Синтез САУ температурой в нагревательном теплообменнике системы теплоснабжения

Важной частью системы автоматического управления теплоснабжением для крупных объектов является теплообменник, в котором горячий теплоноситель передаёт своё тепло в систему отопления объекта. В настоящее время широкое распространение получили рекуперативные пластинчатые теплообменники. Такие теплообменники обладают рядом преимуществ, среди которых можно выделить несколько важнейших:

• малый занимаемый объём;
• простота исполнения;
• лёгкость модернизации (изменение количества пластин);

При этом КПД таких теплообменников очень велик – до 90–95 %. Благодаря всем вышеперечисленным достоинствам, именно такой теплообменник был выбран для САУ теплоснабжением. Для оценки качества выбранного теплообменника необходимо создать математическую модель, синтезировать подходящий регулятор и провести моделирование, по результатам которого можно судить о качестве системы. На основе полученных результатов можно будет выбрать конкретные характеристики (тип, материал и т. д.). Далее рассмотрим названные этапы подробнее.

Первое что требуется сделать – получить математическую модель теплообменника. В наиболее распространенных теплообменниках типа жидкость-жидкость, в качестве возмущающих воздействий выступают температура жидкости на входе t_wвх, расход нагреваемой жидкости G_в, температура нагреваемой жидкости на входе t_вх (рисунок 1). Управляющими воздействиями могут быть расход нагревающей жидкости Gw, температура нагревающей жидкости t_wвх, а регулируемый параметр t_вых.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования показали, что в первом приближении передаточная функция теплообменного аппарата описывается типовым апериодическим звеном первого порядка вида:

где K_t – статический коэффициент передачи аппарата;
T_t – постоянная времени теплообменного аппарата.

Ниже приведена одна из нескольких возможных зависимостей, позволяющая приближенно оценить инерционность аппаратов такого вида:

с_m, с_w – теплоемкости металла и воды;
M_m, M_w – массы металла и воды;
Gw – расход воды;
k – коэффициент теплопередачи аппарата;
F – поверхность аппарата

Далее выполним синтез регулятора для САУ температурой в нагревательном теплообменнике. В данной системе можно использовать регулятор в виде управляемой заслонки. Исходя из структурной схемы всего объекта, можно получить следующую структурную схему текущей подсистемы (рисунок 2).

Горячая вода (T_hot) поступает на заслонку. Положение заслонки изменяется двигателем (Wp(p)). Входом для двигателя является разность заданной температуры (Т_з) и текущей температуры в контуре (T_sys). Теплообменник представлен передаточной функцией W_ex(p).

Исходя из вышеперечисленного, разработаем модель САУ и промоделируем происходящие в ней процессы (рисунки 3 и 4).

Для моделирования реальных условий, и для оценивания реакции системы на задаваемые оператором данные, эти данные (температура горячей воды от энергоцентра Hot water T и заданное значение температуры на выходе теплообменника System water T task, которое необходимо поддерживать) представлены повторяющейся последовательность предварительно заданных значений. Это 95, 90, 92° С для воды на входе и 80, 85, 75° С для воды на выходе системы, т. е. для регулируемого параметра.

Как видно из рисунка 4, значение довольно точно следует за требуемым уровнем, процесс плавный, довольно быстрый, с небольшой колебательностью. САУ справляется с поставенной перед ней задачей хорошо.

Список использованной литературы

1. Энергобезопасность в документах и фактах № 2, 2006
2. Г. В. Нимич, В. А. Михайлов, А. С. Гордиенко, Е. С. Бондарь Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха