universitatea constantin brâncuşi

8/6/2019 Universitatea Constantin Brncui

1/30

Universitatea Constantin Brncui, Trgu - Jiu

Facultatea de InginerieConducerea Avansat a Proceselor Industriale

Anul I

Sistem de reglare automat a presiunii aerului de ardere

ntr-un sistem energetic

2010

CUPRINS

1. Aspecte privind fluxul tehnologic al unui grup termoenergetic3


2/30

2. Generatorul de abur

7

2.1. Generaliti. Elementele principale ale cazanului

7

2.2. Schema general a cazanului. Principiu de funcionare

11

2.3. Parametrii principali ai generatoarelor de abur

15

2.4. Schema principalelor canale intrare ieire a cazanului de abur...............................................................16

3. Reglarea presiunii aerului de ardere la Termocentrala Rovinari..................................................19

3.1. Schema circuitului aerului de ardere.......................................................................................................193.2. Schema de principiu a SRA a presiunii aerului de ardere.......................................................................20

3.3. Exemplificarea funciilor de transfer.......................................................................................................23

3.4. Determinarea funciei de transfer a prii fixe a SRA.............................................................................24

4. Determinarea parametrilor de acord optimi ai regulatorului PI....................................................29

5. Simulare n Matlab.............................................................................................................................32

Bibliografie............................................................................................................................................ ...36

Sistem de reglare automat a presiuni aerului de ardere ntr-un sistem energetic

1. Aspecte privind fluxul tehnologic al unui grup termoenergetic

Centrala termoelectric reprezint un ansamblu de instalaii/echipamente interconectate, destinate producerii

de energie electric (CTE) sau de energie electric i termic (CET). prin conversia energiei chimice a unui

combustibil. Aceast conversie presupune un lan de transformri realizate pe seama unor fluxuri de energie i mas.

Principalele echipamente, precum i principalele fluxuri de energie i de mas dintr-o central

termoelectric suni prezentate n figura I . .

Figura 1. Echipamentele unei centrale termolectrice

/. Echipamentul pentru alimentare cu combustibil (energic chimic): solid, lichid, gazos sau n amestec

2


3/30

Structura funcional i complexitatea acestui echipament depinde de felul combustibilului. n cazul utilizrii

combustibilului solid, echipamentul este mult mai complex dect n cazul utilizrii combustibililor lichizi sau gazoi.

Acest echipament vehiculeaz un flux de mas cu coninut energetic, respectiv fluxul de energie chimic, ca surs

primar pentru producerea energiei electrice i un flux de aer necesar arderii n condiii optime a combustibilului.

Mrimea acestui flux de mas depinde de puterea instalat a centralei i de coninutul de energie al unitii de mas a

combustibilului folosit.

Operaiile de transport, manipulare, preparare, stocare inllucneaz concepia structurii funcionale a acestui

subansamblu i influeneaz in final concepia n ansamblu a centralelor.

Echipamentul trebuie s aib n vedere i manipularea unor subproduse ale transformrilor, cum este cazul

zgurii, cnd se utilizeaz combustibil solid.

//. Echipamentul de transformare a energiei chimice n energie termic si de transferare a acestei energii

asupra unui agent termic

Acest echipament de mare complexitate trebuie s realizeze transformarea energiei chimice coninute n

combustibil. ntr-o energie termic echivalent, cu parametri predeterminai. Purttorul de energie este apa. Astfel.

ntr-un subansamblu numit cazan are loc arderea combustibilului, prin care energia chimic se transform n energie

termic echivalent iar aceasta provoac schimbarea parametrilor de stare ai apei. ca purttor de energie. Mai concret,

apa se transform in abur cu parametrii predeterminai: presiune i temperatur fixate.

Arderea combustibilului are loc n prezena aerului, iar eficiena arderii, deci a transformrii energiei

chimice n energie termic depinde. n mare msur, de amestecul aer-combustibil introdus n focar. Aerul de ardereeste preluat din mediul ambiant, eventual are Ioc o pregtire a aerului de ardere (curire, prenclzire). iar dup ce

amestecul aer-combustibil a ars, gazele arse sunt evacuate n atmosfer. De fapt. transferul energiei coninut n

combustibil, asupra agentului energetic (apa) are loc prin intermediul gazelor de ardere. n aa numitul tambur,

vaporizator i n supranclzitoare.

Acest echipament ridic dou probleme ecologice importante:

luarea de msuri pentru ca gazele arse s nu polueze atmosfera - necesitatea unor filtre.

luarea de msuri de tratare i depozitare a deeurilor rezultate n urma arderii, astfel nct s nu apar problema de poluare a mediului inconjurator.

///. Echipamentul de vehiculare a agentului energetic, apa-ahur

Se compune din circuitele hidraulice prin care este vehiculat. n circuit nchis, agentul energetic care sufer,

pe traseu, mari variaii de volum, de presiune i de temperatur.

n acest circuit, agentul energetic - apa - este preluat de la condensator. Ia temperatur i presiune sczut i

prin intermediul unor pompe (PC. PA) i schimbtoare de cldur (SC) este introdus n cazan. Eventual, pe acest

circuit poate apare operaia de completare a pierderilor de agent energetic cu ap de adaos, precum i operaia de

degazare. n cazan, are loc modificarea parametrilor de stare ai apei dup care aceasta trece prin turbin (unde are loc

efectuarea lucrului mecanic) spre condensator. nchizndu-se circuitul.

IV. Turbina i condensatorul

in turbin are loc transformarea energiei termice coninute n agentul energetic. n energie mecanic de

antrenare a generatorului sincron, care produce energie electric: turbina fiind deci un motor termic rotativ (motor

primar).

Puterea electric cerut de sarcina generatorului poate fi asigurat prin puterea corespunztoare a turbinei,

iar aceasta din urm. aa cum se va arta, se poate modifica pe seama debitului de abur i a cderii adiabatice n

turbin (il - i2).

3


4/30

Condensatorul turbinei are rolul de a permite evacuarea cldurii latente de vaporizare a aburului n apa de

rcire: aceast cldur nu mai este util economic datorit temperaturii i mai ales a presiunii sczute a aburului la

ieirea din turbin.

Condiiile tehnologice de funcionare a condensatoarelor impun asigurarea aspiraiei pompelor de condensat

(PC), concomitent cu meninerea vidului (prin ejectoarele condensatorului), cu evitarea creterii excesive a nivelului

de condensat n condensator.

V. Echipamentul apei de rcire a condensatorului

Acest echipament deservete, de fapt. o serie de consumatori importani n afar de condensatorul turbinei,

consumatori nereprezentai n figura. LI . Dintre aceti consumatori menionm:

compresoarele de aer:

rcitoarele de ulei ale turbinei; rcitoarele generatorului electric i ale excitatricei;

rcirea tehnologic.Echipamentul este caracterizat prin debite masice mari. de 50-70 de ori mai mari dect debitul de agent

energetic.

Randamentul global al unei centrale termoelectrice depinde n mare msur de randamentul energetic alciclului i de consumul propriu tehnologic.

Randamentul ciclului termic se poate aprecia prin:

n , = \ - -

(l.D' c

unde Ir i Tc sunt temperaturile sursei reci i ale sursei calde.

Dup cum se vede. una din modalitile de cretere a randamentului termic este aceea de reducere a

temperaturii T r . Aceast reducere de temperatur are loc n condensator (se realizeaz o reducere a temperaturii

condensului pn la o temeperatur apropiat de temperatura mediului ambiant). Limita de eficien a metodei este

condiionat de efortul material i energetic pentru evacuarea cldurii n mediul nconjurtor. Reducerea temperaturii

condensului are loc n circuit deschis sau nchis.

Anume, cnd se dispune n mod natural de cantitatea de ap proaspt necesar (lacuri, mri. ruri mari), seadopt variante n circuit deschis. Apa pentru rcirea condensului se preia cu ajutorul unor pompe din mediul natural,

iar dup preluarea cldurii condensului este returnat n acel mediu.

Cnd nu se dispune de surse mari de ap proaspt, se adopt circulaia ntr-un sistem nchis a apei de rcire.

Rcirea are loc n turnuri de rcire, unde apa de rcire cade sub forma de picturi i se rcete prin contactul cu aerul

care circul natural sau forat. Pierderile de ap de rcire prin evaporare (0.5-e-l%) trebuie compensate prin

intermediul apei de adaos.

Att apa de adaos ct i apa de rcire recirculat se cer tratate in mod corespunztor n vederea eliminrii

unor componente care cauzeaz corodri i depuneri. Depunerile influeneaz negativ schimbul de cldur n

condensator.

