2. РАЗРАБОТКА САУ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПЕРЕД ПОТРЕБИТЕЛЕМ
2.1. Обоснование требования к САУ и выбор способа управления
Котлоагрегаты представляет значительную опасность для обслуживающего персонала и всего производства в целом. Во избежание возникновения непредвиденных аварийных ситуаций, требования к надежности (безотказной работе) системы предъявляются самые высокие. Основные требования к функциям САУ:
Сбор, обработку и анализ информации о состоянии объекта управления;
Выработку управляющих воздействий;
Передачу управляющих воздействий на исполнение и ее контроль;
Реализацию и контроль выполнения управляющих воздействий;
Обмен информацией с взаимосвязанными автоматизированными системами;
Все перечисленные функции САУ должна выполнять автоматизировано. [1] В целях поддержания в исправном состоянии всего оборудования, которое задействовано в системе автоматического управления следует расписать основные требования к техническому обеспечению:
В основном комплексе технических средств САУ должны использоваться технические средства серийного производства. В редких случаях при необходимости допускается применение технических средств единичного производства;
Технические средства САУ, используемые при взаимодействии с другими системами, должны быть совместимы по интерфейсам с соответствующими техническими средствами этих систем и используемых систем передачи данных;
В САУ должны быть применены технические средства со сроком службы не менее десяти лет. Применение технических средств с меньшим сроком службы допускается только в обоснованных случаях;
Установка технических средств, используемых персоналом САУ при выполнении автоматизированных функций, должно соответствовать требованиям эргономики: для производственного оборудования по ГОСТ 12.049-80;
Любое из технических средств САУ должно допускать замену его средством аналогичного функционального назначения без каких-либо конструктивных изменений или регулировки в остальных технических средствах САУ.
Для регулирования САУ следует выбрать ПИ-закон регулирования. Это позволит увеличить точность регулирования, свести статическую ошибку к нулю. Существующий способ управления представляет собой одноконтурную систему регулирования (рис. 20) Контур образован участком подвода топлива к горелке R91A (Входным параметром контура является расход топлива, выходным – температура теплоносителя на выходе котла. Первый из этих параметров является регулирующим воздействием, второй – регулируемым параметром. В качестве возмущения САУ температуры теплоносителя используется сигнал по изменению температуры наружного воздуха. [1]
2.2. Обоснование способов регулирования параметров САУ
В соответствии с описанием системы автоматического управления теплоноситель, проходя по подающей магистрали, отдаёт часть тепла в систему отопления котельного зала через установки тепловентиляторов с водяным источником тепла серии КЭВ TW, а также происходят потери тепла в процессе передачи теплоносителя от котла к потребителю. Тепло, переданное в систему отопления, частично компенсируется за счет циркуляционных насосов, но даже эти меры не дают точного представления о температуре теплоносителя перед потребителем. Для контроля за температурой перед потребителем необходимо установить датчик которые будет производить измерения непосредственно перед потребителем и передавать данные на ПЛК.
Рис. 20. Функциональная схема САУ температуры воды на выходе котла Vitoplex
ОУ – Объект управления, РУ – регулирующее устройство (контроллер); Преобр. – преобразователь сигнала, ИМ – Исполнительный механизм, ОС – операторская станция, Т – датчик температуры воды.
Объектом управления является барабан котла, в котором регулируется физическая величина Tв (температура воды). На объект действуют внешние возмущения, приводящие к изменению регулируемой переменной T. Регулирование объектом осуществляется путём изменения управляющего сигнала. Регулируемая переменная Tв измеряется датчиком обратной связи – Т и преобразуется выходной сигнал, который в регулирующем устройстве (контроллере) сопоставляется с заданным сигналом, который формируемым операторской станцией (ОС), или системой управления вышестоящего уровня, основываясь на полученных данных регулирующее устройство (контроллер) передает сигнал преобразователю, для изменения сигнала и передачу его на исполнительный механизм подачи газа в камеру горения.
