автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Оптимизация автоматической системы воздушного охлаждения газообразных и жидких сред в различных производствах

На правах рукописи

Шаповало Анатолий Антонович

ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ СРЕД В РАЗЛИЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005547171

1 7 АПР 2014

Краснодар - 2014

005547171

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

кандидат технических наук, доцент Добробяба Юрий Петрович

доктор технических наук, профессор Тропик Владимир Валентинович ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (г. Краснодар), профессор кафедры Применения электрической энергии;

кандидат технических наук, доцент Кабанков Юрий Андреевич Филиал Военного учебно-научного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушной академии имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Краснодар), профессор кафедры №106 Общеобразовательных дисциплин

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «КубГУ»), г. Краснодар.

Защита состоится « 21 » мая 2014 г. года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г 248.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2 А.

Автореферат разослан 3 апреля 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.04 кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

А.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Системы воздушного охлаждения используются в нефтегазовой промышленности для конденсации и охлаждения парообразных, газообразных и жидких сред. Системы воздушного охлаждения обеспечивают охлаждение природного газа на дожимных компрессорных станциях газовых промыслов и на компрессорных станциях магистральных газопроводов. В процессе сжатия газ нагревается, поэтому возникают температурные перепады на участках магистрального газопровода. Это приводит к температурным напряжениям, деформации трубопровода, снижению качества гидроизоляции и т.д. Для устранения температурных напряжений осуществляется охлаждение газа системами воздушного охлаждения (температура снижается путем вентиляторного обдува пучков труб с газом наружным воздухом до требуемого значения). С другой стороны, охлаждение приводит к снижению средней температуры газа на участке трубопровода, что обуславливает уменьшение гидравлического сопротивления газопровода и, как следствие, повышение его пропускной способности при постоянных затратах энергии или при неизменной производительности уменьшение затрат энергии на транспортирование газа. Следовательно, экономичность работы магистрального газопровода зависит от оптимальности его температурного режима. Так как температура воздуха, его давление и режим работы газопровода изменяются, то необходимо регулировать параметры системы воздушного охлаждения, характеризующие режим охлаждения. Это достигается изменением количества работающих вентиляторов. Такой способ охлаждения газа является энергозатратным.

В настоящее время для эффективного охлаждения продукта в аппарате воздушного охлаждения регулируют скорость исполнительных органов вентиляторов. При этом электрический привод вентиляторов выполняется по схеме "преобразователь частоты - асинхронный двигатель". Поэтому совершенствование автоматической системы воздушного охлаждения за счет оптимального по быстродействию управления электроприводом вентиляторов является актуальной проблемой.

Следует обратить внимание, что оптимальное по быстродействию управление дает максимальный эффект, но требует использования дорогостоящих аппаратных средств. Поэтому очень часто является целесообразным использование рационального управления объектом исследования, при котором принято дополнительное допущение (не учитываются малые постоянные времени системы автоматического управления), что приводит к незначительным отклонениям от желаемого результата, но зато требует менее дорогостоящих аппаратных средств.

Целью работы является улучшение динамических характеристик автоматической системы воздушного охлаждения газообразных и жидких сред.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- разработка рациональных диаграмм изменения температуры в системе воздушного охлаждения;

- разработка устройств, формирующих рациональные диаграммы изменения температуры в системе воздушного охлаждения;

- разработка оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры в системе воздушного охлаждения;

- синтез системы автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения;

- разработка математического обеспечения для управления частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках асинхронного двигателя;

- экспериментальная проверка полученных результатов исследования.

Методы и средства выполнения исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач с учетом особенностей исследуемого объекта использованы общепринятые методы теории автоматического управления, аналитического и численного решения дифференциальных уравнений, численного эксперимента математических моделей систем автоматического регулирования координат. При проведении исследований использованы пакеты прикладных программ Matlab, Mathcad, Microsoft Excel.

Объект исследования: силовая часть воздушной системы охлаждения газовых и жидких сред.

