2.5 Расчет регулирующего клапана секции 1-го подогрева

Дано: среда: вода, 105єС, статическое давление в точке присоединения

600 кПа, Рнасоса = 11 кПа, Ртеплообменника = 0.5 кПа, Ртрубопровода = 3кПа,

номинальный расход Qном = 9.19 м3/ч:

Рнасоса = Ртеплообменника + Ртрубопровода + Рклапана = 11 кПа (2.1)

Рклапана = Рнасоса - Ртеплообменника + Ртрубопровода =

= 11 - 0.5 - 3 = 7.5 кПа (0.075) бар (2.2)

м3/ч (2.3)

Из серийно производимого ряда Кv выберем ближайшее Кvs значение, т.е. Кvs = 40. Этому значению соответствует диаметр в свету DN 50. Выберем клапан PN 16 из бронзы:

RV 102 ELB 35 11 16 140 50.

Клапан имеет линейную расходную характеристику, присоединительные размеры - G 2?, оснащается электроприводом SQX 62.

2.6 Определение действительной гидравлической потери выбранного клапана при полном открытии.

(2.4)

3. Характеристика управляемого объекта

3.1 Системный анализ технологического комплекса

Рис.3.1 Структура приточно-вытяжной установки

Установка, как объект автоматического управления характеризуется следующими параметрами:

входные:

Qв - расход воздуха

tв - температура воздуха

в - относительная влажность воздуха

qв - механические примеси в воздухе

Sр - положение гликолевого клапана

S1 - положение клапана первого подогрева

Sх - положение клапана хладоносителя

S2 - положение клапана второго подогрева

tх - температура хладоносителя

tвв - температура вытяжного воздуха

Рт - перепад теплоносителя в теплоснабжающей сети

tт - температура теплоносителя

tов - температура орошающей воды

выходные:

t1п - температура воды на выходе из теплообменника первого подогрева

Qп - расход приточного воздуха

tп - температура приточного воздуха

п - относительная влажность приточного воздуха

qп - механические примеси в приточном воздухе

t2п - температура воды на выходе из теплообменника второго подогрева

tпр - температура вытяжного воздуха после рекуператора

К возмущающим воздействиям следует отнести tх, tвв, Рт, tт, tов. К управляющим - Sр, S1, Sх, S2.

К1/В3 является системой с постоянным расходом. Расход воздуха меняется лишь в значительном промежутке времени в связи с загрязненностью фильтров, зависящей от степени запыленности воздуха qв. Температура хладоносителя также является стабильным параметром, она стабилизируется автоматикой холодильного центра и ее колебания незначительны.

Температура и относительная влажность уличного воздуха подвержены лишь суточным и сезонным колебаниям, которые по времени значительно превосходят время переходных процессов в установке. Поэтому считаются постоянными при учете времени выхода установки в установившийся режим (до 20 мин).

Температура вытяжного воздуха перед рекуператором влияет на температуру гликолевого раствора в контуре рекуперации.

Основными каналами управления являются:

положение клапана контура рекуперации - температура вытяжного воздуха;

положение водяного клапана первого подогрева - влажность приточного воздуха;

положение клапана хладоносителя - температура приточного воздуха;

положение водяного клапана второго подогрева - температура приточного воздуха.

Статические и динамические характеристики элементов комплекса

Все элементы установки приточно-вытяжной вентиляции можно разбить на группы: вентиляторы, поверхностные теплообменники, оросительная камера, воздуховоды.

В системах с постоянным расходом вентиляторы не оказывают на параметры приточного/вытяжного воздуха иного влияния, кроме повышения температуры на 1-2 єС. Статическая характеристика будет иметь следующий вид:

(3.1)

Рис.3.2 Статические характеристики теплообменников по каналам:

а) "расход теплоносителя - температура воздуха";

б) "температура теплоносителя - температура воздуха".

Рис.3.3 Кривые разгона установки по каналам "положение клапана - температура воздуха", "положение клапана - температура обратной воды"

На рис.3.3 показаны кривые разгона установки по каналам "положение клапана - температура воздуха", "положение клапана - температура обратной воды".

Как видно из графиков теплообменник можно представить как апериодическое звено 1-го порядка с запаздыванием:

(3.2)

Рис.3.4 Характеристика воздуховода, как объекта управления:

а) переходный процесс изменения температуры;

б) передаточная функция.

При скачкообразном изменении tвх в начале воздуховода на выходе температура спустя время фз изменится небольшим скачком, а затем плавно приблизится к установившемуся значению.

Таким образом, передаточная функция имеет вид:

(3.3)

Сложность процессов тепло - массообмена в оросительных камерах затрудняет получение их однозначных динамических и статических характеристик, причем у разных исследователей отличаются не только расчетные зависимости для оценки коэффициентов передачи и постоянных времени, но и виды передаточных функций. Наиболее наглядной интерпретацией динамических процессов, происходящих в оросительной камере, является ее представление в виде двух звеньев. Первое звено - дождевое пространство оросительной камеры, то есть объем, где размещены форсунки и происходит тепло - массообмен. Его можно считать усилительным звеном с переменным коэффициентом передачи, зависящим от начальных параметров воздуха и воды, выбранного канала управления и т.д., то есть нелинейным звеном. второе звено - поддон - может быть представлено апериодическим звеном с постоянной времени Тп = Vп * сw/Gw, где Vп - объем поддона. В зависимости от условий работы динамические характеристики могут приближаться либо к апериодическому (в изоэнтальпическом процессе), либо к усилительному (в политропном процессе) звеньям.

Передаточная функция оросительной камеры при управлением изменением температуры воздуха может быть представлена в виде:

(3.4)

3.2 Структурная и параметрическая идентификация технологического комплекса

Под структурной идентификацией технологического объекта (комплекса) или отдельных элементов понимают выбор или определение алгоритмической структуры математической модели объекта, комплекса или элемента на основании анализа связей входных и выходных параметров объекта, оценки влияния входных параметров на выходные и выделения из множества входных и выходных параметров наиболее значимых.

Структурная идентификация технологического объекта включает следующие операции:

выделение объекта из общей схемы;

ранжирование входов и выходов объекта, учитывая влияние на выполнение целей управления;

определение рационального числа входов и выходов, учитываемых в модели;

определение характера связей между входами и выходами объекта.

