Проектирование автоматической системы регулирования нагрузки паровых барабанных котлов

В. А. Хлебников
П. Н. Анисимов

Проектирование автоматической 
системы регулирования нагрузки 

паровых барабанных котлов

Учебное пособие

по курсовому проектированию

Йошкар-Ола

ПГТУ
2023

УДК 621.181.1(076)
ББК 31.361я73

Х 55

Рецензенты:

профессор кафедры машиностроения и материаловедения

Поволжского государственного технологического университета

С. Я. Алибеков;

профессор кафедры строительных конструкций и водоснабжения 
Поволжского государственного технологического университета 

А. Г. Поздеев

Печатается по решению

редакционно-издательского совета ПГТУ

Хлебников, В. А.

Х 55
Проектирование 
автоматической 
системы 
регулирования

нагрузки паровых барабанных котлов: учебное пособие по курсовому 
проектированию / В. А. Хлебников, П. Н. Анисимов. – Йош-
кар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 
2023. – 52 с.
ISBN 978-5-8158-2330-3

Приводятся необходимые теоретические сведения и методические ре-

комендации по проектированию АСР нагрузки паровых котлов серии ДЕ 
АО «Бийский котельный завод». Изложение материала ориентировано на 
выполнение расчетов в среде графического программирования LabVIEW. 

Для бакалавров направления «Теплоэнергетика и теплотехника», изу-

чающих курс «Метрология, теплотехнические измерения и автоматизация». 
Может быть также использовано при изучении автоматических систем 
регулирования технологических процессов студентами других специальностей.


УДК 621.181.1(076)

ББК 31.361я73

ISBN 978-5-8158-2330-3
© В. А. Хлебников, П. Н. Анисимов, 2023
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..................................................................................................4

1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АСР 
НАГРУЗКИ ПАРОВОГО КОТЛА 
И АЛГОРИТМ ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТОВ.................................5

2. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 
И ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОЕКТА ......................................... 7

3. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ........................................10

4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСР НАГРУЗКИ................................12

5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ОБЪЕКТА................14

6. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ И ПЕРЕХОДНЫЕ 
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТА....................................................24

7. РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЙКИ 
ПИ-РЕГУЛЯТОРА ...........................................................................34

8. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ И ПЕРЕХОДНЫЕ 
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ........................39

Контрольные вопросы........................................................................40

Список литературы.............................................................................42

Приложение 1. Параметры паровых котлов серии ДЕ .....................47

Приложение 2. Требования к составлению списка литературы ......48

Приложение 3. Назначение кнопок лицевой панели LabVIEW.......50

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее издание разработано в соответствии с требованиями 

действующего государственного образовательного стандарта по 
направлению «Теплоэнергетика и теплотехника».

Целью выполнения курсового проекта (КП) является получение

студентами знаний и практических навыков в области автоматизации 
технологий производства тепловой энергии и теплоносителей и выработки 
у них способности к разработке мероприятий по совершенствованию 
этой технологии на примере автоматической системы регулирования (
АСР) нагрузки барабанного котла, вырабатывающего влажный 
насыщенный пар.

Современные технологии выработки тепловой энергии и тепло-

носителей основаны на применении котельных агрегатов, целевые 
показатели которых достигаются применением разнообразных АСР.

Выбор АСР нагрузки парового котла для курсового проектирова-

ния не случаен. Нагрузка котла, которую в рассматриваемых котлах 
оценивают по давлению пара в барабане, является одним из важнейших 
параметров, характеризующих его работу. Проектирование АСР 
нагрузки позволяет студентам лучше понять тесную взаимосвязь в 
котле процессов горения топлива и парообразования, получить практические 
навыки по анализу и синтезу систем регулирования.

В качестве математической модели объекта регулирования ис-

пользуется линейное дифференциальное уравнение, описывающее 
изменение давления в барабане парового котла при возмущениях тепловыделением 
в топке, энтальпией и расходом питательной воды, расходом 
вырабатываемого пара [2]. 