In plus. se menioneaz faptul c condensatorul unei turbine cu abur ndeplinete dou funcii de

baz:

realizarea vacuumului in seciunea de capare a vaporilor de ap din turbin (prin rcirea brusc avaporilor);

reintroducerea apei rezultate din condensarea vaporilor n circuitul agentului energetic.

VI. Echipamentul de introducere a apei de adaos

Acest echipament are rolul de a asigura compensarea pierderilor de agent energetic din circuitul termic

principal: aceste pierderi lind de ordinul a 1,5*3% n cazul CTE i de 30-^40% n cazul CET.

4


5/30

Apa de adaos se preia de la staiile de tratare chimic prin intermediul unor pompe P i se introduce n

schimbtorul de amestec SC.

VII. Echipamentul de producere si distribuire a energiei electrice

Acest echipament se compune din generatorul sincron (GS) prevzut cu excitatoare sau excitaie static,

transformatoarele de racordare la barele serviciilor interne (SI) i transformatoarele de racordare la barele sistemului

energetic (SE).

Se menioneaz faptul c puterea unei maini sincrone se poate mri fie prin mrirea dimensiunilor mainii,

fie prin mrirea solicitrilor electrice i magnetice din main.Prin mrirea tuturor dimensiunilor mainii de p ori. la

aceleai solicitri electrice i magnetice, puterea mainii crete de p4 ori. pierderile n fier i nlurri cresc de p3 ori.

iar suprafeele de rcire cresc de p2.

Dac, n vederea mririi puterii mainii, se mresc doar solicitrile electrice i magnetice, fr modificarea

dimensiunilor ei. pierderile cresc, iar suprafeele de rcire rmn aceleai.

Rezult c mrirea puterii mainii ridic dificulti n privina evacurii cldurii ce corespunde pierderilor.

Aceast evacuare se realizeaz pe cale forat.

Ca mediu de rcire se folosete aerul, apa sau hidrogenul, eventual i apa i hidrogenul.

Cedarea cldurii dezvoltate n conductoarele sau n circuitele magnetice, se poate realiza pe cale indirect

sau pe cale direct.

n primul caz. cldura dezvoltat trece spre mediul de rcire prin izolaia conductoarelor i crestturilor i

prin fierul miezului magnetic, mediul de rcire circulnd prin canale longitudinale i transversale practicate n

circuitul magnetic.

n cazul rcirii directe, canalele prin care circul mediul de rcire sunt amplasate in crestturi sau chiar n

interiorul barelor elementare ale nfurrilor, cldura dezvoltat n conductoare trece n acest fel direct n mediul de

rcire.

Avndu-se n vedere faptul c ncrcarea generatoarelor sincrone din centralele electrice variaz n limite

foarte largi, se impune luarea de msuri speciale privind posibilitile de modificare n limite largi ale curentului de

excitaie. n acest scop au fost elaborate i sunt utilizate metode variate de excitare a generatoarelor sincrone.

Se precizeaz c energia electric util corespunde celei livrate n SE. Racordarea GS la SE se realizeaz

prin intermediul unor transformatoare ridictoare de tensiune (TSE). Aceasta deoarece circuitele electrice alegeneratorului fiind concentrate, tensiunea electric la bornele GS este limitat de valoarea rezistenei de izolaie (6.3

sau 10 kV). Tensiunea la barele SE trebuie s fie ridicat (1 lOkV. 220 kV etc.) din considerente de transport de

energie electric.

Racordarea serviciilor interne la barele GS se realizeaz prin intermediul unor transformatoare de adaptare

(TSI). care furnizeaz energia necesar funcionrii serviciilor interne la tensiunea adecvat.

2. Generatorul de abur

2.1. Generaliti. Elementele principale ale cazanului

Generatorul de abur reprezint un complex de instalaii care realizeaz transformarea energiei chimice a

combustibililor sau alte forme de energie (electric sau nuclear) n cldur, sub form de ap cald, ap fierbinte,

abur saturat sau abur supranclzit pe care o furnizeaz unor consumatori: consumatori casnici (nclzirea locuinelor

i a apei calde menajere), consumatorii industriali (producerea de abur. ap fierbinte i energie electric), marile

centrale electrice (productoare de energie electric sau de energie electric i cldur, furnizat n marile sisteme de

termoficare urban i industrial).

Generatoarele de abur care transform energia chimic a combustibililor n cldur poart numele de cazane

de abur .

n Romnia au fost construite cazane de abur cu diverse debite (de la 200 kg/h pn la 1035 t / h ) i presiuni

(de la presiunea atmosferic pn la 19.6 Ml'a) ]. Pn n anii 1960. majoritatea cazanelor de abur proveneau din

5


6/30

import, la noi n ar fabricndu-se doar cazane pentru debite i presiuni reduse, care funcioneaz pe gaze naturale i

combustibili lichizi.

Apoi s-a stabilit ca pn n anul 1990 Romnia sa devin o ar independent din punct de vedere energetic.

Pentru aceasta s-a pus problema folosirii cu prioritate a combustibililor solizi. S-a ajuns astfel ca n anii 1980 din

puterea instalata de circa 17000 .1/0'. 7200 A/U's reprezinte centrale pe crbune. 6000 M W centrale cu hidrocarburi

i 3800 MW centrale hidroelectrice, care a ajuns n centralele care funcioneaz pe crbune la 10000 Win 1985 i la

12000 MW n 1990.

Cel mai mare cazan din lume are debitul nominal de 4225 t / h i furnizeaz abur la presiune nominal

Pn=24.6 MPa i la temperatura nominal t n=538C. Cazanul are dou supranclziri intermediare Ia 538C.

La noi n ar cel mai mare cazan de abur are debitul nominal D n=1035 t/h la presiunea nominal P n= 19.2

MPa i t n=535C cu o suprancazire intermediar la 535C. Cazanul alimenteaz cu abur o turbina de 330 MW.

Cazanul este fabricat de ntreprinderea Vulcan Bucureti. Produce cazane i Combinatul de utilaj greu din Cluj

Napoca. Debitele de cldur a acestor cazane acoper gama de la 1.163 pn la 116.3 MW.

I aporizatorul

Modul de realizare a sistemului vaporizator influeneaz n mod hotrtor performanele cazanelor de abur:

presiunea, temperatura i debitul de abur produs.

n cazul cazanelor cu circulaie natural a fluidului rece se cunosc urmtoarele modaliti de realizare a

sistemului de vaporizare:

Cazane de abur cu tub de flacr. Sistemul vaporizator la aceste cazane este format dintr-un tambur

orizontal (1). cu diametru mare (1500+2000 mm). n interiorul cruia se gsete focarul (2). format dintr-un tub

metalic, montat asimetric fa de axa tamburului {fisura. 2 . 1 ) , numit i tub de flacr. Gazele de ardere parcurg

tubul de Ilacr (traseul a), aflat n interiorul tamburului, dup care. datorit modului de realizare a zidriei (3).

acestea sunt ntoarse o dat sau de mai multe ori. splnd suprafaa exterioar a tamburului (traseele b i c). nainte de

evacuarea lor la co. Nivelul apei din tambur trebuie s depeasc partea superioar a tubului de flacr. n asemenea

cazane se produce, de obicei, abur saturat la parametri cobori. Se pot amplasa supranclzitoare sau economi/oare n

funcie de cerine.

Figura 2.1. Ca/an de abur cu tub dc flacr

Cazane de abur cu tub de flacr i evi de fum. n scopul creterii performanelor sistemul vaporizator

conine n acest caz un tambur, un tub de flacr (ca i n cazul precedent) i mai multe evi de fum. care au diametre

mai reduse dect tubul de Ilacr. dar sunt amplasate la fel ca i acesta (longitudinal). n consecin, crete

considerabil suprafaa de schimb de cldur. Asemenea cazane produc abur cu debite nominale de 0,5+5 t/h la

presiuni de 1,3*1,5 MPa.

Cazam cu evi de ap cu nclinare mic. Necesitatea creterii debitelor i presiunilor nominale ale

aburului au determinat separarea sistemului de vaporizare (2). de tambur (1). asigurnd o cretere sensibil a

suprafeelor de schimb de cldur i a parametrilor aburului obinut. n general, sistemul vaporizator n acest caz. se

compune dintr-un fascicul de evi fierbtoare (2). cu diametre de 95+102 mm. avnd o nclinare de 10+15 fa de

orizontal. Fasciculul de evi este legat la tamburul (1). prin intermediul camerelor secionale (3) i (4). respectiv

6


7/30

conductelor (5) i (6). n scopul asigurrii unei circulaii naturale corespunztoare, adesea. n drumul gazelor de

ardere (7) se introduc ecrane (8). n cazanele cu evi de ap cu nclinare mic se pot realiza producii de abur de pn

la 10 l/h. presiuni de pn la 1.6 MPa i temperaturi de 350C. Presiunea maxim de funcionare nu poate depi 8

MPa. din cauza existenei a mai multor capace i garnituri.