Структура динамических моделей технологических объектов (комплексов) связана с априорной формой математического описания исследуемого объекта.

Существуют различные способы математического описания технологических комплексов:

1. Дифференциальными уравнениями связи:

а) между входными и выходными параметрами (стандартная форма);

б) между входными воздействиями и переменными состояниями процесса, которые записывают либо в форме системы уравнений первого порядка (нормальная форма), либо в векторно-матричной форме.

2. Матрицей передаточных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов.

Для сложных технологических комплексов, априорной информации о которой обычно недостаточно, удобно реализовать модели в виде инерционных звеньев, причем доказана возможность описания динамических характеристик устойчивых объектов высокого порядка с передаточными функциями.

Обычно ограничиваются передаточными функциями порядка не выше второго.

Динамические модели технологических комплексов обычно составляют для приращения входных и выходных параметров относительно их стационарных значений, что позволяет ограничиться линейными моделями каналов управления и возмущения.

Рис.3.5 Алгоритмическая структура математической модели теплообменников 1-го подогрева и рекуператора (подогревающего)

Рис.3.6 Алгоритмическая структура математической модели теплообменника рекуператора (охлаждающего)

Рис.3.7 Упрощенная алгоритмическая структура математической модели теплообменника 2-го подогрева

Выходные параметры воды не учитываются во втором подогреве, т.к отсутствуют отрицательные температуры на входе теплообменника и, соответственно, нет риска возникновения аварийной ситуации.

Рис.3.8 Алгоритмическая структура математической модели охлаждающего теплообменника

Рис.3.9 Алгоритмическая структура математической модели камеры орошения

Принимая во внимание тот факт, что конечная температура и влажность воздуха в значительной степени зависит от начальной температуры воздуха и температуры воды в камере, упрощаем структуру камеры:

Рис.3.10 Упрощенная алгоритмическая структура математической модели камеры орошения

Рис.3.11 Алгоритмическая структура математической модели регулирующего клапана

3.3 Расчет коэффициентов теплообменника рекуператора обогревающего

, (3.5)

где Ет - коэффициент эффективности теплообмена,

tк - конечная температура воздуха,

tн - начальная температура воздуха,

tтн - начальная температура теплоносителя.

, (3.6)

где Q - количество передаваемой теплоты,

cmin - минимальный тепловой эквивалент

, (3.7)

где с1 - тепловой эквивалент воздуха,

св - удельная теплоемкость воздуха (1 )

Gв - расход воздуха ()

с2 - тепловой эквивалент теплоносителя вычисляется аналогично.

(3.8)

(3.9)

(3.10)

(3.11)

(3.12)

(3.13)

С (3.14)

(3.15)

Зададимся приращением температуры наружного воздуха до минус 30єС (=5єС):

(3.16)

( = 3.86єС) (3.17)

( = 1.02єС) (3.18)

Зададимся уменьшением температуры гликоля до 3.1єС ( = - 5єС):

(3.19)

( = - 1.14. єС) (3.20)

( = - 3.98єС) (3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

(3.25)

Постоянные времени теплообменников найдены опытным путем:

Т1 = 80 с

Т2 = 45 с

Т3 = 80 с

Т4 = 45 с

3.4 Расчет коэффициентов теплообменника 1-го подогрева

(3.26)

(3.27)

(3.28)

(3.29)

С (3.30)

(3.31)

Зададимся приращением температуры входящего воздуха до минус 20єС (=5єС):

(3.32)

( = 3.2єС) (3.33)

( = 1.4єС) (3.34)

Зададимся уменьшением температуры воды до 100єС ( = - 5єС):

(3.35)

( = - 1.8єС) (3.36)

( = - 3.6єС) (3.37)

(3.38)

(3.39)

 (3.40)

(3.41)

Т1 = 100 с

Т2 = 65 с

Т3 = 120 с

Т4 = 65 с

3.4 Расчет коэффициентов теплообменника 2-го подогрева

(3.42)

(3.43)

(3.44)

(3.45)

С (3.46)

(3.47)

Зададимся приращением температуры входящего воздуха до 13.5єС (=5єС):

(3.48)

( = 4єС) (3.49)

( = 1.8єС) (3.50)

Зададимся уменьшением температуры воды до 65єС ( = - 5єС):

 (3.51)

( = - 1єС) (3.52)

( = - 3.2єС) (3.53)

(3.38)

(3.55)

Т1 = 80 с

Т2 = 100 с

3.5 Расчет коэффициентов оросительной камеры

Расчетные энтальпия и температура воздуха для Екатеринбурга в холодный период следующие:

I = - 34,6 кДж/кг

t = - 35єС

Найдем влагосодержание воздуха.

(3.57)

Если рассматривать процесс на I-d диаграмме (Приложение 1), то очевидно, что изменение влагосодержания входящего воздуха существенного влияния на выходные параметры воздуха не оказывает, что позволяет еще упростить структурную схему. К тому же графически можно определить коэффициенты передачи по каналам: tвх - tвых (для малых приращений) и tвх - dвых.

Кt = 0.4/1 = 0.4

Квл = 0.3/1 = 0.3 г/ (кг єС)

Т1 = 60 с

Т2 = 1.7 с

Т3 = 5 с

Также для модели можно принять, то что температура подпитывающей воды остается неизменной.

Рис.3.12 Упрощенная алгоритмическая структура камеры орошения по основным каналам

Выделим каналы управления:

Sклап. рекуп. - tглик. вых.;

Sклап.1под. - dвозд. прит.;

Sклап.1 под. - tводы вых.;

Sклап.2 под. - tвозд. прит.

В структурную схему установки не включены:

охлаждающий теплообменник, т.к он не участвует в работе установки в холодный период;

охлаждающий теплообменник рекуператора, т.к конденсация влаги затрудняет получение передаточного коэффициента по температуре (это касается и охлаждающего теплообменника), к тому же, этот теплообменник используется для изъятия максимума тепла из вытяжного воздуха без регулирования.

