Методы и средства контроля параметров процесса и систем управления технологическими режимами получения энергоносителей

Глушков В.А.; Печенкин А.Ю.; Нистюк А.И.; Тарануха В.П.; Бекмачев Д.А.

9. Leontieva A.I., Bryankin K.V, Konovalov VI., Utrobin N.P. Heat and mass transfer during of liquid film from the surface of a single inert particle // Drying Technology. An International Journal. Special Issue On Drying And Dewatering Of Sludges. - 2002. - № 20(4&5). - P. 729-747.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РЕЖИМАМИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ1

Ижевский государственный технический университет, г. Ижевск

В работе приведен сравнительный анализ и обоснование оптимального варианта методов и средств контроля и управления такими параметрами процесса пиролитической переработки растительной биомассы в топливный газ, как свойства и количество сырья, затраты энергии на процесс, давление и температура в реакционной зоне, динамика выработка топливного газа, энергетическая ценность топливного газа. Также рассмотрены средства реализации алгоритмов управления процессом.

Проблема поиска источников энергии, способных стать реальной альтернативой традиционным ископаемым энергоносителям, обретает в настоящее время все большую актуальность. Одним из наиболее реальных и доступных альтернативных энергоресурсов ресурсов является биомасса, прежде всего, ее растительная часть. В работах [1, 2] приведены результаты исследования перспективного направления переработки биомассы в энергоносители (топливный газ) на основе пиролиза - Пиролизная Регене-

1 Работа выполнена в рамках выполнения проекта «Исследование и разработка технологии получения возобновляемого энергетического ресурса из биологической массы для удовлетворения потребностей распределенной системы энергоснабжения региона» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

* Доцент кафедры «Конструирование радиоэлектронной аппаратуры», кандидат технических наук.

" Заведующий кафедрой «Сети связи и телекомммуникационные системы», доктор технических наук, профессор.

* Заведующий кафедры «Конструирование радиоэлектронной аппаратуры», кандидат технических наук, доцент.

* Аспирант кафедры «Конструирование радиоэлектронной аппаратуры».

рация Глушкова. Для применения указанного процесса на реальных тепловых пунктах необходима разработка системы управления установками на основе данного процесса в соответствии с потребностями данных пунктов.

Для определения состава системы контроля, управления, сигнализации на объектах преобразования биомассы были проведен соответствующий информационный поиск, произведена оценка существующих методов измерений и средств управления по пятибалльной шкале. В результате анализа был предложен оптимальный вариант системы управления, контроля и сигнализации.

В ходе изучения литературы, технических решений по системам измерения физических величин и средствам управления были определены величины, значения которых необходимо измерять, и актуаторы, с помощью которых формируется воздействие на систему переработки биомассы в топливо для управления процессом.

Вся система контроля и управления техпроцессом условно разделена на 6 частей:

- средства измерения температуры;

- средства измерения давлений;

- средства измерения расхода газа;

- средства измерения энергетической ценности газа;

- средства управления техпроцессом;

- вычислитель, реализующий алгоритмы управления техпроцессом.

По каждому разделу в отдельности был проведен информационный

поиск. Оценка производилась по нескольким критериям.

1. Измерение давления

Принцип действия существующих средств измерения давления основывается на различных физических явлениях. Выбор средств измерения давлений определяет рабочий диапазон датчиков, рабочую среду, точность, стоимость, и т.д. [3]. В качестве оценок средств измерения давления выберем:

- тип выходного сигнала;

- рабочая среда;

- диапазон измеряемых давлений;

- условная стоимость реализации метода.

Результаты анализа средств измерения давлений сведены в табл. 1.

Таблица 1

Средства измерения давления

Название Тип выходного сигнала Среда измерения Диапазон давлений Стоимость

Стальной датчик Аналоговый Измерение давления жидкостей, паров и газов Высокие давления (до 200 МПа) 4

Продолжение табл. 1

Название Тип выходного сигнала Среда измерения Диапазон давлений Стоимость

Керамический датчик Пропорционально давлению Работа с агрессив. средами Низкие давления (до 2 МПа) 5

Пьезорезистивный датчик Аналоговый Работа с агрессив. средами Низкие давления 5

Поршневой Дискретный Подходит для гидравл. систем Высокие давления 5

Сильфонный Дискретный Измерение давления жидкостей, паров и газов Высокие давления 4

Мембранный элемент Дискретный Измерение давления жидкостей, паров и газов Высокие давления 4

2. Измерение температуры

Выбор средств измерения температуры определяет скорость, точность измерения температуры, что в свою очередь, обуславливает качество управления техпроцессом [3, 4]. В качестве оценок средств измерения температуры выберем:

- точность;

- сложность оборудования;

- диапазон измеряемых температур;

- условная стоимость.

