Основные положения

В современных требованиях к автоматизированным системам вентиляции (СВ) и кондиционирования воздуха (СКВ) содержатся два противоречивых условия: первое — простота и надежность эксплуатации; второе — высокое качество функционирования, например, качество стабилизации температуры приточного воздуха, минимум расхода энергии и т.д. Стремление к выполнению этих условий связано с необходимостью отыскания компромиссного технического решения.

Состояние эксплуатации СВ и СКВ во многом зависит от уровня развития, структуры и качества технической реализации средств технологической обработки и перемещения воздуха, а также средств автоматического управления. Правильный выбор структуры системы кондиционирования воздуха и установочной мощности технологического оборудования — это лишь часть задачи разработки и проектирования.

Наиболее сложной составляющей процесса разработки является выбор режимов функционирования СКВ в годовом цикле работы. Известно, что годовое изменение параметров наружного воздуха предопределяет существенную нестационарность и нелинейность от­дельных характеристик технологического оборудования. Это прежде всего сказывается на так называемых ре­гулировочных характеристиках оборудования, что зна­чительно усложняет задачу выбора методов и средств автоматического управления режимами работы технологического оборудования систем,

Основным принципом в технической организации автоматического управления СВ и СКВ является функцио­нальное выделение и соответствующее конструктивное оформление иерархической структуры подлежащих вы­полнению задач защиты, регулирования н управления

Следует отметить, что перечисленные ранее функ­ции автоматического управления, по крайней мере двух низших уровней, не являются новыми существен­но новыми для управления промышленными СВ и СКВ являются их группировка и обособленное функциональ­но независимое конструктивное оформление. Предла­гаемая структура технической реализации управления позволяет решать ряд вопросов, связанных с повыше­нием эксплуатационных и надежностных характеристик автоматизированной системы, а также вопросов, связан­ных с последовательностью ввода в действие иерархи­ческой структуры и комплектацией ее средствами ав­томатического управления

Всякая промышленная СКВ должна быть снабжена:

-элементами и устройствами автоматического пуска и останова, а также устройствами защиты от аварийных ситуаций. Этот первый уровень автоматизации СКВ подлежит обязательному выполнению и не может быть заменен (это касается защиты) ручным управлением с помощью оператора. Защита оборудования от аварийных ситуаций должна решаться на наиболее надежных элементах автоматики.

Для непрерывного выполнения функций защиты сле­дует использовать элементы, обладающие повышенной надежностью (свойствами минимальной интенсивности потока отказов). Поскольку при обеспечении защиты оборудования исключена возможность резервирования в форме ручного управления, допустимо применение поэлементного функционального резервирования средств автоматической защиты.

-При этом следует помнить, что работа автоматизированной СКВ без аварийных ситуаций будет только в том случае, когда оборудова­ние и средства автоматической защиты обладают спо­собностью выполнять заданные функции в течение тре­буемого интервала времени при определенном техни­ческом обслуживании и условиях эксплуатации.

Техническая реализация функций второго уровня управления СКВ — уровня стабилизации режимов рабо­ты оборудования — может решаться по-другому, так как в этом случае возможна, а в большинстве случаев и дей­ственна форма резервирования в виде предусмотренной схемы ручного управления. Действительно, если имеет место отказ в работе локального контура автоматиче­ской стабилизации температуры воздуха на выходе из воздухоподогревателя, то совершенно правомерно ис­пользование органов ручного управления с автоматиче­скими клапанами или ручных вентилей на трубопро­воде теплоносителя.

Если оценивать надежность эксплуатации средств автоматического управления второго уровня, то следу­ет иметь в виду, что в этом случае в отличие от пер­вого уровня ущерб, возникающий вследствие отказа функции, зависит главным образом не от числа отка­зов (которые в первом уровне носят достаточно опасный характер), а от интервалов времени, в течение которых прекращается выполнение функций стабилизации. По­этому для выполнения функций стабилизации следует использовать элементы, обладающие возможно наибо­лее высоким коэффициентом готовности.

-Техническая реализация третьего иерархического уровня управления СКВ в настоящее время еще не по­лучила широкого развития. Однако актуальность проблемы оптимизации управления работой систем, напри­мер по критериям минимума расхода тепловой и элек­трической энергии, безусловна. Известно, что изменение гидравлической мощности вентиляторов и насосов име­ет характер кубической зависимости от изменения рас­хода перемещаемых воздуха или теплоносителя.