4. Управление технологическим комплексом

4.1 Выбор структуры управления технологического комплекса измельчения

Различают четыре ветви ГСП:

электрическую

пневматическую

гидравлическую

ветвь аппаратуры не использующая вспомогательной энергии.

Каждая из этих ветвей имеет свои особенности и специфику применения. Пневматическая ветвь приборов и средств автоматизации используется там, где имеется опасность возникновения взрыва (газ, пыль).

Гидравлическая ветвь приборов и средств автоматизации используется в тех случаях, когда требуются большие усилия для перемещения регулирующих органов (РО). Применение обеих, вышеуказанных ветвей ГСП ограничивается невозможностью передачи сигнала на большие расстояния из-за возможных потерь давления в импульсных линиях.

В работе принимаем электрическую ветвь ГСП, как наиболее полно отвечающую требованиям, разрабатываемых в ней систем (в том числе и локальной системы управления) и, учитывающую особенности их применения.

Электрическая ветвь приборов и её технические средства выгодно отличается от других ветвей ГСП, тем, что имеют большое быстродействие приборов и средств автоматизации этой ветви, практически, неограниченный радиус передачи электрического сигнала.

Кроме того, в электрической ветви приборов и средств автоматизации имеется большой выбор аппаратуры с унифицированными входными и выходными сигналами, что позволяет достаточно легко осуществлять компоновку этих элементов в системе.

Помещение, где будут установлены, принятые в работе средства автоматизации, в основном соответствуют, по условиям их эксплуатации, требованиям электробезопасных зон и помещений.

4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом

Известно, что существует три основных принципа автоматического управления:

управление по отклонению;

управление по возмущению;

комбинированный принцип управления (по возмущению и отклонению).

Каждый из этих принципов обладает своими достоинствами и недостатками.

Принцип управления по возмущению, обладает большим быстродействием, но требует точного математического описания функциональной зависимости y=f (Z) по которой, будет осуществляться управление Рисунок 4.1

Рис.4.1

Принцип регулирования по отклонению обладает высокой точностью

Рис.4.2

Комбинированный способ управления наиболее полно отвечает задачам управления объектами, так как включает в себя достоинства принципа управления по возмущению (быстродействие) и принципа управления по отклонению (высокая точность).

Рис.4.3

4.3 Управление системой

Система поддерживает два режима работы: ручной запуск и работа по расписанию (автоматически). В ручном режиме, пуском системы управляет оператор. В автоматическом, система запускается и останавливается в соответствии с расписанием (типовое расписание: запуск в 08: 00, останов в 18: 00).

Режим "зима-лето".

В зависимости от температуры наружного воздуха, различаются два режима работы системы: зима и лето. Зимний режим включается, когда температура наружного воздуха опускается ниже 6 градусов и выключается при 10 градусах либо принудительно с лицевой панели контроллера. В режиме "Зима" осуществляется нагрев и увлажнение приточного воздуха, обрабатываются сигналы: "давление воды с контуре первого подогрева ниже нормы" (по сигналу электроконтактного манометра поз.10 схемы автоматизации), "давление гликоля в системе рекуперации ниже нормы" (электроконтактный манометр, поз.11), "температура воздуха за теплообменником первого подогрева ниже допустимой" (капиллярный термостат, поз.5). Также этот режим предполагает предпусковой прогрев теплообменника первого подогрева

4.4 Описание системы

Далее описываются составные части системы и режимы их работы.

Воздухозабор.

Заслонка наружного воздуха предназначена для обеспечения забора наружного воздуха. Аварией заслонки считается отсутствие в течение определенного времени (1 мин) сигнала от концевого выключателя закрытия заслонки при наличии сигнала на открытие заслонки. Работа системы невозможна при аварии заслонки.

Показания датчика температуры наружного воздуха используются для расчета температуры предпускового прогрева и температуры воды на выходе из теплообменника первого подогрева в дежурном режиме.

Фильтр.

Секции фильтров (предфильтр, фильтр для приточного воздуха и фильтр для вытяжного воздуха) предназначены для очистки воздуха от пыли и инородных частиц. Для обнаружения засорения фильтра, каждый фильтр снабжен датчиком перепада давления воздуха (поз.12, 13, 15), который срабатывает при превышении перепада давления воздуха на фильтре выше определенного предела (предел перепада давления задается градуированным колесиком на корпусе датчика, его значение определяется удвоенным перепадом давления воздуха на новом фильтре). При засорении фильтра пуск системы возможен.

Рекуператор.

Секция рекуперации состоит из двух теплообменников (один на кондиционере К1, другой на вытяжной системе В3) между которыми циркулирует раствор гликоля. Циркуляция гликоля обеспечивается сдвоенным насосом (основной, резервный), а регулирование теплопроизводительности осуществляется клапаном. Имеются датчики температуры гликоля (поз.8,9), выходящего из теплообменника вытяжной системы и из теплообменника кондиционера К1. Также после вытяжного теплообменника установлен датчик температуры воздуха (поз.4).

Когда температура вытяжного воздуха выше температуры наружного воздуха рекуператор нагревает приточный воздух за счет тепла вытяжного воздуха. Регулирование при работающем насосе увлажнителя осуществляется по датчику температуры воды в поддоне секции увлажнения (поз.6) и корректируется по датчику влажности (поз.3); при выключенном насосе увлажнителя (разомкнутый магнитный пускатель), регулирование осуществляется по датчику температуры приточного воздуха (поз.2). В обоих случаях действует ограничение по температуре приточного воздуха (не менее 16 и не более 30 градусов). Когда температура вытяжного воздуха ниже температуры наружного воздуха, регулирующий клапан полностью открывается и за счет холода вытяжного воздуха происходит охлаждение приточного воздуха.

Насосы рекуператора работают по очереди, сменяясь раз в неделю. При аварии насоса автоматически включается резервный. Следует отметить, что при отсутствии гликоля в системе рекуперации (например, летом) отключаются оба циркуляционных насоса рекуператора.

