автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Алгоритмическое и программное обеспечение системы регулирования турбулентности газового потока

.по

о $ ^

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи

Воловик Ольга Альбертовна

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ГАЗОВОГО ПОТОКА

Специальность 05. 13.13 - Вычислительные машины, Комплексы, системы и сети, 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к .т л., д оц ент Л А .Вайн емки с

Москва, 1997

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Вайнейкис Л А.

Официальные оппоненты, доктор технических наук,

профессор Данчеев В.П., доктор технических наук, профессор Лохин В.М,

Ведущая организация - Московский государственный

авиационный институт (технический университет)

Защита состоится "_"__ 1997 г. в_час. „мин.

На заседании Диссертационного совета К 072.05.0 1 в Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) по адресу:

125493, Москва, Кронштадтский бульвар, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан "_"__ 3997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 072,05,01 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи; В различных сферах производственной деятельности, будь то энергетика, металлургий, авиация, космонавтика и т.п., Имею!" место технологические процессы, связанные с турбулентный движением сплошных сред. Ярким примером одного из таких Процессов й, к тому же наиболее широко распрострайенным, является процесс сжигйния топлива в камерах сгорания различных агрегатов. Пульсации давления, возникающие в турбулентных потоках Газовых сред в камерах сгорания, вызывают вибрации оборудования и преждевременный выход из строя рабочих аппаратов, а также приводят к нарушению заданных режимов функционирования, перерасходу топлива и, как следствие, загрязнению окружающей среды. Решение вопроса борьбы с нежелательными пульсациями давления, также как и вопроса повышений эффективности сжигания топлива, напрямую связано с регулированием турбулентности газовых потоков.

Фундаментальной теории турбулентности до сих пор не создано. Турбулентное движение называется хаотическим, беспорядочным и в то же время оно имеет относительно простые характеристики в виде, например, числа РейноЛьдса, довольно четко отражающего многие свойсГва потоков сйлошных сред и этим самым противоречащим утверждению о хаотичности турбулентного движения. В науке и технике широко применятся такое понятие как Масштаб турбулентности (МТ), но принимаемые в расчетах МТ величины берутся довольно произвольно, что не дает возможности применять результаты исследований, полученных на одном агрегате, в решении аналогичных задач на агрегатах других конструкций.

Вопросы борьбы с пульсациями давления 6 турбулентных средах, вызывающими вибрации оборудования, предназна-

ченного Для сжигания топлива, довольнЬ подробно освещены в технической литературе. Решение этих вопросов, как: правило, сводится к предотвраЩейкю пульсаций при подаче -Топлива и окислителей в камеру сгорания, выбору оптимальной формы камеры сгорания у устаноЬкё акустических поглотителей (резонаторов Гельмгольца) и разделительных Перегородок, улучшению распыления тстлйвй и качествй его смешения с окислителем. Но все эти меры предпринимаются исходя не столько йз теории, Сколько нз эмпир^ческйх данных. Поэтому, например, большую часть Двигателей приходился "доводить" конструктивно на испытательном стенде уже после их Изготовления, буквально такие же вопросы стоят и перед теплотехниками, металлургами, но yate применительно 1с процессам сжигания топлива в гореЛках доменных воздухонагревателей, Практически аналогичных по размерам и производительности ясид-котопливныы реактивным двигателям. Поэтому задача1 нахождения универсального Параметра Оценки МТ в потоках сплошных среД, методов его контроля к регулирования при помощи средс+ввычислительной техники является актуальной.

Цель работы, Целью диссертацйонной работы является разработка метода оперативного регулирований турбулентности газовых погокой, а также алгоритмического й программного обеспечения системы, реализующей 3T0t Метод в управлении технологическим Процессом сжигания Топлива в камфах сгорания доменных воздухонагрейателей.

Предмегг исследования. Предметом исследования служат потоки сплошных ср£д.

