Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ ИИС для исследования температурных полей 17
1.1 Характеристика объекта исследования 17
1.1.1 Общие сведения об АВО газа 17
1.1.2 Гидратообразование в АВО газа 19
1.2 Требования, предъявляемые к ИИС для исследования температурных полей 23
1.3 Классификация ИИС для исследования температурных
полей 25
1.4 Современное состояние и перспективы развития многоточечных ИИС для исследования температурных полей 26
Результаты и выводы по главе 43
Глава 2. Определение параметров многоточечной системы контроля температурных полей АВО газа 44
2.1 Изучение процесса теплообмена в АВО и определение зон наиболее вероятного гидратообразования 45
2.2 Алгоритм восстановления температурного поля по дискретным значениям температуры 54
2.3 Определение стратегии выбора узлов аппроксимации 58
2.4 Определение числа пространственных узлов аппроксимации 61
2.4.1 Определение числа точек измерения по длине теплообменной трубки АВО 61
2.4.2 Определение числа теплообменных трубок АВО, подлежащих контролю 65
2.5 Определение интервала временной дискретизации 70
2.6 Рекомендации по проектированию многоточечной системы контроля температурных полей АБО газа 72
Результаты и выводы по главе 74
Глава 3. Разработка алгоритмов функционирования системы автоматического управления АВО газа 75
3.1 Анализ методов регулирования АВО газа 75
3.1.1 Регулирование изменением количества охлаждающего воздуха, подаваемого в теплообменные секции 76
3.1.2 Прочие способы регулирования АВО газа 79
3.2 Обзор существующих систем автоматического управления АВО газа 80
3.3. Выбор метода регулирования АВО газа 81
3.4 Разработка алгоритма вычисления допустимого диапазона значений температуры стенок теплообменных трубок АВО газа 83
3.5 Разработка алгоритма регулирования АВО газа 87
3.6 Расчет параметров системы автоматического управления АВО газа 92
3.6.1 Определение передаточных функций объекта управления 92
3.6.2 Расчет настроечных параметров регулятора 101
3.6.3 Оценка качества регулирования 105
Результаты и выводы по главе 112
Глава 4. Описание информационно-измерительной и управляющей системы АВО газа 114
4.1 Структура ИИУС АВО газа 114
4.2 Состав и назначение элементов СКТП АВО газа 117
4.3 Состав и назначение элементов САУ АВО газа 119
4.4 Программное обеспечение ИИУС АВО газа 122
4.4.1 Программное обеспечение СКТП АВО газа 123
4.4.2 Программное обеспечение САУ АВО газа 131
4.5 Основные характеристики ИИУС АВО газа 136
Результаты и выводы по главе 138
Основные результаты и выводы 139
Список используемой литературы 141
- Общие сведения об АВО газа
- Алгоритм восстановления температурного поля по дискретным значениям температуры
- Регулирование изменением количества охлаждающего воздуха, подаваемого в теплообменные секции
- Состав и назначение элементов СКТП АВО газа
Введение к работе
Актуальность
Высокие темпы развития газовой промышленности требуют постоянного усовершенствования технологического оборудования и надежного контроля его работы.
В процессе подготовки природного газа к транспортировке по магистральным газопроводам на газовых промыслах (ГП) и компрессорных станциях большое внимание уделяется охлаждению газа. Для этого используются аппараты воздушного охлаждения (АВО) газа. Необходимость охлаждения газа продиктована требованиями энергосбережения. Согласно закону Гей-Люссака объем газа при неизменном давлении прямо пропорционален его температуре. Газ с минимальным объемом при перекачке по магистральным газопроводам испытывает минимальное гидравлическое сопротивление, и на его перекачку расходуется минимальное количество энергии. Поэтому необходимо минимизировать температуру газа.
На дожимных компрессорных станциях (ДКС) ГП газоконденсатных месторождений (ГКМ) Крайнего Севера в процессе охлаждения сырого природного газа при отрицательных температурах окружающего воздуха остро стоит проблема гидратообразования в теплообменных трубках АВО. Газовые гидраты, которые представляют собой кристаллические вещества и образуются на внутренних стенках трубок при определенном соотношении давления и температуры, могут вызвать закупорку проходного сечения и выход трубки из строя. Это в свою очередь повлечет за собой уменьшение расхода газа через АВО и недоохлаждение газа.
В настоящее время предложено множество методов борьбы с гидратами, наиболее эффективным из которых, на наш взгляд, является прогнозирование и обнаружение гидратов посредством исследования температурного поля АВО и регулирования температуры стенок теплообменных труб.
Таким образом, разработка информационно-измерительной и
ISI управляющей системы (ИИУС) АВО газа, обеспечивающей безгидратный
режим работы АВО, является актуальной задачей, которая пока еще не решена.