Cazane cu evi Je ap cu nclinare mare. Construcia acestor cazane este asemntoare cu a celor precedente, cu

deosebirea c nclinarea fasciculului de evi fierbtoare este n general mai mare de 50, mergnd pn la 90. Ca urmare a

msurilor constructive nu mai este limitat presiunea de funcionare. Schema unui asemenea cazan a fost prezentat n figura

2.1.

Cazanele pot fi realizate cu vaporizator convectiv. cu radiaie sau vaporizator mixt. Soluia cu evi fierbtoare verticale

prezint avantaje i din punct de vedere al soluiei constructive de suspendare i de dilatare liber a acestora. Debitele de abur

realizate sunt de la 1 Ol/h pn la 1700 t/h. cu presiuni pn la 18 MPa i temperaturi de 570C. In ceea ce privete realizarea i

funcionarea fasciculului de evi fierbtoare. trebuie luate msuri de asigurare a debitelor de agent de rcire la sarcini reduse,

precum i asigurarea unor temperaturi apropiate ale evilor alturate. n orice regim de funcionare.

Supranclzilorul

Supranclzitorul servete la nclzirea, peste temperatura de saturaie, a aburului obinut n sistemul lerbtor

(vaporizator).

n mod obinuit este constituit dintr-un sistem de evi cu diametrul exterior relativ mic (32 sau 44 mm) i cu o grosime

a peretelui de minimum 2.5 mm i maximum 6.3 mm. Materialul evilor depinde de zona de temperatur n care sunt amplasate:

aceast temperatur este obinuit cu 25+80 C mai mare dect temperatura aburului din interiorul evii.

evile formeaz de obicei serpentine cu bucle situate n acelai plan. racordate n paralel la dou colectoare de capt,

din care unul distribuie aburul saturat iar cellalt aburul supranclzit. n cazul unor suprafee mari de nclzire pot fi ntlnite i

colectoare intermediare.

Din punct de vedere al amplasrii n cazan se deosebesc:

supranclzitoare de radiaie:

supranclzitoare de convecie;Supranclzitoarele de radiaie sunt constituite din evi drepte, formnd fascicule plane, amplasate n focar, fie

intercalate ntre evile fierbtoare i ecran, fie formnd fascicule independente. Aburul obinut de la evile fierbtoare trece mai

nti prin supranclzitoarele de radiaie, deoarece are o temperatur mai joas i asigur o rcire mai bun a acestor evi.

Supranclzitoarele de convecie sunt amplasate n canalul de gaze al cazanului, dup focar, primind cldura de la

gazele de ardere, parial prin convecie i parial prin radiaia gazelor triatomice (C0 2 i IbO).

Vitezele medii ale gazelor de ardere n zona supranclzitorului sunt de cea. 5+15 m/s. iar

coeficientul global de schimb de cldur este de cea. 35+80 W/m2C.

Supranclzitorul intermediar

Este folosit la cazanele cu presiuni nalte ale aburului, de peste 80 bar. pentru renclzirea aburului care a lucrat n

partea de nalt presiune a turbinei. Presiunea aburului n acest supranclzitor este de cea. 15+60 bar. iar temperatura de

renclzire este adesea egal cu temperatura de supranclzire a aburului viu.

n mod obinuit supranclzitorul intermediar este aezat n al doilea drum de gaze al cazanului. n cazanele modeme poate fi

amplasate chiar naintea supranclzitorul ui primar de convecie. Economizorul Economizorul este unul din elementele eseniale ale agregatelor de cazan modeme. Are rolul de a ridica temperatura

apei de alimentare pn aproape de temperatura de saturaie, pe seama entalpiei gazelor de ardere i de a realiza o economie de

combustibil n procesul de producere a aburului. Economizorul contribuie la reducerea entalpiei gazelor de ardere la ieirea lor

din instalaia de cazan, deci la reducerea pierderilor de cldur pe acest traseu.

7


8/30

Economizoarele pot fi normale, cnd apa de alimentare este nclzit pn la o temperatur cu 15*50 C sub

temperatura de saturaie, sau fierbtoare (vaporizatoare) cnd pe lng o prenclzire a apei de alimentare are loc i o vaporizare

parial, la temperatura de saturaie.

Constructiv, economizoarele pot fi realizate sub form de tuburi din font sau oel cu aripioare sau tuburi de oel

netede, grupate n serpentine.

n vederea evitrii apariiei bulelor de aer se recomand ca viteza de circulaie a apei s fie de cel puin 0.3*0.4 m/s.

PrenclzitomI de aer

Natura i calitatea combustibilului folosit n focarele instalaiilor de cazane impun. n vederea realizrii unei arderi

eficiente, o anumit temperatur a aerului de ardere. Aceast temperatur se realizeaz prin intermediul unui schimbtor de

cldur, numit prenclzitor de aer. amplasat n drumul gazelor de ardere (traseul final). Din punct de vedere constructiv -

funcional prenclzitorul poate fi: recuperativ (transmisia cldurii de la gazele arse la aer are loc n mod continuu prin pereiicanalelor de circulaie a fluidelor de lucru) sau regenerativ (cnd se realizeaz un schimb de cldur prin intermediul unor

umpluturi solide - metalice sau ceramice - scldate alternativ de gazele de ardere i respectiv aer .

ntr-un asemenea prenclzitor de aer se pot realiza temperaturi de 400*450C.

Instalaii de ardere

Spaiile/instalaiile de ardere n care are loc transformarea energiei chimice coninute de combustibili n cldur, ca

urmare a unor procese de ardere, poart denumirea de instalaii de ardere sau focare.

Exist o mare varietate de focare: acestea pot fi clasificate dup diverse criterii.

Dup starea de agregare a combustibilului de ardere se cunosc focare pentru arderea combustibililor solizi, lichizi, gazai, a deeurilor precum i focare pentru arderea a mai multor tipuri dc combustibili.

Dup presiunea din interiorul focarului se cunosc: focare cu depresiune (-20 Pa* 50 Pa sau -2 mm H2O-H 5 mmFbO). focare cu suprapresiune mic (1*5 kPa sau 100*500 mm IbO). focare cu

suprapresiune mare (0.5*1 MPa sau 5*10 bar).

Dup solicitarea termic a spaiului de ardere se cunosc focare cu: solicitare/ncrcare termic normal i cu

solicitare/ncrcare termic ridicat (cu ardere intensificat).

2.2. Schema general a cazanului. Principiu de funcionare

Vom considera un cazan de abur care furnizeaz abur suprancazit unei turbine T cuplate cu generatorul electric GE

{figura 2.2). Aceast instalaie realizeaz ciclul Clausius-Rankine (figura 2 . 3 ) .

Figura 2.2. Instalaie energetic de for care realizeaz ciclul Clausius-Rankine:G4-generator de abur (TA-tambur; S-supranclzitor; E-economizor; K-sistem vaporizator); T-turbin de abur; GE- generator electric; C-condensator de abur uzat; TR-tam de rcire; /Vl-pomp de alimentare; PC- pomp de circulaie

Cu ajutorul pompei de alimentare PA, apa de cazan aflat la presiunea P / i temperatura // din condensatorul C, deci

n stare de lichid saturat (.v=0). este comprimat adiabatic pn la presiunea din cazan, corespunztoare izobarei care trece

prin punctul 2, de entropie S 2 = 5,.

8


9/30

Faza 1-2 de comprimare a apei se realizeaz cu o cretere de temperatur de (1,0 ... I,5)C insesizabil, dac se

reprezint la aceeai scar. n figura 2.3 ea a fost reprezentat distorsionat, pentru a i se evidenia existena.

SFigura 2.3. Ciclul Clausius-Rankine n diagrama TS

n starea 2 apa ptrunde n primul element schimbtor de cldur al generatorului de abur GA, economizorul E i

aici acumuleaz cldur ridicndu-i temperatura pn cnd ajunge n starea 3 de lichid saturat

I 1

In continuare apa ptrunde n sistemul vaporizator V parcurgnd succesiv strile de lichid saturat (.v=0. punctul 3)

pn Ia abur saturat (jr =l. punctul 4). Aceast faz de vaporizare. caracteristica i obligatorie la orice generator de abur se

desfoar la temperatur constant, sub curba de saturaie izobar 3-4 confundndu-se cu izoterma 3-4.

Aburul format este sedimentat gravitaional n tamburul /'/>. din partea superioar a acestuia pleacnd spre

supranclzitorul .*>. Acumulnd n continuare cldur de la gazele de ardere, aburul i ridic temperatura, procesul de

supranclzire fiind reprezentat de izobara 4-5.

