автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Оптимизация параметров систем теплоснабжения на основе регуляторов прямого действия

На правах рукописи

БАЛДАЕВ Владимир Александрович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ РЕГУЛЯТОРОВ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их

энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ -2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Степанов Владимир Сергеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»

Защита состоится 29 июня 2006 года в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.03 при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по адресу 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в корп. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВосточноСибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан 27 мая 2006 г.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Дамбиев Цырен Цыдэнович

кандидат технических наук Цыдыпов Балдандоржо Дашиевич

Б.Б.Бадмаев

Л 006А

лг/?/

Общая характеристика работы

Актуальность темы. К настоящему времени в тепловом хозяйстве Бурятии сложилась ситуация, характерная и для других территорий страны. Несмотря на то, что номинально дефицит тепловой мощности источников в большинстве действующих систем отсутствует, в тепловом хозяйстве Республики Бурятия существуют серьёзные проблемы, имеющие место как в крупных системах теплофикации и централизованного теплоснабжения, так и в сфере теплоснабжения от мелких котельных.

Основные проблемы в системах теплоснабжения:

Гидравлическая разрегулированность систем, отклонения от расчётных параметров теплоносителя, что приводит к завышенным расходам (в 1,5-2 раза) сетевой подпиточной воды и неудовлетворительному распределению теплоносителя по потребителям. Это сопровождается дальнейшей разрегулировкой системы и увеличивает сливы сетевой воды из систем отопления.

Отсутствие автоматического регулирования в тепловых сетях и установках потребителей, что не позволяет организовать эффективные режимы работы систем в течение отопительного сезона и обеспечить комфортные условия в зданиях. Это является одной из основных причин больших непроизводительных потерь тепла при его транспорте и потреблении.

По результатам нашей многолетней деятельности было установлено, что на трубопроводах систем теплоснабжения диаметром до 80 мм целесообразно применять регуляторы прямого действия . Регуляторы прямого действия не используют постороннего источника энергии для перестановки регулирующего органа и эта перестановка осуществляется силой, возникающей непосредственно в чувствительном элементе за счет изменения величины регулируемого параметра. Регуляторы прямого действия просты в конструктивном отношении, удобны в эксплуатации. Существующие методики подбора регуляторов ограничиваются выбором номера регулятора по регулируемому параметру и величине потери давления в регуляторе при максимальной степени открытия регулирующего органа, оставляя в стороне такие важные параметры, как определение неравномерности, требуемой формы плунжера, жесткости пружины и сильфона, настроенного натяга пружины, динамических характеристик механической системы

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петеобувг

пружина - плунжер - сильфон и регулируемой системы и т.д. Поэтому проблема управления и оптимизации параметров на основе регуляторов прямого действия в системах теплоснабжения является актуальной.

Целью диссертации является создание детальной методики анализа работы регуляторов прямого действия для управления и оптимизации парамефов систем теплоснабжения.

Методы исследования основаны на применении теории подобия в теплотехническом эксперименте, теории линейных и нелинейных дифференциальных уравнений, математического моделирования устойчивости и динамики регуляторов прямого действия, теории переходных процессов в системах автоматического регулирования.

В диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту:

1. Методика расчета регуляторов прямого действия в виде номограмм.

2. Матемашческая модель описания процессов работы в регуляторах прямого действия.

3. Расчетные характеристики регуляторов прямого действия типа РР и РД диаметром 50 мм с плунжерами различной формы на основе экспериментальных данных.

4. Эмпирические зависимости для определения коэффициента лобового сопротивления плунжера и гидравлического сопротивления корпуса регулятора.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается согласованием полученных зависимостей с многочисленными экспериментальными исследованиями, при расчете по полученным зависимостям средняя квадратичная погрешность от экспериментальных данных не превышала 5 %.

Практическая ценность полученных научных теоретических и экспериментальных результатов позволяет подобрать характеристики регуляторов типа РР и РД в зависимости от параметров регулируемых тепловых систем; определить величину неравномерности и статистическую ошибку регулирования; определить зону устойчивой работы регуляторов прямого действия.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты исследований внедрены при расчетах режимов управ-

ления и оптимизации в тепловых сетях г.Улан-Удэ, г.Гусимоозерска. Материалы диссертации используются в учебном процессе в Восточно-Сибирском г осударственном технологическом университете.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в Московском энергетическом институте (Москва, 1973-2000 гг.), в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете (Улан-Удэ. 2000-2006 гг.), на международной конференции Улан-Баторского энергетического институт (Улан-Батор, 2005 г.), на международных конференциях Бурятской государственной сельскохозяйственной академии (Улан-Удэ, 2005 г).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения.