Числовые значения коэффициентов дифференциального уравне-

ния и передаточной функции модели объекта определяются с учетом 
технических характеристик паровых котлов, выпускаемых ОАО 
«Бийский котельный завод» [7].

Оптимизация параметров настройки ПИ-регулятора нагрузки вы-

полняется методом ограничения корневого показателя колебательно-
сти. Критерием оптимальности служит линейный интегральный показатель 
точности регулирования [5].

Расчеты и построение графиков кривых разгона объекта и АСР 

нагрузки рекомендуется выполнять в среде графического программирования 
LabVIEW [6].

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АСР 

НАГРУЗКИ ПАРОВОГО КОТЛА 

И АЛГОРИТМ ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТОВ

Регулированием называется непрерывный процесс выработки ко-

манд, обеспечивающих изменение состояния технологического (в т.ч. 
теплотехнического) объекта при соблюдении заданных требований и 
ограничений.

Под теплотехническим объектом регулирования понимается со-

вокупность теплоэнергетического оборудования и реализуемых в нем 
технологических процессов производства тепловой энергии и теплоносителей.


Регулирование, осуществляемое без участия человека, называ-

ется автоматическим. Оно производится автоматическим регулирующим 
устройством (регулятором, контроллером).

Объект регулирования и регулятор, взаимодействующие друг с 

другом, образуют автоматическую систему регулирования (АСР).

К АСР нагрузки парового барабанного котла предъявляются два 

основных требования. Первое требование состоит в том, что АСР
должна иметь достаточный запас устойчивости. Выполнение этого 
требования будет гарантировать, что АСР не потеряет устойчивость
при всегда существующих в реальных условиях изменениях динамических 
и статических характеристик объекта регулирования. Второе 
требование заключается в том, что в пределах заданного запаса устойчивости 
качество регулирования должно быть наилучшим.

В соответствии с этими требованиями расчет параметров опти-

мальной настройки регулятора выполняется в два этапа. 

На первом этапе методом ограничения корневого показателя ко-

лебательности определяется область параметров настройки регулятора, 
обеспечивающих заданный запас устойчивости АСР.

1 

На втором этапе
определяются оптимальные параметры 

настройки
регулятора, обеспечивающие в выделенной области 

наилучшее качество регулирования по линейному интегральному показателю 
точности регулирования [5].

Выполнение КП рекомендуется начинать со сбора исходных дан-

ных для заданной марки парового котла. Затем следует составить 
функциональную и структурные схемы АСР нагрузки. При этом 
нужно принять во внимание, что с учетом накопленного опыта проектирования 
и эксплуатации АСР нагрузки паровых котлов для реализации 
в регуляторе применяется ПИ-закон регулирования [3].

После этого следует рассчитать числовые значения коэффициен-

тов дифференциального уравнения и передаточной функции объекта
и оптимальные параметры настройки ПИ-регулятора.

Затем необходимо построить кривую разгона АСР нагрузки на

ступенчатое возмущение заданием при найденных оптимальных параметрах 
настройки ПИ-регулятора. С целью проверки правильности 
выполненных расчетов по полученному графику следует определить 
полученную степень колебательности, пересчитать ее в величину 
корневого показателя и сравнить полученное значение с заданным. 
Если относительное расхождение не превысит по абсолютной величине 
5 %, можно считать, что оптимальные параметры настройки регулятора 
определены с требуемой точностью.

Удобным методом для построения кривых разгона объекта и АСР 

является метод математического моделирования с использованием
соответствующих разностных уравнений.

Для выполнения расчетов и построения графиков переходных 

процессов рекомендуется использовать программы на LabVIEW.

СОДЕРЖАНИЕ 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 

И ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОЕКТА

На завершающей стадии работы над курсовым проектом необхо-

димо оформить расчетно-пояснительную записку и графическую 
часть. 