В зимнее время осуществляется защита рекуператора от обмерзания по датчику температуры вытяжного воздуха после рекуператора. С помощью клапана предотвращается падение этой температуры ниже 2 градусов. При понижении температуры вытяжного воздуха после рекуператора ниже 2 градусов система останавливается по угрозе заморозки. Также в зимнее время осуществляется защита рекуператора от обмерзания по датчикам температуры гликоля на выходе из приточного и вытяжного теплообменников. С помощью клапана предотвращается падение этой температуры ниже - 2 градусов. При понижении температуры гликоля на выходе из вытяжного или приточного теплообменника ниже - 2 градусов система также останавливается по угрозе заморозки. При любой аварии системы по заморозке закрывается воздушная заслонка, останавливается вентилятор и полностью открываются регулировочные клапаны рекуперации и первого подогрева.

Первый подогрев.

Секция первого подогрева предназначена для предварительного нагрева приточного воздуха и состоит из теплообменника, по которому циркулирует горячая вода. Циркуляция горячей воды обеспечивается сдвоенным насосом (основной, резервный), а регулирование теплопроизводительности осуществляется клапаном. Имеется датчик температуры воды, выходящей из теплообменника (поз.7) и капиллярный термостат (поз.5).

Регулирование при работающем насосе увлажнителя осуществляется по датчику температуры воды в поддоне секции увлажнения (точка росы) и корректируется по датчику влажности (поз.3); при выключенном насосе увлажнителя (разомкнутый магнитный пускатель) регулирование осуществляется по датчику температуры приточного воздуха (поз.2). В обоих случаях действует ограничение по температуре приточного воздуха (не менее 16 и не более 30 градусов). Температура точки росы вычисляется исходя из желаемых температуры и влажности приточного воздуха, и составляет обычно 5-20 градусов.

Насосы первого подогрева работают по очереди, сменяясь раз в неделю. При аварии насоса автоматически включается резервный. Насос включается при переводе системы на зимний режим. При отсутствии горячей воды в системе первого подогрева зимой пуск насосов невозможен, также система переходит в аварийный режим защиты от заморозки.

Защита от замораживания теплообменника обеспечивается капиллярным термостатом, медная трубка которого натянута на теплообменник. При падении температуры воздуха за теплообменником ниже определенного значения (задаваемое регулировочным винтом на корпусе термостата, типовое значение 5 градусов) термостат размыкается и останавливает систему по угрозе заморозки. Запуск системы возможен только при возвращении термостата в нормальное состояние (это происходит автоматически при повышении температуры). Кроме того, защита от замораживания теплообменника обеспечивается по показаниям датчика температуры воды (поз.7). При падении температуры воды после выхода из теплообменника ниже определенного значения (типовое значение 10-15 градусов) контроллер останавливает систему по угрозе заморозки. Запуск системы возможен только после прогрева теплообменника до температуры tводы=f (tнар. воздуха) +20єС. При любой аварии системы по заморозке закрывается воздушная заслонка, останавливается вентилятор и полностью открываются регулировочные клапаны рекуперации и первого подогрева.

Зимой при запуске системы происходит автоматический прогрев теплообменника перед включением приточного вентилятора. При прогреве полностью открывается регулировочный клапан. Температура прогрева определяется на основании температуры наружного воздуха графиком:

Рис.4.4 График температуры обратной воды

Подобная мера необходима для исключения замораживания теплообменника при старте системы (когда регулировочный клапан открыт на небольшую величину, а холодный воздух проходит через еще непрогретую воду теплообменника).

Увлажнитель.

Секция увлажнения предназначена для увлажнения приточного воздуха в зимний период. Кроме того, при включенном насосе увлажнителя, по датчику температуры воды в поддоне секции увлажнения осуществляется регулирование теплопроизводительности секций рекуператора и первого подогрева.

Секция увлажнения работает при включении насоса орошения. Желаемое значение этой температуры вычисляется в зависимости от уставок температуры и влажности приточного воздуха. Но при отключенном насосе увлажнителя (разомкнутый магнитный пускатель) секции первого подогрева и рекуперации начинают регулирование по поддержке температуры приточного воздуха.

Секция увлажнения включается только при переводе системы в режим "Зима".

Охлаждение.

Секция охлаждения предназначена для охлаждения приточного воздуха в режиме "Лето", и состоит из теплообменника, по которому циркулирует холодная вода (подготавливаемая в холодильном центре). Регулирование теплопроизводительности осуществляется клапаном по датчику температуры приточного воздуха с ограничением температуры (не менее 16 и не более 30 градусов).

Второй подогрев.

Секция второго подогрева предназначена для окончательного нагрева приточного воздуха, и состоит из теплообменника, по которому циркулирует горячая вода. Регулирование теплопроизводительности осуществляется клапаном по датчику температуры приточного воздуха с ограничением температуры (не менее 16 и не более 30 градусов).

Вентиляторы.

Секции приточного и вытяжного вентиляторов. Для контроля работы вентиляторов, в каждой секции установлен датчик перепада давления воздуха на вентиляторе (поз.14, 16), который срабатывает при наличии напора воздуха после вентилятора. При отсутствии сигнала с датчика в течение определенного времени после запуска вентилятора (20 сек) контроллером инициируется сигнал аварии соответствующего вентилятора. При аварии любого вентилятора, пуск системы невозможен.

Приток.

На выходе кондиционера установлены датчики температуры (поз 2) и влажности (поз.3) приточного воздуха.

Вытяжка.

После секции рекуператора установлен датчик температуры воздуха, используемый для защиты вытяжной секции рекуператора от обмерзания (см. подраздел "Рекуператор").

Алгоритм работы.

Далее описываются алгоритмы, режимы работы системы и обработка аварийных ситуаций

Запуск и останов системы.

При запуске системы в зимний период происходит следующая последовательность действий.

Включается прогрев теплообменника первого подогрева (см. раздел "Первый подогрев"); включается секция рекуперации.

После окончания прогрева происходит открытие заслонки, пуск приточного и вытяжного вентиляторов и пуск насоса увлажнителя (если необходимо, см. раздел "Увлажнитель"). Система переходит в режим регулирования температуры и влажности приточного воздуха.

В дежурном режиме (заслонка закрыта, вентиляторы остановлены) система регулирует температуру воды на выходе из теплообменника первого подогрева по графику (рис.4.4), регулирующий клапан второго подогрева закрыт.

В летний период система запускается без прогрева и временных задержек. После пуска система переходит на регулирование температуры приточного воздуха посредством охлаждения (при необходимости).

