Регулирование технологических параметров в системах горячего водоснабжения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.3

Н. А. Автушенко, Г. С. Леневский, канд. техн. наук, доц.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В СИСТЕМАХ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

В статье рассмотрены варианты управления магистральными системами горячего водоснабжения, дана оценка целесообразности регулирования параметров технологического процесса с помощью различных систем управления. Отражена эффективность существующих систем автоматического управления магистральной трубопроводной системой горячего водоснабжения. Изложенный материал может быть использован для оценки необходимости внедрения систем управления в магистральных трубопроводных системах.

Введение

Математическое описание источника горячего водоснабжения (ГВС) с двухуровневым повышением давления насосными агрегатами сетевого контура и магистрального трубопровода (МТП) как объекта с распределенными параметрами представлено в [1].

Регулирование параметров в МТП можно получить, используя запорную арматуру (задвижку) или устройства регулирования скорости асинхронного двигателя насосного агрегата (АД НА). Регулирование параметров с помощью запорной арматуры может быть ручным (без применения средств автоматизации) и автоматизированным (с помощью регулятора), но в любом случае является неэкономичным. В данном случае можно говорить о потерях энергии и, как следствие, уменьшении КПД магистральной трубопроводной системы ГВС. Регулирование с помощью задвижки приводит более чем к двукратному увеличению потерь мощности в сравнении с регулированием скорости АД НА [1].

Условие качественного ГВС - соблюдение в заданных пределах расхода, давления, температуры теплоносителя.

Для построения системы автоматического управления (САУ) выполняется сравнительный анализ следующих систем управления:

- САУ электроприводами насосных агрегатов с обратной связью по давлению в конце МТП для гиперболического регулятора давления;

- нерегулируемая схема САУ давлением МТС ГВС с одновременным и веерным пуском НА;

- преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД) с заданием скорости АД как функции давления;

- САУ на базе автоматизированного электропривода с ПЧ-АД с контролем давления за сетевым контуром перед МТП;

- электропривод клапана с регулированием давления в МТП как функции технологического параметра в заданной точке МТП.

С целью оценки эффективности работы предложенных систем моделируется пуск четырех сетевых НА второй ступени повышения давления с выходом на значение давления 845590 Па к конечной точке трубопровода.

САУ электроприводами насосных агрегатов с обратной связью по давлению в конце МТП для гиперболического регулятора давления

Основой синтеза САУ является расчет параметров регулятора, обеспечивающий снижение колебаний давления в МТП на заданном уровне. При этом главной задачей является компенсация резонансных явлений с помощью регулируемого электропривода.

Особенностью предлагаемой мето-

дики является расчет регуляторов как синтеза систем подчиненного регулирования координат. При этом синтез регулятора скорости выполняется без учета распределенных свойств объекта управления, а синтез регулятора давления выполняется на основании критерия выбора регулятора с учетом анализа объекта управления на уровне ЛАЧХ участков МТП различной протяженности.

Структурная схема САУ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема САУ электроприводами НА МТП ГВС

На рис. 1 введены следующие обозначения: иЗД - напряжение задания давления; иЗС - напряжение задания скорости; Иод - напряжение сигнала обратной связи датчика давления; иОС - напряжение сигнала обратной связи датчика скорости; иУ1 - напряжение канала управления напряжением; Цу2 - напряжение канала управления частотой; и1т - амплитудное значение напряжения статора; 1С - частота напряжения статора; Мдд - электромагнитный момент АД; QНА (рНА) - расход (давление) НА; Qтэц (Ртэц) - расход (давление) на выходе источника ГВС; Qп2 (рП2) - расход (давление) в заданной точке конечной точки МТП; '^эм.ад -передаточная функция электромехани-

ческой части АД; WМ.Ад. - передаточная функция механической части АД; WМc -передаточная функция возмущающего воздействия на валу АД; WpС - передаточная функция регулятора скорости; WРЕГ - передаточная функция датчика давления; WФ - передаточная функция фильтра контура давления; WдС - передаточная функция датчика скорости; Wдд - передаточная функция датчика давления; WСК - передаточная функция сетевого контура; WМТП - передаточная функция МТП.

Предполагается, что компенсация колебаний технологических параметров в МТП будет выполняться за счет рассчитываемого контура давления. Расчет па-

раметров регулятора осуществляется по принципу подчиненного регулирования.