Предмет исследования: управление электромеханическими и тепловыми процессами в воздушной системе ускоренного охлаждения газообразных и жидких сред.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе получены новые научные результаты:

- рациональные и оптимальные по быстродействию диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения;

- математическое обеспечение устройств, формирующих рациональные и оптимальные по быстродействию диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения;

- методики синтеза систем автоматического регулирования температуры продукта в системе ускоренного воздушного охлаждения;

- математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя системы охлаждения.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:

- разработаны рациональные и оптимальные по быстродействию диаграммы ускоренного изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения;

- разработаны устройства, формирующие рациональные диаграммы ускоренного изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения, и устройства, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы изменения скорости исполнительного органа - вентилятора.

Результаты диссертационной работы: рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения; устройства, формирующие рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения; оптимальные по быстродействию диаграммы

изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения; система автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения продукта с типовыми регуляторами; система автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения продукта с улучшенными характеристиками; математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму тока статора; математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора приняты к использованию при модернизации автоматических систем воздушного охлаждения на предприятии ДОАО «Электрогаз» ОАО «Газпром», о чем свидетельствует акт о практическом использовании результатов диссертационной работы.

На два устройства для управления изменением температуры продукта в системе воздушного охлаждения получены два патента РФ на полезные модели № 101216 и № 101287.

На три устройства с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм изменения частоты вращения исполнительного органа вентилятора получены три патента РФ на полезные модели № 96711,№ 96712 и№ 101290.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждаются корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, использованием известного математического аппарата, апробацией результатов исследований.

Ня защиту выносятся:

1. Рациональные и оптимальные по быстродействию диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

2. Устройства, формирующие рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

3. Системы автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения, как с типовыми регуляторами, так и с улучшенными характеристиками.

4. Математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора.

5. Результаты чнсленного эксперимента по исследованию рациональных диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «КубГТУ» (2010-2012 гг.); на международных научно-практических конференциях «Технические и технологические системы» (Краснодар 2009-2010 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы: 14 статей, из них 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК при Мино-брнауки РФ; 4 материала конференций; получены 5 патентов РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 107 наименований, пяти приложений. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследования, представлена научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы, постановке задач исследования. Представлена математическая модель силовой части системы воздушного охлаждения с приводом пере-

менного тока. Выполнен анализ оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости исполнительного органа - вентилятора. Рассмотрены коман-доаппараты, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы изменения скорости или положения исполнительного органа вентилятора. Анализ систем автоматического регулирования температуры в различных производствах.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке рациональных и оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Проведенные исследования показывают, что в зависимости от заданного изменения температуры продукта и начального значения скорости исполнительного органа вентилятора существуют две рациональные и двенадцать оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Найдены параметры каждой из двух рациональных и двенадцати оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Проведенные исследования справедливы для оптимальных по быстродействию диаграмм, как уменьшения, так и увеличения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

На рисунке 1 представлена рациональная диаграмма уменьшения температуры продукта в системе воздушного охлаждения с ограничением первой производной скорости исполнительного органа электропривода, состоящая из двух этапов.

Для диаграммы справедливы соотношения: д/

¿1* — д<;

и = х • 1п

= «нам + ю.

доп '1 >

А/ = -

„0)

(1)

где т - постоянная времени, характеризующая динамику тепловых переходных процессов в системе воздушного охлаждения. Диаграмма справедлива при выполнении условия сотах < юдоп .

Рисунок 1 - Рациональная диаграмма уменьшения температуры продукта в системе воздушного охлаждения с ограничением первой производной скорости исполнительного органа вентилятора

На рисунке 2 представлена рациональная диаграмма уменьшения температуры продукта в системе воздушного охлаждения с ограничениями скорости исполнительного органа - вентилятора и ее первой производной, состоящей из трех этапов.

О)

ь.

Рисунок 2 - Рациональная диаграмма уменьшения температуры продукта в системе воздушного охлаждения с ограничениями скорости исполнительного органа вентилятора и ее первой производной

Для диаграммы справедливы соотношения:

и=-

ЛО

Л» = -

са

,(0

ет -1

(2)

При этом, приняты следующие обозначения: - длительности этапов;

(О

Юдоп - максимально допустимое значение первой производной скорости; ("доп ~ максимально допустимое значение скорости; <виач - начальное значение

скорости; юкон - конечное значение скорости; ю„

максимальное значение

скорости; 9ВХ - температура продукта на входе системы воздушного охлаждения; Овых-температура продукта на выходе системы воздушного охлаждения; 0иа„ - начальное значение температуры продукта на выходе системы воздушного охлаждения; 0|(ОН - конечное значение температуры продукта на выходе системы воздушного охлаждения.

