Иванова Г.В. Автоматизация технологических процессов - файл Met1_ATPOXP.DOC

приобрести
Иванова Г.В. Автоматизация технологических процессов
скачать (909.3 kb.)
Доступные файлы (2):

Met1_ATPOXP.DOC	3330kb.	25.11.2007 10:52	скачать
Met2_ATPOXP.DOC	3253kb.	25.11.2007 10:52	скачать

---

Смотрите также:
• Булатов Ю.И. Рабочая программа Автоматизация технологических процессов для специальности 2101 Автоматизация технологических процессов и производств (Документ)
• Федотов А.В. Вопросы разработки систем автоматизации технологических процессов и производств (Документ)
• Пищухин А.М. Теоретические основы выбора средств автоматизации технологических процессов (Документ)
• Фафурин В.А., Терюшов И.Н. Автоматизация технологических процессов и производств (Документ)
• Сажин Р.А. Автоматизация технологических процессов горного производства: учеб. пособие (Документ)
• Кузьменко Н.В. Автоматизация технологических процессов и производств (Документ)
• Вьюков И.Е. Автоматизация технологических процессов целлюлозно-бумажной промышленности (Документ)
• Трусов А.Н. Автоматизация технологических процессов и производств (Документ)
• Жукова Ю.С. Автоматизация технологических процессов ЦБП. Конспект лекций (Документ)
• Бородин И.Ф., Судник Ю.А. Автоматизация технологических процессов (Документ)
• Медведев А.Е. Правила выполнения схем автоматизации технологических процессов и оборудования (Документ)
• Норицын И.А., Власов В.И. Автоматизация и механизация технологических процессов ковки и штамповки (Документ)

Met1_ATPOXP.DOC

Материалы к лекции №7

Автоматизация кожухотрубных теплообменников


Схема кожухотрубного теплообменника

с неизменяющимся агрегатным состоянием веществ.



Рис.1.

• 
  Технологический процесс: нагревание технологического потока G до температуры ?^вых с помощью теплоносителя G_т с неизменяющимся агрегатным состоянием.
  

• 
  Показатель эффективности: ?^вых.
  

• 
  Цель управления: поддержание ?^вых= ?_зд.
  

Математическое описание на основе физики процесса.

• 
  Движение теплоносителей осуществляется противотоком при заданных ?_т^вх, ?_т^вых, ?^вых, ?^вх.
  
• 
  Движущая сила процесса: (1),
  

где .

• 
  Тепловая нагрузка аппарата: (2).
  

• 
  Q(дж/с) позволяет определить G_т^эфф и G^эфф на основе тепловых балансов:
  

(3а);

(3б);

(4а);

(4б).

Эффективное время пребывания:

. (5).
Математическое описание на основе теплового баланса.
Уравнение динамики:

(6).

Уравнение статики при :

(7)

На основании (6) и (7) можно принять:. (8).
Информационная схема объекта.


Рис.2.

• 
  Возможные управляющие воздействия:.
  

• 
  Возможные контролируемые возмущения: .
  

• 
  Возможные неконтролируемые возмущения: .
  
• 
  Возможная управляемая переменная: .
  

Анализ динамических характеристик объекта.
Уравнение динамики в нормализованном виде.

(9).

На основе этого уравнения динамики объект по каналу описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка:

(10),

где: ; .

Объект имеет транспортное запаздывание:

(11),

где V_труб - объем трубопровода от Р.О. до входа в аппарат.

Таким образом, в целом динамика объекта по каналу управления описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка с запаздыванием:

(12).
Анализ статической характеристики объекта.
Из уравнения статики выразим ^вых в явном виде:

(13).

• 
  Статическая характеристика линейна по каналам: .
  
• 
  Статическая характеристика нелинейна по каналу .
  
• 
  Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к G введением стабилизации соотношения расходов: , тогда получим:
  

(14).

• 
  Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора:
  

(15).