Разработаны электрические (в отличие от механиче­ских муфт, дросселей и т.д.) средства изменения про­изводительности вентиляторов и насосов; например, тиристорные устройства управления частотой вращения трехфазных асинхронных двигателей. Однако в силу ряда обстоятельств, в том числе из-за отсутствия необ­ходимых проектных разработок, регулирование расхо­дов перемещаемых сред путем изменения режимов ра­боты вентиляторов и насосов не нашло широкого при­менения в СКВ. В то же время организация автомати­ческого выбора и переключения технологических ре­жимов работы оборудования уже имеет место в отдель­ных случаях и будет получать все большее распростра­нение.

Решение задач третьего уровня управления связано с обработкой информации и формированием управля­ющих воздействий путем решения дискретных логиче­ских функций или проведения ряда определенных вычислении.

Для реализации подобных задач потребу­ются элементы вычислительной техники, логические уст­ройства. Эти элементы и устройства отличаются от тра­диционных средств реализации первых двух уровней, к которым относятся локальные регуляторы одной пере­менной, регуляторы прямого действия и т.д. Конструк­тивные элементы различия и главным образом уровень сложности выполняемых функций обусловливают це­лесообразность выделения третьего уровня управления СКВ.

Рассмотренная структура технической реализации автоматического управления системами промышленной вентиляции и кондиционирования воздуха позволяет более рационально решить задачи дистанционного уп­равления. Очевидно, что вынесению на центральный пункт управления системами подлежат сигналы пер­вого уровня и сигналы и команды, необходимые для выполнения функций третьего уровня. Причем третий

уровень функциональных задач управления может ре­шаться только на центральном пульте. Вынесение про­межуточной информации о работе второго уровня уп­равления на центральный пульт нецелесообразно хотя бы из-за необходимости увеличения емкости линий связи и перегрузки информацией оператора, работающего на центральном пульте.

Конструктивно автономное оформление трех уровней управления СКВ позволяет решить проблему органи­зации профилактики и ремонта средств автоматического управления, выбора необходимого регламента обслу­живания тою или иного уровня, обеспечения необходи­мого объема запасных частей элементов и устройств автоматики.

Трехуровневая структура технической реализации управления и регулирования работой СКВ позволяет осуществить организацию эксплуатации систем в зави­симости от специфики предприятия и его служб экс­плуатации. Следует иметь в виду, что иерархическая структура управления СКВ предусматривает выполне­ние функциональных задач низшим уровнем независимо) от более высших. Это качество позволяет организовать управление СВ и СКВ с различной степенью развития. По тем или иным соображениям условий эксплуата­ции или возможностям капитальных вложений система автоматического управления может быть реализована только с устройствами пуска, останова и приборами и устройствами предварительной защиты, т.е. при нали­чии только низшего уровня управления. Остальные функции управления в той или иной мере осуществля­ются обслуживающим персоналом вручную. Первый уровень может быть дополнен вторым уровнем, т.е. приборами и устройствами автоматической стабилиза­ции, при этом функции выбора и переключения техно­логических режимов, автоматически осуществляемые приборами и устройствами третьего уровня, при их от­сутствии осуществляются вручную.

Регулирование систем кондиционирования воздуха основано на анализе стационарных и нестационарных: тепловых процессов.

Изучение закономерностей изменения режима рабо­ты в течение годового периода эксплуатации связано в основном с рассмотрением стационарных тепловых про­цессов, поскольку в этом случае изменение расчетных среднесуточных и среднемесячных значений возмуща­ющих воздействий (например, температуры наружного воздуха, солнечной радиации и т. д.) происходит значи­тельно медленнее по сравнению с переходными тепло­выми процессами в помещении и системе. Анализ ре­жимов работы и регулирования систем в этом случае проводится с целью оптимального выбора контуров ре­гулирования и является исходным для определения го­довых расходов теплоты и холода — важных показа­телей экономической эффективности систем кондици­онирования воздуха,

Регулирование систем кондиционирования воздуха в течение коротких промежутков времени (в пределах нескольких часов или суток под влиянием нерегулярных возмущающих воздействий) определяется главным об­разом нестационарными тепловыми процессами, так как время изменения возмущающих воздействий соизмеримо со временем переходных тепловых процессов в помеще­нии и системе. Анализ нестационарных тепловых процес­сов в расчетные (теплый и холодный) периоды года проводится с целью определения максимальной тепловой мощности систем кондиционирования воздуха, а также наиболее выраженной динамики ее изменения, что по­зволяет определить требуемые характеристики регули­рующих устройств.

