автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя

На правах рукописи

ёаАдСьеНс^

Барбасова Татьяна Александровна

АВТОМАТИЗАЦИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ПАРОВОДЯНОГО СТРУЙНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами к производствами (промышленность)

диссертация ва соискание ученой степени пядида» щишческюс наук

Челябинск 2004

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Казаринов Лев Сергеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юсупов Рамазан Хабибрахманович; кандидат технических наук, доцент Агапитов Евгений Борисович

Ведущее предприятие - ОАО "Уральский теплотехнический научно-исследовательский институт"(УралВТИ), г. Челябинск.

Защита состоится 16 июня 2004 года, в 16.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.298.03 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, т. Челябинск» пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд 705/36 ЮУрГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Автореферат разослан **_**_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к. т. н., доц.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пароводяные струйные подогреватели (ПСП) в настоящее время используются в теплофикационных системах в связи с развитием энергосберегающих работ. ПСП с успехом заменяют традиционные теплообменники, при этом они дешевле и проще в эксплуатации. Они используются для теплоснабжения цехов и горячего водоснабжения жилого фонда.

Преимущества применения ПСП в сравнении с традиционными теплообменниками следующие.

1. Экономия пространства

ПСП является смесительным теплообменником, в котором отсутствуют промежуточные теплообменные поверхности и тепло передается при непосредственном контакте пара и воды. Поэтому он обладает более высоким коэффициентом теплопередачи и имеет меньшие размеры. За счет этого образуется экономия пространства при строительных и монтажных работах.

2. Уменьшение расхода пара

В ПСП принципиально исключено явление пролетного пара, характерное для поверхностных подогревателей. Более того, тепло, содержащееся в паре, используется в ПСП на 100%.

3. Сокращение потерь тепла

Благодаря малым габаритам ПСП можно существенно уменьшить потери тепла с наружной поверхности подогревателя и тем самым увеличить тепловой КПД.

4. Высокая надежность

В конструкции аппарата нет тонкостенных трубок.

5. Высокая ремонтопригодность

ПСП имеет малое число сменных деталей, причем любая из них может быть достаточно просто изготовлена.

6. Простота технического обслуживания

Ввиду отсутствия в ПСП теплообменной поверхности, отсутствует необходимость химической промывки трубного пучка от накипных отложений.

7. Простота эксплуатации

ПСП запускается не сложнее, чем традиционный теплообменник, при этом мало инерционен и быстро выходит на рабочий режим.

8. Возможность утилизировать отработанный пар

В ПСП исключается сброс отработанного пара в атмосферу, тем самым улучшаются экологические показатели.

Данные положительные свойства ПСП обуславливают то, что внедрение их в теплофикационные системы является одним из рекомендуемых мероприятий, выполняемых в рамках программ энергосбережения, как на региональном, так и федеральном уровнях.

Однако прямое преобразование пара в воду обладает также рядом существенных недостатков. Опытное применение ПСП в системе теплофикации на промышленной площадке ОАО "ММК" (Магнитогорский металлургический

1 рос. национальная) БИБЛИОТЕКА 1

комбинат) показали, что режимы работы их неустойчивы. При изменении параметров пара возникают возмущающие воздействия, гидравлические удары, которые могут нарушить работу системы.

Из сказанного следует, что задача автоматизации регулирования режимов ПСП является актуальной. Данная задача является нетривиальной, так как динамика процессов регулирования происходит в двухфазной среде пар-вода, где возможны автоколебания, ударные волны и другие условия, затрудняющих управление режимами. Процессы, протекающие в ПСП, являются недостаточно изученными и требуют проведения специальных исследований.

В этих условиях возникает важная научно-техническая задача автоматизации управления режимов ПСП. Исследованием режимов струйных аппаратов, занимались достаточно давно зарубежные и отечественные авторы: Ренкин М, Цейнер Г, Фисенко В.В., Соколов ЕЯ., Зингер Н.М., Дейч М.Е., Филиппов ГЛ. и др. Вопросы автоматики освещены в работах А.И. Белевича, А.В. Крупцева, В.А. Малафеева и др. Однако в этих работах не исследована динамика режимов регулирования, известные примеры использования автоматики носят чисто аппаратурный характер для узкого класса паровых инжекторов, детальное исследование динамики процессов регулирования не проводилось.

Рассматриваемая задача в литературе не освещена, что и определяет актуальность данной работы.

Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является автоматизация регулирования режимов ПСП. Для достижения указанной цели решались следующие задачи исследовательского, методического и прикладного характера,

1. Разработка имитационной модели процесса регулирования режимов ПСП на основе экспериментальных и теоретических исследований.

2. Разработка методики оптимизации параметров ПСП на основе имитационных и натурных экспериментов.

3. Разработка способов автоматического регулирования режимов ПСП.

4. Внедрение разработанной автоматической системы регулирования режимов ПСП на опытной промышленной установке в теплофикационной системе ОАО "ММК", г. Магнитогорск.

Связь диссертации с федеральными и региональными программами. Диссертационное исследование выполнялось ,в соответствии с "Законом Российской Федерации об энергосбережении №28-ФЗ от 03.04.96", "Законом Челябинской области об энергосбережении и повышении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов Челябинской области №12-ОЗ от 02.02.96", в рамках федеральной целевой Программы "Энергосбережение России на 1998-2005 годы" (утверждена постановлением правительства Российской Федерации №80 от 24.01.98), "Программы энергосбережения Челябинской области до 2005 года" (утверждена постановлением Губернатора Челябинской области №582 от 11.12.98).

Объект исследования: Система автоматического регулирования ПСП теплофикационных систем.

Предмет исследования: Динамика процессов и вопросы автоматизации регулирования режимов ПСП теплофикационных систем.

Методология и методика исследования. Теоретической и методологической основой исследования служили труды отечественных и зарубежных ученых по автоматизации систем теплоснабжения и струйным аппаратам.

В работе использовались методы теории автоматического регулирования, теории гидравлических систем и систем теплоснабжения.

Источником экспериментальных данных явились результаты натурных испытаний автоматической системы регулирования режимами ПСП в системе теплоснабжения объектов ОАО "ММК", г. Магнитогорск.

Научная новизна диссертационной работы. В ходе исследования получены следующие результаты.

1. Построена новая имитационная модель процессов автоматического регулирования режимов ПСП, отражающая процессы возникновения автоколебаний и ударных воздействия в двухфазной среде пар-вода.

2. Разработана новая методика оптимизации геометрических параметров ПСП на основе имитационных и натурных экспериментов.

Практическое значение. В рамках диссертационной работы разработана система автоматического регулирования режимов ПСП, на основе которой создана экспериментальная установка автоматизации ПСП. Разработан проект автоматизации пароструйного подогревателя и на его основе осуществлено внедрение автоматизированного ПСП в паросиловом цехе ОАО "ММК". Применение системы автоматизации позволило:

1) устранить ударные воздействия и автоколебания в ПСП;

2) обеспечить заданную регулировочную характеристику;

3) в широком диапазоне изменения параметров обеспечить необходимую точность регулирования режимов ПСП в пределах ±0,5 °С.

В настоящее время составлен перспективный план внедрения автоматизированных ПСП в других цехах ОАО "ММК". Автоматизированные ПСП могут быть рекомендованы к внедрению и на других металлургических предприятиях.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на XXXII Уральском семинаре по механике и процессам управления, г. Миасс, 24 декабря 2002г.; на девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", г. Москва, 4-5 марта 2003г.

На защиту выносятся;

1) имитационная модель процесса регулирования режимов ПСП;

2) метод оптимизации параметров ПСП.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблемы обеспечения устойчивости и управляемости режимов пароструйного подогревателя К струйным аппаратам относятся устройства, в которых осуществляется процесс инжекции, заключающийся в передаче кинетической энергии одного потока другому путем непосредственного смешения."'

Струйные аппараты, в которых полностью изменяется агрегатное состояние одного из взаимодействующих потоков, причем рабочей средой является жидкость, а инжектируемой средой является пар, носят название пароводяные струйные подогреватели (ПСП).

В смешивающем струйном подогревателе можно выделить следующие элементы: активное (рабочее) сопло, камеру смешения, диффузор, входной участок камера смешения для пропуска пассивного потока, выполненный в виде конфузора. Рабочее коническое сопло установлено соосно (по центру) с камерой смешения

Обобщенная схема ПСП представлена на рис. 1.

