автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование характеристик многоконтурных систем регулирования параметров газа в технологических комплексах газоавтоматики

На правах рукописи

Смирнов Илья Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОКОНТУРНЫХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ГАЗОАВТОМАТИКИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2012

2 5 ОКТ 2012

005053726

005053726

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Халатов Е. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кобзев А. А.

кандидат технических наук, доцент Носков В.Н.

Ведущая организация: кафедра систем автоматического

управления Тульского государственного университета

Защита состоится «19» сентября 2012 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ) по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ). Автореферат размещен на сайте www.vlsu.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.01.

Автореферат разослан: «8» августа 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^

доктор технических наук, доцент / / / H.H. Давыдов

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Известны многообразные технические устройства, в процессе функционирования которых потребляется сжатый воздух или другие газы. Важным агрегатом этих устройств является система газоснабжения, которая обеспечивает выдачу газа от источника питания, чаще всего газобаллонного, к потребителям. По условиям функционирования потребителя параметры газа, его давление, а в ряде случаев и температура должны лежать в заданных, достаточно узких пределах. Поэтому при разработке линии газоснабжения должна решаться задача создания системы регулирования, которая обеспечит стабилизацию давления, а в ряде случаев — давления и температуры газа на определенных уровнях с заданной точностью в условиях переменности параметров газа в источнике и переменности расхода газа, подаваемого к потребителю.

Основным элементом системы регулирования давления является редуктор давления. Редуктор - это регулятор, имеющий замкнутый контур с обратной связью по выходному низкому давлению. К настоящему времени разработана целая гамма редукторов, отличающихся пропускной способностью по расходу, допустимыми значениями входного высокого давления и диапазоном воспроизводимых значений низкого давления. По мере увеличения пропускной способности редуктора и значений давлений, которые могут быть поданы на его вход, при повышении требований по точности стабилизации редуцированного давления растет техническая сложность редуктора, его габариты, масса и стоимость. Одним го путей преодоления сложностей технического задания при создании системы газоснабжения является построение системы регулирования с использованием нескольких редукторов давления. Такая система является многоконтурной.

Назовем ряд причин, обусловливающих построение системы регулирования давления как многоконтурной. Это, прежде всего, высокие требования по точности поддержания давления. Такие требования предъявляются, например, к системе подачи газа для разгона ротора гироскопа в навигационной системе. Для достижения высокой точности регулирования давления в подобной системе используется двухступенчатая система регулирования, в которой редукторы давления включены последовательно.

Значительные сложности для достижения высокой точности регулирования давления создаются в случае, когда линия газоснабжения имеет протяженные трубопроводы. Исключая га рассмотрения в настоящей работе системы транспортировки природного газа, назовем в качестве примера систему подачи газа в газонаполнительных станциях. Поскольку потери давления на гидравлическом сопротивлении трубопровода зависят от скорости течения газа, то при изменении расхода на потребитель одновременно будет изменяться и давление перед входным дросселем потребителя. Обеспечить высокую точность поддержания давления перед потребителем можно, если систему регулирования построить как двухступенчатую, в которой редуктор второй ступени включен непосредственно перед потребителем.

В некоторых случаях по условиям эксплуатации недопустимо, чтобы рабочее тело имело низкую температуру как на входе в потребитель, так и по длине линии газоснабжения. Недопустим также и высокотемпературный нагрев газа. Рабочее тело, запасенное в газобаллонном источнике под высоким давлением, при редуцировании за счет отрицательного дроссель-эффекта существенно охлаждается. Поддержание температуры газа в определенных пределах на протяжении всей линии газоснабжения возможно, если редуцирование давления осуществлять в несколько ступеней, компенсируя каждый раз влияние отрицательного дроссель-эффекта подогревом газа в теп-

лообменных аппаратах. Именно таким образом построена система газоснабжения газотепловоза, энергетическая установка которого питается природным газом (метаном), получаемым из газобаллонного источника. Эта система включает две подсистемы: многоступенчатую систему регулирования давления и многоступенчатую систему регулирования температуры газа. Каждая из этих подсистем регулирования является многоконтурной.

В приведенных примерах редукторы давления подключены последовательно. Определенные преимущества могут быть получены и в случае, когда редукторы включены параллельно. В такой системе при высокой пропускной способности линии газоснабжения по расходу достигается высокая точность стабилизации давления перед потребителем.

Возможно последовательно-параллельное включение редукторов, когда после первой ступени регулирования линия газоснабжения разветвляется на несколько потребителей и перед каждым потребителем включен редуктор второй ступени. В такой системе может быть обеспечен различный уровень стабилизации давления перед каждым потребителем при разных расходах на потребители.

В общем случае система регулирования параметров газа может иметь достаточно сложную структуру, включать параллельные и последовательные замкнутые контуры регулирования, иметь разветвленную трубопроводную систему, осуществлять функции регулирования как давления, так и температуры газа. В такой системе между отдельными фрагментами существуют внутренние связи не только прямые, но и обратные. Многоконтурная система регулирования параметров газа является единой динамической системой.

Актуальность работы определяется целесообразностью использования многоконтурных систем регулирования параметров газа, которые позволяют создавать линии газоснабжения в условиях высоких требований к точности регулирования и функциональным возможностям линий.

Объект исследования

Объектом исследования настоящей диссертации являются многоконтурные системы регулирования параметров газа в составе линий газоснабжения технических устройств, потребляющих газ. В настоящее время подробно разработаны методы анализа и синтеза одноступенчатых систем регулирования давления газа. Опыт разработки многоконтурных систем является ограниченным. Рассмотрены лишь отдельные варианты построения таких систем. Технические возможности различных схем не выявлены, методики расчета их характеристик и выбора конструктивных параметров отсутствуют.

Цель работы

Целью исследований является повышение эффективности технологических комплексов газоавтоматики на основе использования разработанных методик анализа характеристик многокошурных систем регулирования параметров газа.

Задачи исследований

Для достижения поставленной в работе цели необходимо для каждой разновидности рассматриваемых многоконтурных систем решить следующие задачи:

— построить математические модели, отражающие функционирование систем в различных режимах;

- разработать методики расчета статических характеристик, оценить особенности этих характеристик для каждой разновидности систем;

- выявить влияние на точность регулирования различных факторов, получить рекомендации для повышения точности;

- построить методики оценки устойчивости установившегося режима работы системы, получить рекомендации по повышению устойчивости.

Отметим ряд наиболее характерных особенностей объекта исследования, определяющих своеобразие решений, представленных в настоящей работе.

1. Взаимодействие контуров регулирования, их влияние на точность и устойчивость системы проявляется различным образом в линиях, отличающихся структурой.

2. На точность регулирования давления в мпогоконтурной системе влияют ограничения по расходу в отдельных регуляторах. Это влияние проявляется иначе, чем в одноконтурной системе, и своеобразно в каждой системе, отличающейся структурой.

3. На точность регулирования давления существенно влияют гидравлическое сопротивление трубопроводной системы, которая может иметь разветвленную структуру, а также гидравлическое сопротивление каналов газа теплообменных аппаратов, осуществляющих регулированный подогрев газа.

В работе ограничимся рассмотрением многоконтурных систем трех основных структур: системы регулирования давления с параллельным включением регуляторов, системы регулирования давления и температуры газа с последовательным включением регуляторов давления и исполнителыгых элементов подсистемы регулирования температуры, а также системы с последовательно-параллельным включением регуляторов давления. Методики, представленные в работе, легко расширить и использовать для анализа характеристик систем с более сложной структурой. Такое расширение не потребует каких-либо принципиальных изменений в расчетных методиках.