Задачи Исследования. Для достижения поставленной Цели Необходимо решить,в частности, следующие задачи:

1) создать математическую и физическую модели турбулентного потока газовыч сред., поступающего в камеру сгорания;

2) выявить показатель, адекватно отражающий масштаб турбулентности ;

3) разработать алгоритм, позволяющий оценить величину масштаба турбулентности по вышеупомянутому параметру;

4) разработать Механизм эффективного регулирования МТ потока газовых сред;

5) разработать алгоритм регулирования МТ газовых потоков При помощи средств микропроцессорной Техники;

6) разработать систему регулирования турбулентности газовых потоков в камерах сгорания доменных воздухонагревателей.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы элементы теорий поля, законы теоретической физики (гидродинамики), теория автоматического регулирования и управления, теория цифровой фильтрации и ортогональных Преобразований дискретных сигналов^ Исследование эффективности разработанных алгоритмов осуществлялось путем Проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ,

Научная новизна результатов. Научная нойизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

!) дана трактовка понятия турбулентности, отличающаяся от общепринятой тем, что турбулентное движение считается не беспорядочным, хаотичным, а наоборот, строго упорядоченным И практически полностью поддающимся контролю;

2) найден параметр, адекватно характеризующий стеНеНь турбулентности потока;

3) разработан алгоритм вычисления показателя МТ;

4) разработан способ формирования потоков с заданным масштабом турбулентности;

5) сформулирована и решена задача осуществления оперативного регулирования турбулентности газовых Потоков в

крупных гор елочных устройствах.

1) физико-математическая модель турбулентного газового потокй;

2) адекватная характеристика МТ;

3) метод определения МТ, применение результатов анализа МТ в управлении турбулентным потоком;

4) способы и средства формирования йотокой с заданным масштабом турбулентности;

5} структура, алгоритмическое и программное обеспечение системы регулирования! турбулентности в газовых потоках.

Практическая ценность работы. Положения разработанного йодхода к исследованию параметров турбулентности' дак>т возможность построения аппарата количественной и качественной оценки МТ реальных потоков сплошных сред. Предложенный комплекс программных и аппаратных средств, обеспечивает оперативное регулирование турбулентности потока с целью поддержания оптимааького режима Протекания технологического процесса. Применение разработанной системы позволяет увеличить эффективность сжигания топлива (мощность камер сгорания повышается в 1,5 - 2,0 раза при снижении удельного расхода топлива на 5 - 10%) и избежать нежелательных пульсаций давления газовых сред и , следовательно, разрушительной вибрации оборудования.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе Московского государственного технического университета гражданской авиации (МГТУ ГА) в курсе лабораторных работ по Дисциплине "Микропроцессорные системы", а также в НИР и ОКР фирмы "Резонант". Разработанная система регулирования турбулентности в газовых потоках внедрена на горелочных устройствах крупных промышленных теплотехнических arpera-

тов Череповецкого (ЧерМК) и Орского (ОХМК) Металлургических комбинатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Наука и техника ГА на современном этапе." Москва, МГТУ ГА, 1994, на заседании кафедры Вычислительных машин, комплексов систем и сетей МГТУ ГА, на заседании кафедры Проблем управления МИРЭА.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 6 печатных работах, 5 из них - патен!ы На изобретение.

Объем и структура диссертации, Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 77 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 175 страниц, включая 28 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяется предмет исследования, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В главе 1 дается краткий обзор современного состояния вопроса, проведен анализ основных свойств турбулентных потоков, а также существующих на данный момент способов расчета течений и используемых на практике методов подавления нежелательных пульсаций давления, возникающих при турбулентном движении потоков сплошных сред, сформулированы задачи исследования.

Гидродинамические характеристики потоков сплошных сред (в частности турбулентных потоков) имеют непосредственное отношение к процессам сжигания топлива в горелоч-ных устройствах, в том числе в камерах сгорания жидкотоплив-

ных реактивных двигателей (ЖРД). Развитие гидродинамики происходит в непрерывной связи с экспериментом. Уравнения гидродинамики нелинейны и решения их возможны лишь в сравнительно редких случаях. Универсального метода расчета турбулентных течений пока не существует. Однако известно, что формирование на входе потока заданного профиля скорости и мелкомасштабной турбулентности заметно влияет на пулЬ-сационные характеристики всего потока и интенсивность процессов переноса. Это открывает широкие возможности эффективного управления течением при помощи устройств, формирующих потоки с заданным масштабом турбулентности.