• 
  Линеаризованное представление приращения выходной переменной через приращения всех возможных входных переменных:
  

(16).

Типовая схема автоматизации

кожухотрубного теплообменника.

Рис.3.


Типовое решение автоматизации.
Типовое решение автоматизации кожухотрубных теплообменников включает в себя подсистемы регулирования, контроля, сигнализации и защиты.

1. 
   Регулирование.
   

• 
  Регулирование температуры по подаче теплоносителя G_т - как показателя эффективности процесса нагревания в кожухотрубном теплообменнике.
  

2. 
   Контроль.
   

• 
  расходы - G_т, G;
  
• 
  температуры - ;
  
• 
  давление - Р_т, Р.
  

3. 
   Сигнализация.
   

• 
  существенные отклонения ^вых от задания;
  
• 
  резкое падение расхода технологического потока G , при этом формируется сигнал «В схему защиты».
  

4. 
   Система защиты.
   

По сигналу «В схему защиты» - отключается магистраль подачи теплоносителя G_т.


Схема парожидкостного теплообменника

(с изменяющимся агрегатным состоянием теплоносителя).


Рис.1.

• 
  Технологический поток (нагреваемая жидкость) G_ж подается по трубкам теплообменника.
  

• 
  Теплоноситель с изменяющимся агрегатным состоянием (греющий пар) G_п подается по межтрубному пространству.
  

• 
  Показатель эффективности:.
  

• 
  Цель управления: поддержание .
  

Математическое описание на основе физики процесса.

• 
  Теплопередача от паровой фазы теплоносителя:
  

(1),

• 
  Теплопередача от жидкой фазы теплоносителя:
  

(2),

где: - количество тепла, передаваемое от паровой фазы и конденсата теплоносителя в единицу времени, дж/с;

- коэффициенты теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, дж/(м²*К^*с);

- поверхность теплопередачи для паровой фазы и конденсата теплоносителя, м²;

- средняя движущая сила при теплопередаче от паровой фазы к жидкому технологическому потоку и от конденсата к жидкому технологическому потоку.

• 
  Общая тепловая нагрузка парожидкостного теплообменника:
  

(3).

• 
  Так как , то интенсивность теплопередачи от паровой фазы значительно выше, чем от конденсата.
  

• 
  Поэтому на величину Q влияет величина соотношения F_п /F_к, которая зависит от уровня конденсата:
  

(4а).

где и (4б).

• 
  На основании (4а) общая тепловая нагрузка Q также будет зависеть от уровня конденсата h_к:
  

(4в),

• 
  Q(дж/с) позволяет определить G_п^эфф и G_ж^эфф на основе тепловых балансов:
  

(5а);

(5б);

(6а);

(6б),

при h_к =h_эфф.

• 
  Эффективное время пребывания:
  

. (7).

Тепловой баланс парожидкостного теплообменника.

Уравнение динамики:
Полагаем: пар перегретый и конденсат охлаждается :

(8).

Уравнение статики при :

(9).

На основании (8) и (9) а также (6а) и (4в) можно записать:

. (10),

где , так как при P_п _кип r_п .

Материальный баланс по жидкой фазе

для межтрубного пространства.

Уравнение динамики:

, (11),

Уравнение статики при :

(12)

На основании (11) и (12) и предпочтительное управляющее воздействие – G_к.

Материальный баланс по паровой фазе

для межтрубного пространства.

Уравнение динамики:

(14),

где М_п - мольная масса паровой фазы теплоносителя, кг/моль;

Р_п - давление паровой фазы теплоносителя, Па;

_п - температура паровой фазы теплоносителя, К,

V_п - объем паровой фазы теплоносителя, м³ .

Уравнение статики при :

(15).

На основании (14) и (15) и предпочтительное управляющее воздействие - G_п.


Информационная схема объекта.



Рис.2.

• 
  Возможные управляющие воздействия:.
  