Pentru ciclul ideal, care se realizeaz fr frecri, punctele de stare 2.3.4 i 5 se afl pe aceeai izobar, presiunea

din generatorul de abur.

Punctul 5 reprezint starea aburului la ieirea din cazan i la intrarea n turbina 7". maina termic n care el se

destinde producnd energie mecanic livrat generatorului electric GE. Aceast destindere, adiabatic n ciclul ideal, estereprezentat de verticala 5-6

din figura2.3. Procesul se desfoar pn la presiunea p,, din condensator, cu condiia .v > 0.9.

din motive de liabiliate pentru turbin.

Condensatorul ('. principala surs rece a instalaiei, asigur extragerea din abur a cldurii de vaporizare. astfel nct

el devine din nou ap saturat. Procesul de condensare este reprezentat prin orizontala 6-1. iar aria de sub linia 6-1 reprezint

cldura extras de apa de rcire. La rndul ei. apa de rcire a condensatorului este rcit n turnul de rcire 77?. fiind

vehiculat ntre C i 77? cu ajutorul pompei de circulaie /'('.

n figura 2.4 este reprezentat schema general a unui cazan energetic de abur care funcioneaz cu crbune pulverizat.

9

T

Figura 2.4. Schema general a unui cazan de abur:


10/30

1- buncr de crbune:

2- alimentator:

3- canal vertical de uscare a crbunelui nainte de intrare n moar:

4- moar pentru mcinarea crbunelui:

5- prenclzitor de aer:6- arztor de crbune pulverizat;7- gaze de ardere formate prin arderea crbunelui n focar;

8- cenu antrenat separat n instalaia de desprfuire a gazelor de ardere: 8a-cenu antrenat separat din gazelede ardere n canalul de gaze;

9- zgura evacuat din focar;

10- gaze de ardere recirculate din focar pentru uscarea crbunelui:11- economizor:

12- sistem vaporizator;13-supranclzitor de baz (primar);

14-supranclzitor intermediar (secundar);

15- tambur:

16-canal de aer necesar arderii:

17- ventilator de aer;

18- ventilator de gaze de ardere (exhaustor):19- instalaie de desprfuire a gazelor de ardere:

20- conduct de abur supranclzit;

21- conduct de abur supranclzit intermediar:22- intrarea apei de alimentare n economizor:23- conduct de amestec praf de crbune-gaze de ardere recirculate. de la moar la arztor:

24- canal de aspiraie a gazelor de ardere recirculate:

25- focar;

26- conduct de abur saturat:27- canal de gaze de ardere:28- ieirea gazelor de ardere spre coul de fum :

10


11/30

Din buncrul 1. prin alimentatorul 2. crbunele ptrunde n canalul vertical al instalaiei de uscare 3. care folosete

ca agent de uscare gazele de ardere aspirate din focar prin fereastra 10 i canalul 24. Apoi crbunele ajunge n moara-

ventilator 4 n care i se reduce granulaia pn la starea de praf. In turnul 23 racordat la refularea ventilatorului are loc o

separare gravitaional, condiionat de dimensiunile particulelor de crbune i de viteza de circulaie a gazelor de ardere.

Pentru o anumit valoare a acestei viteze exist o dimensiune critic a particulei, sub care praful este antrenat de curentul de

gaze de ardere. Particulele de crbune de dimensiuni mai mari dect valoarea critic, rmn n moara 4 pn cnd

dimensiunea lor caracteristic ajunge sub valoarea critic.

Ar/torul 6 primete praf de crbune din canalul 23 i aer de ardere din canalul 16. rcaii/ca/ amestecarea celor dou

substane care ptrund n focarul 25 n care. datorit arderii combustibilului, temperatura este mult superioar celei de

autoaprindere. Prin combustie se formeaz gaze de ardere care cedeaz prin radiaie o mare parte din cldura lor ecranelor

vaporizatoare cu care este cptuit focarul 25 i apoi se ndreapt ascendent n sensul sgeii 7 spre ieirea din focar.Sistemul vaporizator al cazanului este format din ecranele cu care este cptuit focarul, evile descendente 12 situate

n afara focarului i tamburul 15. In bucla acestui sistem, datorit aburului format n ecranele vaporizatoare. apare circulaia

natural ascendent n ecrane i descendent n evile 12. care mrete coeficientul de convecie termica de la peretele

interior al evii de ecran la Huidui din evi.

Aburul format n ecranele vaporizatoare ajunge n tamburul 15. se sedimenteaz gravitaional n raport cu apa. iar

din partea superioar a tamburului, prin racordul 26. ajunge Ia supranclzitorul primar 13. care l aduce n starea de abur

supranclzit, cu care n sensul sgeii 20 ptrunde n turbina de nalt presiune, reprezentat n schema din figura 2.4. Dup

ce se destinde n aceast turbin. n scopul mririi randamentului termodinamic al ciclului, aburul este returnat n cazan i

anume n supranclzitorul intermediar 14. dupa parcurgerea cruia. n sensul sgeii 21 pleac n turbina de joas presiune,

pentru a-i continua destinderea.

Remarcm c, pentru a ptrunde n supranclzitor. dup ce a avut loc o circulaie ascendent n focar, gazele de

ardere au fost deviate cu 180 ajungnd ca n puul convectiv din dreapta s aib o circulaie descendent. Acesta form

literei greceti n . a fost impus cazanului pentru a i se reduce nlimea, asigurndu-se n acest fel si o turbulizare a gazelor

de ardere la ieirea din focar, cu efect favorabil asupra reducerii pierderilor de cldur prin ardere chimic incomplet.

Continundu-i drumul descendent prin puul convectiv. gazele de ardere parcurg economizorul 11 n care apa este

adus la saturaie i apoi prsesc puul convectiv. intrnd n prenclzitorul regenerativ de aer 5. Acesta este ultimul

schimbtor de cldur al agregatului de cazan. n el. o parte din cldura gazelor de ardere care vor fi evacuate la co este

cedat aerului de combustie.

n focar trebuie s existe o presiune puin inferioar celei atmosferice (depresiune 2 Pa) pentru ca prin neetaneiti

s nu sc infiltreze spre exterior gaze de ardere care conin i monoxid de carbon (('()). component toxic. n acest scop

circuitul gazodinamic are tiraj echilibrat, pierderile de presiune pe circuitul de alimentare cu aer. fiind acoperite de

ventilatorul de aer 17. iar pierderile de presiune pe circuitul de gaze de ardere revenind exhaustorului 18. Prin canalul 27

gazele de ardere se ndreapt n sensul sgeii 28 spre coul de fum nefigurat n schem.

n toate prile inferioare ale traseului de gaze de ardere sunt prevzute circuite pentru evacuarea produselor solide

de ardere: plnia 9 pentru evacuarea zgurii, plnia 8a pentru evacuarea cenuii i separatorul de cenu 8 din gazele de ardere

care se ndreapt spre coul de fum.Comprimarea apei. trecerea de la izobara condensatorului la izobara cazanului, se realizeaz n pompa de

alimentare, care introduce apa n sensul sgeii 22 n economizorul 11. Dup ce temperatura ei crete pn aproape de starea

de saturaie, apa de alimentare prsete economizorul i ptrunde n tamburul 15 al cazanului, care face parte din sistemul

vaporizator.

Astfel, etapele principale ale transformrii fluidului de lucru n cazanul de abur sunt:

prenclzirea apei de la temperatura apei de alimentare ( t m) pn la temperatura de saturaie

(fj) sau pn aproape de temperatura de saturaie. Tramsformarea respectiv se realizeaz ntr-un

11


12/30

schimbtor de cldur, denumit economizor 11. Temperatura apei la ieirea din economizor (f ) are

valoarea dat de relaia [1]:

( ' s - 40)


13/30

Se prefer alegerea unor variabile msurabile, pentru implementarea direct a unor bucle de reglare n timp real. ce

permit conducerea economic i sigur a cazanului.

D< -^--------------------------------------------------------------------------------1 ^MTI I *

Figura 2.5. Prezentarea principalelor canale intrare-iesire ale unui cazan

In figura 2.5. este prezentat o schema-bloc a cazanului, unde sunt precizate canalele intrare-iesire. in partea stnga

sunt prezentate mrimile de intrare(comenzi), adic mrimi ce pot fi comandate direct cu elemente de execuie uzuale, iar n

partea dreapt mrimile de ieire msurabile pe baza crora se vor dezvolta structurile de reglare tipice cu reaciile dup

ieire.

Sarcinile de funcionare ale cazanului pot fi mprite n dou categorii i anume: sarcini externe dictatate de

funcionarea ansamblului cazan-turbina-generator sarcini interne, dictate de cerinele de funcionare n condiii de

siguran a cazanului.