Связь исследования с научными программами
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры Автоматизации производственных процессов Уфимского государственного нефтяного технического университета (АПП УГНТУ), в частности в рамках договоров, заключенных в 2001-2004 г.г. хозрасчетной научно-исследовательской лабораторией "ИИС" кафедры АПП УГНТУ с ООО «Уренгойгазпром».
Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи, имеющей важное теоретическое значение и практическое применение - разработка, исследование и внедрение в промышленность ИИУС АВО газа, обеспечивающей безгидратный режим работы АВО.
Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:
1) анализ ИИС для исследования температурных полей и методов
регулирования АВО газа;
'*"' 2) поиск стратегии размещения первичных ' преобразователей,
обеспечивающей минимальную погрешность аппроксимации
экспериментальных данных;
определение минимального числа первичных преобразователей, обеспечивающего восстановление температурных полей АВО газа с заданной точностью;
разработка способа автоматического управления процессом охлаждения сырого природного газа, обеспечивающего безгидратный режим работы АВО;
^ 5) разработка алгоритма работы системы автоматического
управления (САУ) АВО газа;
6) разработка программного обеспечения (ПО) ИИУС АВО газа.
Методы исследования базируются на теории информации, теории теплопроводности, теории автоматического управления, математическом аппарате преобразования Лапласа, аналитических и численных методах анализа с использованием ЭВМ.
На защиту выносятся:
Стратегия размещения на АВО газа первичных преобразователей, обеспечивающая минимальную погрешность аппроксимации экспериментальных данных.
Алгоритм определения минимального числа первичных преобразователей многоточечной системы контроля температурных полей (СКТП) АВО газа, обеспечивающего заданную точность измерения температуры.
Способ автоматического управления процессом охлаждения сырого природного газа и алгоритм функционирования САУ АВО газа.
4. Разработка и внедрение в промышленность ИИУС АВО газа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана последовательность проектирования многоточечных
ИИС для исследования температурных полей АВО газа, обеспечивающая
восстановление температурного поля АВО с заданной точностью,
заключающаяся в:
определении стратегии размещения первичных преобразователей на объекте исследования - аппарате воздушного охлаждения газа;
алгоритме определения числа точек измерения температуры стенок теплообменных трубок АВО газа.
2. Предложен и разработан способ автоматического управления
процессом охлаждения сырого природного газа, заключающийся в
поддержании температуры стенки теплообменной трубки АВО газа в
определенном диапазоне. Установлено, что нижний предел этого диапазона
обусловлен возможным нежелательным образованием гидратов
10 углеводородных газов в теплообменных трубках АВО, а верхний — необходимостью энергосбережения.
3. Предложен и разработан алгоритм работы САУ АВО газа, отличительной особенностью которой является схема распределения вентиляторов парка АВО газа по группам, обеспечивающая минимизацию частотно-регулируемых приводов.
Практическая значимость и реализация результатов Диссертационная работа является составной частью исследований по разработке комплексов технических средств для автоматизации АВО газа ДКС газовых месторождений Западной Сибири, выполняющихся на кафедре АЛЛ УГНТУ. Изложенная в работе теория и методология позволили получать распределения температурных полей АВО газа с заданной точностью при минимизации первичных преобразователей. Разработанные алгоритм функционирования САУ АВО газа и способ автоматического управления процессом охлаждения газа позволили осуществлять процесс охлаждения сырого природного газа в безгидратном режиме. Полученные научные результаты нашли практическое применение в следующих технических приложениях:
ИИУС АВО газа внедрена и успешно эксплуатируется на ДКС 1-й ступени ГП №3 Уренгойского ГКМ (ООО «Уренгойгазпром»);
создано и внедрено программное обеспечение ИИУС АВО газа на ДКС 1-й ступени ГП №3 Уренгойского ГКМ (ООО «Уренгойгазпром»);
в УГНТУ результаты научной работы используются в учебно-методической работе кафедры АПН.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 17 печатных работ, из которых 4 статьи, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:
- 51, 52, 53, 54 научно-технические конференции студентов, аспирантов
и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2000 - 2003);
III Конгресс нефтегазопромышленников России (секция автоматизации производственных процессов) (Уфа, 2001);
международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация — 2002» (Барнаул, АлтГТУ, 2002);
международная научно-техническая конференция «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, ПТУ, 2002);
международная научно-техническая конференция «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Измерения - 2002»)», (Пенза, ПТУ, 2002 г.);
57-я межвузовская научная студенческая конференция «Нефть и газ-2003» (Москва, РГУ нефти и газа им И.М. Губкина, 2003);
- XIV, XV, XVI научно-технические конференции с участием
зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем
измерения, контроля и управления» (Москва, МГИЭМ, 2002 - 2004).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из перечня сокращений, введения, четырех глав материала, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований, и 9 приложений. Общий объем работы составляет 167 страниц, в том числе 45 рисунков, 6 таблиц.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, дана общая характеристика выполненной работы.
