Автоматизация технологических процессов основных химических производств

емкость 4.

2. Показатель эффективности процесса - расход Q.

3. Цель управления процессом Q=Qзд.

4. Анализ типовой схемы как объекта управления:

Основные элементы, подлежащие анализу - трубопровод 3 и насос 2.

Основные параметры трубопровода как объекта управления.

. внутренний диаметр d:

[pic],

где Q –расход, м^3/с, v - скорость потока, м/с.

. Скорость потока v = 0.5 – 2.5м/с.

. Гидравлическое сопротивление трубопровода:

(pгс = (pск + (pтр + (pмс

o потери давления на сообщение потоку скорости:

[pic]

o потери давления на преодоление трения потока о стенки трубопровода:

[pic]

где ( = f(Re,l) - коэффициент трения.

o потери давления на преодоление местных сопротивлений:

(pмс = ((мс*(pск,

где (мс - коэффициент местного сопротивления.

. Сопротивление, затрачиваемое на подъем жидкости на высоту h:

(pпод = (*g*h

. Дополнительное сопротивление:

(pдоп = p2 – p1

. Полное сопротивление:

[pic]

. Мощность ,которую необходимо затратить на перекачивание:

N = (pобщ*Q/(10^3*(),

(= (н*(п*(д,:

где (- полный к.п.д., насоса; (н - к.п.д. насоса; (п - к.п.д.

передачи;

(д - к.п.д. двигателя.

Схема трубопровода как объекта управления

для типовой схемы процесса перемещения жидкости.

[pic]

Рис.1.

Математическое описание статики объекта.

1. Материальный баланс для трубопровода (рис.1) на основании условия

неразрывности струи:

Sa*va = Sb*vb

(1)

Из (1) получим :

va = Sb*vb/ Sa

(1б).

Обозначим Sb / Sa = m

(1в).

2. Энергетический баланс - уравнение Бернулли:

[pic] (2)

Подставим в (2) выражение для скорости потока в сечении «а» на основании

(1б):

[pic] (3)

Подставим в (3) вместо vb его выражение из соотношения для объемного

расхода в сечении «b»:

Qb = vb*Sb;

откуда

vb =Qb / Sb:

[pic] (4)

Преобразуем выражение (4) с учетом (1в) к виду:

[pic] (5)

Решим выражение (5) относительно Qb:

[pic] (6)

Линеаризованные выражения мат. модели статики

на основании разложения в ряд Тейлора:

1.Через приращения и частные производные:

[pic]

2.Через приращения и коэффициенты усиления:

[pic]

Информационная схема объекта управления.

[pic]

Рис.2.

. Хро - возможное регулирующее воздействие;

. Рa , ha , Pb , hb - возможные контролируемые возмущающие воздействия;

. Z - возможные неконтролируемые возмущающие воздействия.

Математическое описание динамики объекта.

. Структурная схема объекта.

[pic]

Рис.3

. Уравнение динамики:

[pic]

(1).

. Уравнение статики:

[pic]

(2).

. Уравнение динамики во временной области на основе метода

безразмерных переменных:

[pic] (3).

. Уравнение динамики с учетом запаздывания:

[pic] (5).

. Передаточная функция для выражения (5) будет иметь вид:

[pic]

(6),

где

[pic][pic].

Материалы к лекции №4

Автоматизация центробежных насосов

Основные показатели работы насосов

. Производительность, или подача, Q (м3/ceк) - объем жидкости, подаваемой

насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени.

. Напор Н (м) - удельная энергия, сообщаемая насосом единице веса

перекачиваемой жидкости.

[pic]

(1)

где чл.1 - высота подъема жидкости в насосе;

чл.2 - разность пьезометрических напоров;

чл.3 - разность динамических напоров.

. Полезная мощность Nn - это мощность, затрачиваемая насосом на сообщение

жидкости энергии:

[pic]

(2).

. Мощность на валу насоса Ne – это отношение полезной мощности Nn к к.п.д.

насоса:

[pic]

(3).

. Коэффициент полезного действия насоса ?н

[pic]

(4).

где ?v = Q/QТ - объемный к.п.д.;

[pic] - гидравлический к.п.д.

?мех - механический к. п. д.

. Основная цель управления насосами - обеспечить эффективную работу насоса

на сеть.