[ Инжектируемые 1 поток (пар) Р..иО,ь<в.

Рис. 1. Схема пароводяного струйного подогревателя

Процесс в ПСП с цилиндрической камерой смешения можно схематически представить следующим образом. Струя инжектируемого пара, при достаточной разности температур, конденсируется в рабочей жидкости до поступления в камеру смешения, повышая температуру воды и сообщая ей дополнительную скорость. При поступлении смеси в камеру смешения ограниченного сечения скорость смеси возрастает, а давление ее соответственно снижается.

После выравнивания полей давления и скоростей смешанный поток, обладающий еще большей скоростью, подается в диффузор, где происходит

преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления.

Основным геометрическим параметром ПСП является расстояние среза сопла от камеры смешения Ц. При небольших значениях 1,; сечение для прохождения пара уменьшается, скорость течения пара увеличивается, поверхность для конденсации пара на струе воды минимальная. При увеличении расстояния среза сопла от камеры смешения происходит вскипание воды. Поэтому важно правильно выбрать данный параметр для стабильной работы

Устойчивость работы ПСП зависит от устойчивости поведения струи воды, исходящей из сужающегося сопла, на которой происходит процесс полной или частичной конденсации инжектируемого пара.

Схема струи представлена на рис. 2. Так при росте угла эжекции (аэ) снижается эффективная поверхность конденсации Б» пар не успевает конденсироваться, давление пара растет. При определенном давлении пара уменьшается угол эжекции струи. Вследствие инерции струи воды, угол эжекции будет увеличиваться, что приводит к колебаниям струи воды.

Необходимо соблюдать рабочий режим ПСП, при котором происходит максимальная конденсация пара на струе воды с минимальными колебаниями. Вскипание воды в ПСП при Р,—>оо является критическим режимом работы, при котором возникают значительные возмущающие воздействия которые

приводят к разрушению струи. Одним из способов устранения возмущающих воздействий является охлаждение инжектируемого пара водой в блоке предварительного смешения перед ПСП'. П рРг-у>г о л э ж е и

эффективная поверхность конденсации минимальна. Вследствие этого растет давление пара, что приводит к возникновению возмущающих воздействии. Захлебывание ПСП, при данной конструкции аппарата, не приводит к срыву его работы и является пусковым режимом работы.

ПСП.

Рис. 2. Схема распространения струи в спутном потоке

1 Недугов А.Ф.» Куркулов М.А. Никифоров Г.В, Седельников СВ., Шевченко Г.В Патент на способ подачи пара в водяную магистраль и устройство для его осуществления № 2198323, 2106 2000г

Демпфировать колебания струи воды возможно изменением угла конфузора Рэ, поэтому необходимо выбирать данный параметр исходя из стабильной работы ПСП.

Работа ПСП чувствительна к изменению параметров инжектируемого, рабочего и смешенного потоков. Поэтому необходимо исследовать влияние его параметров для обеспечения устойчивости и управляемо, ги режимов работы ПСП.

При использовании ПСП для нужд теплоснабжения необходимо учесть следующее. При повышении (понижении) температуры наружного воздуха требуемая температура сетевой воды должна снижаться (повышаться) согласно температурному графику. А это означает, что расход пара подогревателя должен уменьшаться (увеличиваться). Поэтому необходимо управлять режимами ПСП для эффективного использования в системе теплофикации.

Имитационная модель процессов регулирования режимов пароструйного подогревателя

Имитационная модель создана на основе общих уравнений механики двухфазных сред, разработанных М.Е. Дейчем и ГЛ. Филипповым. Для выявления условий приближенного моделирования двухфазных потоков следует рассмотреть простую модель течения, отвечающую следующим допущениям:

1. Рассматриваемая среда является смесью пара и жидких капель (частиц), равномерно распределенных в объеме паровой фазы;

2. Дискретная фаза является идеальным газом;

3. Взаимодействие частиц несущей (непрерывной) фазы между собой не учитывается;

4. При рассмотрении силового взаимодействия несущей и дискретной фаз учитываются только силы вязкости и силы, обусловленные продольными градиентами в потоке;

5. Температура в объеме частиц распределена равномерно;

6. Сжимаемостью жидкой фазы можно пренебречь.

Система дифференциальных уравнений одномерного течения является следствием общих уравнений механики двухфазных сред и для неустановившегося одномерного течения имеет следующий вид:

рдЕ1Ф,+5р!ф2с1Р=хр. (1)

дк

рдРгФ? + = _хр. (2)

дг

(3)

<*■> / ч Зф1Р О. ГА\

аГ+р,ф2°г &Г=1 ~ Ьъ ( >

Р.Ф.(% + С.%-)—*("»« + (5)

«Л ей

• Р,Ф, (%■ + С, = -Х(ЬИ - ьи) + <5 - X;

от ог

Индекс 1 относится к непрерывной фазе, 2 - к дискретной, 3 - к частицам, претерпевшим фазовые превращения, р — плотность, кг/м ; с - скорость, м/с; ф — объемное содержание фазы, доля от единицы; Б — площадь сечения канала, м*; т — время, с; 2 — продольная координата, м к*о р о с т ь фазовых переходов, Ь0=Ь+С2/2 — энтальпия торможения, Дж/кг; Ь — энтальпия движущейся фазы. Дж/кг; Я - сила механического взаимодействия между фазами, — теплота, отдаваемая или воспринимаемая фазой в результате конвективного теплообмена в единицу времени, N - мощность сил взаимодействия фаз в градиентном потоке.

Начальные и граничные условия представлены в виде:

где длина подогревателя, угол сужения конфузора, угол

расширения диффузора.

Исследование системы уравнении (Ч — 6) с распределенными параметрами на устойчивость позволило получить параметрические границы устойчивости.

Сложность термогидродинамических процессов в двухфазных потоках не дает возможность решения полной системы уравнений энергии, движения и неразрывности. Необходимо вводить в рассмотрение упрощающие допущения, эмпирические соотношения, выделяя в качестве основных те или иные физические механизмы.

Для упрощенной системы уравнений (1 - 6), составленных М.Е. Дейчем и Г.А. Филипповым, на первом этапе производится численное решение системы уравнений методом Рунге-Кутта для стационарного течения.

На втором этапе моделирования процессов, происходящих в пароводяном подогревателе, производится численное решение преобразованной системы уравнений ( 1 - 6 ) методом частичной дискретизации для нестационарного течения с помощью пакета МЛТЬЛБ 5.0.

На третьем этапе моделирования производится анализ линеаризованной нестационарной системы уравнений. При линеаризации используются полученные решения уравнений для стационарного течения. Структура линеаризованной модели приведена далее, см. (8). Полное описание модели дано в пояснительной записке к диссертационной работе.

>

---- *

м > и ==4 -----

■—^ _____< ------1. ____< .... < Л..—.. > ------^ < ■----- > .....5 ,----- ------ ...

Расчетные значения

----- - р1=294199^Па ,Р,= 215746,3ГЪ

- гцчуч 1УУ^>иа, п-у 1 ¿в (¿,виа -Р2»3922б6Па,Р|=21574бЛПа • -Р1=3922ббПа, Р,»313812,8Па 1 1 Г 1 1

_

41,5 443 47,0 49,9 52,6 55,4 СьнУс Экспериментальные значена!

О - Рг=294199,5Па, Р,=21574бЛПа

♦ - Рг=294199,5Па, Р,-313812.8Па О - Р1=392266Па, Р,-215746.3Па •

• -Рг=392266Па,Р|=313812,8Па

Рис. 3. Зависимость температуры воды на выходе ПСП от расхода воды

Оптимизация параметров пароструйного подогревателя Для ПСП температура воды после аппарата является предпочтительным критерием оптимизации, так как необходимо при заданных начальных условиях и геометрических параметрах ПСП получать максимально возможную температуру воды на выходе при поддержании стабильной работы ПСП.

Для оптимизации геометрических параметров ПСП используется метод планирования эксперимента. Метод основан на наблюдении реакции системы на изменения основных факторов, влияющих на работу ПСП

Основным геометрическим параметром ПСП является расстояние среза сопла от камеры смешения 1с. Этот параметр определяет поверхность конденсации пара на струе воды. Оптимальный выбор расстояния среза сопла от

камеры смешения в зависимости от начальных параметров системы позволяет исключить возможности развития возмущающих воздействий в ПСП.