В первой главе представлена характеристика объекта исследования, проведен обзор состояния проблемы гидратообразования в АВО. Даны обоснования необходимости контроля температурных полей АВО газа и регулирования температуры наружной поверхности стенок теплообменных трубок АВО. В этой связи отмечена актуальность проектирования ИИУС
12 ABO газа и проведен анализ существующих ИИС для исследования температурных полей. На основании проведенного анализа предложена классификация указанных ИИС.
Вторая глава посвящена изучению процесса теплообмена в АВО газа и определению на основании проведенных исследований оптимальных параметров СКТП АВО газа.
В АВО с нижним расположением вентиляторов наибольшему охлаждению подвергается нижний ряд теплообменных труб. Следовательно, этот ряд наиболее подвержен гидратообразованию, что подтверждается опытом эксплуатации АВО. Для одиночной трубки нижнего ряда аппарата 2АВГ-75С получена зависимость температуры наружной поверхности стенки от координаты, на основании которой получено выражение для определения границы наиболее вероятного гидратообразования в АВО. Установлено, что при среднегодовых значениях расхода, давления и температуры газа и при минимальной температуре воздуха зона гидратообразования охватывает практически всю площадь АВО.
Предложено измерять температуру наружной поверхности стенок теплообменных труб нижнего ряда АВО в ряде точек и аппроксимировать экспериментальные данные для восстановления температурных полей трубок нижнего ряда АВО. В качестве метода аппроксимации предложено использовать метод наименьших квадратов, т.к. данный метод обладает свойством "сглаживания" ошибок, неизбежно возникающих при каждом новом измерении.
Предложено размещать датчики по длине теплообменных труб согласно чебышевскому алгоритму (т.е. в точках, совпадающих с нулями многочленов Чебышева). Установлено, что при размещении датчиков по данному алгоритму существенно снижается погрешность аппроксимации.
Число точек измерения температуры стенок труб предложено определять в два этапа. Первый этап - определение оптимального числа точек по длине АВО (т.е. по длине теплообменных труб). Второй -
13 определение оптимального числа точек по ширине АВО. На первом этапе задача решается методом численного эксперимента. В качестве критерия оптимальности выбирается минимальное число точек измерения температуры, при котором обеспечивается заданная точность измерения. При этом точность измерения определяется максимальной погрешностью отклонения аппроксимирующего полинома от аналитического распределения температуры. На втором этапе определяется предполагаемое число дефектных трубок в нижнем ряду каждой секции АВО, подлежащих контролю. К этому числу прибавляется число трубок в системе охлаждения, являющихся крайними в теплообменных секциях АВО и, следовательно, больше охлаждаемых; а также число произвольно выбранных «нормальных» трубок, соответствующее числу секций АВО, по температурным полям которых определяются температурные поля других «нормальных» трубок данной секции АВО газа.
На основании полученных в главе результатов сделаны рекомендации по проектированию СКТП АВО газа.
Третья глава посвящена разработке алгоритмов функционирования САУ АВО газа. Рассмотрены известные на сегодняшний день методы регулирования АВО и разработанные в России САУ АВО газа. Выявлено, что ни одна из существующих систем не удовлетворяет в полной мере требованиям обеспечения стабильной работы АВО сырого природного газа в условиях гидратообразования. В связи с этим предложены структура и алгоритм работы новой САУ АВО газа, основывающейся на изменении частоты и направлении вращения вентиляторов АВО газа. Приведено обоснование выбора данного метода регулирования.
Отличительной особенностью предлагаемой САУ АВО газа является схема управления вентиляторами АВО. Согласно этой схеме 20 вентиляторов системы воздушного охлаждения разбиты на 5 групп по 4 вентилятора. Каждая из четверок управляется отдельным частотно регулируемым приводом (ЧРП). Такое соотношение ЧРП и вентиляторов принято исходя из
14
того, что при отрицательных температурах воздуха в работе обычно
'* находятся не более 5 вентиляторов. Поэтому в зимнее время необходимо,
чтобы одновременно регулировались частота и направление вращения максимум 5 вентиляторов.
В летнее же время, когда проблема гидратообразования не актуальна, необходимость в изменении частоты и направлении вращения вентиляторов отпадает. ЧРП в данном режиме необходимы для последовательного плавного пуска электродвигателей вентиляторов.
Поэтому группировка всех вентиляторов АВО газа по 4 на один ЧРП позволяет обеспечить в зимнее время регулирование частотой и направлением вращения электродвигателя каждого работающего вентилятора индивидуальным ЧРП, а в летнее время - последовательный плавный пуск этим ЧРП всех четырех вентиляторов.