. Насосы как объекты управления классифицируются по принципу действия на:

. центробежные;

. поршневые.

Схема центробежного насоса.

[pic]

1. - корпус;

2. - рабочее колесо;

3. - привод насоса;

4. - линия всасывания;

5. – патрубок нагнетания.

Рис.1.

. Принцип действия центробежных насосов - основан на создании

центробежных полей давления при вращении рабочего колеса в жидкости.

. Работа схемы.

- В корпусе 1 вращается рабочее колесо 2 от привода 3.

- При этом залитая в корпус жидкость также вращается и возникает

центробежное поле давлений

- с максимальным давлением на периферии (давление Р5)и минимальным

давлением по оси потока (давление Р4) т.е. создается Р4 tпред;

давления - P < Pпред;

расходы - Q < Qмин (наличие потоков масла и охлаждающей жидкости).

4. Система защиты.

По сигналам «В схему защиты» - отключается действующий насос и включается

резервный.

Материалы к лекции №5

Автоматизация поршневых компрессоров

Вид теоретической индикаторной диаграммы

поршневого компрессора.

[pic]

Рис.3.1.

Схема Пз-регулирования подачи поршневого компрессора

[pic]

Рис.5.1

Схема регулирования подачи поршневого компрессора

путем изменения частоты вращения привода компрессора.

[pic]

ПКУ - поршневая компрессорная установка.

Рис.5.2.

Схема регулирования подачи поршневого компрессора

путем дросселирования потока на линии всасывания.

[pic]

Рис.5.3.

Схема регулирования подачи поршневого компрессора

путем отжима клапанов.

[pic]

Рис.5.4.

Схема регулирования подачи поршневого компрессора

путем перевода компрессора на холостой ход.

[pic]

Рис.5.5.

Схема регулирования подачи 2х-ступенчатого компрессора

с воздействием на ИМ каждой ступени.

[pic]

Рис.6.1.

Схема регулирования подачи 2х-ступенчатого компрессора

с воздействием на ИМ первой ступени.

[pic]

Рис.6.2.

Схема трехступенчатого компрессора.

[pic]

Рис.4.1.

Теоретическая индикаторная диаграмма

трехступенчатого сжатия.

[pic]

Рис.4.2.

Схема регулирования подачи 4х-ступенчатого компрессора с включением

технологического оборудования после 2-ой и 4-ой ступеней.

[pic]

I II III IV - ступени компримирования;

V - линия промежуточного отбора среднего давления Р2 в технологическую

схему;

VI - линия возврата газа из аппарата высокого давления.

Рис.6.3

Схема регулирования подачи 4х-ступенчатого компрессора с подключением

технологического оборудования на входе 1-ой ступени, после 2-ой и 4-ой

ступеней.

[pic]

I II III IV - ступени компримирования;

V - линия промежуточного отбора среднего давления Р2 в технологическую

схему;

VI - линия возврата газа из аппарата высокого давления.

VII - линия возврата газа из аппарата среднего давления.

Рис.6.4.

Структурная схема системы регулирования подачи

4-х ступенчатого компрессора для рис.6.3.

[pic]

Рис. 6.3б

Структурная схема системы регулирования подачи

4-х ступенчатого компрессора для рис.6.4.

[pic]

Рис.6.4б

Типовая схема автоматизации установки

с двухступенчатым поршневым компрессором.

[pic]

Обозначения на схеме:

1-1, 2-1 - цилиндры ступеней 1и 2; 1-2, 2-2 - масловлагоотделители;

1-3, 2-3 - холодильники.

Р - сигнализируемый и контролируемый параметр;

Р - контролируемый параметр.

Рис.7.1.

Типовое решение автоматизации установки

с двухступенчатым поршневым компрессором.

. Показателем эффективности процесса является подача компрессорной

установки.

. Регулирование подачи осуществляется по давлению в линии нагнетания.

1. Регулирование.

. В данной схеме используется метод регулирования подачи по давлению Р в

линии нагнетания на выходе компрессорной установки путем перевода

компрессора на холостой ход в результате открытия запорных клапанов РО1 и

РО2 на линиях байпаса 1 и 2 ступеней компрессора.

2. Контроль.

Контролю в любой компрессорной установке подлежат температура, давление,

уровень, потребляемая мощность.