Другим основным параметром является соотношение сечений камеры смешения и сечение выходного среза сопла Гз / Третий параметр, который изменяется в ходе эксперимента, является угол конфузора р,.

Данные три фактора позволяют провести полный факторный эксперимент (ПФЭ) 3го порядка. В эксперименте используются две цилиндрические камеры смешения с различными диаметрами ({од, И <1т,п ; два сменных сужающихся сопла с максимальным выходным сечением ^тах и минимальным выходным сечением ■ ГР|щш> установленных на р а с с т о1йиР ж я^пй в а конфузора с различными углами сужения Ржи И Рэтш-

Фактор \\ принимает значения +1, если в данном эксперименте используется конфузор с максимальным значением ряж» И —1, если используется конфузор с Рлп.п- Фактор равен +1 при использовании максимального параметра 1ст1Х, и равен -1 при использовании ^п- Фактор характеризует отношение сечений . ^З15^! ПРИ использовании в эксперименте камеры смешения максимального диаметра и сопла с наименьшим диаметром выходного сечения сопла, и наоборот. В таблице 1 представлены уровни и интервалы варьирования факторов.

Таблица 1

Уровни факторов Si. град м

Базовый уровень 24,24 0,07 0,09

Интервал варьирования 5 0,01 0.01

Верхний уровень 29,25 0,08 0,1

Нижний уровень 19,24 0,06 0,08

На базе паросилового цеха ОАО «ММК» был спланирован и проведен ПФЭ для исследования влияния изменения основных геометрических размеров ПСП. на работу аппарата.

Одной из важных проблем экспериментального исследования двухфазного течения является подбор измерительных приборов и методики измерения. Комплекс измерительных приборов для двухфазного течения включает приборы измерения давления и температур паровой и жидкой фаз. Схема размещения приборов представлена на рис. 4.

При постоянных величинах входных переменных пара и воды получены отклики системы на изменения геометрических параметров пароводяного струйного подогревателя: Р|=215746,ЗПа (2,2 ат) - начальное давление воды перед ПСП, Рг=490332,5Па (5,0 ат) - начальное давление пара перед I1CI1. G|=47,2 кг/с - расход воды, Т|=20,0°С - начальная температура поды, Т;-170,0°С

В таблице 2 представлены результаты опытов, при проходном сечении регулирующего вентиля 100%.

Таблица 2

Матрица планирования ПФЭ 3го порядка

Номер опыта Порядок проведения опытов Факторы Реакция

¡и Ь т,/с

1 7 +1 +1 +1 +1 40,6

2 2 +1 -1 +1 +1 41,4

3 8 +1 +1 -1 +1 39,1

4 3 +1 -1 -1 +1 383

5 1 +1 +1 +1 -1 40,6

6 4 +1 -1 +1 -1 41,5

7 5 +1 +1 -1 -1 41,4

8 6 +1 -1 -1 -1 38,3

Таким образом, бала получена зависимость температуры воды от геометрических размеров подогревателя при условии стабильной работы подогревателя.

у=40,19+0,3205 £,+0,83 £2 —0,316£з (7)

12

В таблицах 3 и 4 представлены реакции системы при проведении опытов для нахождения оптимальных геометрических параметров ПСП с учетом полученной линейной зависимости (7) методом крутого восхождения.

Таблица3

Наименование Факторы.

ь

Базовый уровень 24,24 0,07 0,09

Коэффициент Ь| 0,3205 0,83 -0,316

Интервал варьирования 5 0,01 0,01

1,6025 0,0083 -0,00316

ШагД, 0,5 0,0026 -0,00099

Округленный ■ шаг 0,5 0,003 -0,001

Таблица 4

Расчет крутого восхождения._

Наименование Факторы Реакция

ь ¡и ¡и У

Опыт 1 24,74 0,073 0,089 41,5

Опыт 2 25,24 0,076 0,088 41,5

Опыт 3 25,74 0,079 0,087 41,6

Опыт 4 26,24 0,082 0,086 41,1

Опыт 5 26,74 0,085 0,085 40,9

Лучший результат получен в третьем опыте. Температура воды на выходе ПСП 41,6°С. Таким образом потребовалось 3 опыта, чтобы определить оптимальные параметры работы ПСП.

В результате проведения ПФЭ получены основные геометрические размеры ПСП, которые обеспечивают стабильную работу подогревателя, при максимальной температуре теплоносителя на выходе ПСП.

Экспериментальная регулировочная кривая В данной работе проводились испытания ПСП Ду200 перед внедрением системы автоматического регулирования для определения рабочих режимов работы ПСП и определения влияния входных параметров пара и воды на работу подогревателя.

При проведении экспериментального исследования ПСП была получена зависимость температуры воды на выходе от давления пара на входе ПСП (рис. 5). Данная зависимость показывает, что регулировочная характеристика почти линейная, а ПСП обеспечивает стабильную работу при изменении входных параметров в рабочем режиме подогревателя, что делает возможным создание автоматической системы регулирования температуры нагреваемой воды на базе ПСП.

В таблице 4 представлены экспериментальные данные испытаний ПСП. Схема установки, график изменения давления водяного тракта и места установки контрольных приборов приведены на рис. 4.

Экспериментальная параметрическая область устойчивости ПСП имеет вид представленный на рис. 6. Область устойчивости находится ниже поверхности устойчивости. Исходя из экспериментальных исследований, получен рабочий режим ПСП: давление пара на входе ПСП'294199,5 ... 490332,5Па (3 ... 5 ат), давление воды на входе ПСП 215746,3 ... 313812,8Па (2.2 ... 3.2 ат), расход воды

Таблица 4

Экспериментальные данные испытаний ПСП

№ Р„, X 98066,5 Па Т,. °С т-., °с Р., "98066,5 Па Р2, Х98066.5 Па Рз, *98066,5 Па с, х0Д77 кг/с Вибрации

1 - 11 11 2,3 и и 170 Нет

о 0-1,8 11 14 Есть

3 4,5 11 28 1,7 -1,1 -1,8 200 Нет

4 6,4 11 48 и -1,1 -3,0 211 Нет

5 6,8 11 51 и -1,1 -3,0 211 Нет

6 6,8 11 44 , 2,0 -1,1 -2,8 271 Нет

7 5,0 11 44 и 1,0 2,5 195 Нет

8 5,0 11 46 1,0 1,1 2,5 187 Нет

9 5,0 11 52 0,9 1,0 2,5 160 Нет

10 4,5 11 50 1,0 1,0 2,3 160 Нет

11 4,0 11 47 1,0 1,0 2,0 155 Нет

12 3,5 11 45 1,0 1,0 1,9 153 Нет

13 3,0 11 41 1,1 1,0 1,8 153 Нет

14 2,5 11 •38 1,2 1,0 . 1,6 151 Нет

Обозначения параметров в таблице: Ря - давление пара на паровом входе ПСП, Па; Р| - давление воды на водяном входе ПСП, Па; Р2-давление нагретой воды на выходе ПСП, Па; Р; - давление в камере предварительного смешивания. Па; Т| - температура воды на входе ПСП, °С; Тг - температура нагретой воды на выходе, °С, О - расход воды на вводе ПСП, кг/с.

Т2,°С

55 50 45 40 35 30

2 3 4 5 0

Рпх 98066,5 ГЬ

Рис. 5. Экспериментальная регулировочная характеристика ПСП — температура воды на выходе, Рп - давление пара на входе

Тщ,« „=155-160°С,

Р«.и«=196133Па,

Рис. 6. Параметрическая экспериментальная граница устойчивости Р|, х98066,5Па - давление воды на входе ПСП. Р:, *">8066 5Па - давление пара в предварительной камере смешения ПСП

Структура системы автоматического регулирования .,

Для регулирования температуры на выходе ПСП предложена система автоматического регулирования ПСП (рис.7). Система автоматического регулирования включает в себя:

- пароструйный подогреватель,

- цифровые датчики температуры воды на входе и выходе,

- показывающий термометр, установленный на подводящем паропроводе,

- манометры, для измерения давления воды и пара на входе и выходе подогревателя,

- регулирующий клапан с электроприводом, расположенным на подводящем паропроводе,

- микропроцессорный контроллер.