В главе рассмотрены особенности, учитываемые при конструировании и эксплуатации ЖРД и воздухонагревателей доменных печей, тесно связанные с вопросами турбулентного движения. Процессы, происходящие в камерах сгорания ЖРД, по своей сути аналогичны процессам в камерах сгорания промышленных воздухонагревателей и имеют под собой общий теоретический базис. Общими для всех типов неустойчивости горения являются колебания давления в камере сгорания. Низкочастотным пульсациям соответствуют большие амплитуды, они вызывают наиболее разрушительные вибрации конструкций и значительно снижают полноту сгорания топлива. По своему влиянию на низкочастотную устойчивость горения оснащение форсуночной головки ЖРД противопульсационны-ми перегородками можно отнести к категории наиболее эффективных методов подавления колебаний,применяемых при изготовлении ЖРД. Для воздухонагревателей аналогом таких перегородок можно считать применяемые пластинчатые рассекатели. Однако и противопульсационные перегородки в ЖРД и Пластинчатые рассекатели в доменных воздухонагревателях представляют собой жесткие конструкции, с постоянными геометрическими размерами. Следовательно, они не могут быть

перенесены с одного агрегата на другой, если имеются хотя бы небольшие отличия в строении или в работе этих тепловых агрегатов. Кроме того, нет критерия выбора оптимальной конструкции таких устройств, конструкция подбирается индивидуально для каждого агрегата в ходе длительных экспериментов.

Причиной наиболее сильных вибраций оборудования в горелочных устройствах доменных воздухонагревателей являются возникающие в них пульсации давления с частотами 3*8 Гц. Это объясняется тем, что в среде конечного объема могут происходить свободные колебания лишь с вполне определенными частотами, соответствующими собственным частотам среды в данном объеме. При возбуждении колебаний с такими частотами в системе может наблюдаться явление резонанса. К гидродинамическим особенностям газовых потоков в воздухонагревателях относятся такие факторы как наличие двух газовых сред, сливающихся в общий поток в форкамере, воспламенение газовой смеси в камере сгорания, усиливающее амплитуды пульсаций давления в газовом потоке. Именно в камере сгорания и порождаются наиболее сильные колебания давления'с низкими частотами. Поскольку эти колебания распространяются из камеры сгорания со скоростью звука в трубопроводы, подводящие к горелке газ л воздух, то они, конечно, влияют и на равномерность поступления в горелку газа и воздуха.

В качестве средства регулирования турбулентных характеристик газового потока для подавления низкочастотных пульсаций целесообразно использовать устройство, разделяющее и переформирующее общий поток газов, поступающих в камеру сгорания,в отдельные струи меньших диаметров. Кроме того, применение такого устройства позволит повысить качество смешения потоков топлива И окислителя за счет увеличения поверхности их соприкосновения. Конструкция И место расположения такого противопульсационного устройства (ПУ)

Должны определяться в соответствии с теоретическими и экспериментальными сведениями, накопленными при изучении турбулентности и, кроме того, должны быть обоснованы с точки зрения практического применения. Так как лимитирующим звеном в потоке газовых сред в воздухонагревателе является участок форкамеры, т.е. участок, на котором происходит смешение двух потоков, то оптимальным местом установки ПУ яв-Ляе1хя выходной участок воздушного сопла (рис. 1). В ходе экспериментов, проведенных йри выполнении диссертационной работы, было установлено, что оптимальная длина канала, образованного ПУ, должна превышать величину его диаметра не менее чем в 5 раз, кроме того, установлен факт существования оптимального значения гидравлического диаметра ячеек ПУ, Цри котором обеспечивается наиболее высокая степень подавления низкочастотных колебаний давления, а следовательно, и вибраций оборудования.

На основе анализа пред ставленных в первой главе теоретических и практических сведений сформулированы следующие задачи, решаемые в диссертационной работе*.

1) разработать модель турбулентного потока газовых сред, отражающую его пульсационные свойства;

2) провести анализ разработанной модели с целью выявления показателя, адекватно отражающего масштаб турбулентности;

3) разработать алгоритм, позволяющий оценить величину масштаба турбулентности по вышеупомянутому параметру;

4) разработать механизм эффективного регулирования масштаба турбулентности потока газовых сред;

5) разработать алгоритм регулирования масштаба турбулентности газового потока при помощи средств микропроцессорной техники;

Рис. 1. Схема горелочного устройства воздухонагревателя

6) разработать систему регулирования турбулентности газового потока в горелочном устройстве доменного воздухонагревателя с учетом технологических особенностей; целью регулирования является обеспечение минимального значения амплитуды пульсаций давления в частотном диапазоне 3-8 Гц.

