CC BY
68
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
4. Мустафаев А. А. Основы механики просадочных грунтов. - М. : Стройиздат, 1978. -262 с.
5. Неукротимая планета // Д. Берни, Д. Гилпин, С. Койн, П. Симонс. Пер. с англ. ЗАО «Изд. Дом Ридерз Дайджест», 2008. - 319 с.
6. Терцаги К., Пек Р. Механика грунтов в инженерной практике. - М. : Госстройиздат, 1958. - 606 с.
7. Ухов С. Б., Семенов В. В. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. - М. : Изд-во АСВ, 1994. - 520 с.
8. Цытович Н. А. Механика грунтов. - М. : Госстройиздат,1963. - 636 с.
9. Чумак С. П. Основы разработки технологии и управления процессами аварийноспасательных работ при разрушениях зданий и сооружений // Пробл. безопасности при чрезвычайных ситуациях. - М. : ВИНИТИ. - 2008. - Вып. 4. - С. 55 - 62.
10. Шатов С. В. Технологічні особливості розбирання завалів зруйнованих будівель при обмежених транспортних мережах // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Д. : ПДАБА, 2010. - № 12. - С. 42 - 52.
УДК 681.51:683.974
ДОСЛІДЖЕННЯ ВОДОНАГРІВНОГО КОТЛА ТА РОЗРОБКА АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ КОМБІНОВАНОГО УПРАВЛІННЯ
В .С. Ткачов, к.т.н., О. В. Костенко, маг.
Ключові слова: водонагрівний котел, рівняння теплового балансу, передатна функція, автоматизована система, комбіноване управління, регулювання
Постановка проблеми. Сьогодні теплові станції в Україні мають необхідність у модернізації технологічного обладнання і особливо засобів автоматичного контролю і управління. З кожним роком газ дорожчає, а тому питання економічного його використання сьогодні дуже актуальні. Частково їх вирішення бере на себе сучасна автоматика.
Аналіз публікацій. Сьогодні для управління водонагрівними котлами використовуються системи автоматизованого управління з принципом управління по відхиленню від заданої величини [7].
У таких системах керуючі впливи розраховуються залежно від вихідної величини -температури теплоносія. Вони є достатньо інерційними, а також не враховують вплив збурень на об’єкт регулювання.
В автоматизованих системах комбінованого управління керуючі впливи розраховуються залежно від вихідної величини (температури теплоносія) і величини збурень, що впливають на об’єкт регулювання. Застосування таких систем дає змогу поліпшити якість регулювання, швидкість реакції системи на збурення, значно знизити енергозатрати [2].
Мета статті. Розробити на основі рівняння теплового балансу модель роботи котла та на її основі автоматизовану систему комбінованого управління, що враховує вплив збурень на об’єкт управління, підвищити точність та якість регулювання, знизити енергозатрати шляхом більш якісного управління роботою водонагрівного котла.
Виклад основного матеріалу. Тепло, що виділяється при згоранні палива, витрачається на нагрів теплоносія, на нагрів котла, виноситься з продуктами згорання, виділяється через стінки котла в навколишнє середовище.
За законом збереження енергії прихід тепла в робочий простір котла дорівнює витратам тепла:
Qг = 0,в + Qk + Qd + Quo (1)
де Qz - кількість теплоти, що виходить при згоранні газу, Дж;
Яв - корисне тепло, що витрачається на нагрів теплоносія (води);
Qk - тепло, що витрачається на нагрів котла;
Qd - тепло, що виноситься з продуктами згорання;
Янс - тепло, що виділяється через стінки котла в навколишнє середовище.
Кількість теплоти, що утворюється при спалюванні палива:
16
Вісник ПДАБА
Ят = ІЇУг'аз-(2н-<Іт,Дж, (2)
де fj Уг'аз • dT - кількість газу, що вступив в реакцію Угаз’, м3 / с;
Qh - нижча теплота згорання палива, Дж/м3; т - час, с.
Корисне тепло, що витрачається на нагрів теплоносія (води):
Qb /0 Чв ' Рв ‘ ‘ С^Г ^х) ’ dz, Дж, (3)
де qB - витрати споживаючої води, м3 / с;
рв - середня густина води, кг / м3;
св- середня теплоємність води, Дж / (кг * град);
4 - tx - різниця температур гарячої та холодної води, С.
Тепло, що витрачається на нагрів котла:
Qk ' С^ср ^нс), Дж, (4)
деск - теплоємність котла, Дж / (кг * град); mK - маса котла, кг;
tcp - tHC- різниця температур середньої (tcp= (td - tHC)/2) і навколишнього середовища, °С; Тепло, що виноситься з продуктами згорання:
<2Д ~ fg Яд ’ Сд ’ С^Д _ ^нс) ‘ dr, Дж, (5)
деqд - сумарні витрати газу та повітря, м3 / с;
сд - теплоємність продуктів згорання, Дж / (кг * град);
td - tHC - різниця температур продуктів згорання та навколишнього середовища, °С.