Расчет регулятора давления выполняется для передаточной функции МТП как объекта с распределенными параметрами [1], при этом рассчитывается коэффициент обратной связи по давлению КдР и выбирается малая некомпен-сируемая постоянная Т^. Внешний контур настраивается на симметричный оптимум, рассчитывается фильтр. Передаточная функция регулятора давления внешнего контура примет вид:

Щщ- (5) = Жф (5 ) X

х КДС НА 5 + 1) х

2- ТКдР КТЭЦ КГ2КНА 5 X-------№шп ( 5 )----------------, (1)

0,00 00152 + 0,00015 +1

где КдС - коэффициент обратной связи контура скорости; КТЭц - передаточная функция сетевого контура ТЭЦ; Кна, ТНА - параметры передаточной функции насосного агрегата; КГ2 - передаточная функция коллекторного узла сетевого контура ТЭЦ (рассчитаны в [1]).

Анализ синтезированного регулятора выполняется с помощью ЛАЧХ передаточной функции замкнутого контура давления с учетом передаточной функции МТП и регулятора давления МТП.

^ЗКР (5) = [№рег (5)•

Ктэц • ^КС ( 5 ) X х ^НА (5) • ^МТП (5)] / [1 + КДРКТЭЦ х

ХЖРЕГ (5) •Жкс (5) •Жна (5) •Жмтп (5)]. (2)

Графики моделирования переходных процессов САУ с обратной связью по давлению представлены на рис. 2.

а)

б)

8,480

105-Па

8,470

8,442

8,432

170 172 174

І -

176 с -------->-

180

Рис. 2. Графики переходных процессов САУ с обратной связью по давлению в конце МТП: Рп2.нерег — веерное включение четырех НА по нерегулируемой схеме; Рп2.рег — регулирование давления в МТП с помощью САУ

І

Нерегулируемая САУ давлением МТС ГВС с одновременным и веерным пуском НА

Для воспроизведения существующих режимов работы МТС ГВС (см. рис. 1) преобразуется в структурную схему, представленную на рис. 3.

Структурная схема содержит только неизменяемую часть САУ, что позволяет выполнить моделирование нерегулируемой САУ давлением МТС ГВС с одновременным и веерным пуском НА. Результаты моделирования представлены на рис. 4.

АД 1 СН-2А

1 СН-2А

____,0

W

НА

НА.

Р Н А .

1 СН-2Б

и

1т

?01

0 НА ч ТЭЦ

АД 1 СН-2Б “ад г W НА рН А W СК РТЭЦ W МТП

■

и1т и

Ла_______ АД 5 СН-2В

5 СН-2В

0 на.

РНА.

О'Мд ^ W НА

П 2

Рис. 3. Структурная схема нерегулируемой САУ давлением МТП ГВС

а)

170 172 174 176 с 180

І----------------->-

Рис. 4. Графики переходных процессов давления нерегулируемой САУ

І

САУ с ПЧ—АД с заданием скорости АД как функции давления

С помощью разработанной математической модели в МЛТЬЛВ выполняется моделирование САУ с ПЧ—АД с заданием скорости АД как функции давления.

Рис. 1 преобразуется в структурную схему, представленную на рис. 5.

Параметры и структура регулятора скорости и датчика скорости аналогичны структурной схеме на рис. 1. Расчет требуемого давления выполняется при формировании сигнала задания 10 В, что соответствует давлению в конечной точке

МТП 845590 Па. Результаты САУ с ПЧ-АД с заданием скорости АД как функции давления представлены на рис. 6.

ПЧ—АД с контролем давления за сетевым контуром перед МТП

Так как источник ГВС имеет сложную структуру, то на практике местом снятия показаний давления является вход МТП.

Структурная схема САУ (см. рис. 1) преобразуется в структурную схему, представленную на рис. 7.

Рис. 5. Структурная схема САУ с ПЧ-АД с заданием скорости АД как функции давления МТС

ГВС

Рис. 6. Графики переходных процессов давления САУ с ПЧ—АД с заданием скорости АД как функции давления МТП

Выполнен расчет параметров контура по принципу подчиненного регулирования с настройкой регулятора давления на симметричный оптимум. Расчет датчика давления и малой не-компенсируемой постоянной времени выполнен аналогично структурной схеме (см. рис. 1).

Результаты моделирования схемы

(см. рис. 7) на базе САУ на базе автоматизированного электропривода с ПЧ-АД с контролем давления за сетевым контуром перед МТП представлены на рис. 8. Анализ амплитуды колебаний давления и ЛАЧХ показал наличие колебаний с той же частотой во всем рабочем диапазоне частот, однако, с меньшей амплитудой.