В главе 2 разрабатывается физико-математическая модель турбулентного потока в горелочном устройстве доменного воздухонагревателя, производится расчет ее параметров. На основе описанной модели разрабатывается механизм регулирования турбулентности газового потока в форкамере воздухонагревателя.

Механизм турбулентности,даже не осложненной горением, всегда сопровождающимся большим энерговыделением и приводящим к изменению скорости газа, до настоящего времени еще не достаточно ясен. Разработка строгой теории, учиты-

вающей все clopoHbi процесса, сопровождается трудностями При построении замкнутых уравнений турбуленТнёго перейоса, Попытки строгого математического решения задали и связанные с нймй допущения Приводили пока к решениям, выражаемым через Ьейичины, не Поддающиеся прямому измерению. В таких условиях естественным и наиболее плодотворным оказывается рассмотрение физической модели, созданной при разумных упрощениях, удовлетворяющей лишь одйоМу усЛовйю -Должно бы-ri сохранено минимальное чйсло самых характерных особенностей явления.

Основные Положения теории турбулентности позволили составить довольно близкую к опытным данным физическую модель турбулентных потоков сплошных фед, где поток представляется в виде квазиупорядоЧенной совокупности вихрей различных масштабов. В пространстве вихря большего мас-щтаба Mdryt существовать несколько более мелких вихрей. При Движений жидкости или газа, например, по трубе вихри стремятся выстроиться tío спирштй. Понятию степени турбулентности потока можно поставить в соответствие количество вихрей, приходящееся на единицу объема, а понятию интегрального Масштаба турбулентности - максимальный размер вихрей. Кроме того, важной характеристикой турбулентной структура является 4aCTOía пульсаций скорости в потоке (следовательно, и давления), выбранная по максимальному значению функции распределения кинетической энергии йульсаций по частотам. МожнЬ заметить простую связь между частотой пульсаций и масштабом турбулентности. При движении крупномасштабного ¿ихря мимо неподвйжйого датчика Частотомера будет заре-гисТрироВайо большее время прохождения, чем при движении мелкомасштабного вихря. Отскзда следует общая закономерность - большим по размеру вихрям соответствует меньшая частота и наоборот, меньшим - более высокая частота. Таким об-

разом, при исследований процессов сжигания газообразных топлив в качестве однозначнЬ толкуемого показателя Масштаба турбулентности в потоках может бы!ъ принят диаметр вихрей, образующихся в каналах. Последний, в свою очередь, может быть определен при постоянной среднерасхйдной скорости прямым измерением амплитуды и частоты пульсаций давления в потоке, что и подтвердили проведенныеэксйерйменты.

Исходя из сказанного, подавление пульсаций нижнего опасного диапазона частот наиболее естественно может быть достигнуто Путем установки в трубе подвйжногй стабилизатора, например, аналогичного применяемым ранее пластинчатым рассекателям, но с подвижными перегородками. Имея такое противопульсационное устройство, следует изменять положение его перегородок, не прерывая процесса горения, и искать такое их положение, при котором развивались бы колебания наиболее желательной амплитуды и частоты.

Полученная зависимость максимального размера вихрей На выходе из форкамеры от величины гидравлического диаметра ячеек ПУ носит экстремальней характер и определяется большим числом параметров, но главным образом,скоростью: = ^ + аЦу^у/1ф, 1ф- 0, <1ф

4г = 4/. 0, 4,+ !р< (1)

_«/, = (1Ф, Ь + а{1Ф - Р</:/)71Ф> <1ф .

где </, - максимальный диаметр вихрей на выходе из форкамеры;

- гидравлический диаметр ячеек ПУ; !ф - соответственно диаметр и длина форкамеры; а й (5 - эмпирйчёские коэффициенты, зависящие от большого числа параметров, причем а~1/£/, Р~6Т. На значения коэффициентов также оказывает заметное влияние параметр спутности т = Ц/ие( где Иви Ц -скорости потоков воздуха И газа соответственно), что подтверждено рядом экспериментов. С приближением спутности струй к едини-

це интенсивность нарастания размеров вихрей и коэффициент перемешивания заметно уменьшаются. При соотношении расходов газа и воздуха 0,85 и средней скорости и= 38,9 м/с значения вышеназванных коэффициентов составляют: а-1/4.42, Р= 12.3«

В то время как минимальная частота пульсаций давления в камере сгорания однозначно определяется средней скоростью движения потока и размером вихрей на выходе из форкамеры, амплитуда пульсаций зависит от гораздо большего числа параметров.