На рисунке 3 представлена оптимальная по быстродействию диаграмма при больших изменениях температуры продукта в системе воздушного охлаждения, состоящая из пятнадцати этапов. Длительности этапов определяются по выражениям:

о(2)

"доп

''"оЯ '

0)(,) со<2)

. _ шдоп шдоп

2 ю(2) со(3>

- ' плп шп

доп

Т11ЭХ

_ "'доп шнач шдоп шдоп

ь--(П-----

ОЗУ

,(1)

со(|) ю(2)

"■710П "'доп

' га(2) ю(3) '

"-'доп штах

г4 = х • 1п

поп 1

Ю(2> ю(3) '

доп щах

(3)

где =

1 +

1-1-

Г О Л л Л

1- 1 + 1-е * •е т ■е т ■е т \■ е х •е т

_ { у I

/ Г /

^2 = 1 +

ч . \

1 +

1-е*

>± 'з*

„О

«(2)

„(3)

„(2)

п............, и и п ■

11 —* г.

/V .А, , 'э* ,

Рисунок 3 - Оптимальная по быстродействию диаграмма при больших изменениях температуры продукта в системе воздушного охлаждения

Остальные одиннадцать оптимальных по быстродействию диаграммы состоят из меньшего количества этапов и получены из диаграммы третьего вида при больших изменениях за счет исключения отдельных этапов.

Найдены параметры каждой из двенадцати оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. В работе рассмотрены оптимальные по быстродействию диаграммы уменьшения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Проведенные исследования справедливы и для оптимальных по быстродействию диаграмм увеличения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

Третья глава диссертационной работы посвящена синтезу систем автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Разработаны: устройства, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы изменения скорости исполнительного органа вентилятора; устройства, формирующие рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Синтезирована система автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения с типовыми регуляторами. Синтезирована система с улучшенными характеристиками автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения за счёт применения корректора контура температуры. Выполнен анализ электромеханических свойств вентилятора с асинхронным двигателем и частотным преобразователем. Разработано математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя системы охлаждения.

На рисунке 4 представлена структурная схема системы автоматического регулирования (САР) температуры продукта в системе воздушного охлаждения с улучшенными характеристиками, где приняты следующие обозначения: РЭ - регулятор температуры; С/30 - задающее напряжение контура температуры; С/зс -задающее напряжение контура скорости; Мс - момент сопротивления электропривода вентилятора; Л"ос - коэффициент отрицательной обратной связи по скорости; 3 - момент инерции электропривода вентилятора; Гд - некомпенсируемая постоянная времени; рге - динамический коэффициент РО; тР0 - постоянная

САР скорости электропривода вентилятора

Рисунок 4 -

Структурная схема САР температуры продукта в системе воздушного охлаждения с улучшенными характеристиками

времени Р0; Л"об - коэффициент положительной обратной связи по температуре; К- коэффициент пропорциональности между скоростью исполнительного органа вентилятора и температурой продукта на выходе системе.

В структурную схему введен корректор контура температуры (ККО) с передаточной функцией

ш (г)_ т]р3 + х22р2 + х]Р + 1

^ККвУР)--Т1-2~2-' (4)

т1рг + т1р2 + тхр+\

где 7} и т,- - постоянные времени ККв. При

РрО = ^---—; Т| = 47*„; Т^-Т2-

^ ККо0 1 ц 2 8 11

тр0 = т; т2=8 Т2; Т1 = !'/- Т3=±Т3

передаточные функции системы автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения имеют вид:

ввых(/>) 1 1

Цо(/>) Л"о9 ±т4р4+-Т3р3 + -Т2р2 + Т » + 1 64 й 8 м 2 ' + 1

МО 1 /'У >■ 'г'Р5♦ ту,.,, и'

64 ^ 8 ^ 2 ^ м

0!шхМ = Л-.8.^__Т»Р2 + Т»Р___тр_х

Мс(р) J 1т4л4,1тЗ 3 1г2 2 т , тр + 1

(5)

(6)

х

64 8 й" 2

„3 , 1 т2 „2 , 1

64

(7)

+1

&Т3р3 +8Т2р2 +4Т^р +1

Система автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения с улучшенными характеристиками имеет в восемь раз лучшее быстродействие, чем система с типовым регулятором.

