Bucle de reglare automata

BUCLE DE REGLARE AUTOMATA

Conditii generale pentru sisteme de reglaj automat aferente instalatiilor temomecanice :

Normativul care reglementeaza proiectarea instalatiilor de masura si reglare automata aferente instalatiilor termomecanice din termocentralele care functioneaza cu combustibili fosili (centrale termoelectrice, centrale electrice de termoficare, si centrale termice care utilizeaza gaze naturale, pacura, combustibili solizi sau gaze combustibile recuperate) este PE 510-2/96. Acest normativ se utilizeaza si in alte obiective energetice neconventionale si in centrale nuclearoelectrice, pe langa prevederile PE 510 respectandu-se si alte acte normative specifice domeniului respectiv.

Normativul stabileste conditiile pentru proiectarea sistemelor de masura si reglare automata pt. :

-cazane

-turbina

-instalatii de utilaje auxiliare din cladirea principala

-instalatii anexe din afara cladirii principale (gospodarii de combustibil, instalatii de tratare chimica, instalatii hidrotehnice).

Clasificare dpdv al structurilor de conducere :

-reglari la nivelul blocului sau centralei

-reglari la nivelul agregatelor principale (cazan, turbina, generator)

-reglari la nivelul utilajelor auxiliare ale blocului (PAR, EPA, etc.)

-reglari individuale ale parametrilor (nivel in rezervor, temperatura la preincalzitor, etc.)

Tipuri de reglare automata :

-reglare tot sau nimic -regulatoare bipozitionale

-regulatoare tripozitionale

-reglare parametrica -P

-PI

-PID

-reglare in cascada -pt.regl.temp. abur supraincalzit primar si intermediar

-reglare cu structura variabila -la reglarea apei de alimentare in regimurile de pornire, oprire si functionare in sarcina

-reglare de raport -reglare debit de aer-combustibil

-reglare cu regulator conducator -la reglarea debitului de combustibil

-reglare specializata -la reglarea turatiei turbinei

Din punct de vedere al semnalului de iesire se pot utiliza:

-regulatoare cu actiune continua

-regulatoare cu actiune discontinua (in impulsuri)

In circuitele de reglare se recomanda utilizarea organelor de executie actionate prin semnale discontinue. Viteza de lucru a servomotoarelor se va alege tinand cont de constantele de timp ale procesului tehnologic, in gama de valori de 10, 20, 30 si 60 secunde, pentru durata totala de parcurgere a cursei. Servomotoarele electrice trbuiesc prevazute cu limitatoare de moment care sa intrerupa comanda la final de cursa sau pe parcurs, in cazul blocarii elementului de executie. La alegerea elementelor de executie se va respecta PE 811 (Conditii tehnice pentru caracteristicile elementelor de executie din schemele de automatizari termice din centralele electrice).

In fig. 1 este reprezentata schema functionala a sistemului de reglare al unui bloc energetic:

Se recomanda ca circuitele de reglare sa aiba urmatoarele elemente de interfata :

-indicator pt. param. reglat

-indicator pt. abaterea de reglare

-indicator de pozitie a organului de reglare

-elementul de comanda a organului de reglare -scade

-man./autom.

-creste

-indicator pt. referinta (consemn)

-elementul de comanda a referintei

Instalatiile de automatizare cu functii de reglare automata au rolul de a mentine parametrii blocului energetic la valorile de regim in cazul perturbatiilor interne sau externe, care pot sa apara in regimurile de exploatare.

Perturbatiile externe pentru sistemul de reglaj al blocului energetic sunt considerate variatiile de frecventa din SEN, care, in cazul functionarii turbinei in regim de reglaj primar sau reglaj de putere, conduc la modificarea debitului de abur care este admis in turbina, cu efecte directe asupra presiunii aburului inaintea turbinei si implicit cu efecte asupra reglajului cazanului/cazanelor in sensul maririi sau micsorarii sarcinii.