• 
  Возможные контролируемые возмущения: .
  

• 
  Возможные неконтролируемые возмущения: .
  

• 
  Возможные управляемые переменные: .
  

• 
  Наиболее эффективные каналы управления:
  

.

Анализ динамических характеристик парожидкостного теплообменника

как объекта управления температурой.

• 
  Исходные условия: .
  
• 
  Уравнение динамики в нормализованном виде.
  

(17)

• 
  На основе этого уравнения динамики объект по каналу описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка:
  

(18),

где: ; .

• 
  Объект имеет транспортное запаздывание:
  

(19),

где V_труб - объем трубопровода подачи пара от Р.О. до входа в аппарат.

• 
  Таким образом, в целом динамика объекта по каналу управления описывается математической моделью апериодического звена 1-го порядка с запаздыванием:
  

(20).

Анализ статической характеристики объекта.

Из уравнения статики выразим в явном виде:

(21).

• 
  Статическая характеристика линейна по отношению к воздействиям по: .
  
• 
  Статическая характеристика нелинейна по отношению к воздействию по G_ж.
  
• 
  Статическую характеристику можно линеаризовать по отношению к G_ж введением стабилизации соотношения расходов: , тогда получим:
  

(22).

• 
  Линеаризованное представление статической характеристики через разложение в ряд Тейлора:
  

(23).

На основании (23) можно получить:

(24).


Схема испарителя

(кожухотрубного теплообменника с изменяющимся агрегатным состоянием

теплоносителя и технологического потока).



Рис.1.

Показатель эффективности: h_ж - уровень жидкой фазы в трубках испарителя.

Цель управления: поддержание .

Математическое описание на основе физики процесса.

1. 
   Общая тепловая нагрузка испарителя Q:
   

(1).

2. 
   На основании уравнения теплопередачи можно записать:
   

и (2).

При теплопередаче от греющего пара и конденсата через трубки справедливы соотношения:

и (3).

3. 
   Общая поверхность теплопередачи F_т при конденсации греющего пара определится как:
   

F_т = F_п + F_к (4а),

и следовательно на основании (3) и (4а) можно записать:

(4б).

4. 
   Определение на основании теплового баланса по греющему пару:
   

=G_гр *r_гр (5а);

= (5б).

5. 
   Определение на основании теплового баланса по технологическому потоку:
   

(6а);
(6б).


Выводы из математического описания физики процесса:

• 
  Общая тепловая нагрузка, отдаваемая греющим паром зависит следующих его параметров:
  

(7).

• 
  Общая тепловая нагрузка, получаемая технологическим потоком, определяет следующие его параметры:
  

и (8);
(9).

Математическое описание на основе

теплового и материальных балансов процесса.
Тепловой баланс испарителя.
Уравнение динамики:

В развернутом виде при условии и :

(10а).

• 
  т.е. тепло выделяется за счет охлаждения G_гр от исходной температуры _гр до температуры насыщенного пара , конденсации пара и последующего охлаждения конденсата до _к .
  

• 
  тепло расходуется на нагревание G_ж до температуры , испарение жидкости и отводится с образующейся паровой фазой.
  

В свернутом наиболее общем виде выражение (10а) преобразуется к виду:

(10б).

Уравнение статики при :

(10в)
Выводы по тепловому балансу процесса:

• 
  В целом температура в испарителе на основании выражений (8) и (9) зависит от следующих параметров процесса:
  

(10г).

• 
  Так как температура в испарителе у поверхности раздела фаз, т.е. в зоне испарения должна быть равна температуре кипения, то можно полагать:
  

 = _ж = _п = _кип ,

а температура кипения зависит от давления паровой фазы в испарителе, т.е. при Р_п _кип  (при этом r_ж ).

• 
  Поэтому температура не может использоваться как показатель эффективности процесса испарения.
  