Выполнен анализ электромеханических свойств вентиляторного агрегата с асинхронным двигателем и частотным преобразователем.

Разработано математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем в статическом режиме работы по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора.

При выполнении условия:

ток статора в статическом режиме работы имеет минимально возможное значе-

потери мощности в обмотках статора и ротора в статическом режиме работы имеют минимально возможное значение. В формулах приняты обозначения: Л/ (Кг) - значение активного сопротивления фазы статора (ротора), Ом; 1^2 - значение индуктивности фазы ротора, Гч\ М2 — значение взаимоиндуктивности между любыми двумя точками ротора, Ги; Мц - значение максимальной величины взаимоиндуктивности между любой обмоткой статора и любой обмоткой ротора, Гн; Ъ-число пар полюсов асинхронного двигателя.

В главе четвертой выполнен численный эксперимент по исследованию рациональных диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Определены области существования рациональных диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Исследованы влияния постоянной времени, характеризующей динамику тепловых процессов в аппарате, и величины температуры продукта на входе аппарата на параметры рациональных диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

(8)

ние.

При выполнении условия:

-0,5

(9)

На рисунке 5 представлены зависимости длительности цикла Т1Х рациональной диаграммы уменьшения температуры продукта в системе воздушного охлаждения от постоянной времени т, характеризующей динамику тепловых процессов в системе, при изменении температуры продукта на входе системы. 52

48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4

° 20 30 40 50 60 70 80

Рисунок 5-Зависимости длительности цикла Гц рациональной диаграммы

уменьшения температуры продукта в системе воздушного охлаждения от постоянной времени г, характеризующей динамику тепловых процессов в системе, при изменении температуры продукта на входе системы

тп,с 1

--------- Л -\ у

1 -х= Юс 2-т= 15с 3 - т = 20 с 4 - т = 25 г.

5 — т = , 30 с

^ЯХ. С

В разработанной автоматической системе воздушного охлаждения длительность изменения температуры продукта уменьшается в 2-3 раза, то есть повышается быстродействие системы. Повышение быстродействия системы воздушного охлаждения, кроме того приводит к увеличению точности при регулировании температуры газообразных и жидких сред в различных производствах.

Основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований автоматической системы воздушного охлаждения газообразных и жидких сред в различных производствах заключается в следующем.

Разработаны две рациональные диаграммы уменьшения и две рациональные диаграммы увеличения температуры продукта в системе воздушного охлаждения с двигателем переменного тока и преобразователем частоты.

Для формирования рациональных диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения разработаны два устройства.

Разработаны двенадцать оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения на базе двигателя переменного тока.

Синтезированы системы автоматического регулирования температуры продукта в системы воздушного охлаждения, как с типовыми регуляторами, так и с улучшенными характеристиками.

Разработано математическое обеспечение и получены функциональные зависимости управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем, как по минимуму тока статора, так и по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора.

В результате численного эксперимента проверены полученные теоретические закономерности влияния параметров исполнительного органа на процесс охлаждения.

Результаты работы доступны для широкого практического применения, что является залогом эффективного решения задач по совершенствованию автоматических систем воздушного охлаждения в нефтегазовой и других отраслях промышленности.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в журналах, входящих в перечень ВАК при Минобрнауки РФ

1. Шаповало, A.A. Разработка автоматической системы управления воздушным охлаждением газообразных и жидких сред в различных производствах / A.A. Шаповало // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар : КубГАУ, 2013. - № 91(07). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/07/pdf/113.pdf

2. Сингаевский, H.A. Оптимальные по быстродействию диаграммы изменения температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения / H.A. Сингаевский, Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар : КубГАУ, 2012. - № 76(02). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/02/ pdf/85.pdf

3. Сингаевский, H.A. Разработка систем автоматического управления температурой продукта в аппарате воздушного охлаждения / H.A. Сингаевский, Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар : КубГАУ, 2012. -№ 76(02). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/02/pdf/86.pdf

4. Добробаба, Ю.П. Управление электроприводом с асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало, Вик. Ю. Барандыч // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - Краснодар, 2009. - № 2-3. - С. 90-92.