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту должна 

содержать:

- введение,
- исходные данные,
- описание принципа действия АСР нагрузки,
- дифференциальное уравнение объекта с результатами определе-

ния его коэффициентов,

- передаточную функцию объекта, полученную из дифференци-

ального уравнения, результаты расчеты числовых значений ее коэффициентов,

- 
методику определения и результаты расчета числовых значений

оптимальных параметров настройки ПИ-регулятора,

- расчетные соотношения и графики кривых разгона объекта и 

АСР, результаты анализа качества регулирования на основе сравнения 
с заданными значениями полученной степени затухания и величины 
корневого показателя,

- выводы по результатам выполнения КП,
- список использованной литературы.
Во введении расчетно-пояснительной записки необходимо кратко 

описать технологический процесс производства тепловой энергии и 
теплоносителей в котельной, роль и значение автоматизации тепловых 
процессов, объем оснащения паровых котлов АСР. Сформулировать 
цель КП и решаемые задачи.

2 

В разделе 1 «Исходные данные» следует указать номер варианта

и привести в таблице 2 их числовые значения.

В разделе 2 «Принцип действия АСР нагрузки» кратко охаракте-

ризовать принцип действия, функциональную и структурные схемы 
рассматриваемой АСР, а также обосновать вид выбранного для реализации 
в регуляторе закона регулирования.

В разделе 3 «Дифференциальное уравнение объекта регулирова-

ния» записать используемое дифференциальное уравнение со ссылкой 
на источник, сформулировать физический смысл входящих в него 
коэффициентов, привести расчетные формулы для определения коэффициентов, 
рассчитать их и заполнить таблицы 4-10. Отметить, что 
при выводе дифференциального уравнения не учитывалась инерция 
передачи теплоты от металла труб к теплоносителю. Привести скриншот 
фронтальной панели программы «koef dif eq (1)» с результатами 
расчетов.

В разделе 4 «Передаточные функции объекта и системы» при-

вести выражения для передаточных функций объекта и замкнутой системы 
по различным каналам. Для учета тепловой инерции передачи 
теплоты от металла труб к теплоносителю рассчитать параметры новой 
передаточной функции объекта 2-го порядка с запаздыванием. 
Привести скриншот фронтальной панели программы «W(s) (31)» с результатами 
расчета коэффициентов новой передаточной функции.
Выполнить построение графиков кривых разгона объекта с передаточными 
функциями 1-го и 2-го порядков, убедиться, что установившиеся 
значения графиков одинаковы. Привести скриншот фронтальной 
панели программы «h1(t) h2(t) objects» с результатами расчета.

В разделе 5 «Оптимальные параметры настройки ПИ-регуля-

тора» охарактеризовать сущность использованного метода определения 
оптимальных настроек и способа построения границы заданного 
запаса устойчивости. Построить для объекта 2-го порядка с запаздыванием 
линию заданного запаса устойчивости и определить значения 
(𝑘п Ти
⁄
)max, 𝑘п,опт, 𝑇и,опт. Привести скриншот фронтальной панели 

программы «kp opt Ti opt» с результатами расчетов.

В разделе 6 «Графики кривых разгона объекта и системы регули-

рования» подтвердить правильность определения оптимальных 
настроек ПИ-регулятора расчетом степени затухания непосредственно 
по графику кривой разгона замкнутой системы по каналу задания. 
Следует привести скриншот программы «hzs(t)» с результатами 
расчетов.

В разделе «Выводы» кратко обобщить полученные в ходе выпол-

нения курсового проекта результаты.

В библиографическом списке указать использованные источники,

включая научную, учебную и нормативно-справочную литературу.
Они должны быть оформлены по ГОСТу Р 7.0.100–2018 (см. прил. 2).

Пояснительная записка к КП должна быть оформлена в текстовом 

редакторе Word, расчетные формулы набраны с помощью редактора 
формул с расшифровкой принятых обозначений и краткими пояснениями 
по выбору числовых значений величин. 

