Автоматизация комплекса центрального кондиционирования воздуха дорожного центра управления перевозками

Уральский государственный горный университет Горно-механический факультет Кафедра автоматики и компьютерных технологий.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА.

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА ЦЕНТРАЛЬНОГО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА к1/в3 дОРОЖНОГО ЦЕНТРА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕВОЗКАМИ выпускная квалификационная работа инженера по специальности 220 301 «автоматизация технологических процессов и производств» .

Руководитель работыЗав. кафедры АКТ Выполнил студент группа г. Екатеринбург 2008 г.

• Введение
• 1. Технология обработки воздуха
• 1.1 Сведения о назначении систем вентиляции и кондиционирования. Классификация систем
• 1.2 Основные параметры влажного воздуха
• 1.3 Термодинамическая модель систем кондиционирования и вентиляции
• 2. Механическое и электрическое оборудование приточно-вытяжной установки К1/В3
• 2.1 Общие данные
• 2.2 Технические данные комплекта
• 2.3 Приточная ветвь
• 2.4 Вытяжная ветвь
• 2.5 Расчет регулирующего клапана секции 1-го подогрева
• 2.6 Определение действительной гидравлической потери выбранного клапана при полном открытии.
• 3. Характеристика управляемого объекта
• 3.1 Системный анализ технологического комплекса
• 3.2 Структурная и параметрическая идентификация технологического комплекса
• 3.3 Расчет коэффициентов теплообменника рекуператора обогревающего
• 3.4 Расчет коэффициентов теплообменника 1-го подогрева
• 3.4 Расчет коэффициентов теплообменника 2-го подогрева
• 3.5 Расчет коэффициентов оросительной камеры
• 4. Управление технологическим комплексом
• 4.1 Выбор структуры управления технологического комплекса измельчения
• 4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом
• 4.3 Управление системой
• 4.4 Описание системы
• 5 Автоматизация технологического комплекса
• 5.1 Определение локальных контуров регулирования
• 5.2 Выбор управляющего устройства
• 5.3 Выбор датчиков
• 5.4 .Выбор исполнительных механизмов
• 5.5 Моделирование автоматической системы регулирования
• 5.6 Программирование контроллера
• 6. Безопасность эксплуатации автоматизированного технологического комплекса
• 6.1 Требования к вентиляционным системам при эксплуатации
• 6.2 Требования к вентиляционным системам при ремонте
• 7. Технико-экономические показатели автоматизированного комплекса
• 7.1 Исходные данные
• 7.2 Расчет инвестиций
• 7.3 Расчет текущих издержек
• 7.4 Экономическая эффективность проектируемого технического решения
• Заключение

Жизненный опыт и научные исследования показывают, что организм человека имеет огромные потенциальные резервы для физической и умственной деятельности. Однако, чтобы использовать эти резервы, необходимо создать определенные благоприятные условия. Прежде всего, это относится к окружающей среде: составу, чистоте, температуре, влажности воздуха, содержанию положительных и отрицательных ионов, наличию полей различного происхождения и т. д.

Некоторые из перечисленных параметров могут поддерживаться в требуемых пределах системами вентиляции и кондиционирования воздуха (СКВ). Качественная работа СКВ, точность поддержания параметров воздуха, снижение эксплуатационных расходов и сроков окупаемости климатического оборудования во многом зависят от алгоритмов работы и от аппаратурной реализации систем автоматизации. Кроме того, системы автоматизации, выполняя защитные и диагностические функции, не допускают выход из строя дорогостоящего оборудования.

Известно, что наибольшие сложности в управлении технологическими процессами возникают, когда регулируемые параметры ограничены многомерной областью, например, многоугольником. Именно таким образом выглядят исходные требования к СКВ при представлении их термодинамическими моделями. Алгоритмы управления СКВ должны предусматривать порядок перемещения и изменения параметров воздуха в области, ограниченной этим многоугольником, т. е. осуществлять переход исходного множества параметров (наружный воздух) в новое множество параметров (воздух, подаваемый в помещение). При этом такой процесс должен проходить кратчайшим (оптимальным) путем. Так, эксплуатационные расходы будут минимальными, если в холодный период года состояние подаваемого в помещение воздуха будет поддерживаться на уровне минимально допустимой энтальпии, а в теплый период — на уровне максимально допустимой. Исходя из этих и других критериев, выбирается технологический процесс стабилизации параметров, алгоритмы и оборудование как СКВ в целом, так и систем автоматизации в частности.

1. Технология обработки воздуха.

1.1 Сведения о назначении систем вентиляции и кондиционирования. Классификация систем.

Системы вентиляции и кондиционирования предназначены для двух целей:

Создание допустимых или оптимальных условий (по выбору заказчика и СНиПов) микроклимата в помещениях, предназначенных для пребывания работающих или отдыхающих людей.

Создание требуемых условий микроклимата для проведения технологических процессов с минимальным количеством брака.

Системы вентиляции для общественных и гражданских зданий классифицируются по функциональному назначению:

Приточные системы, подающие наружный очищенный и подогретый (в холодный период года) воздух в рабочую зону помещений, в зону жизнедеятельности людей.

Вытяжные системы, удаляющие отработанный увлажненный воздух из места его скопления, обычно из верхней зоны помещений.