Зависимость оптимального значения диаметра ячейки от большого количества эмпирических констант делает практически невозможным создание единой универсальной формулы. Таким образом, для упрощения и повышения точности регулирования в настоящей работе предлагается осуществлять регулирование масштаба турбулентности газовых потоков путем регистрации пульсаций давления с помощью датчика и микропроцессорного устройства (контроллера), анализа полученного амплитудного спектра и соответствующего изменения диаметра ячеек ПУ. Причем, основная информация о характере газовоздушного потока, как отмечалось выше, заключена в амплитудах частотных составляющих 3-8 Гц, и конечной целью регулирования должно являться обеспечение по возможности минимального значения этих амплитуд.

В главе 3 проводится анализ объекта регулирования, выбор принципа регулирования, разработка алгоритма регулирования и метода обработки входного сигнала.

Пульсации давления в горелочном устройстве на значительном промежутке времени представляют собой квазипериодический процесс, который характеризуется дискретным спектром частот, лежащих в пределах (для доменных воздухонагревателей) от 3 до 40 Герц. Из них наибольшую опасность пред-

ставляют частоты из диапазона 3-8 Гц, которым соответствуют наибольшие амплитуды колебаний давления газов. Пульсации давления газов с частотой выше 12 Гц, наоборот, улучшают полноту сгорания топлива, а вызываемые ими вибрации (если амплитуда таких пульсацйй не превосходит некоторое критическое значение) не оказывают существенного негативного влияния на оборудование и элементы конструкции газобых трактов.

Можно выделить Несколько основных факторов, вызывающих возмущение турбулентных характеристик Потока, а следовательно, и изменения соответствующих ему спектров частот и амплитуд пульсаций давления. Почти Все они связапы с действиями оператора доменной установки. К таким факторам можно отнести изменения расхода газа, соотношения расходов газа и воздуха, калорийности газа и т.п. Многие из этих изменений сопряжены с изменениями в работе некоторых узлов горелки (например, скорость вращения вентилятора, угол открытия жалюзийной решетки), которые сами По себе также оказывают ощутимое турбулизирующее воздействие на поток. Влияние всех этих факторов точно описать с помощью математических зависимостей достаточно сложно. Периодичность изменений каждого из вышеназванных параметров велика. То есть промежуток времени между двумя соседними моментами, соответствующими существенным изменениям того или иного параметра, может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Пульсации с частотами из определенного диапазона частотного спектра вызываются вполне конкретными факторами. Частота максимальных по амплитуде пульсаций давления в турбулентном потоке перед входом в камеру горения составляет При нормальном режиме работы горелки окбло 40 Гц. Пульсации давления с частотами 3-8 Гц порождаются В камере сгорания. На основе анализа амплитуд пульсаций с частотами, значения которых лежат в пределах вышеназванного диапазона,

можно сделать некоторые выводы о причинах происходящих изменений в газовоздушном тракте горелки* Для обеспечения минимального возрастания пульсаций при изменении условий работы горелок необходимо изменять масштаб турбулентности струй, формируемых ПУ, путем соответствующего изменения гидравлических диаметров ячеек ПУ.

Динамическая модель влияния положения перегородок ПУ на пульсационные свойства потока в упрощенном виде может быть представлена как последовательное Соединение двух звеньев: звена суммарного транспортного запаздывания е **р и нелинейного звена. Причем длительность переходного процесса, возникающего при изменении какого-либо параметра, очень незначительна по сравнению с временными характеристиками технологического процесса в целом и составляет « 0,11с.

Роль регулирующего органа в системе регулирования турбулентности играет упоминавшееся выше противопульсаци-онное устройство. Изменение положений перегородок в ПУ приводит к изменению размеров вихрей в газовоздушной смеси, поступающей в камеру сгорания, что вызывает изменение в спектре амплитуд пульсаций давления. В реальных условиях на систему действуют различные возмущения: колебания напора и соотношения скоростей газа и воздуха, изменения температуры (например, на начальном этапе нагрева) и тд. Среди всех возмущений можно выделить такие, которые всегда вызовут заметные изменения в структуре газовоздушного потока без изменения положения перегородок в противопульсационном устройстве. Поэтому суждение о масштабе турбулентности потока газовоздушной смеси, поступающего в камеру сгорания, только по величине диаметра ячеек противопульсационного устройства может привести к большим ошибкам. В Связи с этим целесообразно организовать работу системы регулирования турбулентности по замкнутому циклу. В этом случае, благода-

ря наличию обратной связи, реализуется возможность получения информации о результатах регулирования и возможность использования полученного результата для исправления процесса управления и Приближения его к заданному закону.