Рис. 7. Структурная схема САУ на базе автоматизированного электропривода с ПЧ-АД с контролем давления за сетевым контуром (СК) перед МТП

а)

б)

8,490

10-Па

8,422

t

170 172 174 176 с 180

t ------------------->-

Рис. 8. Графики переходных процессов САУ на базе автоматизированного электропривода с ПЧ-АД с контролем давления за СК перед МТП

Электропривод клапана с регулированием давления в МТП как функции технологического параметра в заданной точке МТП

В качестве измеряемых параметров могут выступать давление, расход и температура теплоносителя МТП. Расход и температура для таких систем контролируются для непревышения установленного порога давления с целью

исключения паровой фазы. Регулирование давления на прямом участке трубопровода с помощью регулирующего клапана осуществляется в прямом трубопроводе только посредством обратной связи по давлению. Таким образом, рассматривается САУ давлением МТП на базе регулятора давления с электро-приводным регулирующим клапаном. Перекрытие сечения трубопровода яв-

ляется возмущающим воздействием в работе МТП. Резкое закрытие клапана вызывает рост обратной волны давления и, как следствие, гидроудар. В силу данной особенности время полного закрытия МТП в таких системах для диаметра МТП 1000 мм составляет от 30 с до 2 мин. Реализация длительного закрытия клапана осуществляется с помощью редуктора с большим передаточным числом.

Структурная схема САУ (см. рис. 1) преобразуется в структурную схему,

представленную на рис. 9, в которой: Wфкл - передаточная функция фильтра регулятора давления регулирующего

клапана; WpЕгкл - передаточная функция регулятора давления регулирующего

клапана; WпРкл - передаточная функция преобразователя напряжения регулирующего клапана; WАдкл - передаточная функция АД регулирующего клапана; WРЕдкл - передаточная функция редуктора регулирующего клапана; Wкл - передаточная функция регулирующего

клапана.

и.

1т

С

АД 1 СН -2А

М. АД

1Т1АД

АД

і(-) Мс

'-- Мс^СОад)

1 СН -2А

°НА.

т

НА

рНА.

и1т ,

-С_____^ АД 1 СН-2Б

и1т т С ^ АД 5 СН-2В

1 СН-2Б

Она.

С0АД ^

тНА

0

ТЭЦ

РНА_ т°К РТЭЦ

МТП

П2кл

П2

5СН-2В

0 НА.

рНА-

АД т НА

(-)

и

од

и

Регулирующий клапан

зд

Фкл

(-)

и

МРЕГкл и V. т ПРкл ип т МАДкл АД

т

РЕДкл

<Рт

т

КЛ

ДРкл

од

т

ДДТ

Рис. 9. Структурная схема САУ давления МТП на базе регулятора давления с электроприводным регулируемым клапаном

В состав обратной связи входит фильтр, благодаря которому с датчика давления на вход регулятора поступает действующее, а не мгновенное значение давления, что исключает раскачивание системы. Процесс регулирования в таких системах является инерционным.

Расчет параметров контура давления выполнен по принципу подчиненного регулирования с настройкой регулятора давления на симметричный оп-

тимум.

Анализ рассматриваемой САУ выполняется с помощью ЛАЧХ передаточной функции рассматриваемой системы, которая аналогична передаточной функции нерегулируемой САУ. Контур регулирующего клапана является здесь возмущающим воздействием.

Результаты моделирования САУ давлением МТП на базе регулятора давления с электроприводным регулирую-

щим клапаном представлены на рис. 10. Анализ амплитуды колебаний и ЛАЧХ показал рост амплитуды колебаний дав-

ления с той же частотой во всем рабочем диапазоне частот по причине внесения в систему возмущающего воздействия.

а)

б)

8,5GG

Ю-Па

t

8,412

17G 172

18G

Рис. 1G. Графики переходных процессов давления в САУ давления МТП на базе регулятора давления с электроприводным регулирующим клапаном

Передаточное число и передаточная функция редуктора регулирующего клапана:

П . пном

V _^ДВкл _ ' 30

30 -2

^РЕДкл (s) = К S •

КРЕДкл S

В качестве АД используется АИР 80В4У3 (РНОМ = 1500 Вт;

nHOM = 1410 об/мин; КПД = 78,5 %; cos р = 0,8; In/IHOM = 5,3; Imax/IHOM = 2,4; JдВ = 0,0034 кг- м2). Данный АД имеет следующие параметры: sHOM = 0,05; Мк = 24,21 Н-м; Мном = 10,09 Н-м; sk = 0,27; Тэ = 0,012 с; (3= 1,2 Н- м - с/рад.

