Абакумов Андрій Юрійович

Реферат з теми випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Огляд і аналіз відомих рішень з автоматизації систем теплопостачання
• 2. Аналіз об'єкта автоматизації
• 3. Постановка завдань дослідження
• 4. Рішення поставлених завдань та результати досліджень
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Причиною написання даної роботи стала необхідність підвищення економічності систем теплопостачання. Домогтися підвищення економічності можна кількома способами, один з яких – раціональне використання ресурсів. Використовувати ресурси більш раціонально дозволяє система автоматичного управління теплопостачанням. Вона дозволяє знизити перевитрата ресурсів до мінімуму, а часто до нуля.

Економічність систем теплопостачання є важливим завданням, тому що вона значною мірою впливає на витрати кожного середнього та великого підприємства, а отже, впливає і на економічну ситуацію держави.

Відомо, що більшість теплових пунктів будівель в нашій країні до цих пір приєднано до зовнішніх теплових мереж по залежною елеваторної схемою (за допомогою нерегульованих водоструминних насосів). У деяких системах централізованого теплопостачання будівлі підключені безпосередньо до теплових мереж [9].

У даній роботі буде розглянуто створення системи автоматичного управління теплопостачанням спортивного комплексу. Після проведення аналізу об'єкта управління була прийнято рішення про розбивку об'єкта на три контури автоматичного регулювання. Кожен з контурів виконує своє завдання, спрямовану на виконання загальної задачі системи теплопостачання – підтримка заданої температури повітря в приміщеннях з можливістю регулювання температури в кожному приміщенні окремо.

Система опалення повинна працювати на високому якісному рівні, тобто кількість теплоти, що подається в кожне приміщення будівлі для підтримки комфортного температурного режиму, має визначатися поточною потребою відповідно до побажань споживача [8].

Перша підсистема стабілізує на заданому рівні тиск в контурі радіаторів, контурі вентиляції та контурі фанкойлів. Для цього змінюється частота обертання вала насоса. Стабілізація тиску необхідна, так як користувачі можуть включати і вимикати окремі радіатори з системи, що може призвести до високого чи, навпаки, до недостатнього тиску в системі.

Друга підсистема підтримує задану температуру в перерахованих вище контурах. Так як в різний час доби і в різні сезони температура навколишнього середовища відхиляється від середньої на значні величини, то для підтримки комфортних умов недостатньо одного значення температури теплоносія. Температура повинна автоматично підтримуватися на рівні, заданому оператором з пульта управління

Третя підсистема управляє процесом теплообміну в теплообмінному апараті між рідиною всередині системи теплопостачання та більш гарячим теплоносієм, що надходять на об'єкт від енергоцентру.

1. Огляд і аналіз відомих рішень з автоматизації систем теплопостачання

Автоматизація систем теплопостачання – використання комплексу автоматичних пристроїв для керування технологічними процесами в системах теплопостачання. Автоматизація систем теплопостачання включає регулювання (зокрема, стабілізацію) параметрів, керування роботою обладнання і агрегатів (дистанційне, місцеве), захист і блокування їх, контроль та вимірювання параметрів, облік витрати відпускаються і споживаних ресурсів, телемеханізації управління контролю та вимірювання. А.С.Т. забезпечує високу якість управління роботою окремих об'єктів і всієї системи теплопостачання в цілому, підвищує надійність і рівень експлуатації систем теплопостачання, сприяє економії енергетичних, матеріальних і трудових ресурсів[1]. 

Потужність системи опалення залежить від зовнішніх і внутрішніх умов, що впливають на формування теплових режимів опалювальних приміщень. Зовнішні кліматичні умови визначаються зовнішніми кліматичними параметрами, які значно змінюються як за географічним місцем розташування (широта, довгота) об'єкта будівництва, так і по тимчасових параметрах – часу доби, періоду року. Для добових коливань температури зовнішнього повітря характерно збереження найбільш низьких величин в нічні та ранкові години, коли потрібно найбільш висока теплова потужність системи опалення. Значно змінюються температури зовнішнього повітря по місяцях опалювального періоду.

На сьогодні завдання автоматизації систем теплопостачання ефективно вирішуються за рахунок:

- комплексної автоматизації;

- якісної реалізації технологічного процесу;

- раціональної організації технологічних режимів з оптимальним завантаженням технологічного обладнання;

- застосування технології частотного регулювання продуктивності насосних і тягодуттьових агрегатів з управлінням з енерго-та ресурсозберігаючих алгоритмами[2]. 

З урахуванням економічних чинників залежно від технологічних вимог регулювання може здійснюватися як шляхом зміни кількості теплоносія, що подається в нагрівальні прилади в одиницю часу, так і зміною температури теплоносія при постійній витраті. При кількісному регулюванні, однак, важко досягти різниці між найбільшим і найменшим споживанням тепла. Крім того, виникає нерівномірність подачі теплоносія довколишнім споживачам і віддаленим від джерела тепла. Поширений також змішаний спосіб кількісно-якісного регулювання, при якому в залежності від конкретних умов переважає кількісне або якісне регулювання[3]. 