Система автоматического регулирования предназначена для поддержания требуемой температуры нагреваемой воды на выходе подогревателя путем изменения количества пара, поступающего в ПСП.

Для того чтобы не допустить распада струи и задать необходимый режим работы в ПСП, необходимо управлять параметрами пара. Параметры пара изменяются регулирующим клапаном с электроприводом на подводящем паропроводе. Электродвигатель в свою очередь управляется микропроцессорным контроллером. В зависимости от температуры на выходе» давлений пара и воды на входе ПСП и в зависимости 'от требуемого температурного режима подогревателя микропроцессорный контроллер выдает управляющие воздействия на закрытие или открытие регулирующего клапана. Алгоритм регулирования температуры воды на выходе ПСП представлен на рис. 8.

Нагреваемая Пароструйный Нагретая

вода подогреватель вода

Рис. 7. Схема автоматического регулирования режимов пароструйного

подогревателя

Установка начального сечения регулирующего вентиля 50%

_1_

Задание требуемой температуры воды на выходе ПСП

Рис. 8. Алгоритм регулирования температуры воды на выходе ПСП

Данная схема автоматизированной системы регулирования режимов пароструйного подогревателя внедрена на ОАО "ММК" в паросиловом цехе.

Синтез оптимального управления процессами ПСП Формирование регулирующих воздействий на ПСП целесообразно осуществлять на основе использования методов оптимального управления. Для решения данной задачи в работе использовался принцип максимума Понтрягина.

В нормальной форме записи процессы ПСП имеют вид: «0 = А.ц(0+В.и(0,

где у — п-мерный вектор с о с т о яин-я-мериьйк тор управления ,и е Яг — время; у -к-мерный вектор выхода; А, В, С - матрицы размера пхп, пхг, кхп соответственно, ц<> — начальное состояние.

Модель ПСП, как объекта регулирования, описывается следующими уравнениями:

s,,,(I) SM(I) О ... о О SM(I) s, j(l)... О Su(l) su(l) ,., o S,,,(l) SIi7(l) ... 0 S, l0(1) S, ,(l) ... 0 SMJ(I).„ 0

0 su<2> SU<2)- ООО SM(2).„ О 0 Su(2).., О ' О S,.,(2)... O O S, ,0(2) ... О О ... О

0 0 О ,.. S,,i(n)S, ,(n) О О ...S| j(n) О О ...S, ,(n) О О ...S,,(n) О О ...S,,(n) О ...SMI(n)

Sjjio S,.,(l) О ... О О SM(1) s„{l)... О SM(I) Sw(1)... О S,,0) S,,(!)... О S,I0(1)S29(1) ... О Sj,,J(1)... о

О s,4(2) s,,(2).„ ООО S,„(2)... О О S,«(2)... О О S„(2).„ О О S,l0(2) ... О 0 !.. О

0 0.0 ... S,,j(n)Sj,(n) О О ...Sv(n) О О ...Sjj(n) О О ,..S27(n) О О ...S„(n) О ...S2>ll(n)

S„(I) SM0) о .„ О 0 Sm(1)Sji(I) ... О su(l) S, j(l)О Sj,(l) S,,(!)... О Sj10(l) Sj,(l) ... 0 S,J3(1)... О

O S,j(2) S),(2)... О О 0 S,,(2).,. О O S„(2),., O O Sj,(2)... O O S,l0(2) ... O O ... O

ООО ... Sw(n)S, ,(n) O O ,..S, j(n) O 4 ,..S, j(n) O O ...S,-?(n) O O ,..S,»(n) O ...S, „(n)

S,.j(1) S,,(!) O ... O O S4.4(l) S4,(l)... O SM(I) S4 J(1) ... O S4,(l) S4>7(I)... O S410(l) S4>,(l) ... O S4.„(l)... O

o s4.,(2) S„ ,(2)... ООО S44(2)... o O S44(2).„ O O S4,(2)... O O S4 I0(2) ... O O ... O

ООО ... S4,2(n)S41(n) 0 O ...S4 J(n) O O ...S4 J(n) O O ...S4-7(n) O O ...S4,(n) O ...S4 M(r> S«(1)S,,,(1) o ...O o ' $,.„(!> Sjj(l) ... O SJ4(I) S51{1) ...' O S3,(l) Sj,(l) ... O Sjio(I) Sj9(l) ... O SJtll0)... o O Ss.,(2) s,,(2)... ООО SJ4(2)... O O S„(2).., O O S3I(2)... О O SJI0(2) ... O O ... 0

ООО ... Sj,j(n)S5 l(n) O O ...Sj j(n) O O ...Sj jtn) O O ...S},7(n) O O ...S,,(n) O ...Sj,„(n) S6,j(l) s6 l(l) O ... O O SM(!) S,j(l)... O S6i4(l) S4s(l)... O SM( 1) S67(l)... O S6 W(I) S6.,(l) ... O S41J(I)... o o S„(2) s4l(2).„ ООО ¡?4 4(2)... O O S44(2)... O O S4I<2)... O O S610(2) ... O O ... O

ООО ... S4,(n)S6,(n) O O ...S4,(n) O O ...St,(n) O O ...S67(n) 0. O ...S4,(n) O ...S4ll(n)

где коэффициенты (|) В матрице А (9) вычисляются для каждого шага моделирования по пространственной координате по данным установившегося стационарного течения двухфазной жидкости в ПСП.

Целевой функционал задан как интегральный квадратичный критерий качества процесса.

Применяя принцип максимума Понтрягина для модели ПСП» составлен гамильтониан вида:

Н(1,\|/,ц,и)=-Го+\|Г|(аиц,+ аг,ц2+...+ а^ц^+Ь, и)+...+

+ Убп(а16пЦ|+ а16пц2+—+ ЗбьбпМбв+Ьбп и).

Структура оптимального управления находится из

условия максимума гамильтониана по управлению.

Вспомогательная система для нахождения имеет вид:

V, а)»-¿-ад, У(0,ц(1),и(0). аН(1,у(1),ц(0,и(0)

V Зп+1 ---—-= "*Ч'Зп+1^4,8»

п+1

сН(1,уу(1),ц(0,ц(0) У4л*1---X---т4п+1^5,10»

Решая данную систему, получаем оптимальное управление и,(1)=5!8п(Ь2.(е'-5-" + 2ц2. -1--2Т, Ь^е"" + Ь^е'"5-' + Ь5..,е'^').

Ти'С

- ______

У

у

* у'

У

/ у'

У У

ж е' ■

20 40 60 80 100 ^с

\

----------- Т|=20 °С, Р1=490332,5Па

--- Т|=20 °С, Р|=39266Па

---------------Т|=2°С, Р,-39266Па

Рис 8. Результаты имитационного моделирования с оптимальным управлением (ТммитГ^О С)

На рис. 8. представлены результаты имитационного моделирования с использованием полученного оптимального управления.

Оценка качества регулирования процессов пароводяного струйного подогревателя по кривой переходного процесса системы регулирования показала, что предложенная система регулирования процессов пароводяного струйного подогревателя устойчивая и удовлетворяет всем поставленным требованиям к точности регулирования.

Экспериментальные исследования предложенной системы автоматического регулирования показали ее высокую эффективность. Автоматизированный ПСП обеспечивает регулирование температуры воды теплоносителя с требуемой точность

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализ опубликованных материалов показал, что использование ПСП является перспективным направлением работ по энергосбережению в теплофикационных системах, однако проблемы связанные с устойчивостью режимов функциональных процессов ПСП, возможностью возникновения ударных воздействий, низкой устойчивостью процессов в двухфазных средах ограничивают их внедрение. Применение систем автоматического регулирования призвано решить указанные проблемы и повысить эффективность функционирования ПСП.

2. В работе предложена имитационная модель процессов регулирования режимов ПСП, учитывающая особенности течения двухфазных сред и позволяющая исследовать устойчивость и качество регулирования процессов ПСП.

3. Оптимизация геометрических размеров ПСП, обеспечивающая его максимальную эффективность, осуществлена на основе факторного эксперимента. Использование методов планирования эксперимента в работе позволило оптимизировать геометрические параметры: расстояние среза сопла от камеры смешения, сечение выходного среза сопла и угла конфузора.

