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

Скорость вращения турбины устанавливается регулятором, ко­ торый воздействует на дросселирующий клапан с пропорциональной характеристикой. Дросселирующий клапан монтируется на паро­ проводе между перегревателем и турбиной на месте парового клапана, показанного на рис. ГХ-10. Степень открытия этого клапана изме­ няется при изменении скорости вращения турбины, измеряемой по частоте генерируемого напряжения, пли прп изменении настройки заданного значения скорости вращения на регуляторе. Кроме того, регулятор давления пара также воздействует па степень открытия этого клапана прп нзмененип заданного значения.

В связи с тем, что степень открытия дросселирующего клапана меняется с пзмененпем частоты вращения вала турбины, регулиро­ вание несколько усложняется. Если частота вращения вала падает, для ее восстановления необходимо подавать большее количество энергии. Однако этого нельзя достигнуть, увеличивая степень откры­ тия дросселирующего клапана. Поэтому для поддержания давления пара па постоянном уровне необходимо менять скорость сжигания топлива в зависимости от частоты вращения вала турбины. Для этого к выходному сигналу станции управления, на которой уста­ навливается необходимое заданное количество тепловой энергии паровой установки, обычно прибавляется сигнал, пропорциональ­ ный первой производной частоты вращения вала турбины.

Насосы и компрессоры

Существует много разнообразных методов регулирования произво­ дительности насосов или компрессоров. Часто, например, приме­ няют дросселирование потока клапапом, установленным па нагне­ тательной линии центробежного пасоса. Однако этот метод при необходимости небольшого расхода жидкости в течение длительного времени с экономической точки зрения невыгодеп; он совершенно не может быть применен также в тех случаях, когда жидкость нагне­ тается насосами поршневого типа, так как при этом развиваются высокие давления. Эти методы зависят от типа и размера основного рабочего органа.

Насосы поршневого типа. В насосах поршневого типа при каждом ходе поршня определенный объем жидкости периодически вытес­ няется со стороны всасывания на сторону нагнетания. При этом наблюдается пульсация расхода жидкости. Для уменьшения ампли­ туды и периода пульсаций используют насосы с большей кратностью действия или присоединяют к нагнетательной линии насоса воздуш­ ный колпак.

Если в поршневом насосе предусмотрена возможность измене­ ния хода поршня или скорости его движения, то насос может быть использован для дозирования жидкости. Чтобы дозирующие насосы работали с высокой точностью, в них не должно быть утечек жидкости ж обратного перетока жидкости из нагнетательной линии во всасы­ вающую. В связи с этим клапаны насоса должны быть герметич-

240

иыми, а жидкость должна быть освобождена от твердых частиц, которые могут нарушить эту герметичность. Жидкость не должна содержать растворенный или увлекаемый ею газ, так как это при­ водит к образованию газовых и паровых пробок.

Дозирующие насосы широко применяются при регулировании расхода чистых жидкостей, особенно при высоких давлениях. Оии используются в комплекте с пневматическим устройством — опера­ тором, предназначенным для автоматического регулирования длины хода поршня. Сигнал на оператор подается от станции управления или от основного регулятора.

К насосам поршневого типа относятся также насосы, перемеща­ ющие жидкость вращающимися шестернями пли лопастями. Преиму­ ществом этих насосов является

и всасывания, устанавливают предохранительный клапан. Если байпас с предохранительным клапаном отсутствует, то при закры­ тии нагнетательной линии насоса возникает высокое давление, спо­ собное перегрузить электродвигатель или даже разорвать нагне­ тательный трубопровод.

Расход жидкости при подаче ее шестеренчатым или лопастным насосом регулируют изменением количества жидкости, текущей по байпасу, либо регулируют давление в нагнетательной линии насоса

сбайпасироваиием части потока. Оба эти метода показаны на

рпс. I X - 1 2 .