Регулирование.

Система осуществляет регулирование, поддерживая температуру приточного воздуха (устанавливается пользователем, типовое значение 20 градусов), и, поддерживая влажность приточного воздуха (устанавливается пользователем, типовое значение 40%).

Регулирование температуры приточного воздуха осуществляется секциями второго подогрева и охлаждения с помощью соответствующих регулировочных клапанов, которые изменяют теплопроизводительности соответствующих секций. Положение клапанов изменяется приводами рекуперации, первого, второго подогрева, либо охлаждения соответственно (поз.25, 22, 24, 23). При этом действует ограничение на температуру приточного воздуха. Температура приточного воздуха должна находиться в пределах от 16 до 30 градусов.

Регулирование влажности осуществляется только при включенном увлажнителе и заключается в поддержании с помощью рекуператора и первого подогрева температуры в поддоне увлажнителя (температуры точки росы). Температура точки росы вычисляется исходя из желаемых температуры и влажности приточного воздуха, и составляет обычно 5-20 градусов. В результате, после подогрева воздуха вторым подогревом, приточный воздух приобретает необходимую влажность. При отключенном увлажнителе (когда контакт магнитного пускателя увлажнителя разомкнут) регулирования влажности не происходит, а секции рекуперации и первого подогрева переключаются на регулирование температуры вытяжного воздуха с ограничением температуры приточного воздуха.

Аварийные ситуации.

При аварии по угрозе заморозки (срабатывание любого термостата, понижение температуры воды на выходе из теплообменников секции первого подогрева ниже 10 градусов, понижение температуры вытяжного воздуха после секции рекуперации ниже 2 градусов, понижение температуры гликоля на выходе из приточного или вытяжного теплообменников секции рекуперации ниже - 2 градусов) или при срабатывании пожарной сигнализации (получение сигнала "Пожар" от модуля пожарной сигнализации) происходит останов приточного и вытяжного вентиляторов, останов насоса увлажнителя, закрытие заслонки наружного воздуха; полное открытие регулировочных клапанов секций рекуперации и первого подогрева; закрытие регулировочных клапанов секций охлаждения и второго подогрева.

В случае аварии любого из вентиляторов снимается сигнал пуска, закрывается заслонка, система переходит в дежурный режим с инициацией сигнала аварии соответствующего вентилятора. Дальнейший пуск системы возможен после ручного снятия сигнала "авария вентилятора" через интерфейс контроллера.

В случае пропадания давления воды в контуре первого подогрева, гликоля в контуре рекуперации, останавливаются циркуляционные насосы, закрывается заслонка, выключаются вентиляторы, открываются регулировочные клапаны.

В случае засора фильтра изменений в работе системы не происходит, контроллер инициирует сигнал "засор фильтра".

При поступлении сигнала "Пожар" система переходит в дежурный режим.

5 Автоматизация технологического комплекса

5.1 Определение локальных контуров регулирования

В разделе 3 выделены четыре контура управления:

Sклап. рекуп. - tглик. вых.;

Sклап.1под. - dвозд. прит.;

Sклап.1 под. - tводы вых.;

Sклап.2 под. - tвозд. прит.

Во втором контуре регулируемым параметром является влагосодержание, что ставит в зависимость также и от температуры воздуха, т.к выходным параметром воздуха, все-таки, должна быть относительная влажность. Недостатками регулирования по относительной влажности являются значительная инерционность канала управления, т.к формирование и измерение конечного результата возможно только на выходе установки, также сложность математического описания, т.к относительная влажность - это комплексный параметр, зависящий от давления воздуха, влагосодержания, температуры, газового состава. Математически эта зависимость выглядит приблизительно так:

(5.1)

Однако, в связи с техническими сложностями измерения влагосодержания, на практике регулирование осуществляется по температуре воды в поддоне. Уставка температуры определяется по I-d диаграмме влажного воздуха, затем корректируется вручную по показаниям датчика относительной влажности.

Также необходимо включить системы контроля сигнализации:

наличия воды в контурах, для защиты насосов от "сухого хода";

перепад давления воздуха на фильтрах, для контроля степени загрязненности воздушных фильтров;

перепад давления на вентиляторах, для контроля работы вентиляторов;

наличие электрического напряжения в схеме управления, для защиты от заморозки системы при пропадания электричества.

5.2 Выбор управляющего устройства

Для управления работой установки выбран контроллер Vision V120-22-RA22 с модулями расширения IO-PT4К - 2 шт., IO-AO6X - 1 шт., IO-AI4-AO2 - 1 шт. фирмы Unitronics, т.к контроллеры этого производителя, относящиеся к средней ценовой категории, хорошо себя зарекомендовали на практике. Они широко применяются для управления промышленными процессами.

Контроллер с модулями питается напряжением 24В постоянного тока, имеет следующую конфигурацию входов выходов:

V120-22-RA22 - 12 дискретных входов (pnp), 8 релейных выходов, 2 аналоговых входа для унифицированных сигналов напряжения и тока (0-10В, 0-20мА, 4-20мА), 2 входа для преобразователей сопротивления PT100, 2 унифицированных аналоговых выхода (0-10В, 4-20мА), также оснащен интерфейсами RS232/485;

IO-PT4К (2 шт) - 8 аналоговых входов для преобразователей сопротивления PT1000;

IO-AO6X - 6 изолированных аналоговых выходов унифицированных сигналов (0-10В, 0-20мА, 4-20мА);

IO-AI4-AO2 - 4 аналоговых входа для унифицированных сигналов (0-10В, 0-20мА, 4-20мА), 2 аналоговых выхода унифицированных сигналов (0-10В, 0-20мА, 4-20мА)

Рис.5.2 Модуль расширения, позволяющий подключать к контроллеру дополнительные модули входов/выходов: 1 - индикатор статуса; 2 - порт для подключения контроллера; 3 - клеммы питания; 4 - разъем для подключения модуля входов/выходов.

Рис.5.3 Модуль входов/выходов IO-PT4К: 1,4 - разъемы для подключения модулей расширения; 2 - индикатор статуса; 3 - клеммы для подключения преобразователей сопротивления.