Температура является показателем термодинамического состояния системы и используется как выходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические характеристики объектов в системах регулирования температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. [4] К общим обязанностям САУ температуры можно отнести значительную инерционность тепловых процессов и промышленных датчик температуры. Поэтому одна из основных задач при проектировании САУ температуры – уменьшение инерционности датчиков.
Рассмотрим, например, динамические характеристики термометра в защитном чехле (рис. 23)
Рис. 23. Принципиальная схема термометра
1 – Защитный чехол; 2 – Воздушная прослойка; 3 – Стенка термометра;
4 – Рабочая жидкость.
Структурную схему можно представить, как последовательное соединение четырех тепловых емкостей (рис. 24)
Рис. 24. Структурная схема термометра
Если не учитывать тепловое сопротивление каждого слоя, то все элементы можно аппроксимировать апериодическими звеньями первого порядка, уравнения которых будет иметь вид:
Mjcp jdθj/dt = αj1 Fj1 (θj-1- θj) – αj2 Fj2 (θj — θj+1) (1)
или
Tj dθj/dt + θj = kj1 θj-1 + kj2 θj+1 (2)
где
Tj = (Mjcp j)/(αj1 Fj1-αj2 Fj2 ) (3)
kj1 = (αj1 Fj1 j)/(αj1 Fj1-αj2 Fj2 ); kj2 = (αj2 Fj2)/(αj1 Fj1-αj2 Fj2 ) (4)
где Mj – масса защитного чехла, воздушной прослойки, стенки и жидкости;
cp j – удельные теплоемкости;
αj1, αj2 – коэффициенты теплоотдачи;
Fj1, Fj2 – поверхности теплоотдачи.
Как видно из уравнений (4), основными направлениями уменьшения инерционности датчиков температуры являются:
уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости защитного чехла в результате выбора его материала и толщины;
повышение коэффициентов теплоотдачи от среды к чехлу в результате правильного выобора места устнавоки датчика; при этом скорость движения среды должна быть максимальной. При прочих равных условиях более предпочтительна установка термометров в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующемся паре (по сравнению с конденсатом);
выбор типа первичного преобразователя, например, при выборе термометра сопротивления, термопары или манометрического термометра необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара в малоинерционном исполнении, наибольшей – манометрический термометр.
2.3. Расчет и анализ системы управления котельной
В каждый момент времени в топке котла должно сгорать столько топлива, чтобы количество тепла, вырабатываемое котельным агрегатом, соответствовало количеству потребляемого тепла, т.е. внешней нагрузке котла. Подача топлива должна производиться так, чтобы обеспечить постоянную температуру воды на выходе котла. [4] В соответствии с структурной схемой (рис. 20) регулирующее воздействие осуществляется за счет изменения положения клапана на линии топливоподачи (снабженного электроприводом) тем самым влияя на расход топлива и воздуха, подающегося в горелку R91A. [2]
Рис. 20. Структурная схема математической модели САУ температуры воды на выходе котла Vitoplex
〖где T〗_E (t) – температура воды на выходе котла;
T(t) – Температура воды на входе в котёл;
F_E (t) — Расход топлива (природный газ);
F_В (T) — Расход воздуха на форсунки в топку котла;
Для полного понимаю процессе регулирования температуры воды следует изобразить алгоритмическую схему САУ (рис. 21) и функциональную схему автоматизации (рис. 22). [2]
Рис. 21. Алгоритмическая схема САУ температуры воды на выходе котла котла Vitoplex
где Т_В^ЗД (p) — задание значения температуры на выходе котла;
T_В^ЗД (p) — фактическое температуры на выходе котла, измеряемую датчиком с ПФ W_Д (p) на выходе формирует сигнал Хд, mA -аналоговый;
E(p) — ошибка САУ Тв на выходе из котла, равнаяТ_В^ЗД (p) -T_^ЗД (p) ;
W_РЕГ (p) — ПФ регулятора, который в зависимости от воздействия U(p) на вход исполнительного механизма с ПФ W_ИМ (p). ИМ управляет степень m,% открытия клапана расхода топливаV_T (p),G_T (p), поступающий в топку объекта управления с ПФ W_ОУ (p),W_(ОУ.В) (p) по каналам управления и возмущения соответственно; [2] W_РО (p) -ПФ регулирующего органа.
Рис. 22. Функциональная схема автоматизации САУ температуры воды на выходе котла Vitoplex
где FT, поз 1-1 – расходомер;
FT, поз. 3-1 – расходомер;
TT, поз. 2-1 – датчик температуры;
NS, поз. 2-2 – пускатель бесконтактный реверсивный;
2-3 – исполнительный механизм.
Согласно структурной схеме САУ (рис. 19), объектом управления является водогрейный котел, выходной величиной которой является температура воды на выходе котла T_E (t) , а входными величинами – расход газа F_E (t), расход воздуха F_В (T) и температура воды на входе в котел T(t).
Экспериментальным путем определено изменение расхода газа и температуры сетевой воды на выходе из котла Vitoplex при изменении положения регулирующего клапана на 10%, что приведено на графиках на (рис. 25):
Рис. 25. Переходные процессы изменения расхода газа и температуры воды
Передаточная функция по каналу изменения температуры сетевой воды на выходе из водогрейного котла будет иметь вид:
WГ(р) = k_Г/(T_Г р+1) e^(-τгp) (5)
где kг = ΔTe/ΔGг = 5/25 = 0,2 ℃/(м^3/c)
Время переходного процесса 180 секунд подставив коэффициенты, получим:
WГ(р) = (0,2)/(180р+1) e^(-50p) (6)
При сжигании топлива в топочную камеру должно быть определенное количество воздуха, содержащий кислород для горения газа. Для сжигания 1 кг топлива необходимо подать количество воздуха с коэффициентом передачи k_C, этот коэффициент индивидуален для каждого котла и вида топлива и в нашем случае k_C= 0,1. То есть для того, чтобы процесс горения был максимально экономичным необходимо подать 1 часть топлива (газа) и 10 частей воздуха:
WГ(р) = 0,2/(180р+1) e^(-50p),
время переходного процесса 180 секунд подставив коэффициенты, получим:
kв = ΔTe/ΔGг = 5/0,1 = 50 ℃/(м^3/c),
для передаточной функции Wт(р) время переходного процесса 180 секунд, k_т – будет иметь вид:
k_т= (1 ч.газа)/(0.1 ч.воздуха) = 1/0,1 = 10,
передаточная функция Wт(р):
Wт(р) = 10/(180р+1) e^(-3p) (7)
В качестве исполнительного механизма, изменяющего расход подаваемого в котел газа, является электрический однооборотный механизм (МЭОФ-100) который управляет дисковым затвором. Номинальное время полного хода – 25 секунд, а kМЭОФ:
kМЭОФ = 100% ÷ 16 мА = 6,25,
передаточная функция WМЭОФ (р):
WМЭОФ (р) = (6,25)/(25р+1) (8)
В качестве исполнительного механизма, изменяющего количество подаваемого в котел воздуха, является вентилятор, установленный в горелке R91A с асинхронным приводным электродвигателем 4А1606УЗ.
WАД (р) = (0,25)/(1,2S^2+2,3S+0,25) (9)
Динамические свойства дутьевого вентилятора ВДН–9 с достаточной степенью точности можно описать инерционным звеном первого порядка со следующей передаточной функцией:
WВД(р) = k_ВД/(T_ВД р+1) (10)
где kвд – коэффициент передачи вентилятора дутьевого:
kвд = Q^ном/ω^ном = (2,75 м^3/ c)/(16,7 об/ c) = 0,18 м^3/об ,
Tдв – постоянная времени дутьевого вентилятора, Тдв=2,5с.
Выводы по главе
На основании данных, полученных в первом разделе ВКР, были определены требования к разрабатываемой САУ температуры теплоносителя перед потребителем. При помощи структурной схемы математической модели, и алгоритмической схемы были обоснованы способы регулирования температуры теплоносителя. Для определения качества системы был представлен график переходного процесса. Предоставленные данные дают возможность сделать вывод о правильном выборе способа управления и регулирования параметра САУ, а также о рациональном выборе технических средств и оборудования, используемых в системе.