Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

У гірничодобувній, нафтопереробної, скляної, хімічної промисловості, машинобудуванні, металургії та інших галузях, на великих підприємствах, велике значення має проблема охолодження оборотної води, застосовуваної в замкнутому технологічному циклі, до необхідної температури. Необхідність підтримки необхідної різниці температури, обумовлюється специфікою деяких хімічних виробництв, в яких необхідно забезпечити точність технологічного циклу. На великих підприємствах широке поширення одержали градирні.

Градирня – це споруда для охолодження води атмосферним повітрям. Гаряча вода в градирні охолоджується як за рахунок контакту з холодним повітрям, так і в результаті так званого випарного охолодження в процесі випаровування частини потоку води.

1. Актуальність теми

Вода, що відходить з градирні може бути знову використана для охолодження технологічних потоків (у теплообмінних апаратах). Включення великих кількостей води, використовуваної для охолодження, в водооборотні цикли дозволяють значно знизити потреби у свіжій воді, яка в даному випадку використовується лише для підживлення відповідного водооборотного циклу. Крім цього, використання градирень в поєднанні з фільтрами дозволяє забезпечити використання води в замкнутому технологічному циклі, що істотно поліпшує екологічну обстановку в регіоні, де розташоване підприємство.

Температура оборотної води, охолоджуваної на градирнях, істотно впливає на роботу технологічного обладнання. Створення систем оборотного водопостачання з використанням градирень стає загальноприйнятою практикою забезпечення виробничого процесу. Досвід експлуатації градирень в системах оборотного водопостачання дозволяє серйозно зменшити витрати підприємств на споживання і скидання технічної води (до 95 %), підвищити ККД використання компресорного устаткування (2–4 %) і забезпечити екологічну безпеку виробництва.

Наявність системи оборотного водопостачання є одним з найважливіших показників технічного рівня промислових підприємств. Впровадження систем оборотного водопостачання дозволяє різко знизити кількість стічної води, що скидається і зменшити потреби у свіжій воді, дає великий економічний і екологічний ефект.

Для підвищення ефективності технологічного процесу охолодження води та забезпечення енергозбереження в періоди зниженого навантаження на охолоджувальні установки доцільно впровадження автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУ ТП) водооборотних циклів..

2. Технологічний процес охолодження води у вентиляторній градирні

Технологічний процес охолодження води полягає в наступному: гаряча оборотна вода по підвідних трубопроводах подається на розподільну систему кожної секції і розбризкується форсунками рівномірно по всій поверхні зрошувача. Через вхідні вікна вентилятор всмоктує атмосферне повітря, яке піднімається вгору і охолоджує воду, що стікає по гофрованої поверхні листів зрошувача. Потім охолоджена вода стікає в резервуар, а тепле повітря через дифузор виводиться в атмосферу. Повітря, що піднімається, забирає з собою дрібні краплі вологи. Для того щоб знизити втрати оборотної води, у верхній частині градирні встановлюється каплеуловитель.

Рисунок 1 – Схема роботи вентиляторної градирні

На рисунку 1 зображена схема роботи вентиляторної градирні, на якій: 1 – розподільна система, 2 – форсунки, 3 – зрошувач, 4 – вентилятор, 5 – вхідні вікна, 6 – каплеуловитель, 7 – дифузор, 8 – резервуар

Вода в градирнях охолоджується передачею теплової енергії атмосферному повітрю за рахунок поверхневого випаровування води і тепловіддачі зіткненням, тобто реалізацією процесів теплопровідності і конвекції. Випаровування води обумовлено різницею парціального тиску пари у поверхні води і в ядрі повітряного потоку, тепловіддача - різницею температури гарячої води і повітря. Тому влітку в результаті випаровування відводиться до 90 % теплової енергії , а взимку до 70 % зростає тепловіддача. У числі основних конструктивних особливостей даного обладнання - полімерний зрошувач, який забезпечує високий ефект охолодження води при низькому аеродинамічному опорі, що не засмічується і має стійкість по відношенню до низьких температур повітря; а також входять до складу вентиляторної установки трифазний тихохідний асинхронний двигун типу РМ, робоче колесо з пластиковими лопатями (вентилятор) і дифузор. Каркас градирень складається з металоконструкцій, оброблених спеціальним високоефективним антикорозійним покриттям. Обшивка складається з профільних оцинкованих листів з полімерним покриттям.