Perturbatiile interne considerate a fi cele mai importante sunt variatiile calitative ale combustibilului, care determina variatii ale parametrilor aburului datorita modificarii constantelor de timp ale procesului de ardere si datorita modificarii raportului optim combustibil / aer , ceea ce inseamna necesitatea reacordarii cel putin a buclelor de reglaj combustibil si aer.

Sistemul de reglare automata este in mod cert cea mai solicitata parte a sistemului de automatizare a unui bloc energetic, atat datorita complexitatii si interdependentei buclelor de reglaj, cat si datorita numarului mare de comenzi ce trebuiesc elaborate si executate. Orice traductor care trimite o informatie eronata, orice element de executie care nu isi indeplineste sarcina sau orice perturbatie in una din buclele de reglaj pot sa duca instalatia intr-un regim anormal de functionare sau chiar intr-un regim periculos. Este important sa mentionam ca in acordarea unei bucle de reglaj trebuie sa se tina seama atat de obtinerea unei variatii cat mai mici a parametrului reglat, cat si de protejarea elementului de executie. In cazurile in care procesul este foarte greu de controlat din motive care nu tin de bucla respectiva de reglaj, este indicat sa nu se faca o acordare la limita a regulatorului, in sensul compensarii perturbatiilor din proces prin comenzi mai rapide sau prin micsorarea intervalelor dintre impulsurile de comanda, deoarece acest mod de functionare nu poate sa dureze (uzura mecanica prematura a elementului de executie, functionarea protectiei termice a motorului actionarii, arderea bobinajului motorului), rezultatul fiind, in marea majoritate a cazurilor, indisponibilizarea buclei atat in regim automat cat si manual.

Marimi caracteristice proceselor controlate de buclele de reglare :

Simboluri literale ale parametrilor masurati : (cf. STAS 6755-81)

Simboluri literale pentru aparate electrice si de automatizare : (cf. STAS 7070-74)

In reglarea proceselor din centralele termoelectrice se intalnesc in general urmatoarele tipuri de aparate primare :

-termocupluri

-termorezistente

-adaptoare tensiune/curent sau rezistenta curent

-traductoare de presiune si de presiune diferentiala

-traductoare de nivel

-presostate, termostate, nivostate

-traductoare de marimi chimice (pH, conductivitate, etc)

-analizoare de gaze (CO 2 , CO, O 2 , H 2 , etc.)

-traductoare de turatie

-traductoare de marimi speciale (vibratii, dilatari, deplasari)

-diafragme si ajutaje pentru masurarea debitelor

Pentru functiile de reglare este indicat a se utiliza traductoare separate de cele pentru monitorizarea parametrilor.

Exista doua regimuri de functionare ale blocului energetic :

-regim de sarcina fixa (de baza)

-regim de sarcina variabila

In aceste regimuri el poate functiona cu presiune fixa (respectiv in trepte) sau cu presiune variabila (glisanta). Daca inainte de 2000 majoritatea centralelor functionau in regim de baza , pe cat posibil aproape de punctul lor optim de functionare, in momentul de fata regulile SEN, care este interconectat la celelalte sisteme energetice europene, cat si necesitatea obtinerii unui pret mai bun pentru energia livrata (serviciile de retea se platesc) impun functionarea in regim de sarcina variabila, grupul energetic participand la reglajul frecventei in sistem.

La blocul cu reglare a presiunii in amonte de turbina, cand sarcina creste, trebuie intai sa se asigure o crestere a presiunii aburului (prin intensificarea procesului de ardere) care va determina deschiderea ventilelor de reglaj ale turbinei si cresterea puterii debitate de generator. La scaderea sarcinii procesul se desfasoara similar, prin reducerea debitului de combustibil. In aceste cazuri o modificare a sarcinii facuta la cazane se manifesta cu foarte marre intarziere la bornrle generatorului, ca variatie a puterii electrice si de aceea devine nepractica reglarea automata putere/frecventa prin bucla de reglaj presiune amonte. Reglarea presiunii amonte se preteaza bine la regimul de preluare a unei sarcini de baza (dupa diagrama orara) la care modificarile de sarcina se pot face in mod corespunzator de lent.