Тепло, що виділяється через стінки котла в навколишнє середовище:
q„c=s-!’4¥ • Дж. (6)
А а
де^ - площа теплообмінної поверхні, м2;
5 - товщина шару теплоізоляції, м;
X - коефіцієнт теплопровідності теплоізоляції, Вт / (м*град); а - коефіцієнт конвективної тепловіддачі (11,63 Вт / (м2*град)).
Рис. 1. Реалізація моделі горіння газу в топці котла в середовищі Simulink
Модель водонагрівного котла побудована на основі рівняння теплового балансу (1), реалізована в середовищі MatLab 6.5, Simulink 4 і має вигляд, зображений на рисунку 2.
Для побудови автоматизованої системи комбінованого управління водонагрівним котлом необхідно знайти передатні функції, у зв’язку з якими збурення впливають на процес, іпередатну функцію управління.
У даному випадку як збурення розглядається зміна витрат теплоносія та його початкової температури. Як сигнал управління - витрати газу.
Щоб знайти необхідні передатні функції, потрібно подавати ступінчату дію на різні входи (витрати теплоносія, початкова температура теплоносія та витрати газу) і апроксимувати вихідну величину (температура теплоносія на виході з котла).
17
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
Рис. 2. Модель водонагрівного котла
На рисунку 4 показана структурна схема для визначення передатних функцій (у даному випадку - передатної функції, у зв’язку з якою витрати теплоносія впливають на вихідну величину). Для підвищення точності апроксимації результуюча передатна функція визначається як сума двох інерційних ланок з різними параметрами.
Рис. 4. Структурна схема для визначення передаточної функції, у зв ’язку з якою витрати теплоносія впливають на вихідну величину
Для знаходження максимально наближеної залежності вихідної величини до вхідної, використовується блок параметричної оптимізації (NCDOutport), в якому змінними оптимізації є коефіцієнти підсилення (К1 і К2) та постійні часу (Т1 і Т2). Критерієм оптимізації коефіцієнтів є мінімізація суми квадратичних відхилень за весь час моделювання (т°бто^(^^0тла. (р) — ^4ПроКСИМіі (р)) _> тїп)
18
Вісник ПДАБА
Т, С
t, хв.
Рис. 5. Перехідні характеристики апроксимованої передатної функції (2) та передатної функції, у зв ’язку з якою витрати теплоносія впливають на вихідну величину (1)
З рисунка 5 видно, що графіки перехідних характеристик практично збігаються, отже, знайдена передатна функція з достатньою точністю відображає властивості об’єкта.
Перехідні характеристики інших апроксимованих передатних функцій аналогічні. Отримані передатні функції мають такі коефіцієнти:
1) передатна функція за витратами теплоносія Wv (p):
Wv (p) = Wiv (p) + W2v (p),
деШ1у(р) =
56378
w2v(p) =
129450
14,189p+l “■v l,8598p+l
2) передатна функція за початковою температурою теплоносія Wt (p):
Wt (p) = Wit (p) + W2t (p),
тдт / \ 28,754 TA7 / \ 65,065
=--------w2t(p) =------------
13,93p+l l,8019p+l
3) передатна функція за витратами газу (за управлінням) Wg (p):
Wg (p) = Wig (p) + W2g (p), де WlB(p) =----------W2B(p) = —
14,188p+l lg
.,8598p+l
При дослідженні моделі водонагрівного котла використовуються ПІД-регулятори. Коефіцієнти регуляторів розраховуються автоматично використанням блоку оптимізації (NCDOutport). Початкові значення коефіцієнтів приймаються рівними одиниці.
Система управління за опорним значенням та з контуром зворотного зв’язку, без використання регуляторів, має вигляд, зображений на рисунку 6.
19
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
Рис. 6. Система управління за опорним значенням без використання регуляторів
Система комбінованого управління водонагрівним котлом з використанням ПІД-регуляторів, має вигляд, зображений на рисунку 7.
Рис. 7. Автоматизована система комбінованого управління водонагрівним котлом
На рисунку 8 представлена перехідна характеристика системи управління за опорниму значенням з ПІД-регулятором.
20
Вісник ПДАБА
Т, С
Рис. 8. Перехідна характеристика системи управління за опорним значенням з
ПІД-регулятором
Після оптимізації параметрів всіх регуляторів, зображених на рисунку 7, система комбінованого управління водонагрівним котлом стає стійкою. Її перехідна характеристика зображена на рисунку 9.
