Система автоматического регулирования выпарного аппарата Советский патент 1986 года по МПК B01D1/30 G05D27/00 

Изобретение относится к системам 1 автоматического регулирования выпарного аппарата, испоп ,.зуемым в области автоматизации технологических процессовJ и может быть применено 5 в химической, фармацевтической,пищевой и других отраслях промыпшенНОСТИ.

Цель изобретения - увеличение производительности и интенсификация 10 процесса теплопередачи выпарного аппарата.

На-фиг,1 изображена принципиальная схема системы .регулирования; на фиг.2 - диаграммы работы элементов 5 системы регулирования.

Система содержит регуляторы-1 и 2 уровня, регулятор 3 концентрации, элемент ЗАПРЕТ 4, блок-реле 5,эде- менты, образующие узел временной 20 задержки:реле 6, емкость 7 и дроссель 8, элемент ЗАПРЕТ 9. На фиг.1 и 2 изображены каналы (и сигналы в них) задатчиков верхнего и нижнего уровней „„ и Р„„ датчика уровня 25

ЗОУН

Р , датчика концентрации и задатчи- ка концентрации Р и Р, , выходы (и сигналы в них) регуляторов уровня Р и Р , регулятора концентрации PJ, выходы (и сигналы в них) элемен- 30

тов ЗАПРЕТ Р и Pg, выход (и сигнал в нем) узла временной задержки Р , каналы (и сигнал в них) клапанов налива и слива Р., и Р , давления питания Р , давления смещения Д, созда- 35 ваемо е пружиной элемента 9, временные

отметки t.

t на оси координат

D

ч -2 „ времени t. Регуляторы 1 и 2 формиругот законы

Г Р.

10

при Ру, - Р,

при Р - Р,

46

W

{

Р при Ру - Р о при Р„ Р,

УИ УН

0; 0,

с;

0.

в качестве регулятора 3 концентрации может быть применен регулятор с любым законом регулирования, для удобства рассмотрения будем считать, что он реализует пропорциональ ный закон вида

к.(р.

Р. ) + Р.

где К - козффициент пропорциональности;

Рц нулевая составляющая закона регулирования.

Узел временной задержки является преобразователем выходного сигнала Р, регулятора 3 во временной интервал , который задает длительно сть операции упарки, в примере реализации- систем 1, изображенном на фиг. 1 , временную задержку создает апериодическое звено, состоящее из емкости 7 и дросселя 8. Оно реализует закон

Ри - РЛ

Т

Ч

In

(Р.

- л

где 1 - постоянная времени апериодического звена.

Блок-реле 5 включено по схеме элемента памяти и функционирует по следующему закону: сигнал Р О поступает на выход блок-реле 5 при любом

значении сигнала , а сигнал

Р.

1 может пройти на выход блок-реле 5 лишь при Р,., О, при комбинации сигналов Р 1 и Р 1 на выходе блок-реле 5 сигнал может быть равен любой 1, либо о в зависимости, от того, который из входных сигналов поступил раньше.

Пусть в начальный момент времени сигнал на выходе блок-реле 5 равен о, тогда реле 6 находится в исходном положении и емкость 7 через дроссель 8 соединена с выходом регулятора 3, давление Pg падает. Под действием сигнала Р,,(Р -л) элемент

° 9 заблокирован и Р О, т.е. клапан

слива закрыт. Уровень жидкости Р поддерживается регулятором 1 на верхнем заданном значении Р путем периодического открывания клапана налива, компенсирующего падение уровня из-за упарки жидкости в аппарате. На выходе регулятора 2 сигнал Р, 1 . В момент t t, давление в емкости 7 станет Р„ (Р, - ) , при этом

Р Р« ся,

ренного раствора.

+ л) и элемент 9 переключит- на его выходе сигнап станет

1, при этом клапан слива откроется, а элемент 4 заблокируется и клапан налива перестанет открыватьPS

ренного раствора.

ся при Р Р

W

Начался слив упаВ момент t t

, уровень в аппара- при этом На выхостанет Р„ Р

регулятора 2 сиг нал изменится и

55 станет Р 0, в результате чего элемент 9 вернется в исходное положение, на его выходе сигнал станет PS О и слив прекратится. Элемент

4 деблокируется, а поскольку при этом сигнал Р. 1 , элемент 4 переключится и сигнал на его выходе станет Р 1, клапан налива откроется начинается налив слабого раствора, уровень в аппарате растет.

На выходе блок-реле 5 сигнал станет равным 1, вследствие чего р-е- ле 6 переключится и соединит емкост 7 с каналом питания, так что Р Р

Когда в дальнейшем раступшй уровень превысит.нижнее заданное значение, т.е. Р РЧН сигнал на выходе регулятора 2 изменится и станет PJ, 1. Никаких дальнейших измене- НИИ в схеме это не вызовет.