La functionarea in regim de sarcina variabila actiunile de reglare exercitate asupra turbinei trebuiesc transmise si catre cazan/cazane pentru modificarea puterii calorice a focarului.

O situatie mai delicata pentru sistemul de reglaj este cea in care grupul, care functioneaza la sarcina nominala, in cazul unui deranjament extern trebuie sa ramana in functiune pe servicii proprii (la declansarea intrerupatorului de bloc, sau la aruncare de sarcina), situatie in care se poate face aprecierea performantelor atat pentru REH al turbinei, cat si pentru buclele de reglaj ale cazanelor.

Pentru intelegerea functionarii buclelor de reglare automata ale cazanelor de abur se considera schema bloc a unui cazan cu tambur in care sunt evidentiate marimile de intrare si de iesire ale proceselor ce au loc in circuitele cazanului :

fig.3

Bucla de reglare a sarcinii cazanelor :

Indiferent ca este vorba de un cazan cu circulatie naturala sau de un cazan cu strabatere fortata, in general bucla de reglaj sarcina urmareste sa mentina constanta presiunea aburului la iesire din cazan, actionand asupra cantitatii de combustibil si asupra debitului aerului de ardere.

In cazul cazanelor cu tambur, la variatii mici de sarcina la turbina, presiunea in tambur se modifica nesemnificativ, datorita capacitatii tamburului si sistemului de vaporizare, si nu este necesara o modificare a puterii de foc. La cazanele cu strabatere fortata, a caror inertie este mult mai mica (1/3..1/4 fata de cazanele cu tambur) reglajul presiunii aburului are nevoie si de un semnal elaborat de regulatorul de sarcina al blocului, pentru a anticipa modificarea presiunii aburului in functie de deschiderea ventilelor de reglaj ale turbinei. Acest semnal poate fi pozitia servomotorului ventilelor de reglaj de IP, debitul de abur viu sau puterea la bornele generatorului.

a)Reglajul combustibilului

Pentru cazanele care functioneaza pe pacura se utilizeaza o bucla de reglare in cascada, ce contine un regulator principal de sarcina (de tip PID) si un regulator de combustibil (PI) in bucla de urmarire. Stabilitatea buclei poate fi marita prin introducerea in reglaj a semnalului de debit de abur ca marime perturbatoare.

fig.4

Dupa aceasta schema se configureaza practic si reglajul sarcinii termice in cazul cazanelor pe gaze sau pe combustibil solid, diferenta constand in faptul ca la gaz se actioneaza asupra clapetei de reglaj debit gaz, iar la carbune se actioneaza asupra turatiei benzilor redler.

-Exemplu pentru cazan pe carbune si gaze naturale :

fig5

Se observa ca in acest caz cantitatea de carbune o reprezinta suma turatiilor benzilor redler. Elementele de executie sunt variatoarele de turatie ale benzilor (care pot fi convertizoare de frecventa sau variatoare mecanice de turatie) si clapeta de reglare a debitului de gaz. Acestea sunt comandate prin intermediul unor regulatoare proportionale. Regulatorul principal de sarcina (regulatorul de presiune abur - PID) si debitul de abur preluat de turbina stabilesc o valoare de referinta pentru cantitatea de combustibil (gaz + carbune), care este apoi comparata cu suma debitelor de gaz si de carbune, iar semnalul obtinut se introduce in regulatorul de combustibil care va determina marirea sau micsorarea puterii de foc a cazanului.