Составной частью предлагаемого алгоритма САУ АВО газа является процедура вычисления допустимого диапазона температур стенок теплообменных трубок АВО газа. Нижний предел этого диапазона обусловлен возможным нежелательным образованием гидратов углеводородных газов в теплообменных трубках АВО, а верхний -необходимостью энергосбережения.
Получена математическая модель вынужденной конвекции в теплообменной трубке АВО, отражающая характер изменения во времени температур газа, стенки теплообменной трубки и охлаждающего воздуха, на основании которой получены передаточные функции объекта по каналу управления и возмущения для различных значений температуры охлаждающего воздуха на входе в АВО.
По полученным передаточным функциям рассчитаны настроечные параметры ПИД-регулятора и его модификаций (ПИ-Д и И-ПД регуляторов).
Проведена оценка качества регулирования, в результате которой в
4 качестве закона регулирования выбран И-ПД регулятор.
В четвертой главе приведено описание ИИУС АВО газа, в состав которой входит система контроля температурных полей, а также система автоматического управления АВО газа, разработанные при непосредственном участии автора на основании полученных и приведенных в настоящей работе результатов.
ИИУС АВО газа предназначена для автоматического контроля и управления в реальном масштабе времени процессом охлаждения газа. Система обеспечивает централизованный контроль состояния объекта, сигнализацию отклонения параметров от нормы, дистанционное управление работой объекта, защиту (останов) технологического оборудования, формирование журнала аварийных и технологических сообщений, формирование и печать отчетных документов, ведение базы данных и др. Система обеспечивает выполнение заданных функций под наблюдением оператора.
Структура ИИУС АВО газа соответствует магистрально-модульному принципу построения с сетевой организацией обмена информацией между устройствами и имеет распределенное программное обеспечение и базу данных. Система имеет трехуровневую структуру - нижний, средний и верхний уровни.
К нижнему уровню ИИУС АВО газа относятся датчики технологических параметров, электроприводы АВО, а также блок ручного управления, который имеет кнопки управления, воздействующие непосредственно на магнитные пускатели.
К среднему уровню ИИУС АВО газа относятся программно-аппаратные модули (блоки) управления узлов и агрегатов АВО газа на базе концентраторов аналоговых сигналов, частотно-регулируемых приводов и программируемых логических контроллеров.
Верхний уровень ИИУС АВО газа реализован на базе персонального компьютера.
Также в четвертой главе приведено описание ПО ИИУС АВО газа, защищенного свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ (Per. №№ 2003610275, 2003610276 от 28.01.03) и состоящего из двух частей. Первая часть, ПО СКТП АВО газа, предназначено для получения, обработки, регистрации и представления в удобном для пользователя виде данных, полученных от первичных преобразователей. Вторая часть, ПО САУ АВО газа, предназначено для дистанционного управления АВО газа, сбора и архивирования данных и событий, а также диагностики оборудования. Обе версии ПО РШУС АВО газа могут работать самостоятельно, независимо друг от друга.
Эффективность и прикладное значение теоретических положений, сформулированных и развитых в работе, подтверждаются испытаниями и внедрением экспериментальной ИИУС АВО газа на ДКС 1-й ступени ГП № 3 Уренгойского ГКМ (ООО «Уренгойгазпром»).
Общие сведения об АВО газа
Развитие многих отраслей промышленности требует сокращения потребления воды, расходуемой для отвода избыточного тепла технологических процессов. В большой степени эта задача решается при внедрении в производство теплообменных аппаратов, которые для охлаждения теплоносителя используют воздух. Отечественные и импортные аппараты воздушного охлаждения используются в самых разнообразных технологических процессах и сокращают потребление охлаждающей воды в несколько раз.
В конце семидесятых годов в связи с возросшими экологическими требованиями началось повсеместное внедрение АВО в различных отраслях промышленности и, в частности, в газовой. Работы по внедрению АВО в газовой промышленности выполнялись в следующих научно-исследовательских и проектных организациях: ВНИИНефтемаш, Гипроспецгаз, Гипрогаз, ВНИИтрансгаз, Востокгипрогаз, ВНИИгаз, Ленхиммаш, ЮжНИИгипрогаз, Союзгазпроект, МИНХиГП (ныне РГУНиГ) и др. /26, 34/.