Рециркуляционные системы, использующие воздух помещения для его охлаждения (в теплый период года) или нагрева (в переходных условиях и в холодный период).

1.2 Основные параметры влажного воздуха.

Состояние влажного воздуха определяется совокупностью параметров: температурой воздуха t_в, относительной влажностью _в%, скоростью движения воздуха V_в м/с, концентрацией вредных примесей С мг/м³, влагосодержанием d г/кг, теплосодержанием I кДж/кг.

Относительная влажность в долях или в% показывает степень насыщенности воздуха водяными парами по отношению к состоянию полного насыщения и равна отношению давления Р_п водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе к парциальному давлению Р_{п. н.} водяного пара в насыщенном влажном воздухе при одной и той же температуре и барометрическом давлении:

(1.1).

Влагосодержание — это масса водяных паров в г, содержащихся в 1 кг сухой части влажного воздуха:

d= или d=623, г/кг, (1.2).

где В — барометрическое давление воздуха, равное сумме парциальных давлений сухого воздуха Р_С.В. и водяного пара Р_П..

Парциальное давление водяных паров, находящихся в насыщенном состоянии, зависит от температуры:

Па (1.3).

Теплосодержание или энтальпия влажного воздуха I кДж/кг состоит из суммы энтальпий сухой части воздуха и водяного пара:

кДж/кг, (1.4).

где с_В — теплоемкость сухого воздуха, равная 1,005 ;

с_П — теплоемкость водяного пара, равная 1,8 ;

с_В и с_П можно считать постоянными в диапазоне температур, используемых для вентиляционных процессов;

r — удельная теплота парообразования, равная 2500 ;

I = 1,005t + (2500 + 1,8t) d * 10^-3, кДж/кг. (1.5).

I-d диаграмма влажного воздуха. Построение основных процессов изменения состояния воздуха. Точка росы и мокрого термометра. Угловой коэффициент и связь его с поступлением тепла и влаги в помещение.

I-d диаграмма влажного воздуха — это основной инструмент для построения процессов изменения его параметров. I-d диаграмма основана на нескольких уравнениях: теплосодержания влажного воздуха:

I = 1,005 * t + (2500 + 1,8 * t) * d/1000, кДж/кг (1.6).

влагосодержания:

г/кг (1.7).

в свою очередь давление водяных паров:

и (1.8).

давление водяных паров, насыщающих воздух:

Па (Формула Фильнея), (1.9).

а — относительная влажность воздуха, %.

В свою очередь в формулу 1.7 входит барометрическое давление Р_бар, разное для различных районов строительства, следовательно, для точного построения процессов требуется I-d диаграмма для каждого района.

I-d диаграмма (рис. 1.1) имеет косоугольную систему координат для увеличения рабочей площади, приходящейся на влажный воздух и лежащей выше линии = 100%. Угол раскрытия может быть разным (135 — 150є).

I-d диаграмма связывает воедино 5 параметров влажного воздуха: тепло и влагосодержание, температуру, относительную влажность и давление водяных паров насыщения. Зная два из них, по положению точки можно определить все остальные.

Основными характерными процессами на I-d диаграмме являются:

Нагрев воздуха по d = const (без увеличения влагосодержания) рис. 1.1, точки 1−2. В реальных условиях это нагрев воздуха в калорифере. Увеличивается температура и теплосодержание. Уменьшается относительная влажность воздуха.

Охлаждение воздуха по d = const. Точки 1−3 на рис. 1.1 Этот процесс происходит в поверхностном воздухоохладителе. Уменьшается температура и теплосодержание. Увеличивается относительная влажность воздуха. Если продолжить охлаждение, то процесс дойдет до линии = 100% (точка 4) и, не пересекая линию, пойдет вдоль нее, выделяя влагу из воздуха (точка 5) в количестве (d₄-d₅) г/кг. На этом явлении основана осушка воздуха. В реальных условиях процесс не доходит до = 100%, а окончательная относительная влажность зависит от начальной величины. По данным профессора Кокорина О. Я. для поверхностных воздухоохладителей:

_max = 88% при начальном _нач = 45%.

_max = 92% при начальном 45% < _нач 70%.

_max = 98% при начальном _нач > 70%.

На I-d диаграмме процесс охлаждения и осушки обозначается прямой линией, соединяющей точки 1 и 5.

Однако встреча с = 100% линии охлаждения по d = const имеет свое собственное название — это точка росы. По положению этой точки легко определяется температура точки росы.

Изотермический процесс t = const (линия 1−6 на рис 1.1). Все параметры возрастают. Увеличивается и тепло, и влагосодержание, и относительная влажность. В реальных условиях это увлажнение воздуха паром. То небольшое количество явного тепла, которое вносится паром, обычно не учитывается при построении процесса, т. к оно незначительно. Однако такое увлажнение достаточно энергоемко.

Адиабатный процесс I = const (линия 1−7 на рис. 1.1). Снижается температура воздуха, увеличивается влагосодержание и относительная влажность. Процесс осуществляется при непосредственном контакте воздуха с водой, проходя либо через орошаемую насадку, либо через форсуночную камеру.

При глубине орошаемой насадки 100 мм можно получить воздух с относительной влажностью = 45% при начальной — 10%, насадка глубиной 200 мм дает = 70%, а 300 мм — = 90% (по данным блоккамер сотового увлажнения фирмы ВЕЗА). Проходя через форсуночную камеру, воздух увлажняется до величины = 90 — 95%, но со значительно большими энергозатратами на распыление воды, чем в орошаемых насадках.

