Устройство для автоматического управления вакуумным деаэратором Советский патент 1993 года по МПК F22D1/50 

-. блок оценки температуры насыщения; на фиг.З - многоканальный ПИД-регулятор: на фиг.4 и 5 - диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства.

Устройство содержит вакуумный деаэратор 1. трубопровод подачи недеаэриро- ванной воды 2 с клапаном 2а, трубопровод отвода недеаэрированной воды 3, трубопровод подвода греющей среды 4 с клапанами 4а и 46, трубопровод отвода неконденсирующихся газов 5 с клапаном подвода химически обессоленной воды 5а, первое исполнительное устройство 6, второе исполнительное устройство 7, эжектор 8 отсоса неконденсирующихся газов, бак-аккумулятор 9, откачивающий насос 10, датчик 11 давления, датчик 12 температуры воды, анализатор 13 температуры воды, блок 14 оценки температуры насыщения, первый элемент 15 сравнения, .второй элемент 16 сравнения, первый пороговый блок 17, многоканальный ПИД-регулятор 18, третье исполнительное устройство 19, при постоянной подаче пара через эжек- тЬр, ва куум в колонке деаэратора поддержи- вается регулированием подачи химически обессоленной водь через эжектор, четвертое исполнительное устройство 20, датчик уров- .ня 21, третий элемент 22 сравнения. -о. . ;

Анализатор 13 температуры, воды содержит второй пороговый блок 23 и третий пороговый блок 24 (фиг.1). -;:: ;;v . Г .Блок 14 оцейкйтемНё ратуры Насыщения содержит первый блик 25 умножения, второй блок 26 умножения, третий блок, 27 умножения, четвертый блок 28 умножения, первый задатчик коэффициентов 29, первый сумматор 30, первый блок 31 сравнения, второй сумматор 32, второй блок 33 сравйе; ния, третий сумматор 34, .второй задатчик коэффициентов 35, пятый блок 36 умножения, третий задатчик коэффициентов 37, шестой блок 38 умножения, четвертый задатчик коэффициентов 39, седьмой блок 40 умножения, пятый /задатчик коэффициентов 41, .восьмой блок 42 умножения, шестой задатчик коэффициентов 43 и девятый блок 44 умножения (фиг.2). ;. ,;

Регулятор 18 содержит дифференциаторы 45|-45з, четвертые сумматоры 4б1-4бз, первые усилители 471-47з, вторые усилите-. ли 48|-48з, третьи усилители 49 |-49з, инерционные звенья 50i-50s, пятые сумматоры 51Н51з и интеграторы 521-52з. Входные сигналы регулятора 18 (е (t ) , 4i (t ) , Ј31 (t)) поступают на дифференциаторы 451-45з, с выхода которых Сигналь через четвертые сумматоры 4б1-46з поступают на вход третьих усилителей 49i-49s, охваченных обратной связью. За счет, большого коэффициента усиления третьих усилителей здесь формируются форсирующие звенья. С выхода форсирующих звеньев, то есть с вы- хода усилителей 491-49з сигналы поступают

на вход сумматоров . На сумматоры 51|-51з одновременно поступают сигналы с входа и выхода дифференциаторов 45i- - 45з через усилители 471-47з, 481-48з. Таким образом, сигналы на выходе сумматоров пропорциональны входным сигналам ( (t ), fiii(t ), Ј31 (t)) их первых и вторых производных. Поскольку параметры усилителей 471-47з, 481-48з, 491-49з можно выбирать произвольно, то можно произвольно устанавливать и коэффициенты при пер- вых и вторых производных входных сигналов, то есть можно обеспечить любое значение коэффициентов усиления.