5. Добробаба, Ю.П. Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости электроприводов переменного тока [Текст] / Ю.П.

Добробаба, A.A. Шаповало // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - Краснодар, 2009.-№4.-С. 91-94.

6. Добробаба, Ю.П. Разработка оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - Краснодар, 2009. - № 5-6. - С. 74-76.

7. Добробаба, Ю.П. Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм для небольших изменений температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - Краснодар, 2010. -№ 1. - С. 76-79.

8. Добробаба, Ю.П. Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм для средних изменений температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - Краснодар, 2010. - № 2-3. - С. 82-85.

9. Добробаба, Ю.П. Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм для больших изменений температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - Краснодар, 2010. - № 4. - С. 82-85.

10. Добробаба, Ю.П. Синтез системы автоматического регулирования температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения с типовыми регуляторами [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // Изв. ВУЗов «Пищевая технология». - Краснодар, 2010.- № 5-6. - С. 110-111.

Другие издания и материалы научных конференций

11. Добробаба, Ю.П. Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости электроприводов с асинхронным двигателем и частотным преобразователем [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // Технические и технологические системы: материалы международной научной конференции. - Краснодар, 2009. - С. 119-123.

12. Добробаба, Ю.П. Разработка рациональной диаграммы изменения температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения, состоящей из двух

этапов [Текст] / Ю.П. Добробаба, В.А. Мурлина, A.A. Шаповапо // Технические и технологические системы: материалы II международной научной конференции. - Краснодар, 2010. - С. 157-160.

13. Добробаба, Ю.П. Разработка рациональной диаграммы изменения температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения, состоящей из трех этапов [Текст] / Ю.П. Добробаба, В.А. Мурлина, A.A. Шаповапо // Технические и технологические системы: материалы II международной научной конференции. - Краснодар, 2010. - С. 160-163.

14. Добробаба, Ю.П. Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповапо // Технические и технологические системы: материалы II международной научной конференции. - Краснодар, 2010.-С. 172-175.

15. Добробаба, Ю.П. Определение аналитических зависимостей между координатами асинхронного двигателя в установившемся режиме работы [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповапо // сб. науч. ст. каф ЭПП. -Краснодар : Изд. КубГТУ, 2008. - С. 109-117.

16. Добробаба, Ю.П. Рациональное управление двумя вентиляторными агрегатами с асинхронными двигателями и частотными преобразователями [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало // сб. науч. ст. каф ЭПП. - Краснодар : Изд. КубГТУ, 2008.-С. 117-121.

17. Добробаба, Ю.П. Анализ электромеханических свойств вентиляторного агрегата с асинхронными двигателем и частотным преобразователем [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало, Вик. Ю. Барандыч // сб. науч. ст. каф. ЭПП. - Краснодар : Изд. КубГТУ, 2009. - С. 118-122.

18. Добробаба, Ю.П. Управление электроприводом с асинхронными двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь тока статора [Текст] / Ю.П. Добробаба, A.A. Шаповало, Вик. Ю. Барандыч // сб. науч. ст. каф. ЭПП. - Краснодар : Изд. КубГТУ, 2009. - С. 152-155.

Патенты

19. Пят. на полезную модель № 96711 Российская Федеряция, МПК Н02Р 25/00. Устройство с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для больших изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока [Текст]. Добробаба Ю.П., Шаповало A.A., Шпилев A.A.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО КубГТУ. - № 96711; заявл.; опубл. 10.08.2010, Бюл.№ 22.