• 
  Однако, на основании (6а, 6б) температура важна для обеспечения расчетной общей тепловой нагрузки Q в испарителе, т.е. теплового баланса в аппарате.
  

• 
  Из выражения (10г) следует, что основными параметрами, характеризующими данный процесс, являются:
  

• 
  уровень h_ж и давление Р_п технологического потока в испарителе;
  
• 
  уровень h_к и давление Р_гр потока греющего пара в кипятильнике;
  

Материальный баланс по жидкой фазе в испарителе

(для технологического потока)

• 
  Уравнение динамики:
  

, (11),

• 
  Уравнение статики при :
  

(12).

• 
  На основании (11) и (12) можно считать:
  

. (13),

• 
  Предпочтительное управляющее воздействие G_гр.
  

Материальный баланс по жидкой фазе в кипятильнике

(для конденсата греющего пара).

• 
  Уравнение динамики:
  

, (14),

• 
  Уравнение статики при :
  

(15).

• 
  На основании (14) и (15) можно считать:
  

. (16).

• 
  Предпочтительное управляющее воздействие является отбор конденсата G_к.
  

Материальный баланс по паровой фазе

для технологического потока в испарителе.

• 
  Уравнение динамики:
  

(17),

где

М_п - мольная масса паровой фазы технологического потока, кг/моль;

Р_п - давление паровой фазы технологического

потока, Па;

_п - температура паровой фазы технологического

потока, К,

V_п - объем паровой фазы технологического

потока, м³ .

• 
  Уравнение статики при :
  

(18).

• 
  На основании (17) и (18)можно считать:
  

(19),

Предпочтительное управляющее воздействие G_п.


Материальный баланс по паровой фазе для кипятильника.
Уравнение динамики:

(20),

где М_гр - мольная масса паровой фазы греющего пара,

кг/моль;

Р_гр - давление паровой фазы греющего пара, Па;

_гр - температура паровой фазы греющего пара, К,

V_гр - объем паровой фазы греющего пара, м³ .

• 
  Уравнение статики при :
  

(21).
На основании (20) и (21) можно считать:
(22).
Предпочтительное управляющее G_гр .

Информационная схема испарителя

на основе материального баланса.

Рис.2.

• 
  Возможные управляющие воздействия:
  

.

• 
  Возможные управляемые переменные:
  

.


Информационная схема испарителя

для типового решения автоматизации.

Рис.3.

• 
  В типовом решении автоматизации испарителей объект рассматривают как односвязный для основных каналов управления рис.3.
  

• 
  Однако, на основании схемы рис.3. объект можно рассматривать как многосвязный.
  

• 
  Многосвязность объекта с позиций физики процесса можно объяснить следующим образом:
  

• 
  При ; т.к. при
  

• 
  При ; т.к. при
  

Типовая схема автоматизации испарителей.


Рис.4.


Типовое решение автоматизации испарителей.

1. 
   Регулирование.
   

• 
  Регулирование уровня h_ж по подаче греющего пара G_гр - как показателя эффективности процесса нагревания в испарителе.
  
• 
  Регулирование давления Р_п по отбору паровой фазы из испарителя - для обеспечения материального баланса по паровой фазе и стабилизации r_ж=f(P_п).
  

2. 
   Контроль.
   

• 
  расходы - G_гр, G_п , G_ж ;
  
• 
  температуры - ;
  
• 
  давление - Р_гр, Р_ж Р_п ;
  
• 
  уровень - h_ж
  

3. 
   Сигнализация.
   

• 
  существенные отклонения h_ж и Р_п от заданий;
  
• 
  резкое падение расхода технологического потока G_ж , при этом формируется сигнал «В схему защиты».
  

4. 
   Система защиты.
   

По сигналу «В схему защиты» - отключаются магистрали подачи греющего пара G_гр и отбора пара для технологических нужд.

8. 1   2   3   4   5   6   7
   
   

   ---

   Материалы к лекции №7