Автоматическое управление выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой

В. В. Цуканов, О. С. Волуева, Р. В. Федюн Автоматическое управление выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой

Аннотация

В статье выполнен анализ выпарного аппарата как объекта автоматического управления. Описана технологическая схема процесса выпаривания. Определены управляемые переменные, управляющие и возмущающие воздействия данного объекта. Выполнен теоретический синтез необходимых законов управления САУ выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой, разработана ее структурная схема. Выбраны ПИ-законы регулирования для внутреннего и внешнего контуров САУ выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой, а также определены их параметры. Требуемая эффективность и работоспособность предложенных законов управления и их параметров в САУ выпарным аппаратом подтверждена результатами выполненного моделирования.

Ключевые слова: Выпарной аппарат, структурная схема САУ, каскадная САУ, ПИ-регулятор, синтез САУ, переходная кривая, показатели качества управления.

Выпариванием называется процесс увеличения концентрации растворов нелетучих или слаболетучих веществ в жидких летучих растворителях за счет удаления паров растворителя в процессе кипения. Процесс выпаривания используются для увеличения концентрации растворов высококипящих веществ (растворы солей, щелочей, многоатомных спиртов, некоторых минеральных и органических кислот и т.п.). Например, при получении каустической соды, раствор NаОН упаривается для получения концентрации 50–60 %, а в сахарном производстве сахарный раствор – до 65%. Раствор, поступающий на выпаривание, называется исходным раствором, а удаляемый концентрированный раствор – упаренным (рис.1) [1,2].

1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляционная труба

В первоначальный момент выпарной аппарат заполнен холодным раствором (рис.1). Подача пара в греющую камеру 1 приводит к нагреванию раствора, находящегося в трубках. При увеличении температуры, плотность раствора уменьшается и возникает разность плотностей у раствора, находящегося в трубках греющей камеры и раствора, находящегося в циркуляционной трубе. После вскипания раствора, скорость циркуляции существенно возрастает, однако при увеличении скорости циркуляции возрастают гидравлические сопротивления, и при определенной скорости движения наступает динамическое равновесие и стабилизация скорости циркуляции. Отделение пара от брызг раствора происходит в сепараторе 2 выпарного аппарата.

Выполненный анализ особенностей выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой [1,2] позволил осуществить процесс его формализации, в результате которого получена схема информационных переменных (рис.2) выпарного аппарата. Основными управляемыми переменными выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой, являются концентрация упаренного раствора на выходе выпарного аппарата Сур и уровень упаренного раствора в сепараторе hур (рис.1). Необходимое изменение управляемых переменных выпарного аппарата осуществляется за счет использования управляющих воздействий: расхода греющего пара Gгп и расхода упаренного раствора Gур(рис.2). На рассматриваемый объект управления – выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой оказывают влияние возмущающие воздействия: расход исходного раствора Gир, расход вторичного пара Gвп, концентрация исходного раствора на входе в выпарной аппарат Сир.

На основании полученных результатов анализа выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой как объекта управления [1], а также с использованием предложенной концепции построения [2], разработана структурная схема САУ концентрацией упаренного раствора на выходе выпарного аппарата, которая приведена на рис.3.

Разрабатываемая система автоматического управления концентрацией упаренного раствора на выходе выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой реализуется по двухконтурной каскадной схеме – внутренний контур управления расходом греющего пара FГП и внешний контур управления концентрацией упаренного раствора СУР (рис.3).

В разрабатываемой САУ управляемая переменная – концентрация упаренного раствора Сур, измеряемая датчиком концентрации Wдк(s), преобразуется в соответствующий электрический сигнал постоянного тока iдк(4…20 мА). Этот сигнал сравнивается с сигналом iсз, который является задающим воздействием в САУ и определяется по заданному значению концентрации упаренного раствора Сурз (рис.3).

В результате сравнения определяется сигнал рассогласования, который поступает на регулятор концентрации упаренного раствора Wрк(s), выходной сигнал iрк которого, является задающим воздействием для внутреннего контура управления расходом греющего пара. Регулятор расхода греющего пара Wррг(s) внутреннего контура формирует и выдает управляющее воздействие на исполнительное устройство Wим(s) (функции которого выполняет электропривод регулирующего клапана), которое перемещает вал регулирующего органа – регулирующего клапана Wро(s) на необходимую величину lим (рис.3). Перемещение регулирующего клапана приводит к соответствующему изменению расхода греющего пара Fгп, подаваемого в выпарной аппарат Wва(s), что в свою очередь, приводит к требуемому изменению концентрации упаренного раствора Сур.

На рисунке 4 приведена схема модели каскадной двухконтурной САУ выпарным аппаратом. В качестве метода определения параметров регуляторовиспользуется метод автоматической настройки блока PID-control пакета моделирования Simulink программы Matlab. В результате настройки получены следующие значения параметров регуляторов: kп = 0,93; kи = 0,27 – для ПИрегулятор расхода греющего пара Wррг(р); kп = 4,04; kи = 0,03 – для ПИрегулятор концентрации упаренного раствора Wрк(р).

С использованием схемы модели САУ выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой (рис.4) и найденных значений параметров ПИ-регуляторовполучены графики изменения концентрации упаренного раствора Сур, расхода греющего пара Fгп и величины перемещения вала ИМ lим при изменении задающего и возмущающих воздействий, которые приведены на рис.5.

Анализ приведенных кривых изменения параметров в САУ выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой (рис.5) показывает их полное соответствие необходимым требованиям, предъявляемым к качеству управления объектами данного класса: установившаяся ошибка по основной управляемой переменной – концентрации упаренного раствора Сур равна нулю при отработке как задающего, так и возмущающего воздействий. Перерегулирование и колебательность по основной управляемой переменной – концентрации упаренного раствора Сур отсутствуют. Время переходного процесса по основной управляемой переменной – концентрации упаренного раствора Сур составляет 700 с – при отработке задающего воздействия и 550 с – при отработке возмущающего воздействия (рис.5) и находится в допустимых границах.

Таким образом, в данной работе разработана структурная схема САУ выпарным аппаратом и осуществлен теоретический синтез необходимых законов управления. Требуемая эффективность предложенных законов регулирования и их параметров в САУ выпарным аппаратом подтверждена результатами выполненного моделирования.

Список источников

1. Савчук К.В., Федюн Р.В. Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой как объект автоматизации. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХIХ международной научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 21-23 мая 2019 г. - Донецк : ДОННТУ, 2019. – С. 276-278.
2. Цуканов В.В., Волуева О.С., Федюн Р.В. Концепция построения САУ выпарным аппаратом с вынесенной греющей камерой. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХХI международной научнотехнической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 24-26 мая 2021 г. - Донецк : ДОННТУ, 2021. – с. 291- 294.