Регулирование температуры

Температура – показатель термодинамического состояния систе­мы – выбирается как управляемая величины при регулировании теп­ловых процессов. Динамические характеристики объектов в системах регулирования температуры в значительной степени зависят от физи­ко-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэто­му общие рекомендации по выбору систем регулирования температу­ры сформулировать весьма сложно, и для каждого конкретного тех­нологического процесса требуется свой детальный анализ. Но общие особенности систем управления температурой мож­но выделить. К ним, в первую очередь, необходимо отнести значи­тельную инерционность тепловых процессов, а также некоторую инерционность промышленных датчиков температуры. Одной из основных задач проектирования САУ температуры является умень­шение инерционности промышленных датчиков температуры. Для решения этой задачи предлагается ряд общих рекомендаций:

- увеличение коэффициентов теплоотдачи от измеряемой среды к защитному чехлу чувствительного элемента в результате правильного выбора места установ­ки датчика, при этом скорость движения среды должна быть макси­мальной; при прочих равных условиях более предпочтительна уста­новка датчика в жидкой фазе (по сравнению с газообразной), в конденсирующем паре (по сравнению с конденсатом) и т. п.;

- уменьшение теплового сопротивления и тепловой емкости за­щитного чехла подбором соответствующего материала и толщины при его изготовлении;

- уменьшение постоянной времени воздушной прослойки между защитным чехлом и чувствительным элементом датчика температуры, на­пример, припаиванием рабочего спая термоэлектрических преобразова­телей (термопар) к защитному чехлу;

- правильный выбор типа первичного измерительного преоб­разователя; например, при наборе первичных измерительных пре­образователей: термометр сопротивления, термопара и маномет­рический термометр, необходимо учитывать, что наименьшей инерционностью обладает термопара (в малоинерционном испол­нении), наибольшая инерционность присуща манометрическому термометру.

Основными объектами в САУ температурой являются теплообменники. Передачу тепла от горячих теплоносителей к более холодным осуществляют:

1) в теплообменниках непосредственного смешения (жидкость-жидкость) или контакта (жидкость-газ) теплоносителей;

2) в поверхностных теплообменниках (кожухо-трубчатых, пластинчатых, аппаратах с рубашкой):

- без изменения агрегатного состояния теплоносителей (нагреватели, холодильники);

- с изменением агрегатного состояния (паро-жидкостные теплообменники, испарители, конденсаторы).

Для теплообменников основной целью управления является стабилизация температуры нагреваемого (охлаждаемого) продукта на выходе из теплообменника.

Рассмотрим регулирование температуры в теплообменниках контакта теплоносителей на примере САУ вентиляционными градирнями.

Охлаждение большинства технологических аппаратов осуществляется водой, и ее потребление на современных предприятиях достигает десятков и сотен тысяч тонн. Такие потребности не могут быть удовлетворены только за счет водопроводной воды, поэтому нагретую в аппаратах воду вновь охлаждают атмосферным воздухом в теплообменниках непосредственного контакта – вентиляционных градирнях. Целью управления системой оборотного водоснабжения является стабилизация температуры в сборном баке градирни, т. к. ее колебания являются сильными возмущениями для охлаждаемых аппаратов. Необходимый для эффективного охлаждения воды расход воздуха зависит от следующих факторов:

- температуры и влажности воздуха;

- направления и скорости ветра;

- температуры и расхода воды на входе в градирню.

Регулирование расхода воздуха в градирнях осуществляется либо изменением количества работающих вентиляторов, либо снижением скорости вращения двигателей приводов вентиляторов. При этом максимальный расход воздуха необходим в летний период, а минимальный – зимой. Схема САУ вентиляционной градирней с двумя вентиляторами, реализующая первый способ управления, показана на рис. 46.

В САУ на рис. 46 используются два измерителя-регулятора температуры – 3 и 5. При повышении температуры воды в баке градирни и достижении первого предельного значения срабатывает переключатель 4 и включает вентилятор 1. Если температура продолжает повышаться – срабатывает переключатель 6 и включает вентилятор 2. При уменьшении температуры воды происходит отключение вентиляторов в обратной последовательности. К недостаткам этого способа следует отнести возможность образования слоя наледи в зимний период на неработающих вентиляторах, а также возможность увлажнения изоляции неработающих двигателей.

Схема альтернативной реализации САУ вентиляционной градирней с частотным регулированием приводов приведена на рис. 47.

Регулирование частоты вращения вентиляторов 1 и 2 в системе на рис. 47осуществляется регуляторами преобразователей частоты 4 и 6 по сигналам с датчиков температуры воды в баке градирни.

