4. Контрольні питання

1. В чому полягає принцип дії досліджуваного технологічного апарата?

2. Проаналізуйте теплообмінник як об’єкт управління.

3. В чому полягає задача автоматизації теплообмінного апарата?

4. Наведіть математичну модель досліджуваної АСР.

5. Розкрийте етапи моделювання АСР температури рідини в теплообмінному апараті.

Лабораторна робота № 4

Тема: Дослідження триімпульсної АСР рівня води в парогенераторі.

Мета роботи:

- закріплення і розширення теоретичних знань з спеціальності;

- моделювання процесів в парогенераторі;

- перевірка правильності розрахунку настроювань регулятора.

1. Теоретичні відомості

1.1. Автоматичне регулювання рівня води в парогенераторі

Регулювання живлення в парогенераторі (ПГ) зводиться до підтримки матеріального балансу між відведенням пари, продуванням і подачею живильної води. Параметром, що характеризує матеріальний баланс, є рівень води в ПГ.

До стабілізації рівня пред'являються досить жорсткі вимоги. Для ПГ з реактором ВВЕР-1000 номінальний рівень складає 2450 мм від внутрішньої створюючої корпуса. Точність підтримки рівня в статичних режимах складає ±50 мм від , в динаміці ±150 мм від (з урахуванням нечутливості регулятора). Підвищення рівня води від не допускається із-за затоплення і порушення роботи сепараційних пристроїв (закидання води в турбіну), а зниження рівня – із-за оголення поверхні нагріву.

Збурювальними діями на рівень є:

- витрата пари (навантаження);

- зміна витрати живильної води;

- зміна температури живильної води;

- зміна витрати продування;

- зміна теплопвідвода з боку першого контуру (зміна середньої температури першого контуру або відключення головного циркуляційного насоса (ГЦН)).

При збуренні витратою пари або відключенні ГЦН виявляється явно виражене «набухання» рівня, тобто зміна його в початкові моменти часу у бік, не відповідний знаку збурювальної дії. Явище «набухання» можна пояснити так.

При зміні витрати пари, наприклад збільшенні, тиск в ПГ зменшується, відбувається додаткове скипання води, збільшення рівня. Надалі рівень починає падати, оскільки витрата пари збільшилася, а витрата живильної води залишилася тією самою. При відключенні ГЦН теплопідвід в ПГ різко зменшується, інтенсивність кипіння і об'єм бульбашок пари зменшуються, що призводить до зниження рівня. Проте зменшення паротворення призводить до зниження тиску і деякого збільшення паротворення. Проте, перший чинник істотніший. Надалі рівень збільшується, оскільки витрата живильної води залишилася незмінною.

Розглянуті динамічні властивості ПГ є украй несприятливими з погляду стабілізації рівня води. Цим пояснюється той факт, що для автоматичного регулювання рівня не придатні звичайні одноконтурні системи регулювання.

Динаміку ПГ по рівню за всіма вхідними збуреннями можна описати добутком передавальних функцій інтегрального і інтегродиференціювальних ланок. Цю передавальну функцію можна представити сумою передавальних функцій інерційної і інтегральної ланок.

1.2. Вибір схеми і закону регулювання рівня

Застосування пропорційно-інтегрального (ПІ) закону регулювання для астатичного об'єкту з явищем «набухання» не забезпечує необхідної якості регулювання (тривалі слабо затухаючі коливання рівня при ступінчастому вхідному збуренні). Інтегральний (І) закон також дає погану стійкість системи. Пропорційний (П) закон не допустимий із-за статичної помилки регулювання. Тому для регулювання рівня в ПГ застосовують комбіновані АСР: регулювання по відхиленню з П-регулятором і контуром інваріантності по основній збурювальній дії – витраті пари.

Двоімпульсна схема регулювання не застосовується за наступними причинами:

1) витрата живильної води через регулюючий живильний клапан залежить не тільки від положення клапана, але і від перепаду тиску на нім, який в процесі експлуатації може змінюватися;

2) у дифманометрах-витратомірах колишніх років випуску вихідний сигнал був пропорційний кореню квадратному від перепаду тиску.

Вказані недоліки двоконтурних АСР усуваються введенням в регулятор третього імпульсу по витраті живильної води від дифманометру-витратоміру. Така триімпульсна АСР зображена на рисунку 4.1, принцип роботи якої наступний. Сигнали по витраті пари і живильної води вводяться в регулятор з протилежними знаками. У сталому стані ці сигнали рівні, протилежні по знаку і, отже, компенсують один одного.

Сигнал по рівню води в ПГ компенсується сигналом завдання. При зміні витрати пари миттєво змінюється відповідний сигнал на вході в регулятор і останній пропорційно змінює витрату живильної води, не чекаючи зміни рівня.