Т, С
Рис. 9. Перехідна характеристика автоматизованої системи комбінованого управління
водонагрівним котлом
Для оцінки якості регулювання температури теплоносія, визначається дисперсія його температури при управлінні за опорним значенням з ПІД-регулятором (Бпоч) і комбінованому управлінню з ПІД-регуляторами (Окін).
Агоч = - tcp)2 = 2233 Асін = - tcp)2 = 0,3697 , (7)
де n = 90 (за часом моделювання, починаючи з 10 хв), їср = ізад = 80 (°С).
21
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
Оскільки^KiH<<Dno4, то робиться висновок, що якість регулювання температури теплоносія при комбінованому управлінні з ПІД-регуляторами набагато краща, ніж при управлінні за опорним значенням з ПІД-регулятором.
Висновки. 1. Застосування автоматизованої системи комбінованого управління дало змогу: а) уникнути перевитрат газу на нагрівання теплоносія; б) добитися заданої температури теплоносія, що є неможливим (у даному випадку) без застосування контурів управління за збуренням; в) підвищити точність регулювання, а отже ККД котла.
2. Застосування автоматизованої системи комбінованого управління доцільне тоді, коли збурення можливо виміряти; навіть якщо збурення не вдається повністю компенсувати, на практиці застосування такої системи може бути дуже корисним.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Гусев Ю. Л. Основы проектирования котельных установок / Ю. Л. Гусев. - М. : Стройиздат. - 1973. - 248 с.
2. Густав О. Цифровые системы автоматизации и управления / Олсон Густав, Пиани Джангуидо. - СПб: Невский диалект. - 2001. - 558 с.
3. Дьяконов В. Simulink 4: спец. справ. - СПб, Питер. - 2002. - 528 с.
4. Зобнин Б. Ф. Теплотехнические расчеты металлургических печей: учеб. пособие / Б. Ф. Зобнин, М. Д. Казаев, Б. И. Китаев и др. - М.: Металлургия. - 1982. - 357 с.
5. Киселев Н. А. Котельные установки / Н. А. Киселев. - М.: Высшая школа. - 1979. - 273 с.
6. Роддатис К. Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности / К. Ф. Роддатис, А. Н. Полтарецкий. - М.: Энергоатомиздат. - 1989. - 488 с.
7. Газовые котлы. - Режим доступу: http://atlas-
energo. com.ua/ rus/informaziya/kotli/napolnye -gazovye -i -j idkotoplivnye-kotly-v-dnepropetrovske
УДК 620.197.3
ИНГИБИТОРЫ КОРРОЗИИ НЕФТЕГАЗОПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ В СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ЭЛЕКТРОЛИТАХ
В. Ф. Волошин, д. т. н., проф., В. С. Скопенко, к. х. н., доц., В. В. Волошина
Ключевые слова: ингибиторы, сероводород, гидрофобизатор, бактерицид,
пенообразователь
Проблема. Опыт эксплуатации нефтегазпромышленного оборудования показывает, что нефтегазопромышленные электролиты, содержащие Н^, CO2 О2, NaCl, стимулируют возникновение и развитие локальной коррозии. Этому способствует гетерогенность сред, склонность их разделения на фазы в трубопроводах, обсадных колоннах, резервуарах, присутствие различных видов бактерий, закрепляющихся и развивающихся на металлических поверхностях оборудования.
При формировании продуктов коррозии на стальной поверхности возникает электрохимическая гетерогенность на границе раздела металл-электролит, в результате чего происходит дифференциация поверхности на анодные и катодные участки. Как правило, участки поверхности под продуктами коррозии являются анодами. Сульфат-восстанавливающие бактерии (СВБ) выделяют сероводород, который в контакте с металлом образует различные виды сульфидов железа.
Такие агрессивные среды 5 % ^C^^C^^O^H^^ характерны для Северо-Кавказско-Мангишланкской нефтегазоносной провинции. Эта провинция занимает обширную площадь (610 тыс.км2)на суше и в акватории Черного, Азовского и Каспийского морей. Она охватывает южные районы Украины (Одесскую, Херсонскую, Запорожскую область и Авт. Республику Крым), Молдову, Российскую Федерацию (Ростовскую область, Ставропольский и Краснодарский края, Республику Калмыкия, Республику Северная Осетия - Аллания, Кабардино-Балкарскую Республику, Чеченскую Республику, Республику Ингушетия, Карачаево-Черкесскую Республику, Республику Дагестан, Республику Адыгею), Азербайджан, Казахстан (Мангистскую, плато Мангишлак) и Атыраускую область.
22