В момент t tj уровень превысит верхнее заданное значение, т.е. PS Рц г при этом на выходе регулятора 1 сигнал изменится и станет Р 0, элемент 4 переключится и сигнал на его выходе станет Р 0 налив прекратится.

На выходе блок-реле 5 сигнал станет равным О, реле 6 вернется в исходное положение, а емкость 7 через дроссель 8 окажется соединенной с выходом регулятора 3, давление Р начнет уменьшаться. Началась операция упарки, при этом уровень жидко- сти колеблется около значения Р. Pyg , находясь под действием регулятора 1.

Время упарки определяется величиной сигнала Pj

Р - Р т

t - t Т Т1п --О--

3 18 .(Р и) - Р,

h3

В момент t t давление Pg стане равным Р (Р - Д), элемент 9 пе- реключится и начнется -операция слива. Цикл работы завершен.

Если в дальнейшем, в т;5 (фиг.2) концентрация в аппарате, например, увеличится по сравнению с предыду- щим циклом, то давление Р, уменьшится (на фиг.2 для наглядности уменьшение давления Pj указано в виде дискретного изменения), соответственно этому процесс уменьшения давления Р во время упарки ускорится и время упарки уменьшится, т.е. tg - tg Т (t, - t). Уменьшение Ту приведет к уменьшению количества упаренного растворителя и, соответственно, к уменьшению концентрации сливаемого раствора на данном цикле по сравнению с предыдущим циклом.

При таком функционировании системы регулирования заданная разность уровней (Р - Р ) однозначно опре Р ff Уп

деляет объем V сливаемого за время цикла Т раствора, так что V const. Это значит, что при стабилизированной производительности W аппарата по выпариваемому растворителю объем наливаемого за цикл раствора однозначно определяется временем цикла Т

V,

нл

V,. + W-T,

т.е. йремя цикла можно использовать для управления объемом напиваемого раствора с целью компенсации .изменения ОСНОВНОГО возмущения. Как указывалось, условие равновесия системы при воздействии нагрузки можно выразить

О - V 0

г f

const.

отсюда с учетом предыдущего равенства получим закон изменения времени цикла в зависимости от концентрации наливаемого раствора

Т . ()

W 0... -

Если производительность W определить как величину понижения уровня в аппарате под влиянием упарки в единицу времени, то получим

X Eia.5ин (Q 1)

МЛ

(1)

Как следует из предыдущего рассмотрения функционирования системы, изменять можно только часть времени цикла - время упарки

Т Т - (Т + т

ч н i

),

(2)

где через Т„ и Т обозначены время 1овьш1ения уровня от Р, и до при аливе и понижения его от Р g до

РЧ„ при сливе соответственно; эти

величины при заданных Р - Р ийив чн

можно считать постоянными величинами и для конкретного выпарного аппарата они могут быть определены экспериментально.

Зная Ту, по известной характеристике узла временной задержки определим соответствующее значение выходного сигнала регулятора 3, необходимое для компенсации основного возмущения

3 Р. (1 - (-т:7п

(3)

Концентрация наливаемого раствора меняется в определенном диапазоне от максимального о до минимальн л

ного Q значений, соответственно

этому диапазону сигнал на выходе регулятора 3 также должен изменяться в пределах от Pj до Р , определенных по формулам (1), (2) и (3) при заданных значениях Q и Q

Установим нулевую составляющую Рр сигнала на выходе регулятора 3 следующим образом

Р .

.Используя те же зависимости, что и в формулах (1), (2), (3), но разрешенные относительно других переменных

m -to

Р - Р 48 ЧН

получим значение концентрации наливаемого раствора из диапазона возможных изменений ее, которое полностью компенсируется в пределах цикла и, следовательно, не сопровождается отклонением концентрации сливаемого раствора от заданного значения. Компенсация эта осуществляется постоянным и поданным заранее сигналом, для формирования которого не нужно воздействие по отклонению концентрации от задания.

-Если же фактическое значение концентрации будет отличаться от Q и, следовательно, появится приращение uQ (Рнл - QHA.O ) компенсация его сигналов Р не произойдет в течение времени Т„

d

ЭТО вызовет пояление сигнала отклонения концентраРКО)

ции &Р (Р - на входах регулятора 3, в результате чего регулятор 3 на своем выходе сформирует приращение сигнала uPj К(Р - Р, ) , и, следовательно, общий сигнал на выходе регулятора 3 станет

Р

+ ДР

Л

0

5

0

5

0

5

0

5

5

Таким образом, регулятор 3 формирует по отклонению регулирующее воздействие, соответствующее только части основного возмущения,определя- мой величиной О

