении. Уровень опустится
на величину, равную первоначальному подъёму при одновременном закрытии регулирующего органа, а затем возвратится к норме. Так возникнут незатухающие колебания притока и уровня.
Таким образом, в этом процессе регулируемая величина (уровень), регулирующий орган, приток
регулируемой среды, выведенные из состояния равновесия, будут дальнейшем совершать незатухающие колебания с постоянной амплитудой. Эти колебания будут незатухающими только на этом
примере только при идеализированном регуляторе. Отступление от условий идеализации приведёт к
тому, что процесс станет расходящимся, то есть будет протекать с постепенным увеличением амплитуды колебаний. О причинах мы уже говорили: трение, люфты, нечувствительность и т. д.
Дело в том, что в данном примере изменение уровня воды в баке никак не влияет
ни на приток воды, ни на её сток, так как сток зависит только от числа оборотов насоса. Таким образом, сток, один раз изменившись скачком при возмущении (например, изменение числа оборотов
насоса), остаётся в дальнейшем постоянным.
Совсем по другому будет протекать процесс регулирования, если заменить сток воды с помощью
насоса заменить свободным сливом воды через трубу. В этом случае изменение уровня воды в баке
будет влиять на сток воды через трубу, и разность между притоком и стоком будет обусловливаться
не только изменением притока из-за работы регулятора, но и изменением стока за счёт изменения
уровня.
Это свойство объекта восстанавливать равновесие между притоком и стоком вещества или энергии (в данном случае воды) за счёт отклонения регулируемой величины (в данном случае – уровня),
называется самовыравниванием объекта. Чаще всего самовыравнивание называют саморегулированием.
Рассмотрим пример свободного
Незатухающие колебания
Затухающие колебания
стока воды с саморегулировав идеализированном регус самовыравниванием
нием. Пусть снова в начале
ляторе
без самовыр.
А1
А3
процесса приток воды в бак равен её стоку, уровень неподвиН0
жен и поплавок не замыкает
Рис. №2.1.6.
А2
контактов регулятора. В некостока воды. Уровень начинает подни
торый момент
нанесеторый момент времени нанесено возмущение скачкообразным изменением
стокавремени
воды. Уровень
но
возмущение
скачкообразначинает подниматься, а регулятор закрывать регулирующий орган. Но разность между протоком и
изменениеморгана, но и за
стоком теперь убывает не только за счёт перемещения регулятором ным
регулирующего
счёт увеличения стока при подъёме уровня. Следовательно, из-за подъёма уровня выравнивание
притока и стока произойдёт быстрее, а уровень поднимется меньше, чем в баке с насосом и без саморегулирования. Но так же, как и раннее, в момент выравнивания притока и стока и остановки в
подъёме уровня регулятор не остановится, а будет продолжать закрывать регулирующий орган, так
как уровень больше заданного. При достижении уровнем заданного значения регулятор переключится на открытие регулирующего органа. Однако в этот момент, в отличие от бака с насосом, разность между притоком и стоком будет меньше первоначальной.
Поэтому во втором полуколебании амплитуда изменения уровня будет меньше, а время работы
регулятора короче и т. д. Процесс будет носить характер затухающих колебаний. Затухание колеба-
- 92 ний появляется при изменении уровня, который влияет на величину стока (или притока), то есть при
саморегулировании. Несовершенства регулятора и в этом случае ухудшает процесс, то есть уменьшают затухание колебаний.
В том случае, когда уровень воды в баке не влияет на её приток и сток, можно также добиться,
чтобы процесс регулирования протекал с затуханием колебаний, но для этого необходимо принципиально изменить схему регулирования. Например, контактное устройство можно жёстко связать со
штоком регулирующего клапана. При перемещении клапана в сторону закрытия контактное устройство поднимается, а при обратном перемещении клапана – опускается. Следовательно, в равновесных режимах, соответствующих различным степеням открытия регулирующего органа (различным
нагрузкам), уровень, соответствующий разомкнутым контактам, будет иметь различную высоту. И в
этом случае колебания процесса затухают.
Таким образом, в этом случае заданное и поддерживаемое значение регулируемой величины ставится в зависимость от положения регулирующего органа, то есть от нагрузки объекта. Такое регулирование осуществляется с жёсткой обратной связью, и затухание процесса появляется уже не
вследствие свойства саморегулирования объекта, а ввиду нового свойства регулятора, который теперь работает с жёсткой обратной связью по положению регулирующего органа. И в этом случае несовершенства регулятора ухудшают процесс, то есть делают затухание колебаний более медленным
и при наличии жёсткой обратной связи. Однако можно добиться достаточного затухания процесса
путём надлежащей настройки регулятора, то есть путём выбора скорости перемещения регулирующего органа и подбора надлежащей зависимости заданного значения регулируемой величины от
нагрузки объекта, то есть от положения регулирующего органа.
Итак, и при отсутствии саморегулирования в регулируемом объекте можно осуществить процесс
регулирования в виде затухающих колебаний. Поведение автоматической системы регулирования
зависит как от свойств регулируемого объекта, так и тот свойств регулятора. Отсюда возникает
необходимость выявить и изучить те свойства объекта и регулятора, а также их отдельных элементов, которые оказывают влияние на процесс автоматического регулирования. Другими словами, требуется найти зависимости между входными и выходными величинами объекта и регулятора или их
отдельных элементов.
2.1.4. Показатели качества процесса регулирования
Итак, даже при регулировании простейших одноёмкостных объектов идеализированными регуляторами получается в общем случае колебательный характер переходного процесса. Для осуществления затухающего процесса была введена жёсткая обратная связь, обусловливающая так называемую
неравномерность регулирования. Теория и практика современного регулирования знают несколько
способов, применение которых даёт возможность получения затухающего процесса и без введения неравномерности
регулируемой величины, то есть при постоянном установившемся её значении для любых нагрузок объекта. КачеН зад
А1
А
ство таких процессов может быть оценено по ряду показаΔНк
телей. Затухание процесса, оцениваемое по степени затухания. Степенью затухания ψ называется отношение разности
Нпосле возмущения
tпр
двух соседних амплитуд колебаний, направленных в одну
А1  А
Рис. 2.1.7.

сторону, к первой из них:  
А1
Максимальное отклонение А1 регулируемой величины от её установившегося значения в процессе регулирования, называется динамическим отклонением или динамическим выбегом при определённой фиксированной величине возмущения.
Конечное отклонение регулируемой величины или её неравномерность ΔНк – это разность значений регулируемой величины в начале и конце процесса (обычно при единичном возмущающем
воздействии, например, полном стопроцентном, изменении нагрузки.
Продолжительность процесса регулирования tпр–это время, в течение которого отклонение регулируемой величины уменьшается и в дальнейшем остаётся меньше некоторого малого значения,
обусловленного определёнными причинами, например, технологическими допусками.
Н
- 93 2.1.5. Статические и динамические характеристики АСР
Одним из основных вопросов теории и практики автоматического регулирования является определение значения выходной величины в любой момент времени, как при установившихся режимах
работы САР, так и при нарушении этих режимов. Статическим режимом работы системы автоматического регулирования называется такой режим, при котором выходная величина во времени постоянна, а первая производная равна нулю:
dxвых
Хвых(t)=Х0 вых=const,
.
dt  0
При статическом режиме входные воздействия во времени постоянны или равны нулю, выходная
величина постоянна, то—система находится в состоянии равновесия. Свойства системы автоматического регулирования в установившемся режиме определяются статическими характеристиками.
Статической характеристикой системы автоматического регулирования называется зависимость
выходной величины от входной в установившемся режиме: х вых=у(хвх) Статические характеристики
системы автоматического регулирования могут быть линейными и нелинейными. Если статическая
характеристика системы прямолинейна, а динамические её свойства описываются линейным дифференциальным уравнением, то такая САР называется линейной.
Зависимости между входными и выходными величинами могут характеризовать равновесное состояние того или иного процесса. Примером такой статической зависимости может служить зависимость между количеством регулируемой среды Q, протекающей через регулирующий орган, и его
положением ℓ, называемая характеристикой регулирующего органа (рис. 2.1.8). Ещё пример: статической зависимостью может служить зависимость между электродвижущей силой (ЭДС) термопары
и температурой среды, в которую она погружена (рис. 2.1.9).
В некоторых других элементах под влиянием неизменного входного воздействия устанавливается определённая скорость изменения выходной
величины.
Такие
элементы
называются
Q б
а Е, мв
нейтральными. По отношению к нейтральным
элементам под статической характеристикой
понимают зависимость между входной величиной и скоростью изменения выходной величиℓ
t0С
ны, которая рассматривается как выходная вевеличины,
рассматривае
Рис. 2.1.8. которая
Характеристика
Рис 2.1.9. Характерис- личина. Примером такой зависимости является
регулирующего органа
тика термопары.
зависимость скорости перемещения поршня в
а – линейная б -- нелинейная
цилиндре от разности давлений жидкости, заполняющей полости цилиндра справа и слева от
поршня Δр, с ограниченным пределом изменения разности
давлений
Δрm. Такой механизм
называетпоршня
Δр, с ограниченным
пределом
изменеся гидравлическим сервомотором, так как он употребляется
в
системах
автоматического
регулирования разности
ния с гидравли ским усилением для перемещеРис. 2.1.10. d
ния регулирующего органа, сочленённого со
dtd
штоком поршня.
dt
Статические зависимости могут быть даны
Δр
не только в виде кривых на графиках, но также
могут быть записаны в виде уравнений. Так,
р1
ℓ
р2
-Δрm +Δрm
статическая характеристика гидравлического
сервомотора даёт в некоторых пределах прямокая характеристика
линейную зависимость между скоростью переме
мещения штока сервомотора и разностью давлений в его полостях Δр, то есть может быть описана
следующим уравнением:
d
 cр , где: Δр<±Δрm.
dt
с – постоянный коэффициент, учитывающий размерность.
Характеристики регулирующих органов часто осуществляются как прямолинейные, но в ряде
случаев имеют параболический или логарифмический характер. Другого рода зависимости между
- 94 входной и выходной величинами системы автоматического регулирования или её элемента имеют
место в переходных процессах, протекающих при нарушении равновесного состояния, то есть при
изменении входной величины (при возмущении). Такие зависимости называются динамическими
характеристиками. Динамические характеристики описывают реакцию системы или её элемента на
возмущение того или иного рода. Наиболее часто рассматривается реакция системы автоматического регулирования на возмущения вида «скачка» или «ступеньки», то есть однократного и мгновенного или вида гармонических колебаний.
Изменение выходной величины во времени является одной из возможных динамических характеристик процесса автоматического регулирования и называется кривой разгона. Зависимости отношения амплитуд выходных и входных колебаний и сдвига фаз между ними от частоты являются
также динамическими характеристиками системы, которые называются амплитудно-частотными.
фазо--частотными и амплитудно-фазовыми характеристиками. Эти характеристики описываются
дифференциальными уравнениями.
Один из основных вопросов теории и практики автоматического регулирования – это определение значения выходной величины в любой момент времени, как при установившихся режимах работы САР, так и при нарушении этих режимов. Анализ работы САР и её элементов
2.1.6. Переходные процессы в автоматических системах регулирования
Под влиянием внешних и внутренних воздействий в автоматических системах регулирования
возникают отклонения управляемой величины (параметра) от задающей величины. Процесс приведения управляемой величины, отклонившейся под влиянием воздействий к заданному значению за
счёт управляющего воздействия автоматического управляющего устройства (регулятора), называется переходным процессом регулирования или просто переходным процессом.
Характер переходного процесса зависит от размера и места приложения воздействия, свойств
управляемого объекта и управляющего устройства или более кратко – от свойств объекта и регулятора. В автоматических системах регулирования допустимы лишь два вида переходных процессов:
неколебательные и затухающие колебательные процессы. В системах регулирования могут возникать незатухающие колебательные переходные процессы с постоянной амплитудой. В автоматических системах регулирования тепловых процессов тепловых электростанций такие переходные процессы недопустимы, так как незатухающий колебательный процесс может перейти в расходящийся
колебательный процесс, когда амплитуда колебаний управляемой величины будет непрерывно увеличиваться. Система регулирования должна быть устойчивая. Если режим работы объекта нарушен
каким-либо воздействием, которое сохраняется во времени (например, изменилась нагрузка объекта), то регулятор должен вернуть регулируемую величину к исходному значению или установить
новое её значение, мало отличающееся от прежнего, но зависящее от размера возникшего воздействия. Характеристики управляемого объекта определяются его конструкцией и в процессе эксплуатации обычно не могут быть изменены. В регуляторах имеются органы настройки, с помощью которых можно в широких пределах изменять параметры настройки регулятора, добиваясь получения
наилучшего, или оптимального, переходного процесса в автоматической системе регулирования.
Метод исследования поведения АСР в переходных процессах с помощью дифференциальных
уравнений является универсальным и получил широкое распространение. Однако пользование им
при исследовании реальных систем ограничено прежде всего потому, что для его применения необходимо составить исходное дифференциальное уравнение. Эта задача во многих случаях сложных
энергетических объектов представляется весьма трудной.
2.1.7. Работы и методы исследований системы автоматического регулирования
Одним из основных вопросов теории и практики автоматического регулирования является определение значения выходной величины в любой момент времени, как при установившихся режимах
работы САР, так и при нарушении этих режимов.
Статическим режимом работы системы автоматического регулирования называется такой режим,
при котором выходная величина во времени постоянна, а первая производная равна нулю:
dx
Хвых(t)=Х0 вых=const, вых  0 .
dt
- 95 При статическом режиме входные воздействия во времени постоянны или равны нулю, выходная
величина постоянна, то—система находится в состоянии равновесия. Свойства системы автоматического регулирования в установившемся режиме определяются статическими характеристиками.
Статической характеристикой системы автоматического регулирования называется зависимость
выходной величины от входной в установившемся режиме: хвых=у(хвх).
Статические характеристики системы автоматического регулирования могут быть линейными и
нелинейными. Если статическая характеристика системы прямолинейна, а динамические её свойства
описываются линейным дифференциальным уравнением, то такая САР называется линейной.
2.1.8. Линеаризация уравнений переходных процессов
Обычно реальные системы автоматического регулирования нелинейны и описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Однако, если нелинейность незначительна, то характеристику в некоторых пределах можно считать линейной.
Условная замена системы с незначительной нелинейностью линейной системой с близкими свойствами называется линеаризацией. Линеаризация может осуществляться различными методами: методом перехода к малым отклонениям или малым возмущениям, когда нелинейная функция приближённо заменяется первыми двумя членами её разложения в ряд Тейлора; методом осреднения.
Рассмотрим сущность линеаризации первым методом. Пусть дана точная криволинейная зависиРис. 2.1.11.
мость между входной и выходной величинами системы. Возьмём точку а, соответствующую начальному
Хвых
рассматриваемому состоянию этой системы. Проведём
к этой точке касательную и заменим ею действительх0 вых
а
ную характеристику системы автоматического регулирования. Наклон приближённой линейной характехвх ристики (касательной) в точке а, очевидно, совпадает
с наклоном истинной нелинейной характеристики.
х0вх
Различие же соответствующих значений истинной и спрямлённой характеристики будет тем
меньше, чем меньше отличаются значения входной и выходной величин от их начального значения в
точке а. Разложим функцию, соответствующую истинной зависимости, в ряд Тейлора в окресностях
точки начального состояния системы. (Я даю это разложение в ряд Тейлора не для запоминания, а
для понятия).
dх
1 d 2 х вых
2
)  хвх
 ...
Хвых=хо вых+( вых )0·Δхвх+ (
2
2
dх вх
dх вх
dx
Отсюда: Δхвых=хвых-х0 вых≈kΔхвх, где: k=( вых ) 0
dxвх
Остальными членами, содержащими приращение входной величины (Δх вх) в степенях, больших
единицы, можно пренебречь при достаточной их малости. Чем меньше будет отклонение входной и
выходной величин и чем больше будет радиус кривизны нелинейной зависимости в рассматриваемой точке процесса, тем точнее будет линеаризация , то есть тем ближе к истинному процессу будет
процесс, описанный линеаризованным дифференциальным уравнением.
В большинстве случаев при рассмотрении систем автоматического регулирования приходится
иметь дело с относительно малыми отклонениями параметров системы от своего начального состояния и малой кривизной функциональной зависимости параметров. Это обстоятельство даёт возможность широкого использования для линеаризации дифференциального уравнения методом касательной или малых приращений без внесения существенных погрешностей в результаты исследования. В
других случаях изучение линейных моделей системы или её элементов позволяет разъяснить физическую сущность процесса и оценить его с качественной стороны, если даже количественно изучение линейной модели не может обеспечить точных результатов. По виду статической характеристики различают системы статические и астатические. В статических САР в установившемся режиме
выходная величина зависит от входной , то есть регулируемая величина от положения регулирую-
- 96 щего органа. В общем случае статическая характеристика такой системы может быть описана уравнением прямого вида: хвых=α0+kхвх, где: k=хвых/хвх – коэффициент усиления или передачи.
K=tga
Рис. 2.1.12.
Хвых
При наличии сухого трения, люфтов, зазоров, в это от носится ко
2h
всем реальным конструкциям, в регуляторах имеет место зона нечувствительности, которая обозначается 2h. А степень нечувствительности -- εр.
a
Зоной нечувствительности называются возможные пределы
α0
изменения регулируемой величины, на которое регулятор не реа2h
. Степень нехвх мин хвх макс хвх гирует. Степень нечувствительности равна: εр=
х ном
х
 х мин (или статизм) равен: δ=
.
равномерности (или статизм) равен:равномерности
δ= макс
.
хном
Неравномерность регулирования (или зона регулирования) равна: b=хмакс-хмин
Второй метод линеаризации зависимостей называется методом усреднения, то есть нелинейную
зависимость заменяют приближённой линейной зависимостью.
2.1.9. Свойства управляемых объектов
Теплотехнические управляемые объекты (турбины, котлы, отдельные теплообменники и т. д.)
весьма сложны, характеристики их могут изменяться в процессе эксплуатации, и точно рассчитать
их трудно, а порой и невозможно. Они объединяются общностью динамических свойств и характеристик. Поэтому широкое распространение получили экспериментальные методы определения динамических свойств объектов. Динамические свойства могут быть представлены в виде уравнений,
передаточных функций, частотных характеристик и кривых разгона. Наиболее часто экспериментально определяются кривые разгона и частотные характеристики.
Динамической характеристикой называется зависимость изменения выходной величины от входной во времени: у(t)=f[x(t)]. Одной из наиболее часто применяемых форм описания динамических
свойств элементов автоматических систем регулирования является кривая (характеристика) разгона.
0
Кривой разгона называется зависимость изменения выС Х
ходной величины во времени у(t) при нанесении на входе
100
х(t)
исследуемого объекта одно кратного воздействия ступенХ0
А
чатой формы х0(t)=А или у(t)=f[х(t)] при х(t)=А. При по20
строении кривой разгона по горизонтальной оси откладыt, с вается время в секундах, а по вертикальной–выходная ве0
Т
100
личина (температура и милливольты)
На рис. 2.1.13 показана кривая разгона у(t) термоэлекмВ Y
у(t)
трического преобразователя, полученная путём погружения его из помещения с температурой 200С в горячую во4
ду при 1000С – линия х(t). Вторичным прибором является
Δууст=kх0
милливольтметр. Наиболее часто экспериментально опреτ
деляются кривые разгона и частотные характеристики.
Для определения кривой разгона на входе исследуемого объекта при равновесном его режиме наносится стуРис.
пенчатое воздействие, обычно 15÷40% номинального зна0 28.
t, с
чения входной величины, и производится регистрация от0 40 80 120
клонения выходной величины во времени. По полученным
Рис. 2.1.13.
данным строится график кривой разгона. Эксперимент
считается законченным, если установились
новое значение
выходной
величины
или постоянная
скосчитается
законченным,
если
установились
новое значерость её изменения.
ние выходной величины или постоянная скорость её измеСкорость разгона определяется по углунения.
наклона касательной к кривой разгона в начале этого процесса, то есть по максимальной за процесс разгона скорости изменения регулируемой величины.
- 97 Рассмотрим определение динамических параметров объекта по полученной экспериментально
кривой разгона термоэлектрического преобразователя (рис. 2.1.14). Ограничим полученную кривую
разгона у(t) линиями снизу, соответствующими начальному значению выходной величины и сверху
– новому установившемуся её значению (верхний рисунок в осях х--t) входного воздействия х0 и коэффициенту усиления k или Δууст=kх0. Проведём касательную к кривой разгона в месте её наибольшей крутизны, то есть в точке перегиба. Отрезок на линии начального значения параметра с момента
нанесения возмущения до точки пересечения с касательной характеризует запаздывание в объекте τ,
а отрезок на линии установившегося значения выходной величины за вычетом времени запаздывания – постоянную времени объекта Т.
Определённые из кривой разгона динамические параметры объекта будут следующие:
постоянная времени т=52 с;
запаздывание τ=4 с.
коэффициент усиления k=5,7 мВ/800С=0,071 мВ/0С.
В нашем случае выходная величина объекта после нанесения возмущения устанавливается на новом значении. Такие объекты называются статическими объектами или объектами с самовыравниванием (или саморегулированием). Степень самовыравнивания обозначается буквой ρ, 0С/мВ, и представляет собой величину, обратную коэффициенту усиления, или ρ=1/k.
Примером может служить водосливная плотина. Здесь самовыравнивание на протоке равно нулю,
так как приток воды не зависит от напора у плотины, а самовыравнивание на стоке всегда больше
нуля. Можно представить и неустойчивые объекты, которые будучи раз выведены из состояния равновесия, не только не вернутся в него, но и переходный процесс в них будет протекать так, что регулируемая величина будет удаляться от своего начального значения со всё возрастающей скоростью.
В этом случае кривая разгона будет выглядеть так, как на рис. 2.1.14, и объект обладает отрицательным самовыравниванием. Однако теплотехнические регулируемые объекты такого рода в практике
до сего времени не встречались.
Регулируемые объекты по структуре могут быть разделены на простейшие
одноёмкостные, более сложные многоёмкостные и простейшие одноёмкостные,
более сложные многоёмкостные и объекты с распределёнными параметрами.
Наиболее благоприятными для автоматизации являются простейшие статичеt ские одноёмкостные управляемые объекты. Чем меньше коэффициент усиления
Рис. 2.1.14.
k или больше самовыравнивание ρ, тем меньше будут отклонения управляемой
величины в процессе регулирования.
величины в процессе регулирования. Однако обычно теплотехнические объекты включают несколько ёмкостей, что приводит к возникновению запаздывания, ухудшающего процесс регулирования.
Важным показателем при оценке динамических свойств объектов является отношение запаздывания
к постоянной времени: τ/Т.
Чем больше это отношение, тем труднее обеспечить поддержание управляемой величины вблизи
заданного значения. Сложные теплотехнические управляемые объекты имеют различные динамические свойства при разных видах воздействия, и поэтому кривые разгона необходимо снимать не
только по основному воздействию (со стороны регулирующего органа), но и по другим возможным
каналам.
Даже для сравнительно простых регулируемых объектов в настоящее время не всегда можно составить достаточно точное уравнение переходного процесса и тем более не всегда можно подсчитать
его коэффициенты. Поэтому в тех случаях, когда регулируемый объект реально существует, а не
только ещё проектируется, весьма целесообразно экспериментальное получение его динамических
характеристик.
Возмущения в объект могут поступать по нескольким каналам. Например, давление в парогенераторе может изменяться при изменении паровой нагрузки котла, при изменениях подачи топлива и
воздуха, при изменении температуры питательной воды и т. п.
Динамические свойства объекта неодинаковы при возмущениях разного рода. Для всестороннего
изучения свойств регулируемого объекта необходимо иметь его динамические характеристики для
всех возможных каналов возмущений.
Однако наиболее важными являются динамические характеристики, снятые при основном возмущении, то есть возмущения по каналу регулирующего воздействия, определяющие устойчивость
Х
- 98 автоматической системы регулирования. Экспериментально может быть получена любая из динамических характеристик: кривые разгона, импульсные кривые разгона и частотные характеристики.
2.1.10. Устойчивость САР и анализ качества процесса регулирования
Система регулирования должна быть устойчивой. Если режим работы объекта нарушен какимлибо воздействием, которое сохраняется во времени (например, изменилась нагрузка объекта), то
регулятор должен вернуть регулируемую величину к исходному значению или установить новое её
значение, мало отличающееся от прежнего, но зависящее от размера возникшего воздействия.
Характеристики управляемого объекта определяются его конструкцией и в процессе эксплуатации обычно не могут быть изменены. В регуляторах имеются органы настройки, с помощью которых можно в широких пределах изменять параметры настройки регулятора, добиваясь получения
наилучшего, или оптимального, переходного процесса в системе автоматического регулирования.
Прямой путь определения устойчивости системы автоматического регулирования состоит в отыскании корней характеристического уравнения системы. Однако этот путь оказывается весьма трудоёмким, если степень характеристического уравнения более трёх. Более распространённым является
исследование системы автоматического регулирования на устойчивость с помощью критериев
устойчивости, которые не требуют решения характеристического уравнения. Все эти критерии математически эквивалентны, так как формулируют в том или ином виде условия, при которых характеристическое уравнение замкнутой САР не имеет корней с неотрицательной вещественной частью.
Устойчивость системы автоматического регулирования – это необходимое, но не достаточное
условие её практической пригодности. Оценка качества САР ведётся по так называемым критериям
или показателям качества. Все критерии качества можно условно разделить на четыре группы: критерии точности, запаса устойчивости, быстродействия и комбинированные критерии.
Критерием точности служит значение ошибки в установившемся режиме, причём учитывается
ошибка не только от задающего, но и от возмущающего воздействия. Критерием запаса устойчивости определяют отдалённость системы от границы устойчивости. Используются два подхода для
оценки качества систем по этому критерию. Один подход основан на рассмотрении переходных
процессов системы, в частности, переходной функции. При этом критериями запаса устойчивости
служат величина перерегулирования и число колебаний переходного процесса, его затухание и колебательность.
Второй подход основан на изучении частотных свойств системы, поведения её частотных характеристик. В качестве критериев запаса устойчивости используют запасы устойчивости по амплитуде
и фазе, показатель колебательности. Оба эти подхода (временной и частотный) используются также
при оценке быстродействия системы. Критерием быстродействия в первом случае может служить
время затухания переходного процесса системы, а во втором – полоса пропускания амплитудной частотной характеристики замкнутой системы.
Временные критерии качества процесса регулирования называются прямыми в том смысле, что
при их помощи оценивается непосредственно процесс регулирования, возникающий при типовом
воздействии. Частотные критерии качества называются косвенными, так как оценка процесса регулирования производится по отображению этого процесса из области времени t в область частоты ω.
Обычно вычисления в частотной области проще, чем во временной. Это обстоятельство делает частотные критерии эффективным средством оценки качества процессов регулирования. К комбинированным критериям качества относятся обобщённые критерии, характеризующие одновременно
точность, запас устойчивости и быстродействие. Эти критерии ещё называются интегральными
оценками. Оценку качества процесса регулирования можно получить по кривым переходного процесса (это прямые показатели качества), по частотным показателям качества и интегральным оценкам.
2.1.11. Методы экспериментального получения динамических характеристик
регулируемых объектов
Для получения кривой разгона надо добиться на объекте устойчивого равновесного состояния, по
возможности мгновенно нанести возмущение в том возмущающем канале, для которого снимается
кривая, и записать изменение во времени значения регулируемой величины. Запись нужно произво-
- 99 дить до наступления нового состояния равновесия для объектов с самовыравниванием или до установления постоянной скорости изменения регулируемой величины для объектов без самовыравнивания. В течение опыта следует следить за тем, чтобы не возникали дополнительные возмущения
как по исследуемому каналу, так и по другим возможным каналам. Опыт нужно повторить два раза
(не меньше) при возмущениях одного знака и затем изменить знак возмущения. Опыт можно считать
проведённым удовлетворительным только при совпадении результатов. При наличии нелинейности
в регулируемом объекте опыты следует провести при нескольких, обычно трёх, различных нагрузках объекта, при этом следует давать для каждой нагрузки возмущения обоих знаков.
