СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ В РЕЗЕРВУАРЕ Российский патент 1999 года по МПК F22D5/30 

Изобретение относится к области автоматического управления технологическими объектами энергетических установок и может быть использовано для автоматического регулирования уровня жидкости (воды и др.)
Широко известны способы автоматического регулирования уровня в резервуаре по сигналу рассогласования текущего и заданного значений уровня с коррекцией сигналов по положению регулирующего органа, по расходу рабочих сред (пара, воды) [1, 2] и других параметров [3].

Наиболее близким по технической сущности является способ автоматического регулирования питания барабанного котла [4], заключающийся в дополнительном использовании разности напоров рабочей среды на входе и выходе экономайзера.

Использование в известных способах напора в качестве корректирующего параметра не учитывает того, что расход рабочей среды зависит не только от напора, но и от поперечного сечения трубопроводов, проходного сечения результирующих клапанов и других параметров и, таким образом, не обеспечивает идеальное соблюдение материального баланса в резервуаре.

Способ [4] неприемлем для различных рабочих сред, например, для подогревателей котлов, в которых поступающей средой является пар, а выходной средой - конденсат, то есть вода.

Технической задачей изобретения является повышение качества автоматического регулирования, расширение функциональных возможностей.

Задача решена предлагаемым способом, сущность которого заключается в том, что регулирование уровня в резервуаре производят стабилизацией равенства сумм расходов входящих в резеруар и выходящих из него рабочих сред.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен упрощенный разрез резервуара, в котором регулируется уровень рабочей среды, а на фиг. 2 - изменение во времени параметров, характеризующих процесс регулирования.

Пусть в резервуар (фиг. 1) поступает рабочая среда V, например пар, через регулирующий клапан 2, а выходит рабочая среда W, например конденсат, через регулирующий клапан 3, расходы поступающей и выходящей сред при этом одинаковы, то есть.

Q_V=Q_W=Q₀. (1)
Под "расходом" понимается отношение массы рабочей среды, перемещаемой через поперечное сечение трубопровода, к промежутку времени, за который это перемещение происходит, и может измеряться, например, в кг/с.

Уровень среды W в резервуаре 1 в начальный момент времени t=0 равен H₀ и равен заданному H_зад. В этот же момент времени происходит скачкообразное изменение, например увеличение, расхода рабочей среды V на величину
Q=Q₁-Q₀, (2)
где Q₀ - начальное значение расходов рабочих сред V и W,
Q₁ - конечное значение расхода рабочей среды V.

Изменение уровня H будет происходит по следующему закону

где t - текущее значение времени;
τ_т - время запаздывания;
S - площадь поперечного сечения резервуара,
и отражено на фиг. 2, в виде прямой линии 1. Увеличение уровня начнется в момент времени, равный времени запаздывания. Под "временем запаздывания" понимается время, равное сумме времени транспортного запаздывания [5] и времени технологического запаздывания, затраченное на какие-то технологические процессы, например на время превращения пара в конденсат и его стекания по стенкам резервуара.

При существующих способах [1, 2, 3, 4] регулирование уровня начнется с момента времени t_н, когда отклонение текущего значения уровня H от заданного, равное
ΔH = H-H_зад (4)
достигнет зоны нечувствительности +δH регулятора уровня, изменение последнего будет происходить по кривой 1-1' (фиг. 2).

Если дополнительно по предлагаемому способу с момента времени t=0 произвести регулирование разности Q сумм расходов, входящих в резервуар и выходящих из него сред так, чтобы разность сумм расходов довести до нуля к моменту времени t_к, то изменение уровня от момента времени t_т до момента времени t_с стабилизации уровня будет происходить по кривой 2, причем
Q_вх=Q_вых, (5)
где t_к - время, затраченное на регулирование разности сумм расходов.

С момента времени t_с уровень H=H_к=const будет стабилизирован (кривая 3).

Этим будет достигнуто соблюдение материального баланса в резервуаре, то есть сумма расходов входящих рабочих сред будет равна сумме расходов выходящих рабочих сред:

где сумма расходов входящих рабочих сред;
сумма расходов выходящих рабочих сред;
i - порядковый номер входящей рабочей среды;
j - порядковый номер выходящей рабочей среды;
к - общее количество входящих рабочих сред;
l - общее количество выходящих рабочих сред,
и разность сумм расходов

будет равна нулю. Регулирование разности Q сумм расходов входящих в резервуар Q_вх и выходящих из него Q_вых сред производят следующим образом.