Построение системы регулирования как многоконтурной позволяет получить характеристики, отвечающие повышенным техническим требованиям. Анализ характеристик и функциональных возможностей многоконтурных систем различных структур, получение рекомендаций по выбору их параметров при проектировании составляют новую научную задачу, имеющую важное практическое значение.

Предмет исследования

Предметом исследования настоящей работы являются статические и динамические характеристики многоконтурных систем регулирования параметров газа в различных режимах функционирования.

К настоящему времени теория систем пневмогазоавтоматики является вполне развитой отраслью технических наук, в рамках которой построены математические модели этих систем и их элементов, даны методики расчета их характеристик и выбора параметров при проектировании. В числе отечественных авторов, внесших существенный вклад в развитие теории пневмогазоавтоматики, следует назвать Е.В. Герц, Г.В. Крейнина, Б.М. Подчуфарова, Ю.Б. Подчуфарова, Ю.Л. Арзуманова, Е.М. Халатова, Г.А. Дрейцера, В.А. Кузьминова и многих других.

Для решения задач, поставленных в диссертации, потребовалось:

- доработать математические модели, даваемые в теории устройств пневмогазоавтоматики, в соответствии с особенностями многоконтурных систем регулирования параметров газа;

- построить новые методики анализа характеристик и выбора параметров, обеспечивающих выполнение требований технического задания.

Научная новизна

Научная новизна диссертации состоит в следующем: построены математические модели функционирования, разработаны методики расчета и проведено исследование характеристик ряда перспективных разновидностей многоконтурных систем регулирования параметров газа, получены рекомендации по выбору параметров этих систем, обеспечивающих требуемую точность регулирования и устойчивость рабочих режимов.

На защиту выносятся:

- математические модели многоконтурных систем регулирования параметров

газа;

- методики расчета характеристик многоконтурных систем;

- результаты анализа характеристик ряда перспективных разновидностей систем регулирования параметров газа;

- рекомендации по выбору параметров рассмотренных в работе систем при проектировании.

Обоснованность и достоверность результатов

Обоснованность и достоверность научных результатов определяется:

- использованием при построении математических моделей и методов исследований фундаментальных физических законов и основных положений теории систем пневмоавтоматики;

- соответствие выявленных аналитически свойств объекта исследования результатам экспериментов.

Практическая полезность

Практическая полезность работы состоит в повышении качества разработок систем регулирования параметров газа, в улучшении характеристик создаваемых систем, сокращении сроков их разработки.

Апробация работы

Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития" (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), на научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2008-2010 гг.), на научно-технических конференциях в ФГБОУ ВПО "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева" (2009-2010 гг.).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 8 научных работ, в том числе две в изданиях по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографическая списка и приложения. Общий объем 167 страниц машинописного текста, включающего 22 рисунка, 11 таблиц, библиографического списка из 42 наименований.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, практическая значимость, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрена система, в которой газ от источника питания к потребителю подается через два параллельно включенных редуктора давления и протяженный трубопровод. Принципиальная схема такой линии газоснабжения показана на рис. 1.

Параллельное включение редукторов имеет цель увеличить пропускную способность линии газоснабжения и избежать благодаря этому необходимости разработки сложного и дорогостоящего большерасходного редуктора. Технические возможности такой линии к настоящему времени практически не изучены.

Основу для аналитического исследования системы составляет ее нелинейная математическая модель. Процессы в полости низкого давления, общей для двух редукторов, определяются уравнениями сохранения энергии и массы газа. Перемещения регулирующих элементов в редукторах определяются уравнениями движения двух механических звеньев. Процессы в протяженном трубопроводе описываются уравнениями газовой динамики для неустановившегося одномерного движения, в которых учтен теплообмен со стенками трубопровода и влияние трения. Записаны уравнения, определяющие тепловые процессы в материале стенок трубопровода. Полученная математическая модель имеет вид:

Л Ш I, р р 1 к-Г Л ) Л Л У

^¡¡г=- - пЛ - Ртр1);

г-Р^а-Р^г-т\2Х2-Р^)-

Фт . о(Рт^т)_А- 5(ртКт) д(рт +ртКт2)_ ?-тРт^т1'/т1.

—Г--1--Г--^ 5 + л г» 9

3/

дх

2£>в

Э*

_5_ 51

¥т_+Рт_) ~ 4ав(7ств ~Тт) 2 рт )\ £>в

\

При описании газовых процессов в полости низкого давления редукторов и трубопровода газ полагается идеальным. Учтены ограничения по площади дросселирующих сечений в клапанных парах редукторов. В уравнениях движения механических звеньев трение учтено "вязкой" и "сухой" составляющими.

Построенная математическая модель достаточно сложна. Она позволяет провести математическое моделирование функционирования объекта исследования, что, однако, довольно трудоемко. Для решения частных задач исследования можно, учитывая особенности объекта, получить более простые зависимости, удовлетворительно отображающие интересующие нас характеристики.

Точность регулирования давления оценивается в установившемся режиме и определяется статической характеристикой, которая выражает величину давления перед потребителем в функции от давления в источнике. Зависимости для расчета статической характеристики получают га нелинейной математической модели при равенстве нулю всех производных по времени. Дополнительно вводятся упрощающие допущения. В протяженном трубопроводе за счет теплообмена с окружающей средой температура газа на относительно небольшом начальном участке становится близкой к температуре окружающей среды. Допустимо положить, что по всей длине трубопровода температура газа равна температуре окружающей среды. Скорость течения газа в трубопроводе невелика и, как правило, по меньшей мере в 10 раз меньше местной скорости звука. Это обстоятельство позволяет считать, что давление газа в каждом сечении трубопровода близко к давлению торможения, а расход газа через входной дроссель потребителя можно определить по известной формуле Сен-Венана. Эти допущения позволяют проинтегрировать дифференциальные уравнения для установившегося течения в трубопроводе. В результате для установившегося режима получена система алгебраических зависимостей, расчет по которым можно реализовать и с применением вычислительной техники и вручную. Частное решение этих уравнений устанавливает связь параметров в режиме настройки. В данной системе настройка должна обеспечить не только требуемый уровень стабилизируемого давления, но и определенное соотношение расходов через редукторы, которые в общем случае могут быть различными. Дается методика практической реализации настройки системы.

Сформирована методика расчета статической характеристики. Назовем основные особенности этой методики. Методика позволяет вести расчет для общего случая, когда в системе задействованы два различных редуктора. Методика учитывает потери полного давления на гидравлическом сопротивлении трубопровода, а также наличие ограничений по величинам дросселирующих сечений в клапанных парах редукторов. Предусмотрена возможность учета "сухой" составляющей трения на подвижных элементах редукторов.

Практическая приемлемость методики оценивалась по конкретному примеру расчета статической характеристики системы с параллельно включенными редукторами, в качестве которых использовались два редуктора с близкими характеристиками

(АР-218 и АР-058), но один из которых (АР-218) имеет заметно большую пропускную способность по расходу. Расчет проводился при расходе сжатого воздуха, равного 0,1 кг/с, при одинаковых в режиме настройки расходах через оба редуктора. На рис. 2 представлены полученные графики статической характеристики системы (р0 — давление в полости редукторов, ртК - давление в конечном сечении трубопровода, рр - давление в источнике).

— *~ . —___

г .--__

/ рт>

5 10 15 20 Рр, МПа

Рис. 2. Статическая характеристика линии газоснабжения с параллельно включенными редукторами давления

При учете "сухого" трения рассчитывается "трубка" статических характеристик, внутри которой располагаются возможные характеристики. Такая "трубка" показана на рис. 2 пунктиром.

В процессе расчетов установлено, что при низких значениях входного давления наступает ограничение по величине дросселирующего сечения в клапанной паре редуктора АР-054. Однако поскольку другой редуктор при этом работает в "линейной зоне", это ограничение практически не влияет на статическую характеристику.

С использованием разработанной методики проведены числовые исследования статической точности системы с параллельно включенными редукторами. Точность оценивалась по величине рабочего диапазона входного давления, в пределах которого система сохраняет свои регулирующие свойства, а также по величине максимальной статической ошибки регулирования внутри этого рабочего диапазона. Приведем основные результаты исследования.

Показано, что в системе с двумя параллельно включенными редукторами при равных расходах газа через каждый из них статическая характеристика по двум названным показателям оказывается не хуже, чем в системе с одним из задействованных редукторов при половинном расходе газа.

Выявлено, что при параллельном подключении к основному редуктору дополнительного малорасходного редуктора можно заметно уменьшить максимальную погрешность регулирования внутри рабочего диапазона изменения входного давления. Сказанное иллюстрируется графиками на рис. 3, где график (1) получен для системы с одним редуктором (АР-218), а другой (2) при параллельном подключении к нему малорасходного (АР-054) редуктора, расход через который составлял лишь 10 % от общего.

5 10 15 20 рр МПа

Рис. 3. К анализу влияния на статическую характеристику параллельного подключения к основному редуктору малорасходного дополнительного редуктора

Устойчивость установившихся режимов системы можно оценивать по линейной модели. Линеаризация исходной нелинейной модели должна производиться в окрестностях режима, наиболее опасного по устойчивости. Установлено, что этот режим имеет место при наибольших значениях давления и температуры газа на входе в систему, а также при наименьшем объеме цепи низкого давления. Последнее условие реализуется в тех случаях, когда трубопровод к потребителю имеет небольшую длину, что позволяет пренебречь распределением параметров газа по цепи низкого давления. При построении линеаризованной модели сухое трение не учитывается. Пренебрежение сухим трением компенсируется завышением коэффициента вязкого трения в соответствии с известной методикой. После преобразований линеаризованная модель приводится к структурной схеме, представленной на рис. 4.

Коэффициенты и постоянные времени схемы выражаются через конструктивные параметры системы и значения переменных в установившемся режиме.

Рис. 4. Структурная схема линейной модели системы с параллельно включенными редукторами

Линейная модель, предназначенная главным образом для анализа устойчивости, может быть использована и для выявления качественного влияния параметров на статическую точность системы. Получено выражение для общего коэффициента усиления разомкнутого контура, величина которого существенно влияет на статические ошибки. Анализ, проведенный по линейной модели, дал результаты в хорошем соответствии с данными исследования статических характеристик.

Задача об устойчивости данной системы легко решается, если в ней задействованы два одинаковых редуктора. Для этого случая получена формула, ограничивающая выбор параметров по условиям устойчивости. Для общего случая даны рекомен-

дации по начальному выбору параметров, обеспечивающих устойчивость. Результаты начального выбора следует уточнять моделированием с использованием структурной схемы, представленной на рис. 4.

Проведено экспериментальное исследование характеристик системы с двумя параллельно включенными редукторами, в качестве которых использовались образцы АР-058 и АР-171. Характеристики редукторов заметно отличаются. Один из них (АР-171) способен обеспечить более высокую статическую точность и обладает более высокой пропускной способностью. Исследовались статические характеристики и динамические свойства системы. Статические характеристики снимались при различных расходах как при работе отдельных ветвей системы, так и при включении двух параллельных ветвей. Анализировались при этом и переходные процессы. Расходы сжатого воздуха по параллельным ветвям обеспечивались одинаковыми.

Полученные данные экспериментов хорошо согласуются с результатами аналитического исследования. При параллельном включении редукторов и удвоенном расходе газа статические характеристики системы не хуже, чем в системе с одним редуктором при половинном расходе. Анализ переходных процессов подтвердил, что если обеспечены запасы устойчивости системы при работе каждой отдельной ветви, то при работе системы с параллельным включением ветвей, при объединении объемов цепей низкого давления и при суммарном расходе, запасы устойчивости также будут обеспечены.

Во второй главе рассматривается линия газоснабжения с последовательно включенными ступенями регулирования давления и регулируемого подогрева газа (рис. 5). В такой системе обеспечивается высокая точность поддержания температуры и давления газа на входе в потребитель.

Реальная система может иметь и более простую схему, чем показанная на рис. 5. Количество ступеней регулирования давления и температуры может быть меньшим, трубопроводы могут быть короткими.

Глава содержит методики решения задач синтеза данной системы применительно к начальной стадии разработки, когда определяется структура ее подсистем, формируются требования к характеристикам подсистем и их элементов, выбираются или проектируются заново элементы, формируются замкнутые кошуры регулирования в системе.

Рис. 5. Принципиальная схема линии газоснабжения с последовательно включенными ступенями регулирования давления и температуры. ИП - источник питания; ТА-И, ТА-1, ТА-2, ТА-3 - теплообменные аппараты; РД-1, РД-2, РД-3 - редукторы давления; Др-дроссель потребителя

Перед входом в каждый редуктор газ подогревается в теплообменном аппарате (ТА). Теплоносителем являются вода или антифриз. Регулирование подогрева может осуществляться изменением расхода или температуры теплоносителя. В диссертации

ип

предпочтение отдается второму способу, простому в реализации. Принципиальная схема подсистемы регулирования температуры приведена на рис. 6.

В данной схеме нет замкнутого контура по температуре газа. В системе обеспечивается регулирование температуры в гидробаке, и за счет этого стабилизируется температура теплоносителя на входах в ТА. При высокой тепловой производительности ТА температура газа на их выходах близка к температуре теплоносителя на их входах, поэтому удается обеспечить достаточно узкий диапазон возможных изменений температуры газа. Этот вариант построения подсистемы, наиболее простой в реализации, полагается в работе основным. Рассмотрена также возможность построения подсистемы с замкнутыми контурами по температуре газа на выходах из ТА.

Рис. 6. Принципиальная схема подсистемы регулирования температуры. ГБ - гидробак; Н - насос; ПК - переливной клапан; ТЭН - нагревательный элемент, ДТ - датчик температуры; У - усилитель; БУ - блок управления; РУ - реле управления; ДР — дроссель; ТА - теплообменкые аппараты; Сг, С7Ж - массовые расходы газа и жидкого теплоносителя

В работе рассматривается вариант разработки структуры линии для случая, когда по условиям эксплуатации наложены ограничения на минимальное и максимальное значения температуры газа на всем протяжении линии. Из условия выполнения этого требования выбирается число ступеней редуцирования и подогрева газа, назначаются значения степеней редуцирования и величины температуры газа и теплоносителя в номинальном рабочем режиме. При решении этой задачи необходимо учитывать реальность теплофизических свойств газа. Приводятся необходимые зависимости и дается решение конкретного примера. Детализируя требования к подсистеме регулирования температуры, определяют значения потребного расхода теплоносителя для каждого ТА. Этот расчет также необходимо вести с учетом реальности газа, проявляющейся в изменении его теплоемкости в функции от температуры и плотности.

В принятой схеме подсистемы погрешности регулирования температуры газа зависят от тепловой производительности ТА. Рассмотрены конкретные примеры расчета конструктивных параметров ТА, из которых следует, что если задать допустимую ошибку,, стабилизации температуры, возникающую за счет изменения расхода газа в 3+3,5 %, то конструкция ТА реализуется в практически приемлемых габаритах. Если это требование ужесточить, то потребная площадь теплообмена резко возрастает, конструкция ТА становится нереально громоздкой.

Для анализа динамики подсистемы регулирования температуры построена математическая модель, которая приведена к структурной схеме. Подсистема работает в режиме периодических включений. Получены зависимости, связывающие параметры этого режима с конструктивными параметрами, что позволяет решать задачу выбора последних исходя из условий по периодичности включений. Приводятся результаты соответствующего расчета.