Выходные сигналы сумматоров 51з-51з поступают на вход интеграторов 521-52з. В результате на выходах регулятора 18 имеются сигналы управления Uii(t), Uaift), U3i(t), формированные по пропорциональным, ин- тегральным и производным законам регули- рования.. .;.:..; .: v . :

Передаточную функцию j-ro канала регулятора 1.8 можно представить в виде:

WJ ( Р ) ki,- (

TijT3jP K3i

2

+

35

+:.. jiijiiiykM. p+

«3j Kfj ;./ TMj

(1)

где Kij, Kaj, Кз и Киз} - коэффициенты усиления блоков 47, 48, 49 и 50 соответственно;

-. TIJ, TSJ, Tuj - постоянные времени бло- ков 45, 50 и 52 соответственно; j 1,2,3. ,Известно, что;в вакуумных деаэраторах работа эжектора отсоса неконденсирующихся газов является причиной изменения давления в дёаэг атОрах в широком диапазо- не (0,075; 0,5 атмосфер). Так как, темпера- тура воды на линии насыщения является .функцией от давления пара (см. Букалович М.П, Термодинамические свойства воды и водяного пара. - М: Машгид, 1959), то есть:

50

tbs(t)-f(P(t)).

(2)

где T°s(t)- температура воды на линии насыщения; . /; .; . , ;.. , .

P(t)-давление пара,. то с изменением давления в вакуумных деа- зраторах изменяется также текущее значение температуры насыщения воды внутри деаэратора. Таким образом, путем изменения давления внутри вакуумных Деаэраторов можно достигать необходимые температуры насыщения воды без изменения подачи расхода горячей воды (греющая среда). Это приводит к значительной экономии энергии,

Учитывая, что в деаэраторе минимальное удаление растворенных газов из воды имеет место, когда температура воды достигает температуры насыщения, и что давление в деаэраторе с достаточной точностью характеризует температуру насыщения воды, то для эффективного управления процессом водоподготовки необходимо в зависимости от текущего значения давления Pi(t) внутри деаэратора оценить соответствующее значение температуры насыщения воды T°Si(t) в деаэраторе и при этом сравнить значение температуры T°Si(t) с фактическим значением температуры воды в деаэраторе (Т°ы(т.)). Если между значениями температур T°Sj(t) и Т° bi(t) имеется рассогласование, то для достижения температуры насыщения в деаэраторе необходимо в первую очередь изменить давление в деаэраторе до значения, обеспечивающего температуру насыщения T°Si(t), Это приводит к значительной экономии горячей воды. А если путем изменения давления в деаэраторе не удается достигать температуры насыщения, тогда необходимо изменить подачу расхода горячей воды

(Gropft)).

Алгоритм оценки температуры воды на линии насыщения в зависимости от текущего значения давления в деаэраторе в диапазоне 0,04325; 0,49000 атмосферы, может быть представлен в в.иде

s .

T°Si(t) KiЧ K2Pi(t) - K3Pi(t) + K4Pi3(t) - K5Pi4(t)

K6Pi5(t),

где Ki 10,21046;K2 577.2276; Кз 3110,897;

;: ; .- . (4)

K4 10331,32; K5 1751,65; KG 11634, 53

Уравнение (З) с учетом (4) принимает вид.

T°si(t) 10,21046 + 577.2276Pi(t) -31 10,897Ps2(t) + 10331,32Pi3(t) -17514,65Pi(t) + 11634,53 Pi5(t),(5)

где размерность T°s(t) °C.

Алгоритм (4) был построен посредством ортогональных многочленов Чебышева, обеспечивающих минимальное х значение среднеквадратического отклонения в задней области аргумента, и был запрограммирован на языке BASIC. В диапазоне 0,04325;

0,49000 абсолютная погрешность аппроксимации не превышает 0,16°С.

Так как давление в вакуумных деаэраторах, как правило, изменяется в диапазоне 5 0,075; 0,5 атмосферы, то температуры насыщения, соответствующие указанному диапазону, будут находиться в интервале (40; 81)°С. При этом, если фактическое значение температуры воды внутри деаэратора

10 находится в диапазоне (40; 81)°С, то температуры насыщения достигаются путем изменения давления в деаэраторе. А если фактическое значение температуры воды в деаэраторе ниже 40°С, тогда температура нэ15 сыщения достигается путем одновременного изменения давления в деаэраторе и подачи расхода горячей воды.

Устройство работает следующим образом.

