книги из ГПНТБ / Шински Ф. Системы автоматического регулирования химико-технологических процессов

обычно реагирует более медленно, чем система, клапан которой установлен непосредственно иа линии подачи греющего пара. Однако преимуществом описанной системы является возможность исполь­ зования клапана значительно меньших размеров.

Количество тепла, выделяющееся прп полной конденсации паров технологического продукта, может быть определено по температуре конденсата этого продукта при постоянном давлении, а более точно — по давлению пара продукта в герметически закрытом сосуде. Темпе­ ратура конденсата или давление пара не могут регулироваться непосредственно, так как расход конденсирующегося пара является

то, что процесс теплопередачи от конденсирующегося пара к потоку охлаждающего агента идентичен процессу теплопередачи, пред­ ставленному на рис. I X - 3 для случая WH CH[UA — оо. Прп изме­ нении расхода охлаждающего агента рассматриваемая задача не­ линейна, как и в случае теплообмена между потоками веществ, сохраняющих свое агрегатное состояние.

Если конденсат заметно не переохлаждается и расход охлаж­ дающего агента поддерживается постоянным, то пропускание части пара технологического продукта по байпасу мимо конденсатора не будет влиять на скорость теплопередачи. Следовательно, при постоянстве температуры конденсата скорость теплопередачи пол­ ностью зависит от расхода охлаждающего агента. В этом случае конденсатор начинает работать подобно теплообменнику типа жид­ кость— жидкость, схема которого приведена на рис. I X - 6 .

Наиболее эффективно регулировать работу конденсатора можно изменением его теплообменной поверхности. Последнее осуще­ ствляется изменением расхода конденсата; благодаря частичному заполнению конденсатора жидкостью уменьшается поверхность теплообмена. По уровню же копденсата в конденсаторе можно судить о тепловой нагрузке процесса. Описанная система приведена па рис. I X - 7 .

230

Независимо от размера активпой поверхности конденсации, всегда наблюдается некоторое переохлаждение конденсата, зави­ сящее от расхода пара. Поэтому температуру конденсата для регу­ лирования, как правило, не применяют. В случае равенства коэф­ фициентов теплопередачи при конденсации пара и переохлаждении конденсата систему вообще нельзя было бы регулировать по давлению пара, так как скорость теплопередачи не зависела бы от уровня жидкости. Однако коэффициенты теплопередачи при конденсации паров обычно значительно выше, чем при охлаждении конденсата, особенно при малых скоростях охлаждепня, характерных для про­ мышленных копденсаторов.

Изменение уровня жидкости представляет собой инерционный процесс с отставанием по фазе на 90° между изменением положения регулирующего клапана и изменением поверхности теплообмена. Поэтому для регулирования следует использовать давление пара. Контур регулирования давления, как правило, слишком динамичен, исключая моменты, соответствующие крайним значениям нагрузки, при которых конденсатор либо целиком заполнен жидкостью, либо полностью опорожнен. Поэтому в рассматриваемом случае наиболее важными факторами, влияющими на качество регулирования, являются линейность процесса, а также величина амплитуды коле­ баний регулируемого параметра.

Процесс тореиия

При-горении топлива температура продуктов сгорания повы­ шается до температуры горения, определяемой потенциальной энергией топлива. Для вычисления температуры горения можно использовать энтальпию продуктов сгорания, а также топлива пли воздуха, поскольку тепловой баланс должен соблюдаться во всех случаях. Количество тепла, выделившегося при сгорании опре­ деленного количества топлива WF с теплотой сгорания Не, равно:

Это количество тепла должно быть равно количеству тепла, необходимому для повышения температуры потоков топлива и воз­

231

мышленные же топки и печп обычно работают с избытком воздуха. Очевидно, при избытке воздуха максимально возможная темпера­ тура горения не достигается. Как видно из уравнепия (IX,18), температура воздуха влияет на температуру горения. Находящийся в воздухе азот не принимает участия в процессе горения и действует как разбавитель, понижая температуру горения. При использовании кислорода вместо воздуха коэффициент КА может быть уменьшен примерно в пять раз при той же температуре горения.

