CC BY
6
Построение динамической модели вентилятора для системы
автоматизации котла
А.В., Калабин, Д.В. Горлатов
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный
университет
Аннотация: Решаются задачи подготовки к модернизации системы автоматического регулирования давления с переходом от использования ПД-регулятора в пользу ПИД-регулятора и внедрения управляемого электропривода вентилятора в котельной установке. Приведена методика построения модели вентилятора в системе автоматического управления подачей воздуха в котёл на примере дутьевого вентилятора ВД-18 и котла БКЗ-160. Рассмотрена структурная схема работы вентилятора и трубопровода. Показана математическая модель вентилятора, выполнен расчет и спроектирована компьютерная модель в MATLAB Simulink. Приведены результаты моделирования, доказывающие корректность работы полученной модели. Представленная модель может служить основой для автоматизации системы подачи воздуха в других котлах, использующих дутьевые вентиляторы.
Ключевые слова: система автоматического регулирования давления, система автоматического управления, динамическая модель, компьютерная модель, дутьевой вентилятор, котельная установка.
Введение
Повышение энергоэффективности вентиляторной установки с применением систем автоматического управления (САУ) - та цель, в связи с которой возникла необходимость в построении динамической модели вентилятора в данной работе.
Разработка динамических моделей для различных устройств является актуальной задачей. Подобные модели строились в [1 - 3]. В [4] была разработана аддитивная математическая модель вентилятора, которая послужила базой для проектирования радиально-вихревого вентилятора. В [5] была получена модель турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД), с помощью которой делалась предварительная оценка параметров в различных режимах работы. В [6] на основании динамической модели конструкции вентилятора был исследован процесс соударения его элементов и подготовлены статистические данные, которые могут быть использованы
для повышения надежности вентилятора. В [7] была разработана математическая модель вентилятора для компоновки и подбора вентиляторов в сложных системах для повышения эффективности их работы.
В данной работе создана модель дутьевого вентилятора ВД-18 [8] для дальнейшего исследования на ней САУ. Вентилятор ВД-18 предназначен для работы в составе котельной установки на базе парового котла БКЗ-160 [9] ТЭЦ-1 в г. Коряжма. Данные по рабочим параметрам установки предоставлены АО «Группа ИЛИМ».
Постановка задачи. Расчет основных параметров
Исходная (существующая) схема автоматического регулирования (САР) давления в котельной установке построена с использованием пропорционально-дифференциального регулятора (ПД-регулятора). В связи с отказом от направляющего аппарата планируется модернизация с переходом на пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор). Также планируется отказ от регулирования потока воздуха от вентилятора с помощью шиберной заслонки в пользу автоматического управления скоростью вращения электропривода. Процесс проектирования САУ целесообразно предварять подбором оптимальных параметров с использованием моделирования. Для этого в данной работе решаются подготовительные задачи по построению модели дутьевого вентилятора, на которой с помощью компьютерного моделирования будет исследоваться эффект от предложенных модернизаций.
Представим дутьевой вентилятор ВД-18 в виде двухкамерного объекта (рис. 1), имеющего следующие основные параметры:
• расход воздуха всаса - Qv, м/с;
• атмосферное давление - Ра1т = 105 Па;
• давление всаса - Р^ Па;
и
-5
• расход воздуха перетока - Qр, м/с;
• давление нагнетания - Рп, Па;
-5
• расход воздуха нагнетания - Qn, м /с;
• давление, создаваемое вращением крыльчатки (максимальный напор воздуходувки) - Рт, Па.
Р гЛТ
1 ат /
а 01 ^^^
Рис. 1. - Модель вентилятора ВД-18 Математическая модель описывается уравнениями:
ЛР
ЛР
^=еР - еп; (2)
е = к Х/Р - Р + Р ; (3)
^р Р \ V п т' V /
е2
Р = р + ^1-р (4)
V п 1 т' XV
КР
где тv, тп - постоянные времени, с; Кр - коэффициент перетока:
К =
е,
¡Р - р '
у т пот
где Рпот - номинальное давление вентилятора, Па.