20Недеаэрированная вода после химво- доочистки с температурой поступает в вакуумный деаэратор 1 требуемым расходом (СнедеаэрМ) по трубопроводу 2 через клапан 2а. Греющая среда (вода с тем25 пературой 90°С) подводится в деаэратор 1 требуемым расходом (Grop(t)) по трубопроводу 4 через клапаны 4а и 46. Проходя через отсеки деаэратора 1, заполненные паром, недеаэрированная вода нагревается до 4530 55°С, деаэрируется, а затем по трубопроводу 3 расходом (СдеаэрМ) отводится из деаэратора в бак-аккумулятор 9. При этом неконденсирующиеся тазы из деаэратора 1 отсасыва; ются эжектором 9.

35На выходе датчика 11 температуры воды имеется сигнал, пропорциональный фактическому значению температуры воды внутри деаэратора 1. Указанный сигнал одновременно поступает на вход второго поро40 гового блока 23 и на вход третьего порогового блока 24 анализатора 13 температуры воды. Второй пороговый блок 23 только пропускает сигнал T°bi(t) через него, если фактическое значение температуры воды внутри

45 деаэратора находится в диапазоне 40°С T°bi(t) 81°С. А если фактическое значе: ние температуры воды внутри деаэратора ниже 40°С, то есть Т°ы(т.) 40°С, то сигнал T°bi(t) только пропускает через него третий

50 пороговый блок 24. Таким образом на первом выходе анализатора 13 температуры воды имеется сигнал T°Mi(t), если фактическое значение температуры воды в деаэраторе 1 находится в диапазоне 40°С Т°ы(г) 81 °С, а

55 на втором выходе - имеется сигнал T°b2i(t), если фактическое значение температуры воды в деаэраторе 1 ниже40°С(Т°ы(г)40°С). На выходе датчика 12 давления имеется сигнал Pi (t), пропорциональный фактическому значению давления внутри деаэратора, Так как необходимо оценить значение температуры насыщения T°Si(t) в деаэраторе, соответствующее текущему значению внутреннего давления Pj(t), блок 14 оценки температуры насыщения по сигналу PI (t), поступающий на его вход, определяет значение температуры насыщения T°Si(t). При этом необходимо отметить, что блок 14 оценки температуры насыщения функционирует согласно алгоритму (5). Таким образом, на выходе блока 14 оценки имеется сигнал T°Si (t), пропорциональный температуре насыще-- ния в деаэраторе.

Блок 14 оценки температуры насыщения может быть построен как в аналоговом варианте, так и в цифровом. На фиг.2 представлен возможный вариант технической реализации блока 14 оценки температуры насыщения на основе аналоговой техники.

Сигнал T°si(t) одновременно поступает на первый вход первого элемента 15 сравнения и на второй вход второго элемента 16 сравнения. При этом, если фактическое значение температуры воды в деаэраторе находится в диапазоне 40°С T°bi(t) 81°С, то на выходе первого элемента 15 сравнения появляется сигнал рассогласования eu(t).

Јii(t) T°si (t) - T°bi (t).

(6)

Так как процесс приближения фактического значения температуры воды и значе- .ния температуры насыщения носит инерционный характер и является очень дли тельным, для увеличения оперативности управления, перед многоканальным ПИД регулятором 18, включен первый пороговый блок 17, с порогом Д 0,5°С. Как только наличие сигналов рассогласования, поступающих на входы блока 17, достигает указанного порогового значения, на выходе порогового блока 17 сигнала нет и регулятор 18 временно прекращает управление рассматриваемыми параметрами. То есть, если Јц (t ) Д, то на выходе порогового блока

17 появляется сигнал Јjij (t ) , который поступает на первый вход многоканального регулятора 18. А если ец (t ) Д, то на выходе порогового блока 17 сигнала нет и соответствующий канал ПИД регулятора

18 в работу не включается.