Центробежные насосы. В центробежных насосах жидкость пере­ мещается при вращении лопаток рабочего колеса, сообщающих жидкости иперцию, преобразуемую в скоростной напор. При отсут­ ствии потока жидкости в нагнетательной линии насос развивает максимальный напор. При увеличении расхода жидкости напор падает на величину, эквивалентную потерям па трение внутри самого насоса. Давление, создаваемое центробежным насосом, зави­ сит от плотности жидкости.

Характеристики центробежного насоса обычно представляют собой графики зависимости напора от расхода жидкости, на которые наносят также зависимость скорости вращения рабочего колеса, мощности и коэффициента полезного действия от расхода жидкости. Для удобства нахождения одной из основных неременных процесса — •скорости вращения рабочего колеса характеристики насоса пред­

В этом уравнении коэффициенты кх и к.2 зависят от конструктив­ ных параметров насоса — диаметра рабочего колеса, зазора и др.

Небольшие насосы обычно приводятся в движение электрическими моторами с постоянной скоростью вращения. Расход жидкости регулируют дросселирующим клапаном на нагнетательной линии насоса. Линию всасывания нельзя дросселировать, так как пониже­ ние давления на стороне всасывания вызывает кавитацию и резкую, потерю производительности.

Если прекратить подачу жидкости или снизить до нуля разви­ ваемое насосом давление, то гидравлическая мощность также упадет

гидравлической мощности н последующим дифференцированием этого выражения по расходу. Полученная производная, приравнен­ ная нулю, позволяет вычислить оптимальное значение расхода жидкости

скорости вращения 1800 оборотов в минуту. Для поддержания наиболее эффективных условий работы насоса скорость вращения.

242

рабочего колеса должна устанавливаться в зависимости от расхода жидкости. Поэтому регулирование скорости вращения рабочего колеса больших иасосов экономически оправдано.

Одни насосы приводятся в движение паровыми турбинами, которые оснащепы пневматическими или электрическими регулято­ рами; другие — электродвигателями через гидравлические или маг­ нитные муфты. Скорость вала насоса обычно можио менять в пределах от 0 до 100% данной скорости электродвигателя, меняя степень сцепления вала насоса с электродвигателем.

Найдем «авпсимость расхода жидкости в нагнетательной линии насоса от скорости вращения его рабочего колеса. Для этого объеди­ ним параметры процесса течения жидкости по трубопроводу с па­

зависимость давления в нагнетательной линии насоса от скорости вращения его рабочего колеса:

Таким образом, изменение скорости вращения рабочего колеса насоса подобно изменению степенп открытия клапапа с пропорцио­ нальной характеристикой, установленного на нагнетательной лпннп.

Заметим, что гидравлическая мощность пзмепяется пропорцио­ нально скорости вращения рабочего колеса насоса в третьей ступени. Таким образом, даже небольшое изменение этой скорости приводит к значительному изменению гидравлической мощности насоса.

Регулирование компрессоров. Поршневые компрессоры работают аналогично поршневым насосам. Измерение расхода газа в пагнетательной линии компрессора значительно упрощается, потому что высокая скорость и сжимаемость газов снижают пульсации давле­ ния. Для регулирования поршневых компрессоров могут быть использованы схемы регулирования шестеренчатых и лопастных насосов, описанные выше (см. рис. IX - 12) .

Центробежные компрессоры или турбокомпрессоры с точки зре­ ния регулирования аналогичны центробежным насосам. Отличие •состоит в том, что для насоса характерна зависимость напора в нагне­ тательной линии от расхода жидкости, а типичной характеристикой компрессора является зависимость степени сжатия от расхода газа. •Отличительной особенностью центробежного компрессора является

наличие области неустойчивой работы. Известно, что при определен­ ном соотношении малых расходов и высоких давлений можно попасть в область помпажа, заштрихованную на рис. ГХ-14. В этой области компрессор проявляет свойство положительной обратной связи: З^меньшение расхода газа вызывает падение давления до величины, меньшей, чем в нагнетательной линии. Вследствие этого возникает кратковременное изменение направления движения потока газа до тех пор, пока давление в линии не^падет иа некоторую величину. Эти кратковременные изменения могут развиться в сильные пуль­ сации, способные вызвать серьезное повреждение.