Продолжив линию I = const до = 100%, мы получим точку (и температуру) мокрого термометра, это равновесная точка при контакте воздуха с водой.

Однако в аппаратах, где происходит контакт воздуха с водой, особенно по адиабатическому циклу, возможно возникновение болезнетворной флоры, и поэтому такие аппараты запрещены для использования в ряде медицинских и продовольственных отраслей.

В странах с жарким и сухим климатом аппараты на основе адиабатического увлажнения весьма распространены. Так, например, в Багдаде при дневной температуре в июне — июле 46єС и относительной влажности 10% такой кулер позволяет снизить температуру приточного воздуха до 23єС и при 10−20-кратном воздухообмене в помещении достигнуть внутренней температуры 26єС и относительной влажности 60−70%.

При сложившейся методике построения процессов на I-d диаграмме влажного воздуха наименование реперных точек получили следующую аббревиатуру:

Н — точка наружного воздуха;

В — точка внутреннего воздуха;

К — точка после нагрева воздуха в калорифере;

П — точка приточного воздуха;

У — точка воздуха, удаляемого из помещения;

О — точка охлажденного воздуха;

С — точка смеси воздуха двух различных параметров и масс;

ТР — точка росы;

ТМ — точка мокрого термометра, которая и будет сопровождать все дальнейшие построения.

При смешивании воздуха двух параметров линия смеси пойдет по прямой, соединяющей эти параметры, а точка смеси будет лежать на расстоянии, обратно пропорциональном массам смешиваемого воздуха.

Теплосодержание смеси:

кДж/кг, (1.10).

а влагосодержание:

г/кг. (1.11).

При одновременном выделении в помещение избыточного тепла и влаги, что обычно бывает при нахождении в помещении людей, воздух будет нагреваться и увлажняться по линии, называемой угловым коэффициентом (или лучом процесса, либо тепловлажностным отношением) е:

кДж/кгН₂О, (1.12).

где ?Q_n — суммарное количество полного тепла, кДж/ч;

?W — суммарное количество влаги, кг/ч.

При ?Q_n = 0 е = 0.

При ?W = 0 е >? (рис. 1.2).

Таким образом, I-d диаграмма по отношению к внутреннему воздуху (или к другой точке) разбивается на четыре квадранта:

Iе от? до 0 — это нагрев и увлажнение;

IIе от 0 до —? — охлаждение и увлажнение;

IIIе от —? до 0 — охлаждение и осушка;

IVе от 0 до? — нагрев и осушка — в вентиляции и кондиционировании не используется.

Для точного построения луча процесса на I-d диаграмме, следует взять значение е в кДж/гН₂О, и отложить на оси влагосодержание d = 1, или 10 г, а на оси теплосодержание в кДж/кг соответствующее е и полученную точку соединить с точкой 0 I-d диаграммы.

Процессы, не являющиеся основными, называются политропическими.

Изотермический процесс t = const характеризуется значением е = 2530 кДж/кг.

Рис. 1.1 I-d диаграмма влажного воздуха.

Рис. 1.2 I-d диаграмма влажного воздуха. Основные процессы.

1.3 Термодинамическая модель систем кондиционирования и вентиляции.

Процесс подготовки воздуха перед подачей его в кондиционируемое помещение представляет собой совокупность технологических операций и называется технологией кондиционирования воздуха. Технология тепло влажностной обработки кондиционируемого воздуха определяется начальными параметрами воздуха, подаваемого в кондиционер, и требуемыми (задаваемыми) параметрами воздуха в помещении.

Для выбора способов обработки воздуха строят I-d диаграмму, позволяющую при определенных исходных данных найти такую технологию, которая обеспечит получение заданных параметров воздуха в обслуживаемом помещении при минимальных расходах энергии, воды, воздуха и т. д. Такая схема обработки воздуха называется термодинамической моделью системы кондиционирования воздуха (ТДМ).

Параметры наружного воздуха, подаваемого в кондиционер для последующей обработки, изменяются в течение года и суток в большом диапазоне. Поэтому можно говорить о наружном воздухе как о многомерной функции Х_н = х_н (ф). Соответственно совокупность параметров приточного воздуха есть многомерная функция Х_пр = х_пр (ф), а в обслуживаемом помещении Х_пом = х_пом (ф) (параметры в рабочей зоне).

Математически технологический процесс может быть представлен аналитическим или графическим описанием движения многомерной функции Х_н к Х_пр и далее к Х_пом.

Отметим, что под переменным состоянием системы х (ф) понимаются обобщенные показатели системы в различных точках пространства и в различные моменты времени.

Термодинамическую модель движения функции Х_н к Х_пом строят на I-d диаграмме, а затем определяют алгоритм обработки воздуха, необходимое оборудование и способ автоматического регулирования параметров воздуха.

Построение ТДМ начинают с нанесения на I-d диаграмму состояния наружного воздуха данного географического пункта. Расчетная область возможных состояний наружного воздуха принимается по СНиП 2.04.05₉₁ (параметры Б).