При снятии кривых разгона возмущения целесообразно наносить значительные (порядка
10÷20%), но не меньше, существующие малые эксплуатационные возмущения. С другой стороны,
возмущения должны позволить снять кривую разгона до конца, то есть до установления нового значения регулируемой величины для объектов с самовыравниванием и до изменения регулируемой величины с постоянной скоростью для объектов без самовыравнивания. При этом максимальное отклонение регулируемой величины не должно выходить за кратковременно допустимые технологические пределы. Следует иметь в виду, что при больших возмущениях на точность результатов может
отразиться влияние нелинейности объекта при изменениях его нагрузки. А затем снимаются показания и строится кривая разгона. Для получения импульсной кривой разгона необходимо прежде всего
добиться на объекте устойчивого состояния динамического равновесия, а затем по возможности
мгновенно нанести возмущение в том канале, для которого необходимо получить характеристику.
По прошествии некоторого небольшого отрезка времени Δtλ возмущение также, по возможности,
мгновенно снимается. C момента подачи возмущения и до конца процесса производится запись изменения возмущения и регулируемой величины во времени.
λ
Δtλ
В случае одноёмкостного участка без самовыравнивания, импульсная
кривая разгона будет иметь вид, как на рис. 2.1.15. В этом случае необхоλ0
Sλ
димо определить лишь один коэффициент -- скорость разгона ε. Он может
быть определён по тангенсу угла наклона прямой разгона к оси времени.
t
tgα=ελ. Но в то же время tgα=Δσm/Δtλ, отсюда: Δσm/Δtλ= ελ или:
σ
ε=Δσm/(λ0·Δtλ)=Δσm/Sλ,
где: Sλ – площадь, занятая импульсом возмущения.
Для одноёмкостного регулируемого объекта с самовыраниванием имα Δσ
пульсная кривая разгона будет иметь вид, как на рис. 2.1.16. В этом случае
необходимо определить скорость разгона ε и степень самовыравнивания ρ.
t Рис. 2.1.15.
Скорость разгона ε можно приближённо определить по формуле: ε=
t0
Δσm/Sλ, а степень самовыравнивания: ρ=∆σm/(ε∙Sλ)=Sλ/Sσ
ρ=Δσm/(ε·Sλ)= Sλ/Sσ.
Рис. 30.
Можно обрабатывать импульсную кривую линию и другим, боΛ
Δtλ
лее сложным способом. Получение и обработка частотных хаλ0
рактеристик в том случае, если на вход в регулируемый объект
t
можно подать гармонические колебания, не представляет серьёзных трудностей. После установления динамического равновеРис. 2.1.16. сия регулируемого объекта на него подаются гармонические
σ
возмущения с каким-то периодом Тω. Тогда на выходе уже через три-четыре периода устанавливаются также гармонические
колебания выходной (регулируемой) величины, сдвинутые по
Sσ ∆σm
фазе относительно входных. Построив графики изменения
Sσ Δσm
входной х0вх и выходной х0вых величины по времени, получается
tt
сдвиг по времени Δt между обеими синусоидами. Сдвиг по фазе
t
2
0 Х0вх
х
легко подсчитывается по следующей формуле: φ=Δt
.
Т
Х0вых
Δt
Тω
Отношение амплитуд входных и выходных колебаний
t также нетрудно определить. Меняя период входных
колебаний (возмущения), получится отношение амплитуд и сдвиг фаз для различных частот и, следовательно,
можно построить амплитудно-частотную, фазо-частотную и амплитудно-фазовую характеристики объекта.
- 100 Рис. 2.1.17.
Однако в большинстве случаев возбудить гармонические колебания входной величины (возмущение) не так-то просто. Гораздо проще получить колебания в виде прямоугольной волны. Для этого нужно скачком менять возмущение от 0 до ±λ0, например, переставляя регулирующий орган
мгновенно из одного положения в другое.
Если практически мгновенная перестановка регулирующего органа невозможна, то можно получить возмущение в виде трапециидальной волны. Динамические характеристики получают с помощью уравнений Фурье, которые являются сложными, поэтому их мы пока рассматривать не будем.
2.1.12. Звенья и структурная схема автоматической системы регулирования
Для упрощения количественного исследования процессов, происходящих при автоматическом
регулировании, САР разбивают на составные части, которые называются звеньями. В основу классификации звеньев положены их динамические свойства.
Под элементом (или звеном) систем автоматического регулирования подразумевается конструктивно обоснованная часть её, выполняющая определённые самостоятельные функции. По функциональному признаку любую систему автоматического регулирования можно представить состоящей
из следующих элементов: чувствительного (датчика), элемента сравнения, усилительного, исполнительного, регулирующего органа.
Переходные процессы в тех или иных простых элементах АСР описываются дифференциальными
уравнениями. Для теоретических исследований автоматических систем регулирования существенно
разделение её элементов не по конструктивным признакам, а по их динамическим свойствам. Любые
элементы или их самостоятельные части, описываемые одними и теми же дифференциальными
уравнениями, могут быть исследованы в общем виде, унифицированы и в этом случае носят название звеньев системы.
Особенно удобно для исследования разделение АСР на простейшие элементарные звенья, дифференциальные уравнения которых могут быть нулевого, первого и в крайнем случае не выше второго порядка. Такие звенья называются элементарными типовыми звеньями.
Не всегда каждый элемент системы автоматического регулирования приравнен с тем или иным
типовым звеном. Он может оказаться сложным. Однако в этом случае большей частью удаётся приравнять с типовыми звеньями отдельные части этого элемента. Преимущества метода разбиения системы на отдельные типовые звенья становятся особенно ощутимыми благодаря очень важному
свойству АСР – свойству направленного действия её элементов.
Структурная (или скелетная) схема системы автоматического регулирования отображает состав
звеньев, их динамические свойства, взаимосвязь звеньев между собой. На структурных схемах звенья условно изображаются прямоугольниками. Соединения между ними выполняются прямыми линиями со стрелками, указывающими направление передачи воздействий. Внешние воздействия также показываются стрелками.
При таком начертании структурная схема системы автоматического регулирования представляет
собой графическое изображение системы дифференциальных уравнений, описывающих работу САР.
По структурным схемам определяются передаточные функции системы автоматического регулирования.
В системах автоматического регулирования звенья могут соединяться в различных сочетаниях.
Различают три основных вида соединений элементарных звеньев: последовательное, параллельное и
встречно-параллельное.
Чувствительный элемент воздействует на управляющее устройство, но прак-тически не оказывает
никакого влияния на измеряемую им величину уровня воды в баке. Управляющее устройство воздействует на сервомотор, но это воздействие не распространяется на чувствительный элемент. Сервомотор перемещает регулирующий орган, но не оказывает влияния на управляющее устройство.
Регулирующий орган меняет расход регулирующей среды, но не изменяет положение вала сервомотора, несмотря на реакцию с её стороны.
Регулятор воздействует на регулируемый объект только через регулирующий орган (рис. 2.1.18),
но не через чувствительный элемент и, наоборот, регулируемый объект воздействует на регулятор
только через чувствительный элемент,
- 101 объект
но не через регулирующий орган.
Таким образом, все элементы, составляющие автоматическую
систему регулирования, воздействуют только на следующие за собой элементы системы, но не на предыдущие. Отсюда следует, что
система автоматического регулирования составлена из элементов
направленного действия или из детектирующих элементов.
Рис. 2.1.18.
Именно возможность разбивки системы автоматического регулирования на ряд элементарных типовых звеньев направленного
действия и определяет возможность упрощения методики исследования поведения рассматриваемых
систем в переходных режимах. Для такого исследования обычно составляют так называемую структурную схему системы регулирования, то есть такую схему, на которой указаны все элементы системы (например, как показан бак с водой и сервомотором). Звено называется пропорциональным,
если входная и выходная его величины пропорциональны друг другу, то есть: хвых=kхвх.
Кривая разгона пропорционального звена изображается так, как на рисунке.
Рис. 2.1.19
хвх
хвых
ℓ2
хвых
хвх
хвых
t
t
хвх
ℓ1
хвых
хвх
Пропорциональная зависимость между входной и выходной величинами осуществляется в рычаге, в паре шестерёнок и т. д.
Звено называется интегрирующим, если скорость изменения его выходной величины пропорциональна входной величине, или если входная и выходная величины звена связаны между собой дифференциальным уравнением:
dхвых
Рис. 2.1.20.
 kх вх
dt
хвх
хвых
k имеет размерность, обратную времени, то есть: 1/t.
Хвх
α
Дифференциальное уравнение можно выразить через
t
t
интеграл: хвых=k∫хвхdt, откуда и происходит его название, так как выходная величина пропорциональна интегралу от входной.
При скачкообразном однократном изменении входной величины х0вх выходная величина будет
равна: хвых=kхвхt, то есть в начале процесса при t=0 выходная величина будет равна нулю (хвых=0) и,
следовательно, значение выходной величины пропорционально времени (пропорционально). Таким
образом, кривая разгона интегрирующего звена является прямой, проходящей через начало координат наклонно к оси времени под углом, тангенс которого равен: tgα=kхвх. Кривая разгона изображена
на рисунке.
Примерами конструктивного воплощения интегрирующего звена может служить одноёмкостный
регулируемый объект без самовыравнивания (то есть рассмотренный нами бак с водой). Амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики интегрирующего звена выглядят следующим образом:
iI(ω)
ω
Рис. 2.1.21.
А(ω)
-π/4
0
R(ω)
тотически приближающуюся к координатн
φ(ω)
-π/2
- 102 Модуль амплитудно--фазовой характеристики обратно пропорционален частоте колебаний
А(ω)=k/ω, то есть представляет собой гиперболу, асимптотически приближающуюся к координат

ным осям. Фазовый сдвиг постоянен, отрицателен и равен - , то есть φ(ω)=- . В этом случае го2
2

ворят, что выходная величина отстаёт по фазе от входной на угол .
2
[ω – частота колебаний; R(ω) – частотная характеристика; А(ω) – амплитудно-фазовая характеристика, или модуль; φ(ω) – фазо-частотная характеристик, или фазовый сдвиг; iI(ω) – частотная характеристика)].
Звено называется апериодическим или инерционным первого порядка, если его входная и выходная величины связаны между собой следующим дифференциальным уравнением:
dx
Т вых  хвых  kxвх .
dt
В начальный момент времени t=0 и выходная величина также равна нулю (хвых=0). Кривая разгона апериодического звена представляет собой экспоненту, проходящую через начало координат и
асимптотически приближающуюся к значению хк вых=kхвх. Примером конструктивного воплощения
Хвх
апериодического звена может служить одноёмкостХвых
ный регулируемый объект при наличии самовыравнивания.
хвых
Амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная и фахвх
t
зо-частотная характеристики интегрирующего звена
t выглядят следующим образом (рис. 2.1.23):
Рис. 2.1.22.
А(ω)
iI(ω)
0
ω
k
k
-π/4
Рис.
2.1.23.
R(ω)
-π/2
φ(ω)
k/2
ω
φ(ω)
Амплитудно-фазовая характеристика представляет собой полуокружность с центром, лежащим на
действительной оси на расстоянии k/2 от начала координат, с радиусом, равным k/2. В апериодическом звене имеет место отставание по фазе выходной величины от входной. Идеальное дифференцирующее звено. Звено называется идеальным дифференцирующим, если его выходная величина
пропорциональна скорости изменения входной величины, то есть если связь между входной и выходной величинами звена записывается следующим уравнением:
dx
хвых  k вх .
dt
Коэффициент k носит название передаточного коэффициента (или коэффициента передачи).
При однократном скачкообразном изменении
Хвх
Рис. 2.1.24..
хвых
входной величины скорость изменения в момент скачка равна бесконечности, а до и после скачка она равна нулю. Следовательно,
=0
кривая разгона такого звена имеет вид, как на
Хвх
рис. 2.1.25, и теоретически переходный процесс в таком звене происходит мгновенно. В
t
t
л
момент скачка входной величины амплитуда
Рис. 2.1.25.
выходной величины теоретически равна бесконечности ∞.
- 103 Конструктивную схему идеального дифференцирующего звена можно представить как цепочка
СR,если в ней сопротивление R=0 и выходное напряжение снимается с этого сопротивления.
Так как практически строго осуществить такую схему нельзя,
С
dx
то и звено, описываемое таким уравнением хвых  k вх , отdt
Vвх
R
Vвых
влечённо и поэтому называется идеальным. Амплитуднофазовая, амплитудно-частотная и фазо-частотная характериРис. 2.1.26.
стики идеального дифференцирующего звена выглядят следудующим образом (рис. 2.1.27).
Реальное дифференцирующее
ющим образом
звено. Звено называется реальiI(ω)
А(ω)
φ(ω)
ным дифференцирующим, если

∞
его входная и выходная величины
2
связаны между собой дифферен

φ(ω)=
циальным уравнением такого ви2
4
да:
R(ω)
0
ω
0 2.1.27.
Рис.
ω
dx
dxвых
 х вых  k вх
dt
dt
Кривая разгона реального дифференцирующего звена представляет собой экспоненту, асимптоти-
ным уравнением следующего вида:
Хвх
Т
хвых
чески приближающуюся к оси времени и имеющую в начале процесса некоторую конечную
Рис. 2.1.28.
вели чину х0вых. tgα=х0вых/tп. В результате сложных преобразований получим tп=Т. Таким образом, физический смысл постояной времени Т
α
заключается в том, что она является подкасаt тельной к кривой разгона реального дифференtп
цирующего звена.
Х0
Хвх
T
Как видно из уравнения Т+хвых=k, реальное дифференцирующее звено тем ближе к идеальному, чем
меньше постоянная времени Т. Реальное дифференцирующее звено конструктивно может быть выполнено различными способами, и в частности, электрической цепочкой СR (рис. 2.1.29).
Рис. 2.1.29.
Здесь выходное напряжение снимается с сопротивления R: Vвх=Vс+VR.
С
Амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики идеального дифференцирующего звена выглядит так как показано на
рис. 2.1.30.
Амплитудно-фазовая характеристика имеет вид полуокружности с радиуVвх R
Vвых
k
сом, равным
, касающейся мнимой оси в начале координат при значении
2T
частоты колебаний, равной нулю (ω=0).
\
А(ω)
iI(ω)
φ(ω)
ω=0
π/2
k/T
φ(ω)
π/4
R(ω
ω=∞
ω
k/T
Рис. 2.1.30.
0
ω
- 104 Модуль амплитудно-фазовой характеристики R(ω) меняется от нуля до некоторого конечного
k

значения . Фазовый сдвиг положителен и при изменении частоты меняется от
до нуля. Таким
T
2
образом, и в реальном дифференцирующем звене выходная величина опережает по фазе входную.
2.1.13. Запаздывающее и инерционное звено второго порядка и их свойства
Звено называется запаздывающим, если его выходная величина изменяется так же, как изменялась входная величина на время запаздывания τ, то есть, если в момент времени t=0 входная величина, раннее неизменная, начала изменяться по определённому закону, то спустя время запаздывания τ по тому же закону начнёт изменяться и выходная величина.
В период же времени 0<t<τ выходная величина остаётся неизменной. Кривая разгона такого звена
имеет вид (рис. 2.1.31). Явление запаздывания имеет место, например, в регулируемых объектах, если возмущение, распространяясь в объекте с конечной
Хвх
хвых
скоростью, вызывает изменение регулируемой величины лишь спустя некоторое время.
Хвх
хвых
Так при регулировании в баке возмущение в виде
изменения подачи воды на стороне прито ка изменяет
подачу воды в открытый жёлоб, по которому вода подаt
ётся в бак. Время запаздывания здесь зависит от длины
τ
Рис. 2.1.31.
жёлоба.
Амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики выглядят следующим образом:
Амплитудно-фазовая характеристика запаздывающего звена является окружностью с центром в
начале координат и радиусом, равным единице, так как её модуль
равен единице. Фазовый же сдвиг отрицателен и пропорционален частоте ω.
Таким образом, в запаздывающем звеРис. 2.1.32.
не имеет место отставание по фазе выходных колебаний от входных, пропорциональное частоте колебаний.
Звено называется инерционным второго порядка, если его входная и выходная величины связаны между собой линейным дифференциальным уравнением второго
порядка:
Рис. 2.1.33.
А(ω)
iI(ω)
А(ω)=1
0
ω
1
ωτ

2
0,5
1
R(ω)
0
ω
φ(ω)
d 2 х вых
dx
φ(ω)=ωτ
Т
 Т 1 вых  хвых  kxвх .
2
dt
dt
Т
В зависимости от значения отношения 1 кривые разгона инерционного звена второго порядка
2Т 2
могут быть: затухающими, незатухающими и апериодическими.
2
2
- 105 Затухающий и незатухающий процессы мы уже на чертеже рассматривали, а апериодический выТ
глядит так, как на рисунке. Отношение ζ= 1 , определяющее характер протекания процесса, назы2Т 2
Рис. 2.1.34.
2
Хвых
вается коэффициентом затухания. Величина ω=
называется
Т
Т1
Хвых
2Т 22
называется степенью устойчивости. Если ζ≥1, то звено называетt
ся апериодическим второго порядка. Если ζ<1, то звено называется колебательным. При α=0 процесс будет выражен как незатуется апериодическим второго порядка. Если ζ<1, то звено называется колебательным. При α=0 прохающие колебания. Отношение m=
называется степенью коцесс будет выражен как

незатухающие колебания. Отношение
m= называется степенью колебательности.
лебательности.

Инерционное звено второго порядка конструктивно может быть представлено весьма различными
R1
R2
способами, один из них – на рис. 2.1.35 -- двойная цепочка
СR. Ещё можно представить в виде двух сообщающихся
Рис. 2.1.35.
баков с водой, в один бак вода наливается, а из другого
Vвх
С1
С2
Vвых
свободно вытекает.
круговой или угловой частотой колебаний, а величина α=
Амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики выглядят, как показано на рис. 2.1.36.
Рис. 2.1.36.
А(ω)
iI(ω)
ω=∞
0
ω=0 R(ω)
2
2
1
ω
-p/2
2
1
0
-p
ω
φ(ω)
1
Характер амплитудно-фазовой, амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик в зависимости от соотношения степени колебательности m, поэтому на графиках показаны характеристики процесса при двух значениях m.
Для инерционного звена второго порядка амплитудно-фазовая характеристика располагается в
двух квадрантах. Фазовый сдвиг колебаний при прохождении через колебательное звено отрицателен, то есть выходная величина в таком звене отстаёт по фазе от входной.
Контрольные вопросы к Теме 2.1.
№
п/п
Вопрос.
Ответ.
Консультации
А. Границы чувствительности.
1.
2.
Что определяют критерием запаса В. Границы саморегулирования.
Стр. 161
устойчивости системы автоматиче- С. Отдалённость системы от границы
ского регулирования?
устойчивости.
D. Границы регулирования.
Е. Отдалённость системы от границы
регулирования.
А. Временные
Какие критерии называются инте- В. Комбинированные
гральными оценками?
Стр. 161
С. Частотные
- 106 -
3.
Какое звено называется интегрирующим?
4. В каком звене имеет место отставание по фазе выходной величины от
входной?
5.
Какими не могут быть кривые разгона инерционного звена второго
порядка?
D. Амплитудными.
Е. Синхронными.
А. Если скорость изменения его выходной величины пропорциональна
входной величине.
Стр.161
В. Если входная и выходная его величины пропорциональны друг другу.
С. Если его выходная величина пропорциональна скорости изменения
входной величины
D. Если входная и выходная его величины не пропорциональны друг
другу.
Е. Если его выходная величина не
пропорциональна скорости изменения входной величины
А. В запаздывающем
С. В интегральном
Стр. 161
В. В апериодическом
D. В пропорциональном.
Е. Инерционном.
А. Затухающими
В. Незатухающими.
Стр. 161
С. Апериодическими
D. Фазовыми.
Е. Амплитудными.
- 107 Тема 2.2. Технические средства автоматизированных систем регулирования
2.2.1. Основные законы регулирования
Законом регулирования называется зависимость между регулирующим воздействия регулятора х р
на объект и отклонением регулируемой величины у от заданного значения.
Хр=f(у).
По виду этой зависимости различают следующие виды законов: интегральный, пропорциональный и пропорциально-интегральный и пропорционально-интегрально- дифференциальный.
Интегральные регуляторы (сокращённо И-регуляторы) производят перемещение регулирующего
органа со скоростью, пропорциональной отклонению управляемой величины у от заданного значения. Само перемещение регулятора хр при постоянном воздействии Δу будет пропорционально отклонению параметра и времени, в течение которого действует это отклонение:
Хр=εр. и·Δуt.
Коэффициент пропорциональности εр. и. являющийся параметром настройки регулятора, равен
скорости перемещения регулятора при отклонении регулируемой величины Δу на единицу её измерения:
хр
 р.и 
уt
Коэффициент εр. и называется приведённой скоростью регулирования. Интегральные регуляторы
могут устойчиво регулировать работу объектов, обладающих значительным самовыравниванием, и
после окончания процесса регулирования не дают остаточной неравномерности.
Пропорциональные регуляторы (сокращённо П-регуляторы) производят перемещение регулирующего органа хр пропорционально отклонению управляемой величины Δу:
Хр=kрΔу, где:
Kр – коэффициент усиления регулятора, являющийся параметром настройки регулятора, численно равен перемещению регулирующего органа при отклонении управляемой величины на единицу
её измерения.
Каждому значению управляемой величины у соответствует определённое положение исполнительного механизма и регулирующего органа хр. Это означает, что при различных нагрузках управляемого объекта управляемая величина удерживается регулятором на различных значениях, то есть
регулирование с П-регулятором происходит с остаточной неравномерностью или с остаточным отклонением. Пропорциональные регуляторы обеспечивают устойчивое регулирование большинства
промышленных объектов. Пропорциональный закон регулирования в регуляторах непрямого дейстРО
объект
у
вия обычно получается за счёт введения
обратной связи ОС на вход регулятора по
положению исполнительного механизма
(рис. 2.2.1).
Хр
ЧЭ
На
вход
командноусилительного
устройства. У регулятора подаются и
сравниваются сигналы по управляемой
ИМ
ЗУ
величине у через чувствительный элемент ЧЭ, от задающего устройства ЗУ и
У
по положению исполнительного мехаРис. 2.2.1.
ОС
низма ИМ. Исполнительный механизм
характеризует управляющее воздействие
регулятора. Чем больше будет сигнал обУ
2
kр2 <kр1
ратной связи, подаваемый на вход регуРис. 2.2.2.
лятора, тем большими будут отклонения
управляемой величины при одном и том
же изменении нагрузки, то есть остаточ1
ная неравномерность будет увеличиваться. Это соответствует уменьшению коэфt
фициента усиления регулятора kр.
- 108 Процесс регулирования при этом будет более устойчив (кривая 2), см. рис. 2.2.2. Пропорционально-интегральный регулятор (сокращённо ПИ-регулятор) производит перемещение регулирующего
органа пропорционально отклонению и скорости отклонения управляемой величины. Таким образом, ПИ-регулятор по своему действию равнозначен действию двух регуляторов -- пропорционального и интегрального, воздействующих одновременно на один регулирующий орган. ПИ-регуляторы
позволяют устойчиво без остаточной неравномерности регулировать работу большинства промышленных объектов. Они получили наибольшее распространение в промышленности. Применяемые на
электростанциях электронные регуляторы тепловых процессов являются обычно Пи-регуляторами.
ПИ-регулятор имеет два параметра настройки: kр – коэффициент усиления регулятора и Ти –
условная постоянная времени интегрирования (или время изодрома). Уменьшение kр и увеличение
Ти повышают устойчивость регулирования, однако могут привести к увеличению отклонений
управляемой величины и затяжке процесса регулирования.
Иногда применяют более сложные ПИД-регуляторы с пропорционально-интег-ральнодифференциальным законом регулирования, что несколько улучшает качество переходных процессов по сравнению с ПИ-регуляторами. Однако при этом усложняются конструкции регуляторов и их
настройка. Экспериментальные кривые разгона управляемого объекта, снятые по основному или
внутреннему воздействию, используются для расчёта параметров настройки регулятора. Для этого
по экспериментальным кривым разгона определяются значения следующих величин: постоянной
времени Т, с; времени запаздывания τ, с; коэффициента усиления k; скорость разгона ε.
По найденным значениям в зависимости от отношения τ/Т, коэффициент усиления k и времени
запаздывания τ определяют параметры настройки регулятора kр и Ти.
2.2.2. Промышленные регуляторы и их основные элементы
В зависимости от вида внешнего источника энергии промышленные автоматические регуляторы
делятся на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные (электропневматические и электрогидравлические) системы. Автоматические системы непрямого регулирования при
перемещении регулирующего органа развивают сравнительно большие динамические усилия т
обеспечивают возможность территориального разделения объекта: автоматического регулятора и
исполнительного механизма. Эти системы обеспечивают централизацию управления технологическим процессом, удобный переход с автоматического управления на дистанционное, увеличение
быстродействия и точности АСР.
Функциональная схема замкнутой
системы
с регулятором непрямого
Х
2
1
у(t)
действия состоит из следующих элементов (рис. 2.2.3): 1 – регулируемый объект; 2 -- регулирующий ор/
ган; 3 – первичный прибор; 4 – изме/
рительное устройство; 5 – задатчик
у
ручного управления; 6 – командно
/
усилительное устройство (регулиu-у
u
рующий блок); 7 – исполнительное
устройство.
Первичный прибор предназначен
Рис. 2.2.3.
6
4
5
для измерения регулируемой величины и преобразования её во входчины и преобразования её во входной сигнал регулятора у(t). В
качестве
ной
сигнал измерительных
регулятора у(t). устройств
первичных приборов могут использоваться термопары, темоэлектрические преобразователи и т. д.
Преобразование регулируемой величины, то есть входного сигнала первичного прибора 3 в его выходной сигнал (входной сигнал регулятора) у осуществляется непосредственно измерительным
устройством 4 (датчиком), например термопарой или специальными преобразователями, которые
служат для усиления мощности сигналов. Применение датчиков и преобразователей предусматривается Государственной системой приборов (ГСП).
К датчикам промышленных регуляторов предъявляются следующие требования:
1. Направленность действия, то есть изменение выходного сигнала датчика не должно оказывать
влияния на входную величину.
- 109 2. Высокая чувствительность и малая инерционность.
3. Линейность статической характеристики, то есть зависимость выходного сигнала датчика от
входного должна быть по крайней мере близка к линейной в
рабочем диапазоне измерений регулируемой величины.
4. Высокая надёжность. Отказ в работе первичного прибора может привести или ложным действиям автоматической системы регулирования в целом. Датчики устанавливаются непосредственно
на объекте, поэтому очень часто находятся в непосредственном контакте с измеряемой средой.
Вследствие этого, они должны обладать высокой устойчивостью к температурным и механическим
воздействиям. Коррозии, вибрации и т. д. Защита датчиков от таких воздействий часто усложняет их
конструкцию, снижает их чувствительность и быстродействие.
Измерительное устройство 4 служит суммирующим звеном в цепочке автоматической системы. В
нём осуществляется алгебраическое суммирование заданного и текущего значений регулируемой
величины. На вход измерительного устройства могут одновременно поступать несколько различных
сигналов на несколько входов, выход он имеет один. К измерительным устройствам промышленных
регуляторов подводится энергия, необходимая для преобразования и усиления входных сигналов.
К измерительным устройствам регуляторов предъявляются следующие требования:
1. Возможность компенсации сигналов, поступающих от датчиков.
2. Безинерционность действия.
3. Возможность суммирования входных сигналов.
4. Линейность и стабильность статической характеристики.
Задатчик ручного управления 5 предназначен для формирования сигнала, соответствующего заданному значению регулируемой величины. Входом задатчика является положение органа, устанавливающего это значение, а выходом – сигнал, соответствующий заданному значению той же формы,
что и выходной сигнал первичного прибора. Например, если первичный прибор имеет на выходе
напряжение постоянного тока, то и с выхода задатчика должно поступать напряжение постоянного
тока. Конструктивно задатчик обычно бывает встроенным в измерительный блок регулятора. Но и
ожжет быть установлен на щите управления.