Построена также структурная схема для- другого варианта подсистемы, когда обратная связь в подсистеме заводится по выходной температуре газа из ТА. В то же время динамика этого варианта существенно усложняется за счет того, что в замкнутый контур включается звено, учитывающее транспортное запаздывание в трубопроводе теплоносителя. Показано, что этот вариант может быть использован лишь в том случае, если длина этого трубопровода невелика. При этом скорость течения теплоносителя должна быть высокой, что увеличивает потребную мощность для подачи жидкости. Заметим, что этот вариант может быть использован лишь тогда, когда в каждый ТА жидкость подается го отдельного гидробака.

При исследовании подсистемы регулирования давления сначала рассматривается ее базовый фрагмент, который включает редуктор давления, протяженный трубопровод и канал газа ТА (рис. 7). Расход газа на выходе фрагмента ограничивается дросселем, которым может быть либо дроссель потребителя, либо дросселирующее сечение клапанной пары следующей ступени редуцирования.

подсистемы регулирования давления.

1 - редуктор; 2 - трубопровод; 3 - канал газа ТА; 4 - выходной дроссель

Нелинейная математическая модель базового фрагмента строится при тех же допущениях, что и модель системы, рассмотренной в 1-й главе, и включает математическое описание процессов в редукторе, трубопроводе и канале газа ТА. Предусмотрена возможность учета влияния на динамику рассоединения подвижных частей, наличие сухого трения, ограничение по величине дросселирующего сечения потока на входе в редуктор.

При упрощениях, аналогичных сделанным в первой главе, зависимости для расчета параметров установившегося режима получены в виде:

Рв>В0 И)выЛ ТВ ¿НРрО+^в

где

ЯТА =

3ТА

г. 2 АО ^-ТА^ТА

'ТАК

Д

уел

//т =

Ив,

Рро

_ Рро

.2 Тз ^-Т^Г .

о р: >

- _ •'ТАК иВ Р в

Предложена методика расчета статической'характеристики фрагмента, в котором учитываются потери полного давления на гидравлических сопротивлениях трубопровода и канала газа ТА, влияние сухого трения в редукторе, ограничение по величине дросселирующего сечения. Приводится числовой пример расчета статической характеристики.

Построена линейная модель базового фрагмента для случая, когда распределенностью параметров газа в трубопроводе и канале ТА можно пренебречь. При этом входное давление и площадь выходного дросселя рассматриваются как переменные процесса. Модель приведена к структурной схеме, которая дается на рис. 8. Параметры схемы выражаются через конструктивные параметры и значения переменных в установившемся режиме.

Рис. 8. Структурная схема линейной моделі базового фрагмента

Линейная модель строится, главным образом, для оценки устойчивости. Показано, что с ее использованием можно также проследить влияние параметров на статическую точность регулирования, на вид статической характеристики. Выявлено соотношение параметров, при котором вся статическая характеристика лежит ниже уровня настройки. Дается зависимость, накладывающая ограничения на выбор параметров по условию устойчивости.

В многоступенчатой подсистеме регулирования давления последовательно включены два или три базовых фрагмента, каждый из которых отличается значениями параметров, имеет свои конструктивные особенности, но приводится к одинаковой расчетной схеме, представленной ранее на рис. 7. Математическая модель многоступенчатой подсистемы строится как совокупность моделей этих фрагментов с учетом их взаимного влияния.

Получена система алгебраических зависимостей, определяющих значения переменных в установившемся режиме. В этом режиме обратное влияние последующей ступени на предыдущую выражается в том, что с появлением статической ошибки, допустим, в первой ступени в редукторе второй ступени изменяется площадь впускного отверстия, что приводит к изменению статической характеристики первой ступени. Однако, как показали расчеты, количественное влияние этой связи на характеристику всей системы малозначительно. При неучете этого влияния сформирована достаточно простая методика расчета статической характеристики многоступенчатой

подсистемы регулирования давления. Методика учитывает, что в области низких давлений в газобаллонном источнике наступает ограничение по площади входного отверстия сначала в редукторе первой ступени, а затем в последующих ступенях. Этот фактор в значительно» мере влияет на нижний предел рабочего диапазона системы по входному давлению.

Методика опробована на числовом примере расчета статической характеристики двухступенчатой подсистемы. График полученной характеристики дается на рис. 9.

М1Ь

0 1 2 20 до.МПа

Рис. 9. Статическая характеристика двухступенчатой подсистемы регулирования давления

Показанные на рисунке величины р5, р5 являются значениями давления в газобаллонном источнике, при которых возникают ограничения по площади дросселирующего сечения потока в редукторах первой и второй ступеней. При входном давлении, меньшим р*6, редуктор первой ступени теряет свои регулирующие свойства.

Однако в некотором диапазоне входного давления система продолжает удерживать выходное давление на номинальном уровне за счет регулирующих свойств второй ступени. Отметим также, что многоступенчатая подсистема регулирования давления в рабочем диапазоне изменения входного давления обеспечивает весьма высокую точность поддержания выходного давления. Негативное влияние на точность регулирования может оказать сухое трение, причем влияет практически лишь сухое трение в оконечной ступени подсистемы.

Структурная схема линейной модели многоступенчатой подсистемы регулирования давления может быть получена путем объединения в одну нескольких схем базовых фрагментов с учетом внутренних связей между ступенями. Такая схема для двухступенчатой подсистемы представлена на рис. 10.

Рис. 10. Струюурная схема линейной модели двухступенчатой подсистемы регулирования давления

Возмущающими воздействиями для подсистемы являются изменение давления на входе первой ступени и изменение площади выходного дросселя второй ступени.

Наличие внутренних связей между ступенями приводит к образованию в структурной схеме подсистемы дополнительных замкнутых контуров, обратная связь по которым положительная. Значения произведения коэффициентов в этих контурах невелики, и их негативное влияние на устойчивость незначительно.

Необходимым условием устойчивости подсистемы является устойчивость всех ее ступеней, при рассмотрении каждой из них как независимого устройства. Зависимости, ограничивающие выбор параметров отдельной ступени по условиям устойчивости, получены при рассмотрении базового фрагмента. Назначая параметры подсистемы, необходимо обеспечить выполнение этих условий, создавая при этом необходимые запасы устойчивости. Затем устойчивость всей подсистемы проверяется моделированием с использованием объединенной структурной схемы. В случае необходимости запасы устойчивости подсистемы могут быть увеличены за счет увеличения объемов цепей низкого давления ступеней. Наиболее эффективно при этом увеличение объема в первой ступени.

В третьей главе диссертации рассматривается линия газоснабжения с последовательно-параллельным включением редукторов. Линия обеспечивает газом несколько потребителей при высокой точности стабилизации давления на их входах. Уровни давления газа, подаваемого к потребителям, могут быть различными. На рис. И приведена принципиальная схема такой линии газоснабжения с четырьмя потребителями.

В данной системе точность стабилизации давления перед некоторым потребителем зависит от режимов работы других потребителей, подача газа к которым может периодически прерываться. Негативное влияние этого фактора ослабляется либо увеличением диаметра основного трубопровода, либо ужесточением требований к точности редукторов. Компромисс при выборе параметров трубопровода и редукторов давления можно найти, анализируя статические характеристики системы.