Exista si scheme de reglare mai complexe, in care exista un regulator principal de sarcina (PID) si cite un regulator pentru fiecare tip de combustibil (PI), cu posibilitatea de a stabili o referinta fixa pe carbune sau pe gaz, cu stabilirea unui coeficient de participare la reglaj a fiecarei benzi. Pentru o mai buna masurare a cantitatii de carbune este indicat a se tine seama atat de turatia benzii, cat si de inaltimea stratului de carbune de pe banda, in cazul masurarii numai a turatiei benzilor aparand situatii in care bucla de reglaj nu mai este acordata corect, rezultatul fiind intarzieri sau suprareglaje care pot conduce la fluctuatii deranjante ale presiunii aburului.

b)Reglajul aerului de ardere

Cea mai simpla schema de reglare a aerului de ardere este cea in care debitul de aer este stabilit doar in functie de valoarea de referinta pentru debitul de combustibil, la care se adauga un consemn suplimentar pentru stabilirea excesului de aer.

fig. 6

Exista si posibilitatea utilizarii, in bucla de reglare a aerului, a unei corectii automate a continutului de oxigen din gazele arse, pentru obtinerea unei arderi cat mai bune. Acest lucru determina insa alte probleme si este indicat ca acest tip de reglaj sa fie utilizat numai daca arderea pe fiecare arzator este corecta si daca prelevarea pentru probe a gazelor arse se face dintr-un loc reprezentativ pentru orice regim de functionare a cazanului. De asemenea se mai pune si problema intarzierii intre momentul prelevarii probei si transmiterea semnalului de corectie, un dezavantaj major in cazul grupurilor care functioneaza la o sarcina variabila (reglaj primar, secundar).

In cazul cazanelor mari, cu doua ventilatoare de aer, reglarea debitului de aer se face prin actionare asupra clapetelor de pe circuitele de aer pentru morile de carbune, pentru arzatorii superiori, sau pentru arzatorii inferiori. Clapetele de reglaj montate pe aspiratiile ventilatoarelor de aer (paletele directoar) au rolul de reglare a presiunii aerului de ardere dupa preincalzitorii de aer. Reglarea aerului se va face distinct pe fiecare circuit (aer pt. gaz cota inf., aer pt. gaz cota sup., aer pt. carbune), tinand cont de debitele corespunzatoare de combustibil.

In functie de constructia instalatiei tehnologice, pot fi proiectate si bucle de reglare a aerului secundar, pe fiecare moara in parte, asigurandu-se astfel o ardere optima (se regleaza temperatura in separatorul morii).

De cele mai multe ori reglajul aerului se organizeaza in mai multe trepte :

-reglajul aerului total - se regleaza presiunea pe inelul de alimentare cu aer al cazanului

-reglajul temperaturii in separatorul morii

-reglajul aerului secundar - in functie de cantitatea de comb. introdus in focar

OBSERVATIE :

Nu se admite in nici o situatie functionarea cazanului cand o parte din instalatia de reglare a procesului de ardere functioneaza pe automat(de exemplu alimentarea cu combustibil) si cealalta parte functioneaza pe manual(alim. cu aer).

.Bucle de reglare a alimentarii cu apa a cazanelor cu tambur

Marea problema la stabilirea schemei bloc pentru reglarea nivelului in tambur o reprezinta faptul ca o variatie de nivel poate fi provocata de:

-variatiile de presiune in tambur ( scaderea presiunii provoaca fenomenul de umflare a nivelului prin intensificarea vaporizarii)

-variatiile de debit de apa de alimentare (scaderea nivelului imediat dupa marirea cantitatii de apa introdusa in tambur si apoi cresterea nivelului)

-variatiile temperaturii apei de alimentare

Datorita acestor fenomene, pentru reglarea nivelului in tambur, in special la cazane la care au loc variatii de sarcina, nu este indicat a se utiliza o schema de reglaj cu o singura componeneta(care sa masoare doar nivelul in tambur- fig.7) sau cu doua componente (fig.8).

La cazanele mari de abur este obligatorie utilizarea unei scheme de reglare cu trei componente (nivel, debit abur, debit apa alimentare). Bucla de reglaj se va gasi in echilibru abia cand nivelul masurat este egal cu referinta si debitele de abur si apa de alimentare sunt egale. Un dezavantaj al schemei din fig.9 consta in faptul ca erorile de masura pentru debitele de apa sau abur pot duce la o deplasare permanenta a nivelului in tambur.