Рис.5.4 Модуль входов/выходов IO-AO6X: 1,6 - разъемы для подключения модулей расширения; 2 - индикатор статуса сети; 3 - индикатор питания выходов; 4,7 клеммы аналоговых выходов; 5 - клеммы для подключения питания.

Рис.5.5 Модуль расширения IO-AI4-AO2: 1,6 - разъемы для подключения модулей расширения; 2 - индикатор сети; 3 - клеммы для подключения питания; 4 - клеммы аналоговых выходов; 5 - индикаторы статуса входов/выходов; 7 - клеммы аналоговых входов.

Модули расширения подключаются последовательно

Монтаж контроллера возможен, как на лицевую панель шкафа автоматики (рис.5.7, 5.8) так и на DIN-рейку (рис.5.9, 5.10).

Рис.5.7 Монтаж контроллера на лицевую панель шкафа, вид сбоку.

Рис.5.9 Монтаж контроллера на DIN-рейку, вид сбоку.

Рис.5.10 Монтаж контроллера на DIN-рейку, спереди.

Контроллер программируется на ПК в программной среде VisionLogic. В VisionLogic имеются 3 редактора:

Редактор Ladder (редактор многозвенных схем)

Редактор дисплеев (редактор HMI)

Редактор переменных (редактор HMI)

Каждый из выше перечисленных редакторов имеет свое окно для программирования.

5.3 Выбор датчиков

Для измерения температуры воздуха в канале - датчик TG-KH1/PT1000.

Для измерения температуры воды/гликоля на выходе из теплообменников - датчик накладной TG-A1/PT1000.

Для измерения температуры воды в поддоне - погружной датчик TG-DH1/PT1000.

Для измерения температуры наружного воздуха - датчик TG-R3/PT1000.

Для измерения перепада давления воздуха на фильтрах и вентиляторе датчик перепада давления воздуха DPS 500.

5.4.Выбор исполнительных механизмов

Для управления регулирующими клапанами электрический привод SQX 62. Привод питается напряжением переменного тока 24В. Управляющий сигнал - 0-10В постоянного тока. Привод имеет встроенный потенциометрический датчик положения штока, с выходным сигналом - 0-10В постоянного тока.

Для управления воздушной заслонкой электрический привод с конечными датчиками положения заслонки GCA 326.1E.

Выбор шкафа.

Для размещения шкафного оборудования автоматики и пускорегулирующей аппаратуры применен шкаф Atlantik RAL 7035 с габаритными размерами 1000х600х250 (высота, ширина, глубина). Шкаф оснащен двумя вертикальными монтажными стойками Lina 25 и рейками Lina 25 для монтажа оборудования.

Расчет надежности системы.

Одной из важнейших характеристик системы автоматического управления является надёжность её работы.

Под надёжностью системы понимается её способность работать без отказов, в заданных режимах и условиях, в течение, требуемого времени при сохранении основных характеристик (точность, устойчивость, и др.).

При инженерных расчётах надёжности систем пользуются следующими количественными показателями надёжности:

Вероятность безотказной работы изделия или системы - P (t). Это вероятность того, что система при определённых режимах и условиях эксплуатации, в течение, заданной продолжительности работы ни разу не выйдет из строя (не наступит ни одного отказа);

Вероятность отказа системы 0 (Ц-вероятность того, что в системе при определённых режимах и условиях эксплуатации, в течение, заданного интервала времени t наступит хотя бы один отказ;

Интенсивность отказов элементов или системы в целом (изделия) - (t)

Среднее время безотказной работы системы Тс - это математическое ожидание времени безотказной работы изделия до первого отказа.

Наработка на отказ, То - среднее значение наработки на отказ системы, между двумя отказами, при этом считается, что элементы системы и система, в целом, восстанавливаемы.

При расчёте показателей надёжности пользуются, как правило, понятием структурной надёжности.

Под структурной надёжностью системы понимается - результирующая надёжность, образующих систему элементов.

Величина этой надёжности, оцениваемая выше приведёнными числовыми показателями надёжности (или одним из них), зависит от способа соединения элементов, в системе автоматического регулирования: последовательное, параллельное, смешанное. При экспоненциальном законе распределения отказов, вероятность безотказной работы системы может быть принята равной:

Dc (t) =,

где л, - суммарная интенсивность отказов элементов системы, t - время, за которое оценивается вероятность безотказной работы.

Таким образом, вероятность безотказной работы системы за время t, определяется произведением вероятности безотказной работы ее элементов при их последовательном соединении, то есть:

Pc (t) = P\ (t) P2 (t)... Pi (t) = " Pi{t) (5.2)

и с учетом того Pc{t) =

Среднее время наработки на отказ определяется:

Pc (t) = ,

С учетом данных по оборудованию по формуле определяем:

Рc (t) = = =1-0, 197 = 0,803 (5.3)

Определяем время наработки на отказ:

Tc=1/л=1/*83.4=11990 часов

Таким образом, для проектируемой системы два основных количественных показателей Pc (t) =0,803 и Тс=11990 часов, что является достаточным для промышленных систем.

5.5 Моделирование автоматической системы регулирования

Для моделирования возьмем контур стабилизации температуры приточного воздуха. Структура контура представлена на рис.5.11.

Рис.5.11 Структура контура стабилизации температуры приточного воздуха

Передаточная функция объекта, включая клапан, имеет следующий вид:

(5.4)

Передаточная функция ПИ-регулятора:

(5.5)

Рассчитаем параметры регулятора.

(5.6)

(5.7)

Переходные характеристики по каналам задания и возмущения приведены на рис.5.8, 5.9.

Рис.5.8 Переходная характеристика по каналу задания

Рис.5.9 Переходная характеристика контура по каналу возмущения

Из графика видно, что переходный процесс имеет значительную колебательность, поэтому для оптимизации применим поправочные коэффициенты:

кр = кр 0.35 = 38.5 · 0.35 = 13.5 (5.8)

Ти = Ти 1.2 = 105 · 1.2 = 126 (5.9)

На рис.5.10, 5.11 представлены переходные характеристики с поправленными коэффициентами.

Рис 5.10 Переходная характеристика по каналу задания с поправочными коэффициентами

Рис.5.11 Переходная характеристика по каналу возмущения с поправочными коэффициентами.