Приведенный момент инерции АД рассчитывается исходя из условия JpE%m + JkA = 4 JВ.кл. Приведенный момент инерции и механическая постоянная времени АД примут вид:

т _ т + ТРЕДкл + ТКЛ .

ТДВкл + К 2 .

КРЕДкл

Тм _ Т.1Р-

Представив регулирующий клапан в виде одномассовой расчетной схемы, передаточная функция примет вид:

^АДск _ (ТЭТМ52 + Тм5 + 1) .

С учетом высокого порядка малости произведения ТэТм передаточная функция АД примет вид:

^АДск _(ТмЯ + 1)"'.

Передаточная функция преобразователя напряжения представлена коэффициентом усиления для линеаризованной модели ЖПкл (5) _ КпкЛ.

Клапан может быть описан с помощью двух зависимостей: зависимость коэффициента местного сопротивления клапана как функции угла поворота клапана _ /(фш) и изменения дав-

ления на выходе клапана как функции коэффициента местного сопротивления клапана АрКЛ _ /(%КЛ). Обе зависимости являются нелинейными, но, в данном случае, когда рабочий участок составляет от 0,5рном.кл до рном.кл, с погрешностью менее 1 % функции можно заменить уравнениями прямой [2], откуда передаточная функция имеет вид Жкл (5) _ К КЛ .

В качестве малой некомпенсируе-мой постоянной принимается постоянная времени двигателя. В соответствии с полученными параметрами контура регулирования передаточная функция регулятора, фильтра и замкнутого контура клапана примут вид:

W (s) _ 4Тм s +1

П РЕГск >

К

PEДкл

4Т м s 2ТмКДрКпклКкл

Wфtк(S) _

4Тмs+1

Wзск (s) _

W W W W W

rr PErxn ПРкл АДкл r Р^Дк^гr КЛ

1 + w W W W W W

1 ^ rr ДДГГ Р^Гкл^ ПРкл” АДклгг Р^^кл^ КЛ

Передаточная функция САУ давления МТП на базе регулятора давления с электроприводным регулирующим клапаном и ЛАЧХ (при s = ja):

W

САУкл

(s) _ Wm (s) • Wa (s) x

Х КТЭЦ ■ ^МТП (^) • I1 - ^Зкл (*) ) ;

11(ф) _ 2°/я [^сАУск (ja>, 1)].

Математическая модель в среде МЛТЬЛВ регулирующего клапана давления представлена на рис. 11.

Все рассмотренные САУ выходят на установившееся значение, при этом имеют различные амплитуды колебаний давления при выходе на установившийся режим. Максимальное значение отклонений от установившегося значения в момент времени 170...180 с отражено в табл. 1.

Рис. 11. Математическая модель регулирующего клапана давления в среде МЛТЬЛВ

1

Табл. 1. Максимальное значение отклонений давления от установившегося значения в момент времени 170...180 с

Наименование САУ Максимальное значение отклонений давления, Па

Нерегулируемая САУ давлением МТП ГВС G,G34

САУ давлением МТП на базе регулятора давления с электроприводным регулирующим клапаном G,G44

САУ с ПЧ-АД с заданием скорости АД как функции давления МТС ГВС G,G33

САУ на базе автоматизированного электропривода с ПЧ-АД с контролем давления за СК перед МТП G,G3

САУ с обратной связью по давлению в конце МТП G,G24

Далее проверяется возможность разработанной САУ отрабатывать различные сигналы задания. Результаты моделирования совпадают с заданием с требуемой погрешностью в 1 %.

Выводы

В статье отражена эффективность существующих систем автоматического управления магистральной трубопроводной системой горячего водоснабжения. Изложенный материал может быть использован для оценки необходимости

внедрения систем управления в магистральных трубопроводных системах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автушенко, Н. А. Эффективность управления переходными процессами в магистральных трубопроводах горячего водоснабжения / Н. А. Автушенко, Г. С. Леневский // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2009. - № 4. - С. 105-113.

2. Рабинович, Е. З. Гидравлика / Е. З. Рабинович. - 4-е изд. - М. : Физ.-мат. лит-ра, 1963. - 408 с. : ил.

РУП «Могилевэнерго» ф-л Могилевские тепловые сети Белорусско-Российский университет Материал поступил 23.03.2010

N. A. Avtushenko, G. S. Lenevsky The regulation of technological parameters in hot water supply systems

The scientific paper deals with the variants of controlling main systems of hot water supply and estimates the expediency of the technological process parameters regulation by means of various control systems. The efficiency of existing systems of automatic control of hot water supply mains is evaluated. The material presented can be used for the estimation of the necessity of the introduction of control systems in the main pipeline systems.