К задатчику ручного управления предъявляются такие требования, как высокая стабильность выходного сигнала и достаточный диапазон изменения сигнала, позволяющий компенсировать постоянную составляющую регулируемой величины. Командно-усилительное устройство 6 служит для
преобразования выходного сигнала измерительного блока и усиления его до значений, необходимых
для управления исполнительным механизмом. Командно-усилительное устройство участвует в формировании закона перемещения регулирующего органа.
2.2.3. Функциональные схемы регуляторов
Московского завода тепловой автоматики (МЗТА)
Наибольшее распространение в энергетике получила электронная аппаратура Московского завода
автоматики – РПИБ (регулирующий преобразовательно-измери-тельный блок) и регулирующие блоки аппаратуры типа «Каскад». Особенностью системы РПИБ является использование индивидуальных измерительных преобразователей с неунифицированными выходными сигналами. Система
РПИБ включает комплекс средств, различающихся по функциональному назначению: первичные
измерительные преобразователи, функциональные устройства, устройства оперативного управления и исполнительные механизмы. Основными измерительными преобразователями, использующихся с аппаратурой системы РПИБ, являются: манометр МЭД, дифференциальные манометры
ДТ, ДМ, пирометры, термоэлектрические термометры ТПП, ТХА, ТХК, кислородомеры, солемеры,
трансформаторы напряжения, тока и другие. В комплект функциональных устройств системы РПИБ
входят: измерительный блок, формирующий электрический сигнал, который соответствует значению регулируемой величины; сумматор сигналов переменного тока; размножитель сигналов переменного тока, переключатель с контактным выходом; регулирующий блок и другие устройства. В
сложных системах регулирования возникает необходимость в подаче к регулирующему прибору
большого числа сигналов или, наоборот, подачи одного сигнала к нескольким регулирующим приборам. Иногда необходимо воздействовать одним регулирующим прибором на несколько других
или осуществить динамическую связь между отдельными регуляторами.
- 110 Для построения автоматической системы регулирования на базе системы РПИБ применяют такие
дополнительные устройства: 1. Сумматор сигналов СП-63. 2. Размножитель сигналов РП-63. 3.
Устройство динамической связи.
Сумматор сигналов предназначен для суммирования до четырёх выходных сигналов от измерите
льных преобразователей ИП переменного тока и имеет один выходной сигнал переменного тока СП,
ИП
подаваемый в измерительный блок ИБ. При этом сумИП
СП
ИБ
ИП
ИП
1
ИП
ИБ
ИП
РП
2
К другим ИБ
Рис.2.2.4. Схемы включения сумматора
сигнала (1) и размножителя сигнала (2)
матор никаких функциональных задач не выполняет:
усиление, ослабление и тому подобное.
Размножитель сигналов применяется для раз множения одного или двух сигналов от измерительных преобразователей ИП переменного то ка до пяти выходных
сигналов переменного тока до пяти выходных сигналов
переменного то на вход измерительного блока ИБ. Размножитель сигналов имеет коэффициент усиления, равный единице.
В настоящее время на мощных энергоблоках устанавливают аппаратуру МЗТА системы «Каскад», входящую в состав ГСП и обладающую широкими функциональными возможностями и работающую с унифицированными измерительными преобразователями с
выходным сигналом постоянного тока 0÷5 миллиампер.
Сигнал постоянного тока удобно суммировать, преобразовывать и контролировать. Унифицированный сигнал
может быть использован многократно, что позволяет
уменьшить число датчиков в автоматической системе
регулирования и общую длину кабельных соединительных линий. Эта система выпускается в блочном исполнении. Измерительный блок И-04 системы «Каскад»
позволяет суммировать четыре токовых сигнала с предварительным массштабированием, компенсировать полученную сумму сигналов встроенного корректора, вводить сигнал задания, формировать сигнал рассогласования.
Новый комплекс аппаратуры автоматического регулирования «Каскад-2» предназначен для построения одноконтурных и многоконтурных АСР для управления паровыми котлами, турбинами и
вспомогательного оборудования тепловых и атомных электростанций.
В новом комплексе дл повышения качества управления предусматривается расширение функций
отдельных приборов. Например, нелинейное преобразование, выделение максимального или минимального входных сигналов, дистанционное (от ручных задатчиков) и автоматическое воздействие
на параметры настройки регулирующих приборов и т. д.
Аппаратура «Каскад-2» отличается от «Каскада-1» совмещением измерительного и регулирующего модулей в одном приборе, высокой точностью и надёжностью выполняемых операций по преобразованию сигналов.
Регулирующий модуль предназначен для преобразования сигнала отклонения регулируемой величины в непрерывный или импульсный сигнал в соответствии с заданным законом регулирования.
2.2.4. Расчёт параметров настройки регуляторов
и наладка регулирующих приборов
Настройка регуляторов должна обеспечивать определённый запас устойчивости автоматической
системы регулирования и надлежащее качество регулирования по статической и динамической
ошибкам, быстродействию, колебательности.
Расчёт настройки регулятора осуществляется в следующей последовательности:
- 111 1. Устанавливаются необходимые для данной АСР запасы устойчивости по модулю и фазе или
же степень колебательности.
2. Устанавливаются расчётные значения возмущений. Расчётные значения возмущений выбирают исходя из усреднённых статических данных. Чаще всего принимают возмущение в виде скачкообразного возмущения нагрузки.
3. Определяется область пространства параметров настройки регулятора, обеспечивающая требуемые запасы устойчивости или степень колебательности.
4. Рассчитываются в границах этой области точка с числом координат, равным количеству параметров настройки и соответствующая оптимальным условиям работы АСР по качеству регулирования.
5. Строится график переходного процесса при заданных возмущениях и выбранной настройке
регулятора и окончательно уточняются её параметры.
Ответственные сложные АСР часто исследуются и настраиваются путём моделирования с применением компьютерных программ. Для расчёта оптимальной настройки более простых АСР в инженерной практике используется расчёт настройки регуляторов по временным характеристикам и по
амплитудно-фазовой характеристике объектов регулирования.
Процесс наладки регулирующих приборов предусматривает такие операции:
1. Проверка работоспособности аппаратуры при подсоединении источников питания и нагрузки.
2. Проверка правильности соединения электрических цепей и фазировки.
3. Расчёт настроек регуляторов по параметрам, характеризующим динамические свойства объекта управления.
4. Установка расчётных значений настроек на регулирующем приборе и функциональных блоках.
5. Пробное включение регулятора в работу на действующем оборудовании или на его модели и
определение показателей качества АСР.
6. Корректировка настроек с учётом найденных экспериментальным путём показателей качества
АСР.
Первые четыре операции могут выполняться как на лабораторных стендах, так и на действующем
оборудовании. Проверка работоспособности каждого регулирующего прибора должна производиться отдельно.
Регулирующие приборы в сочетании с функциональными блоками привлекаются для решения
широкого круга задач непрерывного и дискретного управления энергоблоками и отдельными теплотехническими установками с учётом режимов их работы.
2.2.5. Исполнительные механизмы автоматических регуляторов
Исполнительный механизм предназначен для перемещения регулирующего органа. Он состоит из
электрического сервопривода и колонки дистанционного управления (КДУ).
Электрический сервопривод представляет собой трёхфазный асинхронный двигатель переменного тока, рассчитанный на напряжение 220 и 380 вольт и частоту вращения 1400 об/мин, сочленённый
с двухступенчатым редуктором. Первая ступень редуктора имеет передаточное отношение 1:70, а
вторая 1:40 или 1:20. нам выходном валу сервопривода укрепляется рычаг для соединения с регулирующим органом и профилированный кулачок для соединения с с тягой датчика указателя положения. Полный ход сервопривода соответствует повороту выходного вала на 900. Время полного хода
называется временем сервопривода Тс.
При ручном управлении регулирующим органом служит штурвал, который выдвигается «на себя» и выводит из зацепления с электродвигателем приводную червячную пару. Поворот приводного
вала в этом положении осуществляется вращением штурвала вручную.
Колонка дистанционного управления служит для управления сервоприводами.
Исполнительные механизмы могут быть типа МЭОК (механизм электрический однооборотный
контактный), типа МЭО (механизм электрический однооборотный и МЭОБ (механизм электрический однооборотный бесконтактный).
Исполнительный механизм типа МЭОК предназначен для контактного управления электроприводом и перемещения регулирующих органов АСР технологическими процессами в соответствии с
управляющими сигналами, поступающих от регулируемых устройств.
- 112 Исполнительный механизм типа МЭОБ предназначен для бесконтактного управления сервоприводом и снабжён электромагнитным тормозом, подключаемым параллельно обмоткам статора электродвигателя.
Исполнительный механизм типа МЭО обеспечивает бесконтактное управление и состоит из
двухфазного асинхронного электродвигателя. многоступенчатого зубчатого редуктора, электромагнитного тормоза и двух датчиков перемещения индуктивного и реостатного типов. Имеются также
контакты для сигнализации крайних и промежуточных положений выходного вала сервомотора.
Контрольные вопросы к Теме 2.2.
№
п/п
1.
2.
Вопрос.
Ответ.
Консультации
А. Интегральный.
Какого закона регулирования не В. Пропорциональный.
Стр. 161
существует?
С. Интегрально-дифференцмальный.
D. Пропорционально-интегральный.
Е. Пропорционально-интегрально-дифференцмальный.
А. Для перемещения регулирующего орДля чего предназначен исполни- гана.
тельный механизм регулятора?
Стр. 161
В. Для управления сервоприводами.
С. Для измерения регулируемой величины.
D. Для преобразования регулируемой
величины во входной сигнал регулятора.
Е. Для суммирования сигналов в цепочке автоматической системы.
- 113 Тема 2.3. Автоматическое регулирование барабанных
и прямоточных котлов
2.3.1. Регулирующие органы в автоматической системе регулирования
Регулирующим органом называется звено исполнительного устройства, предназначенное для изменения расхода регулируемой среды, энергии или каких-либо других величин с целью обеспечения
заданного режима работы объекта. В автоматической системе регулирования технологических процессов применяются различные типы регулирующих органов. Наиболее распространёнными являются дроссельные регулирующие органы, представляющие собой переменное гидравлическое сопротивление, которое управляет расходом среды путём изменения проходного сечения. К дроссельным регулирующим органам относятся регули-рующие клапаны, поворотные заслонки, шиберы и
краны.
Кроме дроссельных регулирующих устройств широкое применение получили также устройства,
регулирующие расход путём изменения располагаемого напора. К ним относятся приводы с регулируемым числом оборотов, устройства для изменения числа оборотов (гидромуфты) и направляющие
аппараты центробежных машин.
Для регулирования расхода сыпучих материалов применяются различные питатели: дисковые,
шнековые, ленточные, лопастные, скребковые и другие.
Так как регулирующие органы являются одним из звеньев АСР, то правильный выбор регулирующих органов и их характеристик так же важен для работоспособности системы и его настроек.
При непрерывном регулировании необходимо, чтобы пропускная характеристика регулирующего
органа была строго определённой. Для непрерывного регулирования могут применяться поворотные
заслонки, регулирующие клапаны
различных конструкций (односедельные, двухседельные, диафрагмовые, шланговые и другие), шиберы и краны.
При двухпозиционном регулировании затвор регулирующего органа быстро перемещается из одного крайнего положения в другое. В этом случае изменение количества изменения среды осуществляется за счёт изменения соотношения времени, при котором проход регулирующего органа открыт
и закрыт. При двухпозиционном регулировании кроме регулирующих органов, применяемых для
непрерывного регулирования, могут применяться различные типы запорной арматуры, имеющие необходимый исполнительный механизм.
Регулирующие органы характеризуются многими параметрами. Основными параметрами, имеющими при различных условиях эксплуатации первостепенное значение, являются условная пропускная способность, условное и рабочее давление на регулирующем органе и условный проход.
Пропускной способностью Кυ называется расход жидкости с плотностью 1000 кг/м3, пропускаемой регулирующим органом при перепаде давлений на нём 0,1 МПа. Пропускная способность измеряется в кубических метрах в час.
Условной пропускной способностью Кυу называется номинальное значение пропускной способности регулирующего органа при максимальном (условном) ходе затвора, выраженное в кубических
метрах в час. Условная пропускная способность зависит от типа регулирующего органа и размера
его условного прохода Dу.
Условным давлением Ру называется наибольшее допустимое давление среды на регулирующий
орган при нормальной температуре. Прочность металлов с повышением температуры понижается.
Поэтому для арматуры и соединительных частей предусматривается также максимальное рабочее
давление.
Максимальное рабочее давление – это наибольшее установленное давление среды на регулирующий орган при фактической температуре. Рабочее давление при одном и том же условном давлении
зависит от свойств металла деталей и температуры среды.
Перепад давления на регулирующем органе определяет усилия, на которые рассчитывается исполнительный механизм, а также износ дроссельных поверхностей. Для многих видов исполнительных устройств, в которых затвор не разгружен от статического и динамического воздействия среды,
предельно допустимый перепад давления устанавливается в зависимости от мощности исполнительного механизма.
- 114 Условным проходом в регулирующих органах называется номинальный диаметр прохода в присоединительных патрубках. Кроме приведённых параметров регулирующих органов, определяющих
в основном их конструкцию и размеры, имеются и другие параметры, которые учитывают при выборе регулирующих органов в зависимости от конкретных условий их применения.
Пропускная характеристика (внутренняя или идеальная) устанавливает зависимость пропускной
способности от перемещения затвора Кυ=f(S) при постоянном перепаде давления.
Конструктивная характеристика устанавливает зависимость изменения относительного проходного сечения регулирующего органа от степени его открытия. При соответствующем профилировании дроссельные устройства регулирующих клапанов могут иметь любые конструктивные характеристики, приспособленные к конкретным условиям работы автоматической системы регулирования.
Дроссельные устройства серийно выпускаемых регулирующих клапанов профилируются обычно с
линейной и равнопроцентной пропускной характеристиками. При линейной пропускной характеристике приращение пропускной способности пропорционально перемещению затвора:
dKυ=CdS, где:
С – постоянная величина.
При равнопроцентной пропускной характеристике приращение пропускной способности по ходу
затвора пропорционально текущему значению пропускной способности:
dK
 CК .
dS
Регулирующие заслонки относятся к непрофилирующим регулирующим органам и имеют пропускные характеристики, близкие к равнопроцентным.
Рассмотрим расходную характеристику. В рабочих условиях вид пропускной характеристики изменяется в зависимости от изменения перепада давлений на клапане. При этом регулирующие органы характеризуются расходной характеристикой, которая представляет собой зависимость относительного расхода среды от степени открытия регулирующего органа µ=f(S), где µ=Q1/Qмакс – относительный расход среды; Q1 – расход среды при некотором положении регулирующего органа; Qмакс –
расход среды при полностью открытом регулирующем органе.
Минимальной пропускной способностью Кυ мин называется наименьшее значение пропускной
способности, при котором сохраняется пропускная характеристика в пределах установленного допуска, и определяется как расход жидкости плотностью 1000 кг/м3, пропускаемой регулирующим
органом при перепаде давления на нём 0,1 МПа.
Во многих случаях автоматизации производственных процессов регулирующие органы должны
иметь широкий диапазон изменения пропускной способности, которым называется отношение
условной уловной пропускной способности Кυу к минимальной пропускной способности. Например,
двухседельные регулирующие клапаны имеют диапазон пропускной способности 25÷50.
Негерметичность затвора, то есть пропуск среды при полностью закрытом проходе, также является характеристикой регулирующего органа. Для надёжного и качественного регулирования негерметичность затвора должна быть минимальной.
Общие требования к регулирующим органам зависят от физико-химических свойств регулируемой среды. Материал регулирующих органов, контактирующий со средой, должен быть стойким к
химическому воздействию среды. Коррозия уплотнительных дроссельных и направляющих поверхностей затворов, сёдел и штоков недопустима.
Регулирующий орган должен надёжно работать при регулировании среды с высокой или низкой
температурой. Недопустимы отказы в работе из-за загрязнений, отложений и т. д. В регулирующих
органах для сред с высокой температурой необходимо предусматривать, чтобы температура сальниковой набивки, уплотняющей шток, не поднималась выше температуры смазки, которая добавляется
в набивку. Для понижения температуры в зоне сальника между ним и фланцем крышки помещают
ребристую трубу.
При регулировании среды отрицательной температурой необходимо предусматривать защиту от
обмерзания части штока регулирующего органа, выступающей из сальниковой камеры, или применение регулирующего органа специальной конструкции. При необходимости регулирующий орган
должен удовлетворять условиям пожаро- и взрывобезопасности, то есть необходимо исключить
- 115 проникновение регулируемой среды наружу. В этих случаях применяются сильфонные бессальниковые уплотнения штоков.
2.3.2. Дроссельные регулирующие органы
Для регулирования расходов жидкостей и газов применяются дроссельные регулирующие органы
следующих типов: шиберы, поворотные заслонки, клапаны и краны. Все они имеют подвижное
устройство, при перемещении которого изменяются проходное сечение и гидравлическое сопротивление регулирующего органа.
Шиберы. В шиберах затвор, выполненный в виде полотна 1, перемещается перпендикулярно
направлению потока Q (см. рис. 2.3.1).
1
1
1
2
Q
h
hмакс
2
h
2
3
Рис. 2.3.1.
Шиберы (рис. 2.3.1) широко применяются для регулирования расходов воздуха и газов при небольших статических давлениях (до 0,01 МПа). Шиберы устанавливают на трубопроводах, коробках
и каналах любой формы сечения, но чаще всего они применяются на трубопроводах и каналах прямоугольного (2) и круглого (3) сечений.
Шиберы в прямоугольных каналах имеют обычно линейную конструктивную характеристику (1),
см. рис. 2.3.2. Однако путём изменения профиля сечения канала дроссельного органа можно получить конструктивную характеристику шибера любой формы. Шиберы, устанавливаемые на трубоКυ
проводах круглого сечения, имеют нелинейные конструктивные ха1
рактеристики (2) и (3). Конструктивные характеристики круглых шиберов, как и прямоугольных, с помощью вставок в канале и вырезов
2
полотна могут быть получены любой формы. Наибольшее применение
1
имеют шиберы прямоугольного и круглого сечений без вставок с простейшей формой рабочего полотна.
3
Шиберы изготавливают из разных материалов в зависимости от
условий
работы. Для работы на инертных газах с температурой до
S
0
300
С
шиберы
изготавливают из листовой стали, а при температуре
1
0
выше 300 С – из чугуна. Для регулирования агрессивных газов примеРис. 2.3.2.
няются шиберы из легированных сталей или со специальным покрытием.
При расчёте шиберов кроме
определения пропускной характеристики определяют также усилие,
необходимое для перемещения дроссельного органа. Наибольшее усилие для перемещения шибера
требуется в положении минимального открытия. Его значение определяется по формуле:
Р=kΔPF+G, где:
р – усилие;
ΔР – перепад давления на шибере;
F – площадь подвижной части шибера, на которую действует перепад давления;
G – масса подвижной части;
k – коэффициент трения.
Коэффициент трения обычно принимают равным: для чугуна по чугуну – 0,15; для чугуна по стали – 0,18; для стали по чугуну – 0,14.
Мощность привода выбирают с большим запасом, так как коэффициент трения значительно возрастает из-за загрязнения опорной поверхности в процессе эксплуатации.
Поворотные заслонки. Поворотные заслонки могут применяться как на трубопроводах круглого,
так и прямоугольных сечений для регулирования потоков воздуха и газов при небольших статиче-
- 116 ских давлениях. В некоторых случаях заслонки применяются для регулирования жидкостей, пара и
газов при средних и высоких давлениях. Изменение проходного сечения заслонки осуществляется
путём её вращения вокруг оси, расположенной перпендикулярно направлению потока.
φ
Поворотные заслонки как регулирующие органы имеют много преимуществ перед шиберами и другими типами регулирующих
устройств. Так, в поворотных заслонках затвор в значительной мере
разгружен, так как силы, создаваемые давлением среды на обе его половины, частично уравновешиваются. Поэтому для поворота затвора
нужен исполнительный механизм относительно небольшой мощности.
И кроме того, поворотные заслонки выгодно отличаются от регулирующих органов других типов простотой конструкции, небольшими габаритами и массой. При одинаковых размерах условного прохода поРис. 2.3.3.
воротные заслонки обладают большей пропускной способностью, чем
двухседельные регулирующие органы, примерно на 50%.
По конструкции поворотные заслонки могут быть с одним затвором (однолопастные) или несколькими (многолопастные), безупорными и упорными. В упорных заслонках затвор имеет эллиптическую форму и закрывает проход с меньшими зазорами (рис. 2.3.4). В закрытом положении в упорной заслонке затвор находится под углом φ=10÷150 к вертикали.
Упорные заслонки могут быть использованы как запорно-регулирующие, но их нельзя применять для работы на загрязнённых газах и
жидких растворах, из которых могут выделяться твёрдые частицы.
В безупорных заслонках (рис. 2.3.4) затвор имеет форму окружности и при закрытом проходе находится в вертикальном положении.
Причём диаметр окружности затвора несколько меньше диаметра прохода в корпусе, поэтому проход полностью не закрывается.
Рис. 2.3.4.
Безупорные задвижки являются только регулирующими. Однако
при помощи дополнительных устройств в безупорных заслонках допри помощи дополнительных стигается
устройствгерметичность,
в безупорных заслонках
достигается
герметичность,
при копри которой
они могут
быть использованы
торой они могут быть использованы
как запорно-регулирующие.
качестве дополнительных
как запорно-регулирующие.
В качестве Вдополнительных
устройств
устройств могут быть уплотнительные
кольца,
седло
с
резиновым
покрытием.
могут быть уплотнительные кольца, седло с резиновым покрытием.
Конструктивная и пропускная характеристики поворотных заслонок выглядят, как показано на
рисунке 2.3.5.
FЗ.С.
К
 100
%
Рис. 2.3.5.
FС
К
У
60
1
40
20
0
20
40
60
80
100
α
1200
0
α
10 20 30 40 50 60
Конструктивные характеристики поворотных заслонок для прямоугольных и круглых трубопроводов определяются уравнением:
Fз.с.=Fсcos α, где:
Fз.с. – площадь прохода между затвором и седлом;
Fс – площадь прохода в седле, примерно равная площади условного прохода трубопровода;
α – угол поворота затвора от положения, при котором проход закрыт.
Обычно негерметичность затворов в зависимости от условного прохода (Ду) приводится в справочной литературе. Негерметичность упорных заслонок принимается меньшей в 3÷4 раза.
По конструкции опор вала поворотные заслонки подразделяются на двухопорные и четырёхопорные. Двухопорные заслонки применяют для лёгких условий работы, четырёхопорные – для тяжёлых
- 117 условий, то есть при больших перепадах давлений, повышенной температуре, агрессивных средах и
других. Для поворотной заслонки минимальный перепад определяется прочностью оси и диска. При
этом наибольшая нагрузка, действующая на диск при закрытом проходе, равна произведению перепада на площадь диска.
В положении промежуточного открытия диск заслонки разделяет поток на две неравные части, в
результате этого расход среды и скорости потока через верхнюю и нижнюю щели будут неодинаковы. При этом вследствие разного статического давления среды перед диском (вверху и внизу) на него действует реактивный вращающий момент, стремящийся повернуть его таким образом, чтобы закрыть проход.
Для определения вращающего момента можно воспользоваться следующей формулой:
Мвр=αΔРD3, где:
α – коэффициент, зависящий от угла поворота диска;
ΔР – перепад давления на диске;
D – диаметр диска.
Перестановочный момент, который должен создавать исполнительный механизм для вращения
затвора определяется реактивным вращающим моментом и моментом сил трения в подшипниках.
При открывании прохода эти моменты складываются. А при закрывании вычитаются. Ввиду того
что момент сил трения трудно учитывать, обычно значение перестановочного момента выбирают в
два раза больше реактивного вращающего момента.
Многолопастные заслонки (жалюзи) при одинаковых размерах с однолопастными имеют существенно меньший реактивный вращающий момент. Однако в связи с более сложной конструкцией и
очень большим пропуском в положении «Закрыто» многолопастные заслонки применяются относительно редко.
В обычных поворотных заслонках, когда диаметр затвора и седла примерно равны диаметру
условного прохода, стопроцентная пропускная способность достигается при повороте затвора на 60 0.
В тех случаях, когда необходимо, чтобы при том же диаметре условного прохода корпуса пропускная способность заслонки при повороте затвора на 600 была меньшей, в корпус вставляют кольцевую вставку, то есть производится сужение прохода, и затвор выбирают меньшего диаметра. Таким образом, поворотные заслонки при одном и том же проходе могут иметь полную условную пропускную способность и уменьшенную.
Регулирующие клапаны. Регулирующие клапаны являются наиболее распространённым видом
дроссельных регулирующих органов. Они применяются для регулирования расходов жидкостей, пара и газов при любых параметрах среды.
Регулирующие клапаны различают по виду и числу опорных поверхностей, по конструкции
плунжеров и корпусов.
В тарельчатых затворах запирающая и дросселирующие
Рис. 2.3.6. Клапан регулирующий
игольчатый.
поверхности имеют плоскую или коническую форму. Тарельчатые клапаны с плоской опорной поверхностью как регулирующие органы применяются редко. Это объясняется тем, что
при малых открытиях клапана вследствие больших скоростей
среды в щели кромки тарелки быстро изнашиваются и характеристика клапана сильно ухудшается. Чаще их применяют
как запорные органы.
Тарельчатые затворы с конической опорной поверхностью
применяются при регулировании больших расходов, однако
они имеют те же недостатки, что и клапаны с плоской опорной
поверхностью, и поэтому широкого распространения не получили. Конструктивные характеристики тарельчатых клапанов,
независимо от формы опорных поверхностей, с достаточной
для практики точностью можно считать линейными.
В пробковых затворах дросселирующая поверхность представляет параболоид, то есть поверхность вращения параболы.
- 118 опорные
поверхности
коническая форма
плоская форма
Рис. 2.3.7.
Запирающая поверхность выполнена в виде конических кромок. Пробковые затворы рекомендуется применять для тяжёлых условий эксплуатации при регулировании расхода вязких жидкостей и
среды, выделяющей кристаллы. Конструктивные характеристики клапанов с пробковым затвором
могут быть любыми, в зависимости от профиля дросселирующей поверхности.
К недостатку пробковых затворов относится быстрый износ дросселирующих поверхностей в положении, близком к закрытому.
Рис. 2.3.8.
канавчатый
тарельчатый
односедельные
пробковый
поршневой
В поршневых затворах с дроссельными поверхностями в виде шлицев площадь прохода между
затвором и седлом является суммарной площадью отдельных шлицев. Поршневые затворы с шлицевой дросселирующей поверхностью применяются для регулирования невязких и некристаллизирующихся жидкостей.
Регулирующие клапаны с поршневым затвором лучше работают, чем клапаны с пробковым затвором, в условиях кавитации.
Двухседельные регулирующие органы системы исполнительных устройств ГСП (Государственная система приборов) имеют ряд важных преимуществ для потребителей в сравнении с другими
конструкциями:
1. Система исполнительных устройств предусматривает возможность замены в регулирующих
органах затворов и седел без дополнительной механической обработки, с небольшой взаимной притиркой на месте.
2. На затворе ширина запорной поверхности принята достаточно широкой, от 1 до 2 мм, в зависимости от размера условного прохода, что позволяет уменьшить износ запорных поверхностей.
3. Двухседельный затвор разгружен от динамического воздействия среды.
4. Допустимый перепад давления в двухседельных клапанах системы исполнительных устройств
выше, чем в других регулирующих клапанах.
- 119 Односедельные регулирующие органы по конструкции, так же как и двухседельные, могут быть с
тарельчатым, пробковым, поршневым и канавчатым затворами.
Остальные регулирующие органы рассмотрим на следующем занятии.
Диафрагмовые и шланговые регулирующие органы. Во многих случаях к регулирующим органам предъявляются ряд дополнительных требований, связанных с особыми свойствами регулируемой среды и условиями протекания технологического процесса.