Автор отдает дань памяти УЧИТЕЛЯ, выдающе1 о ученого - теплоэнергетика Ефима Яковлевича Соколова

Основное содержание работы

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели и основные задачи исследования, определена научная и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ существующих методов оптимизации параметров систем теплоснабжения. Отмечается, что для оптимального управления целесообразно применять регуляторы прямого действия, которые мало исследованы, что приводит к неустойчивым режимам работы систем теплоснабжения. Далее рассмотрен принцип работы регуляторов давления и перепада давления. Модель действия регуляторов прямого действия основана на равновесии сил, приложенных к его подвижным частям. Заданное значение регулируемого параметра определяется натяжением настроечной пружины. При отклонении параметра от заданного значения равновесие сил нарушается и это приводит к перемещению плунжера в нужную сторону и поддержанию регулируемой величины в заданных пределах. Для создания математической модели регуляюра прямого действия выведено уравнение сил системы плунжер-пружина-сильфон. С цель упрощения рас-

четов использованы номограммы Определены допустимые изменения регулирующих параметров (давления и расхода) в системах 1еплоснабжгния исходя из обеспечения санитарно-гигиенических условий в помещениях для различных расчетных температур наружного воздуха и температурных графиков качественного регулирования огопшельной нагрузки. При расчетах использовано уравнение характеристики теплосбменных аппаратов, предложенных профессором Е.Я.Соколовым.

Во второй главе исследовано воздействие потока на плунжеры различных форм в регуляторе прямого действия. Выведены аналитические зависимости для определения силы лобового сопротивления плунжера

Согласно теории подобия вместо 8 независимых величин определено 5 критериев, на основе которых в дальнейшем находилась критериальная зависимость. Далее исследовались условия обтекания плунжеров различной формы в регуляторах прямого действия. В геле плунжера рассверливались дренажные отверстия диаметром 0,2 им для отбора давления. Импульсные линии выводились через полый шток.

На рисунке 1 представлены эпюры давлений для плунжеров различных форм в зависимости от хода плунжера 2. Экспериментально выявлено, что целесообразно различать режимы работы регулятора на малых (до 2—3 мм) и больших ходах плунжера. При малых ходах происходит дросселирование потока в кольцевой щели вдоль седла. Здесь наблюдается аналогия с дросселированием потока в диафрагме. Давление на фронтальную часть плунжера от штока до щели не меняется. Однако с увеличением хода плунжера давление на фронтальной части падает от шгока к кольцевой щели и характер этого изменения зависит от формы плунжера и его хода.

По эпюрам давления, используя методы численного интегрирования, определены усилия D на плунжер от протекающего потока. В качестве расчетной площади плунжера принята площадь горловины /,. Значения коэффициентов с и отнесены к скорости потока во входном патрубке регулятора ©о.

Эксперименты показывают, что коэффициенты лобового сопротивления с и гидравлического сопротивления § при развитом турбулентном движении Re>4 -104 и числе Ma < 1 являются

функциями только формы и хода плунжера т. На рисунках 2 и 3 представлены графики зависимости лобового и гидравлического сопротивлений плунжеров форм 1 (конического с углом 90°). 3 (шарового) и 5 (вогнутого) от относительного хода плунжера

Рис. 1. Эпюры давлений для плунжеров различных форм. Кривые 1 — 6 соответствуют формам плунжеров за этими номерами, показанными на рис. 2, Р| — давление во входном патрубке регулятора

Для золотниковых плунжеров формы 6 значения соответствующих коэффициентов располагаются выше значений формы 3, причем на вид этих зависимостей влияет конструкция окон.

На рисунке 3 показаны опытные значения коэффициента

<Р

( \ с

в зависимости от —. Для конических плунжеров с углами

конусное I и 120° и 90° коэффициент <р опрел с 1ялся во время испьианий регуляторов РР-50, 80 100 иРД-80.

При подборе эмпирических формул для с и рассматривались степенная и показательная функции В резулыате сравнения сумм квадратов отклонений измеряемых значений функций о г расчетных был выбран следующий вид эмпирических формул'

г

J

£ = £0ехр

/ \

2 /

где с0 коэффициент сопротивления тела плунжера в безграничном пространстве; £,о - коэффициент гидравлического сопротивления корпуса регулятора, в нашем случае £,о - 6; а; Ъ;к; п —-постоянные, значения которых, в зависимости от

формы плунжера получено на основе эксперимента и приведены в таблице 1.

№ Форма плунжера Со а к ь п

1 Коническая, а = 90° 0.50 2.60 0.30 0.70 0.50

2 Коническая, а=120° 0.70 2.60 0.30 0.75 0.50

3 Шаровая, выпуклая 0.35 3.30 0.30 1.00 0.50

4 Шаровая с обтекателем 0.088 3.80 0.30 1.00 0.50

5 Шаровая, вогнутая 0.25 2.60 0 30 0.62 0.50

6 Золотниковая 1.20 2.70 0.30 1.10 0.50

Рис.2 Зависимость опытных Рис. 3.Зависимость опытных

Ъ Ъ

значений <?и с от — значений ср от —

аг ф йг

с плунжерами форм 3,1 и 5 (сверху вниз)

При предварительных расчетах можно принимать значения а ~ 2,60 - 2,80 и Ь=0,80 - 1,00. В этом случае значения лобового и гидравлического сопротивлений зависят от с0 и ¿0- Значения Со принимаются по аэродинамическим таблицам или по результатам обдувки гела плунжера в аэродинамической фубе.

В третьей главе описана экспериментальная установка и результаты исследования переходных и колебательных процессов в регуляторах прямого давления.

С целью исследования переходных и колебательных процессов в регуляторах прямого действия был собран стенд. В процессе исследования измерялись- давления образцовыми манометрами, класс точности 0,4, и те нзо преобразователям и с проволочными тензорезистрами из константана с малой и средней базами и активным сопротивлением 50-120 Ом; перемещение сильфона с помощью преобразователя перемещения, имеющего в качестве упругого элемента арку с наклеенными тензорезисторами; скручивающие, изгибающие и осевые усилия, действующие на плунжер с помощью тснзодатчиков, наклеенных прямо на шток регулятора.

Установка тензорезисторов для и*мсрепия линейных деформаций выполнялась с помощью приклейки.

На всех стадиях приклейки проводилась проверка сопротивления изоляции между тензорезисюрами разного целевою назначения, минимальное допустимое сопротивление принималось равным 100 Мом.

Особенно сложным оказал 'сь защита наклеенных 1ензоре-зисторов на штоке от действия влаги Сложность этого вопроса объясняется одновременным действием воды с переменной температурой, от +10 до +100 градусов, разных механических воздействий, кавитационных явлений. Весьма сложной была гидроизоляция места вывода импульсных линий от тензорезисторов на штоке в среду.

Перед началом эксперимента в течение нескольких месяцев был испытан ряд влагозащитных покрытий. В качестве покрытий брались бакелитовые лаки, клеи типа БФ, эпоксидные композиции, резиновые покрытия, металлические кожуха. В случае механических покрытий внутреннее пространство заполнялось специальными составами, состоящими из пчелиного воска, канифоли, вазелина технического и веретенного масла.

В процессе исследования использовались сильфоны с жесткостью 1,69; 1,56; 1,98; 0,77 кг/мм, пружины с жесткостью 1,26; 0,5; 0,91; 1,29 кг/мм и плунжеры различных форм и масс.

Импульсы от тензисторов подавались на 8 - канальный усилитель, в качестве регистрирующей аппаратуры использовался шлейфовый осциллограф Н-700.

Частота исследуемых процессов не превышала 200 Гц, а полоса частот, пропускаемая усилительным устройством, от 0 до 500 Гц. Собственная частота гальванометров осциллографа принималась на порядок выше частоты исследуемых процессов. Перед проведением исследований все тензопреобразователи тарировались. Для исключения влияния соединительных линий тарировка и эксперимент проводились на тех же самых кабелях.

Целью экспериментов являлось исследование переходных процессов в системе автоматического регулирования при единичном возмущении регулируемого параметра и при изменении сопротивления регулируемой системы теплоснабжения. Исследовалось влияние на переходные процессы в регуляторе формы плун-

10

жера, жесткости пружин и сильфона. конструкции демпфирующих устройств.

Во время экспериментов для качественного анализа кавитации замерялось сопротивление воды в следе плунжера двумя датчиками: датчиком общего сопротивления воды и датчиком типа «свеча».

Из рассмотрения переходных процессов, рассчитанных теоретически из предположения, что переходный процесс осуществляется последовательными равновесными режимами, и кривых, полученных экспериментально, видно удовлетворительное совпадение. На установившихся режимах наблюдается полное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

При расчете регуляторов прямого действия нас, с в первую очередь, интересовали значения регулируемых параметров на установившихся режимах. Анализ переходных процессов необходим для определения устойчивости работы регулятора и определения качества регулирования.

Собственная частота свободных колебаний механической системы пружина-плунжер-сильфон с различными плунжерами, пружинами и сильфонами менялась в пределах 150-180 1/с. Во время разгона насоса при его включении, когда частота пульсации насоса увеличивалась от 0 до 305 1/с, наблюдался кратковременный резонанс регулятора, то же самое наблюдалось и при остановке насоса.

С точки зрения устойчивости переходные процессы являются апериодическими. Время регулирования, т.е. время быстродействия системы автоматического регулирования было соразмерным со временем возмущения, несколько превосхоДя его. Перерегулирования или заброса регулируемого параметра не наблюдалось.

Четвертая глава посвящена теоретическим исследованием процесса регулирования и управления.

Уравнения движения для регуляторов расхода / РР/ и давления /РД/ «до себя» являются уравнением Лагранжа и имеют вид

PPMZ = (Cn+CL)(Zl,~Z) + C(^~^ffl-{SKI+SB)ftWxa>l +

(IV _ 7)2

РРМ 7 - (Г + С; )(2„ - 7) + Сд ' 2 ; р/, - + В =

где М - масса движущихся элементов механической системы, кг;

Сп Сс - жесткости , соо(ветственно, пружины и сильфона,

н/м;

ЪК\\Ъ- настроечное и рабочее положение плунжера, м;

С - коэффициент лобового сопротивления профиля плунжера, является функцией Ъ и формы плунжера;

XV| - скорость потока во входном патрубке регулятора,

м/с;

р - плотность жидкости, кг/м3;

£ и Гс - площади, соответственно, горловины регулятора и сильфона, м2; 5КЛ, 8а и 50 - сопротивления, соответственно, клапана регулятора, абонентского ввода и обратной линии трубопровода после регулятора давления, нс2/м2м6;

со, - площадь входного патрубка регулятора, м2;

X, Z - скорость и ускорение плунжера;

В - коэффициент демпфирования, кг/с.

Для повышения устойчивости работы регулятора предусматривается гидравлический демпфер виде поршневого устройства Демпфирующий эффект достигается за счет перетекания жидкости из внутренней полости штока через зазор малого сечения между штоком и направляющим стержнем с головкой, выполненным в виде шарика. При расчетах принимается, что сила демпфирования пропорциональна скорости движения плунжера Ъ.

При нарушении равновесия механическая система пружина - плунжер - сильфон будет стремиться занять устойчивое положение около точек равновесия, движение в этом случае описывается уравнением затухающих колебаний с частотой, приблизительно равной квадрату собственной частоты колебания системы К2=(С„ + Сс)/М; и логарифмическим декрементом затухания, равным

5у=лВ/л]М/(Сп +С£ ) .

Чем больше 8-„ тем быстрее система приходит в равновесие.

12

Интегрирование дифференциальных уравнений в квадратурах невозможно определим, точно, в связи с чем разработаны номограммы для расчета переходных режимов в регуляторах расхода и давления «до себя» Номограммы построены исходя из предположения, что регуляторы обладают хорошим демпфированием. Как показывают эксперимент, в промышленных регуляторах время затухания переходных процессов при единичном нарушении не превышает 1 секунды. Логарифмический декремент затухания не менее 0,5 - 0,7. т.е. за один период колебания амплитуда уменьшается более чем в два раза. В этом случае на равновесных режимах можно написать для РР

с(, + с

АР = (Р1~Р3) и для РД «до себя»

/ С '

// --

% + Х

С„+Сс (2-2 ) Р, = Р4(1 + у и,

я 4 (С.+С^ пй;

где х - коэффициент местного сопротивления абонентской системы, х - 2 5ю2/р ; - коэффициент местного сопротивления регулятора; 52 - (Л-

Л Л 6 в/о Хцд плунжера .

/а.

«Д

Х& О

43- 6-С

к«

Л

Пол ним перепал » н/*-^

Рис. 4. Характеристика регулятора расхода РР-50. Сопротивление сииемы 8=30Ю9 нс2/м2мб; Яс1г=5,67. 105 н/м2; гн = 53 мм

£ I

ддЪ«ии« до рлгтторл,

цЛ Г" ,3

щ '81 0

V,

Г и А- {

1 б 3 <0 Уч

Рис. 5. Характерисшка регулятора давления РД-50 «до себя». Сопротивление обратного трубопровода 50=1 10109 нс2/м2мб; Яс1г=610м/м2 гн=-44 мм.

Па рисунках 4,5 показаны характеристики регуляторов РР и РД диаметром 50 мм Видно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных при 82 = 1.0. Цифрами 1,2,3 обозначены плунжеры, имеющие соответственно вогнутую, коническую и шаровую формы. Регуляторы прямого действия на равновесных режимах поддерживают значения регулируемой величины со статической ошибкой. Наименьшее значение статической ошибки или наименьшее значение неравномерности наблюдается при б"* — 1.0 и вогнутой форме плунжера. Основные преимущества вогнутого плунжера проявляются при небольших степенях открытия плунжера, но при этом повышается возможность возникновения вибрации. Поэтому применение вогнутою плунжера рекомендуется в случае, если система автоматического регулирования имеет достаточный запас устойчивости.

Механическая система пружина - плунжер - сильфон является упругой системой и может являться источником волновых процессов в тепловых сетях, также и сама она может быть подвержена вынужденным колебаниям из тепловой сети. Особенно опасны колебания при небольших степенях открытия плунжера. Принимая наименьшее значение степени открытия, равное 7/с1г = 0.02, а наименьшее значение лежит в пределах = 0,16, получаем рабочий диапазон хода плунжера. Настроечные имеют вид: для РР

^=[(С„ + Сс) / (^Э)] °*5,

для РД

Рз- (Сп + Сс) 7Ла. Рабочие значения регулируемых параметров будут переменными и отличаться от настроечных, конкретные значения легко определить, используя номограммы.

В регуляторе расхода имеется предохранительная втулка, препятствующая чрезмерному сжатию сильфона, настройка регулятора определится из соотношения

Сп+Сс

где п - число оборотов настроечного винта;

I - шаг винта, м;

7и - начальное положение плунжера при нулевом значении усилий в сильфоне и пружине, м. Для регулятора давления «до себя»

г„ = (г0-п1) —.

л + с

Размер регулятора типа РР определяется по номинальному значению регулируемого параметра при максимально возможной степени открытия плунжера и минимально допустимой потере давления на регуляторе. Размер регулятора давления «до себя» определяется при максимально возможной степени открытия плунжера и максимальном расходе воды.

Основные результаты работ

1. Разработана математическая модель анализа работы регуляторов прямого действия на основе системы плунжер-пружина-сил ьфон.

2. На основе теоретической модели и экспериментальных исследований создана методика расчета регулятора прямого действия в виде номограмм.

3. В результате экспериментального исследования условий протекания потока через регулятор с плунжерами различных форм определено следущее:

a) при значениях Яе > 105 коэффициенты лобового и гидравлического соцротивлений автомодельны относительно критерия Яе и являются функциями хода и формы плунжера;

b) применение обтекателей в следе тела не приводит к улучшению обтекания тела в замкнутом пространстве;

c) результаты проведенных экспериментов для конических и шаровых плунжеров указывают на недостаточную точность эмпирических формул Баха для С и

ё) применение коротких насадок (0,5-1) с!г в регуляторах нецелесообразно;

е) из-за одностороннего подвода потока поле давления деформируется и появляется боковая прижимающая сила.

4. Полученные экспериментальные зависимости для лобового и гидравлического коэффициентов позволяют определить гидродинамические усилия на плунжер от протекающей во-

17

ды в замкнутом пространстве и потери напора в регуляторе в зависимости от хода и форм 1,1 плунжера.

5. Движение механической системы регулятора плунжср-пружина-сильфон является диссипативным и описывается нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка с одной степенью свободы. Показано, что данная система является системой с жестким самовозбуждением.

6. Найдено, что причинами колебания системы пружин а.-плунжер-сильфон являются силы, возбуждаемые вихрями, сбегающими с тела, и силы Бернулли. Помимо этих сил, причинами колебаний могут быть силы внешнего происхождения, так называемые вынужденные и параметрические колебания.

7. Полученные основные результаты работы позволяют подобрать характеристики регуляторов прямого действия для управления и оптимизации систем теплоснабжения. Результаты диссертации внедрены для расчетов режимов управления в тепловых сетях г.Улан-Удэ, г.Гусиноозерска.

Список работ, опубликованных по тема диссертации

1. Балдаев В.А., Соколов Е.Я., Сафонов А.П. Исследования воздействия потока воды на плунжеры регуляторов прямого действия//Энергетика. Известия вузов. -М., 1974. - №5, с.135-140.

2. Балдаев В.А. Исследование работы регуляторов давления и перепадов давления в тепловых сетях//Труды Московского ордена Ленина энергетического института «Исследование теплоэнергетических и низкотемпературных процессов». Вып. 186-М.: Изд-во МЭИ, 1974. С.72-79.

3. Балдаев В. А., Дамбиев Ц.Ц. Организация эколого-энергетического аудита городской ТЭЦ//Материапы международной научно-практической конференции «Агроинже-нерная наука: проблемы и перспектвы развития». -Улан-Удэ, Изд-во БГСХА, 2005. - С.291 -295

18

Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц.Матемажческая модель устойчивого развития энергосистемы//Материалы международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука: проблемы и перспективы развития». -Улан-Удэ, Изд-во БГСХА, 2005. - С.304-308.

Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц Характеристика республики Бурятия как объекта энергосбережения// Материалы III международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии». -Томск-Улан-Удэ, Изд-во БГСХА, 2005. - С.200-205.

Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц., Алганаев A.A. Энергоснабжение и энергосбережение. -Улан-Удэ, Изд-во ВСГТУ, 2006. С.131.

»115191

Подписано в печать 25.05.2006 г. Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. 1.16. Гираж 100 экз. Заказ №90 Издательство ВСГТУ 670013. г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40, в

Введение

Глава 1. Использование регуляторов прямого действия в системах теплоснабжения. 6 1-1. Анализ проблем в тепловом хозяйстве Республики

Бурятия 6 1-2. Принцип действия регуляторов давления и перепада давления прямого действия.

1-3. Допустимые изменения регулируемых параметров. 28 Выводы по главе

Глава 2. Взаимодействие потока с плунжерами различных форм в регуляторах прямого действия

2-1. Обтекание тела потоком жидкости. 3 5 2-2. Обтекание тел вращения потенциальным потоком несжимаемой жидкостью. 41 2-3. Определяющие факторы на основе теории подобия. 44 2-4. Описание экспериментальной установки.

2-5 .Проведение эксперимента и обработка результатов. 53 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование переходных процессов в регуляторах прямого действия.

3-1. Описание экспериментальной установки. 65 3-2.Демпфирование в регуляторах прямого действия. 73 3-3.Влияние воздуха в регуляторе на качество регулирования.

3-4 Надежность систем автоматического регулирования тепловой сети и абонентских вводов.

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Теоретическое исследование процесса регулирования.

4-1. Уравнение движения регулятора. 102 4-2. Вынужденные колебания в регуляторах.

4-3. Системы автоматического регулирования прямого действия.

Выводы по главе

Актуальность темы. К настоящему времени в тепловом хозяйстве Бурятии сложилась ситуация, характерная и для других территорий страны. Несмотря на то, что номинально дефицит тепловой мощности источников в большинстве действующих систем отсутствует, в тепловом хозяйстве Республики Бурятия существуют серьёзные проблемы, имеющие место как в крупных системах теплофикации и централизованного теплоснабжения, так и в сфере теплоснабжения от мелких котельных.

Основные проблемы в системах теплоснабжения:

Гидравлическая разрегулированность систем, отклонения от расчётных параметров теплоносителя, что приводит к завышенным расходам (в 1,5-2 раза) сетевой подпиточной воды и неудовлетворительному распределению теплоносителя по потребителям. Это сопровождается дальнейшей разрегулировкой системы и увеличивает сливы сетевой воды из систем отопления.

Отсутствие автоматического регулирования в тепловых сетях и установках потребителей, что не позволяет организовать эффективные режимы работы систем в течение отопительного сезона и обеспечить комфортные условия в зданиях. Это является одной из основных причин больших непроизводительных потерь тепла при его транспорте и потреблении.

По результатам нашей многолетней деятельности было установлено, что на трубопроводах систем теплоснабжения диаметром до 80 мм целесообразно применять регуляторы прямого действия. Регуляторы прямого действия не используют постороннего источника энергии для перестановки регулирующего органа и эта перестановка осуществляется силой, возникающей непосредственно в чувствительном элементе за счет изменения величины регулируемого параметра. Регуляторы прямого действия просты в конструктивном отношении, удобны в эксплуатации. Существующие методики подбора регуляторов ограничиваются выбором номера регулятора по регулируемому параметру и величине потери давления в регуляторе при максимальной степени открытия регулирующего органа. При этом остаются в стороне такие важные параметры, как определение неравномерности, требуемой формы плунжера, жесткости пружины и сильфона, настроечного натяга пружины, динамических характеристик механической системы пружина - плунжер - сильфон и регулируемой системы и т.д. Поэтому управление и оптимизация параметров на основе регуляторов прямого действия в системах теплоснабжения является актуальной.

Целью диссертации является создание детальной методики с целью анализа работы регуляторов прямого действия для управления и оптимизации параметров систем теплоснабжения.

Методы исследования основаны на применении теории подобия в теплотехническом эксперименте, теории линейных и нелинейных дифференциальных уравнений, математического моделирования устойчивости и динамики регуляторов прямого действия, теории переходных процессов в системах автоматического регулирования.

В диссертационной работе впервые получены результаты, которые составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту:

1. Методика расчета регуляторов прямого действия в виде номограмм;

2. Математическая модель описания процессов работы в регуляторах прямого действия;

3. Расчетные характеристики регуляторов прямого действия типа РР и РД диаметром 50 мм с плунжерами различной формы на основе экспериментальных данных;

4. Эмпирические зависимости для определения коэффициента лобового сопротивления плунжера и гидравлического сопротивления корпуса регулятора.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы иодтвернедается согласованием полученных зависимостей с многочисленными экспериментальными исследованиями. При расчетах по полученным зависимостям средняя квадратичная погрешность от экспериментальных данных не превышала 5 %.

Практическая ценность полученных научных теоретических и экспериментальных результатов позволяет подобрать характеристики регуляторов типа РР и РД в зависимости от параметров регулируемых тепловых систем; определять величину неравномерности и статическую ошибку регулирования; определять зону устойчивой работы регуляторов прямого действия.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты исследований внедрены для расчетов режимов управления и оптимизации в тепловых сетях г. Улан-Удэ, г. Гусиноозерска. Материалы диссертации используются в учебном процессе в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в Московском энергетическом институте (Москва, 1973-2000гг), в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете (Улан-Удэ. 2000-2006 гг.), на Международной конференции Улан-Баторского энергетического института (Улан-Батор, 2005 г), на Международных конференциях Бурятской государственной сельскохозяйственной академии (Улан-Удэ, 2005 г).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах:

1. Балдаев В.А., Соколов Е.Я., Сафонов А.П. Исследования воздействия потока воды на плунжеры регуляторов прямого действия.//Энергетика, Известие ВУЗов. - М., 1974. - №5, с.135-140.

2. Балдаев В.А. Исследование работы регуляторов давления и перепадов давления в тепловых сетях./ЛГруды Московского ордена Ленина энергетического института. «Исследование теплоэнергетических и низкотемпературных процессов», выпуск 186-М.: МЭИ, 1974. с.72-79.

3. Балдаев В.А., Рыбалко В.Ф., Балтуев Г.Т. Внедрение двухимпульсного регулятора давления на насосной станции тепловой сети.//Теплоэнергетика.-М.: «Энергия», 1978. №12, с.36-37.

4. Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц. Организация эколого-энергетического аудита городской ТЭЦ.//Материалы международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука: проблемы и перспективы развития». - Улан-Удэ, БГСХА, 2005. - с.291-295.

5. Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц.Математическая модель устойчивого развития энергосистемы.//Материалы международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука: проблемы и перспективы развития». - Улан-Удэ, БГСХА, 2005. - с.304-308.

6. Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц Характеристика республики Бурятия как объекта энергосбережения.// