Введение к работе
Актуальность. Целлюлозно-бумажная промышленность (далее ЦБП) является наиболее стратегически и социально-значимой отраслью лесопромышленного комплекса России. Динамичному развитию ЦБП препятствует ряд проблем, одна из которых - несоответствие оборудования современному уровню. На современном этапе совершенствование технологического оборудования невозможно без развития автоматических систем управления технологическими процессами. Они во многом определяют качество продукции, позволяют сократить количество потребляемого лесного сырья и свежей воды, способствуют решению экологических проблем отрасли. Важнейшим элементом автоматических систем являются расходомеры технологических жидкостей, циркулирующих в каналах технологических аппаратов.
Особешюсти водопотребления в ЦБП - необходимость измерения расходов вязких суспензий, которыми являются многие технологические жидкости, причем в трубопроводах больших диаметров, что затрудняет применение приборов обычных типов.
Одним из путей решения проблемы является разработка нового типа расходометрической аппаратуры - кондуктометрических вихревых расходомеров и счетчиков. Они отличаются простотой и надежностью конструкции, способны работать на загрязненных средах в широком диапазоне температур. На их базе возможно создание дешевых погружных расходомеров на большие диаметры трубопроводов, что для других типов расходомеров труднодостижимо.
Работа направлена на повышение научного уровня и достоверности принимаемых конструктивных решений, повышение точности измерений и снижение затрат на разработку, модернизацию и эксплуатацию кондуктометрических вихревых расходомеров за счет использования наиболее эффективных и экономичных математических моделей узлов прибора и разработки более точных методов их расчета.
Цель диссертационной работы - совершенствование технологического оборудования для целлюлозно-бумажной промышленности путем разработки научных основ проектирования и испытания нового вида вихревых расходомеров для систем автоматического управления технологическими процессами отрасли.
Предмет исследования — исследование и разработка кондуктометрических вихревых расходомеров воды и волокнистых суспензий для систем автоматического управления технологическими процессами целлюлозно-бумажного производства с учетом анализа гидродинамических характеристик измеряемой среды.
Направления исследований:
1 Совершенствование характеристик расходометрического оборудования, используемого в системах автоматизации, контроля и учета расхода воды и волокнистых суспензий целлюлозно-бумажного производства;
-
Исследование особенностей движения волокнистой суспензии в измерительных каналах вихревых расходомеров.
-
Поиск и разработка новых технических решений устройств для преобразования вихревых колебаний, возникающих в потоке волокнистой суспензии в электрический сигнал;
-
Систематизация и выработка практических рекомендаций по проектированию узлов вихревых расходомеров для ЦБП;
-
Развитие теоретических положений по расчету и проектированию кондуктометрических вихревых расходомеров для ЦБП;
-
Исследование погрешностей измерений расхода технологических жидкостей ЦБП и поиск путей к их снижению;
-
Имитащюнное моделирование основных блоков вихревого расходомера;
-
Разработка методов экспериментального исследования, методов анализа элементов и процессов, возникающих при работе кондуктометри-ческого вихревого расходомера.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Экспериментальные методы исследования узлов приборов на специально разработанном стенде, имитирующем воздействие на элементы прибора со стороны гидравлического канала, и исследование прибора при работе па проливной установке.
Теоретические методы, основанные на составлении и решении дифференциальных уравнений, описывающих работу узлов прибора; статистические методы обработки результатов экспериментов; методы цифровой обработки сигнала, в частности исследование спектральных характеристик выходных сигналов; имитационное моделирование на основе пакетов компьютерной математики.
На защиту выносятся:
Системный анализ отечественного и зарубежного технологического оборудования для измерения расхода воды и волокнистых суспензий целлюлозно-бумажного производства на основе метрологических, эксплута-ционных и информационных характеристик, который позволяет наглядно и обозримо провести систематизацию средств измерений и их отбор на соответствие требованиям условий работы на предприятиях ЦБП.