Регулирование расхода топлива и воздуха. Температура горения падает как прп избытке, так и при недостатке воздуха, поэтому ее не следует использовать в качестве регулируемого параметра про­ цесса горенпя. На практике интенсивность процесса горения оцени­ вают по содержанию кислорода в продуктах сгорания. Избыток воздуха, необходимый для полного сгорания топлива, зависит от

(по сравнению с расчетным), т. е. от 1,6 до 2% избытка кислорода;

воздуха приводит к понижению температуры горения, уменьшая тем самым скорость теплопередачи. Количество тепла, передаваемое радиацией, пропорционально абсолютной температуре пламени в чет­ вертой степени, поэтому теплопередача наиболее эффективно прп максимальной температуре горенпя. Важным является также вопрос рассеивания тепла в окружающую среду.

При регулировании соотношения топливо — воздух необходимо предусмотреть меры предосторожности, определяемые правилами техники безопасности. При недостатке воздуха в топке или в печи может образоваться взрывоопасная смесь. Поэтому необходимо обеспечить такие условия процесса горенпя, при которых расход подаваемого топлива никогда не превышал бы максимально допу­ стимого для данных конкретных условий (соответственно расходу воздуха). Заданные значения расходов топлива и воздуха обычно устанавливаются вручную. Системой регулирования предусматри­ вается автоматическое изменение этих расходов с целью обеспечения подачи необходимого количества воздуха, т. е. обеспечения безо­ пасных условий протекания процесса. Схема регулирования рас­ ходов топлива и воздуха приведена на рис. I X - 8 .

Необходимое соотношение расходов топлива и воздуха уста­ навливается автоматически измеиением диапазона пропорциональ­ ности регулятора кислорода. При нормальной работе системы регу­ лирования заданные значения параметров, поступающие на регу­ ляторы расхода топлива и воздуха, должны быть одинаковы. При уменьшении расхода воздуха по сравнению с заданным его текущее

232

значение направляется как задание на регулятор расхода топлива. Если же расход топлива превышает заданное зпачение, его текущее значение автоматически подается в качестве задания на регулятор расхода воздуха. Таким образом, обеспечивается защита промыш­ ленной печи от образования в ней взрывоопасной смеси.

Огневые нагреватели. На нефтеперерабатывающих заводах при­ меняют нагреватели, в которых высокие температуры продукта получают непосредственным сжиганием топлива. Необходимая тем­ пература нагреваемой жидкости па выходе из нагревателя поддер­ живается изменением расхода топлива. Это влечет за собой необхо­ димость регулирования соотношения расходов воздуха, подаваемого

втаком случае аналогично уравнению, выведенному ранее для

теплообменника и графически представленному на рис. V I I I - 4 . Единственное отличие заключается в том, что вместо расхода водя­ ного пара здесь фигурирует расход топлива, а вместо теплоты паро­ образования — теплота сгорания топлива. Потери тепла с дымовыми газами могут быть значительными, но они изменяются прямо про­ порционально нагрузке нагревателя, что легко компенсируется регулятором температуры по отклонению, как это показано на рис. V I I I - 1 7 .

Если применяется газообразное топливо, его массовый расход нетрудно вычислить даже прп частых или быстрых изменениях температуры и давления.

Паровые котлы

Для успешной автоматизации процесса парообразования необ­ ходимо знание термодинамических свойств водяного пара. Энтальпия пара является функцией его температуры. Если пар находится в равновесии с жидкостью, увеличить его энтальпию можно повы­ шением давления. При невозможности повышения давления энталь­ пия пара может быть увеличена путем перегрева его прп отсутствии

233

жидкости Б занимаемом пм пространстве. Перегретый пар можно получить дросселированием насыщенного пара. Этот процесс про­ текает при постоянстве энтальпии. При этом давление пара падает, но температура остается практически постоянной.

Массовый расход пара может быть измерен обычным расходомером по перепаду давления, состоящим из диафрагмы и дифманометра,

всоответствии с уравнением:

W=kVhp

где W — массовый расход пара; к — коэффициент, пропорциональ­ ный площадп отверстия диафрагмы;-/г — перепад давления на диаф­ рагме; р — избыточное давление.