Sarcinile externe sunt dictate de turbin, pentru asigurarea debitului de abur la presiunea i temperatur

corespunztoare asigurrii puterii termice cerut grupului. n aceste condiii, aceti doi parametrii reprezint dou mrimi de

ieire ale cazanului i vor fi trecute n partea dreapt a schemei.

Pentru stabilirea corect a dependenelor intrare-iesire pe aceste canale, vom analiza factorii de care depind aceti

parametrii.

/'/-presiunea aburului la intrarea n turbin este aproximativ egal cu presiunea aburului n sistemul de

vaporizare(fie tambur la cazanele cu tambur, fie n zona de vaporizare la cazanele cu strbatere forat), deoarece pierderile

de presiune pe supranclzitoare sunt mici (2-5 bari) n raport cu valoarea presiuni Pr (180-220 bari). Se vor analiza

fenomenele din cazanele cu tambur, pentru nelegerea fenomenlor de transfer de mas i cldur i a proceselor de

vaporizare i supranclzire a aburului. In tambur are loc separarea vaporilor de ap ca urmare a acumulrii de cldur n

evile fierbtorului montat n zona focarului cazanului. n condiii de exploatare corect a cazanului, vaporizarea se produce

n tambur i nu n evile fierbtorului. deoarece presiunea din evi este mai mare dect presiunea n tambur. Zona ocupat de

vapori n tambur, poate fi privit ca un sistem izolat. n care se introduce debitul de vapori Dp rezultat prin vaporizare i seextrage un debit de vapori consumat Dc cerut de turbin.

Elementele componente sunt: Winj- debit de injectie-condens: A- debit de aer: B- debit de combustibil: Gp- debit

de gaze produse ; GH- debit dc gaze evacuateProcesul de vaporizare se desfoar la echilibru, iar mediul l reprezint vaporii saturai, deci nu pot fi aplicate

legile gazelor perfecte pentru studiul regimurilor dinamice. Vom considera aceast zon ca un bloc MPT ( n figura 2.5.).

avnd ca mrimi de intrare debitele Dc i Dp. Debitul Dc este dictat de turbin i poate fi modificat din exteriorul cazanului

13


14/30

prin comanda clapetei sau \emilului de reglare montat pe conducta de admisie n turbin, in acest caz. debitul Dc este omrime de intrare a cazanului.

Debitul Dp nu poate fi mdificat direct, el fiind dat de cantitatea de cldur transmis evilor fierbtoare. deci el va fi

o variabil dc stare intern a cazanului i se va figura n schem ca mrime de ieirea blocului MDI>. ale crui intrri suntdebitul de combustibil B i debitul de aer A. unde ambele sunt mrimi de intrare ale cazanului, fiind mrimi independente ce

pot fi modificate direct din exteriorul cazanului.

'Temperatura 6 m reprezint mrimea de ieire din blocul corespunztor suprancalzitoarelor de abur. Deci

temperatura 6 a debitului de abur la ieirea din ultimul suprancalzitor depinde de debitul D


15/30

Aei pacurgrupele 2i 3 Aer teriar Iugrfltarele de posl

ardere

. ..i,-t -K .11 In -i Im ;i,-.tn

r

Vei 'lin atiui idei

Figura 3.1. Schema circuitului de aer la ca/anul de 1035t/h

Aer pacuriigrupele 5i 6

Aer dinalrriosKi ;i

3. Reglarea presiunii aerului de ardere la Termocentrala Rovinari 3.1. Schema

circuitului aerului de ardere

In funcie de sarcina la care funcioneaz cazanul, trebuie introdus n focarul cazanului un anumit debit de combustibil.

Pentru arderea complet a acestui debit de combustibil este necesar a fi introdus o cantitate de aer corespunztoare.

Cantitatea de aer introdus pentru fiecare din combustibilii utilizai (crbune, gaz sau pcur) este reglat prinintermediul clapetelor dc reglare a debitului de aer. Pentru ca aceste clapete s fie meninute in domeniul de reglare (undeva

ntre 25% i 75% deschidere, zon n care caracteristica debit - curs a acestor clapete este aproximativ liniar), este necesar

meninerea unei anumite presiuni a aerului de ardere n colectorul de aer aflat n amonte de clapetele de reglare a debitului de

aer.

Meninerea la valoarea prescris a presiunii aerului de ardere n colectorul de aer permite adaptarea necesarului de aer la

variaiile de sarcin ale grupului i implicit o funcionare corespunztoare a ntregii instalaii tehnologice n conformitate cu

cerinele pieei de energie.

Schema circuitului de alimentare cu aer a cazanului de Ia grupurile de 330 MW de la termocentrala Rovinari este prezentat n

figura 3. /.. n care: VA - ventilator de aer; VGA - ventilator de gaze de ardere:

- PAA - prenclzitor de aer cu abur: PAR -

prenclzitor de aer rotativ: EF - electrofiltru:

MV - moar-ventilator.

Cele dou ventilatoare de aer aspir aerul rece din atmosfer. Debitul de aer vehiculat de fiecare ventilator de aer se

regleaz prin intermediul aparatelor directoare din aspiraia ventilatoarelor.

Aerul refulat de ventilator trece prin cele dou prenclzitoare de aer (cu abur i cel rotativ) pentru a i se crete

temperatura nainte de introducerea n focarul cazanului.

15

s-4vtv6 rels3

Aer primar naspiraia moriiventilator

A primar inaspiraia morii

ventilator M \l

Aer secundar Inorxfltoiircle decrbune

PAR2

Apai ;it lirct l -i


16/30

Ieirile din cele dou prenclzitoare de aer rotative sunt conectate la colectorul comun de aer. colector a crei presiune

trebuie reglat.

Din colector, circuitul de aer se mparte ctre arztorii de pcur (pe faa cazanului - grupele 2 i 3, iar pe spatele

cazanului - grupele 5 i 6) i ctre morile ventilator (1, 2 i 6. respectiv 3. 4 i 5).

Pe fiecare canal de aer ctre arztorii de pcur exist clapete de reglare a debitului de aer ctre aceti arztori. De

asemenea, exist clapete de reglare a debitului total de aer pe grupe de mori (1. 2 i 6. respectiv 3. 4 i 5) .Aerul general de la

grupele de mori este mprit pe fiecare moar n parte n aer secundar, care este direcional la arztoarele de praf crbune i n

aer primar care este direcional n aspiraia morii ventilator.

Pentru fiecare moar n parte exist clapete de reglare atl pentru debitul de aer secundar, ct i pentru debitul de aer

primar .

Tot din canalele de aer general pe grupe de mori se preleveaz aerul teriar pentru grtarele postardere. i pentru

debitul de aer teriar exist clapete de reglare a debitului .

3.2. Schema de principiu a SRA a presiunii aerului de arderePentru reglarea automat a presiunii aerului de ardere n colectorul comun de aer esle implementat o schem n bucl de

reglare cu reacie de poziie {figura 3.2) n care: C1, C2 - comparatoare: Rl. R2 - regulatoare;

- EE - element de execuie; IT -Instalaia tehnologic:

- TP - traductor de poziie a elementului de execuie:TM - traductor de msur (a presiunii aerului de ardere).

Referina 02

">0 *(_R1 |----O--------------------R2

H IT

T MK

Figura 3.2. Schema bloc a SRA a presiunii aerului de ardere

Regulatorul Rl este un regulator continuu reprezentat de un algoritm PID (din care se vor selecta fie toate

componentele legii de reglare - P. I. D - fie numai anumite componente. n funcie de tipul procesului. n cazul nostru alegndu-

se un regulator PI. funcia D fiind inhibat).

Regulatorul R2 este un regulator discontinuu, de tip tripoziional, care furnizeaz semnalul de comand ctre

elementul de execuie.

Elementul de execuie este reprezentat dc cele dou aparate directoare ale ventilatoarelor de aer.

Traductorul de poziie TP a elementului de execuie furnizeaz un semnal de 4...20 mA pentru toat cursa aparatului

director (de la nchis complet la deschis complet).

Traductorul de msur TM a presiunii furnizeaz un semnal de 4...20 mA pentru domeniul de presiune 0...750

mmlLO.

Plecnd de la cele expuse, sistemul de reglare automat a presiunii aerului de ardere este implementat n cadrul unui

sistem distribuit de control (DCS) - Ovation - furnizat de firma Emerson Process Management.

