Введение к работе
Актуальность темы
Известны многообразные технические устройства, в процессе функционирования которых потребляется сжатый воздух или другие газы. Важным агрегатом этих устройств является система газоснабжения, которая обеспечивает выдачу газа от источника питания, чаще всего газобаллонного, к потребителям. По условиям функционирования потребителя параметры газа, его давление, а в ряде случаев и температура должны лежать в заданных, достаточно узких предедах. Поэтому при разработке линии газоснабжения должна решаться задача создания системы регулирования, которая обеспечит стабилизацию давления, а в ряде случаев - давления и температуры газа на определенных уровнях с заданной точностью в условиях переменности параметров газа в источнике и переменности расхода газа, подаваемого к потребителю.
Основным элементом системы регулирования давления является редуктор давления. Редуктор - это регулятор, имеющий замкнутый контур с обратной связью по выходному низкому давлению. К настоящему времени разработана целая гамма редукторов, отличающихся пропускной способностью по расходу, допустимыми значениями входного высокого давления и диапазоном воспроизводимых значений низкого давления. По мере увеличения пропускной способности редуктора и значений давлений, которые могут быть поданы на его вход, при повышении требований по точности стабилизации редуцированного давления растет техническая сложность редуктора, его габариты, масса и стоимость. Одним из путей преодоления сложностей технического задания при создании системы газоснабжения является построение системы регулирования с использованием нескольких редукторов давления. Такая система является многоконтурной.
Назовем ряд причин, обусловливающих построение системы регулирования давления как многокошурной. Это, прежде всего, высокие требования по точности поддержания давления. Такие требования предъявляются, например, к системе подачи газа для разгона ротора гироскопа в навигационной системе. Для достижения высокой точности регулирования давления в подобной системе используется двухступенчатая система регулирования, в которой редукторы давления включены последовательно.
Значительные сложности для достижения высокой точности регулирования давления создаются в случае, когда линия газоснабжения имеет протяженные трубопроводы. Исключая из рассмотрения в настоящей работе системы транспортировки природного газа, назовем в качестве примера систему подачи газа в газонаполнительных станциях. Поскольку потери давления на гидравлическом сопротивлении трубопровода зависят от скорости течения газа, то при изменении расхода на потребитель одновременно будет изменяться и давление перед входным дросселем потребителя. Обеспечить высокую точность поддержания давления перед потребителем можно, если систему регулирования построить как двухступенчатую, в которой редуктор второй ступени включен непосредственно перед потребителем.
В некоторых случаях по условиям эксплуатации недопустимо, чтобы рабочее тело имело низкую температуру как на входе в потребитель, так и по длине линии газоснабжения. Недопустим также и высокотемпературный нагрев газа. Рабочее тело, запасенное в газобаллонном источнике под высоким давлением, при редуцировании за счет отрицательного дроссель-эффекта существенно охлаждается. Поддержание температуры газа в определенных пределах на протяжении всей линии газоснабжения возможно, если редуцирование давления осуществлять в несколько ступеней, компенсируя каждый раз влияние отрицательного дроссель-эффекта подогревом газа в теп- лообменных аппаратах. Именно таким образом построена система газоснабжения газотепловоза, энергетическая установка которого питается природным газом (метаном), получаемым из газобаллонного источника. Эта система включает две подсистемы: многоступенчатую систему регулирования давления и многоступенчатую систему регулирования температуры газа. Каждая из этих подсистем регулирования является многоконтурной.
В приведенных примерах редукторы давления подключены последовательно. Определенные преимущества могут быть получены и в случае, когда редукторы включены параллельно. В такой системе при высокой пропускной способности линии газоснабжения по расходу достигается высокая точность стабилизации давления перед потребителем.
Возможно последовательно-параллельное включение редукторов, когда после первой ступени регулирования линия газоснабжения разветвляется на несколько потребителей и перед каждым потребителем включен редуктор второй ступени. В такой системе может бьггь обеспечен различный уровень стабилизации давления перед каждым потребителем при разных расходах на потребители.
В общем случае система регулирования параметров газа может иметь достаточно сложную структуру, включать параллельные и последовательные замкнутые контуры регулирования, иметь разветвленную трубопроводную систему, осуществлять функции регулирования как давления, так и температуры газа. В такой системе между отдельными фрагментами существуют внутренние связи не только прямые, но и обратные. Многоконтурная система регулирования параметров газа является единой динамической системой.
Актуальность работы определяется целесообразностью использования многоконтурных систем регулирования параметров газа, которые позволяют создавать линии газоснабжения в условиях высоких требований к точности регулирования и функциональным возможностям линий.
Объект исследования
Объектом исследования настоящей диссертации являются многоконтурные системы регулирования параметров газа в составе линий газоснабжения технических устройств, потребляющих газ. В настоящее время подробно разработаны методы анализа и синтеза одноступенчатых систем регулирования давления газа. Опьгт разработки многоконтурных систем является ограниченным. Рассмотрены лишь отдельные варианты построения таких систем. Технические возможности различных схем не выявлены, методики расчета их характеристик и выбора конструктивных параметров отсутствуют.
