Разработка математической модели САУ противоточным теплообменным аппаратом

Актуальность

Теплообменные аппараты являются неотъемлемой частью большинства технологических процессов, поэтому задача автоматизации противоточных теплообменных аппаратов является весьма важной вследствие существенной энергоемкости теплообменников и их широкой распространенности в промышленной практике.

Процессы передачи тепла с помощью теплообменников от одной жидкой среды к другой находят очень широкое применение в промышленной и коммунальной сфере, бытовом секторе. Часто мы просто пользуемся результатом теплообмена, не придавая этому никакого значения, не видя самого процесса.

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Цель

Повышение качества процесса управления системой автоматического управления теплообменным аппаратом за счет обзора известных решений управления теплообменниками, а также его анализа как объекта управления.

Постановка задачи

Моделирование процесса управления температурой технологического потока на выходе из теплообменника при действии возмущающих воздействий и анализ качества управления теплообменным аппаратом.

Теплообменный аппарат как объект управления

С учетом реальных условий работы, все существенные факторы, влияющие на процесс теплообмена, разбиваются на следующие группы [2]:

1. Контролируемые возмущения – это те возмущения, которые можно измерить, но невозможно или недопустимо стабилизировать (расход питания, подаваемого непосредственно из предыдущего аппарата; температура окружающей среды и т.п.). Для исследуемого процесса такими возмущениями являются: температура теплоносителя Т^вх_гор, а также температура и расход нагреваемого потока Т^вх_хол, G_хол на входе в аппарат.
2. Неконтролируемые возмущения – возмущения, которые невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно. Первые – это падение активности катализатора изменение коэффициентов тепло- и массопередачи и т.п. В качестве неконтролируемых возмущений в данном объекте может выступать накипь, образовавшаяся на поверхности трубок внутри теплообменника, а также давление пара, участвующего в теплообмене.
3. Выходные переменные. Из их числа выбирают регулируемые координаты. При построении замкнутых систем регулирования в качестве регулируемых координат выбирают технологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса в аппарате. К ним относятся: температуры теплоносителей Т^вых_гор и Т^вых_хол.
4. Управляющие переменные – входные сигналы объекта управления, с помощью которых можно влиять на режим работы объекта: величина расхода теплоносителя G_гор.

На рисунке 1 показана структурная схема поверхностного теплообменника.

Регулирование поверхностных противоточных теплообменников заключается в поддержании постоянства температуры одного из теплоносителей на выходе из теплообменника, например, T_x2.

Температура T_x2 зависит от скорости передачи тепла или теплового потока q через стенку; в свою очередь эта температура определяется движущей силой процесса или средним температурным напором ΔTcр.

Для проведения моделирования зададимся начальными данными:

F=282 м² – поверхность теплообменника

ν₁=ν₂=4400 м³/ч – объемная скорость рабочих сред

c₁=c₂=0,33 м³*град – удельная теплоемкость сред

α₁=α₂=12 м²*ч*град – коэффициент теплоотдачи

G=5400 кг – вес теплообменных труб

с_ст=0,115 кг*град – удельная теплоемкость материала поверхности теплообмена при установившемся режиме

Т_1н=470°С – температура первичного теплоносителя

Т_2н=50°С – температура вторичного теплоносителя

С учетом изложенного выше математическая модель в рассматриваемой задаче примет вид:

Исходя из данной математической модели, составим схему моделирования теплообменника:

Для регулирования требуемой температуры на выходе из теплообменника будем изменять расход горячего теплоносителя с помощью автоматически настроенного ПИ-контроллера.

В результате моделирования получаем следующие переходные процессы:

Как видим полученные переходные характеристики имеют хорошие показатели качества управления системы: перерегулирование около 5%, время переходного процесса порядка 15 с.

Выводы

1. Выделены существенные факторы, влияющие на процесс автоматизации.
2. Анализ теплообменного аппарата как объекта управления показал, что исследуемый объект автоматизации является сложным, многомерным и многосвязным объектом управления, что не учтено существующими системами автоматического управления.
3. Исходя из полученной математической модели и проведенного моделирования системы автоматического управления теплообменным аппаратом установлено, что данная модель теплообменника имеет хорошие показатели качества управления при правильно настроенном ПИ-регуляторе.

Список использованной литературы

1. Дудников Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности/ Е.Г. Дудников, А.В. Казаков, Ю.Н. Софиева, А.Э. Софиев, А.М. Цирлин – Москва: Химия, 1987. – 368 с.
2. Лапшенков Г.И. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности/ Г.И. Лапшенков, Л.М. Полоцкий – Москва: Химия, 1982. – 377 с.
3. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии/ И.Л. Иоффе – Л.: Химия, 1991. – 352 с.
4. Чернышев Н.Н. Математическое описание процесса теплообмена в противоточных теплообменных аппаратах / Н.Н. Чернышев, В.В. Турупалов, А.А. Прядко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Сер. обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 21 (183). – Донецьк: ДонНТУ. – 2011, С. 55-60.
5. Чернышев Н.Н. Настройка регуляторов температуры газов в системе автоматического управления производства серной кислоты / Н.Н. Чернышев // Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова, гол. ред. В.Ф.Євдокимов. – Київ: Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова, 2012. – Випуск 65. – С. 101-107.

Наверх