3

4

условиях всасывания. Вид кривой, ограничивающей область пом­

Рассчитаем условия возникновения помпажа. Умножая левую и пра­ вую части уравнения (IX,28) на ps, получим:

1 S

Зависимость перепада давления газа h, возникающего на измери­ тельной диафрагме, установленной па линии всасывания, от объем­ ного расхода газа имеет следующий вид:

S

244

Объединяя два последних выражения, получим зависимость между разностью давлений в компрессоре и перепадом давления, возни­ кающим па расходомере. Эта зависимость описывает кривую, огра­ ничивающую область помпажа:

С целью регулирования давления в нагнетательной линии компрес­ сора можно перекрывать клапан, установленный на линии всасыва­ ния или нагнетания, но только до определенного значения. Если

вляется как задание на регулятор расхода. До тех пор, пока теку­ щее значение расхода превышает его минимальное значение, рас­ считанное заранее, клапан на байпасной линии будет закрыт. Коэффициент К устанавливают с некоторым запасом.

При приближении к кривой, ограничивающей область помпажа, регулятор расхода начнет открывать проходное сечение клапана, установленного на байпасной линии, что вызовет увеличение произ­ водительности компрессора, снижение давления в нагнетательной линии и одновременно повышение давления во всасывающей линии. Благодаря этому предупреждается помпаж компрессора.

Многие компрессоры большой производительности снабжаются управляемыми поворотными лопатками на входе для более эффек­ тивного дросселирования потока газа. Последнее объясняется умень­ шением гидравлических потерь на входе и более предпочтительно, чем закрытие клапана на всасывающей линии. Кроме того, при повороте управляемых лопаток кривая, ограничивающая областьпомпажа, сдвигается влево, что приводит к увеличению рабочей области компрессора.

245.

Если при снижении нагрузки понизить скорость вращения вала

образом, при регулируемой скорости вращения вала компрессора клапан на байпасной линии может быть закрыт. Последнее обстоя­ тельство показывает, что с экономической точки зрения целесообразно управлять работой компрессоров, регулируя их число оборотов.

Работу компрессоров можно регулировать как по давлению иа всасывающей линии, так и по давлению па нагнетательной линии, а также по расходу газа. Другими словами, выбор регулируемого параметра может быть сделан между двумя сходными переменными, как это иллюстрируется на рис. V I - 1 5 . Как и в центробежном насосе, в компрессоре расход газа изменяется линейно со скоростью враще­ ния вала, а давление в нагнетательной лпппп — пропорционально квадрату скорости.

Г Л А В А Х

РЕГУЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Для выявления наиболее выгодного режима химического про­ цесса инженеры-технологи сначала находят оптимальные условия проведения реакции по скорости н степени превращения исходных материалов в готовый продзжт, оценивая при этом влияние большого числа факторов на скорость основной и побочпых реакций. Затем проектируют установку и систему автоматического регулирования, предназначенную для поддержания оптимальных условий проте­ кания процесса.

Работа системы автоматического регулирования реактора в зна­ чительной мере зависит от того, насколько удачно спроектирован реактор. Он может быть спроектирован так, что пи одна система регулирования не обеспечит протекания в нем устойчивого процесса, поскольку сам реактор будет работать в неустойчивом режиме.

Часто производительность технологической установки опреде­ ляется производительностью реактора, находящегося в начале техно­ логической линии. Поэтому в реакторе, в отличпе от других аппара­ тов, обычно не происходит быстрых и случайных изменений нагрузки. Несмотря на это, система регулирования реакторной установки должна обеспечивать высокое качество регулирования, иначе возни­ кают возмущения, воздействующие на последующие аппараты тех­ нологической линии.

