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 пределах. 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 [2, 26]. 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 и масса, его 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 [12].
Назовем ряд причин, обуславливающих построение системы регулирования давления как многоконтурной. 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 [35]. 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 теплообменных 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. Заметим, что если система регулирования обеспечивает стабилизацию давления и температуры газа перед потребителем, то тем самым при постоянном входном дросселе потребителя достигается и постоянство расхода газа.
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 быть 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.
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. Опыт 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.
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.
Целью исследования является анализ особенностей характеристик и функциональных возможностей различных схем построения многоконтурных систем регулирования параметров газа, что позволит обеспечить обоснованный выбор схемы системы и назначение ее основных параметров при разработке линии газоснабжения.
Отметим ряд наиболее характерных особенностей объекта исследования, определяющих своеобразие решений представленных в настоящей работе.
1. Взаимодействие контуров регулирования, их влияние на точность и устойчивость системы проявляется различным образом в линиях, отличающихся структурой.
2. На точность регулирования давления в многоконтурной системе влияют ограничения по расходу в отдельных регуляторах. Это влияние проявляется иначе, чем в одноконтурной системе, и своеобразно в каждой системе, отличающейся структурой.
3. 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, и 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.
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, оценить особенности этих характеристик для каждой разновидности систем;
— выявить влияние на точность регулирования различных факторов, получить рекомендации для повышения точности;
— построить методику оценки устойчивости установившегося режима работы системы, получить рекомендации по повышению устойчивости.
Предметом исследования настоящей работы являются математические модели, отражающие функционирование систем в различных режимах, статические и динамические характеристики многоконтурных систем регулирования параметров газа.
К настоящему времени теория систем пневмогазоавтоматики является вполне развитой отраслью технических наук. Назовем здесь лишь некоторые работы, которые составили теоретическую основу настоящего исследования.
В работах Е. В. Герц и Г. В. Крейнина [9, 27] изложены основы построения математических моделей и методики расчета характеристик устройств пневмоавтоматики. В работах Б. М. Подчуфарова и Ю.Б. Подчуфа-рова [23, 24] построены математические модели и методики расчета с учетом реальности теплофизических свойств в устройствах газоавтоматики. Задачи построения математического описания и анализа процессов в теп-лообменных аппаратах рассмотрены во многих учебных изданиях [13, 20], а также в работах Г. А. Дрейцера, В. А. Кузьминова, В. К. Кошкина [10, 36]. В работах Ю. Л. Арзуманова и Е. М. Халатова представлены методики проектирования элементов систем газоснабжения [1, 2], предложены инженерные методики учета влияния гидравлических сопротивлений трубопроводов на характеристики линий газоснабжения в системах пневмоавтоматики [16, 22].
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 диссертации состоит в следующем: построены математические модели функционирования, даны методики расчета и проведено исследование характеристик ряда перспективных разновидностей многоконтурных систем, регулирования параметров газа, получения рекомендации по выбору параметров этих систем, обеспечивающих требуемую точность регулирования и устойчивость рабочих режимов.
На защиту выносятся:
— математические модели многоконтурных 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 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 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 г. г.), на научно-технических конференциях в Ковровской государственной технологической академии (2009;2010 г. г.). По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в которых изложены ее основные результаты [30, 31, 32, 33, 34, 43, 44, 45].
Диссертация содержит 3 главы.
В первой главе рассмотрена система, в которой газ подается к потребителю через два параллельно включенных регулятора и протяженный трубопровод. Показано, что при таком включении может быть повышена пропускная способность линии без потери точности регулирования давления. Выявлена возможность повышения статической точности регулирования за счет параллельного подключения к основному редуктору малорасходного дополнительного редуктора. Проведен анализ устойчивости и дана методика назначения параметров системы, при которых обеспечивается устойчивость установившихся режимов функционирования. Приводятся результаты экспериментов, подтверждающие аналитически выявленные свойства системы.
Во второй главе рассмотрена система с последовательным включением ступеней регулирования давления и температуры. Предложена методика решения задачи рационального выбора числа ступеней регулирования и назначения требований к их характеристикам. Исследована подсистема регулирования температуры, в которой температура газа регулируется за счет изменения температуры теплоносителя. Анализируются режимы функционирования вариантов этой подсистемы. Дается методика расчета параметров теплообменных аппаратов в составе подсистемы регулирования температуры. Исследовано влияние на точность регулирования давления конструктивных параметров регуляторов отдельных ступеней, гидравлических сопротивлений трубопроводов и каналов газа в теплообменных аппаратах, сухого трения на подвижных частях редукторов давления, ограничений по площадям дросселирующих сечений в редукторах. Определена последовательность решения задачи об устойчивости системы.