Самым невыгодным будет процесс регулирования при скачкообразном или близком к скачкообразному изменении возмущающих воздействий. В этом случае длительность и характер переходных тепловых процес­сов будут полностью определяться динамическими свойствами системы кондиционирования и помещения как объекта регулирования и характеристиками регу­лирующих устройств.

При рассмотрении вопросов режима СКВ прежде всего следует проанализировать ее работу в течение года и в расчетных летних и зимних условиях. Необ­ходимо установить качественные и количественные из­менения всех компонентов, определяющих процесс кон­диционирования и работу отдельных элементов системы, в результате чего будут определены характеристики расчетного режима работы СКВ и технологические при­емы реализации этого режима. Па основании анализа возможных наиболее невыгодных разовых возмущений будут выявлены технологические характеристики рас­четного режима регулирования СКВ.

Совместное рассмотрение технологических приемов поддержания режима работы и регулирования СКВ, а также решения по оптимизации энергопотребления при заданной обеспеченности расчетных внутренних условий и разработка некоторых других специальных вопросов позволят определить технологическую схему управле­ния СКВ. Дальнейшая задача состоит в автоматизации принятой технологической схемы управления СКВ, ко­торая автоматически обеспечит заданный режим ра­боты и регулирование отдельных элементов и системы в целом в оптимальном режиме.

Управление системами кондиционирования воздуха (СКВ) является более общим понятием и кроме рас­смотренных ранее вопросов работы и регулирования включает также блокировку, выбор режимов работы (з том числе включения и выключения системы), защиты оборудования установок кондиционирования воздуха.

Эффективное управление СКВ по выбранной схеме невозможно без ее автоматизации.

С помощью приборов и устройств автоматики, вхо­дящих в схему управления СКВ, решаются задачи ко­мандного пуска и остановки агрегатов, автоматического поддержания заданных режимов работы как отдельных, так и нескольких агрегатов системы. Приборы и устрой­ства автоматики осуществляют контроль и сигнализа­цию предаварийных ситуаций, а также автоматическое выключение оборудования в случае аварии.

Раздельное или совокупное поддержание заданных режимов работы СКВ проводится приборами и устрой­ствами автоматики, образующими как простые локаль­ные контуры регулирования, так и сложные многокон­турные системы автоматического регулирования (САР). Качество работы СКВ определяется главным образом соответствием создаваемых параметров микроклимата в помещениях здания или сооружения их требуемым значениям и зависит от правильности выбора как тех нологической схемы и ее оборудования, так и элемен­тов системы автоматического управления этой схемы.

Для обеспечения неавтономных кондиционеров холо­дом применяют холодильные станции различной холодопроизводительности. Холодильные станции обычно комплектуются двумя или более холодильными установ­ками, работающими с промежуточным холодоносителем, как правило, водой.

Рассмотрим автоматизацию отдельных элементов хо­лодильных установок и холодильной станции в целом. Защита компрессора от повышенного давления на на­гнетании и пониженного на всасывании осуществляется реле давления (рис. 12.10,а). Работу системы контроли­рует реле контроля смазки. Компрессоры большой холодопроизводительности охлаждаются водой. Для защиты их от перегрева в случае прекращения подачи охлажда­ющей воды устанавливают реле расхода. При отклоне­нии какого-либо из параметров срабатывает соответст­вующее реле защиты, и компрессор останавливается. При остановке электродвигателя компрессора закрыва­ется сблокированный с ним соленоидный вентиль трубо­провода охлаждающей воды.

