Регулювання тиску газу

В більшості випадків тиск в ємності регулюється шляхом зміни матеріальних потоків (дроселюванням потоку), в окремих випадках шляхом зміни витрати енергетичних потоків (парогенератори, барометричні конденсатори і т. д.). Спрощена функціональна схема регулювання тиску газу в ресивері наведена на рис. 1.

Рис. 1. Спрощена схема регулювання тиску в ресивері

Поведінка ідеальних газів описується рівнянням Менделєєва - Клайперона:

, (1)

де P - тиск газу; V - об’єм газу; M - число молей газу; R - універсальна газова стала; T- абсолютна температура.

Відповідно, при постійному об’ємі системи, залежність швидкості зміни тиску від кількості речовини буде мати вигляд:

. (2)

Якщо R і T сталі, то швидкість зміни кількості газу системи рівна різниці масових витрат вхідного і вихідного потоків:

, (3)

де F - номінальна масова витрата газу; f_i і f₀ - відносна витрата вхідного і вихідного потоків, відповідно.

Інтегруючи останнє рівняння, знаходимо залежність тиску від витрати:

. (4)

Треба зауважити, що за виглядом рівняння динаміки він аналогічний І-регулятору, причому Р - вихідна величина, - розузгодження.

Коефіцієнт передачі об'єкта. Вихідною величиною регулюючого клапана є зміна витрати речовини, у результаті чого змінюється величина регульованого параметра об'єкта.

Якщо регульованим параметром є також витрата речовини (як, наприклад, у контурі регулювання витрати), то коефіцієнт передачі об'єкта дорівнює одиниці і не має розмірності (див. лаб. роботу №1). Якщо ж регулюється який-небудь інший параметр (тиск, рівень, температура, склад і т.д.), коефіцієнт передачі об'єкта буде розмірною величиною. В нашому випадку вихідною величиною об’єкта є тиск газу в ресивері, а вхідною - витрата газу на притоку (або відтоку).

Система регулювання тиску газу використовується для приведення в рівноважний стан потоку газоподібної речовини. Об’єкт, в якому регулюється тиск газу, звичайно має властивість самовирівнювання, так як тиск газу в ньому впливає на вхідний і вихідний потоки. Це є одноємнісний об’єкт регулювання (ОР), тому що наявність давача тиску і регулюючого клапана приводить лише до незначного збільшення сталої часу системи.

Підвищення тиску в об'єкті викличе збільшення витрати на виході. Така дія, направлена на встановлення рівноваги в системі, називається “самовирівнюванням”. Вплив самовирівнювання аналогічний до дії П-регулятора, який ніби знаходиться всередині об’єкта.

Припустимо, що витрата газу, який витікає з об’єкту, прямопропорцiйна її тиску:

, (5)

де k - коефіцієнт пропорційності (в дійсності це співвідношення нелінійне). Тиск газу в об'єкті не змінюється в часі лише при f₀=f_i. Інакше, будь-яка постійна по величині зміна притоку газу в об'єкт відносно її відтоку при рівноважному стані об’єкта приведе до встановлення нового значення тиску:

. (6)

При стрибкоподібному збільшенні притоку газу в об’єкт тиск в перший момент часу почне змінюватися з тою самою швидкістю, з якою він змінювався б в об’єкті без самовирівнювання, так як відтік газу з об'єкта f₀ ще не почав збільшуватися. З наближенням f₀ до f_i швидкість підвищення тиску падає. Нове постійне значення тиску в об’єкті досягається за нескінченно великий проміжок часу і може бути визначене відповідно до (3).

