Регулирование расхода и соотношения расходов

Регулирование основных технологических параметров.

Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации большинства систем ТГВ. САУ расходом, предназначенные для стабилизации возмущений по материальным потокам, являются неотъемлемой частью систем автоматизации систем ТГВ. Часто эти САУ являются внутренними контурами в каскадных системах управления другими параметрами. Для обеспечения заданного состава смесей, поддержания материального и теплового балансов в аппаратах и сооружениях ТГВ применяют системы регулирования соотношения расходов нескольких веществ.

САУ расходом имеют принципиальные особенности, не присущие САУ другими технологическими параметрами химико-технологических процессов. Первая особенность – малая инерционность ТОУ, который представляет собой участок трубопровода между первичным измерительным преобразователем расхода и регулирующим органом. После изменения положения регулирующего органа новое значение расхода устанавливаются за время не более нескольких секунд. Динамические характеристики САУ, в том числе быстродействие, определяется инерционностью измерительных устройств, регулятора и исполнительного устройства.

Вторая особенность проявляется в том, что сигнал, соответствующий измеренному значению расхода, всегда содержит помехи, уровень которых высок. Частично эти помехи представляют собой результат физических колебаний расхода, частота которых велика. Наличие высокочастотных составляющих в сигнале измерения расхода – результат пульсаций давления в трубопроводе, которые в свою очередь являются следствием работы насосов, компрессоров, колебаний расходов при дросселировании потока через сужающее устройство. Из-за этого, чтобы избежать усиления в системе случайных возмущений, в САУ расходом применяют регуляторы с малыми значениями коэффициентов статического преобразования.

В системах регулирования расхода применяют один из следующих способов направленного изменения расхо­да:

1) дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);

2) изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (на­пример, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вен­тилятора);

3) байпасирование, т. е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обвод­ную линию.

Для транспортирования жидкостей по трубопроводам применяют центробежные и поршневые насосы. Цель управления данными объектами – обеспечение заданной производительности.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 37–а). Устанавливать первичный измерительный преобразователь, например диафрагму, на линии всасывания центробежного насоса не рекомендуется: дросселирование потока через диафрагму может вызвать кавитацию в насосе, приводящую в его быстрому износу, снижению производительности и напора. Клапан на нагнетательной линии насоса может работать и от регуляторов других величин, если этого требует технология.

В случае применения объемных поршневых насосов давление, обуславливающее перемещение жидкости, создается при периодическом вытеснении из замкнутого объема возвратно-поступательно движущимся поршнем. Поршневые насосы приводятся в действие паровыми машинами или электродвигателями.

Для поршневого насоса с электроприводом применение дросселирование недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на всасе насоса). В этом случае для регулирования расхода использу­ют байпасирование потока (рис. 37–б): часть жидкости перенаправляют из нагнетательной линии во всасывающую. Аналогично регулируют производительность шестеренчатых и лопастных насосов.

Производительность поршневого насоса с паровым приводом регулируется изменением подачи пара в цилиндр привода. Для этого на паропроводе устанавливают клапан, при различной степени открытия которого к приводу насоса подается различное количество пара, что определяет число ходов поршня насоса и обеспечивает регулирование производительности. Управляющее воздействие на клапан подают от регулятора расхода, а чувствительный элемент первичного измерительного преобразователя устанавливают на нагнетательной линии насоса. При часто и резко изменяющемся давлении пара применяют каскадную систему регулирования с коррекцией по расходу нагнетаемого продукта (рис. 38).

Регулирование соотношения расходов двух веществ осуществляют следующими способами:

1) с применением следящего управления для обеспечения постоянного заданного соотношения «ведущего» и «ведомого» расходов;

2) с регулированием коэффициента соотношения расходов по третьему параметру (например, температуре или уровню в аппарате).

Одноконтурные следящие схемы регулирования соотношения расходов (рис. ) используются в случае произвольного изменения «ведущего» расхода. Такие схемы осуществляют регулирование вида:

,

где k – заданное постоянное значение соотношения; – измеряемый расход ведущего потока 1; – регулируемый расход ведомого потока 2. Варианты реализации закона регулирования различаются способом определения величины управляющего воздействия на регулирующий клапан. Для схемы на рис. 39–а управляющее воздействие определяется как функция отклонения реального значения соотношения расходов от заданного значения k (при аппаратной реализации регулятора задается органами настройки; при программной – задается программно):

.

Для схемы на рис. 39–б управляющее воздействие определяется как функция отклонения регулируемого расхода от расчетного значения, обеспечивающего заданную величину соотношения k (задается вычислительным преобразователем):

.

При необходимости обеспечить заданную производительность процесса реализуют двухконтурную схему, с дополнительным регулированием «ведущего» расхода (см., например, контур регулирования, состоящий из ТСА 1.1–1.2 на рис. 40).

При реализации управления соотношением расходов с обеспечением заданной производительности по третьему параметру коэффициент соотношения является переменным и устанавливается внешним регулятором в зависимости от третьего параметра (например, температуры в аппарате). Трехконтурная САУ такого типа, показанная на рис. 40–а, осуществляет регулирование вида:

,

где – значение температуры в аппарате (параметр, определяющий величину коэффициента соотношения расходов k); – регулируемый для обеспечения заданной производительности расход ведущего потока 1; – регулируемый расход ведомого потока 2.

Особенность настройки каскадной САУ (см. рис. 40–а) заключается в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливается ограничение вида:

,

где k_н и k_в – нижнее и верхнее значение соотношения расходов. Если входной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы , то задание внутреннему регулятору не меняется, а остается на предельно допустимом нижнем или верхнем значении (рис. 40–б) [1, 15, 16].