Регулирование соотношения расходов двух веществ

Существует несколько вариантов регулирования соотношения расходов двух веществ.

Первый вариант (рис. 5). Суммарный расход двух веществ не задан, при этом расход одного из веществ может меняться произвольно. Назовем этот расход «ведущим». Расход второго вещества назовем «ведомым». Соотношение между расходами второго

Рис. 4. Схема регулирования производительности центробежного компрессора с противопомпажной защитой:

/ — компрессор; 2 — датчики расхода; 3 — регуляторы; 4 — регулирующие клапаны

Рис. 5. Схема регулирования соотношения расходов при произвольной нагрузке:

1,2 — датчики расхода; 3 — регулятор соотношения расходов; 4 — регулирующий клапан

и первого вещества должно быть постоянным и равным п. Следовательно, «ведомый» расход равен

Второй вариант (рис. 6). Заданы: соотношение расходов двух веществ и ведущий расход . Помимо регулирования соотношения расходов двух веществ применяют дополнительно еще регулирование «ведущего» расхода. При таком регулировании изменение задания по «ведущему» расходу автоматически изменяет и «ведомый» расход в заданном соотношении с

Третий вариант (рис. 7). При заданном «ведущем» расходе регулирование соотношения расходов двух веществ проводится с коррекцией по третьему технологическому параметру. Регулирование соотношения расходов двух веществ является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра, например, уровня в реакторе-смесителе /. Заданный коэффициент соотношения расходов двух веществ устанавливается внешним регулятором уровня 6 в зависимости от третьего параметра.

Рис. 6. Схема регулирования соотношения расходов при заданной нагрузке:

1,2 — датчики расхода; 3 — регулятор соотношения расходов; 4 — регулятор расхода; 5, 6 — регулирующие клапаны

Рис.7. Схема регулирования соотношения расходов с коррекцией по третьему параметру (уровню) при заданной нагрузке: 1 — реактор-смеситель; 2, 3 — датчики расхода; 4— регулятор соотношения расходов; 5— регулятор расхода; 6 — регулятор уровня; 7,8— регулирующие клапаны; 9 — датчик уровня

Замечание

Особенность настройки каскадных САУ заключается в том, что на задание внутреннему регулятору (в данном случае регулятору соотношения расходов двух веществ) устанавливается ограничение:

где — нижнее и верхнее соотношения расходов веществ соответственно.

Если выходной сигнал внешнего регулятора (регулятора уровня) выходит за пределы , то задание внутреннему регулятору (в данном случае регулятору соотношения расходов двух веществ) не меняется, а остается на предельно допустимом значении п (а именно или или ).

О выборе регуляторов расхода

Требуемое (заданное) качество переходных процессов предопределяет выбор законов управления. Для регулирования расхода без установившейся (статической) погрешности в одноконтурных системах управления применяют ПИ-регуляторы. Если система управления расходом является внутренним контуром двухконтурной каскадной системы управления, то в качестве регулятора расхода может использовать П-регулятор.

Замечание

В промышленных САР расхода не рекомендуется применять ПД- или ПИД-регуляторы. Если в сигнале изменения расхода присутствуют высокочастотные сигналы (помехи), то использование Д-составляюших в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала расхода может вызвать неустойчивую работу системы управления.

Регулирование уровня

Постоянство уровня жидкости в технологическом аппарате означает сохранение материального баланса, т. е. приток жидкости равен ее стоку, а скорость изменения уровня равна нулю:

Замечание

Понятия «приток» и «сток» рассматриваются как обобщенные понятия.

Уровень жидкости в аппарате можно регулировать, применяя различные схемы регулирования.

Первый вариант (рис. 8) — регулирование «на притоке», изменяя расход жидкости на входе в аппарат.

Второй вариант (рис. 9) — регулирование «на стоке», изменяя расход жидкости на выходе из аппарата.

Третий вариант (рис. 10) — регулирование соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по третьему технологическому параметру — уровню (каскадная система регулирования).

Если в аппарате (испарителе, конденсаторе, ректификационной колонне и т. п.) имеют место фазовые превращения веществ, тогда уровень является характеристикой и гидродинамических, и тепло-массообменных процессов. Приток и сток должны учитывать фазовые превращения веществ. В этом случае уровень регулируют изменением расхода теплоносителя, например греющего пара или хладагента (рис. 11). В указанных аппаратах уровень связан с другими технологическими параметрами, например давлением. Естественно, в каждом конкретном случае система регулирования уровня реализуется с учетом других контуров регулирования.

Рис. 8. Схема непрерывного регулирования уровня «на притоке»: / - аппарат; 2 - регулятор уровня; 3- регуегулируюший клапан

Рис. 9. Схема непрерывного регулирования уровня «на стоке».