Изменяют расходы Q_tвх входящих в резервуар сред и расходы Q_jвых выходящих из него сред.

Суммируют отдельно расходы Q_вх входящих и расходы Q_вых выходящих сред.

Вычисляют разность Q сумм Q_вх входящих в резервуар сред и сумм Q_вых расходов выходящих сред.

Сигнал, пропорциональный разности расходов Q, подают на регулятор, который вырабатывает 1-ый регулирующий сигнал по первому установочному закону, и подают выработанный регулятором сигнал на регулирующий клапан, обеспечивающий равенство сумм расходов входящих и выходящих из резервуара сред, то есть равенство нулю левых и правых частей уравнения (2, 7).

Если разность Q сумм расходов положительна и в качестве регулирующего выбран клапан 2 входящей в резервуар среды V, то последний прикрывают.

При отрицательной разности Q клапан 2 приоткрывают. В качестве регулирующего клапан 2 выбирается в том случае, когда необходима стабилизация расхода выходящих сред.

Если в качестве регулирующего выбран клапан 3 выходящей из резервуара среды W, то при положительной разности Q сумм расходов клапан 3 приоткрывают, а при отрицательной разности Q сумм расходов клапан 3 прикрывают.

Однако, несмотря на стабилизацию уровня и равенство сумм расходов в результате регулирования разности сумм расходов, текущее значение уровня в общем случае не будет равно заданному значению уровня из-за того, что на регулирование разности расходов затрачено время t_к, за которое в резервуар поступило небалансное количество рабочей среды G, которое оказалось лишним и которое привело к увеличению уровня от H₀ до H_к, так как в интервале времени 0<t<t_к разность расходов Q не равнялась нулю.

Под "небалансным количеством рабочей среды" понимается масса или объем рабочей среды, нарушающие идеальный материальный баланс рабочих сред в резервуаре, заключающийся в строгом соблюдении равенства сумм расходов входящих в резервуар и выходящих из него сред, а также в строгом равенстве текущего и заданного значений уровня, то есть в равенстве нулю разности расходов входящих и выходящих сред и равенстве нулю разности между текущим значением и его заданным значением.

Небалансное количество G рабочей среды V в данном конкретной примере будет увеличиваться в интервале времени 0<t<t_к по кривой 4, что приведет к увеличению уровня от H=H₀ до H=H_к по кривой 2.

Начиная с момента времени t_к, небалансное количество G будет оставаться стабильным (кривая 5).

Небалансное количество G рабочей среды V, оказавшееся в резервуаре, в общем случае вычисляют и измеряют, используя формулу

где Q(t) - изменение разности сумм расходов во времени.

Поскольку в рассматриваемом случае небалансное количество G оказалось в резервуаре лишним, его следует считать положительным. При наличии неточностей в системах измерений и регулирования дальнейшее изменение уровня может происходить по кривой 6 (фиг. 2) и отклонение уровня от заданного может достигнуть зоны нечуствительности регулятора уровня в момент времени t_нн.

Для того чтобы уровень рабочей среды W привести к первоначальному заданному H_зад с наилучшим качеством регулирования, необходимо убрать из резервуара небалансное количество рабочей среды W, в данном случае лишнее, положительное. А поскольку это мгновенно сделать невозможно, удаление небалансного количества G осуществляют по предлагаемому способу путем выработки второго регулирующего сигнала по второму установленному закону и подают выработанный сигнал на регулирующий клапан 2 входящей среды V или на регулирующий клапан 3 входящей рабочей среды W.

Тогда изменение небалансного количества G во времени будет происходить по кривой 7, а уровня - по кривой 8.

Если выработанный сигнал подан на регулирующий клапан 3, то последний должен быть приоткрыт таким образом, чтобы обеспечить не только равенство (6), но и удаление небалансного количества G рабочей среды V, вычисленного и измеренного по формуле (7) в максимально короткий срок до момента времени t_нб.

Если же расход выходящей среды Q должен быть постоянным, то выработанный сигнал подают на регулирующий клапан 2 входящей среды V. Последний должен быть прикрыт так, чтобы обеспечить равенство (6) и чтобы измеренное небалансное лишнее количество G рабочей среды W было бы удалено как можно быстрее при определенном неизменном состоянии клапана 3.