Переходная характеристика по каналу возмущения имеет такую форму, потому что в составе регулятора присутствует звено, которое ограничивает выходной сигнал регулятора в диапазоне 0-10 В постоянного тока. Также в составе регулятора есть привод клапана, передаточная функция которого представлена усилительным звеном с передаточным коэффициентом равным 10.

На рисунке 5.12 представлен график выходного сигнала регулятора во время переходного процесса.

Рис.5.12 График выходного сигнала регулятора во время переходного процесса.

Рис.5.13 Переходная характеристика по каналу задания без ограничения выходного сигнала регулятора.

Рис.5.14 Переходная характеристика по каналу возмущения без ограничения выходного сигнала регулятора.

Рис.5.15 Переходная характеристика контура

5.6 Программирование контроллера

Рис.5.16 Конфигурация модулей

Рис.5.17 Конфигурация дискретных входов контроллера

Рис.5.18 Конфигурация дискретных выходов контроллера

Рис.5.19 Конфигурация аналоговых входов контроллера

Рис.5.20 Конфигурация входов блока D2

Рис.5.21 Конфигурация входов блока D3

Рис.5.22 Конфигурация выходов блока D4

Рис.5.23 Конфигурация входов блока D5

Рис.5.24 Программный блок "Критичные аварии 1,2"

Рис.5.25 Программный блок "Критичные аварии" (общая авария).

Рис.5.26 Программный блок "Некритичные аварии" (аварии фильтров)

Рис.5.27 Регулирование температуры гликоля

Рис.5.28 Регулирование температуры обратной воды первого подогрева

Рис.5.29 Регулирование относительной влажности воздуха

Рис.5.30 Регулирование температуры приточного воздуха

Рис.5.31 Пуск установки

6. Безопасность эксплуатации автоматизированного технологического комплекса

6.1 Требования к вентиляционным системам при эксплуатации

К эксплуатации допускаются вентиляционные системы, полностью прошедшие пусконаладочные работы и имеющие инструкции по эксплуатации по ГОСТ 2.601-95, паспорта, журналы ремонта и эксплуатации.

В инструкции по эксплуатации вентиляционных систем должны быть отражены вопросы взрыво - и пожароопасной безопасности.

Плановые осмотры и проверки соответствия вентиляционных систем требованиям настоящего стандарта должны проводиться в соответствии с графиком, утвержденным администрацией объекта.

Профилактические осмотры помещений для вентиляционного оборудования, очистных устройств и других элементов вентиляционных систем, обслуживающих помещения с помещениями категорий А, Б и В, должны проводиться не реже одного раза в смены с занесением результатов осмотра в журнал эксплуатации. Обнаруженные при этом неисправности подлежат немедленному устранению.

Помещения для вентиляционного оборудования должны запираться, и на их дверях - вывешиваться таблички с надписями, запрещающими вход посторонним лицам.

Не допускается хранение в этих помещениях материалов, инструментов и других посторонних предметов.

В процессе эксплуатации вытяжных вентиляционных систем, транспортирующих агрессивные среды, необходимо производить периодическую проверку толщины стенок воздуховодов вентиляционных устройств и очистных сооружений. Периодичность и способы проверки толщины стенок устанавливаются в зависимости от конкретных условий работы вентиляционных систем. Проверка должна производиться не реже одного раза в год.

Вентиляционные системы, располагающиеся в помещениях с агрессивными средами, должны проходить проверку состояния и прочности стенок и элементов крепления воздуховодов, вентиляционных устройств и очистных сооружений в сроки, устанавливаемые администрацией объекта, но не реже одного раза в год.

Ревизия огнезадерживающих клапанов, самозакрывающихся обратных клапанов в воздуховодах вентиляционных систем и взрывных клапанов очистных сооружений должна проводиться в сроки, устанавливаемые администрацией объекта, но не реже одного раза в год. Результаты оформляются актом и заносятся в паспорта установок.

Эксплуатация электрооборудования вентиляционных систем, токоведущих частей и заземлений должна проводиться согласно требованиям "Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей и правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей", утвержденных Главгосэнергонадзором.

Смазка подвижных деталей механизмов вентиляционных систем должна осуществляться только после полной их остановки. К местам смазки должен быть обеспечен безопасный и удобный доступ.

При составлении планов реконструкции производства, связанных с изменением принятых технологических схем, производственных процессов и оборудования, должны одновременно рассматриваться вопросы о необходимости измерения существующих вентиляционных систем или о возможности их пользования в новых условиях.

При изменении количества выделяющихся вредных веществ, тепла и влаги вентиляционные системы должны быть реконструированы и наложены на параметры в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1 005-88 и строительными нормами и правилами.

6.2 Требования к вентиляционным системам при ремонте

Все виды ремонта вентиляционных систем должны выполняться в соответствии с графиком планово-предупредительных работ по ремонту, утверждаемыми администрацией объекта.

Ремонт местных вытяжных вентиляционных систем следует производить одновременно с плановым ремонтом технологического оборудования, обслуживаемого этими системами.

Если намеченные к ремонту вентиляционные системы связаны с другими производствами или помещениями, их выключение допускается только после взаимного согласования сроков ремонта.

Ремонт и чистка вентиляционных систем должны производиться способами, исключающими возможность возникновения взрыва и пожара.

Производство ремонтных работ, работ по переоборудованию и чистке вентиляционных систем, обслуживающих или расположенных в помещениях с помещениями категорий А, Б и В, разрешается только после того, как концентрация взрывоопасных веществ в воздуховодах этих помещений и помещениях для размещения вентиляционного оборудования будет снижена до уровня, не превышающего допустимых величин, установленных нормами.

Ремонт взрывозащищенного электрооборудования вентиляционных систем, замена и восстановление его деталей должны производиться только на специальных предприятиях или в цехах других предприятий, имеющих на это разрешение соответствующих организаций. Отремонтированное взрывозащищенное электрооборудование должно пройти контрольное испытание на соответствие техническим условиям с занесением результатов испытаний и характера ремонта в паспорт по ГОСТ 2.601-95.

Проверка контрольно-измерительных приборов вентиляционных систем должна производиться в соответствии с ГОСТ 8.513-84.