Schema de principiu a sistemului de reglare automat a presiunii aerului de ardere de la blocul nr. 3 de la

termocentrala Rovinari este prezentat n figura 3.3. n care:

16


17/30

P.A.A. - prenclzitor de aer cu abur (calorifer):

P.A.R. - prenclzitor de aer rotativ.La intrrile regulatorului PI sunt prezente semnalul de referin pentru presiunea aerului de ardere (la intrarea SI PT

- ..setpoint") i semnalul de presiune aer ardere dup P.A.R. (Ia intrarea PV - ..process variable"). Cele dou intrri sunt n

domeniul 0...750 mm ILO. domeniu corespunztor celor dou traductoare de msur a presiunii.

Referina de presiune a aerului de ardere poate fi setat manual de ctre operatorul din camera de comand termic a

grupului sau poate fi setat automat n funcie de sarcina grupului (un semnal ce provine de la regulatorul de sarcin bloc - LDC

- ..Load Demand Calculator"). Traductoarele de msur a presiunii sunt n domeniul 0...750 mm H 20 / 4...20 mA . La intrarea n

sistem acest semnal este convertit din nou n domeniul 0...750 mm ILO printr-o conversie liniar de forma Cn X + C| unde X

reprezint curentul de intrare n amperi.

Astfel, pentru aceti coeficieni se obin valorile

C0= 46785. respectiv

C, =-187.5.

17


18/30

Referina presiune aer

X

I-t-

I

1 din 2

0 0 Traducloarede presiune Traductor de poziie

Mastation 1

3rF

Semnal de echilibrare-10% +10%

Traductor l\ depoziie i/LZi

Mastation 4

JT""

f

P A R . P.A.A.

P. A . R . P.A.A.

Figura 3.3. Schema de principiu a SRA a presiunii aerului dc ardere

Aceste semnale sunt prezente la intrarea unui bloc ..1 din 2" care furnizeaz la ieire fie numai una dintre mrimile de

intrare, fie cea mai mic. fie cea mai mare. fie media celor dou (cel mai des folosit). Acest bloc este extrem de util n cazul

defectrii unuia dintre cele dou traductoare. avnd posibilitatea de a selecta on-line ca mrime de control valoarea provenit de

la traductorul care funcioneaz corect.

Semnalul de ieire din regulatorul PI (n domeniul 0..100%) este prezent la intrarea celor dou blocuri de comand

(Mastation - Mater Station") din care se seteaz consemnul de deschidere pentru cele dou aparate directoare ale

ventilatoarelor de aer. Consemnul de deschidere este prezent la intrarea unui regulator tripoziional mpreun cu semnalul de

poziie a aparatului director. In funcie de diferena dintre consemn i semnalul de poziie regulatorul tripoziional va comanda

n impulsuri fie nchiderea aparatului director, fie deschiderea acestuia, fie se va alia n ateptare.

Cele dou Mastation pot funciona n regim manual, caz n care operatorul seteaz consemnul de deschidere, sau n

regim automat, caz n care consemnul de deschidere este setat n funcie dc ieirea din regulatorul PI.

in regim automat, semnalul de ieire din regulatorul PI este corectat prin nmulirea cu o mrime cuprins ntre 0.9 i

1.1 (suma coreciilor pentru cele dou ventilatoare va fi egal ntotdeauna cu 2) pentru a se putea asigura aceeai ncrcare a

ventilatoarelor de aer (acelai curent electric absorbit de motoarele ventilatoarelor de aer) i deci se poate funciona cu

deschideri diferite ale aparatelor directoare.

3.3. Exemplificarea funciilor de transfer

innd cont de schema de principiu a SRA a presiunii aerului de ardere vom considera parte fix a acestui SRA

ansamblul format din cele dou Mastation. regulatoarele tripoziionale. elementele de execuie, traductoarele de poziie a

aparatelor directoare i instalaia tehnologic. Funcia de transfer a prii fixe se va nota Hp|.-(s). Aceast parte fix a SRA are

aceleai caracteristici indiferent dac sistemul de reglare automat a presiunii aerului de ardere este n regim de funcionare

..automat" sau ..manual".

Schema simplificat a SRA devine cea prezentat n figura 3.4. unde: PI - regulator

de tip PI;

- PF - partea fix a SRA;

- TM traductor de msur a presiunii.

a

3.

1| '--s1MV5T^&' e)


19/30

Referina preaune s~\+ v

TM

Fiura 3.4. Schema bloc

Simboliznd obiectele cu ajutorul funciilor de transfer corespunztoare se obine schema din figura 3.5 unde II(s)

reprezint funcia de transfer a regulatorului PI.

Refenntapresiune r\ + U

1

H pF(s)H(s)

Figura 3.5 Schema bloc cu funciile de transfer

Pentru traductoarele de msur a presiunii, funcia de transfer este n general similar cu a unui element de ntrziere de ordinul

I: K (3.1)

\ + T - s

Traductoarele de msur a presiunii aerului de ardere sunt cu protocol MART i sunt furnizate de firma Endress &

Hauser. Timpul de rspuns pentru aceste traductoare este foarte mic (fiind setabil i este de ordinul a 100 ms). fiind neglijabil n

comparaie cu celelalte constante de timp ale procesului. Prin urmare, funcia de transfer a traductorului de msur poate fi

asimilat cu o constant.

3.4. Determinarea funciei de transfer a prii fixe a SRA

Metoda lui Strejc- metod de identificare pentru un element proporional cu ntrziere de ordinul n i timp mort

Funcia dc transfer a unui astfel de element este:

W * K ' e r \ - I n , W L , - i m p i l l l

Metoda se bazeaz pe o serie de construcii grafice realizate pe curba indicial din figura 3.6. Punctul I reprezint

punctul de inflexiune al rspunsului indicial.

Pentru obinerea parametrilor n i I dup msurarea valorilor T, T a, T T, i x c j se va folosi tabelul

3.1.K H o

ic

T. " t

Figura 3.6. Rspuns indicial al unui element proporional cu

ntrziere de ordinul n i timp mort

Ordinul n este dat n coloana 1 de valorile corespunznd coloanei 4 din tabel. Practic, raportul T n/T a calculat cu valorilesegmentelor din figura 3.5 nu va coincide cu datele nscrise n coloana 4 i se recomand s se ia pentru n numrul ntregimediat inferior. Dac nu exist o influen perturbatoare se pot controla rezultatele obinute folosind coloanele 5...8. Ordinul nfiind cunoscut, constanta de timp se poate obine cu ajutorul coloanelor 2 i 3.

Timpul mort t nu coincide n general cu timpul T m dedus din poriunea iniial a curbei indicialc experimentale, ci esteun timp mort dc calcul, determinat astfel nct funcia de transfer s reprezinte o aproximare ct mai bun a rspunsului indicial.


20/30

Timpul mort reprezint suma dintre T m citit pe diagram i un timp mort fictiv T' introdus ca urmare a rotunjirii raportului T/T a.impus de obinerea unui n ntreg.

Dac rezultatele obinute pentru constanta de timp T folosind coloanele 2 i 3 nu sunt aproximativ egale (datoriterorilor de citire i msurare) se va da o translaie curbei ctre stnga, deci se va modifica T m pn ce pentru T se vaobine aceeai valoare. Aceast translaie reprezint tocmai valoarea timpului mort fictiv.

nL T% TLLTXc.zlTTa110ii001122,7180,2820,10410,2642,0000,73633,6950,8050,21820,3232,5000,67744,4631,425031930,3532,8880,64755,1192,1000,41040,3713,2190,629

Tabelul 3.1 Parametri n si T


21/30

6 5,699 2,811 0,493 5 0384 3,510 0,6167 6,226 3,549 0,570 6 0394 3,775 0,6068 6,711 4^307 0,642 7 0,401 4,018 03999 7,164 5,081 0,709 8 0,407 4345 039310 7,590 5,869 0,773 9 0,413 4,458 0,587

Funcia de transfer se prezint sub forma unui produs:

H ( S ) = _J< _______________1 = K ( l + T- s ) " ( \ + T- s ) " ( l + T-s)"*"' , 3 . 4 ,

Reguli de prelucrare a rspunsurilor intliciale obinute cu ajutorul metodei de identificare propus.

Avnd n vedere c pentru procesele simple identificarea este relativ uoar, se vor prezenta regulile de aplicare a metodei

Strejc. metod valabil pentru majoritatea proceselor termice din cazan. Notaiile folosite sunt cele din/zgura 3.6..

Pentru determinarea coeficientului de amplificare se va calcula raportul dintre diferena semnalului de ieire (diferena

dintre noua valoare de regim staionar i valoarea nainte de aplicarea treptei la intrare) i valoare semnalului treapt aplicat. Acest

coeficient de amplificare este o mrime dimensional.