Регулирование расходов агрессивных жидкостей и газов может осуществляться только специальными регулирующими органами, выполненными из химически стойких материалов. Для регулирования агрессивных сред разработаны конструкции бессальниковых регулирующих клапанов, в которых в качестве уплотнения и подвижного дросселирующего элемента используется гибкая мембрана
(диафрагма) и внутренняя поверхность клапана футерована специальными материалами. Для футеровки корпусов применяют кислотостойкую эмаль, резину, винипласт, полиэтилен, второпласт и
другие материалы, а для изготовления мембран – резину, полиэтилен, фторопласт и другие.
Для регулирования среды, содержащей твёрдые и абразивные частицы, применяются шланговые
регулирующие органы. Изменение проходного сечения шлангового клапана производится путём пережима вставленного в корпус эластичного шланга. Шланговый корпус изготовляется из качественной резины с тканевой армировкой, обеспечивающей высокую прочность. Затвор представляет собой устройство, в котором два вала, между которыми расположен шланг, сближаются или расходятся в плоскости, перпендикулярной оси прохода. Шланговые клапаны применяются в качестве запорных и регулирующих органов.
В связи с тяжёлыми условиями работы, особенно при использовании шлангового клапана в качестве регулирующего органа, срок службы шлангов ограничен. В конструкции клапанов предусматривается возможность замены изношенных шлангов на новые. Многие конструкции шланговых регулирующих органов при определённых соотношениях давления среды, диаметра прохода и усилия,
развиваемого исполнительным механизмом, могут обеспечить герметичное закрытие прохода.
В шланговых регулирующих органах при небольших степенях открытия прохода наблюдается самопроизвольные перекрывания и открывания прохода. Пропускная способность шланговых и диафрагмовых регулирующих органов изменяется почти линейно в пределах только первых 25% хода,
поэтому ход затвора обычно
не превышает 25% значения условного диаметра.
Шиберные клапаны. В конструкции шиберного клапана затвором является свободно подвешенный на штоке плоский шибер, в котором выполнено профилированное отверстие. В зависимости от
положения шибера по высоте изменяется проходное сечение клапана. Необходимая плотность закрытия клапана обеспечивается благодаря перепаду давления на шибере, прижимающим его к плоскости опорного седла. Форма отверстий в шибере и седле определяет пропускную характеристику
клапана.
Шиберные клапаны применяются для регулирования расхода пара и воды при больших перепадах
давления, необходимых одностороннего самоуплотнения. Шиберные клапаны по конструкции могут
применяться на трубопроводах как малых, так и больших диаметров и могут работать только с исполнительными механизмами большой мощности.
Краны. В крановых регулирующих органах (рис. 2.3.9) изменение проходного сечения осуществляется путём смещения отверстия в затворе (1) при его повороте относительно проходного сечения
корпуса (2) на угол δ.
Краны применяются для регулирования расходов жидкостей и
1
δ
газов в трубопроводах небольшого сечения. Наиболее распространённой является конструкция крана, в которой затвор выполнен в
виде конусообразной пробки, притёртой к корпусу, с проходным отверстием. Краны выполняются для установки в круглых и прямоугольных трубопроводах. Отверстия в затворе и корпусе могут быть
2
круглой или прямоугольной формы. Конструктивная характеристика
Рис. 2.3.9..
крана с прямоугольными сечениями отверстий в затворе и корпусе
весьма близка к линейной. Отверстия
в затворе и характеристика
корпусе могут быть
другой формы: овальКонструктивная
кранаи слюбой
прямоугольными
ной, треугольной в сочетании с прямоугольной
т. д. В соответствии
могут быть и различные
Конструктивнаяи характеристика
кранас этим
с прямоугольными
конструктивные характеристики Конструктивная
кранов.
характеристика крана с прямоугольными
Для непрерывного регулирования краны применяются относительно редко. Для двух позиционного регулирования («закрыто—открыто») краны имеют преимущества по сравнению с другими ти-
- 120 пами регулирующих органов: небольшую массу и габариты, проще по конструкции, при полностью
открытом проходе их гидравлическое сопротивление относительно мало.
Чтобы негерметичность затвора в кранах была по возможности меньшей, при закрытом проходе
запирающая поверхность затвора должна перекрывать запирающую поверхность седла. Это перекрытие должно охватывать проход со всех сторон. При уменьшении перекрытия увеличивается негерметичность затвора, а также износ запирающих поверхностей, так как при уменьшении перекрытия возрастает удельное давление затвора на седло.
По конструкции затвора краны могут быть коническими, шаровыми и цилиндрическими.
Конические краны не обеспечивают достаточной герметичности закрытия прохода, так как даже
при небольшой разности в конусности затворов и сёдел запирающие поверхности будут касаться
только по узкой полоске, лежащей в плоскости, перпендикулярной их оси вращения. Кроме того, в
конических кранах часто возникает заклинивание затвора.
Шаровые краны имеют существенное преимущество по сравнению с коническими: в них исключается возможность заклинивания пробки. Однако, обладая
этим преимуществом, шаровые краны с цилиндрическим проходом в затворе не применяются для
непрерывного регулирования, так как не обеспечивают необходимую пропускную характеристику.
Для непрерывного регулирования чаще других кранов применяются краны с цилиндрическим затвором. В этом кране затвор представляет собой полый цилиндр, на боковых стенках которого прорезаны окна. Цилиндрический затвор вращается в стакане, запрессованном в корпусе. Окна, прорезанные в цилиндрическом затворе и стакане, образуют дросселирующие поверхности. Путём соответствующего профилирования окон можно получить необходимую пропускную характеристику
крана. В цилиндрических кранах зазоры между затвором и седлом выбраны небольшими (0,1÷0,2
мм), поэтому эти клапаны очень чувствительны к попаданию в зазоры твёрдых частиц.
2.3.3. Автоматическое регулирование барабанных котлов
Автоматические системы регулирования котла должны обеспечить выработку пара строго в соответствии с его потреблением турбиной и поддержание ряда качественных показателей работы оборудования. В заданных и достаточно узких пределах должны поддерживаться давление Ии температура пара и воды, отпускаемых потребителю, давление и температура пара перед турбиной, уровень
воды в барабане котла, содержание кислорода в уходящих газах, разрежение в верхней части топки,
солесодержание котловой воды и т д.
Отклонение этих величин от заданных значений могут происходить как в результате изменения
нагрузки котла, так и под влиянием различных воздействий: колебаний температуры и давления питательной воды, изменений качества топлива, неустойчивой работы пылепитателей и т. п.
Сложную систему автоматического регулирования барабанного котла можно разбить на ряд самостоятельных подсистем: нагрузки котла, горения, температуры перегрева пара (первичного и вторичного), питания водного режима, качества котловой воды.
При увеличении нагрузки электростанции растёт потребление пара турбинами, что приводит к
снижению давления пара в паропроводах и барабанов котлов. Для восстановления давления пара регулятор нагрузки котла должен увеличить подачу топлива в топку таким образом, чтобы её тепловосприятие соответствовало количеству пара, потребляемого турбинами. Показателем соответствия
тепловосприятия топки и выработки пара является давление пара перед турбиной для блочных установок и давление пара в паровой магистрали для неблочных ТЭС. Таким образом, регуляторы тепловой нагрузки котла, воздействующие на подачу топлива, должны получать контрольные воздействия, прямо или косвенно характеризующие тепловыделение в топке.
Паровой котёл как объект управления тепловой нагрузки может быть представлен в виде последовательного соединения более простых участков, разграниченных конструктивно (посмотреть по
стенду):
-- топочной камеры;
-- испарительной или парообразующей части, состоящей из поверхностей нагрева, расположенных в топочной камере;
-- барабана и пароперегревателя.
- 121 Динамические свойства каждого из этих участков и котла в целом по каналу «расхода топлива Вт
– давление перегретого пара рпп описываются линейными дифференциальными уравнениями и кривыми разгона.
Существующие способы и схемы автоматического регулирования тепловой нагрузки котла и давления пара в магистрали основаны на принципах регулирования по отклонению и возмущению или
же комбинации того и другого и определяются: заданным режимом работы котла (базовым или регулирующим) и схемой подсоединения паропровода перегретого пара к потребителю (турбине).
Базовым режимом называется режим поддержания паровой нагрузки котла на заданном уровне
вне зависимости от изменения общей электрической или тепловой нагрузки тепловой электростанции.
В регулирующем режиме паровой котёл воспринимает колебания тепловой и электрической
нагрузок турбин, то есть участвует в регулировании общей тепловой и электрической нагрузок станции. При этом один котёл может быть подключён только к одной турбине (блочная схема) или к общей паровой магистрали, объединяющей группу котлов и турбин (схема с общей магистралью).
Регулирование нагрузки котла
в блоке с турбиной сводится к
Рпп
поддержанию давления пара
перед турбиной с воздействием
на подачу топлива (рис. 2.3.10).
Регулятор тепловой нагрузЧМ
ки РТН получает импульс по
турби
давлению пара переддавлению
турбинойпара
рпп,перед
измеряемому
с
помощью чувствительного манометра ЧМ, и воздействует на подачу топлива Вт в топку. Система регулирования обычно обеспечивает давление пара перед
РТН
турбиной постоянной, поэтому регулятор тепловой
нагрузки называется также регулятором давления пара. Нагрузка котла, работающего на общую паровую
магистраль, наиболее часто регулируется по схеме
Вт
«задание—теплота». В этом случае управление подачей топлива в топку каждого котла осуществляется
Рис. 2.3.10.
самостоятельным регулятором тепловой нагрузки
РТН.
Регулятор тепловой нагрузки (РТН) получает от главного корректирующего регулятора давления
ГКР воздействия, пропорциональные паровой нагрузке параллельно работающих котлов рм и по
расходу пара данного котла Dпп плюс скорость изменения давления пара в его барабане Р/б (теплота).
Доля участия каждого агрегата в общей паровой нагрузке устанавливается ручными задающими
устройствами ЗУ1 и ЗУ2 (рис. 2.3.11).
Сумма сигналов воздействия по расходу пара и
Рм
скорости изменения давлеР/б1
Dпп1
Р/б2
D2
ния в барабане Р/б характеГКР
ризует
тепловосприятие
ЗУ1
ЗУ2
топки. Если расход пара и
его давление постоянны, то
и тепловосприятие топки
постоянно (если считать
РТН1
РТН2
КПД котла постоянным).
Рис. 2.3.11.
Если в топке при сжигании
нии топлива образуется теплоты больше, чем нужно для парообразования, то дополнительная теплота аккумулируется водой, что приводит к увеличению давления пара. Считается, что дополнительно
воспринимаемая водой теплота пропорциональна скорости изменения давления пара в барабане котла Р/б.
- 122 Если один или несколько из параллельно включённых агрегатов нужно перевести в базовый режим работы, то сигнал от ГКР следует заменить постоянным сигналом от задатчика. В этом случае
РТН будет поддерживать тепловую нагрузку постоянной в соответствии с постоянным сигналом задатчика. Котлы, регуляторы тепловой нагрузки которых получают воздействие от ГКР, будут изменять свою нагрузку в соответствии с изменяющейся нагрузкой турбин.
Недостаток схемы с главным регулятором проявляется при возмущении со стороны подачи
топлива, например, при нарушении нормальной работы топливоподающих устройств одного
или двух агрегатов, приводящим к внезапному уменьшению подачи топлива В т.
Это может произойти из-за останова одного или группы пылепитателей, при забивании приёмной
трубы сырого угля молотковой мельницы и т. п. Вследствие этого произойдёт перераспределение
суммарной паровой нагрузки между котлами (уменьшение расхода пара одного из котлов и увеличение пара на каком-то другом котле), то есть перегрузка одних котлов за счёт неполного использования мощности других.
При этом восполнение недостающего топлива за счёт действия автоматической системы регулирования начнётся не с момента уменьшения подачи топлива Вт, а с момента снижения давления пара
в общем коллекторе и начала работы главного регулятора, то есть со значительным запаздыванием.
Это приведёт к существенному отклонению давления пара.
2.3.4. Регулирование экономичности процесса горения
Экономичность работы парогенератора оценивается по его КПД, равному отношению полезной
теплоты QПК, затраченный на получение и перегрев пара к затраченной теплоте QС, которая могла
бы быть получена при сжигании всего топлива:
Q
 ПК  ПК .
QС
Задача регулирования экономичности состоит в поддержании максимального КПД парового котла или сведении к минимуму тепловых потерь, сопровождающих процесс сжигания топлива и передачи выделившейся теплоты воде и пару. Регулирование экономичности непосредственно по КПД
или суммарной оценке потерь теплоты не получило широкого распространения из-за отсутствия
надёжных и точных способов и средств их непрерывного измерения.
Одним из наиболее представительных косвенных способов оценки экономичности процесса горения служит анализ состава топочных газов на выходе из топки. На основе зависимости коэффициента полезного действия и суммарных потерь теплоты от избытка воздуха, определяемой индивидуально для каждого котлоагрегата. Обычно стремятся поддерживать коэффициент избытка воздуха α,
при котором КПД парового котла будут стремиться к максимальному значению, а суммарные потери котла (в окружающую среду, с уносом золы и шлака, с уходящими дымовыми газами, с механическим и химическим недожогом) будут стремиться к минимуму.
Участок регулирования экономичности процесса горения по содержанию кислорода в топочных
газах конструктивно образуют топочная камера и примыкающий к ней газоход конвективного пароперегревателя до места измерения содержания кислорода О2. Входным регулирующим воздействием
участка служит расход воздуха, поступающего в топку кислорода, а выходной регулируемой величиной является содержание свободного кислорода в поворотной камере газохода за пароперегревателем.
Оптимальное значение кислорода О2 в поворотной камере при номинальной нагрузке и сжигании
пылевидного топлива находится в пределах 3÷5%, а при сжигании мазута и газа это значение гораздо ниже и составляет от 0,5 до 1,5%.
Инерционность участка определяется в основном запаздыванием в измерительном устройстве.
Кривые переходного процесса данного участка по содержанию кислорода О 2 в дымовых газах за пароперегревателем при нанесении возмущения в сторону увеличения расхода воздуха Qв, и газового
топлива Вт являются нелинейными.
При математическом описании динамических свойств участок «топочная камера—газоход конвективного пароперегревателя» можно представить в виде последовательного соединения двух
звеньев: звена транспортного запаздывания τ и инерционного звена первого порядка с постоянной
времени Т.
- 123 2.3.5. Способы и схемы регулирования экономичности процесса горения
Наиболее простой схемой регулирования экономичности горения является поддержание оптимального избытка воздуха по соотношению расхода топлива и воздуха, или схема «топливо—воздух». В этом случае на регулятор подаются воздействия по расходу топлива Вт и воздуха V. Регулятор воздуха РВ управляет производительностью дутьевых вентиляторов.
Вт
Схема «топлива—воздух» применима только тогда, когда качество топлиЗУ
ва постоянно, а его расход можно измерить легко и надёжно, например, если
топливом является газ или мазут. Расход воздуха измеряется обычно по перепаду давлений на воздухоподогревателе или по его давлению за вентилятоРВ
ром, расход газа измеряется по перепаду давлений на сужающем устройстве,
устанавливаемом в газопроводе.
Теперь рассмотрим регулирование экономичности горения по соотношевоздух
нию «пар—воздух». На единицу расхода различного по составу топлива
необходимо различное количество воздуха. На единицу теплоты, выделяющейся при сгорании любого вида топлива, требуется одно и то же количество
Рис. 2.3.12.
воздуха. Поэтому если оценивать тепловыделение в топке по расходу пара и
изменять расход воздуха в соответствии с изменениями расхода пара, тем самым можно поддерживать оптимальный избыток воздуха. Этот принцип и
используется в схемах регулирования «пар—воздух».
Dп
V
Теперь рассмотрим регулирование экономичности горения по соотношеЗУ
нию сигналов «теплота—воздух».На единицу расхода различного по составу
топлива необходимо различное количество воздуха, но его потребность на
РВ
единицу теплоты, выделяющей ся при сгорании, остаётся постоянной.
Если тепловыделение в топке оценивать по расходу пара Dп и скорости
изменения давления в барабане котла Рб (причём сигнал по давлению постувоздух
пает на регулятор через дифференциатор Д, то инерционность этого суммарпо перепаду давлений на воздухоподогревателе или по давлению
ного сигнала при топочных возмущениях будет существенно меньше инервоздуха в напорном патрубке вентилятора. Разность этих сигналов
Рис. 2.3.13.
ционности одного сигнала по расходу пара. Количество воздуха измеряется
используется в качестве входного сигнала регулятора воздуха.
по перепаду давлений на воздухоподогрева
Поддержание избытка воздуха по соотношению «теплота—
Dп
Рб
воздух» отличается простотой и надёжностью, но не является точV
ным. Этот недостаток устраняется в системе «нагрузка—воздух»
ЗУ
или что одно и то же «задание—воздух» с дополнительной коррекцией по кислороду. Содержание кислорода в продуктах сгораД
ния топлива характеризует избыток воздуха и слабо зависит от соРВ
става топлива. Поэтому использование кислорода в качестве входного сигнала автоматического регулятора, воздействующего на
воздух
расход воздуха, представляется вполне целесообразным.
Однако реализация этого способа затруднена из-за отсутствия
надёжных и быстродействующих газоанализаторов кислорода. ПоРис. 2.3.14.
этому в промышленных условиях получили распространение схеРп
V
мы регулирования подачи воздуха не с прямым, а с корректируюО2
щим воздействием по кислороду (см. рис.2.3.15). Регулятор подачи
воздуха РВ изменяет его расход по сигналу от главного корректиЗ
рующего прибора давления ГКП, являющегося автоматическим
задатчиком регулятора по нагрузке котла. Сигнал, пропорциональКП
ный расходу воздуха, действует, как и в предыдущих схемах, но
введение корректирующего сигнала по кислороду повышает точЗУ
ГКП
ность поддержания оптимального избытка воздуха в любой схеме
РВ
регулирования экономичности горения.
воздух
Рис. 2.3.15.
- 124 2.3.6. Регулирование разрежения в топке парогенератора
Топки котельных агрегатов по условиям нормального топочного режима должны работать под
небольшим разрежением, равным 20÷40 Па в верхней части топочной камеры. Разрежение препятствует выбиванию газов из топки в помещение котельного отделения через неплотности в обмуровке
и минимальные присосы, способствует устойчивости факела, служит косвенным показателем материального баланса между нагнетаемым в топку воздухом и уходящими газами. Участок регулирования по разрежению представляет собой топочную камеру с включёнными последовательно с нею
газоходами от поворотной камеры до всасывающих патрубков дымососов.
Поддержание разрежения в топке в заданных пределах возлагается на регулятор разрежения. РегуЗУ
Sт
ЗУ
лятор разрежения РР получает контрольное воздействие по разрежению в верхней части топки Sт и
ДС
воздействует на органы, регулирующие отвод про
РР
дуктов сгорания. Схема регулирования показана
сплошными линиями. При изменениях нагрузки
дымовые газы
воздух
котла изменяются расходы При изменениях нагрузки котла изменяются и количество образующихся
Рис. 2.3.16
продуктов сгорания. Для улучшения работы регулятора
тора разрежения на него от регулятора воздуха РВ через устройство динамической связи ДС вводят
дополнительное воздействие, возникающее лишь в момент включения регулятора воздуха. Дополнительное воздействие от регулятора воздуха РВ на регулятор разрежения РР показано на схеме
пунктиром. Если изменится нагрузка котла, то одновременно с изменением подачи воздуха подаётся
дополнительное воздействие от регулятора воздуха через устройство динамической связи ДС на регулятор разрежения, приводящее к соответствующему изменению отвода продуктов сгорания и
уменьшению отклонений разрежения в топке в переходных режимах. Регулятор разрежения воздействует на органы, изменяющие количество отводимых продуктов сгорания, -- дроссельные заслонки,
направляющие аппараты, или на устройства, изменяющие частоту вращения дымососа.
2.3.7 Регулирование подачи первичного воздуха в шахтную мельницу
Для парогенераторов с шахтными мельницами, когда приготовленная в мельницах пыль непосредственно вдувается в топку, регулятор тепловой нагрузки воздействует на подачу топлива в
мельницу. Например, если нагрузка парогенератора возрастает и давление пара начинает падать, то
регулятор тепловой нагрузки увеличивает подачу топлива в мельницу. Однако если количество воздуха, вентилирующего мельницу, не изменяется, то вынос пыли из неё в топку и нагрузка котла увеличиваются медленно, так как требуется определённое время для размола дополнительно поступившего топлива. Это вызывает большие колебания давления пара и затрудняет автоматизацию процесса горения. Если одновременно с увеличением подачи топлива увеличить расход первичного топлива, вентилирующего мельницу, то вынос пыли из мельницы увеличится быстрее и будет более точно
соответствовать расходу топлива, поступающего в мельницу. Это улучшает динамические свойства
мельницы и учитывается при построении системы регулирования. Регулятор тепловой нагрузки РТН
парогенератора воздействует на подачу топлива в шахтные мельницы и одновременно подаёт импульсы на регуляторы первичного воздуха РПВ, который в свою очередь получает обратное воздействие по регулируемому им расходу первичного воздуха. Таким образом, регулятор первичного воздуха поддерживает соотношение расхода топлива и воздуха, подаваемых в мельницу. С ростом расхода топлива увеличивается скорость воздуха, вентилирующего мельницу, и тонина помола ухудшается.
2.3.8. Регулирование температуры первичного перегрева пара
Температура перегрева пара на выходе парогенератора относится к важнейшим параметрам,
определяющим надёжность и экономичность работы паровой турбины и энергоблока в целом. В соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации» допустимые отклонения температуры перегрева пара от номинального значения для котлов с начальными давлением пара 9,8 МПа и
температурой 5400С составляют в сторону увеличения +50С, а в сторону уменьшения – 100С.
- 125 Температура перегрева пара для барабанных котлов зависит от тепловосприятия пароперегревателя и паровой нагрузки. При постоянстве паровой нагрузки тепловосприятие пароперегревателей
определяется топочным режимом и может изменяться в зависимости от загрязнения поверхностей
нагрева, избытка воздуха, изменений состава топлива и т. д. Изменения паровой нагрузки приводят к
перераспределению тепловосприятия между конвективной и радиационной частями пароперегревателя и изменениями температуры пара на выходе. Наиболее распространен способ регулирования
пара на выходе из пароперегревателя: при помощи поверхностных или впрыскивающих пароохладителей. Поверхности нагрева пароперегревателей рассчитываются так, чтобы пар получил избыточную теплоту, снимаемую регулирующими устройствами. Автоматическое регулирование перегрева
пара затрудняется из-за значительного запаздывания изменения температуры пара после управляющего регулятора.
Современные барабанные парогенеПО
Пар
t/пр
tпе раторы оснащаются впрыскивающими
пароохладителями, в которых за счёт
впрыска охлаждающей воды в паропровод перегретого пара и её испарения
снижается температура пара.
Вода, идущая на впрыск, должна
Конденсат
Д
ЗУ
быть лишена солей. Поэтому обычно
применяется впрыск «собственного конденсата» котла. Для получения «собРТпе
ственного конденсата» часть насыщенного пара из барабана поступает в поРис. 2.3.17.
верхностный конденсатор, где пар
охлаждается
водой,
а конлаждается питательной водой, а конденсат пара подаётся на
впрыск. Такпитательной
как давление
конденсата
денсат
пара
подаётся
на
впрыск
близко к давлению пара в барабане котла и выше, чем давление в месте впрыска, то дополнительных
насосов для подачи конденсата не требуется. Впрыскивающий пароохладитель устанавливается
обычно перед конвективной ступенью пароперегревателя и наряду регулированием температуры
пара защищает последние ступени пароперегревателя от недопустимого повышения температуры
металла трубок.
Наибольшее распространение получил двухимпульсный регулятор температуры пара. Регулятор
температуры острого перегретого пара РТпе получает контрольное воздействие по температуре tпе
пара за пароперегревателем и дополнительное по скорости изменения температуры t/пе пара в промежуточной точке непосредственно за пароохладителем ПО. Воздействие по скорости изменения
температуры пара получается с помощью термопары и дифференциатора Д. Приближение места
впрыска к выходу пароперегревателя уменьшает инерционность участка и, следовательно, улучшает
качество процессов регулирования. Вместе с тем это приводит к ухудшению температурного режима
металла поверхностей нагрева, расположенных до пароохладителя.
Поэтому на крупных парогенераторах применяется многоступенчатое регулирование температуры, когда по ходу пара устанавливается два или три впрыскивающих устройства, каждый из которых
управляется своим двухимпульсным регулятором температуры. Это позволяет более точно поддерживать температуру пара на выходе и обеспечить защиту пароперегревателя от пережога. Если парогенератор имеет несколько паропроводов (ниток), то регулирование перегрева осуществляется на
каждом из паропроводов самостоятельными регуляторами температуры.
Динамические характеристики пароперегревателя неодинаковы по каналам возмущающих и регулирующего воздействий, но обладают общим свойством – значительной инерционностью. Инерционность термопар учитывается при определении экспериментальных динамических характеристик
пароперегревателей. Инерционность участка регулирования в целом в большей мере зависит от конструкции пароохладителя.
2.3.9. Регулирование температуры вторичного пара (промперегрева)
Регулирование температуры вторичного пара (промперегрева) помощью впрыска неэкономично,
так как снижается коэффициент полезного действия теплосиловой установки. Кроме того, часть низкого давления турбины не рассчитана на пропуск дополнительного количества пара.
- 126 Для регулирования температуры вторичного пара применяется паровое байпасирование, паропаровые и газопаро-паровые теплообменники. Иногда эти способы регулирования дополняются изменением количества теплоты, передаваемой вторичному пароперегревателю топочными газами.
Схемы регулирования температуры промперегрева байпасированием вторичного пара и схему
регулирования температуры промперегрева с использованием газопаро-парового теплообменника
мы изучать не будем. Просто по методу регулирования температуры промперегрева байпасированием вторичного пара скажу несколько слов.
Регулятор получает контрольное воздействие по температуре пара на выходе вторичного пароперегревателя и воздействие по скорости изменения температуры пара после регулирующего устройства. На случай повышения температуры вторичного пара выше допустимой предусматривается
обычно дополнительный автоматический регулятор аварийного впрыска РА с задающим устройством ЗУ.
Аварийный впрыск Dвпр в нормальных условиях закрыт и включается только тогда, когда температура пара превысила допустимую величину, а возможности основного регулятора РТ полностью
исчерпаны. В автоматической системе регулирования температуры вторичного пара (промперегрева)
с применением парового байпасирования часть вторичного пара от цилиндра высокого давления
(ЦВД) турбины перепускается в обвод первого пакета вторичного пароперегревателя.
А для уменьшения температуры вторичного пара после второго пакета пароперегревателя, который направляется в цилиндр среднего давления (ЦСД) турбины, применяется метод впрыска «собственного конденсата» парогенератора, как и при регулировании температуры пара без промперегрева.
2.3.10. Регулирование поддержания уровня воды в барабане котла
Поддержание воды в барабане котла является наиболее важным условием надёжной работы парогенератора. Даже кратковременные отклонения уровня воды за допустимые пределы могут привести
к аварии – забросу воды в пароперегреватель и турбину при повышении уровня или перепитке и к
нарушению циркуляции и пережогу экранных труб при понижении уровня или при упуске воды.
Снабжение барабана котла водой осуществляется по одной и, реже, по двум ниткам трубопроводов питательной воды, одна из которых служит резервной. Отклонения уровня воды в барабане парогенератора возникают вследствие небаланса между подачей воды и расходом пара, а также из-за
изменения содержания пара в пароводяной смеси экранных поверхностей нагрева, которое зависит
от давления пара в барабане и тепловыделения в топке котла.
С ростом тепловыделения в топке поверхности нагрева воспринимают большее количество теплоты, доля пара в экранных трубах возрастает и вода выдавливается в барабан. С ростом давления в
барабане котла уровень воды понижается.
Регулятор питания должен обеспечить поддержание уровня воды в заданных пределах независимо
Нб
ЗУ
РП
РПК
Рис. 2.3.18.