Результаты анализа средств измерения температур сведены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительный анализ средств измерения температуры

Название Точность Сложность оборудования Диапазон температур Стоимость

Газовый термометр постоянного объёма 4 4 от -100 0С до свыше 300 0С 4

Жидкостной термометр 4 5 от -200 0С до свыше 300 0С 5

Металлический термометр сопротивления 4 2 ~20 К до сотен градусов Цельсия 3

Полупроводниковый термометр сопротивления (термистор) 5 3 От единиц Кельвин до десятков градусов Цельсия 4

Термопара 5 3 От единиц Кельвин до 1500° С 4

Шумовые термометры 5 3 От единиц Кельвин до сотен градусов Цельсия 4

Оптоволоконное измерение температуры 5 4 От единиц Кельвин до сотен градусов Цельсия 3

Пирометр 5 3 От десятков Кельвин до 15000С 3

3. Измерениерасхода топливного газа

Выбор средств измерения расхода газа определяет точность, диапазон измерения расхода, что в свою очередь, обуславливает качество управления техпроцессом и точность ведения коммерческого учета энергоносителя [5]. В качестве оценок средств измерения расхода выберем:

- точность;

- перепад давления на измерительном элементе;

- чувствительность к качеству измеряемой среды;

- условная стоимость.

Результаты анализа средств измерения расходов сведены в табл. 3.

Таблица 3

Сравнительный анализ средств измерения расхода газа

Название Точность Потеря давления газа при прохождении Чувствительность к качеству измеряемой среды Стоимость

Вихревые расходомеры 2 3 5 4

Ультразвуковые расходомеры 4 5 5 3

Струйные автогенераторные расходомеры 1 3 4 4

Кориолисовые расходомеры 3 4 4 3

Термоанемометрические (тепловые) расходомеры 3 5 5 3

4. Измерение энергетической ценности топливного газа

Выбор средств измерения энергетической ценности газа определяет точность, диапазон измерения, что в свою очередь, обуславливает точность ведения коммерческого учета энергоносителя. На основании качества получаемого энергоносителя также производятся корректировки в параметрах техпроцесса переработки.

В качестве оценок средств измерения энергетической ценности выберем:

- точность;

- сложность измерительного устройства;

- чувствительность к измеряемой среде;

- условная стоимость.

Результаты анализа средств измерения энергетической ценности сведены в табл. 4.

Поскольку конструкция оборудования преобразования / переработки биомассы в топливный газ уникальна и не является общепринятой, то средства управления техпроцессом будут иметь уникальную конструкцию. В данном случае можно говорить о применяемых методах; конкретная реализация актуатора зависит от мощности установки, исполнения и т.д. [6].

Таблица 4

Сравнительный анализ средств измерения энергетической ценности газа

Название Точность Сложность Чув ствительно сть к измеряемой среде Стоимость

Жидкостный калориметр 3 4 4 5

Изотермический калориметр 4 3 4 4

Массивный калориметр 4 3 4 4

Проточные лабиринтные калориметры 4 2 4 3

5. Средства управления технологическим процессом

Например, для установки, работающей по методу В. А. Глушкова [1, 2], необходимо 3 актуатора: нагреватель, дозатор сыпучей биомассы, дозатор дополнительных реагентов.

Для небольших установок целесообразно использовать электрический нагреватель. Регулировка мощности нагрева в этом случае производится регуляторами тока/напряжения. Для более мощных установок можно использовать нагрев сжиганием газа, в этом случае регулировка мощности производится регулировкой подачи газа.

Конструкция дозатора сыпучей биомассы зависит от конкретной реализации установки и может быть поворотной, конвейерной и т.д.

Для дозирования дополнительных реагентов (жидких) с учетом избыточного давления в установке (до 2 МПа) самый приемлемый метод - подача дополнительных реагентов с помощью форсунки. Конструкция форсунки также будет зависеть от реализации установки.

6. Вычислитель, реализующий алгоритмы управления техпроцессом

В ходе эксплуатации установки по преобразованию / переработке биомассы, а также в ходе ремонта, замены изнашиваемых частей и т.д. неизбежно будут изменяться ее параметры. В результате потребуется коррекция алгоритмов управления техпроцессом.