Рис. 11. Схема линии газоснабжения с последовательно-параллельным включением редукторов. ИП - источник питания; РД-0 - редуктор первой ступени (общий); РД-1, РД-2, РД-3, РД-4 - редукторы потребителей; Др1, Др2, ДрЗ, Др4- дроссели потребителей

Математическая модель функционирования системы включает дифференциальные уравнения для процессов в редукторах, которые аналогичны уравнениям, представленным в предыдущих главах, а также приведенные ниже зависимости, определяющие процессы в трубопроводной системе (для7-го участка основного трубопровода и ¡'-го бокового трубопровода):

дРо/г , 4>0/г*0 я)_о; г(эол Уг) | д(ро/т + Род Урд) _ ^оуРоя^т!' 81 ' д< 2ОВ0;

ОуТ .

Род

"о/т -

Го Я

РодУод

у2

и , о/г Род

"0Д+—Г- +-

2 Роя

_ ^(Гсг;-Т0д).

■'ьо/

еРп , 5(р,т^т) 0. а(р,т^т) , а(рп- +Р,т^т) ^Р.т^/тЫ .

Ря

кя

РггКі

„ + ^т , Ат Щ-Г+—+— 2 Ря

_4а,(Гст-Гп-)

Из этих уравнений следует система зависимостей, определяющих статические характеристики. Основная трудность при их расчете создается за счет сложности разветвления трубопроводной системы.

Как было показано в предыдущей главе, двухступенчатое регулирование обеспечивает весьма высокую точность стабилизации давления перед потребителем. При наличии протяженных трубопроводов температура газа в них за счет теплообмена быстро принимает температуру, равную температуре окружающей среды. В этих условиях может быть введено допущение о том, что в рабочем диапазоне изменения давления в источнике расход газа на потребитель постоянен. Это допущение вместе с допущением о постоянстве в статике температуры газа в трубопроводной системе позволило сформировать достаточно простую методику расчета статических характеристик системы.

Представленные на рис. 12 графики характеристик первой ступени иллюстрируют влияние режимов работы всех потребителей на статику отдельного редуктора. Графики 1 и 3 воспроизводят в функции от давлення в источнике давление в полости редуктора первой ступени при работе всех потребителей (<7=16103 кг/с) и лишь одного четвертого (<7=4-10"3 кг/с). Графики 2 и 4 воспроизводят давление перед редуктором четвертого потребителя в тех же условиях. Показано, что если в системе задействованы высокоточные редукторы потребителей, то такие изменения давления на их входах мало влияют на точность стабилизации давления перед потребителем. Если редукторы потребителей не обладают высокой точностью, то лишь за счет взаимного влияния редукторов дополнительная погрешность стабилизации давления перед потребителем может достигать 7*8 % от номинального уровня. Предложенная методика позволяет обоснованно выбирать типы редукторов и назначать параметры трубопроводов при разработке системы.

Рис. 12. Статические характеристики первой ступенирегулирования давления

Линейная модель, предназначенная для решения задачи об устойчивости, построена для случая, когда протяженность трубопроводов в системе невелика и распределенностью параметров газа в них можно пренебречь. Модель приведена к структурной схеме, которая представлена на рис. 13. Возмущающими воздействиями в схеме являются изменения давления в газобаллонном источнике и площадей дросселей четырех потребителей газа.

АС

Г../..1

*п М©

т т'ір'' * 1

Г.У * • >

** бЬ ль.

И Г41я*1 с-! * * і

Рис. 13. Структурная схема линейной модели линии с последовательно-параллельным включением редукторов

Решение задачи об устойчивости может быть реализовано по методике, аналогичной изложенной в предыдущей главе. Необходимым условием устойчивости системы является устойчивость отдельных условно независимых фрагментов: первой ступени и четырех ветвей второй ступени редуцирования. По этим условиям даются зависимости, ограничивающие выбор параметров. Связи между этими фрагментами создают дополнительные замкнутые контуры в системе, что может влиять на устойчивость.

Проводя моделирование с использованием приведенной структурной схемы, можно уточнить параметры системы и, в случае необходимости, увеличить запасы устойчивости в ней. Это увеличение легко достигается включением дополнительных объемов в цепи низкого давления редукторов. При этом, как и в предыдущем случае, наиболее эффективно включение такой емкости в цепь редуктора первой ступени.

Заключение

В диссертационной работе были получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Построена система математических моделей, обеспечивающая решение задач анализа и синтеза систем регулирования параметров газа в линиях газоснабжения следующих разновидностей:

— с параллельным включением редукторов давления газа;

— с последовательно включенными редукторами давления и теплообменным аппаратом для регулирования подогрева газа;

— с последовательно-параллельным включением редукторов давления.

Построенные модели учитывают влияние на характеристики присутствие протяженных трубопроводов, сухого трения на подвижных частях редукторов, ограничения по площади дросселирующих сечений в клапанных парах, возможность рассоединения подвижных частей в редукторах в переходных процессах, переменность расхода газа на потребители и параметров газа в источнике питания.

2. Для всех разновидностей систем регулирования предложены методики расчета статических характеристик, определяющих точность регулирования параметров газа. Методы иллюстрированы числовыми примерами.

Выявлено влияние на точность регулирования параметров системы и особенностей ее структурного построения. Даны рекомендации для обеспечения необходимой точности регулирования при разработке системы.

3. Построена методика анализа устойчивости установившихся режимов всех рассмотренных разновидностей систем. Выявлено влияние структурных особенностей систем и их конструктивных параметров на устойчивость. Предложены технические средства и методики выбора параметров, обеспечивающих устойчивость установившихся режимов рассмотренных систем.

4. Проведены экспериментальные исследования системы с параллельно включенными редукторами давления. Результаты экспериментов хорошо согласуются с данными по точности и устойчивости системы, полученные при расчете.

5. Построенные в работе математические модели и расчетные методики, рекомендации по выбору структуры и конструктивных параметров систем регулирования параметров газа нашли практическое применение и используются при разработке перспективных линий газоснабжения на предприятии КБ "Арматура", филиале ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, что подтверждается соответствующим актом в Приложении к настоящей работе.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях автора:

Статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК

1. Смирнов И.В. Методика расчета статической характеристики линии газоснабжения с протяженным трубопроводом / И.В. Смирнов, В.И. Чекмазов, Е.М. Халатов // Инженерный журнал. - М.: Машиностроение, 2011. - № 3 (168). - С. 10-14.

2. Смирнов, И.В. Анализ устойчивости системы с последовательно включенными регуляторами давления газа // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012 -№3.-С. 159-163.

Публикации в остальных изданиях

3. Смирнов И.В. Анализ характеристик линии газоснабжения с параллельно включенными редукторами / И.В. Смирнов, В.И. Чекмазов // Вестник ТулГУ. Сер. "Системы управления". - 2007. - Вып. 1.-С. 179-186.

4. Смирнов И.В. Математические модели и анализ устойчивости регулирования давления с параллельно включенными редукторами / И.В. Смирнов, Е.М. Халатов, В.И. Чекмазов // Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: сб. науч. тр. - СПб., 2008. - С. 153-159.

5. Смирнов И.В. Анализ режимов работы подсистемы регулирования температуры в линии газоснабжения / И.В. Смирнов, В.И. Чекмазов // Вестник ТулГУ. Сер. "Системы управления" - 2008. - Вып. 1. - С. 165-172.

6. Смирнов И.В. Расчет статических характеристик линии газоснабжения с параллельно-последовательным включением редукторов давления / И.В. Смирнов, A.B. Кшнякин, В.И. Чекмазов // Вестник ТулГУ. Сер. "Системы управления". - 2008 -Вып. 1.-С. 178-187.

7. Смирнов И.В. Повышение точности регулирования давления в большерас-ходных пневмосистемах / И.В. Смирнов, Е.М. Халатов, В.И. Чекмазов // Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии: сб. науч. тр. IX междунар. научно-техн. конф. - Ростов-н/Д: ДГТУ, 2010. - С. 773-779.