Dпв
от нагрузки парогенератора. Так как отклонения уровня
воды наиболее часто возникают при наличии небаланса
«пар—вода», регулятор должен поддерживать это соотношение постоянным.
Общепринятой является схема трёхимпульсного регулятора питания, где регулятор питания РП получает импульсы по расходам пара Dпп, воды Dпв и уровню в барабане котла Нб и воздействует на регулирующий питательный клапан РПК.
Автоматический регулятор должен обеспечить постоянство среднего значения уровня воды в барабане независимо от нагрузки парового котла и других возмущающих воздействий. В переходных режимах изменение
уровня воды протекает довольно быстро, поэтому регулятор
- 127 2.3.11 Регулирование качества добавочной котловой воды
Химический состав воды, циркулирующей в барабанных паровых котлах, оказывает существенное влияние на длительность их безостановочной или безремонтной кампаний. Добавочная вода, поступающая в котёл, содержит больше солей, чем уносится паром. В результате солесодержание котловой воды постепенно увеличивается. Повышение солесодержания сверх допустимых норм может
привести к значительному выносу солей в пароперегреватель и турбину. Для поддержания нормального солесодержания котловой воды производится периодическая и непрерывная продувка воды.
Так как с продувкой теряется теплота, то продувка должна быть минимальной допустимой и составляет обычно 0,5÷2% паропроизводительности котла. Периодическая продувка служит для удаления
скоплений шлама в нижних коллекторах, производится 1÷2 раза в смену и, как правило, не автоматизируется. Непрерывная продувка служит для удаления избытка солей NaCl и SiO2, скапливающихся в котловой воде в процессе парообразования.
По своим динамическим свойствам этот участок регулирования типичен для тепловых инерционных объектов. Время запаздывания τ при нанесении возмущения расходом пара или количеством
продуваемой воды определяется в основном инерционностью измерительных устройств и составляет
1÷3 минуты.
Количество
продувки
Dп
солесодержание
Dп
Dпр
определяется для котлов давлением до 10 МПА общим солесодержанием котловой воЗУ
ЗУ
ды, измеряемым солемером.
РНП
РНП
При более высоких давлениях
значение продувки определяется концентрацией кремниеDпр
Dпр
вой кислоты в котловой воде,
Рис. 2.3.19.
для определения которой
надёжные
приборы пока
не
ные приборы пока не выпускаются. В этих случаях расход продувочной
воды целесообразно
уставыпускаются.
В
этих
случаях
навливать пропорциональным расходу выработанного пара.
продувочной
воды цеСуществует две распространённые схемы автоматической системырасход
регулирования
непрерывной
лесообразно
устанавливать
продувки: с трёхимпульсным и двухимпульсным регулятором продувки. В схеме с трёхимпульсным
пропорциональным
расходу
регулятором продувки РПН на него поступают воздействия по солесодержанию,
расходу пара
Dп,
выработанного
пара.
обратная связь. На двухимпульсный продувки поступают воздействия по расходу пара Dп и продувочной воды Dпр. С помощью задатчиков устанавливаются контрольные значения солесодержания
или соотношения между расходом пара и продувочной воды. Автоматизация непрерывной продувки
облегчает труд эксплуатационного персонала, позволяет сократить трудоёмкий лабораторный анализ качества котловой воды, ведёт к увеличению срока безремонтной службы основного оборудования.
2.3.12. Прямоточный паровой котёл как объект управления
Принципиальную технологическую схему циркуляционного контура прямоточного парового котла можно представить следующим образом:
Dпр
Рпр
Dв пр1
Dв пр2
1
2
3
4
5
7
6
7
6 Dпп
Dпв
tпр
tпп р
Рис. 2.3.20.
Qт
Последовательно соединённые поверхности нагрева прямоточного парового котла можно представить в виде змеевика, в один конец которого поступает питательная вода, а из другого выходит
перегретый пар. Этот змеевик укрупнено может быть разделён на три части: водяную, пароводяную
и паровую. Положение точки начала перегрева пара, которая определяет границу между испари-
- 128 тельной и перегревательной частями, изменяется в зависимости от паропроизводительности, количества подводимой теплоты и расхода питательной воды.Система автоматизации прямоточного парогенератора должна обеспечить выработку пара заданных параметров в соответствии с его потреблением турбиной при наименьших затратах топлива. В прямоточном парогенераторе, в отличие от
барабанного, граница между испарительной и перегревательной частями может перемещаться по
тракту в зависимости от количества подводимого тепла, расхода питательной воды, изменений
нагрузки. Прямоточный парогенератор является весьма сложным объектом регулирования с несколькими взаимно связанными регулируемыми параметрами. Изменения подачи питательной воды
или топлива вызывают смещение границы между испарительной и перегревательной частями парогенератора, что в свою очередь приводит к существенным изменениям температуры и давления пара
на выходе из котла. Для стабилизации температуры и давления по тракту необходимо поддерживать
постоянное соотношение и между количеством подаваемой питательной воды и теплотой, выделяемой в топке при сжигании топлива. В связи с этим основными регуляторами прямоточного парогенератора являются регуляторы питания и регуляторы топлива.
Регулирование разрежения в топке осуществляется по схемам, аналогичным для барабанных котлов. Более сложны схемы регулирования температуры пара из-за влияния на неё расходов воды и
топлива. Это приводит к увеличению числа впрысков и расходов воды на них. Доля впрысков у прямоточных парогенераторов доходит до 10% общего количества выработанного пара и оказывает заметное влияние на расход и параметры перегретого пара. Воздействие при базовой нагрузке котла
поступают обычно со стороны топки и объясняются в большинстве случаев изменением подачи топлива пылепитателями. Поэтому главным способом устранения внутритопочных воздействий должно
быть воздействие на подачу топлива в топку. Чем быстрее будет выявлено и устранено возникшее
воздействие, тем меньше будут отклоняться нагрузка парогенератора, температура и давление пара.
При внешних воздействиях, связанных с изменением нагрузки парогенератора по пару, необходимое
равновесие между расходами пара и питательной воды при допустимых отклонениях давления и
температуры пара на выходе достигается одновременным изменением подачи топлива и питательной воды. Такие принципы компенсации возмущений по топливу и нагрузке являются общепринятыми и реализуются в существующих схемах автоматизации прямоточных парогенераторов.
2.3.13. Регулирование подачи топлива и регулирование тепловой нагрузки
Возможны два варианта регулирования прямоточных парогенераторов, которые встречаются
наиболее часто. Для регулирования подачи топлива в обоих вариантах используется воздействие по
тепловой нагрузке, представляющее собой суммарный сигнал по расходу пара Dп за котлом или в
промежуточной точке и скорости изменения давления пара в начале пароперегревательного тракта
Рпр через дифференциатор Д.В первом варианте воздействие по теплоте подаётся как на регулятор
Теплота
топлива РТ, так и на регулятор питания РП. Вторым входным воздейDпв
Dп
ствием регулятора питания является расход питательной воды Dпв.
Таким образом, регулятор питания работает по схеме «тепловая
нагрузка—вода»,поддерживая подачу воды пропорциональной тепловосприятию парогенератора.
Д
ЗУ
Рис. 2.1.21. первый вариант (задание—тепловая нагрузка
задание
теплота
РП
Рпе
Dп
Рпр
вода
ГКП
первый вариант (задание –вода)
Рис. 2.1.20.
Регулятор топлива работает в первом варианте
по схеме « задание—тепловая нагрузка». Задание
поступает от корректирующего прибора ГКП, получающего входное воздействие по давлению пе-
Д
ЗУ
РТ
топливо
- 129 регретого пара Рпе на выходе из парогенератора
или из общей магистрали при параллельной работе группы агрегатов. Регулятор топлива выполняет
роль регулятора тепловой нагрузки котла. Использование воздействий по тепловой нагрузке в регуляторах питания и топлива позволяет быстро ликвидировать возникшие изменения тепловыделения
в топке действиями обоих регуляторов. Однако схема сложна в настройке.
Задание
теплота
Dпв
Dпв
Dп
Рпр
Рпе
Д
ГКП
ЗУ
Рис. 2.1.22. РП
РТ
Вода
второй вариант(задание—вода)
Рис. 2.1.23..
ЗУ
топливо
второй вариант (вода—тепловая нагрузка)
Во втором варианте регулятор питания работает по схеме «задание—вода», получая воздействие
по внешней нагрузке по ГКП и расходу питательной воды Dпв. Такая схема обеспечивает подачу питательной воды пропорциональной внешней нагрузке или заданию. Соответствие между расходом
питательной воды и топливом обеспечивается регулятором топлива, работающем по схеме «вода—
тепловая нагрузка».
Тепловая нагрузка регулятору топлива задаётся расходом питательной воды, а регулятор питания
в данной схеме является регулятором тепловой нагрузки парогенератора.
Самопроизвольные изменения подачи топлива, или внутренние воздействия, отрабатываются регулятором топлива главным образом за счёт быстрого воздействия по скорости изменения давления
пара в промежуточной точке.
При внешних воздействиях первым вступает в работу регулятор питания и практически одновременно с изменением подачи питательной воды регулятор топлива.
Давайте сопоставим два варианта схем регулирования питания и топлива:
1. В первом варианте контур регулирования топлива не оказывает влияния на контур регулирования питания. Во втором варианте—между ними существует некоторая связь, так как промежуточная теплота реагирует не только на топливо Вт, и на питательную воду Dпв.
2. Для поддержания необходимого температурного режима первичного тракта требуется, чтобы
существовал достаточный диапазон регулирования топлива в первом варианте и питания—во втором.
3. динамическая точность поддержания температуры в промежуточной точке тракта (tпр) при
возмущениях нагрузкой в первом варианте выше, чем во втором; при топочных возмущениях—
наоборот.
4. В отношении аппаратуры второй вариант несколько сложнее первого, так как требует дополнительных приборов для формирования сигнала по теплоте для двух регуляторов. Сложнее он и в
настройке.
Определяющим фактором при выборе одного из вариантов служат длительные испытания в условиях эксплуатации и сравнительный анализ переходных процессов с привлечением интегральных
показателей качества.
Общим и основным недостатком схем регулирования температурного режима первичного тракта
по соотношению «теплота—вода» служат необходимость их тщательной статической настройки, то
есть совмещения статических характеристик сигналов по теплоте и расходу воды. Кроме того, недостаток заключается в ограниченности статической точности из-за погрешностей датчиков и приборов расхода.
- 130 2.3.14. Схемы регулирования экономичности процесса горения.
Схемы регулирования экономичности процесса горения строятся в зависимости от выбранных
схем регулирования питания и топлива и от вида сжигаемого топлива.
При сжигании газа в качестве топлива надёжно работает схема «топливо—воздух» На регулятор
воздуха РВ подаются воздействия по расходу топлива и воздуха, измеряемого по перепаду давления
на воздушном подогревателе.
При сжигании твёрдого топлива используется схема «вода—воздух», если регулятор топлива работает по схеме «вода—тепловая нагрузка» или «задание—воздух», применяемая при регулировании подачи топлива по схеме «задание—тепловая нагрузка».
На регуляторы воздуха рекомендуется вводить корректирующие воздействия по содержанию
кислорода О2 в дымовых газах, что обеспечивает более точное регулирование избытка воздуха.
Контрольные вопросы к Теме 2.3.
№
п/п
Вопрос.
1.
Какими величинами может
быть охарактеризовано тепловосприятие топки барабанного
котла?
2.
Какая из схем регулирования
тепловой нагрузки наиболее
приемлема для котла, работающего в блоке с турбиной?
3.
В каких условиях наиболее целесообразно регулятор экономичности горения построить по
принципу «топливо—воздух»?
4.
Зачем необходимо изменять подачу первичного воздуха в
шахтную мельницу? Выберите
неправильный ответ.
Ответ.
А. Давлением пара в барабане
В. Давлением пара перед турбиной
С. Расходом пара и скоростью изменения
давления пара в барабане котла.
D. Скоростью изменения давления пара в
барабане котла.
Е. Давлением пара после турбины.
А. Регулирование подачи топлива по
давлению пара перед турбиной.
В. Регулирование подачи топлива в соответствии с заданием от главного корректирующего регулятора.
С. Регулирование по схеме «задание –
теплота».
D. Регулирование подачи топлива в соответствии с расходом пара от котла.
Е. Регулирование подачи топлива по давлению пара после турбины.
А. Котёл с шахтными мельницами.
В. Котёл, работающий на природном газе.
С. Котёл, работающий на угольной пыли,
получаемой в шаровых барабанных
мельницах.
D. Котёл, работающий на угольной пыли,
получаемой в мелющих вентилятора
Е. Котёл с прямым вдуванием.
А. Чтобы обеспечить тонину помола постоянной.
В. Для уменьшения колебания давления
пара при изменении тепловой нагрузки
котла.
С. Для обеспечения лучшего соответствия между подачей топлива в мельницу
и выработкой пыли.
D. Для улучшения динамического свойства мельницы.
Консультации
Стр. 161
Стр. 161
Стр. 161
Стр. 161
- 131 5.
Почему впрыскивающий пароохладитель не устанавливается
за пароперегревателем
6.
Какие воздействия используются в двухимпульсном регуляторе
температуры пара?
7.
Почему не применяется регулирование температуры вторичного пара впрыском?
8.
При какой температуре включается аварийный впрыск?
9.
Какие воздействия подаются на
трёхимпульсный регулятор питания?
10.
По каким импульсам работает
регулятор продувки?
Е. Для соотношения расхода воздуха и
топлива.
А. Качество регулирования температуры
будет хуже
В. Не будет защищена последняя ступень
пароперегревателя.
С. Конструктивно затруднено.
D. Дорогая установка.
Е. Не будет защищена последняя ступень
турбины.
А. Температура пара за подогревателем и
скорость изменения температуры после
впрыска.
В. Температура за пароперегревателем и
температура пара за впрыском
С. Температура пара за пароперегревателем и скорость изменения температуры
до впрыска.
D. Температура за пароперегревателем и
скорость изменения температуры газов.
Е. Температура пара перед пароперегревателем и скорость изменения температуры газов.
А. Не обеспечивается нужное качество
регулирования.
В. Неэкономично.
С. Трудно осуществить технически.
D. Ненадёжно.
Е. Большой расход питательной воды на
впрыск.
А. При температуре пара выше заданной.
В. При температуре пара ниже заданной.
С. При температуре пара, равной заданной.
D. При температуре пара выше и ниже
заданных.
Е. При температуре пара ниже заданной
на 10%.
А. Расход пара, давление пара в барабане,
расход питательной воды.
В. Расход питательной воды, расход пара,
уровень воды в барабане котла
С. Уровень воды в барабане котла, расход
воды, давление пара
D. Расход питательной воды, давление
пара.
Е. Расход пара, расход воды.
А. Расход пара, расход питательной воды
и солесодержание.
В. Расход пара, положение регулирующего органа продувки и солесодержание.
С. Расход пара, расход продувочной воды
Стр. 161
Стр. 161
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
- 132 и солесодержание.
D. Расход пара и расход топлива.
Е. Расход пара и температура уходящих
газов.
.
11.
12.
Каким образом устраняются
внутритопочные воздействия в
прямоточном парогенераторе?
Прямоточный котёл работает на
угольной пыли. Регулятор питания работает по схеме «задание—вода», регулятор топлива
работает по схеме «вода—
тепловая
нагрузка».Укажите
наиболее целесообразную схему
регулятора экономичности горения.
А. Одновременным изменением подачи
топлива и питательной воды.
Стр. 162
В. Изменением подачи топлива.
С. Изменением расхода питательной воды.
D. Изменением подачи воздуха.
Е. Одновременным изменением подачи
воздуха и питательной воды.
А. Топливо—воздух.
В. Вода—воздух.
Стр. 162
С. ЗАДАНИЕ—ВОЗДУХ.
D. Вода—топливо.
Е. Задание – вода.
- 133 Тема 2.4. Автоматизация регулирования вспомогательного оборудования
2.4.1. Автоматизация установок пылеприготовления
На тепловых электростанциях наибольшее распространение получили системы пылеприготовления с шаровыми барабанными мельницами и промежуточным бункером. В этом случае расход пыли,
выносимой из мельницы, и расход пыли, поступающей в топку, не связаны. Поэтому мельница
должна работать в наиболее экономичном режиме независимо от нагрузки парогенератора. Экономичность работы мельницы обычно оценивается по удельному расходу электроэнергии на помол
пыли.
Наиболее экономичным режимом считается режим максимальной производительности мельницы,
так как расход электроэнергии, потребляемой электродвигателем мельницы, практически не зависит
от загрузки мельницы топливом. Перегрузка мельницы может привести к завалу мельницы топливом. Это явление сопровождается резким уменьшением производительности из-за того, что чрезмерная толщина слоя топлива внутри мельницы препятствует захвату стальных шаров вращающимся барабаном. Масса шаров проскальзывает относительно барабана, остаётся неподвижной и не совершает работу по размолу угля. Показателем завала мельницы служит резкое уменьшение тока
электродвигателя мельницы.
Пыль, вырабатываемая мельницей, должна иметь определённую толщину помола и влажность.
Чем тоньше пыль, тем меньше будут потери от механического недожога топлива в топке, однако для
лучшего размола топлива требуется больше электроэнергии. Наилучшей тониной помола следует
считать ту, при которой сумма затрат на электроэнергию и потерь от механического недожога будет
минимальной.
О влажности пыли судят по температуре аэросмеси, то есть смеси пыли и воздуха, покидающей
мельницу. Температура пыли за мельницей поддерживается на определённом значении в зависимости от начальной влажности топлива и марки угля. Увеличение влажности пыли приводит к ухудшению горения, зависанию пыли в бункерах и замазыванию пылепитателей. Чрезмерная подсушка
топлива увеличивает опасность взрыва пылевоздушной смеси, приводит к большой текучести пыли
и нарушениям нормальной работы топливоподающих устройств. Чтобы пыль не выбрасывалась в
помещение электростанции, мельница должна работать под разрежением.
Таким образом, можно выделить следующие участки регулирования шаровых барабанных мельниц:
1. Регулирование нагрузки.
2. Регулирование температуры аэросмеси за мельницей.
3. Регулирование разрежения перед мельницей.
Загрузка мельницы оценивается косвенным путём по перепаду давлений на мельнице Δрм (воздух
до мельницы и аэросмесь после мельницы. При постоянстве расхода воздуха перепад давлений на
мельнице Δрм растёт до определённого предела пропорционально загрузке мельницы.
Кроме того, имеется и ряд других показателей загрузки мельниц, это – уровень шума вращающегося барабана, вибрация подшипников и т. д. Однако в настоящее время они не нашли широкого
применения из-за недостаточной надёжности и представительности.
При настройке системы регулирования температуры в качестве оптимальной принимается температура аэросмеси за мельницей tм на 3÷50С ниже максимально допустимой. Динамические свойства
основных параметров мельницы зависят от производительности мельницы, её загрузки, сорта угля,
температуры и расхода сушильного агента, сортамента шаров и других факторов.
Как мы уже знаем, шаровая барабанная мельница должна находиться под разрежением для
предотвращения выбивания пыли из её горловин. Для этого может быть предусмотрена отдельная
автоматическая система регулирования разрежения перед мельницей.
Входным регулятором ПИ-регулятора (1) служит разрежение перед мельницей Sм. Регулятор воздействует на заслонку (2) на линии подвода общего греющего воздуха к мельнице (рис. 2.3.1.)
Регулирование температуры аэросмеси за мельницей производится следующим образом
(рис.2.3.2): температура за мельницей tм стабилизируется в заданных пределах воздействием на расход смеси слабо подогретого и горячего воздуха. ПИ-регулятор (1) получает сигнал от датчика тем-
- 134 пературы аэросмеси и через исполнительный механизм перемещает в нужном направлении спаренные заслонки (2) и (2/), установленные на линиях слабо подогретого и горячего воздуха. Сочленения
исполнительного механизма со спаренными заслонками выполняются так, чтобы при открытии одной из них вторая закрывалась, и, наоборот, с тем, чтобы общий расход воздуха на мельницу Qв
оставался неизменным.
При размоле сухих, богатых
Sм
tм
летучими горючими топлив, которые являются наиболее взрывоопасными, предусматривается
1
ЗРУ
1
ЗРУ аварийная присадка холодного
воздуха. Эта защитная система
срабатывает при превышении
2
2
температуры за мельницей сверх
Qм
допустимого значения tм от конQв
цевого выключателя КВ исполни
/
Рис. 2.4.1
Рис. 2.4.2
2
тельного механизма регулятора
температуры, когда его возможности полностью исчерпаны
Рассмотрим регулирование давления первичного воздуха. Скорость аэросмеси в пылепроводах к
горелкам парогенераторов с промежуточным бункером должна быть постоянной независимо от паtм
КВ
ровой нагрузки и суммарного расхода воздуха. Это условие
необходимо соблюдать из-за опасности забивания пылепроводов. Регулирование подачи первичного воздуха в пылепроводы осуществляется с помощью ПИ-регуляторов
Автоматические присадки
давления, получающего сигнал по давлению воздуха в кохолодного воздуха.
робе первичного воздуха и воздействующего на производительность первичного воздуха и воздействующего на
холодный воздух производительность первичного воздуха или на дроссельРис. 2.4.3.
ные заслонки, установленные на отводах общего воздуха в
короб первичного воздуха.
2.4.2. Регулирование молотковых мельниц
При камерном способе сжигания легко воспламеняющихся сортов топлива применяются пылесистемы с непосредственным вдуванием пыли в топку. Размол топлива осуществляется в молотковой
быстроходной мельнице. В ней же начинается подогрев аэросмеси и завершается в шахте, соединяющей её с топкой. В отличие от шаровой барабанной мельницы, работающей на промежуточный
бункер, подача молотковой мельницы непосредственно определяет расход топлива, поступающего в
топку из бункера. Поэтому система регулирования подачи молотковой мельницы тесно связана с работой регуляторов тепловой нагрузки парогенератора. Автоматическая система регулирования загрузки мельницы должна также поддерживать требуемую подачу топлива и оптимальную тонину
помола пыли.
Обычно на одном паровом котле устанавливается несколько молотковых быстроходных мельниц.
Их подача регулируется воздействием на частоту вращения приводного барабана ленточного питателя сырого угля, управляемого электроприводом с регулируемой частотой вращения. Изменение
подачи мельницы при воздействии на её загрузку происходит со значительной инерцией. Более
быстрое изменение количества вдуваемой в топку пыли осуществляется изменением расхода аэросмеси путём изменения заданий регулятору общего воздуха. Для стабилизации влажности пыли в
заданных пределах предусматривается регулятор температуры аэросмеси за мельницей, действующий на изменение соотношения расходов горячего и слабо подогретого воздуха таким же способом,
как и в системе регулирования температуры шаровых барабанных мельниц.
2.4.3. Автоматизация газораспределительных пунктов
- 135 Снабжение тепловых электростанций газообразным топливом осуществляется от газораспределительных станций (ГРС) через газораспределительные пункты (ГРП). В газораспределительных пунктах газ редуцируется до давления 0,15÷0,20 МПА с помощью регулирующих клапанов, управляемых
автоматическими регуляторами давления. С выхода ГРП газ поступает в общий газопровод тепловой
электростанции, снабжающий паровые котлы газовым топливом.
В газораспределительных пунктах имеются рабочие нитки газопровода: одна или две нитки малого расхода и резервная с ручным управлением арматурой. На рабочих нитках и нитках малого расхода устанавливаются автоматические регуляторы давления, действующие по принципу «после себя», то есть поддерживают необходимую величину давления газа после регуляторов, и защитные регуляторы, действующие по тому же принципу. Защитные регуляторы настраиваются на поддержание повышенного давления по сравнению с рабочим. При работе в расчётном диапазоне нагрузок
они полностью открыты.
Автоматическое регулирование подачи газового топлива при его расходах в расчётном диапазоне
осуществляется обычно одним из рабочих регуляторов, установленных на рабочей нитке. Другой
настраивается на несколько меньшее давление и, как правило, полностью закрыт или частично открыт, выполняя роль автоматического резерва снабжения топливом при его нехватке или недостаточном напоре со стороны источника, то есть от газорегуляторной станции.
При ограниченном снабжении тепловой электростанции газовым топливом включаются нитки и
регуляторы малого расхода. В качестве автоматических и защитных регуляторов обычно используются П-регуляторы давления прямого действия с мембранным исполнительным механизмом. В качестве источника энергии для управления исполнительным механизмом используется давление самого природного газа.
2.4.4. Автоматизация установок химической очистки воды
Исходная природная вода от насосов водоснабжения сначала подогревается в теплообменнике, а
затем поступает в осветлители, где осуществляется переход некоторых растворённых солей и примесей в нерастворённые твёрдые вещества. Этот переход осуществляется за счёт добавления в воду
специальных химических реагентов в виде растворов определённой дозировки.
Осветвлённая вода поступает затем в накопительные баки, а оттуда с помощью насосов прокачивается через механические фильтры, в которых задерживаются выделенные в осветлителях растворимые твёрдые вещества, называемые шламом. Затем поток воды раздваивается: часть воды, необходимая для подпитки тепловых сетей, пропускается через фильтры химического умягчения, а другая часть, которая требуется для восполнения потерь питательной воды парогенераторов, проходит
через обессоливающую установку. Удаление кислорода и углекислоты из этих двух потоков воды
осуществляется в деаэраторах: подпитка теплосети – в атмосферных или вакуумных деаэраторах , а
подпитка котлов – только в деаэраторах атмосферного типа.
Технологические операции по химической очистке воды по условиям автоматического регулирования делятся на следующие операции: операции, требующие непрерывного регулирования, и операции, которые осуществляются периодически, то есть один или несколько раз в сутки.
К непрерывным процессам химической очистки воды относится регулирование подогрева исходной природной воды, производительности водоподготовительной установки, дозировки реагентов и
уровня шлама в осветлителях воды.
Периодические операции включают приготовление растворов реагентов, отключение фильтров на
промывку, промывку механических фильтров и регенерацию химических фильтров, то есть восстановление фильтрующих способностей оборудования.
Регулирование температуры исходной воды заключается в поддержании заданного значения температуры исходной воды для нормального протекания химических реакций в осветлителях и химических фильтрах. Подогрев воды осуществляется в поверхностном пароводяном подогревателе, который по своим динамическим свойствам является типичным тепловым объектом.
При автоматическом дозировании реагентов, поступающих в осветлитель, используются индивидуальные автоматические регуляторы, которые называются импульсаторами. Они управляют работой электродвигателей насосов-дозаторов, действующих в режиме «пуск—останов». В качестве импульсаторов используются релейные регулирующие приборы типа РПИБ-11 или Каскад. В осветли-
- 136 тель одновременно могут подаваться два или три реагента. В качестве реагентов используется раствор извести в виде известкового молочка, порошковый магнезит.
Возможные незначительные отклонения химического состава осветвлённой воды от нормы при
автоматической дозировке реагентов по расходу исходной воды могут устраняться с помощью изменения интервала включения электродвигателей насосов-дозаторов.
Регулирование шламового режима состоит в поддержании постоянства среднего значения уровня
взвешенного осадка (шлама) в корпусе осветлителя и шламоотделителе и осуществляется непрерывной и периодической продувками.
Автоматизация установок химводоочистки, кроме облегчения труда и сокращения количества
операторов, позволяет повысить надёжность подготовки воды за счёт исключения возможных ошибок эксплуатационного персонала при проведении трудоёмких операций непрерывных и периодических процессов очистки. Эффективность автоматизации повышается для установок с большим количеством фильтров и осветлителей за счёт более полного использования оборудования и сокращения
расхода реагентов.
Введение раствора аммиака в питательную воду парогенераторов повышает её щёлочность и замедляет процессы коррозии поверхностей нагрева. Поэтому и этот процесс также автоматизирован
по величине электропроводимости теплоносителя.
2.4.5. Автоматическое регулирование деаэраторов
Наличие кислорода и углекислоты в питательной воде вызывает коррозию труб парогенератора и
тракта регенерации. Деаэратор служит для удаления из воды растворённого в ней кислорода. Работа
его основана на том, что растворимость газов в воде уменьшается с повышением температуры и становится близкой к нулю при температуре кипения, соответствующей данному давлению. Выделяющиеся при этом из воды газы должны непрерывно удаляться. Основной процесс деаэрации происходит в колонке деаэратора, куда подводится конденсат турбин от подогревателей низкого давления,
добавочная химически очищен ная
вода, конденсат дренажей и греющий пар.