В графическую часть курсового проекта следует включить функ-

циональную и структурную схемы, полученные расчетом графики кривых 
разгона объекта и АСР (на отдельных листах формата А4).

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Задание на КП содержит марку парового котла1, его паропроиз-

водительность, давление пара в верхнем барабане и коэффициент 
продувки котла (табл. 1). Номер варианта задается преподавателем.

Таблица 1

Варианты исходных данных

№ варианта

Марка котла

Паропроизводитель-

ность, 𝐷п,0, кг/с

Давление (изб.) пара 

в барабане, 𝑃н.п, МПа

Коэф. непрерывной 

продувки котла, 𝐾пр

№ варианта

Марка котла

Паропроизводитель-

ность, 𝐷п,0, кг/с

Давление (изб.) пара 

в барабане, 𝑃н.п, МПа

Коэф. непрерывной 

продувки котла, 𝐾пр

1

ДЕ-4-14ГМ

1,5
1,10
1,05
19

ДЕ-16-14ГМ

11,0
1,10
1,05

2
2,0
1,15
1,06
20
12,0
1,15
1,06

3
2,5
1,20
1,07
21
13,0
1,20
1,07

4
3,0
1,25
1,08
22
14,0
1,25
1,08

5
3,5
1,30
1,09
23
15,0
1,30
1,09

6
4,0
1,37
1,10
24
16,0
1,37
1,10

7

ДЕ-6,5-14ГМ

4,0
1,10
1,05
25

ДЕ-25-14ГМ

20,0
1,10
1,05

8
4,5
1,15
1,06
26
21,0
1,15
1,06

9
5,0
1,20
1,07
27
22,0
1,20
1,07

10
5,5
1,25
1,08
28
23,0
1,25
1,08

11
6,0
1,30
1,09
29
24,0
1,30
1,09

12
6,5
1,37
1,10
30
25,0
1,37
1,10

13

ДЕ-10-14ГМ

5,0
1,10
1,05

14
6,0
1,15
1,06

15
7,0
1,20
1,07

16
8,0
1,25
1,08

17
9,0
1,30
1,09

18
10,0
1,37
1,10

1 Расшифровка марки котла на примере ДЕ-10-14ГМ: 2-барабанный паровой котел 
с естественной циркуляцией паропроизводительностью 10 т/ч, с номинальным 
давлением пара 14 кгс/см2, рассчитанный на сжигание природного газа (основное 
топливо) и мазута (резервное)

3 

По заданной марке котла, используя приложение 1 к данному из-

данию, студент самостоятельно определяет недостающие параметры 
и записывает их в таблицу 2. 

Таблица 2

Исходные данные для расчета АСР нагрузки парового котла

№
п/п
Наименование параметра
Обозн.
Размерн.
Значение

1
Марка парового котла
---
---

2
Паропроизводительность 
в номинальном режиме
𝐷н.п,0
т/ч

3
Давление (избыточное) пара 
в барабане
𝑃н.п
МПа

4
Температура питательной воды 
на входе в котел
𝑡пв
°С

5
Расход питательной воды 
на входе в котел
𝐺пв
т/ч

6
Общий объем трубной системы 
котла
V
м3

7
Водяной объем котла
𝑉1
м3

8
Коэффициент продувки котла
𝐾пр
---

9
Теплоемкость металла трубной 
системы котла
𝑐м

МДж
кг ∙ К
0,569 ∙ 10−3

10
Масса котла
𝑀к
т

При выборе температуры питательной воды необходимо обра-

тить внимание на то, что она поступает в котел из деаэратора. Расход 
питательной воды следует рассчитать по паропроизводительности 
котла с учетом величины непрерывной продувки по формуле (10). 
Теплоемкость металла трубной системы котла, включая барабаны, 
считать соответствующей ст. 20 при температуре 1000 °C.