Аппараты воздушного охлаждения общего назначения предназначены для конденсации, охлаждения парообразных, газообразных и жидких сред с температурой от -40 до 300С, давлением до 6,4 МПа. Для удовлетворения запросов газовой и газоперерабатывающей промышленности разработаны аппараты высокого давления 7,5...35 МПа /45/. В газовой промышленности АВО нашли применение на газовых промыслах - на установках комплексной подготовки газа и дожимных компрессорных станциях, станциях подземного хранения газа, на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Необходимость охлаждения газа на всех вышеперечисленных объектах продиктована требованиями обеспечения качества подготовки товарной продукции, надёжности и эффективности эксплуатации газопромыслового оборудования и повышения его пропускной способности.
В настоящее время на газопроводах страны установлено свыше 6000 АВО разных типов /34/, среди которых распространение получили как отечественные, так и импортные аппараты воздушного охлаждения (количество отечественных и импортных АВО примерно одинаковое). Отечественные аппараты разработаны во ВНИИНефтемаше и выпускаются на различных машиностроительных заводах нашей страны, таких как: ОАО «Уралхиммаш», ЗАО «Борхимкомплект», Бугульминский механический завод (ОАО «Татнефть»), ОАО «Борхиммаш», ЗАО «Тепломаш», ЗАО «Газхимоборудование», ОАО «Химмаш», ООО «ЦНО-Химмаш» и др. В газовой промышленности используются отечественные аппараты 2АВГ-75, АВЗ-5300, АВГ1-75 и другие. Из импортных аппаратов для охлаждения газа используются АВО фирм: «Крезо-Луар», «Хадсон-Итальяно», «Нуово-Пиньоне», «Ничимен», «Пейя» и некоторых других производителей.
Аппараты воздушного охлаждения независимо от назначения и исполнения включают следующие узлы /35, 45/: теплообменные трубные секции, вентиляторы с приводами, аэродинамические элементы, несущие конструкции и узлы регулирования.
Теплообменная секция представляет собой пучок оребренных труб, расположенных в шахматном или коридорном порядке по ходу движения охлаждающего воздуха. Концы труб заделаны в трубные решетки и закрыты крышками с отверстиями для подсоединения внешней трубопроводной обвязки. Поскольку в АВО со стороны охлаждающего воздуха коэффициент теплоотдачи очень низок, в аппаратах используются поперечнооребрённые теплообменные трубы. Степень оребрения труб характеризуется коэффициентом оребрения (рор, то есть отношением полной наружной поверхности трубы к наружной поверхности гладкой трубы с диаметром по основанию рёбер. Известны различные конструкции поперечнооребрённых теплообменных труб, применяемых в АВО. Наиболее широко применяются трубы с накатными и навитыми рёбрами. В качестве материала рёбер используются, как правило, сплавы алюминия. Трубки, на которые наносят оребрение, изготавливаются в основном из различных сталей, чтобы придать им достаточную прочность и предотвратить провисание /68/.
Применяют следующие способы регулирования АВО: жалюзирование поверхностей, изменение скорости вращения двигателя и угла поворота лопастей вентилятора и отключение части или всех вентиляторов АВО (подробнее о способах регулирования АВО газа - в 3 главе).
В диссертационной работе исследуются аппараты воздушного охлаждения типа 2АВГ-75С, установленные на ГП №3 Уренгойского ГКМ. АВО данного типа имеет следующие особенности: аппарат горизонтальный, одноходовой, расположение вентиляторов — нижнее, схема движения теплоносителей - перекрестный ток, расположение трубок в секции — шахматное. Функциональная схема и технические характеристики АВО типа 2АВГ-75С (а также электродвигателей и вентиляторов АВО) приведены в приложении 1.
АВО включены в технологическую линию ДКС первой ступени компримирования между газоперекачивающим агрегатом и осушкой газа. Исходным сырьем является газ сеноманской залежи. Состав и свойства газа приведены в приложении 2.
Алгоритм восстановления температурного поля по дискретным значениям температуры
В ходе автоматизированной обработки результатов испытаний технических систем часто возникает необходимость аппроксимации функций, заданных экспериментальными данными. В простейшей постановке задача аппроксимации формулируется следующим образом. Пусть в результате проведения эксперимента в точках х],...,xN найдены значения уі,...,уп некоторой неизвестной функции у = / (х), а также задан определенный класс функций L = {(р (х;в)}, где в = (в]г...,6 ) - вектор произвольных параметров. Для функции у = f (х) необходимо выбрать функцию (р (х;в) из класса L, в некотором смысле близкую к / (х). В зависимости от выбора класса функций L, а также критерия близости функций, можно построить различные алгоритмы аппроксимации, позволяющие решать самые разнообразные практические задачи. К основным методам аппроксимации относятся: интерполирование, метод наименьших квадратов, минимаксный критерий /68/.
Одной из простейших задач аппроксимации является задача интерполяции, для которой функции/ и р (х;в) считаются "близкими", если /(хі)=(р(хі;в) /=1,.. .Л (2.24) T.Q./(X) и д (х;6) совпадают в точках х„ /=1,... Д. Точки х( называются узлами интерполяции. Эта задача возникает в тех случаях, когда известно, что ошибки эксперимента являются настолько малыми, что их можно не учитывать.
Когда значения функции известны в узловых точках не точно, а с некоторой погрешностью, максимальная величина которой для каждой точки задается в качестве априорной информации, задача состоит в построении такой кривой, которая бы в известном смысле наилучшим образом аппроксимировала функцию, заданную со случайными погрешностями в узловых точках. Такая задача обычно решается на основе метода наименьших квадратов МНК /61/.
Для восстановления температурного поля нижнего ряда теплообменных труб АВО по дискретным значениям температуры наружной поверхности стенок труб целесообразно использовать МНК /92, 93/. Этот метод получил широкое распространение благодаря свойству "сглаживания" ошибок наблюдений.
Таким образом, мы рассмотрели алгоритм аппроксимации экспериментальных данных по одной трубе. Запишем выражения для основных погрешностей, которые неизбежно возникнут в результате измерения и обработки полученных данных /95/.
Пусть Т = f{x) - действительное распределение измеряемого поля. В качестве действительного распределения одномерного поля температуры наружной поверхности стенки трубы можно принять выражение (2.19) (для АВО типа 2АВГ-75С - выражение (2.20)). Тогда "Цх,) - действительные значения температуры в точках измерения; Т (х,) - результаты измерения температуры, полученные с ошибками Єі = Т(х() - Г(х,); (2.32) Pn(x) - аппроксимированное по измеренным значениям распределение температурного поля; Рп(хг) — значения в точках измерения аппроксимированного температурного поля. Погрешность аппроксимации определится как $ = \Т (Хі)-Рп(хд\, (2.33) а результирующая погрешность измерительной системы А = \Т(х)-Рп(х)\. (2.34) Отметим, что современные технологии изготовления АЦП позволяют задавать достаточно высокое эффективное разрешение, при котором погрешность АЦП становится несоизмерима с погрешностью датчиков системы. Предложенные в диссертационной работе алгоритмы аппроксимации проводились с помощью программного продукта «Matlab 6.0» фирмы «The Math Works, Inc.» /31/. 2.3 Определение стратегии выбора узлов аппроксимации Рассмотрим, как влияет стратегия выбора узлов аппроксимации на результат измерений.
Данная теорема была подтверждена экспериментально. Ниже (см. рисунок 2.5) приведены результаты измерения температуры в пяти точках по длине теплообменной трубки АВО. Слева показан график с равномерным шагом разбиения, а справа - с чебышевским разбиением (узлы - в точках 0,29 м; 2,47 м; 6,00 м; 9,53 м; 11,71 м). Проводилась аппроксимация многочленами 4-й степени. Под графиками приведены соответствующие гистограммы распределения модуля погрешности аппроксимации. Из рисунка видно, что в случае чебышевского разбиения max погрешность аппроксимации на 28 % меньше, чем в случае равномерного разбиения.
Как было показано в первой главе, основное требование, которое предъявляется к многоточечным измерительным системам, заключается в минимизации числа первичных преобразователей при условии достижения достаточной точности измерений. Таким образом, необходимо решить задачу определения минимального числа точек измерения (узлов аппроксимации) в пространстве, при котором обеспечивается заданная точность. Это минимальное число точек будет оптимальным с точки зрения экономической эффективности.
Разобьем задачу на два этапа. Первый этап - определение числа точек по длине теплообменной трубки АВО. Второй - определение числа теплообменных трубок АВО, подлежащих контролю.