. Контроль температуры:

- ( температура газа в линии нагнетания;

- ( газа на входе и выходе каждой ступени;

- (п смазки в различных точках подшипников;

- ( воды на входе и выходе холодильников;

- (обм обмоток электропривода.

. Контроль давления:

- Р газа на входе и выходе каждой ступени;

- Р воды на входе в холодильники;

- Р масла в магистрали (система смазки на схеме не показана);

. Давление обладает меньшей инерционностью, чем температура при изменении

технологических режимов, поэтому его используют для сигнализации,

блокировок и защиты.

. Контроль уровня:

- Н конденсата в масловлагоотделителях;

- Н масла в масляных баках (на схеме не показаны);

- Н воды в гидрозатворах и газгольдерах (не показаны).

. Контроль мощности:

- мощность, потребляемая приводом - Nпр ;

- контроль осуществляется измерительным устройством, установленным на

валу привода.

- Nпр определяет экономичность установки.

3. Сигнализация.

Сигнализации подлежат:

. существенные отклонения давления газа в линии нагнетания;

. повышение температуры и давления газа на входе и выходе каждой ступени -

( ^, Р ^;

. повышение температуры подшипников - (п ^;

. повышение температуры обмоток - (обм ^;

. понижение уровня Н ( во всех контролируемых точках;

. понижение давления воды на входе холодильников - Р (;

. понижение давления масла - Рм (;

. перегрузка привода Nпр ^ .

4. Система защиты.

. При существенном отклонении сигнализируемых параметров от заданных

значений ,

. когда в результате срабатывания блокировок и вмешательства обслуживающего

персонала не удается восстановить заданный технологический режим,

отключается действующий привод и включается резервный.

Материалы к лекции №6

Общая характеристика тепловых процессов

Фазовое равновесие теплоносителей.

. Правило фаз:

s=k-f+2

(1),

где s - число степеней свободы данной системы;

f - число фаз системы;

k - число компонентов системы.

. для трехфазной однокомпонентной системы:

s=1-3+2=0.

. для двухфазной однокомпонентной системы:

s=1-2+2=1.

. для однофазной однокомпонентной системы:

s=1-1+2=2.

Фазовые переходы в однокомпонентных системах.

. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса [pic]

(2),

где Р - давление;

r - молярная теплота фазового перехода;

Т - температура фазового перехода (испарения, плавления,

возгонки);

?V - изменение объема 1 моля вещества при переходе его из одной

фазы в другую.

Фазовые переходы в многокомпонентных системах.

. Закон Генри: [pic]

(3),

где mi - молекулярная доля газа в растворе;

? - константа Генри;

pi - парциальное давление газа над жидкостью.

. Закон Рауля: [pic]

(4),

где рА - парциальное давление компонента А в парах;

РА - давление паров чистого компонента А;

[pic] - молекулярная доля этого компонента в растворе.

. Закон распределения: [pic]

(5),

где К - молярный коэффициент распределения;

mCA - концентрация вещества С в жидкости А

в г-моль/л;

mCВ - концентрация вещества С в жидкости B.

Связь основных параметров

теплоносителей в газовой фазе.

. Закон Бойля:

P*V=const при T=const

(1).

. Закон Гей-Люссака:

[pic]

(2а),

или на основании (2а) можно получить при Р=const:

[pic]

(2б),

На основании (1) и (2б) можно также получить:

[pic] при Р=const

(3),

или [pic] при V=const

(4).

На основании (1)и (2) получают также формулу для приведения объема

газа к нормальным условиям:

[pic]

(5),

. Закон Авогадро: в одинаковых объемах газа при одинаковых

температуре и давлении содержится одно и то же количество молекул.

. 1г-мол. любого вещества в газообразном состоянии занимает

22,4л.;

. 1кг-мол. > 22,4 м3 и содержит 6,03*1023 молекул.

. Уравнение Менделеева – Клапейрона.

для 1 г-моля газа:

P*V=R*T

(6)

для n г-молей газа:

P*V = n*R*T

(7)

Если количество газа выражается в граммах:

[pic]

(8)

откуда: [pic]

(9)

или [pic]

(10).

. Закон Дальтона:

[pic]

(11).

. Следствие из законов Дальтона и Бойля:

[pic]

(12),

где рi - парциальное давление компонента в газовой смеси;

vi /Vсм - парциальный объем компонента в единице объема газовой

смеси;

Pсм - общее давление смеси.