В системе регулирования турбулентности газовоздушного потока реализован принцип экстремального регулирования. В системах такого типа чаще всего невозможно автоматически определить причину изменений характеристик объекта, и здесь целесообразно применение алгоритма, который предусматривает поиск оптимального режима путем анализа изменения регулируемой величины при последовательном изменении положения регулирующего механизма.

Объектом регулирования, как было сказано выше, является газовоздушный поток в форкамере горелочного устройства воздухонагревателя. Масштаб турбулентности потока, или, что го же самое, максимальный размер вихрей, образующихся в форкамере, и в которых сосредоточена наибольшая часть всей кинетической энергии потока, является в данном случае регулируемой величиной. Параметром, позволяющим адекватно оценить регулируемую величину, является частота пульсаций давления в потоке, выбранная по максимальному значению амплитуды. Таким образом, спекзральный анализ является неотъемлемой частью рассматриваемого здесь процесса регулирования.

Длительность всего цикла регулирования составляет » 1,6 с. Из них 1 с - ввод отсчетов входного сигнала, 0,5 с занимает процедура обработки сигнала, 0,1 с - задержка на время переходного процесса в объекте регулирования.

Можно условно выделить два основных режима работы системы: нестационарный (начальный) и квазистационарный, В свою очередь квазистационарный участок содержит стационарные участки (когда не вырабатывается никаких регулирующих

воздействий) и нестационарные (когда состояние системы заметно меняется в связи с выработкой регулирующих воздействий). В качестве показателя качества регулирования выбраны две величины: частота пульсаций из интервала 3+14 Гц, которой соответствует максимальная амплитуда, а также суммарная мощность гармоник с 3 по 14.

Метод обработки входного сигнала, необходимый для реализации разработанного алгоритма регулирования, по своей сути аналогичен цифровому полосовому фильтру и включает в себя дискретизацию и быстрое преобразование Фурье входного сигнала. В разработанной в данной диссертационной работе системе спектр сигнала от датчика пульсаций давления содержит частотные составляющие до 100 Гц, суммарное влияние которых может внести нежелательные искажения в результаты обработки сигнала. Вклад же частот свыше 100 Гц очень незначителен и в процессе решения поставленной задачи управления ими можно пренебречь. С учетом этого частота дискретизации выбрана Гцискр > 2* 100 Гц. Для удобства дальнейшей обработки было решено принять частоту дискретизации входного сигнала отдатчика пульсаций давления равной 256Гц.

В главе 4 разрабатываются структурная схема системы, алгоритм функционирования системы и производится анализ и выбор всех структурных элементов системы.

Система регулирования турбулентности газового потока в форкамере воздухонагревателя включает в себя объект регулирования - газовый поток в форкамере воздухонагревателя, датчик пульсаций давления, контроллер и исполнительное устройство. Контроллер содержит блок микроЭВМ, а также блоки АЦП и ЦАП. Основу контроллера составляет однокристальная микроЭВМ 1816ВЕ51. Управляющая программа занимает * 1 Кбайт постоянной памяти. Текст управляющей про-

граммы в системе команд ОМЭВМ 18 16ВЁ51 написан на языке ассемблера АСМ51.

Исполнительное устройство представляет собой про*й-воггульсационное устройство в совокупности с приводным механизмом - шаговым двигателем, конструкция которого разработана в данной диссертационной работе.

На основе проведенного анализа звеньев системы как непрерывных, так и дискретных, разработан аппаратно-программный комплекс, внедренный на горелочных устройствах крупных промышленных тепло*ехНическиХ агрегатов Череповецкого (ЧерМК) и Орского (ОХМК) металлургических комбинатов.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В приложении 1 приведен листинг управляющей программы.