При использовании такого расходомера следует вводить поправку в его показания, если условия его эксплуатации отличны от условий калибровки. Давление и температура насыщенного водяпого пара взаимозависимы, поэтому для определения плотности пара исполь­ зуют любой из этих параметров. Заметим, что давление и плотность пара связаны между собой линейной зависимостью.

При приближенном расчете9 массового расхода перегретого пара можно принять, что плотность его изменяется обратно пропорцпональпо изменению температуры и прямо пропорционально изменению давления. Если расходомер используется для контроля действительного расхода тепла, следует иметь в виду, что с измене­

ростью циркулирует по трубам, частично испаряясь. Освободившись от пара в верхней части котла, вода возвращается через относи­ тельно холодные сливные трубы в нижнюю его часть, а затем снова перемещается вверх. Регулирование уровня жидкости в сепарационном пространстве барабанного котла связано с определенными трудностями. Комбинированная система регулирования, предназна­ ченная для регулирования уровня жидкости в таком аппарате, была

Рассмотрим влияние некоторых кратковременных теиловьтх воз­ действий на уровень жидкости. Допустим, что питательная вода

в трубах, вызывая разрушение паровых пузырей и снижая кажу­ щийся уровень жидкости в барабане котла. В результате появляется

234

где V — объем парового пространства в барабане котла. Заменим производную dp[dt величиной рассогласования между текущим и заданным значениями параметра, определяемой по регулятору давления:

где К — коэффициент, зависящий от технических характеристик котла; рг, — заданное значение параметра регулятора давления.

В статическом состоянии р — pD и WD = W. Внезапное открытие клапана на линии пара приведет к кратковременному увеличению расхода пара W н постепенному падению давления р. Затем расход пара начнет уменьшаться, возвращаясь к первоначальному значе­ нию. Это происходит до тех пор, пока не начнет сказываться влияние

Рис. I X - 9 . Схема регулирования давления пара в котле путем поддержания постоянства соотпошепня расходов подаваемого в топку топлива и водяного пара.

изменения скорости горения. Вследствие прямо пропорциональной зависимости между величиной рассогласования на регуляторе и увеличением расхода пара скорость горения будет поддерживаться па более высоком уровне. Расход пара при этом повысится до тре­ буемого значения, а давление в котле восстановится. На рис. 1Х-9 представлена описанная система регулирования с контуром обратной связи.

Энтальпия перегретого пара при данном давлении является функцией его температуры. Регулирование температуры часто осу­ ществляется изменением места подачи греющих газов к трубам пароперегревателя. Однако такое перераспределение греющих газов существенно не влияет на энтальпию пара. Поэтому применяют впрыскивание воды в паропровод на згчастке между пароперегре­ вателем и термочувствительным элементом регулятора. Тепловой процесс в данном случае представляет собой процесс смешения, поэтому установка регулятора именно на этом участке позволяет эффективно осуществить регулирование.

Прямоточные котлы. Анализ процесса управления прямоточным котлом-объектом с плавными характеристиками более прост, чем анализ процесса управления барабанным котлом. В паровых котлах пар обращается в трубах, причем ие имеет значения, где именно. В водогрейных котлах вода нагревается без изменения агрегатного

236

в основном давлением и температурой пара и производительностью. Первые два параметра должны поддерживаться на заданных уров­ нях, а третий представляет собой тепловую нагрузку установки. Эти параметры регулируются изменением скорости горения, расхода питательной воды и степени открытия проходного сечения клапана, установленного па линии пара.

Рпс. IX-10. Схема прямоточного котла:

1 — насос; г — пламенный нагреватель; з — форсунка; i — пламенный пере­ греватель; 5 — клапан (в кружках приведены обозначения измеряемых параметров).

Указанные переменные величины взаимодействуют во всем диа­ пазоне их изменения, поэтому работа трех не связанных между собой замкнутых контуров регулирования будет неудовлетворительной. Для оценки взаимного влияния параметров процесса сравним реак­ цию регулируемых переменных на ступенчатые возмущения каждой из изменяемых величин1 9 .