20. Пат. на полезную модель № 96712 Российская Федерация, МПК Н02Р 25/00. Устройство с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для средних изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока [Текст]. Добробаба Ю.П., Шаповало A.A., Шпилев A.A.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО КубГТУ. - № 96712; заявл.; опубл.

10.08.2010, Бюл. № 22.

21. Пят. ня полезную модель № 101290 Российская Федеряция, МПК Н02Р 25/00. Устройство с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальной по быстродействию диаграммы для малых изменений частоты вращения исполнительного органа электропривода переменного тока [Текст]. Добробаба Ю.П., Шаповало A.A., Шпилев A.A.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО КубГТУ. - № 101290; заявл.; опубл.

10.01.2011, Бюл. № 1.

22. Пат. на полезную модель № 101216 Российская Федерация, МПК Н02Р 7/14. Устройство для управления изменением температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения при ограничении первой производной частоты вращения исполнительного органа электропривода вентилятора [Текст]. Добробаба Ю.П., Шаповало A.A., Мурлина В.А.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО КубГТУ. -№ 101216; заявл.; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1.

23. Пат. на полезную модель № 101287 Российская Федерация, МПК Н02Р 7/14. Устройство для управления изменением температуры продукта в аппарате воздушного охлаждения при ограничениях частоты вращения исполнительного органа электропривода вентилятора и ее первой производной [Текст]. Добробаба Ю.П., Шаповало A.A., Мурлина В.А.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО КубГТУ. - № 101287; заявл.; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1.

Подписано в печать 12.02.2014. Формат 60x84 '/щ Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 1113 Отпечатано в ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, корп. «В», оф. В-120, тел. 8-918-41-50-571, e-mail: olfomenko@yandex.ru, сайт: http://id-yug.com

ФГБОУ ВПО

«Кубанский государственный технологический университет»

На правах рукописи

Шаповало Анатолий Антонович

ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ СРЕД В РАЗЛИЧНЫХ

ПРОИЗВОДСТВАХ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук, доцент Ю.П. Добробаба

Краснодар - 2014

Содержание

Введение........................................................................................................... 5

1 Анализ современного процесса охлаждения в различных производствах ........................................................................................................... 12

1.1 Состояние вопроса................................................................................. 12

1.2 Математическая модель силовой части системы воздушного охлаждения....................................................................................................... 15

1.3 Анализ оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости исполнительного органа системы воздушного охлаждения...... 20

1.4 Системы автоматического регулирования температуры в различных производствах........................................................................................... 30

1.5 Постановка задач исследования........................................................... 31

2 Разработка оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.......... 32

2.1 Рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения....................................................................... 33

2.2 Оптимальная по быстродействию диаграмма при малых изменениях температуры в системе воздушного охлаждения............................... 48

2.3 Оптимальные по быстродействию диаграммы при небольших изменениях температуры в системе воздушного охлаждения....................... 51

2.4 Оптимальные по быстродействию диаграммы при средних изменениях температуры в системе воздушного охлаждения............................ 57

2.5 Оптимальные по быстродействию диаграммы при больших изменениях температуры в системе воздушного охлаждения............................ 66

2.6 Выводы................................................................................................... 84

3 Синтез следящей системы управления температурой продукта в системе воздушного охлаждения................................................................ 86

3.1 Командоаппараты, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы изменения скорости исполнительного органа в системе воздушного охлаждения....................................................................... 86

3.2 Командоаппараты, формирующие рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения........ 92

3.3 Синтез системы автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения с типовыми регуляторами . 97

3.4 Синтез системы автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения с улучшенными характе-

ристиками ......................................................................................................... 100

3.5 Определение зависимостей между координатами силовой части системы воздушного охлаждения.................................................................. 102

3.6 Определение зависимостей между координатами исполнительного органа для управляющего устройства...................................................... 107

3.7 Разработка устройств управления силовой части системы воздушного охлаждения....................................................................................... 111

3.8 Выводы................................................................................................... 116

4 Экспериментальное исследование рациональных диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.. 118

4.1 Определение областей существования рациональных диаграмм изменения температуры в системе воздушного охлаждения..................... 118