4. Предложена система автоматического регулирования режимов ПСП, основанная на регулировании параметров пара на входе ПСП. В работе решена задача оптимальной настройки системы автоматического регулирования с использованием принципа максимума Понтрягина. Экспериментальные исследования предложенной системы автоматического регулирования показали ее высокую эффективность.

5. Внедрение автоматизированного ПСП на ОАО "ММК" показало, что ПСП устойчив в широком диапазоне изменения входных параметров и обеспечивает регулирование температуры воды с требуемой точность ±0,5°С. Внедренная система автоматического регулирования режимов ПСП позволяет экономить топливно-энергетические ресурсы за счет утилизации отработанного в производстве пара.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах;

1. Барбасова Т.А. О паровых инжекторах // Автоматизация и управление в технических системах: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2000. - С. 24 -26

2. Барбасова Т.А. Моделирование и расчетное исследование двухфазных потоков// Автоматизация и управление в технических системах: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003. - С. 66 - 70.

3. Шнайдер Д.А., Барбасова Т.А. Автоматическая система регулирования режимов струйного подогревателя// Механика и процессы управления. Труды

XXXII Уральского семинара (24 декабря 2002 года, г. Миасс). - Екатеринбург Уральское отделение РАН, 2002. - С.260 - 268

4. Шнайдер Д.А., Барбасова Т.А. Автоматическая система регулирования режимов струйного подогревателя// Системы автоматического управления: Тем. сб. н. тр. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003. - С. 52 - 56.

5. Шнайдер ДА., Барбасова Т.А. Автоматическая система регулирования режимов струйного подогревателя// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Девятая междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. 4-5 марта 2003 г., Москва: Тезисы докладов - М: Изд-во МЭИ, 2003. - С.138.

Издательство Южно-Уральского государственного университета

ИД № 00200 от 28.09.99. Подписано в печать 05.05.2004. Формат 60*84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 90 экз. Заказ 130/164.

УОП Издательства 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 76.

1-99 U

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ РЕЖИМОВ ПАРОВОДЯНОГО СТРУЙНОГО

ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

1.1. Принципиальная схема струйного аппарата

1.2. Развитие теории струйных аппаратов

1.3. Особенности пароводяного струйного подогревателя

1.3.1. Влияние конструктивных факторов

1.3.2. Влияние режимных факторов

1.4. Виды и режимы течения двухфазных сред в каналах

1.5. Влияние устойчивости струи на работу пароводяного струйного подогревателя

1.6. Особенности физического процесса пароводяного струйного подогревателя

1.7. Существующие проблемы применения пароводяного струйного подогревателя

1.8. Постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

РЕЖИМОВ ПАРОСТРУЙНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

2.1. Исходные уравнения течения двухфазных потоков

2.2. Нахождение области устойчивости системы с распределенными параметрами

2.3. Моделирование процессов пароструйного подогревателя

2.3.1. Численное решение методом Рунге - Кутта 4 порядка

2.3.2. Моделирование с использованием пакета MATLAB 5.

2.3.3. Линеаризованная модель

Выводы к главе

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПАРОСТРУЙНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

3.1. Постановка задачи

3.1.1. Критерии оптимизации

3.1.2. Факторы

3.2. Полный факторный эксперимент

3.3. Проведение эксперимента

3.4. Обработка результатов

3.5. Методы оптимизации 94 3.5.1. Выбор метода оптимизации 94 3.5.2 Метод крутого восхождения по поверхности отклика

Выводы к главе

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

РЕГУЛИРОВАНИЯ

4.1. Постановка задачи автоматического регулирования

4.2. Проверка на устойчивость и управляемость модели пароструйного подогревателя

4.3. Разработка принципов построения системы регулирования

4.3.1. Экспериментальная регулировочная характеристика

4.3.2. Структура системы автоматического регулирования.

4.3.3. Методика настройки системы автоматического регулирования по фактической модели.

4.3.4. Методика настройки системы автоматического регулирования по имитационной модели

4.4. Синтез оптимального управления

4.5. Оценка качества процессов регулирования 136 Выводы к главе

В связи с ростом стоимости энергоносителей необходим поиск путей снижения их расхода. Экономию энергоресурсов можно получить при применении пароводяных струйных подогревателей, используемых в различных отраслях техники.

В пароводяном струйном подогревателе происходит движение двухфазной жидкости при наличии фазовых переходов. Поэтому, для эффективного применения подогревателей необходимо учитывать проблемы механики многофазных сред, а также регулирования их параметров.

Наиболее существенными физическими особенностями процессов движения двухфазных систем следует считать: а) тепловое и гидромеханическое взаимодействие фаз между собой и с твердыми границами; б) наличие фазовых переходов. Наиболее интенсивно эти особенности проявляются при больших скоростях движения жидкости (газа).

Процессы движения двухфазных сред усложняются образованием метастабильных неравновесных состояний системы (переохлаждение пара, перегрев жидкости, скачки конденсации и испарения и т. д.). Сложность таких систем обусловлена также возможным многообразием форм существования жидкой фазы (взвешенные и крупные капли, пленки и т.д.).

Перечисленные и ряд других принципиальных физических особенностей движения двухфазных двухкомпонентных (а в общем случае и многокомпонентных) систем считается, что дают основания выделить эти разделы механики легко деформируемых сред в самостоятельную специальную область — механику двухфазных (двухкомпонентных) систем. Созданию и развитию этого направления механики посвящены исследования отечественных и зарубежных специалистов. В период от первых случайных экспериментальных работ, относящихся ко второй половине прошлого века, до систематических теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в настоящее время, накоплены были данные, позволяющие сформулировать некоторые основные закономерности течения двухфазных систем [60]. Установленные теоретически и экспериментально физические характеристики процессов привели к построению полуэмпирических методов расчета.

Как известно, газовая динамика гомогенной среды развивалась на основе некоторых упрощенных моделей движения. Несмотря на существенную схематизацию и упрощение действительного процесса движения и свойств реальной среды, указанные методы оказались весьма плодотворными и до настоящего времени не потеряли своего значения, так как они позволяют применять достаточно строгие математические методы к решению практически важных инженерных задач. В механике двухфазных сред аналогичные модели пока еще окончательно не разработаны, и это обстоятельство привело к заметному отставанию в решении теоретических задач.

Современное состояние механики двухфазных сред характеризуется интенсивным развитием экспериментальных исследований, проводимых с целью накопления опытных фактов. Параллельно сделаны и делаются попытки математического описания некоторых упрощенных моделей движения двухфазной жидкости и фазовых переходов при больших скоростях движения. В этом направлении успешно развиваются исследования двухфазных течений, например, в Московском энергетическом институте. В настоящей работе на основе полученных результатов сделана попытка некоторых обобщений для дальнейшего использования их в теории регулирования процессами, используются также материалы, имеющиеся в периодической литературе, а также монографиях книгах по общей газовой динамике и термодинамике.

Проблема механики двухфазных сред длительное время привлекает внимание исследователей. Над проблемами движения двухфазных сред работют М.Е. Дейч и Г.А. Филиппов [26, 27], В. В. Фисенко [76, 77,78], А.Н Дядик, Н. П. Шаманов и А.Ю. Лабинский [82] и т.д.

В [60] Соколовым Е.Я., Зингером Н.М. рассмотрены типы струйных аппаратов. Процессы, протекающие в струйном подогревателе, описаны и проанализированы лишь с качественной стороны. Теоретические исследования струйных подогревателей немногочисленны [73] и представляю собой экспериментальное исследование смешения турбулентных струй.

Из-за сложных процессов, протекающих в пароводяном струйном подогревателе, при их эксплуатации возникают ударные воздействия, автоколебания, временное прекращение циркуляции и т.д. Неустойчивая работа и неэффективное использование пара приводит к необходимости создания систем автоматического регулирования пароструйными подогревателями.

Актуальность темы. Пароводяные струйные подогреватели в настоящее время используются в теплофикационных системах в связи с развитием энергосберегающих работ. Пароводяные струйные подогреватели с успехом заменяют традиционные теплообменники, при этом они дешевле и проще в эксплуатации. Они используются для теплоснабжения цехов и горячего водоснабжения жилого фонда.