Рис. 10.Схема непрерывного регулирования уровня каскадной САР: / — аппарат; 2, 3 — датчики расхода; 4 — регулятор уровня (ведущий); 5 — регулятор соотношения двух расходов (ведомый); 6 — регулирующий клапан

Рис. 11.Схема непрерывного регулирования уровня в испарителе: 1 — испаритель; 2 — регулятор уровня; 3 — регулирующий клапан

Выбор непрерывного или позиционного регулятора определяется требуемой точностью поддержания уровня в аппарате. Если необходимо уровень жидкости в аппарате поддерживать на заданном значении, а постоянные колебания уровня недопустимы, то используют непрерывный регулятор. Позиционные регуляторы применяются обычно для поддержания уровня в сборниках жидкости, промежуточных емкостях в заданных (достаточно широких) пределах

где — нижнее и верхнее значения уровня жидкости в аппарате

соответственно.

Рис. 12. Схема позиционного регулирования уровня:

/ — сборник жидкости; 2 — резервный сборник жидкости; 3 — насос; 4 — датчик уровня; 5 — регулятор уровня; 6, 7 — регулирующие клапаны

Схема позиционного регулирования уровня приведена на рис. 12. Если уровень достигает своего предельного значения (верхнего), поток автоматически переключается на резервный сборник жидкости.

О выборе регуляторов уровня

П-регуляторы применяются, если не требуется высокое качество регулирования и возмущающие воздействия не имеют постоянной составляющей, приводящей к накоплению статической погрешности. Но уровень жидкости может оказать значительное влияние на тепловые процессы, например, в паровых теплообменниках поверхность теплообмена определяется уровнем конденсата. Для регулирования уровня в таких объектах без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы.

1.1.4. Регулирование давления

Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о сохранении материального баланса аппарата по газовой фазе, записываемого в виде:

где — объем аппарата; и — приток и сток газа соответственно с учетом химических и фазовых превращений в аппарате.

Обычно давление в технологической установке стабилизируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением технологических линий и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (рис. 13) стабилизируют вакуум в последнем выпарном аппарате 2, выбрав в качестве управляющего воздействия изменение расхода охлаждающей воды, подаваемой в конденсатор 3 (изменение расхода охлаждающей воды влияет на скорость конденсации вторичного пара, т. е. на ). В остальных аппаратах при отсутствии возмущающих воздействий устанавливается разрежение, определяемое из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротивления технологической линии.

Рис. 13.Регулирование вакуума в выпарной установке:

1,2— выпарные аппараты; 3 — тарельчатый конденсатор; 4 -тор вакуума; 5 — регулирующий клапан

Если давление значительно влияет на кинетику процесса, то предусматривается система стабилизации давления в отдельных аппаратах. Таким примером является процесс ректификации, для которого кривая фазового равновесия зависит от давления. При регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют ее температуру кипения, однозначно связанную с составом только при постоянном давлении. Поэтому в продуктовых ректификационных колоннах, как правило, предусмотрены специальные системы стабилизации давления, где в качестве управляющего воздействия выбрано изменение расхода не сконденсировавшихся газов, отводимых из верхней части колонны (рис. 14).

Рис. 14.Регулирование давления в ректификационной колонне при наличии неконденсирующихся примесей:

/ — колонна; 2 — дефлегматор; 3 — сборник флегмы; 4 — регулятор давления: 5 — регулирующий клапан; 6 — гидрозатвор

1.1.5. Регулирование температуры

Температура — показатель термодинамического состояния системы — выбирается как выходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические характеристики объектов в системах регулирования температуры в значительной степени зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору систем регулирования температуры сформулировать весьма сложно, и для каждого конкретного технологического процесса требуется свой детальный анализ.

Но общие особенности системы управления температурой можно выделить. К ним, в первую очередь, необходимо отнести значительную инерционность тепловых процессов, а также некоторую инерционность промышленных датчиков температуры. Итак, одной из основных задач проектирования САР температуры является уменьшение инерционности промышленных датчиков температуры, и в этом направлении достигнуты определенные успехи.

1.1.7. Регулирование параметров состава и качества

Качественные параметры (концентрация вещества в потоке, состав газовой смеси) должны точно поддерживаться на заданном уровне. Сложность регулирования качественных параметров определяется, в первую очередь, сложностью их измерения. В последнее время одним из способов регулирования качественных параметров является регулирование по косвенному показателю с дальнейшим уточнением алгоритма его расчета по данным прямых анализов, получаемых анализаторами состава газа и жидкости.