нл нл

в данной системе регулирования реализован способ комбинированного регулирования, когда в систему кроме воздействия по отклонению дополнительно вводится составляющая регулирующего воздействия, формируемая по функциональной зависимости регулирующего воздействия от основного возмущения. Основным возмущением в выпарных аппаратах является нагрузка, характеризуемая произведением концентрации и объема наливаемого раствора. Первая компонента произведения (независимая величина) изменяется мало, а вторая (управляемая величина) устанавливаться произвольно учитывая зто обстоятельство, можно вводить в систему основное возмущение упорядоченНо во время, задавая наливаемый обьем неизменным, тогда зто возмущение будет малоизменяющей величиной. Соответственно этому регулирующее воздействие, предназначенное для компенсации основного возмущения, должно быть тоже мапоиз- меняющейся величиной; сбитая основное возмущение неизменным в первом приближении, можно установить предназначенное для его компенсации регулирующее воздействие тоже неизменным. Сформированное таким образом регулирующее воздействие компенсирует лищь главную часть основного возмущения. Но поскольку в выпарных аппаратах непрерывного действия концентрация наливаемого раствора меняется незначительно, компенсирующий эффект даже при таком простом законе формирования регулирующего воздействия по возмущению оказывается вполне удовлетворительным : нескомпенсированной остается примерно 1/3 - 1/5 часть основного возмущения, благодаря этому резко облегчается работа регулятора, формирующего регулирующее воздействие по отклонению.

. Кроме того, реализация такого способа формирования Воздействия по возмущению достигается без существенного усложнения конструкции системы .регулирования, поскольку ввод в систему воздействия по возмущению до стигается лип1ь согласованной работой клапанов налива и слива в зависимости от уровня раствора в аппарате и нет необходимости в датчиках концентрации и расхода напиваемого раствора (т.е. параметров основного возму- щения) и в формирователе сигнала регулирующего воздействия в функции .от основного возмущения.

Предложенная система па контуру регулирования концентрации является линейной несмотря на то, что клапаны налива и слива управляются релей- ньми сигналами,здесь контур регулирования концентрации представляет собой импульсную систему с времят импульсной модуляцией, причем частота, задаваемая нулевой составляющей выходного сигнала регулятора концентрации является несущей, а формируемый по отклонению концентрации от задания сигнал низкой частоты является модулируемым сигналом. Это позволяет более качественно вести процесс регулирования по сравнению с из в естнЬй системой, где концентрация регулируется по двухпозиционному закону.

Установлено, что средняя концентрация и, соответственно, средняя температура упаренного раствора по предложенному способу оказалась ниже, чем по известному.

Непосредственным следствием этого явилось ослабление процесса кристаллизации на внутренних поверхностях выпарного аппарата и трубопроводов, повышение коэффициента теплопередачи стенок греющей камеры, повышение перепара температур на стенках греющей камеры, снижение разности тем- .ператур слабого и упаренного растворов, В результате этого снизилось количество остановок аппарата на про- мывку, что эквивалентно росту про779828

изводительности аппарата на 0,5%, количество тепловой энергии на нагрев раствора до кипения снизилось до 10%, количество тепловой энергии, 5 передаваемое греющей камерой раствору, снизилось на 20%,

Формула изобретения

t Система автоматического регулирования выпарного аппарата, содержащая два двухпозиционных регулятора уровня, регулятор концентрации и два элемента ЗАПРЕТ: причем первый вход 5 первого и второй вход второго регуляторов уровня соединены с каналом датчика уровня, второй вход первого и первый вход второго регуляторов уров- ня соединены соответственно с канала- 20 ми задатчиков верхнего и нижнего граничных значений, выходы первого и , второго регуляторов уровня соединены с переключающим входом первого и второго элементов ЗАПРЕТ соответственно, 25 вьтход первого элемента ЗАПРЕТ соединен с каналом клапана налива, выход второго элемента ЗАПРЕТ соединен с блокирующим входом первого элемента ЗАПРЕТ и с каналом клапана слива, а 30 первый и второй входы регулятора концентрации соединены с каналами датчика и задатчика концентрации соответственно, отличающаяся тем, что, с целью увеличения произ- 5 водительности и интенсификации теплопередачи выпарного аппарата, она дополнительно содержит последовательно соединенные блок-реле и узел задержки сигнала, через которые вы- 0 ход первого элемента ЗАПРЕТ соединен с блокирующим входом второго элемента ЗАПРЕТ, выход регулятора концентрации соединен с установочным входом узла задержки сигнала, а выход 5 второго регулятора уровня соединен с блокирукяцим входом блок-реле.

Изобретение относится к системе автоматического регулирования (САР) выпарного аппарата, может быть использовано в химической, фармацевтической, пищевой промышленности и позволяет увеличить производительность и интенсифицировать процесс теплопередачи выпарного аппарата. САР содержит взаимосвязанные регуляторы 1, 2 уровня, один из которых подключен к входу элемента 4 ЗАПРЕТ, другой - к входу блока-реле 5, регулятор 3 концентрации,связанный с элементом узла временной за-- рержки, включающего регулирующий клапан 8 и емкость 7, элемент ЗАПРЕТ 9, -соединенный с узлом временной задержки, регулятором 2 уровня и элементом ЗАПРЕТ 4. 2 ил. СО