Верхней границей является изотерма t_л и изоэнтальпа h_л (предельные параметры теплого периода года). Нижней границей является изотерма t_зм и изоэнтальпа h_зм (предельные параметры холодного и переходных периодов года). Предельные значения относительной влажности наружного воздуха принимаются по результатам метеорологических наблюдений. При отсутствии данных принимают диапазон от 20% до 100%.

Таким образом, многомерная функция возможных параметров наружного воздуха заключена в многоугольнике abcdefg (рис. 1.3).

Затем наносят на I-d диаграмму требуемое (расчетное) значение состояния воздуха в помещении или в рабочей зоне.

Это может быть точка (прецизионное кондиционирование) или рабочая зона Р₁Р₂Р₃Р₄ (комфортное кондиционирование).

Далее определяют угловой коэффициент изменения параметров воздуха в помещении е и проводят линии процесса через граничные точки рабочей зоны. При отсутствии данных о тепловлажностном процессе в помещении ориентировочно е можно принять (в кДж/кг):

предприятия торговли и общественного питания 8 500 — 10 000.

зрительные залы 8 500 — 10 000.

квартиры 15 000 — 17 000.

офисные помещения 17 000 — 20 000.

Рис. 1.3 Изображение на I-d диаграмме параметров воздуха при кондиционировании.

После этого строят зону параметров приточного воздуха. Для этого на линиях е, проведенных из граничных точек зоны Р₁Р₂Р₃Р₄, откладывают отрезки, соответствующие расчетному перепаду температур:

Дt = t_пом — t_пр, (1.13).

где t_пр — расчетная температура приточного воздуха.

Решение задачи сводится к переводу параметров воздуха из многомерной функции Х_н к функции Х_пом.

Величину Дt принимают по нормам или рассчитывают, исходя из параметров системы холодоснабжения.

Допустимый перепад температур удаляемого и приточного воздуха (Дt) для производственных помещений составляет 6−9 °С, торговых залов — 4−10 °С, а при высоте помещения более 3 м — 12−14 °С. В общем случае параметры удаляемого из помещения воздуха отличаются от параметров воздуха в рабочей зоне. Разница между ними зависит от способа подачи воздуха в помещение, высоты помещения, кратности воздухообмена и других факторов.

Зоны П, Р и У (приточная, рабочая, удаляемая) на I-d диаграмме имеют одинаковую форму и расположены вдоль линии е на расстояниях, соответствующих разностям температур Дt₁= t_пом — t_пр и Дt₂ = t_уд — t_пом.

Соотношение между t_пр, t_пом и t_уд оценивается коэффициентом:

(1.14).

Таким образом, процесс кондиционирования воздуха сводится к приведению множества параметров наружного воздуха (многоугольник abcdef) к множеству параметров приточного воздуха (многоугольник П₁П₂П₃П₄).

Техническая реализация этого преобразования может быть представлена различными структурными схемами СКВ: прямоточной, с рециркуляцией воздуха или рекуперацией тепла.

2. Механическое и электрическое оборудование приточно-вытяжной установки К1/В3.

2.1 Общие данные.

Система К1, В3 состоит из кондиционера К1, совмещенного с вытяжной системой В3.

Кондиционер К1 располагается в подвале блока Б в венткамере № 2. Вытяжная система В3 располагается в венткамере в межферменном пространстве под кровлей блока Б (над залом ЦУП). Шкаф автоматики, управляющий системой, располагается в подвале блока Б в венткамере № 2.

Система К1, В3 обслуживает помещения диспетчерских и студий блока Б. В состав системы входят:

заслонка наружного воздуха (двухпозиционная с концевым выключателем закрытия и пружинным возвратом);

секции фильтров (предназначены для очистки приточного и вытяжного воздуха);

секции рекуперации (предназначены для использования тепла вытяжного воздуха для обогрева приточного воздуха зимой и холода вытяжного воздуха для охлаждения приточного воздуха летом);

секция первого подогрева (предназначена для предварительного подогрева приточного воздуха зимой);

секция увлажнения (предназначена для увлажнения приточного воздуха зимой, когда влажность воздуха понижена);

секция охлаждения (предназначена для охлаждения приточного воздуха летом);

секция второго подогрева (предназначена для окончательного нагрева приточного воздуха);

секции приточного и вытяжного вентиляторов.

Рис. 2.1 Приточно-вытяжной агрегат KLM 40.

2.2 Технические данные комплекта.

2.3 Приточная ветвь.

Полноповерхностное соединение, поз.1, 12 (рис 2.1) KLM/CLP 40.

2.4 Вытяжная ветвь.

2.5 Расчет регулирующего клапана секции 1-го подогрева.

Дано: среда: вода, 105єС, статическое давление в точке присоединения.

600 кПа, Р_насоса = 11 кПа, Р_{теплообменника} = 0.5 кПа, Р_{трубопровода} = 3кПа,.

номинальный расход Q_ном = 9.19 м³/ч:

Р_насоса = Р_{теплообменника} + Р_{трубопровода} + Р_{клапана} = 11 кПа (2.1).

Р_{клапана} = Р_насоса — Р_{теплообменника} + Р_{трубопровода} =.

= 11 — 0.5 — 3 = 7.5 кПа (0.075) бар (2.2).

м³/ч (2.3).