Сигнал рассогласования Јu(t) будет являться всегда положительной величиной, то есть T°si(t) T°bi(t). При этом на выходе порогового блока 17 появляется сигнал

Бц (t ) , который поступает на первый вход регулятора 18. Регулятор 18 по сигналу

-

10

15

20

25

30

35

Јц (t) формирует на его первом выходе сигнал управления Uii(t), который поступает на первый вход третьего исполнительного устройства 19. Исполнительное устройство 19 по сигналу управления Un (увеличивает величину подачи химически обессоленной воды (Gxqe (t)) путем изменения положения задвижки соответствующего клапана 5а и это приводит к уменьшению давления в деаэраторе. Уменьшение давления в деаэраторе будет иметь место пока значение сигнала Јii (t ) не станет равным пороговому значению Д. Когда сигнал Јц (t) Д, то температура насыщения в деаэраторе становится приблизительно равной фактическому значению температуры воды в деаэраторе и при этом максимально удаляются растворенные газы из воды (см. фиг.4).

Таким образом, в зависимости от величины сигнала Јn(t) , регулятор 18формирует сигнал управления Un (t), который уменьшает давление в деаэраторе до значения, обеспечивающего равенство между фактическим значением температуры воды и значением температуры насыщения в деаэраторе. При этом изменяется величина подачи расхода горячей воды, что позволяет получить значительную экономию горячей воды и повысить эффективность работы деаэратора.

Если фактическое значение температуры воды в деаэраторе ниже 40°С, то на выходе второго элемента 16 сравнения появляется сигнал рассогласования Ј21 (t)

Ј2i(t) T°sl (t) - Т°ы (t)

(7)

0

5

0

5

Так как минимальное давление в деаэраторе с практической точкой зрения /9min(tj 0,075 ат, что соответствует температуре насыщения T°si(t) 40°C, то сигнал Ј2i (t ) также всегда является положительной величиной, то есть T°SJ (t) Т°ы (t). Для достижения равенства между T°Si(t) и T°bi(t)

регулятор 18 по сигналу Ј21 (t), поступающему на его второй вход, формирует на его втором выходе сигнал управления U2i(t), который поступает одновременно на второй вход третьего исполнительного устройства и на вход второго исполнительного устройства. При этом одновременно увеличивается величина подачи расхода химобессоленной воды, что приводит к уменьшению давления в деаэраторе; и увеличивается величина подачи расхода горячей воды, что способствует увеличению фактического значения температуры воды в деаэраторе. Процесс регулирования будет иметь место пока значение

сигнала Ј21 (t) не станет равным пороговому значению Д (см. фиг.5).

Таким образом, если в устройстве появляется сигнал рассогласования E2i(t) , то температура насыщения в деаэраторе достигается путем одновременного уменьшения давления в деаэраторе и повышения величины подачи расхода горячей воды, Это также приводит к увеличению эффективности работы деаэратора и значительной экономии горячей воды.

В зависимости от степени приближения уровня воды в баке-аккумуляторе к заданному максимальному допустимому уровню в нем, регулятор 18 по сигналу рассогласования ез (t) , поступающему на его вход, на его третьем выходе формирует сигнал уп-. равления Uaift). При этом сигнал ез | (t ) определяется соотношением

Ј31 ( t ) НзадтахМ - Hi (t), (8)

где Нзадтах (t) - заданный максимальный допустимый уровень воды в баке-аккумуляторе 9;

Hi (t) - фактическое значение уровня воды в баке г аккумуляторе 9.

Сигнал управления U3i(t) одновременно поступает на первое исполнительное устройство 6 и при этом изменяется величина подачи расхода недёаэрированной воды и на четвертое исполнительное устройство 20, которое изменяет величину подачи расхода горячей воды. При достижении уровнем воды в баке - аккумуляторе 9 заданного максимально допустимого уровня прекращается подача расхода недеаэрированной воды и горячей воды. При этом увеличивается эффективность работы .устройства, сокращаются непроизводительные технологические сбросы деаэрированной воды и экономится горячая вода,.

Таким образом, формирование сигналов управления Uii (t), U2i(t) регулятором 18, в зависимости от величины сигналов рассогласования Ј ц (t ) , Ј21 (t) между фактическим значением температуры воды в деаэраторе и значением температуры воды на линий насыщения позволяет значительно повысить эффективность работы деаэратора и его экономичность, При этом существенно повышается качество обработки воды не только в установившемся режиме работы деаэратора, но и при переменном режиме его работы (при изменении подачи.расхода недеаэрированной воды, температуры воды и давления в деаэраторе), а также при любых других изменениях режима деаэрации, уменьшается попадание кислорода в оборудование и

повышается надежность работы всей теплоэнергетической установки в целом.