Pentru determinarea constantei de timp se vor efectua urmtoarele operaii:

1. Prin punctul de inflexiune I se duce tangenta la curba rspunsului indicial. Se determin punctul 13 la intersecia cuaxa absciselor i punctul C care reprezint proiecia punctului D (intersecia tangentei cu noua valoare de regim staionar) pe axa

absciselor.

2. Din punctul dc inflexiune se ridic o vertical care determin la intersecia cu noua valoare de regim staionar punctul

E.3. Se determin punctul F la intersecia verticalei prin A cu noua valoare de regim staionar. A este punctul de nceput al

procesului tranzitoriu.

4. Se determin prin msurare valorile pentru T. 1,,. I,. T, i n cazul n care exist, se va determina valoarea timpuluimort real T m.

5. Se vor calcula rapoartele T n/Ta i T r /Ta. Valoarea ordonatei n punctul I reprezint x cl.

6. Valoarea gsit pentru T n/T a se va introduce n tabelul 4.1, alegnd valoarea imediat inferioar n cazul n care

valoarea raportului nu coincide cu una din valorile din tabel. Corespunztor acestei valori se determin ordinul n al numitorului

funciei de transfer.

7. Cu ajutorul coloanei a doua din tabel se poate determina constanta de timp T. T a fiind cunoscut.8. Folosind coloana a treia din tabelul 4.1 i valoarea lui T se va determina o valoare de calcul T nc corespunztoare

valorii n deja alese.

9. Se va face diferena ntre T msurat pe diagram i T nc i se obine valoarea timpului mort de corecie T".10. Se va scrie funcia de transfer sub forma:

H ( s ) = K e ' (3.5)( \ + T s ) n

11. n cazul existenei unui timp mort real T m. funcia de transfer se va scrie sub forma:

H ( s ) = - (3.6)( \ + T s ) n

21

Cnd pentru ordinul n se ia valoarea exact (corespunztoare lui T n/T a) timpul mort care se ia n considerare este T m. Inunele cazuri, existena unui timp mort este o piedic n folosirea metodelor de acordare.

Pentru aceasta se poate face o asimilare a timpului mort (e' ri) cu un element de ntrziere. Avnd o funcie de transfer deforma

K e r s

(3.2)//(*) = ( \ + T s ) n

se poate face aproximaia:

1e'" = (3.3)< r 1+ s ri

Se calculeaz n' astfel ca raportul x/ n' s fie egal cu constanta de timp T obinut mai sus. Deci n*

= T/T.


22/30

n care T = T m + T\

12. Cnd dorim ca n funcia de transfer s nu mai apar timpul mort x. atunci acesta se

aproximeaz cu un element de ntrziere de ordinul n' n care n" = x/T i deci funcia de transfer se va

scrie:

H ( s ) = ---------------- r (3-7)

Observaie:

Operaiile de alegere ale Iui n i T se pot verifica cu ajutorul coloanelor 5. ..8 din tabelul 3.1. procednd n acelai fel ca

mai sus pentru constantele T i T a.

Pentru determinarea funciei de transfer a prtii fixe s-a folosit o metod experimental, prin aplicarea unui semnal

treapt la intrarea acestui bloc i determinarea rspunsului.

Avnd cele dou Mastation n regim de funcionare ..automat" s-au simulat variaii treapt ale semnalului de ieire dinregulatorul PI n ambele sensuri (la scdere i Ia cretere). Aceste variaii au fost de 5% n ambele sensuri (variaie admis a se

aplica pentru presiunea aerului de ardere).

S-a obinut nregistrrile prezentate n diagrama din figura 3. 7. . n care:

- NG10P003-S1 - presiune aer de ardere:

- AIRMSTR-OUT1 - ieire regulator presiune aer de ardere:- NG10Z001 - poziie aparat director VAI;

- NG20Z001 - poziie aparat director VA2.Dupa cum se observa, variaiile de presiune au cam aceeai valoare att la nchiderea aparatelor directoare, ct si la

deschiderea aparatelor directoare.

Aceste nregistrri au nceput dupa simularea semnalului treapta avnd prezent un regim staionar, nregistrarea

terminndu-se dupa atingerea unui alt regim staionar.

22

\r \ir

3.-28/2006 10*6 41 AM NG10P003-S1 UNrT3*JROVlNARI PRES AER ARDERE 259 20 c*e

500 0 00074 00100

0 000maci xoooo

ng20zd01xq50unit30rovina Pat ap dnctor va2 66 42% imk 100 0 000

MIM 10*200 'O)O0 10*400 '0*1 OC 10*400 10*700 10*100 10490C

105040Figura 3.7. Rspunsul indiceal al prtii fixe a SRA a presiunii aerului deardere


23/30

Toate buclele de reglare automata ce sunt susceptibile de a modifica presiunea aerului de ardere (n special cele de reglare

a debitului de aer) erau comutate n regimul de funcionare ..manual" si nu s-a efectuat nici o comanda manuala asupra organelor

de reglare aferente acestora, pentru ca rspunsul sa fie determinat numai de variaia deschiderii aparatelor directoare ale

ventilatoarelor de aer.

Pentru determinarea funciei de transfer a prtii fixe nregistrrile au fost salvate ca fiier text si apoi exportate ntr-un

fiier Microsoft Excel, obtinndu-se un tabel de date (lund n considerare numai partea de deschidere a aparatelor directoare) n

care la fiecare secunda este redata valoarea parametrilor nregistrai.

Selectnd numai o anumita poriune din acest rspuns si prelucrnd aceste date se obine diagrama din figura 3.8.

n figura 3.8, cu culoarea albastru (Serie 1) este reprezentata presiunea aerului de ardere (scala din dreapta - n mmFkO),

iar cu culoarea roie (Serie 2) este reprezentat semnalul treapta aplicat (scala din stnga - n %).

Dupa cum se observa, rspunsul este cel al unui element de ordinul n cu timp mort. iar pentru identificare se va utiliza

metoda Strejc. Funcia de transfer este de forma:

H ( s ) = K e ' S (3.8)(i+ r - 5 ) n

Din figura se citesc urmtoarele valori:

- T ro= 4,5 s; T n= 3 s; T a= 12,7 s; Tp 9,5 s; T r = 6,2 s;

La aplicarea semnalului treapta de 5% s-a obinut o variaie a presiunii aerului de ardere de la 258 la 273 mmFLO.

_ 273-258 15 Constanta K are valoarea: K------------------------ - = = 3 . (3.9)

5 5

7" 3Se calculeaz raportul -=-=-------------= 0.236. (3.10)

T a 12,7

Din tabelul 3.1 se alege valoarea lui n imediat inferioara a raportului T/ T a. Se observa ca valoare imediat inferioara lui

0,236 este 0,218 creia i corespunde n = 3.

Pentru n = 3 se obine, din coloana a doua si a treia a tabelului, valoarea constantei de timp T.

T

Din coloana a doua se citete = 3.695. de unde T P 7r = s- = -iiL = 3.43 Sec. (3.11)3.695 3.695 V

T In coloana a treia se citete = 0,805, de unde:

= ^ = * = 3.72sec. (3.12)

23


24/30

0.805 0.805

Deoarece valorile lui T obinute folosind cele dou coloane nu sunt egale se trece la calcului timpului mort fictiv.

Se scrie, conform tabelului: = 0.805. de unde T nc = 0.805 3.43 = 2.76 sec. Se calculeaz3.43

diferena dintre T msurat pe diagram i Tnc determinat prin calcul i se obine timpul mort de corecie,

t' = T n - T nc = 3 - 2.76 = 0.24 sec. (3.13)

Se face calculul timpului mort real:

x= t* + T = 4.5 + 0,24 = 4,74 sec. (3.14)

Funcia de transfer capt forma:

H ( s ) = - ------------- r , (3.15)(1 + 3.43-s) 3

Dac dorim ca n funcia de transfer s nu mai apar timpul mort t, se consider

e" =--------------------r. (3.16)

Se calculeaz n" astfel ca raportul TV n' s fie egal cu constanta de timp T obinut mai sus. Deci T 3.43

Funcia de transfer va cpta forma:

H ( s ) = --------------------rw (3-17)(1 + 3.43 - 4 ) 4 - 3 8

4. Determinarea parametrilor de acord optimi ai regulatorului PIPentru determinarea parametrilor de acord optimi ai regulatorului PI s-au folosit dou metode, ambele experimentale,

metode prezentate n cele ce urmeaz.

Prima metod const n setarea on-line a parametrilor de acord K .p i T, direct n cadrul sistemului Ovation (deci

modificarea comportrii sistemului de reglare automat) i analiza comportrii SRA n bucl nchis.

Plecnd de la funcia de transfer a prtii fixe si innd cont ca diferitele metode practice de optimizare recomanda (pentru

procesele cu timp mort) o valoare a timpului de integrare (3...3,3)-t, s-a setat iniial pentru timpul de integrare o valoare ceva mai

ridicata, si anume 30 secunde.