Расход перетока Qp на технологических картах обозначен как расход вентилятора, который и необходимо регулировать.
В таблице №1 приведен листинг и результаты расчета параметров модели.
Таблица № 1
Результаты расчета параметров модели
Расход перетока Qp, м3/с 41,181
Номинальное давление вентилятора Pnom, Па 4618
Номинальное давление нагнетания Pn, Па 103000
Максимальный напор воздуходувки Рт, Па 5085,306
Безразмерный коэффициент перетока Kp 1,905
Давление всаса Pv, Па 98382
Построение компьютерной модели
Реализуем уравнения (1 - 4), описывающие модель вентилятора ВД-18, в программной среде MATLAB Simulink. Модель вентилятора ВД-18 представлена на рис. 2.
Г10"5 -
Palm
Сп M
кзгнг| шя
Я^ягенпе митиля гвда
Рис. 2. - Модель вентилятора ВД-18 в программной среде МАТЬАБ БтиПпк В блоках вывода результатов можно видеть те же показатели, что были получены расчетом в таблице №1, что демонстрирует корректное построение модели.
В соответствии с поставленной задачей, необходимо регулировать давление, подаваемое в топку, по показаниям датчика Р-316 (наименование взято в соответствии с имеющимися технологическими картами и
и
мнемосхемами). На выходе вентилятора установлен контрольный датчик измерения давления - P-318. Окончанием трубопровода является топка, в которой выбрано максимально большое давление.
На рис. 3 представлена структурная схема дутьевого вентилятора ВД-18 и трубопровода.
Модель трубопровода описывается следующими уравнениями:
дР
х 318 = о - о •
1Р318 1. °п °Р318'
ш
№
316
"Р316
Ж
°Р318 0
Р316'
(5)
(6)
где Р318 - давление в датчике Р-318 [10], Па; Р316 - давление в датчике Р-316 [10], Па; QP318 - расход воздуха при давлении Р-318, м /с; Qp316 - расход
-5
воздуха при давлении Р-316, м /с; тР318, тР316 - постоянные времени, с. Вентилятор ВД-18
Р,
О Q•0
р.,
QpL
Рп
Трубопровод
Q» =!> Р318 Q318 -*> Р316 Q316 -N Топка
т
Рис. 3. - Структурная схема дутьевого вентилятора ВД-18 и трубопровода На рис. 4 представлена модель дутьевого вентилятора ВД-18 и трубопровода в МЛТЬЛБ 81тиНпк.
0.9999
|-КХ)
Р318
Р318
Рис. 4. - Модель дутьевого вентилятора ВД-18 и трубопровода
М Инженерный вестник Дона, №5 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2023/8411
Графики измеренного давления датчиков Р-318 и Р-316 при вращении асинхронного двигателя ABB M3BP 355 LKB8 на номинальной скорости представлены на рис. 5.
P
200 150 100 50 0
t
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
б)
P 120 -
100 -
80 -
60 -
40 -
20
0
0
10
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 5 - Графики давления: а) Р-318; б) Р-316 Графики показывают, что регулируемое давление в датчиках P-316 и Р-318 выходит на значения, заданные по режимной карте котла, в течении 9 секунд. За это время происходит разгон вентилятора-электропривода ABB M3BP 355 LKB8 и выход на номинальное значение давления. Падение давления на выходном датчике Р-316 соответствует заданным значениям и не выходит за пределы нормы.
t
Заключение
Таким образом, реализована модель вентилятора ВД-18. В качестве привода использован асинхронный электрический двигатель ABB M3BP 355 LKB8 мощностью 315 кВт. Модель учитывает различные факторы, такие как, например, давление воздуха в топке и атмосферное давление, что делает разработку более универсальной, чем различные статические модели.
