Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, стекольной, химической промышленности, машиностроении, металлургии и других отраслях, на крупных предприятиях, большое значение имеет проблема охлаждения оборотной воды, применяемой в замкнутом технологическом цикле, до требуемой температуры. Необходимость поддержания требуемой разности температуры, обуславливается спецификой некоторых химических производств, в которых необходимо обеспечить точность технологического цикла. На крупных предприятиях широкое распространение получили градирни.

Градирня – это сооружение для охлаждения воды атмосферным воздухом. Горячая вода в градирне охлаждается как за счет контакта с холодным воздухом, так и в результате так называемого испарительного охлаждения в процессе испарения части потока воды.

1. Актуальность темы

Вода, которая отходит с градирни может быть снова использована для охлаждения технологических потоков (в теплообменных аппаратах). Включение больших количеств воды, используемой для охлаждения, в водооборотных циклах позволяют значительно снизить потребности в свежей воде, которая в данном случае используется только для подпитки соответствующего водооборотных цикла. Кроме этого, использование градирен в сочетании с фильтрами позволяет обеспечить использование воды в замкнутом технологическом цикле, что существенно улучшает экологическую обстановку в регионе, где расположено предприятие.

Температура оборотной воды, охлаждаемой на градирнях, существенно влияет на работу технологического оборудования. Создание систем оборотного водоснабжения с использованием градирен становится общепринятой практикой обеспечения производственного процесса. Опыт эксплуатации градирен в системах оборотного водоснабжения позволяет серьезно уменьшить затраты предприятий на потребление и сброс технической воды (до 95%), повысить КПД использования компрессорного оборудования (2–4%) и обеспечить экологическую безопасность производства.

Наличие системы оборотного водоснабжения является одним из важнейших показателей технического уровня промышленных предприятий. Внедрение систем оборотного водоснабжения позволяет резко снизить количество сточной воды, сбрасываемой и уменьшить потребности в свежей воде, дает большой экономический и экологический эффект.

Для повышения эффективности технологического процесса охлаждения воды и обеспечения энергосбережения в периоды пониженной нагрузки на охладительные установки целесообразно внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) водооборотных циклов.

2. Технологический процесс охлаждения воды в вентиляторной градирни

Технологический процесс охлаждения воды заключается в следующем: горячая оборотная вода по подводных трубопроводах подается на распределительную систему каждой секции и разбрызгивается форсунками равномерно по всей поверхности оросителя. Через входные окна вентилятор всасывает атмосферный воздух, который поднимается вверх и охлаждает воду, стекающую по гофрированной поверхности листьев оросителя. Затем охлажденная вода стекает в резервуар, а теплый воздух через диффузор выводится в атмосферу. Поднимающийся воздух забирает с собой мелкие капли влаги. Для того чтобы снизить потери оборотной воды, в верхней части градирни устанавливается каплеуловитель.

Рисунок 1 – Схема работы вентиляторной градирни

На рисунке 1 изображена схема работы вентиляторной градирни, на которой: 1 – распределительная система, 2 – форсунки, 3 – ороситель, 4 – вентилятор, 5 – входные окна, 6 – каплеуловитель, 7 – дифузор, 8 – резервуар

Вода в градирнях охлаждается передачей тепловой энергии атмосферному воздуху за счет поверхностного испарения воды и теплоотдачи столкновением, то есть реализацией процессов теплопроводности и конвекции. Испарение воды обусловлено разницей парциального давления пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока, теплоотдача – разницей температуры горячей воды и воздуха. Поэтому летом в результате испарения отводится до 90% тепловой энергии, а зимой до 70% возрастает теплоотдача. В числе основных конструктивных особенностей данного оборудования - полимерный ороситель, который обеспечивает высокий эффект охлаждения воды при низком аэродинамическом сопротивлении, не засоряется и обладает стойкостью по отношению к низким температурам воздуха; а также входят в состав вентиляторной установки трехфазный тихоходный асинхронный двигатель типа РМ, рабочее колесо с пластиковыми лопастями (вентилятор) и диффузор. Каркас градирен состоит из металлоконструкций, обработанных специальным высокоэффективным антикоррозионным покрытием. Обшивка состоит из профильных оцинкованных листов с полимерным покрытием. Иногда для увеличения производительности на объекте устанавливается несколько одновентиляторных градирен. При этом они объединяются в одну или несколько общих систем охлаждения. Секционные градирни представляют собой агрегаты, состоящие из нескольких вентиляторов, оросителей, систем подачи воды и т. д., объединенных в одном кожухе или строение. Их целесообразно применять в тех случаях, когда градирня большой производительности должна размещаться на ограниченном участке земли.

3. Вентиляторная градирня как объект управления

В вентиляторной градирни, величиной, которой управляют, служит скорость вращения электропривода вентилятора (ωф), так как регулируя ее, можно устанавливать исходную величину – температуру охлажденной воды (t0).

Так же на градирню влияют различные возмущающие факторы. К возмущающих факторов относятся метеорологические факторы: температура и влажность воздуха, ветер, атмосферное давление и другие технологические факторы: изменения подачи (производительности) циркуляционных насосов и температуры горячей воды (или температурного перепада входного / выходного воды). Наибольшее влияние на процесс охлаждения придают значения четырех параметров (возмущений):

• Перепад температур горячей / охлажденной воды;

• Температура окружающего воздуха;

• Влажность воздуха;

• Подача насоса.