Из серийно производимого ряда Кv выберем ближайшее Кvs значение, т. е. Кvs = 40. Этому значению соответствует диаметр в свету DN 50. Выберем клапан PN 16 из бронзы:

RV 102 ELB 35 11 16 140 50.

Клапан имеет линейную расходную характеристику, присоединительные размеры — G 2?, оснащается электроприводом SQX 62.

2.6 Определение действительной гидравлической потери выбранного клапана при полном открытии..

(2.4).

3. Характеристика управляемого объекта.

3.1 Системный анализ технологического комплекса.

Рис. 3.1 Структура приточно-вытяжной установки.

Установка, как объект автоматического управления характеризуется следующими параметрами:

входные:

Q_в — расход воздуха.

t_в — температура воздуха.

_в — относительная влажность воздуха.

q_в — механические примеси в воздухе.

S_р — положение гликолевого клапана.

S₁ — положение клапана первого подогрева.

S_х — положение клапана хладоносителя.

S₂ — положение клапана второго подогрева.

t_х — температура хладоносителя.

t_вв — температура вытяжного воздуха.

Р_т — перепад теплоносителя в теплоснабжающей сети.

t_т — температура теплоносителя.

t_ов — температура орошающей воды.

выходные:

t_1п — температура воды на выходе из теплообменника первого подогрева.

Q_п — расход приточного воздуха.

t_п — температура приточного воздуха.

_п — относительная влажность приточного воздуха.

q_п — механические примеси в приточном воздухе.

t_2п — температура воды на выходе из теплообменника второго подогрева.

t_пр — температура вытяжного воздуха после рекуператора.

К возмущающим воздействиям следует отнести t_х, t_вв, Р_т, t_т, t_ов. К управляющим — S_р, S₁, S_х, S₂.

К1/В3 является системой с постоянным расходом. Расход воздуха меняется лишь в значительном промежутке времени в связи с загрязненностью фильтров, зависящей от степени запыленности воздуха q_в. Температура хладоносителя также является стабильным параметром, она стабилизируется автоматикой холодильного центра и ее колебания незначительны.

Температура и относительная влажность уличного воздуха подвержены лишь суточным и сезонным колебаниям, которые по времени значительно превосходят время переходных процессов в установке. Поэтому считаются постоянными при учете времени выхода установки в установившийся режим (до 20 мин).

Температура вытяжного воздуха перед рекуператором влияет на температуру гликолевого раствора в контуре рекуперации.

Основными каналами управления являются:

положение клапана контура рекуперации — температура вытяжного воздуха;

положение водяного клапана первого подогрева — влажность приточного воздуха;

положение клапана хладоносителя — температура приточного воздуха;

положение водяного клапана второго подогрева — температура приточного воздуха.

Статические и динамические характеристики элементов комплекса.

Все элементы установки приточно-вытяжной вентиляции можно разбить на группы: вентиляторы, поверхностные теплообменники, оросительная камера, воздуховоды.

В системах с постоянным расходом вентиляторы не оказывают на параметры приточного/вытяжного воздуха иного влияния, кроме повышения температуры на 1−2 єС. Статическая характеристика будет иметь следующий вид:

(3.1).

Рис. 3.2 Статические характеристики теплообменников по каналам:

а) «расход теплоносителя — температура воздуха» ;

б) «температура теплоносителя — температура воздуха» .

Рис. 3.3 Кривые разгона установки по каналам «положение клапана — температура воздуха», «положение клапана — температура обратной воды» .

На рис. 3.3 показаны кривые разгона установки по каналам «положение клапана — температура воздуха», «положение клапана — температура обратной воды» .

Как видно из графиков теплообменник можно представить как апериодическое звено 1-го порядка с запаздыванием:

(3.2).

Рис. 3.4 Характеристика воздуховода, как объекта управления:

а) переходный процесс изменения температуры;

б) передаточная функция.

При скачкообразном изменении t_вх в начале воздуховода на выходе температура спустя время ф_з изменится небольшим скачком, а затем плавно приблизится к установившемуся значению.

Таким образом, передаточная функция имеет вид:

(3.3).

Сложность процессов тепло — массообмена в оросительных камерах затрудняет получение их однозначных динамических и статических характеристик, причем у разных исследователей отличаются не только расчетные зависимости для оценки коэффициентов передачи и постоянных времени, но и виды передаточных функций. Наиболее наглядной интерпретацией динамических процессов, происходящих в оросительной камере, является ее представление в виде двух звеньев. Первое звено — дождевое пространство оросительной камеры, то есть объем, где размещены форсунки и происходит тепло — массообмен. Его можно считать усилительным звеном с переменным коэффициентом передачи, зависящим от начальных параметров воздуха и воды, выбранного канала управления и т. д., то есть нелинейным звеном. второе звено — поддон — может быть представлено апериодическим звеном с постоянной времени Т_п = V_п * с_w/G_w, где V_п — объем поддона. В зависимости от условий работы динамические характеристики могут приближаться либо к апериодическому (в изоэнтальпическом процессе), либо к усилительному (в политропном процессе) звеньям.

Передаточная функция оросительной камеры при управлением изменением температуры воздуха может быть представлена в виде:

(3.4).

3.2 Структурная и параметрическая идентификация технологического комплекса.