3. Вентиляторна градирня як об'єкт управління

У вентиляторної градирні, величиною, якою управляють, служить швидкість обертання електроприводу вентилятора (ωф), тому що регулюючи її, можна встановлювати вихідну величину – температуру охолодженої води (t0).

Так само на градирню впливають різні збурюючі фактори. До збурюючих факторів відносяться метеорологічні фактори: температура і вологість повітря, вітер, атмосферний тиск та інші, – і фактори технологічні: зміни подачі (продуктивності) циркуляційних насосів і температури гарячої води (або температурного перепаду вхідної/вихідної води). Найбільший вплив на процес охолодження надають значення чотирьох параметрів (збурень):

• Перепад температур гарячої /охолодженої води;

• Температура навколишнього повітря;

• Ввологість повітря;

• Подача насоса.

Ці чотири параметри є головними збуреннями, оскільки через них може сильно змінюватися вихідна величина – температура охолодженої води.

Рисунок 2 – Вентиляторна градирня як об'єкт управління

Вентиляторна градирня як об'єкт управління представлена на рисунку 2, де ωф – швидкість обертання електроприводу вентилятора (фактична), t0 – температура охолодженої води (фактична), β – вологість навколишнього повітря, tв – температура навколишнього повітря ,Δtго – перепад температур гарячої / охолодженої води , Q – подача насоса.

4. Мета і задачі дослідження

Мета роботи полягає у підвищенні ефективності водооборотної системи охолодження технологічного обладнання за рахунок розробки системи автоматичного управління блокової вентиляторної градирнею .

Основні задачі дослідження:

  1. Дослідити блокову вентиляторну градирню як об'єкт автоматичного управління.
  2. Підвищення якості процесу управління температурою охолодженої води на виході з градирні при дії збурюючих впливів за рахунок модернізації системи автоматичного вентиляторної градирні.
  3. Моделювання процесу управління температурою води на виході з градирні при дії збурюючих впливів.

5. Моделювання САУ і аналіз показників якості регулювання

Основним елементом в схемі САУ охолодження оборотної води є градирня. На агрегаті відбувається охолодження гарячої води, яка нагрівається при охолодженні металургійного комплексу апаратних засобів. Максимальна температура гарячої води, що поступає в градирню 65 °С, а мінімальна температура охолодженої води 20 °С. Середня температура гарячої води 55 °С, а охолодженої – 28 °С. Якщо ці показники будуть відрізнятися від заданих, то це може привести до зупинки виробництва у зв'язку з поломкою будь якого агрегату від перегріву. Тому дуже важливо тримати під контролем і дотримуватися цих температур.

Параметром регулювання є температура води у градирні. Передавальна функція градирні має вигляд:

Wг(p)=Т(р)/W(p)=Kг/(Тг+1),

де Tг – постійна часу для вентиляторної градирні (400), а Kг – коефіцієнт градирні, який знаходиться по формулі:

Kг=(tmax-tmin)/(Wmax-Wmin)=(65-20)/(450-0)=0,1,

де tmax, tmin – максимальна і мінімальна температура води;

Wmax,Wmin – максимальна і мінімальна кількість оборотів.

Передавальна функція перетворювача частоти має наступний вигляд:

Wпч(p)=w(p)/U(р)=Kпч/(Tпчp+1),

де Tпч – постійна часу для перетворювача частоти (0,01), а Kпч – коефіцієнт перетворювача частоти, який знаходиться по формулі:

Kпч =(wmax-wmin)/(Umax-Umin)=(50-0)/(10-0)=5,

де Umax, Umin – максимальна і мінімальна вхідна напруга;

wmax,wmin – максимальна і мінімальна вихідна частота.

Передавальна функція асинхронного двигуна має наступний вигляд:

де d – коефіцієнт загасання (0,5), Tдв – постійна часу для електродвигуна, яку можна визначити по моментах інерції, або маховим моментам ротора, що приводяться в каталогах.

Для асинхронних трифазних двигунів єдиної серії потужністю 0,6... 1,5 кВт постійну часу можна приймати в межах від 0,6 до 1,8 с. Kад – коефіцієнт асинхронного двигуна, який знаходиться по формулі:

Kад =(Wmax-Wmin)/(wmax-wmin)=(450-0)/(50-0)=9,

де wmax,wmin – максимальна і мінімальна вхідна частота;

Wmax,Wmin – максимальна і мінімальна кількість оборотів двигуна.

Також на об'єкті використаний датчик температури води, передавальна функція якого має вигляд:

Wдтв(p)=Kдтв

Приймемо Kдтв=1°С.

Таким чином, математична модель системи управління прийме вид, що наведено на рисунку 3.

Рисунок 3 – Модель САУ охолодженням оборотної води

На підставі структури представленої на рисунку 3.1 побудуємо САУ вентиляторною градирнею в пакеті Simulink (рис. 4).

Рисунок 4 – Модель САУ вентиляторної градирні у Simulink

Моделювання системи будемо робити з урахуванням обурень. До основних обурень відносяться метеорологічні чинники: температура і вологість повітря, вітер, атмосферний тиск та інші, – і фактори технологічні: зміна подачі (продуктивності) циркуляційних насосів і температури гарячої води (або температурного перепаду вхідної/вихідної води). На моделі САУ вентиляторної градирні обрано два обурення: температуру гарячої води і вологість повітря. Графік першого обурення (температура гарячої води) представлений на рисунку 5. На графіку ми бачимо, що температура води змінюється стрибкоподібно з 52 °С до 55 °С.

Додамо до обурення по температурі гарячої води, обурення по вологості повітря (рис.5). На графіку ми бачимо, що вологість повітря змінюється стрибкоподібно з 46 % до 52 %.

Рисунок 5 – Реакція САУ вентіляторної градірні на обурення по температурі гарячої води і вологості повітря. (анімація: 3 кадри, 7 циклів повторення, 19 кілобайт)

Виходячи з отриманих результатів: час регулювання tp = 3800 сек., перерегулювання σ = 5,7%, видно,що система справляється з обурюючими впливами з необхідними показниками якості, і додаткова настройка регуляторів у САУ не потрібна.

Выводы

Була досліджена блокова вентиляторна градирня, викладено загальні відомості про систему охолодження оборотної води. Наведено основні характеристики і конструкція вентиляторної градирні. Зроблено аналіз градирні, як об'єкта управління.

Сформульована мета розробляємої САУ охолодження оборотної води. Використовуючи наведену структурну схему та математичні моделі елементів спроектованої САУ розроблена імітаційна модель системи управління в пакеті MATLAB&SIMULINK. В якості закону керування обрано ПІ-регулятор, параметри якого попередньо налаштовані.

Проаналізувавши отримані графіки можна зробити висновок, що розроблена система залишається стійкою та показники якості перехідних процесів задовольняють.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2015 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Пономаренко В. С. Градирни промышленных и энергетических предприятий / В. С. Пономаренко, Ю. И. Арефев. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 376 с.
  2. Рульнов А. А. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведения/ А. А. Рульнов, К. Ю. Евстафьев. – М.: МГСУ,–2005. –203–с.
  3. Вахромеев И. Е. Автоматизированное управление процессами в охладительных установках/ И. Е. Вахромеев, Ю. – Б. Евчина. – «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 8, 2008г.
  4. Киянов Н. В. От электромонтажных работ до систем комплексной автоматизации / «Новости приводной техники». 2006. – № 12. –1 c.
  5. Крюков О. В. Микропроцессорное управление машинами двойного питания: Учеб. пособие / Нижегород. гос. тех. унт. – Н. Новгород, 1999. – 118 с.
  6. Камразе А. І. Контрольно – вимірювальні прилади та автоматики / А. І. Камразе, М. Я. Фитерман. – М.: Вища школа, 1980. – 208 с.
  7. Кузьмінов Г П. Основи автоматики і автоматизації виробничих процесів / Г. П. Кузьмінов. – Л.: ЛТА ім. С. М. Кірова, 1974. – 89 с.
  8. РМ4 – 2 – 78 «Системи автоматизації технологічних процесів. Схеми функціональні. Методика виконання». – М.: Проектмонтажавтоматика, 1978. – 100 с.
  9. Смоляк В. М.  Автоматизація виробничих процесів / В. М. Смоляк. – М.: Наука, 1973. – 240 с.
  10. Клюєв А. С. Проектування систем автоматизації технологічних процесів / А. С. Клюєв, Б. В. Глазов, А. Х. Дубровський. – М.: Енергія, 1980. – 345 с.