Чистка вентиляционных систем должна производиться в сроки, установленные инструкциями по эксплуатации. Отметка о чистке заносится в журнал ремонта и эксплуатации системы.

7. Технико-экономические показатели автоматизированного комплекса

7.1 Исходные данные

Согласно ГОСТ 30494-96 "Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях", допустимыми являются: температура воздуха в помещении 18-24єС, относительная влажность не более 60%. Автоматизация процесса обработки воздуха позволяет достигнуть оптимальных, согласно ГОСТа, показателей: температуры воздуха в помещении 20-22єС, относительной влажности 30-45%. Что позволяет экономить тепловую энергию, необходимую на нагрев приточного воздуха на 2єС и увеличение влажности на 15%. Также пропадает необходимость в участии человека-оператора в регулировании параметров воздуха. Добавляются затраты на техническое обслуживание, далее ТО, и ремонт средств автоматизации. Как правило техническим обслуживанием занимаются подрядные организации, поэтому расчет соответствующих затрат ведется, исходя из установившихся расценок на ТО автоматики систем вентиляции и кондиционирования.

Исходные данные:

Количество тепла, необходимого для нагрева приточного воздуха на 2єС:

(7.1)

где Q - количество тепла, кВт;

L - расход воздуха, м3/час;

Iб - разность между температурой приточного и уличного воздуха в базовом варианте

Iа - разность между температурой приточного и уличного воздуха в варианте с применением средств автоматизации.

15% влажности - это дополнительный перегрев воздуха в первом подогреве еще на 10єС, т.е.81,6 кВт.

Цена тепловой энергии - 800 руб. за 1 ГКал

Мощность, потребляемая средствами автоматики незначительна, поэтому в расчеты не включена.

Себестоимость средств автоматизации по оптово-отпускной цене составляет 77 993 руб. Проектные работы принять 10% от сметной стоимости средств автоматизации. Нормативный срок эксплуатации 10 лет

Стоимость ТО средств автоматики подрядной организацией - 2500 руб/месяц.

Для обслуживания системы вентиляции без автоматики предусмотреть дополнительно полставки слесаря-сантехника 5-го разряда с тарифной ставкой в смену 200 р. Режим работы непрерывный 3-х сменный.

Расчет годовой экономии тепловой энергии

Отопительный сезон в Екатеринбурге длится 7 полных месяцев (октябрь - апрель), что составляет 212 дней или 5088 часов. Энергия, сэкономленная системой автоматики равна:

(7.2)

, (7.3)

что в денежном эквиваленте составляет:

(7.4)

7.2 Расчет инвестиций

В составе капитальных вложений следует учитывать:

Проектные затраты (Кпр) - затраты на научно исследовательские, опытно конструкторские работы, включая испытания и доработку опытных образцов. Затраты на проектные работы принимаются 10% от сметной стоимости средств автоматизации.

Затраты на приобретение, доставку, монтаж оборудования в варианте новой техники (Кобор). Расчеты приводятся ниже:

Цопт = 77 993 руб. (7.5)

(7.6)

(7.7)

(7.8)

(7.9)

(7.10)

(7.11)

(7.12)

Итого:

проектные затраты (Кпр) - 9 530.67 руб.;

сметная стоимость оборудования (Кобор) - 95 306.66 руб.;

всего вложений в основные фоды (Коф) - 104 837.33 руб.

7.3 Расчет текущих издержек

Для определения годовых затрат рассчитываются текущие издержки после внедрения системы автоматизации.

Амортизационные отчисления определяются следующим образом:

(7.13)

Всего текущих затрат:

(7.14)

Текущие издержки уменьшаются на затраты на зарплату рабочим, ставки, которых сокращаются при использовании средств автоматизации.

Режим работы непрерывный 3-х сменный.

кспис = 1,508 расчеты приведены ниже в таблице 7.1;

Аспис = ксписЧnсмен = 1,508Ч3 = 4,524; (7.15)

nсмен в год = nсменЧТгод = 3Ч365 = 1095 смен; (7.16)

СТ = 100 руб.

ЗТ = nсменЧСт = 1095Ч100 = 109 500 руб.; (7.17)

ДСзп = Зт + крайонЧЗт = 109 500 + 0,33Ч109 500 = 145 635 руб. (+) (7.18)

Баланс рабочего времени на одного рабочего представлен в таблице 7.1. Принят непрерывный цикл работы, 8-ми часовая смена.

Таблица 7.1. - Баланс рабочего времени

5. Увеличение отчислений на социальные нужды принимаем в размере установленного законодательством процента от общей суммы изменяющейся заработной платы.

ДСсоц. н = ДСзп Ч Н, (7.19)

где: Н -норма отчислений на социальные нужды,% (Н = 28%).

ДСсоц. н = 40 777.8 руб. (+) (7.20)

Итого издержек:

(7.21)

Т. е. получается экономия денежных средств в размере 145 929.1 руб. в год. Добавим годовую экономию на теплоносителе и получим 488 729.1 руб/год

7.4 Экономическая эффективность проектируемого технического решения

(7.22)

Срок окупаемости проекта:

(7.23)

Вывод:

Полученные результаты указывают не только на техническую, но и экономическую целесообразности данного проекта автоматизации системы центрального кондиционирования.

Заключение

Моделирование комплекса показало, что практически по всем каналам управления объект обладает запаздыванием, и значительными величинами постоянной времени. Это можно объяснить наличием большой инерционности по этим каналам. В качестве основного канала в работе рассмотрен канал "стабилизации температуры приточного воздуха путем изменения подмеса горячей воды в контур теплоснабжения теплообменника второго подогрева посредством регулировочного клапана". Анализ разработанной одноконтурной системы показал высокие качественные показатели системы: по каналу возмущающего воздействия и по каналу задания.

В результате была разработана общая схема автоматизации комплекса и применены современные средства автоматизации.

Для локальной системы выбраны основные элементы:

датчик;

контроллер с блоками ввода/вывода;

исполнительное устройство

Расчёт надёжности локальной системы показал, что вероятность безотказной работы системы в течение года P (t) =85%, что достаточно для систем, работающих в промышленности.

Страницы: 1, 2, 3, 4