Под структурной идентификацией технологического объекта (комплекса) или отдельных элементов понимают выбор или определение алгоритмической структуры математической модели объекта, комплекса или элемента на основании анализа связей входных и выходных параметров объекта, оценки влияния входных параметров на выходные и выделения из множества входных и выходных параметров наиболее значимых.

Структурная идентификация технологического объекта включает следующие операции:

выделение объекта из общей схемы;

ранжирование входов и выходов объекта, учитывая влияние на выполнение целей управления;

определение рационального числа входов и выходов, учитываемых в модели;

определение характера связей между входами и выходами объекта.

Структура динамических моделей технологических объектов (комплексов) связана с априорной формой математического описания исследуемого объекта.

Существуют различные способы математического описания технологических комплексов:

1. Дифференциальными уравнениями связи:

а) между входными и выходными параметрами (стандартная форма);

б) между входными воздействиями и переменными состояниями процесса, которые записывают либо в форме системы уравнений первого порядка (нормальная форма), либо в векторно-матричной форме.

2. Матрицей передаточных функций, дающих алгебраическую связь между изображениями по Лапласу входов и выходов.

Для сложных технологических комплексов, априорной информации о которой обычно недостаточно, удобно реализовать модели в виде инерционных звеньев, причем доказана возможность описания динамических характеристик устойчивых объектов высокого порядка с передаточными функциями.

Обычно ограничиваются передаточными функциями порядка не выше второго.

Динамические модели технологических комплексов обычно составляют для приращения входных и выходных параметров относительно их стационарных значений, что позволяет ограничиться линейными моделями каналов управления и возмущения.

Рис. 3.5 Алгоритмическая структура математической модели теплообменников 1-го подогрева и рекуператора (подогревающего).

Рис. 3.6 Алгоритмическая структура математической модели теплообменника рекуператора (охлаждающего).

Рис. 3.7 Упрощенная алгоритмическая структура математической модели теплообменника 2-го подогрева.

Выходные параметры воды не учитываются во втором подогреве, т. к отсутствуют отрицательные температуры на входе теплообменника и, соответственно, нет риска возникновения аварийной ситуации.

Рис. 3.8 Алгоритмическая структура математической модели охлаждающего теплообменника.

Рис. 3.9 Алгоритмическая структура математической модели камеры орошения.

Принимая во внимание тот факт, что конечная температура и влажность воздуха в значительной степени зависит от начальной температуры воздуха и температуры воды в камере, упрощаем структуру камеры:

Рис. 3.10 Упрощенная алгоритмическая структура математической модели камеры орошения.

Рис. 3.11 Алгоритмическая структура математической модели регулирующего клапана.

3.3 Расчет коэффициентов теплообменника рекуператора обогревающего.

(3.5).

где Е_т — коэффициент эффективности теплообмена,.

t_к — конечная температура воздуха,.

t_н — начальная температура воздуха,.

t_тн — начальная температура теплоносителя.

(3.6).

где Q — количество передаваемой теплоты,.

c_min — минимальный тепловой эквивалент.

(3.7).

где с₁ — тепловой эквивалент воздуха,.

с_в — удельная теплоемкость воздуха (1).

G_в — расход воздуха ().

с₂ — тепловой эквивалент теплоносителя вычисляется аналогично.

(3.8).

(3.9).

(3.10).

(3.11).

(3.12).

(3.13).

С (3.14).

(3.15).

Зададимся приращением температуры наружного воздуха до минус 30єС (=5єС):

(3.16).

(= 3.86єС) (3.17).

(= 1.02єС) (3.18).

Зададимся уменьшением температуры гликоля до 3.1єС (= - 5єС):

(3.19).

(= - 1.14. єС) (3.20).

(= - 3.98єС) (3.21).

(3.22).

(3.23).

(3.24).

(3.25).

Постоянные времени теплообменников найдены опытным путем:

Т₁ = 80 с.

Т₂ = 45 с.

Т₃ = 80 с.

Т₄ = 45 с.

3.4 Расчет коэффициентов теплообменника 1-го подогрева.

(3.26).

(3.27).

(3.28).

(3.29).

С (3.30).

(3.31).

Зададимся приращением температуры входящего воздуха до минус 20єС (=5єС):

(3.32).

(= 3.2єС) (3.33).

(= 1.4єС) (3.34).

Зададимся уменьшением температуры воды до 100єС (= - 5єС):

(3.35).

(= - 1.8єС) (3.36).

(= - 3.6єС) (3.37).

(3.38).

(3.39).

(3.40).

(3.41).

Т₁ = 100 с.

Т₂ = 65 с.

Т₃ = 120 с.

Т₄ = 65 с.

3.4 Расчет коэффициентов теплообменника 2-го подогрева.

(3.42).

(3.43).

(3.44).

(3.45).

С (3.46).

(3.47).

Зададимся приращением температуры входящего воздуха до 13.5єС (=5єС):

(3.48).

(= 4єС) (3.49).

(= 1.8єС) (3.50).

Зададимся уменьшением температуры воды до 65єС (= - 5єС):

(3.51).

(= - 1єС) (3.52).

(= - 3.2єС) (3.53).

(3.38).

(3.55).

Т₁ = 80 с.

Т₂ = 100 с.

3.5 Расчет коэффициентов оросительной камеры.

Расчетные энтальпия и температура воздуха для Екатеринбурга в холодный период следующие:

I = - 34,6 кДж/кг.

t = - 35єС.