Изменение количества и температуры конденсата, химически очиХОВ
щенной воды и тому подобное
РД
должно компенсироваться изменением расхода греющего пара так,
чтобы температура и давление в коРУ
пар лонке деаэратора сохранялись постоянными, соответствующими границе кипения.
Колонка деаэратора устанавливается на аккумуляторном баке, слуН
жащем для сбора и хранения запаса
деаэрированной питательной воды.
Деаэратор является также подогревателем смешивающего типа. ПокаРис. 2.4.4.
зателем соответствия расхода питательной воды, забираемой из деаэратакже
подогревателем
тора, и деаэрированной смеси конденсата и химически очищенной
воды
служит уровеньсмешиваюводы в акщего
типа.
Показателем соответкумуляторном баке деаэратора.
ствия
р
Для нормальной работы деаэратора требуется поддерживать
постоянными
давление в колонке
деаэратора и уровень в аккумуляторном баке.
Регулятор давления РД получает входное воздействие по давлению пара в колонке и воздействует
на заслонку на линии греющего пара. Так как необходимо поддерживать давление постоянным, что
также подогревателем смешивающего типа. Показателем соответствия р бы шёл процесс деаэрации,
регулятор должен быть пропорционально-интегральным.
- 137 Регулятор уровня РУ получает воздействие по уровню воды Н в аккумуляторном баке и воздействует на подачу химически очищенной воды ХОВ. Для повышении устойчивости работы регулятора уровня обычно вводится обратная связь по положению регулирующего органа (на рисунке – это
пунктирные линии).
При параллельной работе деаэраторы соединяются уравнительными перемычками по воде и по
пару. В этом случае регуляторы давления и регулятор уровня воздействуют на соответствующие регулирующие клапаны на линиях общего подвода пара и химически очищенной воды.
На крупных тепловых электростанциях применяется подача добавочной воды непосредственно в
конденсаторы турбин, где происходит частичная деаэрация добавочной воды и улучшается использование регенеративных отборов турбин для подогрева основного конденсата и добавочной воды.
2.4.6. Автоматическое регулирование РОУ и подогревателей сетевой воды
Редукционно-охладительные установки (РОУ) служат для понижения давления пара за счёт пропуска его через редукционный клапан и понижение температуры пара путём впрыска чистого конденсата в коллектор редуцированного пара. Кроме того, РОУ служат для резервирования промышленных и теплофикационных отборов паровых турбин.
Для перепуска первичного пара в обвод турбин в случае их внезапного останова предусматриваются быстродействующие редукционно-охладительные установки (БРОУ). В этом случае излишек
пара от парогенераторов сбрасывается через БРОУ в конденсатор турбины. БРОУ также применяются при пуске блока.
При наличии производственного потребителя пара, не допускающего перерыв в снабжении паром, промышленные отборы турбин резервируются с помощью БРОУ, находящихся в горячем резерве. Точность поддержания давления и температуры редуцированного пара требуется по технологическим целям производства. Для этой цели устанавливаются регуляторы давления и температуры
редуцированного пара.
Если РОУ предназначена для резервирования парогенераторов и подключена к одному паропроводу, автоматика которых поддерживает постоянное давление в этом паропроводе, то из двух регуляторов используется лишь регулятор температуры редуцированного пара.
Воздействие по давлению редуцированноРД
ДС
го пара поступает на регулятор давления
РД, управляющий редукционным паропар
ред. вым клапаном на линии подвода пара в
пар РОУ.
РОУ
Регулятор температуры РТ получает
воздействие по температуре редуцированохлаждающ.
ного пара и управляет подачей впрыскивода
ваемой в РОУ охлаждающей воды. Для
РТ
улучшения качества процесса регулироРис. 2.4.5.
вания температуры и увеличения быстродействия регулятора на его вход целесолесообразно подавать дополнительное воздействие от регулятора
давлениядополнительное
через устройство
динаобразно подавать
воздеймической связи ДС.
ствие от регулятора давления через
Если редуцирующее устройство установлено в параллель
с турбиной
и служит для
перепуска
паустройство
динамической
связи
ДС.
ра в конденсатор при внезапных сбросах электрической нагрузки турбогенератора, то быстродействующие клапаны открываются при повышении давления пара перед БРОУ сверх допустимого или
закрытии стопорного клапана перед турбиной. Регулятор давления РОУ в этом случае работает по
сигналу давления пара перед редукционным клапаном и осуществляет принцип регулирования давления пара «до себя».
Теперь рассмотрим автоматическое регулирование теплофикационных установок.
Подогреватели теплофикационной сетевой воды предназначены для её подогрева до требуемой
температуры в зависимости от расчётного температурного графика. Температура сетевой воды зависит от температуры наружного воздуха. Сетевую воду от потребителей по трубкам прокачивает сетевой насос, а в межтрубное пространство подаётся греющий пар. Источником греющего пара обычно служат регулируемые отборы паровых турбин или резервирующие их РОУ. В подогревателях се-
- 138 тевой воды автоматизируются процессы поддержания уровня конденсата греющего пара, температуры сетевой воды и расхода подпиточной воды теплосети.
Регулирование прямой сетевой воды осуществляется различными способами:
1. Изменением подачи греющего пара к подогревателям.
2. Перепуском подогретой воды в обратную линию до сетевых подогревателей.
3. Изменением количества воды, перепускаемой помимо сетевых подогревателей.
Для предотвращения попадания воды в паропроводы отборов турбины при разрыве трубок подогревателей предусматриваются автоматы аварийного слива воды.
Сетевая вода циркулирует по замкнутому контуру сетевой насос—сетевой подогреватель—
тепловая сеть—потребитель тепла—сетевой насос. При этом всегда имеются неизбежные потери
воды, которые восполняются подпиточной водой. Подпитка поступает на всас сетевых насосов благодаря некоторому избыточному давлению, которое создаёт подпиточный насос.
Потери воды в тепловой сети имеют характер случайных и неконтролируемых возмущений. Поэтому желательно предусматривать автоматическое регулирование расхода и давления подпиточной
воды в зависимости от давления обратной сетевой воды.
2.4.7. Автоматическое регулирование уровня и температуры мазута в баке
Схема регулирования уровня и температуры мазута в баке осуществляется следующим образом.
Для того, чтобы бак не переполнился и не опорожнился, необходимо поддерживать в нём уровень
мазута в заданных пределах. Условием постоянства уровня является соблюдение материального баланса, при котором поступление мазута в бак G1 равняется его расходу из бака G2. В то же время потребление мазута по условиям работы тепловой электростанции может изменяться. Поэтому установленное однажды соответствие притока расходу будет систематически нарушаться.
Задача управления подачей мазута в бак состоит в том, чтобы всякий раз изменять поступление
мазута в соответствии с изменением потребления, поддерживая постоянство уровня, а следовательно, обеспечивая восстановление материального баланса.
Управление подачей мазута автоматическим регулятором уровня. Обычно применяется регулятор
поплавкового типа. Поплавок связан с рычагом и тягой с регулирующим органом – клапаном, изменяющим подачу мазута в бак. В установившемся режиме, когда подача мазута равна его потреблению, уровень Н в баке остаётся неизменным.
При очередном изменении потребления или изменении напора мазута перед регулирующим клапаном установившийся (равновесный) режим будет нарушен, уровень начнёт отклоняться, а вместе с
ним начнёт перемещаться и поплавок, меняя открытие клапана до тех пор, пока опять не будет обеспечено новое установившееся состояние, то есть пока приток мазута не придёт в соответствие с новым его расходом. У регулятора имеется устройство (задатчик), служащее для изменения задания
регулятору уровня, который должен поддерживать регулятор.
Мазутный бак, являясь промежуточной ёмкостью между хранилищем мазута и его потребителями, используется одновременно и в качестве подогревателя мазута. Управление подогревом мазута
осуществляется за счёт изменения расхода греющего пара в змеевик, который находится в толще мазута. Если при регулировании уровня поддержание установившегося режима сводилось к соблюдению материального баланса, то регулирование процесса подогрева мазута сводится к поддержанию
теплового баланса.
Температура мазута будет оставаться неизменной, если количество тепла, необходимое для подогрева мазута до этой температуры, и потеря тепла в окружающую среду будут в сумме равны количеству тепла, полученному от греющего пара. В случае управления подогревом мазута установленный однажды баланс тепла также не будет сохраняться сам собой.
В качестве возмущений, нарушающих установившийся процесс, кроме изменения притока и расхода мазута, могут быть отклонения параметров греющего пара, изменение температуры мазута, поступающего из хранилища, температура окружающей среды и т. д.
Нарушение теплового баланса из-за любого из этих возмущающих воздействий приведёт к постепенному росту или снижению температуры мазута, который будет продолжаться до тех пор, пока
тепловой баланс не будет вновь восстановлен.
- 139 Управление процессом подогрева мазута осуществляет автоматический регулятор температуры.
Измерительным устройством этого регулятора служит паровой манометрический термометр. Из
курса «Измерения» нам известно, как работает манометрический термометром. Термобаллон прибора, погруженный в мазут, соединён капиллярной трубкой с камерой, в которой находится мембрана.
При изменении температуры термобаллона меняется давление насыщенных паров в нём, а вместе с
тем и давление в камере над мембраной. Импульс от прибора поступает на регулятор, и с ростом
температуры мазута регулятор прикрывает клапан и уменьшает подачу греющего пара в змеевик, а
при снижении температуры мазута подача пара увеличивается за счёт открытия клапана.
2.4.8 Регулирование производительности тяго-дутьевых машин
Регулирование производительности дутьевых вентиляторов и дымососов может осуществляться
дросселированием, изменением числа оборотов машины и изменением угла входа на рабочее колесо
с помощью направляющих аппаратов.
Дроссельное регулирование является самым простым и вместе с тем самым неэкономичным способом изменения производительности тяго-дутьевых машин. Характеристика машины при этом способе остаётся неизменной, а для уменьшения производительности создают с помощью поворотной
дроссельной заслонки дополнительное сопротивление тракта.
Дроссельное регулирование обеспечивает широкий диапазон изменений расхода среды, но вследствие преодоления дополнительного сопротивления вызывает повышенный расход электроэнергии
на тягу и дутьё. На современных тепловых электростанциях дроссельное регулирование в настоящее
время почти не применяется.
Изменение числа оборотов тяго-дутьевых машин является наиболее экономичным способом регулирования их производительности. Для осуществления этого способа применяются электродвигатели с переменным числом оборотов. Другой способ изменения числа оборотов связан с применением гидромуфт или магнитных муфт.
В этом случае привод осуществляется от электродвигателя с постоянным числом оборотов. Оба
способа регулирования производительности тяго-дутьевых машин за счёт изменения их чисел оборотов в настоящее время широкого применения не нашли в энергетике.
Регулирование с помощью направляющих аппаратов получило наибольшее распространение.
Направляющий аппарат представляет собой многолопастное дроссельное устройство, установленное
непосредственно у всасывающего патрубка машины, то есть поворотные лопатки. Направляющий
аппарат дросселирует и одновременно закручивает поток в сторону вращения рабочего колеса. В результате изменения угла входа потока на колесо меняется производительность машины.
Направляющие аппараты бывают осевыми и упрощёнными. Если осевой аппарат имеет поворотные лопатки, которые с помощью специального устройства обеспечены одновременным поворотом
всех лопаток на одинаковый угол, то направляющий аппарат упрощённого типа представляет собой
многолопастную жалюзийную заслонку, которая устанавливается непосредственно перед всасывающим отверстием в корпусе машины.
На дымососах, где вследствие износа золой лопатки требуют частой замены, применяются главным образом упрощённые аппараты, в то время как на дутьевых вентиляторах чаще всего устанавливают более экономичные аппараты осевого типа.
2.4.9. Системы регулирования паротурбинных установок
Система регулирования паровых турбин очень сложная. В турбостроении применяется регулирование частоты вращения ротора турбины, так как от этого зависит частота тока, выдаваемого электрогенератором потребителю. (50 герц). В Российской Федерации частота вращения паротурбинной
установки на тепловых электростанциях принята 3000 оборотов в минуту. Одной из задач регулирования частоты вращения турбогенератора является недопущение её чрезмерного повышения при
сбросе электрической нагрузки закрытием регулирующих клапанов.
Кроме регулирования частоты вращения ротора турбины применяется автоматическая система
регулирования с одновременным автоматическим поддержанием давления в камерах отборов пара,
то есть связанное регулирование. Связанным называется такое регулирование нескольких параметров, при котором регулятор любого из них одновременно воздействует на перемещение всех глав-
- 140 ных сервомоторов. Если хотя бы один из регуляторов воздействует не на все главные сервомоторы,
то регулирование называется частично связанным.
Например, турбины с регулируемым противодавлением на выхлопе оснащены одним главным
сервомотором, управляющим клапанами на входе в турбину, и двумя регуляторами – скорости и
противодавления. При работе по электрической нагрузке регулятор противодавления отключается и
давление за турбиной изменяется в зависимости от электрической нагрузки. При работе при тепловой нагрузке регулятор скорости устанавливается таким образом, что он вступает в работу только в
случае изменения частоты вращения ротора при сбросе электрической нагрузки с отключением
электрогенератора от сети. А регулятор противодавления поддерживает давление за турбиной за
счёт изменения электрической нагрузки.
Статической характеристикой регулирования называется зависимость изменение частоты вращения ротора турбогенератора при изменении электрической нагрузки при работе в изолированную
сеть, то есть на индивидуальных потребителей электроэнергии от этого турбогенератора.
Степень неравномерности статической характеристики регулирования частоты вращения ротора
– это отношение установившегося (статического) повышения частоты вращения ротора при сбросе
номинальной нагрузки к номинальной частоте вращения. Обычно эту величину выражают в процентах. Для изменения частоты вращения при работе турбины с постоянной частотой служит специальное устройство, которое называется механизмом управления турбиной (МУТ).
Если при изменении любого регулируемого параметра в пределах его степени неравномерности
система регулирования в установившемся режиме обеспечивает постоянство других регулируемых
параметров, то она называется статически независимой.
Для регулирования давления пара в регулируемых отборах турбины применяются сильфонные и
мембранные регуляторы давления. В них упругий элемент (сильфон или мембрана) воспринимает
изменение давления в камере отбора. Изменение деформации упругого элемента далее преобразуется в сигнал, поступающий на вход следующей ступени усиления автоматической системы регулирования, а затем на запорный орган, который и меняет расход пара в отборе, а следовательно, и давление пара.
2.4.10. Автоматизация вспомогательных установок паровых турбин
Лабиринтовые уплотнения турбин препятствуют утечке пара в окружающую среду и проникновению кислорода, входящего в состав воздуха, в корпус турбины. Поэтому в лабиринтовые уплотнения подают пар с давлением, превышающим атмосферное. Давление пара в местах лабиринтовых
уплотнений является величиной переменной в зависимости от нагрузки турбогенератора. Это вынуждает снабжать технологическую схему подачи к лабиринтовым уплотнениям автоматической
системой регулирования.
В системе регулирования подачи пара на уплотнения используется регулятор давления «до себя».
Он поддерживает необходимое избыточное давление в коллекторе уплотнений путём воздействия на
положение регулирующей заслонки, расположенной на трубопроводе отсоса пара из переднего
уплотнения в эжектор или систему подогревателей низкого давления. Регулятор давления снабжён
жёсткой обратной связью по положению регулирующего органа.
Теперь вкратце рассмотрим автоматическое регулирование уровня конденсата в конденсаторах
паровых турбин.
Положение уровня конденсата пара турбины регулируется путём изменения расхода конденсатных насосов, который нельзя уменьшить ниже определённого предела по характеристике конденсатных насосов (подпор), а также пропуском конденсата через эжекторы и систему регенеративных подогревателей.
Поэтому при малых нагрузках турбины часть конденсата с напорной стороны конденсатных
насосов должна вновь сбрасываться в конденсатор.
С учётом этих требований и выполняется система регулирования основного конденсата пара в
конденсаторе. Как объект управления конденсатор представляет собой герметический бак с насосом
на стоке и не обладает свойством самовыравнивания по уровню. Регулирование уровня конденсата
осуществляется изменением расхода конденсата после конденсатных насосов путём воздействия на
двухпоточный клапан.
- 141 При снижении уровня конденсата при сбросе нагрузки турбины двухпоточный клапан закрывается, но обеспечивает требуемый пропуск воды в регенеративную систему подогрева. При дальнейшем
понижении уровня открывается клапан рециркуляции и часть конденсата вновь сбрасывается в конденсатор.
Контрольные вопросы к Теме 2.4.
№
п/п
Вопрос.
1.
На каком значении следует поддерживать загрузку шаровой
барабанной мельницы в системе
пылеприготовления с промежуточным бункером?
2.
Каким образом регулируется
температура аэросмеси за шаровой барабанной мельницей, если
сушка топлива производится
смесью горячего и слабоподогретого воздуха?
3.
Что является показателем завала мельницы топливом?
4.
По какому фактору судят о
влажности пыли?
5.
6.
С чем связана система регулирования подачи пыли молотковой мельницы?
Что должна поддерживать автоматическая система регулирования загрузки молотковой
мельницы?
Ответ.
А. На среднем.
В. Соответствующем расходу топлива на
парогенератор.
С. Близком к максимальному.
D. Близком к минимальному.
Е. Близком к номинальному.
А. Изменением подачи горячего воздуха.
В. Изменением подачи слабонагретого
воздуха.
С. Одновременным изменением подачи
горячего воздуха и слабонагретого воздуха.
D. Изменением подачи холодного воздуха.
Е. Одновременным изменением подачи
холодного воздуха и слабонагретого воздуха.
А. Останов мельницы.
В. Резкое уменьшение тока электродвигателя мельницы.
С. Увеличение тонины помола пыли.
D. Увеличение нагрузки парогенератора
Е. Уменьшение тонины помола пыли
А. О влажности пыли судят по расходу
пыли.
В. О влажности пыли судят по расходу
пыли после мельницы
С. О влажности пыли судят по температуре аэросмеси.
D. О влажности пыли судят по расходу
пыли до мельницы
Е. О влажности пыли судят по температуре воздуха.
А. С работой электропривода мельницы.
В. С работой регуляторов тепловой
нагрузки парогенератора.
С. С работой пылепитателей.
D. С работой дутьевого вентилятора.
Е. С работой дымососа.
А. Требуемую подачу топлива и оптимальную тонину помола пыли
В. Количество подаваемого горячего воздуха.
С. Количество подаваемого слабонагретого воздуха
Консультации
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
- 142 -
7.
На что воздействует регулятор
уровня деаэратора?
8.
На какие клапаны должны воздействовать регуляторы уровня
и давления в деаэраторах при
параллельной их работе?
9.
С помощью какого регулятора
сетевого подогревателя обеспечивается поддержание давления
сетевой воды?
10.
11.
Для чего требуется точность
поддержания давления и температуры редуцированного пара
после РОУ?
Как называется устройство,
служащее для изменения задания регулятору?
D. Требуемую подачу топлива и количества воздуха.
Е. Количество подаваемого холодного
воздуха.
А. На подачу конденсата греющего пара в
отборе турбины.
В. На подачу химически очищенной воды.
С. На изменение подачи конденсата отработавшего в турбине пара.
D. На подачу пара на турбину.
Е. На расход выпара деаэратора.
А. На регулирующие клапаны химически
очищенной воды и пара каждого деаэратора.
В. На регулирующие клапаны на общих
линиях конденсата и пара.
С. На общих линиях химически очищенной воды и пара.
D. На предохранительные клапаны котла.
Е. На стопорные клапаны турбины.
А. Регулятора подпитки.
В. Регулятора уровня.
С. Регулятора температуры
D. Регулятора давления.
Е. Регулятора расхода.
А. По экономическим соображениям.
В. По технологическим целям промышленного потребителя
С. Для улучшения качества пара.
D. По соображениям надёжности.
Е. Для подачи нужного расхода пара
промышленному потребителю.
А. Дифференциатор.
В. Регулирующий клапан
С. Задатчик.
D. Сервомотор.
Е. Усилитель.
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
- 143 -
Тема 2.5. Автоматизация регулирования вспомогательного оборудования
2.5.1. Особенности эксплуатации энергоблоков
Энергоблоки играют большую роль в повышении надёжности тепло- и электроснабжения потребителей и поэтому требуют использования высокоавтоматизированных систем управления с использованием современных средств электроники. энергоблоки включают в себя один котёл и одну турбину – моноблок и два котла и одну турбину – дубль-блок и соответствующее вспомогательное оборудование. Дубль-блоки себя не оправдали по экономическим причинам, поэтому в настоящее время
в основном используются моноблоки.
Энергоблок связывается с энергетической системой отдельным электрическим трансформатором.
Прямоточные или барабанные котлы не блочных тепловых электростанций не соединяются общим
трубопроводом.
Особенности эксплуатации блоков заключаются в следующем:
1. Централизация управления энергоблоком. Энергетический блок представляет собой органическое целое и требует управления из единого центра—блочного щита управления (БЩУ), куда
поступает вся информация о состоянии оборудования. Блочная схема создаёт благоприятные условия для применения автоматического регулирования, автоматических защит и блокировок.
2. Удобство контроля за технико-экономическими показателями блока. Отсутствие перетоков пара и воды между соседними блоками сокращает объём необходимых измерений, позволяет
рассчитывать показатели тепловой экономичности блока в целом и отдельных его звеньев.
3. Условия проведения ремонтов и контроля за готовностью оборудования. Готовность блока в целом зависит от готовности каждого его элемента: котла, турбины, питательного и конденсатного насосов, деаэратора и т. д. Отказ любого из этих звеньев приводит к отказу всего блока. Потеря
мощности при отказах блока должна компенсироваться аварийным резервом энергосистемы. Капитальный ремонт блока ведётся одновременно для всего оборудования.
4. Но главной особенностью является наличие промежуточного перегрева пара. Одним из
следствий этого является необходимость обеспечения постоянной температуры пара после промперегрева в широком диапазоне нагрузок энергоблока, для чего необходима специальная система регулирования.
Простейшим методом регулирования температуры пара промперегрева является впрыск питательной воды. Но при этом снижается тепловая экономичность блока, так как этот процесс равносилен вытеснению подвода к турбине пара высокого давления паром низкого давления. Поэтому применяют другие методы регулирования температуры промперегрева пара, используя впрыск как аварийное средство.
В настоящее время в качестве регулирования промперегрева пара применяется рециркуляция дымовых газов парогенератора. Дымовые газы забирают из конвективной шахты котла после водяного
экономайзера и подают их в нижнюю часть топки. Рециркуляция газов усиливает теплообмен в конвективном промежуточном пароперегревателе под влиянием как увеличения расхода газов, так и повышения их температуры. Кроме того, для регулирования температуры промперегрева пара используются паро-паровые теплообменники.
Для покрытия суточного графика электрической нагрузки энергоблоки работают от номинальной
нагрузки до определённого технического минимума, ограниченного заводом-изготовителем. Например, энергоблок 300 МВт может работать до технического минимума 60 МВт, при более низкой
нагрузке его нужно остановить. Но это при аварийной ситуации.
Но главной задачей управления энергоблоком состоит в выработке заданного количества электроэнергии и теплоэнергии в каждый момент времени при минимальном расходе топлива на выработанный один киловатт-час, то есть при минимальном значении удельного расхода топлива bу,
г/квт·ч.
2.5.2. Особенности регулирования энергоблоков
- 144 Основными регулирующими воздействиями блочной установки являются перемещения регулирующих органов подачи топлива Вт и питательной воды парогенераторов Dпв и регулирующих клапанов турбины hкл. Основными регулируемыми величинами энергоблоков являются:
1. Активная электрическая мощность электрогенератора N.
2. Частота вращения ротора турбины n, соответствующая частоте электросети f, равной 50 герц.
Кроме того, на энергоблоке имеется огромное количество промежуточных параметров, которые
требуют непрерывной стабилизации с целью обеспечения нормальной работы блока, то есть температуры пара по всему тракту (от парогенератора до турбины, тракту промежуточного перегрева пара
и т. д.), разрежения в верхней части топочного устройства парогенератора, уровня воды в барабане
котла, подогревателях различного назначения, в конденсаторе турбины и т. д.
Основным способом регулирования активной мощности турбоагрегата является: передача воздействий по схеме «регулирующие клапаны—мощность». Этот способ регулирования осуществляется перемещением регулирующих клапанов турбины hкл под действием регулятора частоты вращения.
Второй способ регулирования энергоблоком основан на передаче воздействий по схеме «давление—мощность» путём изменения начального давления пара перед турбиной. Регулирующим воздействием этой схемы служит изменение подачи топлива в топку парогенератора. К этому же способу относится работа энергоблока на скользящих параметрах пара при развороте энергоблока от холостого хода до набора 50÷70% номинальной мощности.
Холостой ход энергоблока – это работа блока без выработки электроэнергии и, соответственно,
без выдачи электроэнергии потребителю.
Важнейшей характеристикой энергоблоков в отношении регулирования частоты тока и мощности
является приемистость. Приемистость характеризует способность энергоблока изменять тепловую
нагрузку и электрическую мощность в переходных режимах вслед за изменением задания по мощности. То есть другими словами, приемистость характеризует маневренность энергоблоков. При
этом автоматическая система регулирования тепловой нагрузки парогенератора и мощности турбогенератора следует рассматривать, как составляющие единой системы автоматического регулирования мощности энергоблока, то есть в энергоблоке парогенератор и турбоагрегат представляют собой
единую динамическую систему со многими регулируемыми параметрами.
Более высокой приемистостью обладает энергоблок, обеспечивающий наиболее быстрый переход
на новую нагрузку. При этом основные и промежуточные параметры энергоблока не должны выходить за пределы допустимых отклонений. По результатам анализа существующих графиков электрической нагрузки, которые обеспечивают энергоблоки, можно выделить две характерные составляющие: постоянную, то есть последовательность стабильных уровней, и колебательную. Постоянная составляющая поддаётся более точному прогнозированию.
Энергоблоки, участвующие в её покрытии, работают в базовом режиме. Колебательная составляющая обусловлена работой потребителей с быстроменяющейся нагрузкой и носит случайный характер. Обеспечение колебательной составляющей является наиболее сложной задачей, выполнение которой падает на тепловую электростанцию и энергоблоки, действующие в регулирующем режиме.
В регулирующем режиме автоматические системы управления (АСУ) тепловой электростанции
решают следующие задачи:
1. Непрерывное поддержание соответствия производства и потребления электроэнергии при
устойчивой работе электростанций и энергоблоков.
2. Распределение переменного задания по нагрузке между отдельными энергоблоками при существующих издержках производства, то есть расходе топлива, себестоимости электроэнергии и
других.
3. Участие в регулировании перетоков мощности между отдельными частями энергосистемы.
Решение этих трёх задач в энергетике называется регулированием частоты и мощности, а режимы, в которых работают тепловые электрические станции или современные энергоблоки большой
единичной мощности, которые участвуют в решении этих задач, называются регулирующими режимами.
Основные режимные требования следующие:
- 145 1. Диапазон изменения нагрузок для пылеугольных котлов должен составлять 50÷100%, для газомазутных от 30 до 100%.
2. Скорость изменения нагрузок в различных режимах от 0,7 до 4% в минуту.
3. Скорость изменения нагрузок в диапазоне
Всё это усложняет задачу управления энергоблоком.
2.5.3. Системы управления мощностью энергоблока
В базовом режиме управление блоком осуществляется по принципу поддержания постоянства
тепловой нагрузки парогенератора. При этом внутренние возмущения устраняются системами регулирования подачи топлива или питательной воды, а внешние – регулятором давления пара, действующим на регулирующие клапаны через механизм управления турбиной. Регулятор давления пара защищает парогенератор от излишнего снижения давления пара, но не обеспечивает участия
энергоблока в регулировании частоты и мощности. Более того, он препятствует использованию аккумулирующей способности элементов парогенератора, паропровода и энергоблока в целом, усугубляет нехватку пара при увеличении электрической нагрузки, воздействуя на закрытие регулирующих клапанов турбины.
Задача автоматической системы регулирования энергоблока в регулирующем режиме состоит в
том, чтобы довести маневренность энергоблоков до значений, которые обеспечивали бы их эффективное участие в регулировании частоты.
Парогенератор и турбогенератор обладают совершенно различными динамическими свойствами.
Например, инерционность турбогенератора при возмущении при схеме «регулирующие клапаны—
мощность» измеряется секундами., а постоянная времени парогенератора по расходу пара и энергоблока по мощности при воздействии топливом для энергоблоков, работающих на твёрдом топливе,
достигает несколько сотен секунд Для газомазутных энергоблоков постоянная времени достигает
нескольких десятков секунд.
Последовательное технологическое соединение инерционного парогенератора и малоинерционной паровой турбины ограничивает диапазон и скорость изменения нагрузки энергоблока в целом.
Для увеличения маневренности энергоблоков в регулирующем режиме необходимо добиваться
повышения быстродействия автоматической системы регулирования по мощности. С этой целью
предусматривается введение быстродействующих сигналов, которые подаются на вход регуляторов
мощности паровых турбин и парогенераторов.
Колебание электрической нагрузки в течение суток вызывает изменение частоты электрической
сети, которое воспринимается регуляторами частоты вращения турбин, которые в свою очередь действуют на положение паровпускных клапанов. Распределение нагрузки между турбогенераторами
зависит от статических характеристик регуляторов и характеризуется коэффициентом статизма, который измеряется в процентах:
n
 nМИН
, где:
  МАКС
nМАКС
nмакс и nмин – максимальная и минимальная частота вращения турбин, об/мин.
Как правило, коэффициент статизма δ находится в пределах 1,5÷3%. Регулирование мощности
регуляторами частоты вращения турбин называется первичным регулированием.
Статическая точность первичного регулирования определяется следующим выражением:
f  f Р НОМ
N Э  ОШ
N Э , где:

ΔfОш – статическая ошибка промышленного регулятора по частоте;
Δfр – зона нечувствительности ;
δ – коэффициент статизма;
N ЭНОМ -- номинальная мощность агрегата.
Этот способ регулирования, отличающийся низкой точностью и допускающий самопроизвольное
изменение электрической нагрузки отдельных турбоагрегатов при колебаниях частоты электросети,
нельзя считать удовлетворительным. Особенно это относится к тепловым электростанциям с большим числом агрегатов, участвующих в регулировании перетоков мощности по линиям электропередачи системы.
- 146 В связи с недостатками одного первичного регулирования и сложностью экономичного управления мощностью большой группы энергоблоков разработаны общестанционные автоматические системы регулирования частоты и активной мощности (АСРЧМ). Таким образом, автоматические системы регулирования частоты и активной мощности являются надстройками общей автоматической
системы регулирования мощности энергоблоков и отдельных его агрегатов, действуют по сигналам
задания от вышестоящей системы управления и осуществляют вторичное регулирование частоты и
активной мощности.
2.5.4.Автоматизация пуска энергоблоков
Технология процессов пуска энергоблоков рассматривается как последовательность нескольких
этапов, каждый из которых характеризуется определённым состоянием запорной арматуры и оборудования и значением или скоростью изменения технологических параметров, контролируемых при
пуске. На каждом из этапов необходимая тепловая схема энергоблока может быть собрана путём изменения состояния арматуры и оборудования. Режим изменения параметров должен поддерживаться
непрерывно при переходе от одного этапа к следующему.
Для обеспечения надёжного и быстрого пуска энергоблоков или отдельных агрегатов из различного исходного состояния необходимо выполнять автоматизацию пусковых процессов и операций, а
также контроль параметров при пуске.
Автоматический пуск энергоблока является совокупностью автоматических операций по управлению состоянием запорной арматуры, то есть «открыть» или «закрыть», и оборудования («включить», «отключить», «пустить», «остановить»), совершаемых в строгой последовательности, и непрерывных технологических процессов, управляемых с помощью автоматических устройств.
При этом динамические характеристики участков регулирования существенно изменяются в процессе пуска. Динамические параметры этих характеристик, определённые для начального этапа пуска, сильно отличаются от тех же параметров, определённых для конечного этапа пуска или нормального режима работы.
При переходе с растопочного (обычно жидкого) топлива на основное (любого расчётного—
жидкого или твёрдого) и с изменением тепловой схемы энергоблока автоматическое регулирование
большинства технологических параметров в процессе пуска не может осуществляться штатными регуляторами даже при изменении их настроек и задания.
С этой целью используются специальные пусковые или растопочные автоматические системы
регулирования, которые отличаются от штатных наличием устройств дистанционного изменения
настроек регуляторов и другими устройствами.
2.5.5.Автоматизация пуска энергоблоков с барабанным
и прямоточным парогенераторами
Рассмотрим автоматическую систему регулирования непрерывных процессов пуска энергоблока
из холодного состояния с барабанным парогенератором, работающем на газовом топливе при растопке.
Пуск энергоблока состоит из следующих последовательных основных этапов:
1. Осмотр оборудования, установка запорной и регулирующей арматуры в исходное положение.
2. Вентиляция топки.
3. Продувка газопровода и подготовка растопочных горелок к розжигу.
4. Розжиг горелок.
5. Прогрев барабана котла и паропроводов.
6. Разворот турбогенератора.
7. Синхронизация и включение электрогенератора в сеть.
8. Нагружение турбогенератора.
Первые три этапа являются подготовительными. Розжиг горелок производится персоналом или
автоматически специальными устройствами, например, с помощью прибора автоматического контроля пламени. Этот прибор выполняет преобразование непрерывных сигналов от двух датчиков
пламени в дискретные сигналы, формирует импульсы для управления зажиганием, формирует необходимую выдержку времени для управления розжигом горелок. Прогрев барабана и паропровода
осуществляется после розжига растопочных горелок нижнего яруса. При этом подача топлива опре-
- 147 деляется допустимой скоростью прогрева барабана. До момента вскипания воды в барабане устанавливается и поддерживается расход газа через клапан малого расхода. После вскипания воды в барабане при избыточном давлении около 0,1 МПа включается автоматическая программная система
подъёма температуры насыщения (АПС), действующая по разности сигналов температуры насыщения пара в барабане tн и задания u1(tПри
со скоростью
1,50С/мин
(см рис.2.5.1).
н), изменяющегося
достижении скорости
повышения
температуры
пара за
tн
первым впрыском на одной из четырёх ниток трубопровода
40С/мин автоматическая программная система подъёма температуры насыщения отключается и автоматически включается в
1
работу АПС подъёма температуры пара за первыми впрыскаu1(tн)
ми со скоростью 40С/мин, действующая по разности сигналов
Пtн
температуры пара и задания u2(tвпр1).
ЗРУ
При прогреве барабана и паропроводов в работу также
2
включается АПС поддержания температуры первичного пара
на выходе tпп и исчезающему сигналу за впрыском tвпр2. Сигнал задания u3(tпп) устанавливается с соблюдением очень важ3
ного условия при пуске: разность между температурой пара за
Вт
4
парогенератором и металла верхней части ЦВД турбины не
должна превышать 500С.
Рис. 2.5.1.
Теперь можно начинать разворот турбогенератора. ПоОбозначения на рис.2.5.1÷2.5.3: сле завершения всех предыдущих операций по прогреву паро1—измерительный блок;
проводов, стопорного клапана и корпусов турбоагрегата, а
2—регулирующий прибор;
также после проверки требуемых условий температурного ре3—исполнительный механизм; жима оператор блока включает АПС частоты вращения тур4—регулирующий орган.
бины (рис. 2.5.2), а затем программу увеличения числа оборотов турбоагрегата n (об/мин). АПС частоты вращения турбоП
агрегата, воздействуя на байпасы главной паровой задвижки
(ГПЗ), производит толчок турбины, а затем подъём частоты
u(tпп)
ЗРУ
вращения по заданной программе до режима холостого хода
(порядка 3000 об/мин). На данном этапе остаются включён1
ными АПС по первому впрыску и АПС по первичному пару.
Пп
Следующий этап – это синхронизация и включение генера2
тора в электросеть. При холостом ходе турбины и готовности
электрогенератора к включению в сеть оператор энергоблока
3
отключает АПС регулирования частоты вращения турбины.
4
Dпп
Синхронизация генератора и включение в сеть производятся
дежурным персоналом электроцеха в соответствиями с инструкциями по пуску и останову энергоблоков.
Рис. 2.5.2.
И последний этап – это нагружение турбогенератора. При
пуске энергоблока из любого состояния перед набором
tр
tЦВД
нагрузки остаются в работе автоматическая программная система температуры первичного пара на выходе из парогенераЗРУ
тора. После включения генератора в электрическую сеть набор
электрической нагрузки производится включением автомати1
ческой системы нагружения, которая воздействует на регулирующий клапан газового топлива. Давление пара перед турби2
ной поднимается с учётом ограничения по разности температур пара в регулирующей ступени и ЦВД (ЦВД—tр) и металла
в глубинной точке фланца (tцвд), которая не должна превышать
3
4 Вт
1000С. Это условие достигается при использовании разности
этих температур в качестве входного сигнала автоматической
Рис. 2.5.3.
системы нагружения энергоблока.
Одновременно на этом этапе включается в работу автоматическая система регулирования по схеме «топливо—воздух» по парогенератору. Включение и отключение всех автоматических про-
- 148 граммных систем и логических устройств, формирующих программы повышения параметров, осуществляется оператором при помощи ключа «этапы пуска» и тумблеры включения и отключения
программ. Пусковые программы формируются с помощью специальных устройств и в виде сигналов
подаются на вход автоматических регуляторов.
Теперь вкратце рассмотрим автоматизацию пусковых операций энергоблока с прямоточным паровым котлом.
На энергоблоках с прямоточным парогенератором также как с барабанным парогенератором автоматизируются основные пусковые операции и процессы. Кроме того, в этом случае автоматизируются и питание парогенератора водой, температурный режим, режим работы пусковых сепараторов по тракту парового котла до растопочных сепараторов температура перегретого пара на выходе
из котла.
Здесь же имеются системы автоматического регулирования расхода пускового резервного питательного электронасоса и рабочего питательного насоса с турбоприводом. При пуске энергоблока и
подъёме нагрузки до 30% номинальной используется питательный электронасос, а затем по мере роста нагрузки производится автоматический переход с электронасоса на питательный насос с турбоприводом. Для этого заданное давление питательной воды регулятору производительности электронасоса устанавливается несколько меньшим, чем регулятору производительности турбонасоса. Поэтому турбонасос устанавливает свой регулирующий орган в положение, которое соответствует
максимальной частоте вращения турбопривода, то есть полностью открывает клапан.
По мере роста нагрузки энергоблока и давления пара в отборе турбины, из которого питается
турбопривод, развиваемый им напор начинает возрастать и превышает напор электропитательного
насоса. Это приводит к к открытию обратного клапана на выходе турбопитательного насоса, который начинает подавать питательную воду в магистраль параллельно с электропитательным насосом.
Так как турбопитательный насос стал развивать давление на напоре больше заданной величины
давления на электропитательном насосе, то ПЭН разгружается. При достижении некоторой предельной величины напора обратный клапан электропитательного насоса закрывается.
После всех этих операций электропитательный насос может быть выведен в резерв с возможностью последующего автоматического пуска. Действие системы регулирования подачи питательных
насосов при останове энергоблока происходит в обратной последовательности.
Автоматическая программная система разворота турбины и регулятор нагружения турбоагрегата
энергоблока с прямоточным парогенератором действует так же, как и с барабанным парогенератором.
Контрольные вопросы к Теме 2.5.
№
п/п
Вопрос.
1.
От чего зависит распределение
нагрузки между турбогенераторами?
2.
Что
называется
регулирование
мощности регуляторами частоты
вращения турбин?
3.
Какими регуляторами воспринима-
Ответ.
Консультации
А. От неравномерности регулирования.
В. От статических характеристик ре- Стр. 162
гуляторов.
С. От инерционности системы регулирования.
D. От качества изготовления регуляторов.
Е. От маневренности энергоблока.
А. Первичным регулированием.
В. Вторичным регулированием.
Стр.162
С. Автономным регулированием
D. Ручным регулированием.
Е. Самостоятельным регулированием.
А. Регуляторами мощности.
В. Регуляторами температуры.
- 149 -
4.
5.
6.
ется вызывает колебание электри- С. Регуляторами частоты вращения
ческой нагрузки в течение суток?
турбин.
D. Регуляторами давления.
Е. Регуляторами расхода.
А. Активная электрическая мощность электрогенератора.
Какая величина энергоблоков не В. Частота вращения ротора турбиявляется регулируемой?
ны.
С. Давление в конденсаторе турбины.
D. Сдвиг ротора турбины.
Е. Расход пара на турбину.
А. Вентиляция топки.
С какой операции начинается пуск В. Розжиг горелок.
энергоблока с барабанными пароге- С. Прогрев барабана парогенератора
нераторами?
и паропроводов.
D. Осмотр оборудования.
Е. Подача топлива в котёл.
А. После розжига растопочных горелок нижнего яруса.
После чего осуществляется прогрев В. После синхронизации и включении
барабана котла и паропровода?
электрогенератора в сеть.
С. После разворота турбогенератора.
D. После создания эксплуатационного
вакуума в конденсаторе.
Е. После нагружения турбогенератора.
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
- 150 -
Тема 2.6. Автоматические тепловые защиты и системы логического управления
2.6.1. Автоматическая технологическая защита
Автоматическая технологическая защита служит для автоматического управления агрегатами и
участками тепловой электростанции или энергоблока в аварийных ситуациях. Например, при возникновении аварийных ситуаций при недопустимо больших отклонениях от номинальных значений
контролируемых или управляемых величин (температур, давлений, расходов и тому подобное),
устройства автоматической защиты должны быстро произвести необходимые операции, предотвращающие развитие аварии.
Автоматическая защита начинает действовать в случаях, когда автоматические системы регулирования не могут исправить возникшую аварийную ситуацию, а при ручном управлении – когда
оператор не в состоянии своевременно реагировать на аварийное изменение режима работы.
Устройства автоматической защиты должны производить необходимые в аварийной обстановке
операции: отключение аварийных участков и агрегатов, включение резервного оборудования, переключения в тепловой схеме и т. д.
Простейшим устройством автоматической технологической защиты является общеизвестный
предохранительный клапан, открывающийся при повышении давления более допустимого. Примером устройства автоматической защиты может служить также так называемый скоростной автомат
турбины, выключающий её при повышении частоты вращения выше предельно допустимого значения, когда автоматический регулятор частоты вращения не справляется с таким повышением. Срабатывание автомата безопасности турбины происходит при превышении частоты вращения турбогенератора сверх номинальной на 10%, то есть на 300 об/мин и приводит к мгновенному закрытию стопорного клапана. При этом генератор отключается от электросети. То же происходит при срабатывании других защит турбины, например, при падении давления в системе смазки подшипников, при
чрезмерном осевом сдвиге ротора, потери вакуума в конденсаторе и т. д.
Срабатывание защит парогенератора, приводящее к его останову, передаётся на отключающие
устройства турбогенератора и вызывает останов энергоблока в целом. Кроме защитных устройств
отдельных агрегатов от повреждений, блочные установки оснащаются защитными устройствами,
предотвращающими останов энергоблока при частичных сбросах электрической нагрузки.
Защиты дубль-блока (два парогенератора—один турбогенератор) построены по другому принципу по сравнению с моноблоком. Система автоматической защиты дубль-блока выполняет такие
функции: останов энергоблока, останов турбины, перевод энергоблока в режим холостого хода,
снижение нагрузки блока, останов одного из парогенераторов или перевод его на растопочную
нагрузку, защита отдельных механизмов и устройств.
Аварийный останов турбины дубль-блока почти не отличается от останова турбины моноблока.
Только при работе турбины в дубль-блоке добавляется сигнал на её останов при одновременном
останове или отключении обоих парогенераторов, а также сигнал о срабатывании общеблочной защиты на останов.
Выключение одного агрегата или участка обычно приводит к необходимости выключения других.
Поэтому сложные современные устройства автоматической защиты состоят из ряда взаимно связанных элементов, выполняющих в определённой последовательности необходимые операции с различными агрегатами и участками.
Автоматические аварийные блокировки предназначены для автоматического ограждения объектов или участков от неправильных операций, произошедших либо по ошибке операторов, либо
вследствие аварии. В отличие от устройств защиты устройства автоматической блокировки исключают неправильные операции, которые могут вызвать поломку оборудования.
Так, например, если на один и тот же регулирующий орган могут быть поданы сигналы от автоматического регулятора и ручного дистанционного управления, то при подаче сигнала от ручного
- 151 блокируется или выключается сигнал от автоматического регулятора. Этим исключается возможность подачи двух сигналов в различных направлениях.
Ещё один пример. В системах топливоподачи нельзя включать первый по ходу топлива механизм,
если не включён следующий за ним. Включение должно производиться, начиная с последнего по
ходу топлива механизма, затем предпоследнего и т. д. Возможность неправильного порядка включения исключается устройствами автоматической блокировки.
2.6.2. Основные технологические защиты блоков котёл—турбина
Общим требованием ко всем устройствам защиты является надёжность и своевременность их
действия. Недопустимы как отказы в действии защиты, так и ложное их срабатывание. Для того чтобы максимально снизить возможность ложного срабатывания, во всех основных защитах используют по два независимых устройства, сигнальные контакты которых включаются последовательно по
схеме «два из двух». Иногда включаются устройства защиты и по схеме «два из трёх». В этом случае
используют три дублирующих устройства защиты, контакты которых соединены таким образом, что
сигнал в схему защиты поступает при одновременном срабатывании не менее чем от двух устройств
защиты в любой комбинации.
Основные устройства защиты турбины поставляются комплектно с турбиной и обычно не дублируются. Это – защита при осевом сдвиге ротора, при падении давления масла в системе регулирования, при падении вакуума в конденсаторе. Не дублируются также защиты, где в качестве входного
сигнала для защиты используется замыкание блок-контактов электрических выключателей.
По степени воздействия автоматические устройства технологической защиты можно подразделить на две категории: 1) местные, или локальные и 2) основные, или главные.
Местные устройства защиты воздействуют только на отдельные агрегаты или участки и предотвращают развитие аварии без останова основных агрегатов энергоблока.
Основные защитные устройства приводят к останову всего энергоблока: турбогенератора, парогенераторов, переводу энергоблока в режим холостого хода, котлов – на растопочную нагрузку и
другим операциям, снижающим выработку электроэнергии блоком, вплоть до нуля.
Срабатывание основных защитных устройств воздействует строго определённом порядке на
большое число различных агрегатов, запорных органов и вспомогательных механизмов.
Аварийный останов всего энергоблока производится в тех случаях, когда возникшие неисправности требуют немедленного останова энергоблока и когда после останова необходимы ревизия оборудования и устранение вероятных повреждений. Возможно также аварийное отключение энергоблока при отключении генератора от электросети, когда перевод блока в режим холостого хода или
парогенераторов на растопочный режим по каким-либо причинам не может быть реализован. Под
действием защит на останов энергоблока производятся останов турбины и котлов и отключение питательных насосов. При этом запрещается включение электрического питательного насоса по системе автоматического включения резерва.
Аварийный останов турбины производится при повышении частоты вращения её выше предельно
допустимого значения, при срабатывании других её защит, защит электрогенератора или при останове энергоблока. Под действием защит на останов турбины одновременно производится отключение парогенераторов от турбины.
После закрытия одного из стопорных клапанов ЦВД турбины и одного из стопорных клапанов
ЦСД производится принудительное закрытие обратных клапанов на линиях отбора пара и ряд других операций. После закрытия всех стопорных клапанов отключается электрогенератор.
Аварийный останов парогенератора производится при нарушении режима работы его пароводяного тракта, погасания факела в топке при любом виде топлива, отключении вспомогательных механизмов, без которых работа парогенератора невозможна, а также при аварийном останове энергоблока. Для защиты пароперегревателя вторичного пара предусматривается останов котла при понижении до нуля расхода вторичного пара.
Защиты по прекращению подачи питательной воды действуют с выдержкой времени до 20 секунд, исключающей преждевременный останов парогенератора при автоматическом включении резервного питательного насоса. Защита при погасании факела должна также срабатывать только после некоторой выдержки времени, чтобы исключить возможные случайные и кратковременные потускнения факела.
- 152 Аварийный останов парогенератора производится при отключении дымососа, дутьевого вентилятора, вентилятора первичного воздуха и при отключении всех регенеративных воздухоподогревателей В этом случае одновременно с остановом парогенератора отключается дутьевой вентилятор общего воздуха.
При аварийном останове парогенератора для прекращения подачи твёрдого топлива отключаются
все питатели пыли, все мельницы прямого вдувания и питатели к ним, все растопочные мазутные
форсунки и линии к ним. При сжигании мазута или газа закрываются запорные органы к каждой горелке и на общей линии подвода топлива, а также на линии рециркуляции мазута.
При сжигании мазута или газа дутьевой вентилятор при останове парогенератора не отключается,
кроме случая отключения регенеративных воздухоподогревателей. Отключение парогенератора от
турбины производится по всем линиям, включая байпасные, а на вторичном паре и по перемычкам.
2.6.3. Перевод энергоблока в режим холостого хода
Перевод энергоблока в режим холостого хода производится при отключении генератора от электросети электрическими защитами. В этом случае нагрузка генератора ограничивается собственными нуждами энергоблока.
При поступлении сигнала об отключении генератора от электросети принудительно закрываются
обратные клапаны на линиях отбора пара. Затем с небольшой выдержкой времени, до 1 секунды, подаётся команда на перевод энергоблока в режим холостого хода. Для этого парогенераторы энергоблока переводятся на растопочную нагрузку с понижением давления свежего пара, останавливается
питательный турбонасос, если он был в работе, и включается питательный электронасос с выключенным регулятором его производительности. Одновременно проводят и некоторые другие операции.
Перевод парогенераторов на растопочную нагрузку производят при переводе энергоблока в режим холостого хода, а также при действии температурных защит парогенераторов. При повышении
температуры пара защиты действуют с выдержкой времени до 3 минут.
При переводе на растопочную нагрузку включается быстродействующая редукционноохладительная установка (БРОУ), отключаются штатные регуляторы питания, а
для газомазутных парогенераторов и регуляторы топлива, включаются соответствующие растопочные регуляторы, отключается часть топливных горелок и выполняется ряд других операций. При
переводе парогенератора на растопочную нагрузку на защиту по прекращению расхода топлива через вторичный пароперегреватель накладывается запрет на останов котла.
Защита подогревателей высокого давления (ПВД) от повышения уровня конденсата греющего
пара производится в две ступени. На первой ступени защиты при повышении уровня в любом из
ПВД до первого предела отключается соответствующая группа ПВД, открывается задвижка на линии питательной воды, байпасирующей данную группу, и закрываются все остальные задвижки на
питательных линиях и на линии подвода пара к этой группе ПВД.
Для торой ступени защиты предусматриваются другие приборы, независимые от приборов первой
ступени. При повышении уровня в любом из ПВД до второго предела при наличии одновременно
сигнала от повышения уровня в том же ПВД от прибора первой ступени подаётся команда на останов энергоблока и и даётся повторная команда на все операции по отключению данной группы ПВД.
Аварийный останов питательного парового питательного турбонасоса происходит при останове
энергоблока или переводе его в режим холостого хода, а также при срабатывании защит турбонасоса:
1. При понижении давления в системе смазки турбонасоса с выдержкой времени 3 секунды.
2. При осевом сдвиге ротора приводной турбины или самого насоса.
3. При повышении числа оборотов турбонасоса выше допустимого.
4. При изменении давления питательной воды со стороны всасывания и нагнетания и другие.
Аварийный останов питательного электронасоса происходит при останове энергоблока, а также
при срабатывании защит насоса:
1. При понижении давления в системе смазки насоса.
2. При осевом сдвиге насоса.
3. При изменении давления питательной воды со стороны всасывания и нагнетания.
- 153 4. При прекращении протока охлаждающей воды через ротор и статор электродвигателя насоса с
выдержкой времени до трёх минут.
5. При срабатывании некоторых электрических защит электродвигателя.
В схеме управления питательным электронасосом предусматривается также ряд блокировок,
предотвращающих возникновение аварийных режимов при пуске насоса в работу.
2.6.4. Логические (структурные) схемы автоматических технологических защит
Порядок и последовательность действия всех устройств в сложных системах защиты изображаются графически на логических (структурных) схемах. Логические схемы должны отражать основные технические требования, которым должны удовлетворять технологические защиты.
В качестве примера на рис. 2.6.1 показана логическая схема автоматической защиты питательного
насоса.
Давление питательной воды
Расход охлаждающей
воды
На стороне всасывания
ротора статора
Рвс
Рвс
Δℓ
Gр
Gс
На стороне
Нагнетания
Рм
Рн
Рн
ИЛИ
И
τ≤3 с
τ≤20 с
И
τ≤3 мин
Электрические защиты
двигателя.
Аварийный
останов
блока
Останов питательного электронасоса блока 300 МВт
Рис. 2.6.1.
На логических схемах изображают условно прямоугольниками, квадратами или кружками все
устройства и элементы, участвующие в работе той или иной защиты. Устройства и элементы соединяются между собой линиями связи со стрелкой, показывающей направление воздействия.
Если система защиты должна действовать при одновременной подаче сигналов от двух
устройств, то сигналы от них объединяются на элементы с символом И. Если действие защиты возможно при подаче сигнала от одного из нескольких устройств, то сигналы от них проходят через
элемент с символом ИЛИ. Если сигнал от одного устройства воздействует на другой с выдержкой
времени, то на линии связи изображается элемент с символом τ с указанием времени выдержки.
Стрелочки у индексов, направленные вверх, показывают, что защита действует при увеличении
соответствующей величины, а стрелочки вниз – при уменьшении. Защиты, идущие через элемент И,
действуют по схеме «два из двух».
Сложные логические схемы могут допускать некоторые изменения в направлении воздействий.
Так, например, аварийный останов турбины может сопровождаться либо переводом парогенераторов
на растопочную нагрузку, либо остановом всего энергоблока в целом.
2.6.5. Основные требования к электрическим схемам защиты
Сложные системы автоматической защиты обычно выполняются с электрическими линиями воздействия. Кроме технологических требований схемы защиты должны быть вполне надёжными, исключать возможность неправильных действий, быть удобными и простыми в эксплуатации.
Во всех случаях срабатывания защит их действие должно быть односторонним. Обратное включение выключенных агрегатов в работу должно производиться только оперативным персоналом по-
- 154 сле устранения дефектов, вызвавших срабатывание защиты. Для полного выполнения всех команд
защиты действие её на защищаемые агрегаты должно сохраняться до полного выполнения самой
длительной операции, совершаемой по команде данной защиты. Например, команда защиты, действующая на останов парогенератора, не может быть отменена до тех пор, пока не будет выполнена
самая длительная операция по останову котла – закрытие главной паровой задвижки (ГПЗ).
При отключении под действием защит устройств автоматического регулирования последующее
включение этих устройств может происходить только после перехода на дистанционное управление
соответствующими регулирующими органами. То же должно иметь место, если под действием защит включаются некоторые автоматические системы регулирования. Такие требования исключают
самопроизвольное включение или выключение таких устройств после снятия действия защит.
Срабатывание защиты должно фиксироваться указательным сигнальным реле – блинкером, то
есть выпадением флажка. Если под действием одной защиты происходит срабатывание других защит, то включение сигнальных реле других защит происходить не должно. Таким образом, включается только сигнальное реле защиты , сработавшей первой.
При плановом ремонте оборудования производится отключение всех защит. Одновременно даётся запрет на включение всех сигнальных реле. Для защит, действующих с выдержкой времени, сигнальное реле должно включаться с такой же выдержкой времени.
Включение сигнального реле любой из защит должно приводить к включению на блочном щите
управления (БЩУ) светового табло с соответствующей надписью и аварийного звукового сигнала.