Цель работы
Целью исследований является повышение эффективности технологических комплексов газоавтоматики на основе использования разработанных методик анализа характеристик многоконтурных систем регулирования параметров газа.
Задачи исследований
Для достижения поставленной в работе цели необходимо для каждой разновидности рассматриваемых многоконтурных систем решить следующие задачи:
построить математические модели, отражающие функционирование систем в различных режимах;
разработать методики расчета статических характеристик, оцепить особенности этих характеристик для каждой разновидности систем;
выявить влияние на точность регулирования различных факторов, получить рекомендации для повышения точности;
построить методики оценки устойчивости установившегося режима работы системы, получить рекомендации по повышению устойчивости.
Отметим ряд наиболее характерных особенностей объекта исследования, определяющих своеобразие решений, представленных в настоящей работе.
-
-
Взаимодействие контуров регулирования, их влияние на точность и устойчивость системы проявляется различным образом в линиях, отличающихся структурой.
-
На точность регулирования давления в многокошурной системе влияют ограничения по расходу в отдельных регуляторах. Это влияние проявляется иначе, чем в одноконтурной системе, и своеобразно в каждой системе, отличающейся сгруктурой.
-
На точность регулирования давления существенно влияют гидравлическое сопротивление трубопроводной системы, которая может иметь разветвленную структуру, а также гидравлическое сопротивление каналов газа теплообменных аппаратов, осуществляющих регулированный подогрев газа.
В работе ограничимся рассмотрением многоконтурных систем трех основных структур: системы регулирования давления с параллельным включением регуляторов, системы регулирования давления и температуры газа с последовательным включением регуляторов давления и исполнительных элементов подсистемы регулирования температуры, а также системы с последовательно-параллельным включением регуляторов давления. Методики, представленные в работе, легко расширить и использовать для анализа характеристик систем с более сложной структурой. Такое расширение не потребует каких-либо принципиальных изменений в расчетных методиках.
Построение системы регулирования как многоконтурной позволяет получить характеристики, отвечающие повышенным техническим требованиям. Анализ характеристик и функциональных возможностей многоконтурных систем различных структур, получение рекомендаций по выбору их параметров при проектировании составляют новую научную задачу, имеющую важное практическое значение.
Предмет исследования
Предметом исследования настоящей работы являются статические и динамические характеристики многоконтурных систем регулирования параметров газа в различных режимах функционирования.
К настоящему времени теория систем пневмогазоавтоматики является вполне развитой отраслью технических наук, в рамках которой построены математические модели этих систем и их элементов, даны методики расчета их характеристик и выбора параметров при проектировании. В числе отечественных авторов, внесших существенный вклад в развитие теории пневмогазоавтоматики, следует назвать Е.В. Герц, Г.В. Крейнина, Б.М. Подчуфарова, Ю.Б. Подчуфарова, Ю.Л. Арзуманова, Е.М. Халатова, Г.А. Дрейцера, В.А. Кузьминова и многих других.
Для решения задач, поставленных в диссертации, потребовалось:
доработать математические модели, даваемые в теории устройств пневмогазоавтоматики, в соответствии с особенностями многоконтурных систем регулирования параметров газа;
построить новые методики анализа характеристик и выбора параметров, обеспечивающих выполнение требований технического задания.
Научная новизна
Научная новизна диссертации состоит в следующем: построены математические модели функционирования, разработаны методики расчета и проведено исследование характеристик ряда перспективных разновидностей многоконтурных систем регулирования параметров газа, получены рекомендации по выбору параметров этих систем, обеспечивающих требуемую точность регулирования и устойчивость рабочих режимов.
IIa защиту выносятся:
математические модели многокошурных систем регулирования параметров
газа;
методики расчета характеристик многоконтурных систем;
результаты анализа характеристик ряда перспективных разновидностей систем регулирования параметров газа;
рекомендации по выбору параметров рассмотренных в работе систем при проектировании.
Обоснованность и достоверность результатов
Обоснованность и достоверность научных результатов определяется:
использованием при построении математических моделей и методов исследований фундаментальных физических законов и основных положений теории систем пневмоавтоматики;
соответствие выявленных аналитически свойств объекта исследования результатам экспериментов.
Практическая полезность
Практическая полезность работы состоит в .повышении качества разработок систем регулирования параметров газа, в улучшении характеристик создаваемых систем, сокращении сроков их разработки.
Апробация работы
Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития" (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), на научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2008-2010 гг.), на научно-технических конференциях в ФГБОУ ВПО "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева" (2009-2010 гг.).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 8 научных работ, в том числе две в изданиях по перечню ВАК.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Исследование характеристик многоконтурных систем регулирования параметров газа в технологических комплексах газоавтоматики
-