Найдем влагосодержание воздуха.

(3.57).

Если рассматривать процесс на I-d диаграмме (Приложение 1), то очевидно, что изменение влагосодержания входящего воздуха существенного влияния на выходные параметры воздуха не оказывает, что позволяет еще упростить структурную схему. К тому же графически можно определить коэффициенты передачи по каналам: t_вх — t_вых (для малых приращений) и t_вх — d_вых.

К_t = 0.4/1 = 0.4.

К_вл = 0.3/1 = 0.3 г/ (кг єС).

Т₁ = 60 с.

Т₂ = 1.7 с.

Т₃ = 5 с.

Также для модели можно принять, то что температура подпитывающей воды остается неизменной.

Рис. 3.12 Упрощенная алгоритмическая структура камеры орошения по основным каналам.

Выделим каналы управления:

S_{клап. рекуп. -} t_{глик. вых.;}.

S_{клап.1под.} — d_{возд. прит.;}.

S_{клап.1 под.} — t_{воды вых.;}.

S_{клап.2 под.} — t_{возд. прит.}.

В структурную схему установки не включены:

охлаждающий теплообменник, т. к он не участвует в работе установки в холодный период;

охлаждающий теплообменник рекуператора, т. к конденсация влаги затрудняет получение передаточного коэффициента по температуре (это касается и охлаждающего теплообменника), к тому же, этот теплообменник используется для изъятия максимума тепла из вытяжного воздуха без регулирования.

4. Управление технологическим комплексом.

4.1 Выбор структуры управления технологического комплекса измельчения.

Различают четыре ветви ГСП:

электрическую.

пневматическую.

гидравлическую.

ветвь аппаратуры не использующая вспомогательной энергии.

Каждая из этих ветвей имеет свои особенности и специфику применения. Пневматическая ветвь приборов и средств автоматизации используется там, где имеется опасность возникновения взрыва (газ, пыль).

Гидравлическая ветвь приборов и средств автоматизации используется в тех случаях, когда требуются большие усилия для перемещения регулирующих органов (РО). Применение обеих, вышеуказанных ветвей ГСП ограничивается невозможностью передачи сигнала на большие расстояния из-за возможных потерь давления в импульсных линиях.

В работе принимаем электрическую ветвь ГСП, как наиболее полно отвечающую требованиям, разрабатываемых в ней систем (в том числе и локальной системы управления) и, учитывающую особенности их применения.

Электрическая ветвь приборов и её технические средства выгодно отличается от других ветвей ГСП, тем, что имеют большое быстродействие приборов и средств автоматизации этой ветви, практически, неограниченный радиус передачи электрического сигнала.

Кроме того, в электрической ветви приборов и средств автоматизации имеется большой выбор аппаратуры с унифицированными входными и выходными сигналами, что позволяет достаточно легко осуществлять компоновку этих элементов в системе.

Помещение, где будут установлены, принятые в работе средства автоматизации, в основном соответствуют, по условиям их эксплуатации, требованиям электробезопасных зон и помещений.

4.2 Выбор принципов контроля и управления комплексом.

Известно, что существует три основных принципа автоматического управления:

управление по отклонению;

управление по возмущению;

комбинированный принцип управления (по возмущению и отклонению).

Каждый из этих принципов обладает своими достоинствами и недостатками.

Принцип управления по возмущению, обладает большим быстродействием, но требует точного математического описания функциональной зависимости y=f (Z) по которой, будет осуществляться управление Рисунок 4.1.

Рис. 4.1.

Принцип регулирования по отклонению обладает высокой точностью.

Рис. 4.2.

Комбинированный способ управления наиболее полно отвечает задачам управления объектами, так как включает в себя достоинства принципа управления по возмущению (быстродействие) и принципа управления по отклонению (высокая точность).

Рис. 4.3.

4.3 Управление системой.

Система поддерживает два режима работы: ручной запуск и работа по расписанию (автоматически). В ручном режиме, пуском системы управляет оператор. В автоматическом, система запускается и останавливается в соответствии с расписанием (типовое расписание: запуск в 08: 00, останов в 18: 00).

Режим «зима-лето» ..

В зависимости от температуры наружного воздуха, различаются два режима работы системы: зима и лето. Зимний режим включается, когда температура наружного воздуха опускается ниже 6 градусов и выключается при 10 градусах либо принудительно с лицевой панели контроллера. В режиме «Зима» осуществляется нагрев и увлажнение приточного воздуха, обрабатываются сигналы: «давление воды с контуре первого подогрева ниже нормы» (по сигналу электроконтактного манометра поз.10 схемы автоматизации), «давление гликоля в системе рекуперации ниже нормы» (электроконтактный манометр, поз.11), «температура воздуха за теплообменником первого подогрева ниже допустимой» (капиллярный термостат, поз.5). Также этот режим предполагает предпусковой прогрев теплообменника первого подогрева.

4.4 Описание системы.

Далее описываются составные части системы и режимы их работы.

Воздухозабор..

Заслонка наружного воздуха предназначена для обеспечения забора наружного воздуха. Аварией заслонки считается отсутствие в течение определенного времени (1 мин) сигнала от концевого выключателя закрытия заслонки при наличии сигнала на открытие заслонки. Работа системы невозможна при аварии заслонки.