Эти четыре параметра являются главными возмущениями, поскольку из–за них может сильно изменяться исходная величина – температура охлажденной воды.

Рисунок 2 – Вентиляторная градирня как объект управления

Вентиляторная градирня как объект управления представлена на рисунке 2, где ωф – скорость вращения электропривода вентилятора (фактическая), tо – температура охлажденной воды (фактическая), β – влажность окружающего воздуха, tв – температура окружающего воздуха, Δtго – перепад температур горячей / охлажденной воды, Q – подача насоса.

4. Цель и задачи исследования

Цель работы заключается в повышении эффективности водооборотных системы охлаждения технологического оборудования за счет разработки системы автоматического управления блочной вентиляторной градирней.

Основные задачи исследования:

  1. Исследовать блочную вентиляторные градирни как объект автоматического управления.
  2. Повышение качества процесса управления температурой охлажденной воды на выходе из градирни при воздействии возмущающих воздействий за счет модернизации системы автоматического вентиляторной градирни.
  3. Моделирование процесса управления температурой воды на выходе из градирни при воздействии возмущающих воздействий.

5. Моделирование САУ и анализ показателей качества регулирования

Основным элементом в схеме САУ охлаждения оборотной воды является градирня. На агрегате происходит охлаждение горячей воды, которая нагревается при охлаждении металлургического комплекса аппаратных средств. Максимальная температура горячей воды, поступающей в градирню 65 °С, а минимальная температура охлажденной воды 20 °С. Средняя температура горячей воды 55 °С, а охлажденной – 28 °С. Если эти показатели будут отличаться от заданных, то это может привести к остановке производства в связи с поломкой любого агрегата от перегрева. Поэтому очень важно контролировать и соблюдать этих температур.

Параметром регулирования является температура воды в градирне. Передаточная функция градирни имеет вид:

Wг(p)=Т(р)/W(p)=Kг/(Тг+1),

где Tг – постоянная времени для вентиляторной градирни (400), а Kг - коэффициент градирни, который рассчитывается по формуле:

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

где tmax, tmin – максимальная и минимальная температура воды;

Wmax, Wmin – максимальное и минимальное количество оборотов.

Передаточная функция преобразователя частоты имеет следующий вид:

Wпч(p)=w(p)/U(р)=Kпч/(Tпчp+1),

где Tпч – постоянная времени для преобразователя частоты (0,01), а Kпч – коэффициент преобразователя частоты, который рассчитывается по формуле:

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

где Umax, Umin – максимальная и минимальная входное напряжение;

wmax, wmin – максимальная и минимальная выходная частота.

Передаточная функция асинхронного двигателя имеет следующий вид:

где d – коэффициент затухания (0,5), tдв – постоянная времени для электродвигателя, которую можно определить по моментам инерции, или маховым моментам ротора, приводятся в каталогах.

Для асинхронных трехфазных двигателей единой серии мощностью 0,6 ... 1,5 кВт постоянную времени можно принимать в пределах от 0,6 до 1,8 с. Kад – коэффициент асинхронного двигателя, который находится по формуле:

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

где wmax, wmin – максимальная и минимальная входная частота;

Wmax, Wmin – максимальное и минимальное количество оборотов двигателя.

Также на объекте использован датчик температуры воды, передаточная функция которого имеет вид:

Wдтв(p)=Kдтв

Примем Kдтв = 1°С.

Таким образом, математическая модель системы управления примет вид, приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Модель САУ охлаждением оборотной воды

На основании структуры представленной на рисунке 3 построим САУ вентиляторные градирни в пакете Simulink (рис. 4).

Рисунок 4 – Модель САУ вентиляторной градирни в Simulink

Моделирование системы будем делать с учетом возмущений. К основным возмущениям относятся метеорологические факторы: температура и влажность воздуха, ветер, атмосферное давление и другие технологические факторы: изменение подачи (производительности) циркуляционных насосов и температуры горячей воды (или температурного перепада входной / выходной воды). На модели САУ вентиляторной градирни выбрано два возмущения: температуру горячей воды и влажность воздуха. График первого возмущения (температура горячей воды) представлен на рисунке 5. На графике мы видим, что температура воды изменяется скачкообразно с 52 °С до 55 °С.

Добавим к возмущению по температуре горячей воды, возмущение по влажности воздуха (рис.5). На графике мы видим, что влажность воздуха изменяется скачкообразно с 46% до 52%.

Рисунок 5 – Реакция САУ вентиляторной градирни на возмущение по температуре горячей воды и влажности воздуха. (анимация: 3 кадра, 7 циклов повторения, 19 килобайт)

Исходя из полученных результатов: время регулирования tp = 3800 сек., перерегулирование σ = 5,7%, видно, что система справляется с возмущающими воздействиями с необходимыми показателями качества, и дополнительная настройка регуляторов в САУ не нужна.

Выводы

Была исследована блочная вентиляторная градирня, изложены общие сведения о системе охлаждения оборотной воды. Приведены основные характеристики и конструкция вентиляторной градирни. Сделан анализ градирни, как объекта управления.

Сформулирована цель разрабатываемой САУ охлаждения оборотной воды. Приведена структурная схема и математические модели элементов спроектированной САУ разработана имитационная модель системы управления в пакете MATLAB & SIMULINK. В качестве закона управления выбрана ПИ-регулятор, параметры которого предварительно настроены.

Проанализировав полученные графики можно сделать вывод, что разработанная система остается устойчивой и показатели качества переходных процессов удовлетворяют.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  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.