В приложении 2 представлены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате изучения и анализа свойств турбулентности в рамках настоящей диссертационной работы предложено рассматривать турбулентный поток как упорядоченную совокупность вихрей различной величины. Основная энергия турбулентных пульсаций заключена в вихрях большего Масштаба,

2. В качестве показателей, адекватно отражающих масштаб турбулентности, можно использовать частоты и амплитуды пульсаций давления, которые однозначно определяются размерами вихрей и среднерасходной скоростью;

3. Разработано противопульсационное устройство, используемое в качестве исполнительного механизма Для эффек-

тивного оперативного регулирования масштаба турбулентности потока газовых сред. Разработана математическая модель, выражайщйя зависимость масштаба турбулентности потока от величины ячеек протйвопульсационного устройства, установленного на входе потока.

4. Разработан алгоритм регулирования typбулентности газового потока при помощй средств Микропроцессорной техники, который обеспечивает такое функционирование системы, чтобы амплитуды Пульсаций давлений газовых сред, соответствующие нижнему диапазону частот, принимали минимальное значение (возможное при текущих технологйческйх Параметрах процесса горения) за с*Чет уменьшения pä3MepoB вихрей, образующихся в форкймере. Oh йклЮчает в себя дискретизацию сигнала с датчика пульсаций давления, разложение его в ряд Фурье, анализ полученного амплитудного спектра и выработку соответствующего управляющего ¡воздействия. Регулирующим органом является протНвопульсационное устройство.

5. Определены требования в целом к системе регулирования турбулентности в газовых Потоках, обусловленные особенностями доменного производства*

6. Разработаны структура, алгоритмическое и Программное обеспечение системы регулирования турбулентности В газовых потоках. Предложенный комплекс программных и аппаратных средств обеспечивает регулирование турбулентности потока с целью поддержания оптимального режима протекания технологического процесса, а также Позволяет проводить визуальное наблюдение за турбулентными характеристиками потока. Кроме того, обеспечивается возможность изменения ряда Настроек системы оператором.

7. Применение разработанной системы позволяет увеличить эффективность сжигания топлива (мощность камер сгора-

ния повышается в <,5 <■ 2,0 |>йза прк снижении уДелЫ^ого расхода топлива на 5 - 10%) и избежать нежелательных ПуЛьсйций давления тазовых сред, а следовательно, разрушительной виб-рацйи оборудований.

8. Разработанная сйстеМй регулирования турбулентности в газовых Потоках внедрена на гор елочных устройствах КруЛ-ных промышленных теплотехнических агрегатов Череповецкого (ЧерМК) и Орского (ОХМК) металлургических комбинатов.

9. Подобные системы мбгуГ бЫть Использобайы Прй автоматизации различных технологических процессов, таких как плавление металлов в доменной печи, переработка тйердых бытовых и промышленных отходов и др.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Воловик О .А. Система контроля и управления технологическими параметрами на основе ОМЭВМ 1816 ВЕ51.

// В сб. Наука и техника ГА На современном этапе. ТеЗ. докл. Междунар. научно-технич.конф., Москва, МГТУ ГА, 19^4

2. ВоловикА., Воловик О.,Горбунов В., ДолгоноеоваИ., Климов О., Кюшвайгер X. Способ сжйгания газообразного топлива с регулированием масштаба турбулентности Потока

г азовоздушной смеси, поступающей в камеру горения, // Патент на изобретения № 96 103170/06(005254)

3. Воловик А., Воловик О., Горбунов В., Долгоноеова И., Климов О., Кюшвайгер X. Горелочное устройство для сжигания газообразного Топлива с регулируемым масштабом турбулентности потока газовоздушной смеси,поступающей в камеру горения. // Патент на изобретения к> 96103 115/06(005238)

4. ВоловикА., Воловик О., Долгоноеова И. Способ кар-ботершического восстановления окислов алюминия в высоко-

температурной доменной ПеЧи й устройство для его осуществлений . II Патент на Изобретений № 95122501/02(03883$)

5. Воловик А., Воловик О., ДоЛгоносова Й. Способ переработки Твердых бытовых и промышленных отходов И устройство для его осуществления. // Патент на изобретение №95122509/02(038849)

6.Ьоловик А., ВолОвик О., ДоЛгоНосова Й. Устройство Для восстановления окислов Металлов углеродом и Плавления металлов в доменной печи. II Патент на изобретение

№ 95122530/02(038840)

Соискатель

Воловик О А.