Защита испарителя холодильной установки (рис. 12 10,б) предусматривается во избежание замерзания воды в трубах испарителя. На трубопроводе выходящей из испарителя воды установлен датчик позиционного терморегулятора, настроенного на 1—3°С. При темпе­ратуре воды ниже установленной размыкаются контак­ты регулятора и останавливается электродвигатель ком­прессора. Если внезапно прекратился приток воды через испаритель, регулятор вследствие инертности системы может не сработать даже при замораживании испари­теля. Во избежание этого устанавливают реле расхода, которое при уменьшении протока воды до критического значения срабатывает и останавливает электродвига­тель компрессора.

Схема автоматизации холодильной станции при­ведена на рис. 12.11. Для упрощения на схеме показана одна холодильная машина. Из бака 1 насосы подают воду на испарители холодильных машин, охлажденная вода сливается в бак 2и насосами подается к кондици­онерам, а затем снова сливается в бак 1. На охлажде­ние конденсаторов вода подается из градирни.

Защита компрессора осуществляется реле 3, 4, 5, а испарителя — реле 6 и 7. Если какой-либо параметр от­клонится от заданной величины, сработает соответству-

Рис. 12.10. Функциональная схема автоматической защиты компрессора и ис­парителя холодильной установки.

1 — реле контроля смазки, 2, 3 — реле низкого и высокого давления 4 — ре гулятор расхода, 5 — соленоидный вентиль, 6 — реле расхода, 7 - терморегулятор

Рис. 12.11. Функциональная схема автоматизации холодильной станции

ющее реле, остановится компрессор, а через небольшой промежуток времени остановятся и насосы оборотного водоснабжения. На щите автоматики включится сигналь­ная лампа того узла, в котором произошла авария, и начнет подаваться звуковой сигнал 9.

Температура воды в баке 2 регулируется терморегу­лятором 10, настроенным на максимальную и минималь­ную температуру (например, 8 и 6°С). При температуре воды 8°С последовательно через определенный проме­жуток времени с помощью командного прибора // вклю­чаются холодильные установки, причем компрессор хо­лодильной установки включается только в том случае, если работают насосы, подающие воду в испаритель и конденсатор, и если все параметры, контролируемые приборами защиты, находятся в пределах нормы. При снижении температуры холодной воды до 6°С холодиль­ные установки отключаются в той же последователь­ности.

Для поддержания постоянного давления воды, пода­ваемой к кондиционерам, установлен регулятор давле­ния прямого действия 8.

Для охлаждения конденсаторов холодильных машин требуется большое количество воды, поэтому с целью экономии водопроводной воды устраивают системы обо­ротного водоснабжения, в которых нагретая вода охлаж­дается в градирнях. Система оборотного водоснабжения (рис. 12.12) состоит из вентиляторных градирен, сбор­ного бака, циркуляционных насосов и охлаждаемого оборудования (конденсаторов). Требуемая температура воды в сборном баке поддерживается путем включения определенного числа вентиляторов; электродвигатели технологического оборудования сблокированы с элект­родвигателями оборудования градирни.

При включении электродвигателя компрессора холо­дильной машины автоматически включается электро­двигатель насоса 2. Если температура воды в баке ниже температуры настройки регулятора, то ни один из осе­вых вентиляторов градирни не включится. Когда темпе­ратура воды в баке превысит температуру настройки регулятора 5, включится осевой вентилятор 3. При даль­нейшем повышении температуры до величины, превы­шающей значение настройки регулятора 7, включится вентилятор 4. Если температура воды в баке понизится, сначала отключится вентилятор 4, а затем вентилятор 3. После выключения электродвигателя компрессора от­ключаются электродвигатели насоса и вентилятора.

При охлаждении в градирне, вода постепенно испаряется, для компенсирования утраченной воды, в системе устанавливается подпитка 11; установлен датчик уровня воды в баке, который дает сигнал на привод запорной арматуры.

В процессе охлаждения вода постепенно засоряется различными вредными солями, для очистки резервуара установлена система сброса воды 10, датчик установленный в резервуаре при повышенном содержании солей в воде дает сигнал на запорную арматуру для слива;

Ре­жим работы (ручной или автоматический) устанавлива­ется оператором с помощью переключателя.

Рис. 12.12. Функциональная схема автоматизации системы охлаждения конден­саторов холодильной установки

/ — конденсаторы холодильных установок, 2 — насосы, 3, 4 — вентиляторы, 5 — градирни; 6 — сборный бак-аккумулятор; 7,8 — регуляторы, 9 — пере­ключатель.