Показания датчика температуры наружного воздуха используются для расчета температуры предпускового прогрева и температуры воды на выходе из теплообменника первого подогрева в дежурном режиме.

Фильтр..

Секции фильтров (предфильтр, фильтр для приточного воздуха и фильтр для вытяжного воздуха) предназначены для очистки воздуха от пыли и инородных частиц. Для обнаружения засорения фильтра, каждый фильтр снабжен датчиком перепада давления воздуха (поз.12, 13, 15), который срабатывает при превышении перепада давления воздуха на фильтре выше определенного предела (предел перепада давления задается градуированным колесиком на корпусе датчика, его значение определяется удвоенным перепадом давления воздуха на новом фильтре). При засорении фильтра пуск системы возможен.

Рекуператор..

Секция рекуперации состоит из двух теплообменников (один на кондиционере К1, другой на вытяжной системе В3) между которыми циркулирует раствор гликоля. Циркуляция гликоля обеспечивается сдвоенным насосом (основной, резервный), а регулирование теплопроизводительности осуществляется клапаном. Имеются датчики температуры гликоля (поз.8,9), выходящего из теплообменника вытяжной системы и из теплообменника кондиционера К1. Также после вытяжного теплообменника установлен датчик температуры воздуха (поз.4).

Когда температура вытяжного воздуха выше температуры наружного воздуха рекуператор нагревает приточный воздух за счет тепла вытяжного воздуха. Регулирование при работающем насосе увлажнителя осуществляется по датчику температуры воды в поддоне секции увлажнения (поз.6) и корректируется по датчику влажности (поз.3); при выключенном насосе увлажнителя (разомкнутый магнитный пускатель), регулирование осуществляется по датчику температуры приточного воздуха (поз.2). В обоих случаях действует ограничение по температуре приточного воздуха (не менее 16 и не более 30 градусов). Когда температура вытяжного воздуха ниже температуры наружного воздуха, регулирующий клапан полностью открывается и за счет холода вытяжного воздуха происходит охлаждение приточного воздуха.

Насосы рекуператора работают по очереди, сменяясь раз в неделю. При аварии насоса автоматически включается резервный. Следует отметить, что при отсутствии гликоля в системе рекуперации (например, летом) отключаются оба циркуляционных насоса рекуператора.

В зимнее время осуществляется защита рекуператора от обмерзания по датчику температуры вытяжного воздуха после рекуператора. С помощью клапана предотвращается падение этой температуры ниже 2 градусов. При понижении температуры вытяжного воздуха после рекуператора ниже 2 градусов система останавливается по угрозе заморозки. Также в зимнее время осуществляется защита рекуператора от обмерзания по датчикам температуры гликоля на выходе из приточного и вытяжного теплообменников. С помощью клапана предотвращается падение этой температуры ниже — 2 градусов. При понижении температуры гликоля на выходе из вытяжного или приточного теплообменника ниже — 2 градусов система также останавливается по угрозе заморозки. При любой аварии системы по заморозке закрывается воздушная заслонка, останавливается вентилятор и полностью открываются регулировочные клапаны рекуперации и первого подогрева.

Первый подогрев..

Секция первого подогрева предназначена для предварительного нагрева приточного воздуха и состоит из теплообменника, по которому циркулирует горячая вода. Циркуляция горячей воды обеспечивается сдвоенным насосом (основной, резервный), а регулирование теплопроизводительности осуществляется клапаном. Имеется датчик температуры воды, выходящей из теплообменника (поз.7) и капиллярный термостат (поз.5).

Регулирование при работающем насосе увлажнителя осуществляется по датчику температуры воды в поддоне секции увлажнения (точка росы) и корректируется по датчику влажности (поз.3); при выключенном насосе увлажнителя (разомкнутый магнитный пускатель) регулирование осуществляется по датчику температуры приточного воздуха (поз.2). В обоих случаях действует ограничение по температуре приточного воздуха (не менее 16 и не более 30 градусов). Температура точки росы вычисляется исходя из желаемых температуры и влажности приточного воздуха, и составляет обычно 5−20 градусов.

Насосы первого подогрева работают по очереди, сменяясь раз в неделю. При аварии насоса автоматически включается резервный. Насос включается при переводе системы на зимний режим. При отсутствии горячей воды в системе первого подогрева зимой пуск насосов невозможен, также система переходит в аварийный режим защиты от заморозки.

Защита от замораживания теплообменника обеспечивается капиллярным термостатом, медная трубка которого натянута на теплообменник. При падении температуры воздуха за теплообменником ниже определенного значения (задаваемое регулировочным винтом на корпусе термостата, типовое значение 5 градусов) термостат размыкается и останавливает систему по угрозе заморозки. Запуск системы возможен только при возвращении термостата в нормальное состояние (это происходит автоматически при повышении температуры). Кроме того, защита от замораживания теплообменника обеспечивается по показаниям датчика температуры воды (поз.7). При падении температуры воды после выхода из теплообменника ниже определенного значения (типовое значение 10−15 градусов) контроллер останавливает систему по угрозе заморозки. Запуск системы возможен только после прогрева теплообменника до температуры t_воды=f (t_{нар. воздуха}) +20єС. При любой аварии системы по заморозке закрывается воздушная заслонка, останавливается вентилятор и полностью открываются регулировочные клапаны рекуперации и первого подогрева.