Целью автоматического регулирования систем горячего водоснабжения является обеспечение постоянного значения температуры воды на центральных теплопунктах. Постоянство температуры в местах разбора не гарантируется из-за остывания воды в разводящих трубопроводах. Указанный недостаток в значительной мере устраняется применением циркуляционных линий с насосами.

При закрытой системе водоснабжения объектом регулирования являются поверхностные водоводяные теплообменники. Температуру на выходе этих теплообменников регулируют дросселированием (рис. 48 – параллельная схема, рис. 49– а – смешанная двухступенчатая схема и
рис. 49– б – двухступенчатая последовательная схема) или байпасированием потока сетевой воды (рис. 50). В последнем случае поток сетевой воды трехходовым регулируемым клапаном разделяется на два: один поступает в нагреватель, другой – в обводную линию. При таком способе управления обеспечивается примерно постоянный расход сетевой воды. Однако постоянство расхода приводит к завышению температуры воды в обратном трубопроводе тепловой сети в период малых нагрузок в системе горячего водоснабжения.

При открытой системе теплоснабжения горячая вода к потребителю поступает непосредственно из тепловой сети. В этом случае температура регулируется смешением потоков из подающего и обратного трубопроводов тепловой сети. Используется схема с установкой регулируемого клапана на подающем трубопроводе и обратного клапана – на обратном
(рис. 51), а также схема с применением трехходового клапана (рис. 52) [1, 2, 16, 20].

В трубчатых печах прокачиваемый через змеевик продукт нагревается за счет тепла, образующегося при сжигании топливного газа. Целью регулирования является поддержание постоянства температуры продукта на выходе из печи. К основным источникам возмущений в системе управления относят:

- расход топливного газа;

- расход и температуру нагреваемого продукта;

- расход и температуру воздуха, подаваемого для сжигания топлива;

- теплотворную способность топлива;

- состояние змеевика и тепловой изоляции.

Регулирование реализуется изменением количества подаваемого в печь топлива. В связи с тем, что для трубчатой печи характерны большие запаздывания (20-30 минут по каналу «расход топлива – конечная температура продукта»), чаще используется комбинированная схема САУ. Пример комбинированного регулирования температурой нагреваемого продукта ввертикальнойтрубчатой радиантно-конвективной показан на рис.Х. Регулятор 2 контура обратной связи по рассогласованию заданного и текущего значений температуры определяет необходимую величину давления газа, которая подается на регулятор 3 контура компенсации, который по результатам сравнения с измеренной действительной величиной давления вырабатывает управляющее воздействие на клапан 4.

По сравнению с вертикальной конструкцией, трубчатые печи с перевальной стенкой еще более инерционны – переходной процесс в канале «расход топлива – конечная температура продукта» может иметь длительность более часа. Поэтому одноконтурные САУ для этой разновидности печей практически не используются. Основной вариант реализации САУ печами с перевальной стенкой по отклонению предусматривает дополнительны контур локальной обратной связи по температуре газов над перевальной стенкой. Этот параметр достаточно быстро реагирует на изменение режима работы печи, обусловленное изменением количества топливного газа, подаваемого на сжигание. В схеме (рис. 53) используется датчик температуры 1, сигнал с выхода которого поступает на регулятор температуры продукта на выходе из печи 2 (корректирующий регулятор). В свою очередь этот регулятор формирует воздействие на задание регулятор температуры газов над перевальной стенкой 3 (стабилизирующий регулятор), который управляет подачей топлива в печь. Стабилизирующий регулятор начинает ликвидировать влияние возмущений, влияющие на процесс сгорания топлива прежде, чем они приведут к существенному изменению температуры продукта.

При резких изменениях расхода нагреваемого продукта и наличии возмущений по расходу топливного газа используют комбинированную схему – в САУ добавляют контур компенсации с регулированием соотношения расходов продукта и топлива. В этом случае подачей топливного газа управляет регулятор соотношения расходов.

При принудительной подаче первичного воздуха его оптимальный расход, при котором температура в топке принимает максимальное значение, поддерживают посредством регулятора соотношения расходов «топливный газ – воздух». Зависимость температуры в топке от этого соотношения носит экстремальный характер, т. е. является существенно нелинейной, поэтому реализация САУ требует использования так называемого экстремального регулятора. Если при этом теплотворная способность топлива существенно изменяется, то на регулятор соотношения дополнительно направляют корректирующий сигнал от регулятора стабилизации содержания кислорода в топочных газах. Это обеспечивает полное сгорание топлива и высокое качество регулирования.