Регулирование изменением количества охлаждающего воздуха, подаваемого в теплообменные секции
Сущность процесса регулирования изменением подачи охлаждающего воздуха заключается в сохранении равенства: ковсро = к]9ср], где ко, всро и к], всрі — коэффициент теплопередачи и логарифмическая разность температур соответственно в номинальном режиме и режиме регулирования. По мере снижения температуры охлаждающего воздуха плотность теплового потока увеличивается, что обусловлено повышением логарифмической разности температур 0срО и соответствующим снижением . значения температуры газа на выходе из АВО. При этом устанавливается новое равновесное состояние: к20ср2 ковсро После превышения допустимого отклонения система регулирования уменьшает подачу охлаждающего воздуха к теплообменным секциям. Уменьшается коэффициент теплопередачи, достигая значения ко, а логарифмическая разность температур становится равной 6срі. В процессе отклонения и регулирования наблюдается следующее соотношение параметров к0 = к2 кг, 9ср2 9ср1 9ср. Таким образом, по мере увеличения или уменьшения температуры охлаждающего воздуха в интервале регулирования аппарат проходит ряд равновесных состояний ко9сро = кх9ср,х, в каждом случае обеспечивая постоянное значение температуры газа на выходе из АВО. Регулирование подачи охлаждающего воздуха возможно /47/: - жалюзированием поверхностей теплообмена и выхода вентилятора; - изменением угла поворота лопастей вентилятора; - применением электродвигателей с переменной частотой вращения; - отключением вентиляторов или поверхностей теплообмена; - использованием в схеме привода гидромуфт, гидротрансформаторов, вариаторов, коробок изменения скоростей и т. д. Жалюзи устанавливаются в потоке воздуха на выходе из теплообменных секций в верхней части АВО. Жалюзи можно устанавливать и непосредственно на выходе вентилятора, но энергетически это менее выгодно по сравнению с размещением их в верхней части, где скорость воздуха меньше. Управляют жалюзями вручную или автоматически, причем возможно дифференцированное использование жалюзей одного аппарата. Несмотря на то, что жалюзи являются самым распространенным способом регулирования расхода воздуха, они не обеспечивают экономии энергетических затрат. Анализ данных эксплуатации и промышленных испытаний /47/ свидетельствует о том, что жалюзийные решетки увеличивают аэродинамическое сопротивление аппарата, причем тем больше, чем хуже они ориентированы по потоку воздуха в исходном положении. Применение жалюзей позволяет перераспределять потоки воздуха между теплообменными секциями, предупреждать возможное замерзание теплоносителя, предохранять теплообменные поверхности от атмосферных воздействий.
Регулирование изменением угла поворота лопастей осуществляется вручную при остановленном вентиляторе или автоматически при использовании пневматического или электромеханического привода. Автоматическое регулирование позволяет поддерживать выходную температуру газа с высокой точностью и открывает широкие возможности регулирования АВО с двумя и большим числом вентиляторов, при этом достаточно установить механизм поворота лопастей только на одном из вентиляторов. Процесс регулирования для двухвентиляторного АВО происходит в следующей последовательности. На номинальном режиме работают оба вентилятора с максимальными углами поворота лопастей. По мере снижения температуры охлаждающего воздуха на регулируемом вентиляторе угол выводится до номинального. Далее отключают вентилятор, работающий без регулирования, а на регулируемом восстанавливают необходимый угол поворота. При дальнейшем снижении температуры охлаждающего воздуха поворот лопастей на работающем вентиляторе вновь доводится до минимального, вентилятор отключается, и АВО переводится в режим естественной конвекции.
Поддержание оптимального значения температуры газа на выходе из АВО возможно при плавном изменении частоты вращения вентилятора. Плавное изменение вращения асинхронного электродвигателя возможно при помощи частотно-регулируемых приводов (ЧРП). Изменение частоты вращения двигателя позволяет работать на наиболее экономичном режиме. Регулирование по этому способу можно осуществлять вручную или автоматически. Практика применения частотных преобразователей для управления вентиляторами доказывает целесообразность не просто включения преобразователя для управления агрегатом, а создания специализированных систем управления технологическим процессом. Именно такой подход позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой из сети электрической мощности, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшение условий труда и увеличение срока службы оборудования. Современные преобразователи частоты позволяют получать более 20 параметров состояния электропривода. Соответствующая обработка этих параметров позволяет проводить глубокое диагностирование как оборудования системы, так и протекающих процессов. Появляется возможность не только реагировать на возникшую аварию, но и предупреждать её, что для энергетических объектов значительно важнее.
В системах воздушного охлаждения включающих 8 - 12 и более однотипных АВО или такое же число вентиляторов при меньшем числе аппаратов достаточно плавное регулирование может быть получено последовательным отключением вентиляторов или выводом из активного теплообмена части поверхности охлаждения. Такая схема регулирования является ступенчатой; в экономическом отношении эта схема приближается к схеме частотного регулирования двигателей. Применение ступенчатого регулирования дает хорошие результаты при достаточно широких пределах колебаний температуры охлаждающего воздуха
Из рассмотренных вариантов регулирования подачи охлаждающего воздуха наиболее эффективны в отношении устойчивого значения температуры газа на выходе из АВО варианты плавного бесступенчатого изменения производительности вентилятора, достигаемого регулированием угла поворота лопастей и оборотов двигателя. Расчеты и практика эксплуатации показывают, что при числе АВО в системе воздушного охлаждения больше четырех по экономической эффективности к бесступенчатому регулированию приближается ступенчатое регулирование частоты вращения двигателя и регулирование отключением вентиляторов и поверхностей теплообмена. Изменение расхода охлаждающего воздуха, создаваемое жалюзями, в сравнении с другими способами не дает заметного экономического эффекта /47/.