Кроме того, на БЩУ должны включаться следующие групповые табло действия защит:
«Аварийный останов энергоблока»;
«Аварийный останов турбины»;
«Аварийный останов котла №1 (или №2)»;
«Холостой ход блока»;
«Аварийный перевод на растопочную нагрузку котла №1 (или №2).
Отключение или включение под действием защиты автоматических регуляторов также должно
отмечаться светозвуковой сигнализацией. Для ручного аварийного останова на БЩУ предусматриваются ключи управления.
2.6.6. Электрические схемы защиты
Этот вопрос рассмотрим вкратце. На электрических схемах технологических защит изображаются
источники информации о нарушении нормальной работы оборудования: сигнальные контакты приборов, конечные выключатели, блокконтакты, а также релейная логическая система. В аварийных
ситуациях замыкаются или размыкаются контакты того или иного устройства защиты и к релейной
логической системе поступает необходимая информация.
Электрические схемы защиты принято изображать в развёрнутом виде, то есть в порядке последовательности электрических цепей без учёта геометрических размеров и механических связей между элементами схемы. Например, обмотка реле может располагаться в одной цепи, а часть контактов
этого реле в другой цепи, а часть контактов во второй и т. д.
Все электрические схемы принято изображать в обесточенном состоянии, то есть отключённом от
сети питания, и при отсутствии внешних сил, воздействующих на подвижные части контактов. Контакты всех реле изображаются при этом либо в нормальном разомкнутом, либо в нормально замкнутом состоянии. Термин «нормально» соответствует обесточенному состоянию реле.
В электрических схемах реле, контакты, переключатели и другие элементы схемы дополнительно
обозначаются цифровыми и буквенными индексами. Элементы одного и того же устройства, например, обмотка реле и его контакты, имеют одинаковое обозначение.
Электрические схемы защиты часто приводятся в несколько упрощённом виде. Эти упрощения не
затрагивают принципов выполнения схем, А относятся в основном к их упрощённому начертанию,
то есть изображение на схеме одного из нескольких параллельно включённых реле, исключение из
схемы реле контактов конечных выключателей и т. д.
Контрольные вопросы к Теме 2.6.
№
п/п
Вопрос.
Ответ.
Консультации
- 155 1.
По какой схеме не включаются ос- А. «Два из трёх».
новные защиты парогенератора?
В. «Два из двух».
С. «Три из трёх».
D. Без дублирования.
Е. С дублированием.
2.
Что предпринимают при аварийном
останове турбины для предотвращении попадания пара в неё из линий отбора пара?
3.
Какие питательные насосы включаются и какие останавливаются
при переводе энергоблока в режим
холостого хода?
4.
Какой элемент может быть расположен в логической схеме защиты
на линии связи к выключаемому
агрегату при наличии лишь одного
устройства защиты?
Какие защиты питательного электронасоса работают по схеме «один
из двух»?
5.
6.
7.
Какие защиты питательного электронасоса могли бы неправильно
сработать при аварийном включении ПЭН?
Какие защиты питательного электронасоса из числа перечисленных
дублируются?
А. Принудительно закрывают обратные клапаны одновременно с закрытием главной паровой задвижки (ГПЗ).
В. Принудительно закрывают задвижки на линиях отбора одновременно с
закрытием ГПЗ.
С. Принудительно закрывают обратные клапаны после закрытия одного
из стопорных клапанов ЦВД и одного
из клапанов ЦСД.
D. Ничего не предпринимают, так как
должны сработать обратные клапаны
Е. Закрывают главную паровую задвижку (ГПЗ).
А. Включается турбонасос, выключается электронасос.
В. Включается электронасос, останавливается турбонасос.
С. Может находиться в работе любой
насос.
D. Работают оба насоса.
Е. Выключаются оба насоса.
А. С символом И.
В. С символом ИЛИ
С. С символом τ.
D. Без символов.
Е. С любым символом.
А. По давлению на стороне всасывания.
В. По давлению на стороне нагнетания.
С. По расходу охлаждающей воды через ротор и статор двигателя.
D. По давлению масла в системе смазки.
Е. По осевому сдвигу
А. По давлению на стороне всасывания
В. По давлению на стороне нагнетания.
С. По расходу охлаждающей воды через ротор и статор двигателя.
D. По давлению масла в системе смазки
Е. По осевому сдвигу
А. По давлению на стороне всасывания.
В. По останову энергоблока.
С. По давлению масла в системе смаз-
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 162
Стр. 163
Стр. 163
Стр.163
- 156 ки.
D. По расходу охлаждающей воды через ротор двигателя.
Е. По осевому сдвигу.
Тема 2.7. Автоматизированные системы управления
на тепловых электростанциях
2.7.1. Назначение и цели создания системы
На большинстве тепловых электростанциях используется традиционная релейная и аналоговая
автоматика, в которой управление формируется с помощью релейных и аналоговых сигналов. Простота технической реализации их функций обеспечило сравнительно широкое распространение аналоговых систем автоматического регулирования. Однако при современном уровне развития техники
в аналоговых системах имеются многочисленные недостатки.
Аналоговые системы громоздки, требуют больших площадей для размещения регулирующих
блоков, больших длин кабельных связей, трудно проверяются, ненаглядны. С их помощью могут
быть реализованы только простые схемы автоматического регулирования. Невероятно трудно реализуются сложные, разветвлённые логические схемы с многочисленными входными сигналами. Из-за
относительно небольшого быстродействия и относительно больших габаритных размеров аналоговая автоматика не в состоянии решать современные сложные логические задачи управления, диагностики и т. п., обеспечить необходимую скорость регулирования на возникновение опасных технологических ситуаций. Аналоговая автоматика не удовлетворяет современным требованиям к управлению технологическими процессами.
Использование электроники, микропроцессорных систем обеспечивает функционально более высокий уровень решаемых задач и используемого оборудования в целом. Возможность применения
автоматизированной микропроцессорной системы контроля и управления при эксплуатации технологического оборудования имеет важное значение.
Важным и неотъемлемым элементом микропроцессорной системы является контроль и диагностика оборудования. Она позволяет своевременно обнаружить неисправности и предотвратить возникновение аварийных ситуаций. В задачи микропроцессорной системы должны входить диагностика оборудования, технологические защиты и блокировки, системы автоматического регулирования.
Процесс контроля и управления блоком, его оборудованием должны осуществляться со щита
управления, который должен быть оснащён современными средствами отображения информации, её
ввода и управления технологическим процессом.
Целью создания системы является организация путём использования современных средств автоматизации и программного обеспечения таких условий управления, при которых происходило бы
улучшение всего комплекса эксплуатационных параметров энергооборудования и повышение уровня его безаварийности и безопасности функционирования, а также экологических показателей.
2.7.2. Требования к структуре и функционированию АСУ ТП.
Система должна представлять собой многоуровневую распределённую микропроцессорную систему аппаратных и программных средств, обеспечивающих выполнение в полном объёме функций
управления теплотехнического и части функций электротехнического оборудования. Система
управления должна быть оборудована активными проекционными установками или другими
устройствами, обеспечивающими свободный коллективный обзор информации о состоянии оборудования, представляющий оперативный интерес с обеспечением возможности управления оборудованием.
Функционирование АСУ ТП в соответствии с работой технологического оборудования должно
осуществляться круглосуточно. Плановая профилактика технических средств АСУ ТП должна производиться в периоды остановов технологического оборудования. Технические средства должны
быть устойчивы к помехам по сетям питания, соответствующими «Общероссийским нормам допускаемых индустриальных радиопомех».
На основании изложенного материала можно сделать следующие выводы:
- 157 1. Система АСУ ТП позволяет решать весь объём задач по обеспечению высокой степени автоматизации энергетического оборудования, позволяет с высокой точностью анализировать ситуацию и
управлять процессом.
2. Благодаря использованию АСУ ТП облегчается обслуживание технологического оборудования
и повышается эффективность управления технологическими процессами тепловых электростанций.
Контрольные вопросы к Теме 2.7.
№
п/п
1.
2.
Вопрос.
Ответ.
Консультации
Что входит в задачи микропро- А. Диагностика оборудования.
цессорной системы? Обозначить В. Система автоматического регулиронеправильный вариант.
Стр. 163
вания.
С. Технологические неисправности.
D. Технологические защиты.
Е. Технологические блокировки.
Какова цель создания системы А. Организация путём использования
АСУ ТП?
современных средств автоматизации и
программного обеспечения таких условий управления, при которых происхо- Стр. 163
дило бы улучшение всего комплекса
эксплуатационных параметров энергооборудования и повышение уровня его
безаварийности и безопасности функционирования, а также экологических показателей.
В. Организация путём использования
современных средств автоматизации и
программного обеспечения таких условий управления, при которых бы поддерживался номинальный режим работы технологического оборудования тепловых электростанций.
С. Организация путём использования
современных средств автоматизации и
программного обеспечения таких условий управления, при которых бы
уменьшились аварийные ситуации на
тепловых электростанциях.
D. Организация путём использования
современных средств автоматизации и
программного обеспечения таких условий управления, при которых бы упростились технологические процессы на
тепловых электростанциях.
Е. Организация путём использования
современных средств автоматизации и
программного обеспечения таких условий управления, при которых бы обслуживание технологического оборудования проводилось без участия обслуживающего персонала, а только автоматикой.
- 158 -
Комментарии к контрольным вопросам
К Введению и Теме 1.1.
1. А. Правильно. В, С, D, Е. Неправильно. 2. А. Неправильно. В. Правильно. Джоуль (Дж). С, D,
Е. Неправильно. 3. А. Правильно. При измерении высота уровня в трубке непосредственно ни с чем
не сравнивается. В, С, D, Е. Неправильно. 4. А, В, С и D. Неправильно. Е. Правильно. У прибора с
указанными характеристиками абсолютная погрешность, независимо от измеряемой величины, может иметь значение 2,4 МПа). 5. А. Неправильно. В. Правильно. Юстировкой называется совокупность операций по доведению погрешностей средств измерений до значений, соответствующих техническим требованиям прибора. С, D, Е. Неправильно.
К Теме 1.2.
1. А и В. Неправильно. С. Правильно. К свободным концам термопары присоединены провода,
направляемые ко вторичным измерительным устройствам, которыми могут быть магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры. Чтобы исключить погрешности у потенциометра, необходимо свободные концы удалить на значительное расстояние. D и Е. Неправильно. 2. А и В. Неправильно. С. Правильно. D и Е. Неправильно. 3. А и В. Неправильно. С. Правильно. Одним из основных требований, предъявляемых при установке термопреобразователей, является достижение
минимальной утечки тепла по его арматуре. Для этого термопара возможно глубже погружается в
измеряемую среду, что приводит к возрастанию тепловоспринимающей поверхности, и располагается в местах с большой скоростью потока, улучшающей условия теплообмена. D и Е. Неправильно. 4.
А и В. Неправильно. С. Правильно. Шкалы Менделеева не существует. Все остальные используются в различных странах. D и Е. Неправильно. 5. А. Неправильно. В. Правильно. Нельзя ( так как
предел измерения термометрами расширения составляет 6500С, а 5000К=500+273,15=773,150С). С, D
и Е. Неправильно. 6. А. Неправильно. В. Правильно. В зависимости от заключённого в термосистеме рабочего вещества манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсационные. Конденсационные манометрические термометры имеют в качестве рабочего вещества
низкокипящие органические жидкости: хлористый метил, ацетон и фреон. С, D, Е. Неправильно. 7.
А и В. Неправильно. С. Правильно. Только при двух разнородных термоэлектродах и различных
температурах рабочего и свободных концов. D и Е. Неправильно. 8. А. Неправильно. В. Правильно.
Пирометрами называются устройства для бесконтактного измерения температуры, использующие
электромагнитное излучение нагретых тел. Квазимонохроматические пирометры (пирометры частичного излучения) принято называть оптическими. Температуры, показываемые оптическими пирометрами, называются яркостными. При измерении яркостной температуры тела или среды оптическими пирометрами сравнивается спектральная энергетическая яркость излучения волн определённой длины от измеряемого тела и регулируемого источника света. Яркостная температура источника света устанавливается заранее путём предварительной градуировки в зависимости от силы тока, питающего регулируемый источник света. С, D и Е. Неправильно. 9. А и В. Неправильно. С.
Правильно. Применяются фотоэлектрические, цветовые, пирометры истинной температуры, радиационные. D и Е. Неправильно. 10. А. Правильно. В, С, D, Е. Неправильно. 11. А и В. Неправильно.
С. Правильно. D и Е. Неправильно. 12. А. Неправильно. В. Правильно. Логометрами называются
двухрамочные магнитоэлектрические милливольтметры, измеряющие отношение силы токов в двух
электрических цепях. Они являются одним из вторичных промышленных приборов, работающих в
комплекте с термопреобразователями сопротивлений.
К Теме 1.3.
1. А. Неправильно. В. Правильно. Условия эксплуатации таких манометров определяются температурой в месте измерения. Под её влиянием изменяются как плотность жидкости, применяемой при
уравновешивании давлений, так и длина шкалы. С, D и Е. Неправильно. 2. А. Правильно. В, С, D и
Е. Неправильно. 3. А. Неправильно. В. Правильно. Нельзя (категорически запрещается из-за опас-
- 159 ности взрыва). С, D и Е. Неправильно. 4. А. Правильно. В остальных случаях увеличиваются возможные погрешности измерения. 5. А. Правильно. Остальные неправильно, так как измеряемое
давление будет менее 2/3 верхнего значения. 6. А и В. Неправильно. С. Правильно. Поверка деформационных электрических манометров включает в себя следующие операции: внешний осмотр прибора, установку электрического нуля, проверку герметичности узла чувствительного элемента,
определение основной погрешности. 7. А. Правильно. Не более 50 метров. В, С, D и Е. Неправильно.
К Теме 1.4.
1. А. Неправильно. В. Правильно. Конденсационные сосуды устанавливаются для поддержания
практически на одной высоте уровня конденсата в соединительных линиях. С, D и Е. Неправильно.
2. А и В. Неправильно. С. Правильно. Класс точности вторичного прибора. D и Е. Неправильно. 3.
А. Неправильно. В. Правильно. Площади кольцевого зазора между трубкой и поплавком. С, D и Е.
Неправильно. 4. А и В. Неправильно. С. Правильно. Скоростные счётчики изготавливаются для измерения количества холодной воды до температуры 300С и горячей воды до 900С при рабочем давлении до 1 МПа. D, Е. Неправильно. 5. А. Неправильно. В. Правильно. Принцип действия расходомера таков, что при протекании жидкости в ней должна наводиться ЭДС, а ЭДС может наводиться
только в электропроводной жидкости. С, D и Е. Неправильно. 6. А и В. Неправильно. С. Правильно. Принцип действия шарикового расходомера основан на вращении закрученным потоком свободно плавающего шара, частота вращения которого пропорциональна расходу. Шар обладает магнитными свойствами. Далее частота преобразуется в электрический выходной сигнал постоянного тока.
D и Е. Неправильно. 7. А и В. Неправильно. С. Правильно. Тепломером. D и Е. Неправильно. 8. А,
В, С. Неправильно. D. Правильно. Технические средства, предназначенные для измерения и сигнализации уровня сыпучих тел, подразделяют на электромеханические, электрические, электронные,
пневматические, радиоактивные и весовые. Всё это большое число уровнемеров пыли повсеместного распространения не получили по ряду эксплуатационных дефектов и сложности конструкции.
Одной из наиболее приемлемых разновидностей является указатель уровня в виде механического
лота для периодического измерения положения уровня пыли в одной из точек поперечного сечения
бункера. Е. Неправильно.
К Теме 1.5.
1. А, В, С.Неправильно. D. Правильно. Термомагнитные газоанализаторы служат для определения содержания в дымовых газах кислорода. Эти газоанализаторы основаны на измерении магнитных свойств кислорода, который имеет магнитную восприимчивость, то есть обладает парамагнитными свойствами. Кислород втягивается в магнитное поле подобно железным
опилкам, притягивающимся к магнитным полюсам. Подобные магнитные свойства у других газов,
кроме кислорода, встречаются очень редко, что позволяет определять содержание кислорода в многокомпонентной газовой смеси. При повышении температуры магнитные свойства кислорода существенно уменьшаются. Е. Неправильно. 2. А. Правильно. При этой температуре и выше будет происходить занос керамического фильтра твёрдыми включениями продуктов сгорания. Занос керамического фильтра не зависит от повышения температуры газов выше 5000С. В, С, D, Е. Неправильно.
3. А, В и С. Неправильно. D. Правильно. В конденсат попадают продукты коррозии, кислород и
циркуляционная вода. Все эти компоненты вызывают необходимость очистки всего конденсата. Е.
Неправильно. 4. А. Неправильно. В. Правильно. Фотоколометрический метод основан на измерении оптической плотности анализируемой воды, изменяющейся за счёт окрашенных соединений,
которые образуются в результате взаимодействия растворённого в воде кислорода с вводимым в
пробу реагентом. Интенсивность окраски зависит от концентрации растворённого в воде кислорода.
В качестве индикаторов применяются такие вещества, как индигокармин и сафранин. С, D и Е. Неправильно. 5. А. Неправильно. В. Правильно. Удельная электропроводность раствора электролита
не зависит от давления раствора. С, D и Е. Неправильно.
К Теме 1.6.
1. А, В, С, D. Неправильно. Е. Правильно. Показателем, характеризующим химический состав воды, является концентрация свободных ионов водорода Н+ в питательной воде. Концентрация водо-
- 160 родных ионов характеризует степень кислотности или щёлочности растворов. Молекула воды распадается (диссоциирует) на ионы Н+ и ионы гидроксильной группы ОН--. Степень диссоциации молекул воды весьма невелика: Н+=ОН--=10-7 г·моль/л. Отрицательный логарифм степени диссоциации
10-7 называется показателем Н+ и обозначается рН. Для нейтральной химически чистой воды показатель рН будет равен 7. При наличии кислоты в воде показатель рН будет меньше 7, а для щелочных
растворов – больше 7. 2. А. Неправильно. В. Правильно. По концентрации водорода в кислородной
среде можно судить о содержании водорода, растворённого в конденсате или питательной воде, используя для этой цели метод измерения теплопроводности газовой смеси, состоящей из водорода и
кислорода, по отношению к кислороду. Приборы, основанные на измерении теплопроводности газовой смеси, называются термокондуктометрическими анализаторами. С, D и Е. Неправильно. 3. А, В,
С. Неправильно. D. Правильно. Е. Неправильно. 4. А и В. Неправильно. С. Правильно. Показателем, характеризующим химический состав воды, является концентрация свободных ионов водорода
Н+ в питательной воде. Концентрация водородных ионов характеризует степень кислотности или
щёлочности растворов. D и Е. Неправильно. 5. А, В, С.Неправильно. D. Правильно. Е. Неправильно.
К Теме 1.7.
1. А, В, Неправильно. С. Правильно. АСУ ТП энергоблока представляет собой человеко-машинный
комплекс, в состав которого входят такие подсистемы: информационно-измерительная, технологической сигнализации, дистанционного и автоматического управления, автоматического регулирования и технологических защит. D и Е. Неправильно. 2. А. Правильно. Теплотехнический контроль
на тепловых электростанциях реализуется на базе государственной системы обеспечения единства
измерений (сокращённо ГСИ). Её принципы: унификация, блочно-модульный принцип, повышение
точности, надёжности. При выборе прибора и оценки его качества и свойств пользуются метрологическими характеристиками средств измерения. В, С, D и Е. Неправильно.
К Теме 2.1.
1. А и В. Неправильно. С. Правильно. Критерием запаса устойчивости системы автоматического
регулирования определяют отдалённость системы от границы устойчивости. D и Е. Неправильно.
2. А. Неправильно. В. Правильно. Устойчивость системы автоматического регулирования – это необходимое, но не достаточное условие её практической пригодности. Оценка качества САР ведётся
по так называемым критериям или показателям качества. Все критерии качества можно условно разделить на четыре группы: критерии точности, запаса устойчивости, быстродействия и комбинированные критерии. С, D и Е. Неправильно. 3. А. Правильно. Звено называется интегрирующим, если
скорость изменения его выходной величины пропорциональна входной величине, или если входная
и выходная величины звена связаны между собой дифференциальным уравнением:
dхвых
 kх вх В, С, D и Е. Неправильно. 4. А. Неправильно. В. Правильно. С, D и Е. Неправильно. 5.
dt
А, В, С. Неправильно. D. Правильно. Кривой разгона называется зависимость изменения выходной
величины во времени у(t) при нанесении на входе исследуемого объекта одно кратного воздействия
ступенчатой формы х0(t)=А или у(t)=f[х(t)] при х(t)=А. При построении кривой разгона по горизонтальной оси откладывается время в секундах, а по вертикальной–выходная величина (температура и
милливольты). Е. неправильно.
К Теме 2.2.
1. А и В. Неправильно. С. Правильно. По виду этой зависимости различают следующие виды законов: интегральный, пропорциональный и пропорциально-интегральный и пропорциональноинтегрально- дифференциальный. D и Е. Неправильно. 2. А. Правильно. Исполнительный механизм предназначен для перемещения регулирующего органа. Он состоит из электрического сервопривода и колонки дистанционного управления (КДУ). В, С, D и Е. Неправильно.
К Теме 2.3.
1. А и В. Неправильно. С. Правильно. Сумма сигналов воздействия по расходу пара и скорости изменения давления в барабане Р/б характеризует тепловосприятие топки. Если расход пара и его дав-
- 161 ление постоянны, то и тепловосприятие топки постоянно (если считать КПД котла постоянным). D и
Е. Неправильно. 2. А Правильно. Регулирование подачи топлива по давлению пара перед турбиной.
В, С, D и Е. Неправильно. 3. А. Неправильно. В. Правильно. Котёл, работающий на природном газе. С, D, и Е. Неправильно. 4. А. Правильно. В, С, D, Е. Неправильно. 5. А. Неправильно. В. Правильно. Не будет защищена последняя ступень пароперегревателя. С, D, и Е. Неправильно. 6. А.
Правильно. Температура пара за подогревателем и скорость изменения температуры после впрыска. В, С, D, Е. Неправильно. 7. А. Неправильно. В. Правильно. С, D, Е. неправильно. 8. А. Правильно. При температуре пара выше заданной. В, С, D и Е. Неправильно. 9. А. Неправильно. В.
Правильно. Расход питательной воды, расход пара, уровень воды в барабане котла. С, D, Е. Неправильно. 10. А. Правильно. Расход пара, расход питательной воды и солесодержание. В, С, D, Е. Неправильно. 11. А. Неправильно. В. правильно. Изменением подачи топлива. Одновременным изменением подачи топлива и воды или только воды можно добиться соответствия « топливо—вода», но
при этом изменится нагрузка котла, что недопустимо, так как она задаётся нагрузкой турбины. С, D,
Е. Неправильно. 12. А. Неправильно. В. Правильно. С, D, Е. Неправильно.
К Теме 2.4.
1. А, В. Неправильно. С. Правильно. Близком к максимальному. D и Е. Неправильно. 2. А и В. неправильно. С. Правильно. Изменения количества только горячего или только холодного воздуха
приводят к изменению количества воздуха, вентилирующего мельницу, а следовательно, и тонины
помола. Вследствие изменения перепада давления на мельнице регулятор нагрузки будет изменять
подачу топлива в мельницу. 3. А. Неправильно. В. Правильно. Резкое уменьшение тока электродвигателя мельницы. С, D, Е. Неправильно. 4. А и В. Неправильно. С. Правильно. О влажности пыли
судят по температуре аэросмеси, то есть смеси пыли и воздуха, покидающей мельницу. Температура
пыли за мельницей поддерживается на определённом значении в зависимости от начальной влажности топлива и марки угля. Увеличение влажности пыли приводит к ухудшению горения, зависанию
пыли в бункерах и замазыванию пылепитателей. Чрезмерная подсушка топлива увеличивает опасность взрыва пылевоздушной смеси, приводит к большой текучести пыли и нарушениям нормальной работы топливоподающих устройств. 5. А. Неправильно. В. Правильно. В отличие от шаровой
барабанной мельницы, работающей на промежуточный бункер, подача молотковой мельницы непосредственно определяет расход топлива, поступающего в топку из бункера. Поэтому система регулирования подачи молотковой мельницы тесно связана с работой регуляторов тепловой нагрузки
парогенератора. Автоматическая система регулирования загрузки мельницы должна также поддерживать требуемую подачу топлива и оптимальную тонину помола пыли. С, D, Е. Неправильно. 6. А.
Правильно. В, С, D и Е. Неправильно. 7. А. Неправильно. В. Правильно. С, D и Е. Неправильно. 8.
А и В. Неправильно. С. Правильно. На общих линиях химически очищенной воды и пара. D и Е.
Неправильно. 9. А. Правильно. Поддержание давления сетевой воды обеспечивается с помощью
регулятора подпитки. В, С, D и Е. Неправильно. 10. А. Неправильно. В. Правильно. По технологическим целям промышленного потребителя. С, D, Е. Неправильно. 11. А и В. Неправильно. С. Правильно. D и Е. Неправильно.
К Теме 2.5.
1. А. Неправильно. В. Правильно. Распределение нагрузки между турбогенераторами зависит от
статических характеристик регуляторов и характеризуется коэффициентом статизма, который измеряется в процентах. С, D и Е. Неправильно. 2. А. Правильно. Регулирование мощности регуляторами частоты вращения турбин называется первичным регулированием. В, С, D и
Е. Неправильно. 3. А и В. Неправильно. С. Правильно. Регуляторами частоты вращения турбин. D
и Е. Неправильно. 4. А и В. неправильно. С. Правильно. D и Е. Неправильно. 5. А, В и С. Неправильно. D. Правильно. С осмотра. Е. Неправильно. 6. А. Правильно. После розжига растопочных
горелок нижнего яруса. В, С, D и Е. Неправильно.
К Теме 2.6.
1. А и В. Неправильно. С. Правильно. Без дублирования. D и Е. Неправильно. 2. А и В. Неправильно. С. Правильно. Принудительно закрывают обратные клапаны после закрытия одного из стопорных клапанов ЦВД и одного из клапанов ЦСД. 3. А. Неправильно. В. Правильно. Включается
- 162 электронасос, останавливается турбонасос. С, D и Е. Неправильно. 4. А и В. Неправильно. С. Правильно. Если система защиты должна действовать при одновременной подаче сигналов от двух
устройств, то сигналы от них объединяются на элементы с символом И. Если действие защиты возможно при подаче сигнала от одного из нескольких устройств, то сигналы от них проходят через
элемент с символом ИЛИ. Если сигнал от одного устройства воздействует на другой с выдержкой
времени, то на линии связи изображается элемент с символом τ с указанием времени выдержки. D и
Е. Неправильно. 5. А. Неправильно. В. Правильно. По давлению на стороне нагнетания. С, D и Е.
Неправильно. 6. А. Правильно. По давлению на стороне всасывания. В, С, D и Е. Неправильно. 7.
А. Правильно. В, С, D и Е. Неправильно.
К Теме 2.7.
1. А и В. Неправильно. С. Правильно. В задачи микропроцессорной системы должны входить
диагностика оборудования, технологические защиты и блокировки, системы автоматического регулирования. D и Е. Неправильно. 2. А. Правильно. Целью создания системы является организация
путём использования современных средств автоматизации и программного обеспечения таких условий управления, при которых происходило бы улучшение всего комплекса эксплуатационных параметров энергооборудования и повышение уровня его безаварийности и безопасности функционирования, а также экологических показателей. В, С, D и Е. Неправильно.
- 163 -
Литература:
Иванов Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. Энергоатомиздат. 1984 г.
Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. Энергия. 1979 г.
Плетнёв Г.П. Автоматическое управление и защита теплоэнергетических установок электростанций. Энергоатомиздат. 1986 г.
РД 34.35.127-93. Общие технические требования к программно-техническим комплексам
для АСУ ТП тепловых электростанций.
РД 34.35.126-93. Положение о разработке новых АСУ ТП на конкурсной основе.
РД 34.35.134-96. Технические требования к модернизации систем контроля и управления
технологическим оборудованием.