4.2 Исследование влияния постоянной времени, характеризующей динамику тепловых процессов, и величины температуры на входе автоматической системы на параметры рациональных диаграмм уменьшения температуры в системе воздушного охлаждения............................. 120

4.3 Исследование влияния постоянной времени, характеризующей динамику тепловых процессов, и величины температуры на входе автоматической системы на параметры рациональных диаграмм увеличения температуры в системе воздушного охлаждения................................. 125

4.4 Выводы................................................................................................... 125

Заключение..................................................................................................... 127

Список литературы....................................................................................... 128

Приложение А Аналитические зависимости температуры продукта на

выходе системы воздушного охлаждения от времени...... 144

Приложение Б Результаты численного эксперимента по определению областей существования рациональных диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного

охлаждения............................................................................ 150

Приложение В Результаты численного эксперимента по исследованию влияния постоянной времени, характернизующей динамику тепловых процессов, и величины температуры продукта на входе автоматической системы на параметры рациональных диаграмм уменьшения температуры продукта в системе воздушного

охлаждения............................................................................ 161

Приложение Г Результаты численного эксперимента по исследованию влияния постоянной времени, характернизующей динамику тепловых процессов, и величины температуры продукта на входе автоматической системы на параметры рациональных диаграмм увеличения температуры продукта в системе воздушного

охлаждения............................................................................ 168

Приложение Д Акт внедрения результатов диссертационной работы...... 175

Введение

Системы воздушного охлаждения используются в нефтегазовой промышленности для конденсации и охлаждения парообразных, газообразных и жидких сред. Системы воздушного охлаждения обеспечивают охлаждение природного газа на дожимных компрессорных станциях газовых промыслов и на компрессорных станциях магистральных газопроводов. В процессе сжатия газ нагревается, поэтому возникают температурные перепады на участках магистрального газопровода. Это приводит к температурным напряжениям, деформации трубопровода, снижению качества гидроизоляции и т.д. Для устранения температурных напряжений осуществляется охлаждение газа системами воздушного охлаждения (температура снижается путем вентиляторного обдува пучков труб с газом наружным воздухом до нормального значения). С другой стороны, охлаждение приводит к снижению средней температуры газа на участке трубопровода, что обуславливает уменьшение гидравлического сопротивления газопровода и, как следствие, повышение его пропускной способности при постоянных затратах энергии или при неизменной производительности уменьшение затрат энергии на транспортирование энергии. Следовательно, экономичность работы магистрального газопровода зависит от оптимальности его температурного режима. Так как температура воздуха и режим работы газопровода изменяются, то необходимо регулировать параметры системы воздушного охлаждения, характеризующие режим охлаждения. Это достигается изменением количества работающих вентиляторов. Такой способ охлаждения газа является энергозатратным.

В настоящее время для эффективного охлаждения продукта в аппарате воздушного охлаждения регулируют скорость исполнительных органов вентиляторов. При этом электрический привод вентиляторов выполняется по схеме "преобразователь частоты - асинхронный двигатель". Поэтому совершенствование автоматической системы воздушного охлаждения за счет

оптимального по быстродействию управления электроприводом вентиляторов является актуальной.

Следует обратить внимание, что оптимальное по быстродействию управление дает максимальный эффект, но требует использования дорогостоящих аппаратных средств. Поэтому очень часто является целесообразным использование рационального управления объектом исследования, при котором принято дополнительное допущение (не учитываются малые постоянные времени), что приводит к незначительным снижениям желаемого результата, но зато требует менее дорогостоящих аппаратных средств.

Целью работы является улучшение динамических характеристик автоматической системы воздушного охлаждения газообразных и жидких сред.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

- разработка рациональных диаграмм изменения температуры в системе воздушного охлаждения;

- разработка устройств, формирующих рациональные диаграммы изменения температуры в системе воздушного охлаждения;

- разработка оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры в системе воздушного охлаждения;

- синтез системы автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения;

- разработка математического обеспечения для управления частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках асинхронного двигателя;

- экспериментальная проверка полученных результатов исследования.

Методы и средства выполнения исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач с учетом особенностей исследуемого объекта использованы общепринятые методы теории автоматического управления, аналитического и численного решения дифференциальных уравнений, численного эксперимента математических моделей систем авто-

матического регулирования координат. При проведении исследований использованы пакеты прикладных программ Matlab, Mathcad, Microsoft Excel.