Физические параметры и скорости движения теплоносителей.

Удельные теплоемкости.

. Размерности удельных теплоемкостей с:

[pic]; [pic];

[pic].

. Зависимости удельных теплоемкостей от температуры:

o для заданной температуры Т:

c=a1+b1*T+c1*T2

(1),

где a1, b1, c1 - коэффициенты для данного вещества.

o для заданного диапазона температур:

[pic] (2),

где Т1 и Т2 - заданный интервал температур.

. Молярная удельная теплоемкость твердого тела:

[pic]

(3),

где n - число атомов в молекуле.

. Теплоемкости газов:

o cp - при p = const или cv при V=const.

o [pic]

(4),

где М - масса 1моля газа (кг/моль);

R - универсальная газовая постоянная, R=1,985

ккал/((кг/моль)*град).

o Для воздуха : cp=1,4*cv.

Теплота испарения

. Эмпирические формулы для расчета молекулярной теплоты испарения (в

ккал/кг или кал/г):

rисп= 21*Tкип;

(5а)

rисп= Tкип*(9,5*lgTкип-0,007*Ткип);

(5б)

rисп= Tкип(8,75+4,571*lgТкип)

(5в).

. Эмпирическая формула для расчета теплоты испарения rисп2 для

температуры Т2 ,:

[pic]

(6),

где rисп2 - искомая теплота испарения при температуре Т2;

rисп1 - известная теплота испарения при температуре Т1;

к - поправочный коэффициент, k=f(T1,T2,Tкрит).

. Определение теплоты испарения по энтропийным диаграммам:

rисп=iжидк- iгаз

(7),

где iжидк, iгаз - теплосодержание, дж/кг (или ккал/кг).

Плотности для жидких и газовых теплоносителей.

. Эмпирическая формула для определения плотности жидкости ?t при

заданной температуре tср:

?t = ?0-?t*(tср-20?С)

(8),

где ?0 - плотность жидкости при t0=20?С;

?t - температурная поправка на 1?С

. Для чистых жидкостей ?t можно найти по формуле:

[pic]

(9),

где ( - коэффициент объемного расширения жидкости, град-1;

(t=tср-t0 - разность между температурой среды и t=20(C.

. Плотность газов при 0°С и 760 мм рт ст. на основании закона Авогадро:

[pic]

(10)

или

[pic]

(11),

где М – молекулярный вес газа.

. Плотность смеси (см при заданных температуре и давлении:

(см=b1*(1+ b2*(2+… *(n

(12),

где b1… bn - объемные доли компонентов;

(1 (n - плотности компонентов, кг/м3.

Коэффициенты теплопроводности.

. Коэффициент теплопроводности для жидкостей при отсутствии справочных

данных:

[pic]

(13),

где

А=3,58*10-8 - для ассоциированных жидкостей;

А=4,22*10-8 - для неассоциированных жидкостей;

с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг*град);

. - плотность жидкости, кг/м3;

М - молярная масса, кг/кмоль.

. Коэффициент теплопроводности смеси жидкостей:

[pic]

(14),

где а1…аn - массовые доли компонентов в смеси;

(1…(n - коэффициенты теплопроводности компонентов, вт/(м*град).

Вязкость теплоносителей.

. Зависимость вязкости газов (t от температуры:

[pic]

(15),

где (0 - вязкость при 0С;

Т - температура в К(;

С - константа.

. Вязкость газовых смесей (см:

[pic]

(16),

где Мi - молярные массы компонентов смеси, кг/кмоль;

(i - динамические вязкости компонентов, Па*с;

[pic] - объемные доли компонентов в смеси.

. Вязкость смеси неассоциированных жидкостей:

[pic]

(17),

где (i - вязкости компонентов смеси, Па*с;

mi - молярные доли компонентов в смеси, кг/кмоль.

. Вязкость разбавленных суспензий:

[pic]

(18),

где (ж - вязкость чистой жидкости, Па*с;

[pic] - объемная доля твердой фазы в суспензии.

Скорости теплоносителей.

. Средние скорости движения среды:

[pic] (19),

где (линср - средняя линейная скорость, м/с;

(мср - средняя массовая скорость, кг/(м2*с);

Страницы: 1, 2, 3