Primul test a fost efectuat cu o valoare foarte sczuta a factorului de proportionalitate (K P= 0,2). Modificnd semnalul de

referina a presiunii aerului de ardere s-a obinut rspunsul din figura 4.1.

B Trend - [HSR ] B@Sg Fie Vjew Trend part Wndow Hefc . - x

FFL ^lal o |aH-


25/30

Figura 4.1. Rspuns pentru K P=0,2 si Tj=30 s

Dupa cum se observa din figura 4.1., influenta componentei proporionale a regulatorului este practic nula, anularea

abaterii de reglaj datorndu-se numai componentei integrale.

Desi s-a obinut un rspuns cu suprareglaj nul si abaterea de reglaj s-a anulat, acesta nu este satisfctor din cauza duratei

mari a regimului tranzitoriu (aproximativ 8 minute).

Comportarea sistemului cu aceti parametrii de acord a scos n relief faptul ca valoarea timpului de integrare este relativ

mare. aceasta valoare de 30 de secunde a timpului de integrare s-a pstrat la efectuarea urmtoarelor teste.

S-au setat Kp = 1,5 si Tj = 10 s si cu aceste valori s-a trecut la monitorizarea funcionarii de lunga durata si analiza

comportrii SRA la diferitele situaii din exploatare (modificri ale referinei presiunii aerului de ardere, modificri ale deschiderii

clapetelor de reglare a debitului de aer).

S-a preferat a se obine rspunsuri aperiodice, tara oscilaii, chiar daca anularea abaterii de reglare necesita timp ceva mai

ndelungat, pentru a nu afecta funcionarea de ansamblu a cazanului.

Analiznd comportarea sistemului att la modificri de referina, ct si la perturbaii, aceste valori au fost considerate ca

fiind optime (Kp = 1 ,5 si T; = lOs) -figura 4.2. (nregistrri de 24 de ore).

Q Trend [HSR]


26/30

_M a\Q\B\ OIElN^|H RAFNB| B|B| Q LQGLPLBJ Q J T

J30O006 4 4048PMMC.10POO3-SP1 IM13QROW4AI? PS WS Aff

26

MNSTF*3IOIOOl XQSO UNT3QROVNAR]Po; ap *ecto> VA1 NGMZOOIKQSO UNTflJfiOVNAR] Pol mAed VA2

15523Seat 600 100Actua vaue15634 600 1004 8s 100 0.0004960% Scale 100 0 000

ijgrVtts422D% 100 0000


27/30

5. Simulare n Matlab

Pentru o analiz mai amnunit i experimentare a mai multor perechi de parametrii K|> i T, . avnd n vedere c este

dificil de a modifica valorile de referin a diferiilor parametrii funcionali ai cazanului (presiuni, temperaturi, debite, nivele,

etc.) datorit faptului c grupul trebuie s funcioneze la o anumit putere program, cu abateri foarte mici fa de aceast putere.

n conformitate cu cerinele pieei de energie (iar modificrile necesare optimizrii ar genera variaii de sarcin), s-a folosit o a

doua metod de determinare a parametrilor de acord optimi i anume transpunerea SRA a presiunii aerului de ardere n Matlab

i efectuarea de simulri.

n cadrul sistemului Ovation msurile de presiune se regsesc n valoare numeric n domeniul de 0...750mmH 2O.

innd cont dc faptul c n algoritmul PID mrimile de intrare sunt aduse n domeniul 0... 100% (presiunea aerului de

ardere i semnalul de referin pentru presiunea aerului de ardere sunt nmulite cu 0.1333) i introducnd funciile de transfer

n schema bloc. se obine sistemul din figura 5.1.

Referina H u i - U+.V4J T iS

Figura 5.1. Schema bloc cu funciile de transfer

Avnd n vedere faptul c n cadrul MATLAB nu se pot implementa dect funcii de transfer sub

lorma K , +T, s

. realizarea practic a funciei dc transfer a prii fixe este destul de dificil.

Realizarea acestei funcii de transfer a fost lcut prin nserierea a patru funcii dc transfer ale unor elemente

proporionale cu ntrziere de ordinul I. ca n figura 5.2.. funcia de transfer a prii fixe

i

devenind l f ( s ) =(1+3,43-.%)

Figura 5.2.Reprezentarea SRA n MATLAB cu partea fix echivalat prin nserierea a patru elemente

proporionale cu ntrziere de ordinul I

4 '

r1 Tianrtai F tn2 " . i ',r Fer>3 Tumfai Fin*


28/30

Aceasta reprezentare este destul de apropiata de structura reala a SRA a presiunii aerului de ardere. S-a setat

valoarea timpului de integrare 999999 (foarte mare) si s-a obinut un rspuns oscilant

ntreinut pentru valoarea lui K P = 10 {figura 5.3).

Dupa cum se observa, perioada acestor oscilaii este de aproximativ 23 de secunde.

Aplicnd criteriul Nichols-Ziegler, parametrii de acord optimi pentru un regulator PI ar fi: Kp = 4,5

1

si Ti = 18,4s. Aceti parametrii nsa sunt dati pentru o funcie de transfer de forma H ( s ) = K p I +

prin urmare n cadrul simulrii valoarea timpului de integrare optim este Tj = 18.4 : 4.5 4 s.

Introducnd aceste valori n simularea noastr s-a obinut rspunsul din figura 5.4.

In practica nsa, n cazul nostru, existenta oscilaiilor nu este benefica, cautndu-se o pereche de parametrii de

acord astfel nct sa se obtina un rspuns aperiodic, cu durata ct mai redusa.

Perechea parametrilor de acord care satisface aceasta cerina este Kp = 1.2 si Tj = 8 s. iar rspunsul este redat n

figura 5.5.

Scope

Figura 5.3. Rspuns oscilantntreinut

Figura 5.4. Rspuns oscilant amortizat Kp = 4,5 si T|= 4 s


29/30

Figura 5.5. Rspuns aperiodic pentru K> = 1,2 si Tj = 8 s

Avnd n vedere faptul ca partea fixa are funcia de transfer de ordinul 4,38, aceleai teste au fost efectuate si pentru o

simulare cu nserierea a cinci elemente proporionale cu ntrziere de ordinul I {figura

3

5.6). funcia de transfer a prtii fixe devenind H ( s ) = (1+3,43-s) 5

1

tmti

Figura 5.6. Reprezentarea SRA n MATLAB cu partea fixa echivalata prin nserierea a cinci elemente

proporionale cu ntrziere de ordinul I

Repetnd operaiile, rspunsul cu oscilaii ntreinute s-a obinut pentru Kp=7,2 si perioada oscilaiilor a fost de 31

secunde. Prin urmare, parametrii de acord optimi pentru un regulator PI ar fi: Kp = 3,2 si Tj = 24.8 s, pentru schema noastr

rezultnd valoarea lui T j = 24.8 : 3,2 7 s.

Cu aceste valori se obine rspunsul din figura 5.7.

33.h11

Trjnsie'=cn1

lirtftf f cn3

RM


30/30

Seu pe

Figura 5.7. Rspuns oscilant amortizat pentru K P

= 3,2 siT

(= 7 s

BIBLIOGRAFIE

|1.J Crian, O., Sisteme electroenergetice. Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1979.

|2.| Athanasovici, V., Utilizarea cldurii n industrie. Voi I i II. Editura Tehnic, Bucureti, 1995.

|3.J Instruciuni de exploatare a cazanului de 1035 t/h de la CTE Rovinari

|4.j Leca, A., .a.. Centrate electrice. Probleme. Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1977. [5.] Motoin, C,

Centrale termo i hidroelectrice. Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1974.

[6.J Nitu, V., Energetica general i conversia energiei, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1980.

|7.| Olaru, O., Bzg, M., Structuri de reglare n centrale termoelectrice, Editura Politehnica, Timioara, 2009.

I8.| Pnoiu, N., Cazane de abur., Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1982. [9.1 Popescu, M., Note de curs|10.| Vntoru, Matei, Procese industriale automatizate , Editura Universitaria, Craiova, 1996

Pentru Kp = 1.2 si Tj = 8 s s-a obinut rspunsul din figura.5.8, care poate fi considerat aperiodic.

Scop

\ & js> & A E I I H m

I\/f / 1

0 5 IC W 150

Time offset: O

Figura 5.8. Rspuns aperiodic pentru K P = 1.2 si T| = 8 s

Dupa cum se observa, valorile obinute prin simulare pentru a determina un rspuns aperiodic sunt foarte apropiate

pentru ambele cazuri.

universitatea constantin brâncuşi

Documents