У регуляторі використовується ПІ-закон регулювання, проте унаслідок введення в регулятор практично безінерційного негативного зворотного зв'язку по витраті живильної води в ньому реалізується П-закон регулювання (аналогія жорсткого зворотного зв'язку по положенню регулюючого органу). Статична нерівномірність П-регулятора усувається корегувальним сигналом по витраті пари.

Рис. 4.1. Принципова схема триімпульсної АСР рівня

1.3. Ідентифікація технологічного об'єкту по кривій розгону

Експериментальним шляхом були отримані розгінні криві парогенератора по рівню при подачі на нього збурень витратою живильної води і витратою пари (рисунки 4.2,а і 4.2,б).

а)	б)
Рис. 4.2. Крива розгону ПГ по рівню при подачі стрибкоподібного збурення: а) витратою живильної води кг/с; б) витратою пари кг/с

Дані властивості парогенератора можна описати сумою передавальних функцій інерційної і інтегральної ланок, а коефіцієнти визначити експертно-дослідним шляхом за допомогою програми Simulink, що входить в програмний пакет MATLAB (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Структурна схема моделі парогенератора

1.4. Ідентифікація вимірювальних перетворювачів рівня, витрат пари і води

Рівень в ПГ вимірюється датчиком типу Сапфір-22ДД за малим рівнеміром з межею вимірювання 0-1000 мм, використовуючи двокамерну зрівняльну судину. Статична характеристика рівнеміра приведена на рис. 4.4,а.

Витрата води вимірюється за перепадом тиску на звужуючому пристрої типу «діафрагма» датчиком типу Сапфір-22ДД з вихідним струмовим сигналом 4-20 мА з межами вимірювання 0-555 кг/с (0-2000 т/ч).

Витрата пари оцінюється за температурою і тиском в трубопроводі І контура до і після ПГ. Сигнал витрати пари подається у вигляді нормованого струмового сигналу 4-20 мА з межею вимірювання 0-555 кг/с (0-2000 т/ч). Статична характеристика витратомірів приведена на рис. 4.4,б.

Таким чином, вимірювальні перетворювачі можна описати передаточними функціями пропорційних ланок з коефіцієнтами передачі, які дорівнюють: К_L = 16 мА/м (для вимірювання рівня води в ПГ); К_П = К_В = 0.0288 мА/(кг/с) (для вимірювання витрат живильної води і пари відповідно).

а)	б)
Рис. 4.4. Статичні характеристики ВП типу «Сапфір-2ДД» для вимірювання рівня (а) і витрат живильної води і пари (б)

1.5. Ідентифікація регулюючого клапана

Регулювання рівня води здійснюється шляхом зміни витрати живильної води через регулюючий живильний клапан, який здійснює регулювання в межах 0..100%.

Позиціонер управляє приводом електродвигуна постійного струму регулюючого живильного клапана. На позиціонер поступає сигнал завдання відкриття клапана у вигляді нормованого струмового сигналу 0..20 мА. Максимальна швидкість переміщення штока складає 5%/с.

Витратна характеристика регулюючого живильного клапана приведена на рисунку 4.5.

Рис. 4.5. Витратна характеристика регулюючого живильного клапана

Як видно, витратна характеристика клапана близька до лінійної. Таким чином, для моделювання витрати живильної води через клапан по каналу «Ступінь відкриття % - витрата на клапані, кг/с» можна описати пропорційною ланкою з коефіцієнтом пропорційності К_ро = 6.67 (кг/с)/%.

На вхід ланки повинен подаватися сигнал положення штока у відсотках ходу РО (0-100 %*РО).

Трубопровід від клапана до парогенератора моделюється інерціальною ланкою 1-го порядку з коефіцієнтом передачі К_тр=1 і постійною часу Т_тр=2с.

Структурна схема моделі РО з позиціонером і трубопроводом до ПГ зображена на рисунку 4.6.

Рис. 4.6. Структурна схема моделі РО з двигуном постійного струму, позиціонером і трубопроводом до ПГ

1.6. Складання структурної схеми АСР

За принциповою схемою триімпульсної АСР рівня, що описана в п.1.2 можна скласти структурну схему моделювання (рис. 4.7) досліджуваної АСР.

Необхідно відзначити, що використання триімпульсної АСР рівня води в ПГ з ПІ-регулятор з імпульсами по витраті живильної води і пари дозволяє регулювати об'єкт з ефектом «набухання». Отже, можливе придушення стрибкоподібних збурень витратою пари величиною до 18 кг/с без виходу рівня з 50 міліметрової зони. Збурення витратою живильної води практично будь-якої величини (до 510 кг/с), що подаються на ПГ не приводять до виходу рівня з 50-міліметрової зони.

При всьому цьому може бути отриманий аперіодичний перехідний процес регулювання рівня з часом регулювання менш ніж 200 с (рис. 4.8).

Рис. 4.7. Структурна схема моделі триімпульсної АСР живлення ПГ

Рис. 4.8. Графіки перехідних процесів в АСР рівня води в ПГ при подачі стрибкоподібного збурення витратою пари (Gп = 10 кг/с)