Сильным возмущением режима работы трубчатых печей со стороны подачи топливного газа является изменение его давления. Это возмущение компенсируют введение в САУ дополнительного регулятора давления, входное воздействие на который подают от регулятора температуры над перевальной стенкой. Такое решения обеспечивает более качественное регулирование расхода топливного газа, так как расход газа в большой степени зависит от его давления.

Важно отметить, что регулирование соотношения «топливный газ – воздух» требует особых мер безопасности, так как при недостатке воздуха в топке может образоваться взрывоопасная смесь. Безопасность обеспечиваю ограничением расхода топливного газа по максимально допустимому значению, соответствующему текущему значению расхода воздуха.

Литература

1. Рульнов, А.А. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения / А.А. Рульнов, К.Ю. Евстафьев. – М.: Инфра-М, 2010. – 202 с.

2. Мухин О.А. Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции / О.А. Мухин. – Мн.: Высш. шк., 1986. – 304 с.

3. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах: ГОСТ 21.404–85. – Введ. 01.01.86. – Москва: Государственный комитет по делам строительства, 1986. – 12 с.

4. Ерофеева, Е.В. Автоматизация химико-технологических процессов: методические указания к выполнению дипломного проекта / Е.В. Ерофеева. – Иваново: Иван. гос. хим.–технол. ун-т., 2006. – 40 с.

5. Втюрин, В.А. Системы управления химико-технологическими процессами: методические указания к выполнению курсовой работы / В.А. Втюрин, Б.А. Филимонов. Санкт–Петербург: С–Пб. ГЛА, 2009. – 55 с.

6. Ившин, В.П. Разработка функциональных схем контроля и регулирования технологических параметров в курсовых и дипломных проектах / В.П. Ившин, А.И. Хайрутдинов. Казань: КГТУ, 2006. – 56 с.

7. Клюев, А.С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справочное пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов и др. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 464 с.

8. Анхимюк, В.Л. Теория автоматического управления. / В.Л. Анхимюк, О.Ф. Опейко, Н.Н. Михеев; под ред. В.Л. Анхимюк. – Мн.: Дизайн ПРО, 2000. – 352 с.

9. Андрющенко, В.А. Теория систем автоматического управления. / В.А. Андрющенко. – Л.: ЛГУ, 1990. – 256 с.

10. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического регулирования. / В.А. Бесекерский, В.П. Попов. – М.: Наука, 1975. – 766с.

11. Тихонов, А.И. Теория автоматического управления: курс лекций / А.И. Тихонов. – Иваново: ИГЭУ, 2002. – 188 с.

12. Туманов, М.П. Теория управления. Теория линейных систем автоматического управления: учебное пособие / М.П. Туманов. – М.: МГИЭМ, 2005. – 82 с.

13. Поляков, К.Ю. Теория автоматического управления для «чайников». К.Ю. Поляков // Преподавание, наука и жизнь [Электронный ресурс]. – 2009. – Режим доступа: https://kpolyakov.narod.ru/uni/teapot.htm. – Дата доступа: 01.06.2011.

14. Голубятников, В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: учебн. для техникумов / В.А. Голубятников, В.В. Шувалов. – М.: Химия, 1985. – 352 с.

15. Кузьменко, Н.В. Конспект лекций по дисциплине «Автоматизация технологических процессов и производств»: учеб. пособие / Н.В. Кузьменко. – Ангарск: АГТА, 2005. – 77 с.

16. Беспалов, А.В. Системы управления химико-технологическими процессами / А.В. Беспалов, Н.И. Харитонов. – М.: Академкнига, 2007. – 690 с.

17. Способ приготовления удобрений и биогаза: пат. 2155737 Российской Федерации, C 05 F 3/00 / Колюжный С.В., Аронский К.Н., Ковалев А.А., Лосяков В.П., Чукрин В.В.; заявитель Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства. – №99101554/13; заявл. 28.01.99; опубл. 10.09.00 // База патентов на изобретение РФ [Электронный ресурс]. – 2007. – Режим доступа: https://ru-patent.info/21/55-59/2155737.html – Дата доступа: 01.09.2011.

18. Кожевников, А.Б. Проблема конструкций хлораторов эжекционного типа / А.Б. Кожевников, О.П. Петросян // Жилищное и коммунальное хозяйство, 2002. – №6. – С.28–31.

19. Бородин, И.Ф. Автоматизация технологических процессов / И.Ф. Бородин, Ю.А. Судник. – М.: КолосС, 2004. – 344 с.

20. Хубаев, С.-М.К. Автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции: учеб. пособие // С.-М.К. Хубаев. – М.: Издательство ассоциации строительных вузов, 2004. – 72 с.