Аналогичным образом поступают при недостатке рабочей среды W в резервуаре, то есть при Q_W>Q_V, отрицательном количестве G, отрицательной разности Q сумм расходов и когда H<H_зад, только выработанные сигналы должны быть противоположного знака, а воздействия на регулирующие клапаны - обратные.

Тогда, если выработанный сигнал подан на клапан 3, то последний прикрывают таким образом, чтобы обеспечить равенство (6), а также добавление небалансного дефицитного в этом случае количества G рабочей среды V, вычисленное и измеренное по формуле (8) в максимально короткий срок.

Если же расход выходящей среды Q должен быть постоянным, выработанный сигнал подают на регулирующий клапан 2 входящей среды V. Последний должен быть приоткрыт таким образом, чтобы обеспечить равенство (6) и добавить как можно быстрее дефицитное небалансное количество G среды W, выполнив условие равенства нулю небалансного количества G.

Библиографический список
1. АС. 1645757 (СССР) МПК F 22 D 5/26.

2. АС. 623052 (СССР) МПК F 22 D 5/26.

3. АС. 720250 (СССР) МПК F 22 D 5/26.

4. АС. 1652749 (СССР) МПК F 22 D 5/26.

5. В.А.Бесекерский, Е.П. Попов. Теория автоматического регулирования. М. : Наука, 1975, 708 с.

Способ может быть использован в области автоматического управления технологическими объектами энергетических установок для автоматического регулирования уровня жидкости (воды и пр.). Суммируют расходы входящих в резервуар и выходящих из него сред. Сопоставляют между собой суммы расходов входящих в резервуар и выходящих из него сред, полученную в результате сопоставлений разность в виде сигнала подают на регулятор, вырабатывающий по первому заданному закону первый дополнительный сигнал, воздействующий на регулирующий клапан и обеспечивающий соблюдение нулевого значения разности расходов. Одновременно измеряют небалансное количество рабочих сред, образующее отклонение текущего значения уровня от заданного, даже при равенстве сумм расходов входящих в резервуар и выходящих из него сред, по формуле

где G - небалансное количество рабочих сред; Q(t) - изменение разности сумм расходов входящих и выходящих рабочих сред во времени; t - длительность небаланса сумм расходов. Сигнал, пропорциональный небалансному количеству, подают на регулятор. Последний вырабатывает по второму заданному закону второй дополнительный сигнал, воздействующий на регулирующий клапан и обеспечивающий идеальное соблюдение материального баланса, то есть равенство нулю небалансного количества рабочей среды и равенство текущего и заданного значений уровня рабочей среды в резервуаре. Такой способ позволит повысить качество автоматического регулирования и расширить функциональные возможности. 2 ил.

Способ автоматического регулирования уровня рабочей среды в резервуаре, заключающийся в том, что измеряют текущее значение уровня рабочей среды в резервуаре, расходы входящих в резервуар сред и расходы выходящих из резервуара сред, сопоставляют текущее значение уровня с его заданным значением, формируют сигнал, пропорциональный разности между текущим и заданным значениями уровня, подают его на регулятор, отличающийся тем, что дополнительно суммируют расходы входящих в резервуар и выходящих из него сред, сопоставляют между собой суммы расходов входящих в резервуар и выходящих из него сред, полученную в результате сопоставлений разность в виде сигнала подают на регулятор, вырабатывающий по первому заданному закону первый дополнительный сигнал, воздействующий на регулирующий клапан и обеспечивающий соблюдение нулевого значения разности сумм расходов, одновременно измеряют небалансное количество рабочих сред, образующее отклонение текущего значения уровня от заданного даже при равенстве сумм расходов входящих в резервуар и выходящих из него сред, по формуле

где G - небалансное количество рабочих сред;
Q(t) - изменение разности сумм расходов входящих и выходящих рабочих сред во времени;
t - длительность небаланса суммы расходов, сигнал, пропорциональный небалансному количеству, подают на регулятор, вырабатывающий по второму заданному закону второй дополнительный сигнал, воздействующий на регулирующий клапан и обеспечивающий идеальное соблюдение материального баланса, то есть равенство нулю небалансного количества рабочей среды и равенство текущего и заданного значений уровня рабочей среды в резервуаре.