Bucle de reglare a alimentarii cu apa a cazanelor cu strabatere fortata :

La cazanele Benson lipseste tamburul si este necesar ca referinta privind gradul de umplere al cazanului sa fie data de regulatorul de sarcina al cazanului. Se va tine seama si de raportul dintre debitul de apa de injectie si cel de apa de alimentare pentru a putea mentine ventilele de injectie in domeniul de reglaj (sa avem o diferenta de temperatura pe racitorul de injectie pentru a putea face reglajul de temperatura a aburului viu, atat la crestere cat si la scadere).

Debitul de apa de alimentare va fi reglat tinand cont de semnalul de sarcina sau de debitul de abur viu. Valoarea de referinta a debitului de apa va fi ajustata de catre un regulator corector ce tine cont de temperaturile inainte si dupa racitorul de injectie 1.

Pentru un cazan Benson de 510t/h schema de principiu pt. reglarea apei de alimentare este reprezentata simplificat in fig. 10 :

Debitul de apa de alimentare se va regla mereu corespunzator sarcinii momentane a cazanului. Va fi dimensionat in asa fel imcat reglajul temperaturii aburului de inalta presiune prin racitoarele cu injectie sa ramana in cadrul domeniului lor de reglaj si atunci cand sunt deranjamente sau modificari de sarcina mai mari. Valoarea referintei pentru diferenta de temperatura pe racitorul 1 de injectie se va fixa in functie de cum decurge arderea in cazan si in functie de presiunea aburului (poate lua valori intre 0.100grd.).

Atat pentru cazanele Benson, cat si pt. cele cu tambur exista si o bucla de reglare a diferentei de presiune pe ventilele de reglare a debitului de apa de alimentare (prin reglarea turatiei pompelor de alimentare). Mentinerea constanta a diferentei de presiune are o mare importanta in obtinerea unui reglaj bun pentru debitul apei de alimemtare (pastrarea caracteristicii deschidere/debit pentru ventilul de reglaj).

.Bucla de reglare a supraincalzirii aburului :

In toate regimurile de exploatare, sarcina cea mai importanta de reglaj este, tinand seama de solicitarea termica a turbinei, sa se mentina temperatura aburului viu in limitele admise. Influentare temperaturii finale se face prin racitoare de injectie care sunt amplasate inaintea supraincalzitorului final pe fiecare parte a cazanului. Pentru reglajul temperaturii aburului viu se utilizeaza o schema in cascada, cu un regulator director PID care tine cont de variatiile temperaturii finale, si un regulator de urmarire PI care compenseaza influenta deranjamentelor ce au efect asupra temperaturii inaintea racitorului (fig. 11).

La cazanele mari reglajul temperaturii aburului se face prin doua racitoare de injectie. Prima injectie are rolul de a regla temperatura inaintea racitorului 2 de injectie. Este indicat ca temperatura aburului inaintea injectiei 2 sa fie reglata in functie de iesirea regulatorului director al injectiei 2. Schema de principiu pentru injectia 1 este identica celei pentru reglarea temperaturii prin inj. 2.

.Bucla de reglare a depresiunii in focar :

Gazele rezultate in urma arderii trebuiesc evacuate in exterior. Majoritatea cazanelor de abur functioneaza cu depresiune in camera focara si sunt dotate cu doua ventilatoare de aer si doua ventilatoare de gaze. Depresiunea este mentinuta prin reglarea ventilatoarelor de gaze, prin modificarea sectiunii de trecere a gazelor arse pe aspiratia lor. Este importanta incarcarea echilibrata a ventilatoarelor de gaze, bucla de reglare necesitand elemente care sa asigure sincronizarea deschiderii clapetelor de pe aspiratiile ventilatoarelor. Schema de principiu este reprezentata in fig. 12. Reglarea prin modificarea turatiei ventilatoarelor nu se utilizeaza datorita inertiei mari a rotorilor ventilatoarelor.

fig.12