Впервые созданные и защищенные патентами новые вихревые расходомеры с контактно-кондуктометрическими приемниками-преобразователями вихревых колебаний, позволяющие существенно поднять эффективность использования расходомеров на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности.
Разработанные теоретические положения: имитациошіая математическая модель копдуктометрического вихревого расходомера с учетом особенностей работы погружных и малоразмерных приборов в потоках волокнистой суспензии ЦБП; методика по оценке погрешностей и коррекции показаний прибора с целью минимизации погрешности измерений; аппроксимирующие зависимости расчета — тел обтекания, контактно-
кондуктометрических преобразователей и их элементов, построенных по результатам эксперимента.
Результаты экспериментальных исследований по отработке имитационной математической модели кондуктометрического вихревого расходомера.
Разработанные на основе проведенных исследований конструкцій! серийно выпускаемых вихревых приборов.
Научная новизна результатов исследования. Впервые на основе экспериментальных исследований электропроводности воды предложено использовать для построения приемников колебаний вихревых расходомеров изменение межэлектродной проводимости.
Автором разработан новый тип вихревых расходомеров для целлюлозно-бумажной промышленности, названных кондуктометрическимп, экспериментально и теоретически исследованы механические, электрические и гидродинамические характеристики их чувствительных элементов и конструктивных узлов.
Автором на основе экспериментальных исследований разработана имитационная математическая модель работы кондуктометрического вихревого расходомера, позволяющая исследовать не только статические, но и динамические режимы его работы.
Автором предложена методика оценки погрешностей кондуктометрических расходомеров и разработаны конструктивные и аппаратные способы их снижения.
Практическая полезность работы. Разработанные в диссертации теоретические положения и методы позволяют повысить научный уровень и достоверность принимаемых конструктивных решений, повысить точности измерений и снизить затраты на разработку, модернизацию и эксплуатацию кондуктометрических вихревых расходомеров за счет использования наиболее эффективных и экономичных математических моделей узлов прибора и разработки более точных методов их расчета.
Разработан стенд для экспериментальных исследований погружных кондуктометрических вихревых расходомеров, позволяющий-существенно снизить затраты при испытаниях опытных образцов вновь разрабатываемых приборов данного типа.
Анализ погрешностей кондуктометрических погружных вихревых расходомеров позволил создать теоретическую основу для методик проведения измерений при монтаже погружных водосчетчиков и разработать соответствующие нормативные документы для ряда серийных приборов.
Разработанная имитационная математическая модель прибора позволяет организовать учет всех связей и соотношений между элементами прибора и обеспечивает: получение результатов моделирования в форме аналогичной результатам при испытшшях реальных приборов; возможность исследования работы отдельных элементов прибора, недоступных в реальной конструкции; возможность исследования поведения прибора в
условиях, труднодостижимых на экспериментальных стендах, в динамике и в условиях действия различных мешающих факторов и помех.
Реализация результатов работы. Разработаны конструкции четы
рех типов вихревых расходомеров, два из которых внедрены в серийное
производство. Они нашли применение как в технологических целях на
целлюлозно-бумажном производстве, так и для коммерческого учета рас
хода холодной и горячей воды, промышленных стоков и в системах учета
тепловой энергии. ,
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на 13, 16, 20 и 21-й Международных научно-практических конференциях «Коммерческий учет теплоносителей» (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2004, 2005), на 2, 3 и 4-й Международных научно-практических конференциях «Проблемы коммерческого учета теплоносителей» (Новосибирск, 2003, 2004, 2005), на IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы энергообеспечения города» (Красноярск 2003), на Всероссийских научных конференциях «Проблемы химико-лесного комплекса» (Красноярск, 1997, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в том числе 1 монография и 6 патентов России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 384 страницах, содержит 19 таблиц и 189 рисунков, список литературы из 388 наименований и 7 приложений.