В третьей главе рассмотрена линия с последовательно-параллельным включением регуляторов давления. Система обеспечивает подачу газа к нескольким потребителям при двухступенчатом редуцировании давления газа. Первая ступень редуцирования реализуется одним, общим для всех потребителей болыперасходным редуктором. Вторая ступень реализуется для каждого потребителя отдельным редуктором. Система имеет разветвленный трубопровод. Построена методика расчета статических характеристик системы, исследовано взаимное влияние расходов потребителей на статические характеристики по отдельным выходам. Дана методика выбора параметров, обеспечивающих устойчивость установившихся режимов функционирования.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
1. Анализ характеристик линии газоснабжения с параллельно включенными редукторами давления.
Заключение
.
Приведем в кратком изложении основные результаты диссертации.
1. Построена система математических моделей, обеспечивающих решение задач анализа и синтеза системы регулирования давления в линии газоснабжения с двумя параллельно включенными редукторами давления и протяженным трубопроводом.
2. Получены математические зависимости и предложена методика расчета статической характеристики системы с параллельно включенными редукторами и протяженным трубопроводом. Проведен анализ, подтвердивший что в данной системе при увеличенной пропускной способности обеспечивается высокая точность поддержания регулируемого давления. Определен порядок решения задачи об устойчивости при разработке системы, и даны рекомендации по средствам обеспечения устойчивости. Практическая приемлемость методик и достоверность математического описания подтверждена решением конкретных примеров и результатами экспериментальных исследований.
3. Определена совокупность задач проектировочного расчета и порядок их решения при создании системы регулирования параметров газа с последовательно включенными ступенями регулирования давления и температуры. На конкретном примере показана методика определения числа ступеней и формирования требований к характеристикам отдельных ступеней подсистем регулирования давления и температуры газа. Построена система математических моделей, обеспечивающих решение задач анализа и синтеза данной системы.
4. Исследованы характеристики подсистемы регулирования температуры, в которой регулирующее воздействие на температуру газа осуществляется путем изменения температуры теплоносителя. Рассмотрены варианты подсистемы со стабилизацией температуры в источнике теплоносителя и со стабилизацией температуры газа на выходах теплообменных аппаратов. Управляющие регуляторы в замкнутых контурах подсистемы имеют релейные характеристики с зонами неоднозначности, получены зависимости, определяющие параметры периодических режимов, возникающих при функционировании подсистем, даны рекомендации по использованию вариантов подсистемы. Дана методика расчета основных параметров подсистемы, иллюстрированная числовым примером.
5. Построена методика расчета статической характеристики подсистемы регулирования давления с последовательным включением ступеней редуцирования. Методика учитывает влияние на точность регулирования гидравлических сопротивлений трубопроводов и каналов газа теплооб-менных аппаратов, наличие сухого трения на подвижных частях редукторов, а также ограничения на площадях дросселирующих сечений в редукторах давления. Предложена методика ориентировочной оценки влияния на точность регулирования конструктивных параметров в условиях переменности расхода и давления газа в источнике. Показано, что при низких значениях входного давления на точность существенно влияет ограничение дросселирующих сечений, а в условиях переменности расхода на точность заметно влияет гидравлическое сопротивление трубопровода в оконечной ступени редуцирования.
6. Выявлено влияние различных факторов на устойчивость подсистемы регулирования давления. Определены решения задачи об устойчивости подсистемы с последовательно включенными редукторами давления.
7. Построена система математических моделей, которая обеспечивает решение задач анализа характеристик и выбора параметров при разработке линии газоснабжения с последовательно-параллельным включением редукторов давления, предназначенной для питания газом нескольких потребителей при высокой точности стабилизации давления. Предложена методика расчета статических характеристик системы, позволившая учесть на точность регулирования гидравлических сопротивлений участков разветвленного трубопровода. Выявлено взаимное влияние режимов работы потребителей на точность стабилизации уровней давления на их входах, даны рекомендации по минимизации этого влияния. Определена последовательность решения задачи обеспечения устойчивости системы.
8. Построенные в работе математические модели и расчетные методики, рекомендации по выбору структуры и конструктивных параметров систем регулирования параметров газа нашли практическое применение и используются при разработке перспективных линий газоснабжения на предприятии КБ «Арматура», филиале ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, что подтверждается соответствующим актом в Приложении к настоящей работе.