Необходимо отметить, что повышение точности управления процессом водоподго5 товки достигается за счет применения многоканального ПИД регулятора 18, который сочетает в себе высокую точность интегрального регулирования, большое быстродействие пропорционального регулирования и

0 высокую скорость реакции регулирования по производной, что приводит к снижению ошибок в динамике..

Формул а изобретения

5 .1. Устройство для автоматического управления ваккуумным деаэратором, снабженным трубопроводом отвода деаэрированной . воды, баком - аккумулятором и откачивающим насосом, содержащее клапан на трубопро0 воде подачи недеаэрированной воды, подключенный к выходу первого исполнительного : - механизма, датчик температуры воды, связанный через регулятор с вторым исполнительным механизмом, выход которого подключен

5 к первому клапану на трубопроводе подвода греющей среды, подключенный к выходу третьего исполнительного механизма клапан на трубопроводе подачи химически обессоленной воды, второй клапан на трубопроводе

0 подвода греющей среды, подключенный к выходу, четвертого исполнительного механизма, и клапан на трубопроводе отсоса неконденсирующихся газов через эжектор, отличаю- щ е е с я тем, что, с целью повышения

5 экономичности работы деаэратора и точности управления, оно дополнительно содержит последовательно соединенные датчик давления в деаэраторе и блок оценки темпе- . ратуры насыщения, анализатор температу0 ры воды, три элемента сравнения, датчик уровня в баке - аккумуляторе с задатчиком и пороговый блок, причем регулятор выполнен в виде многоканального ПИД-регулято- ра, датчик температуры воды подключен к.

5 входам анализатора, первый и второй элементы сравнения подключены своими входами к выходу блока оценки и к выходам анализатора, а выходами - к входам порогового блока, выходы которого подключены к

0 входам регулятора вместе с выходом третьего элемента сравнения, соединенного своими входами с датчиком уровня и задатчиком, а выходы регулятора дополнительно соединены с входами первого, третьего и четвертого

5 исполнительных механизмов.

2, Устройство по п. 1,. о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что блок оценки температуры насыщения выполнен в виде последовательно соединенных первого, второго, третьего и четвертого блоков умножения, последовательно соединенных первого задатчика коэффициентов, первого сумматора, первого блока сравнения, второго сумматора, второго блока сравнения и третьего сумматора, последовательно соединенных второго за- датчика коэффициентов и пятого блока умножения, последовательно соединенных третьего задатчика коэффициентов и шестого блока умножения, последовательно соедй- ненныхчетвертогозадатчика коэффициентов и седьмого блока умножения, последовательно соединенных пятого задатчика коэффициентов и восьмого блока умножения, последовательно соединенных: шестого задатчика коэффициентов и девятого блока умножения, причем вход первого блока умножения соединен с выходом датчика давления и с входами первого; второго, третьего,

0

5

четвертого и пятого блоков умножения, выход пятого блока умножения соединен с входом первого сумматора выход первого блока умножения связан с входом шестого блока умножения, выход которого соединен с входом первого блока сравнения, выход второго блока умножения связан с входом седьмого блока умножения, выход которого соединен с входом второго сумматора, выход третьего блока умножения связан с входом восьмого блока умножения, выход которого соединен с входом второго блока сравнения, выход четвертого блока умножения связан с входом девятого блока умножения, выход которого соединен с входом третьего сумматора, выход которого связан с входами первого и второго элементов сравнения. .

. f -: .,

: . .- -; .- ..,-, .

$te //K;y/v %W.

з№.

Фиг. 3

№)( to//%

0,5am- 81 &С ОЗГам -Ш°С

/

60°С

0,75ат- ЬО С

259С

№)(№1Л№ (ч)

Pi(t)

i |

V-2.

TsL(t)

Фмг. 4