Преимущества от применения пароводяного струйного подогревателя в сравнении с традиционными теплообменниками следующие:

1. Экономия пространства. Пароводяной струйный подогреватель является смесительным теплообменником, в котором отсутствуют промежуточные теплообменные поверхности и тепло передается при непосредственном контакте пара и воды. Поэтому он обладает более высоким коэффициентом теплопередачи и имеет меньшие размеры. За счет этого образуется экономия пространства при строительных и монтажных работах.

2. Уменьшение расхода пара. В пароводяном струйном подогревателе принципиально исключено явление пролетного пара, характерное для поверхностных подогревателей. Более того, тепло, содержащееся в паре, используется в подогревателе на 100%.

3. Сокращение потерь тепла. Благодаря малым габаритам подогревателя можно существенно уменьшить потери тепла с наружной поверхности аппарата и тем самым увеличить тепловой КПД.

4. Высокая надежность. В конструкции аппарата нет тонкостенных трубок.

5. Высокая ремонтопригодность. Пароводяной струйный подогреватель имеет малое число сменных деталей, причем любая из них. может быть достаточно просто изготовлена.

6. Простота технического обслуживания. Ввиду отсутствия в пароводяном струйном подогревателе теплообменной поверхности, отсутствует необходимость химической промывки трубного пучка от накипных отложений.

7. Простота эксплуатации. Подогреватель запускается не сложнее, чем традиционный теплообменник, при этом мало инерционен и быстро выходит на рабочий режим.

8. Возможность утилизировать отработанный пар. В пароводяном струйном подогревателе исключается сброс отработанного пара в атмосферу, тем самым улучшаются экологические показатели.

Данные положительные свойства подогревателя обуславливают то, что внедрение их в теплофикационные системы является одним из рекомендуемых мероприятий, выполняемых в рамках программ энергосбережения, как на региональном, так и федеральном уровнях.

Однако прямое преобразование пара в воду обладает также рядом существенных недостатков. Опытное применение пароводяных струйных подогревателей в системе теплофикации на промышленной площадке ОАО "ММК" (Магнитогорский металлургический комбинат) показали, что режимы работы их неустойчивы. При изменении параметров пара возникают возмущающие воздействия, которые могут нарушить работу системы.

Вторым недостатком пароводяного струйного подогревателя является то, что он является нерегулируемым, в то время как теплофикационные режимы являются регулируемыми в зависимости от температуры наружного воздуха. Это ограничивает использование подогревателя для технологических процессов, в которых требуется регулирование температурных режимов.

Нерегулируемый пароводяной струйный подогреватель не обеспечивает стабилизацию работы теплофикационной сети.

Из сказанного следует, что задача автоматизации регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя является актуальной. Данная задача является нетривиальной, так как динамика процессов регулирования происходит в двухфазной среде пар-вода, где возможны автоколебания, ударные волны и другие условия, затрудняющих управление режимами. Процессы, протекающие в подогревателе, являются недостаточно изученными и требуют проведения специальных исследований.

В этих условиях возникает важная научно-техническая задача автоматизации управления режимов пароводяного струйного подогревателя. Исследованием режимов струйных аппаратов, занимались достаточно давно зарубежные и отечественные авторы: Ренкин М, Цейнер Г, Фисенко В.В., Соколов Е.Я., Зингер Н.М., Дейч М.Е., Филиппов Г.А. и др. Вопросы автоматики освещены в работах А.И. Белевича, А.В. Крупцева, В.А. Малафеева и др. Однако в этих работах не исследованы режимы регулирования, известные примеры использования автоматики носят чисто аппаратурный характер для узкого класса паровых инжекторов, исследование динамики процессов регулирования не проводилось.

Рассматриваемая задача в литературе не освещена, что и определяет актуальность данной работы.

Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является автоматизация регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя. Для достижения указанной цели решались следующие задачи исследовательского, методического и прикладного характера:

1. Разработка имитационной модели процесса регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя на основе экспериментальных и теоретических исследований.

2. Разработка методики оптимизации параметров пароводяного струйного подогревателя на основе имитационных и натурных экспериментов.

3. Разработка способов автоматического регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя.

4. Внедрение разработанной автоматической системы регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя на опытной промышленной установке в теплофикационной системе ОАО "ММК", г. Магнитогорск.

Связь диссертации с федеральными и региональными программами. Диссертационное исследование выполнялось в соответствии с "Законом Российской Федерации об энергосбережении №28-ФЗ от 03.04.96", "Законом Челябинской области об энергосбережении и повышении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов Челябинской области №12-03 от 02.02.96", в рамках федеральной целевой Программы "Энергосбережение России на 1998-2005 годы" (утверждена постановлением правительства Российской Федерации №80 от 24.01.98), "Программы энергосбережения Челябинской области до 2005 года" (утверждена постановлением Губернатора Челябинской области №582 от 11.12.98).

Объект исследования: Система автоматического регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя теплофикационных систем.

Предметом исследования: Динамика процессов и вопросы автоматизации регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя теплофикационных систем.

Методология и методика исследования. Технической и методологической основой исследования служили труды отечественных и зарубежных ученых по автоматизации систем теплоснабжения и струйным аппаратам.

В работе использовались методы теории автоматического регулирования, теории гидравлических систем и систем теплоснабжения.

Источником экспериментальных данных явились результаты натурных испытаний автоматической системы регулирования режимами пароводяного струйного подогревателя в системе теплоснабжения объектов ОАО "ММК", г. Магнитогорск.

Научная новизна диссертационной работы. В ходе исследования были получены следующие результаты:

1) Построена новая имитационная модель работы пароводяного струйного подогревателя, отражающая процессы возникновения автоколебаний и ударных воздействия на границе раздела фаз в двухфазной среде пар-вода;

2) разработана новая методика оптимизации геометрических параметров пароводяного струйного подогревателя на основе имитационных и натурных экспериментов.

Практическое значение. В рамках диссертационной работы разработана система автоматического регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя, на основе которой создана экспериментальная установка автоматизаци пароводяного струйного подогревателя. Разработан проект автоматизации пароструйного подогревателя и на его основе осуществлено внедрение автоматизированного подогревателя в паросиловом цехе ОАО "ММК". Применение системы автоматики позволило:

1) устранить ударные воздействия и автоколебания в пароводяном струйном подогревателе;

2) обеспечить заданную регулировочную характеристику;

3) в широком диапазоне изменения параметров обеспечить необходимую точность регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя в пределах ±0.5 °С.

В настоящее время составлен перспективный план внедрения автоматизированных подогревателей в других цехах ОАО "ММК". Автоматизированные подогреватели могут быть рекомендованы к внедрению и на других металлургических предприятиях.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на XXXII Уральском семинаре по механике и процессам управления, г. Миасс, 24 декабря 2002г.; на девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", г. Москва, 4-5 марта 2003г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

На защиту выносятся:

1) имитационная модель процесса регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя;

2) метод оптимизации параметров пароводяного струйного подогревателя.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализ опубликованных материалов показал, что использование пароводяных струйных подогревателей является перспективным направлением работ по энергосбережению в теплофикационных системах, однако проблемы связанные с устойчивостью режимов функциональных процессов подогревателей, возможностью возникновения ударных воздействий, низкой устойчивостью процессов в двухфазных средах ограничивают их внедрение. Применение систем автоматического регулирования для стабилизации параметров пароводяного струйного подогревателя призвано решить указанные проблемы и повысить эффективность функционирования аппаратов.

2. В работе предложена имитационная модель процессов регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя, учитывающая особенности течения двухфазных сред и позволяющая исследовать устойчивость и качество регулирования процессов.

3. Оптимизацию геометрических размеров пароводяного струйного подогревателя, обеспечивающую его максимальную эффективность, целесообразно выполнять на основе факторного эксперимента. Использование методов планирования эксперимента в работе позволило оптимизировать геометрические параметры: расстояние среза сопла от камеры смешения, сечение выходного среза сопла и угла конфузора.

4. Предложена система автоматического регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя, основанная на регулировании параметров пара на входе аппарата. В работе решена задача оптимальной настройки системы автоматического регулирования с использованием принципа максимума Понтрягина. Экспериментальные исследования предложенной системы автоматического регулирования показали ее высокую эффективность.

5. Внедрение автоматизированного пароводяного струйного подогревателя на ОАО "ММК" показало, что подогреватель устойчиво работает в широком диапазоне изменения входных параметров и обеспечивает регулирование температуры воды с требуемой точность ±0.5°С. Внедренная система автоматического регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя позволяет экономить топливно-энергетические ресурсы за счет утилизации отработанного в производстве пара.