8. Смирнов И.В. Анализ точности системы с параллельно включенными редукторами давления / И.В. Смирнов, Е.М. Халатов, В.И. Чекмазов // Гидропневмоавтоматика и гидропривод: сб. науч. тр. - Ковров: ГОУ ВПО "КГТА им. В.А. Дегтярева" 2010.-С. 268-277.

Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 06.07.2012 г. Формат 60x80/16. Бумага писчая №1. Гарнитура "Тайме". Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,18. Тираж 100 экз. Заказ № 890.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А.Дегтярева" 601910, Ковров, ул. Маяковского, 19

Введение.

Глава 1. Анализ характеристик линии газоснабжения с параллельно включенными редукторами давления.

1.1. Предварительные замечания.

1.2. Нелинейная математическая модель функционирования.

1.3. Методика расчета и анализ статических характеристик.

1.4. Линеаризованная модель и анализ устойчивости системы.

1.5. Экспериментальные исследования системы регулирования давления газа с параллельно включенными редукторами.

Известны многообразные технические устройства, в процессе функционирования которых потребляется сжатый воздух или другие газы. Важным агрегатом этих устройств является система газоснабжения, которая обеспечивает выдачу газа от источника питания, чаще всего газобаллонного, к потребителям. По условиям функционирования потребителя параметры газа, его давление, а в ряде случаев и температура должны лежать в заданных, достаточно узких пределах. Поэтому при разработке линии газоснабжения должна решаться задача создания системы регулирования, которая обеспечит стабилизацию давления, а в ряде случаев давления и температуры газа на определенных уровнях с заданной точностью в условиях переменности параметров газа в источнике и переменности расхода газа, подаваемого к потребителю.

Основным элементом системы регулирования давления является редуктор давления. Редуктор - это регулятор, имеющий замкнутый контур с обратной связью по выходному низкому давлению [2, 26]. К настоящему времени разработана целая гамма редукторов, отличающихся пропускной способностью по расходу, допустимыми значениями входного высокого давления и диапазоном воспроизводимых значений низкого давления. По мере увеличения пропускной способности редуктора и значений давлений, которые могут быть поданы на его вход, при повышении требований по точности стабилизации редуцированного давления растет техническая сложность редуктора, его габариты и масса, его стоимость. Одним из путей преодоления сложностей технического задания при создании системы газоснабжения является построение системы регулирования с использованием нескольких редукторов давления. Такая система является многоконтурной [12].

Назовем ряд причин, обуславливающих построение системы регулирования давления как многоконтурной. Это прежде всего высокие требования по точности поддержания давления. Такие требования предъявляются, например, к системе подачи газа для разгона ротора гироскопа в навигационной системе. Для достижения высокой точности регулирования давления в подобной системе используется двухступенчатая система регулирования, в которой редукторы давления включены последовательно.

Значительные сложности для достижения высокой точности регулирования давления создаются в случае, когда линия газоснабжения имеет протяженные трубопроводы. Исключая из рассмотрения в настоящей работе системы транспортировки природного газа, назовем в качестве примера систему подачи газа в газонаполнительных станциях. Поскольку потери давления на гидравлическом сопротивлении трубопровода зависят от скорости течения газа, то при изменении расхода на потребитель одновременно будет изменяться и давление перед входным дросселем потребителя. Обеспечить высокую точность поддержания давления перед потребителем можно, если систему регулирования построить как двухступенчатую, в которой редуктор второй ступени включен непосредственно перед потребителем.

В некоторых случаях по условиям эксплуатации недопустимо, чтобы рабочее тело имело низкую температуру как на входе в потребитель, так и по длине линии газоснабжения [35]. Недопустим также и высокотемпературный нагрев газа. Рабочее тело, запасенное в газобаллонном источнике под высоким давлением, при редуцировании за счет отрицательного дроссель-эффекта существенно охлаждается. Поддержание температуры газа в определенных пределах на протяжении всей линии газоснабжения возможно, если редуцирование давления осуществлять в несколько ступеней, компенсируя каждый раз влияние отрицательного дроссель-эффекта подогревом газа в теплообменных аппаратах. Именно таким образом построена система газоснабжения газотепловоза, энергетическая установка которого питается природным газом (метаном), получаемым из газобаллонного источника. Эта система включает две подсистемы: многоступенчатую систему регулирования давления и многоступенчатую систему регулирования температуры газа. Каждая из этих подсистем регулирования является многоконтурной. Заметим, что если система регулирования обеспечивает стабилизацию давления и температуры газа перед потребителем, то тем самым при постоянном входном дросселе потребителя достигается и постоянство расхода газа.

В приведенных примерах редукторы давления подключены последовательно. Определенные преимущества могут быть получены и в случае, когда редукторы включены параллельно. В такой системе при высокой пропускной способности линии газоснабжения по расходу достигается высокая точность стабилизации давления перед потребителем.

Возможно последовательно-параллельное включение редукторов, когда после первой ступени регулирования линия газоснабжения разветвляется на несколько потребителей и перед каждым потребителем включен редуктор второй ступени. В такой системе может быть обеспечен различный уровень стабилизации давления перед каждым потребителем при разных расходах на потребители.

В общем случае система регулирования параметров газа может иметь достаточно сложную структуру, включать параллельные и последовательные замкнутые контуры регулирования, иметь разветвленную трубопроводную систему, осуществлять функции регулирования как давления, так и температуры газа. В такой системе между отдельными фрагментами существуют внутренние связи не только прямые, но и обратные. Многоконтурная система регулирования параметров газа является единой динамической системой.

Объектом исследования настоящей диссертации являются многоконтурные системы регулирования параметров газа в составе линий газоснабжения технических устройств, потребляющих газ. В настоящее время подробно разработаны методы анализа и синтеза одноступенчатых систем регулирования давления газа. Опыт разработки многоконтурных систем является ограниченным. Рассмотрены лишь отдельные варианты построения таких систем. Технические возможности различных схем не выявлены, методики расчета их характеристик и выбора конструктивных параметров отсутствуют.

Актуальность работы определяется целесообразностью использования многоконтурных систем регулирования параметров газа, которые позволяют создавать линии газоснабжения в условиях высоких требований к точности регулирования и функциональным возможностям линий.

Целью исследования является анализ особенностей характеристик и функциональных возможностей различных схем построения многоконтурных систем регулирования параметров газа, что позволит обеспечить обоснованный выбор схемы системы и назначение ее основных параметров при разработке линии газоснабжения.

Отметим ряд наиболее характерных особенностей объекта исследования, определяющих своеобразие решений представленных в настоящей работе.

1. Взаимодействие контуров регулирования, их влияние на точность и устойчивость системы проявляется различным образом в линиях, отличающихся структурой.

2. На точность регулирования давления в многоконтурной системе влияют ограничения по расходу в отдельных регуляторах. Это влияние проявляется иначе, чем в одноконтурной системе, и своеобразно в каждой системе, отличающейся структурой.

3. На точность регулирования давления существенно влияют гидравлическое сопротивление трубопроводной системы, которая может иметь разветвленную структуру, а также гидравлическое сопротивление каналов газа теплообменных аппаратов, осуществляющих регулированный подогрев газа.

В работе ограничимся рассмотрением многоконтурных систем трех основных структур: системы регулирования давления с параллельным включением регуляторов, системы регулирования давления и температуры газа с последовательным включением регуляторов давления и исполнительных элементов подсистемы регулирования температуры, и системы с последовательно-параллельным включением регуляторов давления. Методики, представленные в работе, легко расширить и использовать для анализа характеристик систем с более сложной структурой. Такое расширение не потребует каких-либо принципиальных изменений в расчетных методиках.