1. Увеличение скорости горения вызовет возрастание произво­ дительности котла и температуры пара. Прп фиксированном поло­ жении парового клапаиа давление до него будет увеличиваться, так как известно, что при увеличении производительности котла возрастают давление пара п перепад давления на клапане.

2. Увеличение расхода питательной воды вызовет увеличение расхода пара при неизменных производительности котла и давлении пара. При увеличении расхода пара его температура снизится.

3. Увеличение степени открытия проходного сечения парового клапана приведет к постепенному снижению давления пара до нового постоянного значения и, следовательно, к некоторому изменению- в течение этого времени отбираемого количества пара. Однако при достижении нового равновесного состояния расход пара должен возвратиться к первоначальному, так как подача питательной воды и скорость горения не изменились.

Не" рассчитывая значения коэффициентов передачи процесса, представим приведенные выше переходные процессы в виде безраз­ мерной матрицы. Для этого введем следующие обозначения: Q —

237

степень открытия проходного сечения парового клапана. Тогда можем записать:

Приведенная матрица состоит из коэффициентов передачи разо­ мкнутых контуров без учета их действительных значений. Отсюда следует, что между Q, р и Т существует частичная взаимосвязь. Нормализация этих параметров в соответствии с методикой, описан­ ной в главе V I I , приводит к единичной диагонали при значениях других элементов, равных нулю. Это показывает, что полная взаимо­ связь между всеми этими параметрами отсутствует, хотя в неко­ торых случаях они связаны между собой. Ниже приводятся уравне­ ния для системы с частично разомкнутым контуром.

Скорость горения при дайной нагрузке можно определить по термическому коэффициенту полезного действия Е и теплоте сго­ рания НС'

Для определения расхода питательной воды необходимо учиты­ вать энтальпию пара Hs и питательной воды Hw:

так как точка измерения температуры пара удалена от места измере­ ния расхода питательной воды. Чтобы улучшить это положение, небольшое количество питательной воды байпасируют мимо печи н впрыскивают форсункой в трубопровод между нагревателем и тер­ мочувствительным элементом. Если рассматривать байпасируемый поток как часть заданного расхода питательной воды, то изменение его расхода будет лишь кратковременно воздействовать на систему, не изменяя энтальпию пара в течение длительного промежутка времени.

Поскольку при изменении давления пара меняется степень открытия клапана, установленного иа линии, в которой измеряется давление, то регулирование несколько упрощается. Использовать контур регулирования по возмущению в данном случае не следует.

J238

Неизвестными величинами в уравнении (IX,20) являются пара­ метры Нс u Е. Их определяют, используя обратную связь системы регулирования. Все остальные параметры либо представляют собой постоянные величины, либо их можно измерить. Система регулиро­

Применять интегральную составляющую одновременно в двух регуляторах, воздействующих на расход питательной воды, нельзя.

ные реакции на эти сигналы в виде изменения температуры пара подобны. Заметим, что регулятор подачи питательной воды по байпасной лпнип также помогает компенсировать отклонения температуры пара от заданного значения.

Рассматриваемый процесс обладает переменным динамическим коэффициентом передачи, потому что время запаздывания изме­ няется обратно пропорционально расходу пара и, следовательно, тепла. Сигнал прямой связи Q согласовывает работу контуров регулирования подачи питательной воды и топливного газа.

Паровые турбины. Для приведения в движение ротора генера­ тора электрической энергии используют паровые турбины, в которые подают эквивалентное количество тепловой энергии в виде водяногопара, получаемого в котельной установке:.

Турбина действует подобно постоянному сопротивлению, уста­ новленному на линии пара. Перепад давления на этом сопротивлении определяется условиями работы конденсатора. В последнем обычно поддерживается разрежение, равное нескольким десяткам милли­ метров водяного столба. Таким образом, перепад давления на тур­ бине примерно равен давлению пара на входе. Количество тепло­ вой энергии пропорционально корню квадратному из произведения перепада давления на турбине на давление пара на входе, т. е. в рассматриваемом случае пропорционально давлению пара на входе:

Q=kPl.

239