Підставляючи значення f₀ із (5), одержимо

. (7)

Виходячи з вище сказаного диференціальне рівняння об’єкта тиску можна представити як рівняння аперіодичної ланки першого порядку:

. (8)

В цьому диференціальному рівнянні першого порядку регулюючий параметр P зв’язаний з керуючою дією f_i як в усталеному, так i в не усталеному режимі. Треба зауважити, що стала часу такого об’єкта T₁ буде дорівнювати:

, (9)

а коефіцієнт передачі:

(10)

Таким чином, коли регульованим параметром є величина, пропорційна інтегралові витрати речовини (наприклад, тиск), то розмірний коефіцієнт передачі входить у сталу часу. При регулюванні тиску газу в ресивері - об’єкті, що володіє властивістю самовирівнювання, коефіцієнт передачі в усталеному режимі дорівнює 1/k.

Тиск газу легко піддається регулюванню, навіть при малих габаритних розмірах об’єкта (наприклад, в трубопроводі та ін.). В більшості випадків можна використовувати пропорційні регулятори тиску прямої дії з невеликим діапазоном пропорційності. Розглянемо приклад системи автоматичного регулювання тиску газу в ресивері з використанням регулятора тиску прямої дії (рис.2).

Рис.2. Схема автоматичної системи регулювання тиску газу в ресивері:

1 - ресивер; 2 і 3 - затвор і сідло клапана, відповідно; 4 - пружина (змінюючи попереднє стиснення пружини встановлюють в ресивері задане значення тиску P_з); 5 - мембрана (чутливий елемент); 6 - корпус мембранного пристрою; 7 - сигнальний трубопровід, що з’єднує ресивер із мембранним пристроєм; 8 - вентиль, яким встановлюють витрату газу для споживачів; 9 - прилад для вимірювання тиску газу в ресивері (манометр); 10 - шток

Завдання даної САР полягає в тому, щоб забезпечити в ресивері постійне значення тиску газу Р незалежно від кількості газу, використовуваного споживачами. Робота САР полягає в наступному. При збільшенні витрати газу із ресивера тиск Р зменшиться на деяку величину Р, що приведе до порушення балансу сил на мембрані. Мембрана разом із затвором клапана почне переміщуватися вверх, збільшуючи ступінь відкриття регулюючого органу (РО). При цьому збільшується подача газу f_i в ресивер і, відповідно, збільшується значення регульованого тиску газу Р в ресивері. Переміщення затвору клапана і збільшення тиску газу в ресивері будуть тривати до тих пір, поки не відновиться рівноважний стан в системі. І навпаки, якщо витрата газу f₀, використовуваного споживачами, зменшиться, то тиск в ресивері зросте на деяке значення Р. Це викличе порушення балансу сил на чутливому елементі регулятора 5 (мембрані) в протилежну сторону. Мембрана разом із затвором почне переміщатися вниз, зменшуючи ступінь відкриття РО і, відповідно, зменшуючи подачу газу f_i в ресивер. При цьому тиск в ресивері буде зменшуватися і наближатися до значення, близького заданому значенню Р_з. ОР утворює ресивер разом з ділянкою трубопроводу від регулюючого клапана до ресивера. Вихідною величиною ОР є поточне значення тиску Р в ресивері, а вхідною величиною ОР - ступінь відкриття РО, тобто витрата газу f_i на притоку. Збуренням Z в даному випадку служить зміна витрати газу f₀, використовуваного споживачами.

Контури регулювання тиску газу широко застосовуються і при автоматизації систем газопостачання. Основна задача автоматизації систем газопостачання зводиться до підтримання тиску газу в заданих межах і забезпечення безпеки роботи установок. Часто виникають задачі автоматичного регулювання тиску газу в газовій мережі. Закони регулювання тиску газу вибирають з врахуванням динамічних властивостей газової мережі, характеру режиму газопостачання і допустимої статичної похибки регулювання. Найчастіше використовують П і ПІ регулятори.

Найбільш широко використовуються чотири основні схеми редукування, що забезпечують підтримування тиску і витрати газу в різний час доби і при значних збуреннях, котрі зображені на рис. 3-6 (наприклад, при автоматизації газорозподільних станцій).

Якщо режим газоспоживання носить перемінний характер, доцільно застосовувати двоімпульсні схеми регулювання тиску газу, котрі реагують одночасно на зміну тиску і витрати, що покращує якість процесу регулювання.