В связи с этим, в качестве вычислителя целесообразно применять свободно программируемые контроллеры [7]. Их использование позволит вносить коррекцию в параметры управлением техпроцессом, а также менять алгоритмы управления в ходе эксплуатации установки, при переходе на другое сырье и т.д.

В качестве оценок средств измерения энергетической ценности выберем:

- количество дополнительных функций портов;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- поддерживаемые протоколы;

- простота программирования и доступность широкого спектра программного обеспечения;

- условная стоимость.

Результаты анализа вычислителей сведены в табл. 5.

Таблица 5

Сравнительный анализ программируемых контроллеров

Название Кол-во доп. функций Поддерживаемые протоколы Простота программирования и доступность широкого Стоимость

Modbus RTU, Modbus

Контроллеры ICP DAS 4 ASCII, Modbus TCP. GateWay. Поддержка нестанд. протоколов. 5 3

ОВЕН, Modbus RTU,

ПЛК ОВЕН 5 Modbus ASCII, DCON, 5 4

Modbus TCP, GateWay. Поддержка нестанд. про-

ПЛК Nlcon - X 3 Modbus RTU, DCON 5 4

ПЛК SIMATIC 5 MPI 5 4

(SIEMENS)

Итак, в ходе анализа технической информации, методов и средств измерения параметров и управления техпроцессом можно предложить оптимальную структуру системы автоматического управления, в которой в качестве датчиков температуры целесообразно использовать металлические (медные) термометры сопротивления, для измерения температуры внутри реактора - термопары, для измерения давлений целесообразно использовать датчики на базе пьезорезистивных измерительных элементов, для измерения расхода наилучшим образом подойдут ультразвуковые расходомеры, как обеспечивающие относительно высокую точность при малой цене. В качестве средств измерения энергетической ценности по критерию цены и точности оптимальны проточные лабиринтные калориметры. Конструкция средств управления техпроцессом будет зависеть от конструкции установки. Предположительно, для установок, работающих по методу В. А. Глушкова, нагрев может производиться с помощью ТЭНов или с помощью газа, подача сырья - с помощью дозаторов оригинальной конструкции, подача дополнительных реагентов - с помощью форсунок. В системе управления и контроля техпроцесса целесообразно применять свободно программируемые контроллеры, которые позволят в будущем менять как параметры управления техпроцессом, так и алгоритмы управления.

Список литературы:

1. Глушков В.А. Анализ проблемы поиска альтернативы нефти и природному газу. - М.; Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. - 200 с.

2. Глушков В.А. Разработка и исследование автоматизированной установки пиролиза растительного сырья с целью повышения выхода топливного газа: дисс. ... канд. техн. наук. - Ижевск, 2006. - 113 с.

3. Бикулов A.M. Проверка средств измерений давления и температуры. - М.: АСМС, 2005. - 405 с.

4. Саченко A.A., Мильченко В.Ю., Кочан В.В. Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -96 с.

5. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. - М.: Издательство стандартов, 1990.

6. Черпаков Б.И., Вереина Л.И. Автоматизация и механизация производства. - М., 2004. - 384 с.

7. Деменков Н.П. Языки программирования промышленных контроллеров. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 172 с.

АНАЛИЗ СХЕМ ОПИРАНИЯ КУЗОВА ГРУЗОВОГО ВАГОНА НА ХОДОВЫЕ ЧАСТИ

Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург

Статья посвящена анализу схем опирания кузовов грузовых вагонов на ходовые части и обоснованию необходимости разработки методики для оценки влияния боковых опор постоянного контакта на ходовые качества грузовых вагонов и выбора рационального диапазона значений параметров этих опор.

Взаимодействие кузова вагона с ходовыми частями оказывает немаловажное влияние на динамические качества вагона при движении в прямых и криволинейных участках пути. Это выражается в изменении перемещений, скоростей, ускорений и динамических нагрузок на элементы конструкции вагона, а также на параметры взаимодействия подвижного состава и пути и устойчивость движения рельсового экипажа в пути. В связи с чем, определение оптимальных параметров взаимодействия кузова с ходовыми частями является важной задачей, связанной с безопасности движения и обеспечением высоких эксплуатационных качеств вагона.

В конструкции современных четырехосных грузовых вагонов применяется две схемы передачи вертикальной нагрузки от кузова на ходовые части (рис. 1).

В первом случае нагрузка от кузова передается на надрессорную балку тележки через центральную опору (подпятник), расположенную по

* Аспирант кафедры «Вагоны».

Текст научной работы на тему «Методы и средства контроля параметров процесса и систем управления технологическими режимами получения энергоносителей»