Основною частиною системи опалення з примусовою циркуляцією теплоносія є циркуляційний насос. У цьому випадку не потрібна установка котла в нижній точці системи опалення. На відміну від систем з природною циркуляцією пропадає і необхідність в трубопроводах великого діаметру. Крім перерахованих вище достоїнств примусової циркуляції, значно скорочується час нагрівання опалювальних приладів, а це веде до швидкого підвищення температури повітря в приміщеннях.

Основні параметри циркуляційного насоса – це напір і продуктивність, які є залежними один від одного. Напір, створюваний циркуляційним насосом, повинен долати гідравлічні опору елементів системи опалення: трубопроводів, радіаторів, фітингів. У разі, якщо гідравлічний опір системи опалення більше ніж напір циркуляційного насоса, насос потрібно замінити на інший з більш високими характеристиками.

Система опалення з циркуляційним насосом є закритою і працює під тиском. Тому для її заповнення використовують нагнітає тиск насос, або буде потрібно підключення системи опалення до системи водопроводу з високим тиском.

Підбір циркуляційного насоса здійснюється програмним способом, де в існуючому проекті опалення підсумовуються в паскалях опору всіх її частин, переводяться в метри, враховується продуктивність на кожен контур.

Переваги системи опалення з примусовою циркуляцією:

- для роботи не потрібні труби великих діаметрів;

- система є більш економічною, оскільки труби тонкі і за рахунок цього зменшуються тепловтрати;

- система опалення з циркуляційним насосом дозволяє встановити автоматику для регулювання температури в кожній кімнаті, наприклад, з настінних пультів;

- тиск в системі дозволяє зменшити кількість і частоту виникнення повітряних пробок.

Циркуляційні насоси найчастіше мають наступну структуру. Корпус з чавуну, нержавіючої сталі, алюмінію, (латуні або бронзи для систем гарячого водопостачання) вбудований сталевий або керамічний ротор, на валу якого встановлено колесо з лопатями – крильчатка. Зазвичай її роблять із технополімеру. Коли двигун починає обертатися, лопаті нагнітають теплоносій, змушуючи його просуватися по системі.

В даний час ринок будівельної та інженерної техніки пропонує два види циркуляційних насосів. Перший з'явився в 50-х роках минулого століття – з «мокрим», зануреним у середу, що перекачується, ротором, другий, більш сучасний, – з «сухим» (його мотор не стикається з водою).

Через низький (45%) ККД насосів з «мокрим» ротором, будемо розглядати детальніше насоси з «сухим» ротором, у яких ККД може досягати 70%. Такі насоси активно використовують у великих опалювальних системах, де циркулюють великі об'єми води.

Пристрої з «сухим» ротором не рекомендується використовувати вхолосту. При довгій роботі в холостому режимі насоса не перегріється і не вийде з ладу, але постраждає його герметичність[4]. 

2. Аналіз об'єкта автоматизації

По трубах системи теплопостачання циркулює рідкий теплоносій. З плином часу теплоносій віддає своє тепло повітрю в опалюваних приміщеннях. Температуру теплоносія необхідно підвищувати до вихідного рівня. Підвищення температури води в системі опалення відбувається завдяки теплообміну з гарячою водою, що циркулює по трубопроводу. Нагрівання цієї гарячої води відбувається в теплообміннику, до якого підведені труби з водою від енергоцентру. Вода з енергоцентру і трубопроводу при цьому не змішується. Технологічна схема об'єкта представлена на рисунку 1.

Регулюючий клапан z1 змінює кількість переданої теплової енергії за рахунок зміни витрати теплоносія через теплообмінник – він або відкривається, або закривається на певний відсоток.

Теплоносій з температурою води, яку показує датчик Т1, надходить через регулюючий клапан в теплообмінник, де передає частину своєї теплової енергії нагрівається воді і потім повертається в енергоцентр із зниженою температурою теплоносія – датчик Т2. Температура води, що надходить від енергоцентру, не залежить від системи управління і досить велика для виконання свого завдання – нагріву теплоносія.

Рух води здійснюється за допомогою циркуляційних насосів pump1 і pump2, управління якими доцільно здійснювати за допомогою пропорційно-інтегрально-диференціального (ПІД) закону регулювання. Це дозволяє отримувати короткий час перехідних процесів і підтримувати тиск в системі на заданому рівні.

Для даної задачі можна використовувати стандартні електродвигуни з вбудованим перетворювачем частоти, обладнані вбудованим ПІ контролером і можуть бути налаштовані під зовнішній датчик, що забезпечує регулювання тиску.

