Рис. 1.24. Блок-схемы алгоритмов расчёта каскадных АСР:
а - при выполнении высокого быстродействия внутреннего контура по сравнению с внешним; б - при условии отключения внешнего регулятора в начальном приближении.
Лекция №5. Регулирование расхода
К основным технологическим параметрам, подлежащим контролю и регулированию в химико-технологических процессах, относят расход, уровень, давление, температуру, значение рН и показатели качества (концентрацию, плотность, вязкость и др.)
Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывного процесса. АСР расхода, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических процессов. На рис.3.4 дана принципиальная схема объекта при регулировании расхода. Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства 1) и регулирующим органом 2. Длина этого участка определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет обычно несколько метров. Динамика канала “расход вещества через клапан - расход вещества через расходомер” приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно составляет доли секунд для газа и несколько секунд - для жидкости; значение постоянной времени - несколько секунд.
Ввиду малой инерционности объекта регулирования особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчёта АСР. В частности, в промышленных установках инерционность цепей контроля и регулирования расхода становится соизмеримой с инерционностью объекта, и ее следует учитывать при расчете систем регулирования.
Рис. 3.4. Принципиальная схема объекта при регулировании расхода: 1-измеритель расхода; 2-регулирующий клапан.
Выбор законов регулирования диктуется обычным требуемым качеством переходных процессов. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР применяют ПИ-регуляторы. Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, регулирование расхода может осуществляться П-законом регулирования. При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применение ПД- или ПИД-регуляторов не рекомендуется.
В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:
дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);
изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);
байпасирование, т.е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.
Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 3.5,а). Если для перекачивания жидкости используют поршневой насос, применение подобной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на оси насоса). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (рис. 3.5,б).
Рис. 3.5. Схемы регулирования расхода послецентробежного (а) и поршневого (б) насосов: 1-измеритель расхода; 2-регулирующий клапан; 3- регулятор; 4-насос.
Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис. 3.6,а) или изменением скорости движения ленты транспортера (рис. 3.6,б).
Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.
Рис. 3.6. Схемы регулирования расхода сыпучих веществ:
а - изменением степени открытия регулирующей заслонки;
б-изменением скорости движения транспортера; 1- бункер;
2 - транспортер; 3 - регулятор; 4 - регулирующая заслонка;
5 - электродвигатель
Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем, описанных ниже.
1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис.3.7,а) G1, называемый “ведущим”, может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении с первым, так что “ведомый” расход равен G1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис.3.7,б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношения , подается в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание “ведомого ”расхода.
2. При заданном “ведущем” расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР “ведущего” расхода (рис. 3.7,в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1 автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).
3. АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра, так что G2 = (y) G1 (рис. 3.7,г).
Рис. 3.7 Схемы регулирования соотношения расходов:
а, б - при незаданной общей нагрузке; в - при заданной общей нагрузке; г - при заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента соотношения по третьему параметру; 1,2 - измерители расхода;3- регулятор соотношения; 4,7 - регулирующие клапаны;
5 - регулятор расхода; 6 - реле соотношения; 8 - регулятор температуры; 9 - устройство ограничения
Лекция №6. Регулирование уровня
Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю. Следует отметить, что “приток” и “сток” здесь являются обобщенными понятиями. В простейшем случае, когда в аппарате не происходят фазовые превращения (сборники, промежуточные ёмкости, жидкофазные реакторы), приток равен расходу жидкости, подаваемой в аппарат, а сток - расходу жидкости, отводимой из аппарата. В более сложных процессах, сопровождающихся изменением фазового состояния веществ, уровень является характеристикой не только гидравлических, но и тепловых и массообменных процессов, а приток и сток учитывают фазовые превращения веществ. Такие процессы протекают в испарителях, конденсаторах, выпарных установках, ректификационных колоннах и т.п.
В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида
, (3.11)
где S - площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата; GВХ, GВЫХ - раcходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; GОБ - количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени.
В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:
1) позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределах: LНLLВ. Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рис. 3.8). При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную ёмкость.
Рис. 3.8. Пример схемы позиционного регулирования уровня:
1-насос; 2- аппарат; 3- сигнализатор уровня;
4 - регулятор уровня; 5, 6 - регулирующие клапаны
2) непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т.е. L = L0.
При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нём регулируют одним из трёх способов:
изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование “на притоке”, рис. 3.9, а);
изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование “на стоке”, рис. 3.9,б);
регулирование соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, рис.3.9, в);
Рис. 3.9. Схемы непрерывного регулирования уровня:
а - регулирование “на притоке”; б - регулирование “на стоке”;в - каскадная АСР; 1 - регулятор уровня; 2 - регулирующий клапан; 3,4 - измерители расхода; 5 - регулятор соотношения.
Отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расхода жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу и вследствие интегрирующих свойств объекта уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).
В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладоагента), как это показано на рис. 3.10. В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретном случае должен выполняться с учётом остальных контуров регулирования.
Особое место в системах регулирования уровня занимают АСР уровня в аппаратах с кипящим (псевдожиженным) слоем зернистого материала. Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя. При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особенно высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рис. 3.11, а) или расход газа на ожижение слоя (рис. 3.11, б).
Рис. 3.10. Схема регулирования уровня в испарителе:
1 - испаритель; 2- регулятор уровня; 3 - регулирующий клапан.
Рис. 3.11. Регулирование уровня кипящего слоя:
а - отводом зернистого материала; б - изменением расхода газа;
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