Данную модель можно использовать для построения САУ подачи воздуха в котел для обеспечения процесса горения топлива. Благодаря применению САУ отпадает необходимость регулирования потока воздуха с помощью шиберной заслонки. Данная модернизация позволяет сэкономить на электроэнергии, потребляемой электродвигателем, и избежать необходимости его работы на максимальных оборотах, которая приводит к ускоренному механическому износу.
Литература
1. Синютин С.А., Горбунов А.А., Киснер А.Ю. Разработка динамической модели электропривода механизма сканирования ПОЗ // Инженерный вестник Дона, 2020, №10. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2020/6639.
2. Капля В.И., Горбачев М.В., Кудряшов Д.И. С.А. Модель идентификации параметров электродвигателя в среде Scilab Xcos // Инженерный вестник Дона, 2023, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1y2023/8135.
3. Зацаринная Т.Г., Аникевич К.П. Моделирование системы автоматического регулирования уровня в расширителе продувки парогенератора // Инженерный вестник Дона, 2023, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2023/8013.
4. Макаров Н.В., Макаров В.Н. Разработка аддитивной математической модели и создание на ее основе высоконапорных адаптивных вентиляторов
местного проветривания. // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2018. Т. 5. - №2. - С. 277-282.
5. Картовицкий Л.Л., Ремизов А.Е. Математическая модель вентилятора ТРДД для оценки параметров на расчётных и нерасчётных режимах работы // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. - 2008. - №2(14). - С. 75-81.
6. Папилин П.И., Мелихов О.О. Математическая модель вентилятора для исследования соударений его элементов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2018. - №6(42). - С. 260-264.
7. Гришанов В.В., Тарасенко М.М. Разработка математической модели трехвенечной ступени вентилятора-движителя, для встраивания в алгоритмы решения уравнений Навье-Стокса // Материалы XXV научно-технической конференции по аэродинамике. - 2014. - С. 113-114.
8. Вентиляторы ВД - каталог производителя АРМАВЕНТ. URL: armavent.ru/ventilyatory-vd (дата обращения: 14.04.2023).
9. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 488 с.
10. Армавент. Вентиляционное оборудование, производство промышленных вентиляторов и дымососов. URL: armavent.ru/ (дата обращения: 14.04.2023).
References
1. Sinjutin S.A., Gorbunov A.A., Kisner A.Ju. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, №10 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2020/6639.
2. Kaplya V.I., Gorbachev M.V., Kudryashov D.I. Inzhenernyj vestnik Dona 2023, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2023/8135.
3. Zatsarinnaya T.G., Anikevich K.P. Inzhenernyj vestnik Dona, 2023, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2023/8013.
4. Makarov N.V., Makarov V.N. Fundamental'nye i prikladnye voprosy gornyh nauk. 2018. T. 5. №2. pp. 277-282.
5. Kartovickij L.L., Remizov A.E. Vestnik Rybinskoj gosudarstvennoj aviacionnoj tehnologicheskoj akademii im. P. A. Solov'eva. 2008. №2(14). pp. 7581.
6. Papilin P.I., Melihov O.O. Aktual'nye napravlenija nauchnyh issledovanij XXI veka: teorija i praktika. 2018. №6 (42). pp. 260-264.
7. Grishanov V.V., Tarasenko M.M. Materialy XXV nauchno-tehnicheskoj konferencii po ajerodinamike. 2014. pp. 113-114.
8. Ventiljatory VD - katalog proizvoditelja ARMAVENT. [VD fans -ARMAVENT manufacturer's catalog]. URL: armavent.ru/ventilyatory-vd (date assessed: 14.04.2023).
9. Roddatis K.F., Poltareckij A.N. Spravochnik po kotel'nym ustanovkam maloj proizvoditel'nosti [Handbook of low-capacity boiler plants]. M.: Jenergoatomizdat, 1989. P. 488.
Armavent. Ventiljacionnoe oborudovanie, proizvodstvo promyshlennyh ventiljatorov i dymososov [Armavent. Ventilation equipment, production of industrial fans and smoke exhausters]. URL: armavent.ru/ (date assessed: 14.04.2023).