Такі насоси застосовуються, як правило, в якості циркуляційних насосів для потужних опалювальних систем і систем подачі охолоджуючої води, де необхідно забезпечити змінну подачу, що підходить до нашого випадку.

Кількість тепла, переданого з трубопроводу в опалювальний контур, також регулюється за допомогою засувки (z2).

Для контролю функціонування насосів та визначення аварійної ситуації на насосах встановлений різницевий датчик тиску d. Якщо на вході насоса утворюється повітряна пробка, різниця тисків на вході і виході зросте, і з датчика надійде сигнал на пульт оператора.

Тиск у системі показує датчик тиску P. Значення температури в контурі опалення знімається за допомогою датчика T. Оскільки користувачі на свій розсуд можуть включати і відключати радіатори у приміщеннях, конфігурація системи буде змінюватися, і насоси повинні підлаштовуватися так, щоб тиск при цьому залишилося колишнім. Перепади тиску при цьому відносно невеликі і безпечні для цілісності системи. Однак, для додаткової механічної захист від неприпустимих перепадів тиску в систему можна додати розширювальні ємності. У разі виникнення великого тиску в системі вода буде тиснути на мембрану і заповнювати ємність, зменшуючи тиск в системі, після чого мембрана знову виштовхне воду в систему.

На якість управління будуть впливати і зовнішні чинники - температура навколишнього середовища. Інерційність будівель у великій мірі впливає на результат погодозавісімого управління опаленням. Регулятор повинен враховувати цей фактор, що впливає. Інерційність будинку визначається значенням постійною часу будівлі, яка знаходиться в діапазоні від 10 годин біля панельних будинків до 35 годин у цегельних будівель. Регулятор визначає на підставі постійної часу будівлі так звану «комбіновану» температуру зовнішнього повітря, яка і використовується в якості коригуючого сигналу в автоматичній системі регулювання температури води на опалення [10].

Виходячи з усього вищенаведеного, можна виділити керуючі, керовані величини і впливи.

Параметрами, за допомогою яких система управління може впливати на ОУ, можуть бути:

- частота обертання насосів;

- відсоток відкриття засувки перед опалювальним контуром.

При цьому параметрами ОУ, які система повинна регулювати, є:

- тиск води в системі опалення;

- температура води в системі опалення.

В якості збурюючих впливів у даній роботі будуть розглядатися:

- вплив температури навколишнього середовища (температура приміщення);

- зміна користувачами конфігурації опалювальної системи (включення / відключення радіаторів).

3. Постановка завдань дослідження

Для створення системи автоматичного управління необхідно вирішити такі завдання:

- Стабілізація на заданому рівні тиску шляхом управління частотою обертання валу насосів.;

- Розподіл навантаження між двома насосами з метою збільшення терміну служби;

- Стабілізація на заданому рівні температури теплоносія в контурі радіаторів. Стабілізація здійснюється за допомогою керованої засувки, яку відкриває / закриває привід;

- Стабілізація на заданому рівні температури теплоносія в нагрівальному теплообміннику. До теплообміннику ззовні поступає гаряча вода фіксованої температури (від енергоцентру). Стабілізація здійснюється за допомогою керованої засувки, яку відкриває / закриває привід.

4. Рішення поставлених завдань та результати досліджень

Побудуємо математичну модель САУ тиском в опалювальній системі.

На підставі наведеної схеми об'єкта, виходячи з поставлених завдань, отримана наступна структурна схема (рисунок 2):

Об'єктом регулювання САУ тиском в опалювальній системі є опалювальні радіатори, з'єднані з системою і між собою трубами. Вхідним параметром є тиск Q_н, нагнітається насосами, вихідним – тиск у самій системі радіаторів Q_тр. Збурюючим впливом є зміна параметрів об'єкта регулювання (позначимо як вплив G), тому що користувачі можуть включати або вимикати деякі радіатори для підтримки комфортної температури, тим самим включаючи або виключаючи окремі компоненти із загального контуру.

Насос характеризується частотою обертання ротора f на вході і тиском води на виході Q_н. У контурі передбачено використання двох насосів для поліпшення надійності системи і підвищення строку експлуатації насосів. Але, так як в кожен момент часу може бути задіяний тільки один насос, і параметри насосів абсолютно однакові, для побудови моделі можна використовувати спрощений контур з одним насосом.

Оскільки в даній системі насос являє собою інерційний об'єкт, в якості передавальної функції насоса можна взяти передавальну функцію аперіодичної ланки першого порядку виду:

де Кн – коефіцієнт передачі насоса;

T – постійна часу насоса, що залежить від конструкції і режиму роботи насоса.

Для обраного типу насосів ці значення 0.75 і 4 відповідно[5].

Систему труб вибраної довжини можна промоделювати як інерційне ланка першого порядку з постійною часу приблизно 25 секунд.