Состав и назначение элементов СКТП АВО газа
СКТП АВО газа служит для контроля температур стенок трубок АВО и температур газа по рядам трубок, по которым УП определяет степень загидраченности трубок. СКТП так же фиксирует температуру газа в входном и выходном коллекторах АВО, температуру газа на выходе каждой секции АВО, а так же температуру воздуха. СКТП состоит из следующих элементов: - датчики температуры; - концентраторы аналоговых сигналов; - блок передачи данных. В качестве термодатчиков использованы платиновые сенсоры с большим температурным диапазоном от - 70 до +600 С, коротким временем снятия данных, температурным коэффициент 0,00385 К, классом допуска D = ± 0,6% и сопротивлением 1000 Ом при 0 С. Датчики помещены в металлические гильзы, специально разработанные для крепления их между алюминиевыми ребрами теплообменных трубок.
КАС имеют одинаковую структуру и включают модули ввода сигналов термометров сопротивления ADAM-4015 производства фирмы Advantech, основные характеристики которых представлены в приложении 3. Встроенный микропроцессор, входящий в состав каждого модуля, обеспечивает независимое от управляющей вычислительной системы выполнение функций гальванически изолированного ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов с последующей нормализацией, фильтрацией, преобразованием в форму, пригодную для передачи по последовательному каналу связи, а также обеспечивает информационный обмен с БПД передачи данных на базе интерфейса RS-485. Таким образом, КАС обеспечивают: - сбор информации от датчиков температуры, устанавливаемых по месту; - обработку и передачу информации о состоянии объектов на верхний уровень ИИУС АВО газа. БПД содержит модуль ADAM-4521 производства фирмы Advantech (основные характеристики приведены в приложении 3), который является интеллектуальным преобразователем интерфейса RS-422/485 в RS-232 и предназначен для включения в многоточечную сеть на базе RS-485 устройств с интерфейсом RS-232. Преобразователь ADAM-4521 имеет в своем составе микропроцессор, который выполняет обработку данных перед обменом по каналу RS-232C. Другая функция микропроцессора состоит в управлении двумя асинхронными приемопередатчиками и настройке коммуникационных параметров портов RS-232C и RS-485. Таким образом, имеется возможность одновременного использования разных скоростей обмена по каналам связи RS-232C и RS-485.
Блок электромагнитных контакторов. Управление БЭК осуществляется посредством ПЛК (и блока расширения), который, через блок реле подаёт управляющий сигнал на соответствующий контактор. Выбранный вентилятор через соответствующий контактор группы К1 подключается к выходу ЧРП, посредством которого осуществляется управление частотой и направлением вращения вентилятора. После разгона вентилятора размыкается соответствующий контактор группы К1, и замыкается соответствующий контактор группы К2, подключая вентилятор к сети. Одновременно с ним срабатывает один из контакторов группы КЗ, подключая параллельно двигателю КРМ (конденсаторы большой емкости).
Для предотвращения случайного, одновременного срабатывания контакторов группы К1 с соответствующими контакторами групп К2 и КЗ, что могло бы привести к повреждению элементов ШУ, предусмотрены блок контакты, предотвращающие подобную нежелательную ситуацию. Принципиальная электрическая схема БЭК приведена в приложении 7. 4.4 Программное обеспечение ИИУС АВО газа ПО ИИУС АВО газа защищено свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ (Per. №№ 2003610275, 2003610276 от 28.01.03) /45, 46/. ПО ИИУС АВО газа разработано при непосредственном участии автора и состоит из двух частей. Первая часть, ПО СКТП АВО газа, Щ предназначена для получения, обработки, регистрации и представления в удобном для пользователя виде данных, полученных от первичных 123 преобразователей. В ходе работы ПО производит фильтрацию входных сигналов, выполняет математическую обработку полученной информации, обеспечивая тем самым высокую точность и стабильность системы в целом. Вторая часть, ПО САУ АВО газа, предназначена для дистанционного управления АВО газа, сбора и архивирования данных и событий, а также диагностики оборудования. Обе версии ПО ИИУС АВО газа могут работать самостоятельно, независимо друг от друга. Однако функциональные возможности ПО САУ АВО значительно шире. Рассмотрим структуру обеих частей ПО ИИУС АВО газа.
В состав поставки включен электронный ключ «HASP», необходимый для нормальной работы ПО. Прежде чем приступить к инсталляции необходимо установить электронный ключ в разъем параллельного порта.
При первом запуске программы необходимо зарегистрировать ПО. Процедура регистрации осуществляется вызовом соответствующей строки в меню программы (РЕГИСТРАЦИЯ).
После регистрации производится запуск программы. При первом запуске программы происходит регистрация электронного ключа. Затем происходит запуск монитора реального времени и появляется главное окно программы. На рисунке 4.4 показан вид главного окна.