Принципы управления реакторами

Большинство химических реакторов должно работать при постоян­ ной нагрузке, так как изменение последней интенсивно влияет на переходный процесс. Отклонение режима работы от заданного

246

приводит к низкому качеству получаемого продукта, разрушениюили отравлению катализатора, износу оборудования, возникнове­ нию условий, опасных для жизни человека. Для регулирования химических реакторов (даже если они не подвержены быстро меня­ ющимся нагрузкам) необходимо применение только хорошо рабо­ тающих систем регулирования.

Если же система автоматического регулирования не обеспечи­ вает удовлетворительной работы реактора, то последний приходится регулировать вручную. При ручном регулировании поддерживать заданные условия протекапня процесса, как правило, очень трудно.

Скорость реакции. Для описания скорости изменения концен­ трации х регулируемого реагирующего вещества в большинстве случаев можно применить уравнение

Для нахождения изменения концентрации реагирующего вещества во времени проинтегрируем уравнение (Х,1) в пределах от началь­ ного значения концентрации х0 до текущего значения х:

В непрерывном реакторе идеального вытеснения реагирующая смесь протекает без обратного перемешивания в направлении по­ тока. Определяющим фактором в реакторе такого типа является время запаздывания. Это время, в течение которого реагирующая смесь проходит через объем реактора V с расходом потока F. Оно численно равно V/F. Следовательно, концентрация реагирующих: веществ на выходе из реактора идеального вытесиеипя равна

Зависимость степени превращения реагирующих веществ от расхода также имеет экспоненциальный вид:

24Т

В непрерывном реакторе идеального смешения реагирующее вещество во всем объеме однородно. С некоторым допущением такой реактор можно представить как одноемкостную систему. Скорость реакции в таком реакторе, определяемая по уравнению (Х,1), оди­ накова во всем реакционном объеме. Скорость превращения реаги­ рующего вещества 2 0 равна

Решая это уравпепие относптельно концентрации па выходе, по­ лзучим:

i+kV/F

Между степенью превращения'реагирующего вещества и временем •его пребывания в реакторе существует следующая зависимость:

Реактор идеального вытеснения характеризуется временем за­ паздывания, равным времени пребывания реагирующего вещества

. в нем. Реактор же идеального смешения имеет постоянную времени, которая зависит одновременно от к и от V/F. Для иллюстрации напишем дифференциальное уравнение материального баланса за бесконечно малый промежуток времени dt:

Постоянная времени реактора идеального смешения при изме­ нении концентрации — это постоянный коэффициент при первой лроизводной х по времени:

тде а и Е — постоянные величины, имеющие свое значение для

248

Влияние температуры на степень конверсии в реакторе идеаль­ ного вытеснения может быть выражено двойной экспоненциальной зависимостью. В этом нетрудно убедиться, подставив значение к из (Х,10) в (Х,4). Зависимость степени конверсии от температуры для реактора идеального смеше­ ния находится путем совместного решения уравнений (Х,6) и (Х,10).

На рис. Х-2 приведена зависи­ мость степени конверсии от тем­ пературы в непрерывных реакто­ рах двух типов для трех значе­ ний отношения V/F. При этом используются данные рис. Х-1. Из рис. Х-2 следует, что при оди­ наковых условиях реактор идеаль­ ного вытеснения обеспечивает более высокую степень превраще­ ния, чем реактор идеального сме­ шения.

Для определения крутизны характеристик, представленных на рис. Х-2, продифференцируем зависимости степени конверсии от температуры для обоих типов реакторов.

Рис. Х-2. Зависимость степени конверсии от температуры прп разных отношениях V/F для непрерывных реакторов:

а— идеального вытеснения; б— идеального смешения.

Врезультате для реактора идеального вытеснения получим- уравнение:

д | а - ( 1 - » ) 1 п ( 1 - 0 ) (Х,И).

а'для реактора идеального смешения — уравнение

24»