Построение системы регулирования как многоконтурной позволяет получить характеристики, отвечающие повышенным техническим требованиям. Анализ характеристик и функциональных возможностей многоконтурных систем различных структур, получение рекомендаций по выбору их параметров при проектировании составляют новую научную задачу, имеющую важное практическое значение.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо для каждой разновидности рассматриваемых многоконтурных систем решить следующие задачи:

- построить математические модели, отражающие функционирование систем в различных режимах;

- разработать методики расчета статических характеристик, оценить особенности этих характеристик для каждой разновидности систем;

- выявить влияние на точность регулирования различных факторов, получить рекомендации для повышения точности;

- построить методику оценки устойчивости установившегося режима работы системы, получить рекомендации по повышению устойчивости.

Предметом исследования настоящей работы являются математические модели, отражающие функционирование систем в различных режимах, статические и динамические характеристики многоконтурных систем регулирования параметров газа.

К настоящему времени теория систем пневмогазоавтоматики является вполне развитой отраслью технических наук. Назовем здесь лишь некоторые работы, которые составили теоретическую основу настоящего исследования.

В работах Е.В. Герц и Г.В. Крейнина [9, 27] изложены основы построения математических моделей и методики расчета характеристик устройств пневмоавтоматики. В работах Б.М. Подчуфарова и Ю.Б. Подчуфа-рова [23, 24] построены математические модели и методики расчета с учетом реальности теплофизических свойств в устройствах газоавтоматики. Задачи построения математического описания и анализа процессов в теп-лообменных аппаратах рассмотрены во многих учебных изданиях [13, 20], а также в работах Г.А. Дрейцера, В.А. Кузьминова, В.К. Кошкина [10, 36]. В работах Ю.Л. Арзуманова и Е.М. Халатова представлены методики проектирования элементов систем газоснабжения [1, 2], предложены инженерные методики учета влияния гидравлических сопротивлений трубопроводов на характеристики линий газоснабжения в системах пневмоавтоматики [16, 22].

Для решения задач, поставленных в диссертации, потребовалось:

- доработать математические модели, даваемые в теории устройств пневмогазоавтоматики, в соответствии с особенностями многоконтурных систем регулирования параметров газа;

- построить новые методики анализа характеристик и выбора параметров, обеспечивающих выполнение требований технического задания.

Научная новизна диссертации состоит в следующем: построены математические модели функционирования, даны методики расчета и проведено исследование характеристик ряда перспективных разновидностей многоконтурных систем, регулирования параметров газа, получения рекомендации по выбору параметров этих систем, обеспечивающих требуемую точность регулирования и устойчивость рабочих режимов.

На защиту выносятся:

- математические модели многоконтурных систем регулирования параметров газа;

- методики расчета характеристик многоконтурных систем;

- результаты анализа характеристик ряда перспективных разновидностей систем регулирования параметров газа;

- рекомендации по выбору параметров рассмотренных в работе систем при проектировании.

Обоснованность и достоверность научных результатов определяется:

- использованием при построении математических моделей и методов исследований фундаментальных физических законов и основных положений теории систем пневмоавтоматики;

- соответствие выявленных аналитически свойств объекта исследования результатам экспериментов.

Практическая полезность работы состоит в повышении качества разработок систем регулирования параметров газа, в улучшении характеристик создаваемых систем, сокращении сроков их разработки.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития" (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), на научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2008-2010 г.г.), на научно-технических конференциях в Ковровской государственной технологической академии (2009-2010 г.г.). По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в которых изложены ее основные результаты [30, 31, 32, 33, 34, 43, 44, 45].

Диссертация содержит 3 главы.

В первой главе рассмотрена система, в которой газ подается к потребителю через два параллельно включенных регулятора и протяженный трубопровод. Показано, что при таком включении может быть повышена пропускная способность линии без потери точности регулирования давления. Выявлена возможность повышения статической точности регулирования за счет параллельного подключения к основному редуктору малорасходного дополнительного редуктора. Проведен анализ устойчивости и дана методика назначения параметров системы, при которых обеспечивается устойчивость установившихся режимов функционирования. Приводятся результаты экспериментов, подтверждающие аналитически выявленные свойства системы.

Во второй главе рассмотрена система с последовательным включением ступеней регулирования давления и температуры. Предложена методика решения задачи рационального выбора числа ступеней регулирования и назначения требований к их характеристикам. Исследована подсистема регулирования температуры, в которой температура газа регулируется за счет изменения температуры теплоносителя. Анализируются режимы функционирования вариантов этой подсистемы. Дается методика расчета параметров теплообменных аппаратов в составе подсистемы регулирования температуры. Исследовано влияние на точность регулирования давления конструктивных параметров регуляторов отдельных ступеней, гидравлических сопротивлений трубопроводов и каналов газа в теплообменных аппаратах, сухого трения на подвижных частях редукторов давления, ограничений по площадям дросселирующих сечений в редукторах. Определена последовательность решения задачи об устойчивости системы.

В третьей главе рассмотрена линия с последовательно-параллельным включением регуляторов давления. Система обеспечивает подачу газа к нескольким потребителям при двухступенчатом редуцировании давления газа. Первая ступень редуцирования реализуется одним, общим для всех потребителей болыперасходным редуктором. Вторая ступень реализуется для каждого потребителя отдельным редуктором. Система имеет разветвленный трубопровод. Построена методика расчета статических характеристик системы, исследовано взаимное влияние расходов потребителей на статические характеристики по отдельным выходам. Дана методика выбора параметров, обеспечивающих устойчивость установившихся режимов функционирования.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Анализ характеристик линии газоснабжения с параллельно включенными редукторами давления.

Заключение

Приведем в кратком изложении основные результаты диссертации.

1. Построена система математических моделей, обеспечивающих решение задач анализа и синтеза системы регулирования давления в линии газоснабжения с двумя параллельно включенными редукторами давления и протяженным трубопроводом.

2. Получены математические зависимости и предложена методика расчета статической характеристики системы с параллельно включенными редукторами и протяженным трубопроводом. Проведен анализ, подтвердивший что в данной системе при увеличенной пропускной способности обеспечивается высокая точность поддержания регулируемого давления. Определен порядок решения задачи об устойчивости при разработке системы, и даны рекомендации по средствам обеспечения устойчивости. Практическая приемлемость методик и достоверность математического описания подтверждена решением конкретных примеров и результатами экспериментальных исследований.

3. Определена совокупность задач проектировочного расчета и порядок их решения при создании системы регулирования параметров газа с последовательно включенными ступенями регулирования давления и температуры. На конкретном примере показана методика определения числа ступеней и формирования требований к характеристикам отдельных ступеней подсистем регулирования давления и температуры газа. Построена система математических моделей, обеспечивающих решение задач анализа и синтеза данной системы.

4. Исследованы характеристики подсистемы регулирования температуры, в которой регулирующее воздействие на температуру газа осуществляется путем изменения температуры теплоносителя. Рассмотрены варианты подсистемы со стабилизацией температуры в источнике теплоносителя и со стабилизацией температуры газа на выходах теплообменных аппаратов. Управляющие регуляторы в замкнутых контурах подсистемы имеют релейные характеристики с зонами неоднозначности, получены зависимости, определяющие параметры периодических режимов, возникающих при функционировании подсистем, даны рекомендации по использованию вариантов подсистемы. Дана методика расчета основных параметров подсистемы, иллюстрированная числовым примером.