1. Абгарян К А. Матричное исчисление с приложениями в теории динамических систем. Уч. пособие: Для вузов. -М.: Физматлит, 1994.- 544с.

2. Абдуллаев Н.Д., Петров Ю.П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1985. - 240с.

3. Автоматизация настройки систем управления./. В.Я. Ротач, В.Ф. Кузищин, А.С. Клюев и др. Под. ред В .Я. Ротача. М.: Энергоатомиздат, 1984.-272с.

4. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Из-во Металлургия, 1968.- 155с.

5. Александров А.Г. Синтез регуляторов многомерных систем. — М.: Машиностроение, 1986.-272с.

6. Бабушка П., Витасек Э., Прагер М. Численные процессы решения дифференциальных уравнений./ Перевод с анг. В.Л. Каткова, Под ред. Т.П. Марчука. —М.: Мир, 1969. 357с.

7. Барабащук В.И. и др. Планирование эксперимента в технике/ В.И. Баращук, Б.П. Креденцер, В.И. Мирошниченко; Под. ред. Б.П. Кренцера. -К.: Техника, 1984.-200с.

8. Барбасова Т.А. Моделирование и расчетное исследование двухфазных потоков// Автоматизация и управление в технических системах: Тем. сб. науч. тр. Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003. - С. 66 - 70.

9. Барбасова Т.А. О паровых инжекторах//Автоматизация и управление в технических системах: Тем. сб. науч. тр. — Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2000. -С. 24-26.

10. Баринов В.А., Совалов С.А. Режимы энергосистем: Методы анализа и управления М.: Энергоатомиздат, 1990г.-440с.

11. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов /Пер. с англ. А.С. Алексеева, Под ред. А.Ф. Смирнова. М.: Стройиздат, 1982.-448с.

12. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы — М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. — 624с.

13. Безверхий П.А. Работа инжекционных смесителей и эжекторов и их расчет/ Уч пос. Днепропетровск. — 1975г.

14. Белавкин И.В., Казаринов JI.C. Оценка эффективности инвестиционных проектов в сфере энергосбережения/ В кн.: Стратегия энергосбережения: региональный подход// Челябинск, адм. Челябинской обл., Областной фонд энергосбережения, 1996. С.51-70.

15. Белевич А.И., Крупцов А.В., Малафеев В.А. О применении паровых инжекторов в теплоснабжении., Энергетик, №11, 2001. С. 11-19.

16. Белова Е.С., Кошкин А.В., Липатов А.В., Садыков Ф.Р. Численные методы в теории автоматического управления. Уч. пособие/ Е.С. Белова, Под. ред. А.В. Липатова. М.: Издательство МАИ, 1994. — 56с.

17. Васильев И.И., Клоков Ю.А. Дополнительные главы численного анализа. Часть 2. Численное решение дифференциальных и интегральных уравнений// Учебное пособие. Рига: Латвийский государственный университет, 1975.-108с.

18. Вержбицкий В.М. Численные методы (линейная алгебра и нелинейные уравнения): Учеб. пособие для вузов. — М. : Выш. шк., 2000. — 266с.

19. Волков Ю.Г. Диссертация: Подготовка, защита, оформление: Практическое пособие /Под ред Н.И. Загузова. М.: Гардарики, 2002. - 106с.

20. Воронов А.А. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства Наука, 1979.-336с.

21. Воронов В.Г. и др. Методы проектирования систем управления/ В.Г. Воронов, В.Н. Гриценко, В.А. Клочко и др. X.: Основа, 1996. - 253с.

22. ВульманФ.А. Математическое моделирование тепловых схем пароводяных установок на ЭВМ / Ф.А. Вульман, А.В. Корягин. М.: Машиностроение, 1985.- 112с.

23. Габасов Р., Кириллова Ф.М. Методы оптимизации: Уч. Пособие для ун-тов по спец. 0647 «Прикладная математика». Издание второе, перераб. и доп. Минск: Издательства БГУ им. В.И. Ленина, 1981г. — 350с.

24. Ганин М.П. Планирование эксперимента./ Отв. ред. Ю.С. Антонов, Ленинград: Военно-морская ордена Ленина академия имени А.А. Гречко., 1980.-321с.

25. Гультяев А.К. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. — 400с.

26. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия, 1962.-421с.

27. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат, 1987.-328с.

28. Деккер К., Вервер Я. Устойчивость методов Рунге-Кутты для жестких нелинейных дифференциальных уравнений: Пре. с англ. М.: Мип, 1988.-334с.

29. Демченко В.В. Уравнения и системы уравнений с частными производными первого порядка: Уч пособие. М.: МФТИ, 2001. - 116с.

30. Дорф Р. Современные системы управления/ Р. Дорф, Р. Бишоп. Пер. с анг. Б.И. Копылова. М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 832с.

31. Дыхнов А.Е., Геренштейн А.В., Кошин А.А. Планирование эксперимента Учебное пособие. Челябинск: ЧПИ им. Ленина, 1976. 90с.

32. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. — 2-е издание, переработанное и дополненное. К.: Высшая шк. Головное изд-во, 1989. — 431 с.

33. Казаринов JI.C. Энергетическая эффективность одна из основных задач развития хозяйства области/ В кн. Проблемы и пути перехода к устойчивому развитию региона// Челябинск. - Челябинская областная Дума, 1996.- С.50-53.

34. Келлер С.Ю. Инжекторы, Киев: Машгиз, 1954. — 84с.

35. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. Издание 2-е, перераб и доп. М.: «Энергия», 1973. -392с.

36. Клюев А.С., Карпов B.C. Синтез быстродействующих регуляторов для объектов с запаздыванием. — М.: Энергоатомиздат, 1990. -176 с.

37. Летов A.M. Математическая теория процессов управления. . М.: Наука.-1981.

38. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Control System Toolbox MATLAB 5 для студентов / Под общ. ред. В.Г. Потемкина. М.: Диалог - МИФИ, 1999. -287с.

39. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 264с.

40. Мирошников А.Н., Румфнцев С.Н. Моделирование систем управления технических средств транспорта. Уч. Издание ТЭТУ. СПб.: Элмор, 1999. - 224с.

41. МихалевичА.А. Математическое моделирование массо- и теплопереноса при конденсации, Мн.: Наука и техника, 1982. — 216с.

42. Моделирование волновых и дифракционных процессов в сплошных средах /Селезов И.Т.; Отв. Ред. Луковский И. А.; АН УССР, Ин-т Гидромеханики. Киев: Наук, думка ,1989. 204с.

43. Моделирование термодинамических процессов./Б.М. Каганович, С.П. Филиппов, Е.А. Анциферов. Новосибирск: ВО Наука. Сибирская издательская форма, 1993. 101с.

44. Мухачев Г.А., Хабибулин Ф.Г. Неравновесная спонтанная конденсация водяного пара в соплах// Математическое моделирование в физической газовой динамике. Казань, 1985. - С. 11-17.

45. Мэтьюз Д.Г., Финк К.Д.' Численные методы. Использование MATLAB., 3-е издание.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом Вильяме, 2001. 720с.

46. Нигматулин Б.И., Ивандаев С.И., Милашенко В.И. и др. Исследование двухфазных критических потоков в каналах.// Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах (Материалы XX Сибирского теплофизического семинара 1976г.). Новосибирск, 1976г.

47. Олсон Г., Пиани Дж. Цифровые системы автоматизации и управления. — Спб.: Невский Диалект, 2001. 557с.

48. Ортега Дж., Пул У. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений / Пер с анг.; Под ред. А.А. Абрамова. М.: Наука. Гл. ред. физ - мат лит., 1986. - 288с.

49. Ортега Дж., Рейнтболт В. Итерационные методы решения нелинейных систем уравнений со многими неизвестными/ Пер. с анг. Э.В. Вершкова, Под. ред. И.В. Коновальцева. М.: Мир, 1975. - 558с.

50. Основы теории оптимального управления./ Под. ред. В.Ф. Кторова. М.: Высшая школа, 1990. - 429с.

51. Пантелеев А.В., Бортаковский А. С., Летова Т. А. Оптимальное управление в примерах и задачах : Учебное пособие. М.: Издательство МАИ , 1996.- 212с.