Объект исследования: силовая часть воздушной системы охлаждения газовых и жидких сред.

Предмет исследования: управление электромеханическими и тепловыми процессами в воздушной системе ускоренного охлаждения газообразных и жидких сред.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе получены новые научные результаты:

- рациональные и оптимальные по быстродействию диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения;

- математическое обеспечение устройств, формирующих рациональные и оптимальные по быстродействию диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения;

- методики синтеза систем автоматического регулирования температуры продукта в системе ускоренного воздушного охлаждения;

- математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя системы охлаждения.

Практическая ценность работы определяется следующими результатами:

- разработаны рациональные и оптимальные по быстродействию диаграммы ускоренного изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения;

- разработаны устройства, формирующие рациональные диаграммы ускоренного изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения, и устройства, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы изменения скорости исполнительного органа вентилятора.

Результаты диссертационной работы: рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения; устрой-

ства, формирующие рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения; оптимальные по быстродействию диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения; система автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения с типовыми регуляторами; система автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения с улучшенными характеристиками; математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму тока статора; математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора приняты к использованию при модернизации автоматических систем воздушного охлаждения на предприятии ДОАО «Электрогаз» ОАО «Газпром», о чем свидетельствует акт о практическом использовании результатов диссертационной работы.

На два устройства для управления изменением температуры продукта в системе воздушного охлаждения получены два патента РФ на полезные модели №101216 и №101287.

На три устройства с улучшенными динамическими характеристиками для формирования оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости исполнительного органа вентилятора переменного тока получены три патента РФ на полезные модели №96711, №96712 и №101290.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректностью поставленных задач, обоснованности принятых допущений и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, использованием известного математического аппарата, апробацией результатов исследований:

На защиту выносятся:

1. Рациональные и оптимальные по быстродействию диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

2. Устройства, формирующие рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

3. Системы автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения как с типовыми регуляторами, так и с улучшенными характеристиками.

4. Математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем по минимуму потерь мощности в обмотках статора и ротора.

5. Результаты численного эксперимента по исследованию рациональных диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «КубГТУ» (2010-2012 гг.); на международных научно-практических конференциях «Технические и технологические системы» (Краснодар 2009 и 2010 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы: 14 статей, из них 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ; 4 материала конференций; получены 5 патентов РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 107 наименований, пяти приложений. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору отечественной и зарубежной литературы, постановки задач исследования. Представлена математическая модель силовой части системы воздушного охлаждения с приводом переменного тока. Выполнен анализ оптимальных по быстродействию диаграмм изменения скорости исполнительного органа вентилятора. Рассмотрены командоаппараты, формирующие оптимальные по быстродей-

ствию диаграммы изменения скорости или положения исполнительного органа вентилятора. Анализ системы автоматического регулирования температуры в различных производствах.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке рациональных и оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Проведенные исследования показывают, что в зависимости от заданного изменения температуры продукта и начального значения скорости исполнительного органа вентилятора существуют две рациональные и двенадцать оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Найдены параметры каждой из двух рациональных и двенадцати оптимальных по быстродействию диаграмм изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Проведенные исследования справедливы для оптимальных по быстродействию диаграмм как уменьшения, так и увеличения температуры продукта в системе воздушного охлаждения.

Третья глава диссертационной работы посвящена синтезу систем автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Разработаны: устройства, формирующие оптимальные по быстродействию диаграммы изменения скорости исполнительного органа вентилятора; и устройства, формирующие рациональные диаграммы изменения температуры продукта в системе воздушного охлаждения. Синтезирована система автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения с типовыми регуляторами. Синтезирована система с улучшенными характеристиками автоматического регулирования температуры продукта в системе воздушного охлаждения за счёт применения нового регулятора. Выполнен анализ электромеханических свойств вентиляторного агрегата с асинхронным двигателем и частотным преобразователем. Разработано математическое обеспечение для управления асинхронным двигателем и частотным преобразователем