5. Построена методика расчета статической характеристики подсистемы регулирования давления с последовательным включением ступеней редуцирования. Методика учитывает влияние на точность регулирования гидравлических сопротивлений трубопроводов и каналов газа теплооб-менных аппаратов, наличие сухого трения на подвижных частях редукторов, а также ограничения на площадях дросселирующих сечений в редукторах давления. Предложена методика ориентировочной оценки влияния на точность регулирования конструктивных параметров в условиях переменности расхода и давления газа в источнике. Показано, что при низких значениях входного давления на точность существенно влияет ограничение дросселирующих сечений, а в условиях переменности расхода на точность заметно влияет гидравлическое сопротивление трубопровода в оконечной ступени редуцирования.

6. Выявлено влияние различных факторов на устойчивость подсистемы регулирования давления. Определены решения задачи об устойчивости подсистемы с последовательно включенными редукторами давления.

7. Построена система математических моделей, которая обеспечивает решение задач анализа характеристик и выбора параметров при разработке линии газоснабжения с последовательно-параллельным включением редукторов давления, предназначенной для питания газом нескольких потребителей при высокой точности стабилизации давления. Предложена методика расчета статических характеристик системы, позволившая учесть на точность регулирования гидравлических сопротивлений участков разветвленного трубопровода. Выявлено взаимное влияние режимов работы потребителей на точность стабилизации уровней давления на их входах, даны рекомендации по минимизации этого влияния. Определена последовательность решения задачи обеспечения устойчивости системы.

8. Построенные в работе математические модели и расчетные методики, рекомендации по выбору структуры и конструктивных параметров систем регулирования параметров газа нашли практическое применение и используются при разработке перспективных линий газоснабжения на предприятии КБ "Арматура", филиале ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, что подтверждается соответствующим актом в Приложении к настоящей работе.

1. Арзуманов Ю. Л., Петров Р. А., Халатов Е. М. Системы газоснабжения и устройства пневмоавтоматики ракетно-космических комплексов. -М.: Машиностроение, 1997, 464 с.

2. Арзуманов Ю. Л., Халатов Е. М., Петров Р. А., Артемов В. П. Редукторы давления газовые. Методика расчета на ЭВМ. ОСТ 92-9184-791979.

3. Арзуманов Ю. Л., Халатов Е. М., Чекмазов В. И. Динамическая модель теплообменного аппарата в системе газоснабжения энергоустановки газотепловоза. Сб. Гидравлические машины, гидроприводы, гидропневмоавтоматика.

4. Автомобильные материалы. Справочник инженера механика. М.: Транспорт, 1971, 296 с.

5. Баясанов Д. Б., Ионин А. Л. Распределительные системы газоснабжения. М., Стройиздат, 1977, 407 с.

6. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. М.: Наука, 1975, 992 с.

7. Бугаенко В. Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем. / Под ред. Акад. Будника В. С. М.: Машиностроение, 1979, 168 с.

8. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наук, 1972, 720 с.

9. Герц Е. В., Крейнин Г. В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. М., Машиностроение, 1975, 272 с.

10. Дрейцер Г. А., Кузьминов В. А. Расчет разогрева и охлаждения трубопроводов. М.: Машиностроение, 1977, 128 с.

11. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1987, 440 с.

12. Ермилов В. А., Нестеренко Ю. В., Николаев В. Г. Газовые редукторы. Л.: Машиностроение, 1981, 174 с.

13. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. -М.: Энергия, 1969, 440 с.

14. Ионин А. Л. Газоснабжение: Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1989, 434 с.

15. Мамонтов М. А. Вопросы термодинамики тела переменной массы. М.: Оборонгиз., 1961, 148 с.

16. Математические модели систем пневмоавтоматики. Учеб. пособие / Ю. Л. Арзуманов и др. М: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009, 296 с.

17. Методы классической и современной теории автоматического управления. Учебник в 3-х т. Т.1 / Под ред. Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000, 748 с.

18. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.

19. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1970,487 с.

20. Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1975, 496 с.

21. Основы автоматического управления ядерными космическими энергетическими установками / Под ред. Б. Н. Петрова. М.: Машиностроение, 1974, 380 с.

22. Основы построения математических моделей систем пневмоавтоматики. Учебное пособие / Ю. Л. Арзуманов и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002, 128 с.

23. Подчуфаров Б. М., Подчуфаров Ю. Б. Тепломеханика: Учеб. пособие / ТулПИ, Тула, 1985, 104 с.

24. Подчуфаров Б. М. Тепломеханика: Учеб. пособие, ТулПИ, Тула, 1984, 100 с.

25. Попов Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1978, 256 с.

26. Плотников В. М., Подрешетников В. А., Дроздов А. П., Гончаров В. У. Регуляторы давления газа. Л.: Недра, 1982, 125 с.

27. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник / Под общей ред. Герц Е. В. М.: Машиностроение, 1981, 408 с.

28. Подчуфаров Б. М., Чернова М. Б., Грязев М. В. Математические модели автоматических систем. Пневмомеханические системы. Учебное пособие. Тула, ТПИ, 1988, 80 с.

29. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. -М.: Машиностроение, 1976, 424 с.

30. Смирнов И. В., Чекмазов В. И. Анализ характеристик линии газоснабжения с параллельно включенными редукторами. Вестник, ТулГУ. Серия "Системы управления". Вып.1. Тула, Изд-во ТулГУ, 2007. с. 179186.

31. Смирнов И. В., Чекмазов В. И. Анализ режимов работы подсистемы регулирования температуры в линии газоснабжения. Вестник ТулГУ. Серия "Системы управления". Вып. I. Тула, Изд-во ТулГУ. 2008, с. 165172.

32. Смирнов И. В., Кшнякин А. В., Чекмазов В. И. Расчет статических характеристик линии газоснабжения с параллельно-последовательным включением редукторов давления. Вестник ТулГУ. Серия "Системы управления". Вып. I. Тула, Изд-во ТулГУ. 2009, с. 178-187.

33. Смирнов И. В. Методика расчета статической характеристики линии газоснабжения с протяженным трубопроводом / И.В. Смирнов, В.И. Чекмазов, Е.М. Халатов // Инженерный журнал. М.: Машиностроение, 2011.- № 3 (168).-С. 10-14.

34. Стаскевич Н. Л., Северинец Г. Н., Выгдоргин Д. Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, 1990, 762 с.

35. Теплообмен в энергетических установках космических аппаратов / Под ред. В. К. Кошкина. М.: Машиностроение, 1975, 272 с.

36. Чарный И. А. Основы газовой динамики. М.: Ростоптехиздат, 1961,200 с.

37. Чекмазов В. И. Некоторые вопросы динамики пневматического редуктора давления. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1966, №8, с 115-119.

38. Шорников Е. Е. К проектированию пневматических силовых систем. // Теория машин-автоматов и пневмо-гидроприводов. М.: Машиностроение, 1970, с. 247-258.

39. Шпильрайн Э. Э., Кессельман П. М. Основы теории теплофизи-ческих свойств веществ. М.: Энергия, 1977.

40. Эдельман А. И. Редукторы давления газа. М.: Машиностроение, 1980, 167 с.

41. Смирнов, И.В. Повышение точности регулирования давления в большерасходных пневмосистемах / И.В. Смирнов, Е.М. Халатов,

42. B.И. Чекмазов // Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии: сб. науч. тр. IX междунар. научно-техн. конф. Ростов-н/Д: ДГТУ, 2010.1. C. 773-779.

43. Смирнов, И.В. Анализ точности системы с параллельно включенными редукторами давления / И.В. Смирнов, Е.М. Халатов, В.И. Чекмазов // Гидропневмоавтоматика и гидропривод: сб. науч. тр. Ковров: ГОУ ВПО "КГТА им. В.А. Дегтярева", 2010. - С. 268-277.

44. Смирнов, И.В. Анализ устойчивости системы с последовательно включенными регуляторами давления газа // Научно-технический вестник Поволжья, 2012.-№3.-С. 159-163.