52. Пантелеев А.В. Теория управления в примерах и задачах: Уч. пособие/ Под ред А.В. Пантелеева, А.С. Бартковского. — М.: Высшая школа, 2003.-583с.

53. Петровский И.Г. Лекции об уравнениях с частными производными М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. - 400с.

54. Райзберг Б.А. Диссертация и ученая степень. Пособие для соискателей. М.: ИНФРА, 2000. - 304с.

55. Романов В.Н. Планирование эксперимента. Учебное пособие. — Д.: СЗПИ, 1992.-104с.

56. Ротач В .Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1985.-296с.

57. Семененко М.Г. Введение в математическое моделирование. М.: СОЛОН-Р, 2002.-112с.

58. Сиразетдинов Т.К. Устойчивость систем с распределенными параметрами. Новосибирск: Наука, 1987. - 229с.

59. Скатецкий В.Г. Математическое моделирование физико-химических процессов: Учеб. пособие для хим спец вузов. Мн.: Высш школа, 1981.-144с.

60. Соколов Е.Я. , Зингер Н.М. Струйные аппараты. 3-е изд, перераб. М.: Энергоатомиздат, 1989. — 352с.

61. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами: Учебное пособие. -М. : Издательство МГТУ, 1993. -429с.

62. Спиридонов А.А., Н.Г. Васильев Планирование эксперимента. Учебное пособие. Свердловск, изд. УПИ им. С. М. Кирова, 1975. — 152с.

63. Таганов И.Н. Моделирование процессов массо- и энергопереноса. Нелинейные системы. Л.: Химия, 1979. -203с.

64. Таха, Хэмди А. Введение в исследование операций, 6-е издание.: Пе. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 912с.

65. Теория автоматического управления и системы с ЭВМ: Учебное пособие/ B.C. Заборовский, В.Н. Козлов, В.Е. Куприянов; Ленингр. гос. техн ун-т, 1990. 96с.

66. Теория автоматического управления Конспект лекций ./ Технический редактор Т.Г. Мельников. Л.: Типография ВИКА им. Можайского, 1973. 214с.

67. Теория оптимальных систем/ Ю. С. Гришанин, Г. Н. Лебедев,

68. A.В. Липатов, Г. А. Степаньянц. М.: Издательство МАИ, 1999. - 320с.

69. Техническая киберненика. Теория автоматического регулирования. Книга 1. Математическое описание, анализ устойчивости и качества систем автоматического регулирования. Колл. авторов Под. ред

70. B.В. Солодовникова — М.: Машиностроение, 1967. — 770с.

71. Техническая киберненика. Теория автоматического регулирования. Книга 2. Анализ и синтез систем автоматического регулирования. Колл. авторов Под. ред В.В. Солодовникова М.: Машиностроение, 1967. - 682с.

72. Техническая киберненика. Теория автоматического регулирования. Книга 3. Часть 1 Теория нестационарных , нелинейных и самонастраивающихся систем автоматического регулирования. Колл. авторов Под. ред В.В. Солодовникова М.: Машиностроение, 1967. — 607с

73. Техническая киберненика. Теория автоматического регулирования. Книга 3. Часть 2 Теория нестационарных , нелинейных и самонастраивающихся систем автоматического регулирования. Колл. авторов Под. ред В.В. Солодовникова М.: Машиностроение, 1967. - 370с

74. Трофимов А.И., Егкпов Н.Д., Дмитриев А.Н. Методы теории автоматического управления, ориентированные на применение ЭВМ. Линейные стационарные и нестационарные модели: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1997. 656с.

75. Турбулентное смешение газовых струй./ Под ред. Г.И. Абрамовича. Издательство "Наука", Главная редакция фазико-математической литературы, 1974. 272с.

76. Уравнения для термодинамических свойств воды и водяного пара, предназначенные для вычислительных машин./ Член-корреспондент

77. Чехославацкой Академии Наук Ян Юза //Теплоэнергетика, 1967г. , №1, С. 80-86.

78. Фаворский О. Н. Состояние и перспективы развития малой энергетики в России ближайших лет// Технология легких сплавов: Спец. выпуск. М.: Деловой мир 2000, 2002.

79. Фисенко В.В. Аппарат «Фисоник» энергосберегающая технология будущего. Белорусская ассоциация промышленных энергетиков: Информационный бюллетень «Энергия и Менеджмент». Издание январь-март, 1999г.

80. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. М.: Атомиздат, 1978.-160с.

81. Фисенко В.В. Новая энергосберегающая технология в системах отопления и горячего водоснабжения.// Теплоэнергетика, №1, 2000, С. 56-58.

82. Френке Р. Математическое моделирование в химической технологии./Пер. с англ. Бейлиной Д.К., под. ред. К.т.н. Торонцова B.C. М.: Химия, 1971.- 272с.

83. Хайрер Э., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Нежесткие задачи: Пер с англ. — М.: Мир, 1990.-512с.

84. Холпанов Л.П., Запорожец Е.П., Зиберт Г.К. Математическое моделирование нелинейных термогидрогазодинамических процессов в многокомпонентных струйных течениях. М.: Наука, 1998. - 320с.

85. Шаманов Н.П., Лабинский А.Ю., Дядик А.Н. Двухфазные струйные аппараты. Л.: Судостроение, 1987. 203с.

86. Шнайдер Д.А., Барбасова Т.А. Автоматическая система регулирования режимов струйного подогревателя //Системы автоматического управления: Тем. сб. науч. тр. Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003.-С. 52-56.

87. Энергосбережение опыт АУЖКХ треста 42// А.Г. Шафинулин,

88. JI.C. Казаринов и др. Челябинск: АУЖКХ треста 42, 1999. - 120 с i

89. Flielden Т.В. Die Behandlung von Dampfkondensationsanlagen// Arch, fur Enegiewirtschaft. 1989. №12. S.487-500.

90. Gyarmathy G. Kondensationsstoss-Diagramme : fur Wasserdampfstromungen, Forschung auf d. Geb. d. Ing. Wesens,1999, №4.

91. Список сигналов используемой информации

92. НАИМЕНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ОБОЗНАЧЕНИЕ СИГНАЛА ИСТОЧНИК ИНФОРМАЦИИ ПОТРЕБИ ТЕЛЬ ИНФОРМА ЦИИ Визуа лиза-ция ПРИМЕЧАНИЕ1. Аналоговые сигналы

93. Температура холодной воды перед ПСП ТЕ002 2A А1 ЕСТЬ MicroLAN

94. Температура нагретой воды после ПСП ТЕ001 1A А1 ЕСТЬ MicroLAN

95. Текущее положение регулирующего клапана 1И 1HGE 1И, A2 А1 ЕСТЬ токовый 0.5 мА

96. Задание регулятора температуры воды после ПСП PIRef ПЭВМ оператора А1 ЕСТЬ диапазон 20.60°С

97. ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ РЕГУЛЯТОРА Р1Кр ПЭВМ оператора А1 ЕСТЬ

98. Зона нечувствительности регулятора PIZp ПЭВМ оператора А1 ЕСТЬ

99. Ограничение выходного сигнала регулятора PIOutMax ПЭВМ оператора А1 ЕСТЬ диапазон 0.1.001. Дискретные сигналы

100. Конечный выключатель закрытого состояния регулирующего клапана 1И lMClosed 1И А1 нет

101. Конечный выключатель открытого состояния регулирующего клапана 1И 1 HOpened 1И А1 нет

102. Команда включения регулятора температуры воды после ПСП TCRun ПЭВМ оператора А1 нет Импуль сный сигнал

103. Команда выключения регулятора температуры воды после ПСП TCStop ПЭВМ оператора А1 нет Импульсный сигнал

104. В графе «Визуализация» указана необходимость отображения значения сигнала на экране операторской станции.

105. Список сигналов результатов решения

106. Наименование технологического параметра Обозначение сигнала Источник информации Потребитель информации Визуализация1. Дискретные сигналы

107. Сигнал работы системы регулирования температуры воды после ПСП TCRunning А1 ПЭВМ оператора есть

108. Команда открытия регулирующего клапана 1И 1ИОреп А1 1И нет

109. Команда закрытия регулирующего клапана 1И lHClose А1 1И нет

110. В графе «Визуализация» указана необходимость отображения значения сигнала на экране операторской станции.