Регулирование основных технологических параметров.
В системах регулирования расхода применяют один из трех способов изменения расхода:
1. дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);
2. изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);
3. байпасирование, т е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.
Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 3.1, а). При использовании поршневого насоса, применение подобной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на всасе насоса). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (рис. 3.1, б).
Рисунок. 3.1 - Схемы регулирования расхода после центробежного (а) и поршневого (б) насосов. 1 - измеритель расхода; 2 - регулирующий клапан; 3 - регулятор; 4 - насос.
Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис 3.2, а), либо изменением скорости движения ленты транспортера. Измерителем расхода при таком варианте служит взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера (рис 3.2, б).
Рисунок 3.2 - Схемы регулирования расходов сыпучих веществ:
1- бункер; 2 - транспортер; 5 - регулятор; 4 - регулирующая заслонка; 5 - электродвигатель.
Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять тремя способами:
1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис. 3.3, a) G1, называемый «ведущим», может меняться
Рисунок - 3.3. Схемы регулирования соотношения расходов.
1,2 — измерители расхода, 3 - регулятор соотношения, 4, 7 - регулирующие клапаны; 5 - регулятор расхода, б - реле соотношения, 8 - регулятор температуры, 9 - устройство ограничения.
произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении g с первым, так что «ведомый» расход равен gG1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис. 3.3, б). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношения g, подается в виде задания регулятору 5, обеспечивающему поддержание «ведомого» расхода.
2. При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР «ведущего» расхода (рис. 3.3, в). При такой схеме в случае изменения задания по расходу G1 автоматически изменится и расход G2 (в заданном соотношении с G1).
3. При заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента по третьему параметру. АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра у (например, температуры в аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра, так что G2 = y(y)G1 (рис. 3.3, г). Особенность настройки каскадных АСР состоит в том, что на задание внутреннему регулятору устанавливают ограничение хрн < хр < хрв. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограничению gн < g < gв. Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы [Хрн, Хрв], то задание регулятору соотношения остается на предельно допустимом значении у (т. е. gн или gв).
3.2. Регулирование уровня.
Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости равен стоку, и скорость изменения уровня равна нулю.
В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида
где S- площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата; Gвх, Gвых- расходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него; Gоб - количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени.
В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:
1. позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких
Рисунок 3.4 – Схема позиционного регулирования уровня:
1 - насос; 2 - аппарат; 3 - сигнализатор уровня; 4 - регулятор уровня; 5,6 - регулирующие клапаны.
пределах: Lв <L<LH. Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рис. 3.4). При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную емкость;
2. непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т. е. L = L0.
Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы. Например, в паровых теплообменниках уровень конденсата определяет фактическую поверхность теплообмена. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяют ПИ-регуляторы. П-регуляторы используют лишь в тех случаях, когда не требуется высокое качество регулирования и возмущения в системе не имеют постоянной составляющей, которая может привести к накоплению статической погрешности.
При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем регулируют одним из трех способов:
1. изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование «на притоке», рис. 3.5, а);
2. изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование «на стоке», рис. 3.5,6);
Рисунок 3.5 - Схемы непрерывного регулирования уровня:
а - регулирование «на притоке»; б - регулирование «на стоке», в - каскадная АСР (7 - регулятор уровня, 2 - регулирующий клапан, 3,4- измерители расхода, 5 - регулятор соотношения).
Рисунок 3.6 - Схема регулирования уровня в испарителе:
1 - испаритель; 2 - регулятор уровня; 3 - регулирующий клапан
3. регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, рис. 3.5, в); отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня, так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расходы жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу, и вследствие интегрирующих свойств объекта, уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать).
Рисунок 3.7- Регулирование уровня кипящего слоя:
а - отводом зернистого материала, б - изменением расхода, газа (1- аппарат с кипящим слоем, 2 - регулятор уровня, 3 - регулирующий орган
В случае, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладагента). В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретном случае должен выполняться с учетом остальных контуров регулирования. Особое место в системах регулирования уровня занимают АСР уровня в аппаратах с кипящим (псевдосжиженным) слоем зернистого материала (рис. 3.7). Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя (рис. 3.7 б)..
При значительных колебаниях расхода газа (или расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особо высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рис. 3.7, а) или расход газа на ожижение слоя (рис. 3.7, б).
Регулирование давления
Давление является показателем соотношения расходов газовой фазы на входе в аппарат и выходе из него. Постоянство давления свидетельствует о соблюдении материального баланса по газовой фазе. Обычно давление (или разрежение) в технологической установке стабилизируют в каком-либо одном аппарате, а по всей системе оно устанавливается в соответствии с гидравлическим сопротивлением линии и аппаратов. Например, в многокорпусной выпарной установке (см. рис. 3.8, а) стабилизируют разрежение в последнем выпарном аппарате. В остальных аппаратах при отсутствии возмущений устанавливается разрежение, которое определяется из условий материального и теплового балансов с учетом гидравлического сопротивления технологической линии.
В тех случаях, когда давление существенно влияет на кинетику процесса (например, в процессе ректификации), предусматривается система стабилизации давления в отдельных аппаратах (рис. 3.8, б). Кроме того, при регулировании процесса бинарной ректификации часто в качестве косвенного показателя состава смеси используют ее температуру кипения, которая однозначно связана с составом лишь при постоянном давлении. Поэтому в продуктовых ректификационных колоннах обычно предусматривают специальные системы стабилизации давления.
Рисунок 3.8 Технологические схемы: а) регулирование разряжения в многокорпусной выпарной установке; б) АСР давления в ректификационной колонне:
а) 1,2 - выпарные аппараты, 3 - барометрический конденсатор, 4 - регулятор разрежения, 5 – регулирующий клапан; б) 1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - флегмовая ёмкость; 4 - регулятор разрежения; 5 – регулирующий клапан
Регулирование разряжения в многокорпусной выпарной установке. В данной системе регулирующим воздействием является расход охлаждающей воды в барометрический конденсатор, который влияет на скорость конденсации вторичного пара.
Регулирования перепада давления. В таких аппаратах регулируется перепад давления, характеризующий гидродинамический режим, который влияет на протекание процесса (рис. 3.9).
Рисунок 3.9 Схема регулирования перепада давления:
а - в колонном аппарате с насадкой; б - в аппарате с кипящем слоем (1 - аппарат; 2 - регулятор перепада давления; 3 - регулирующий клапан).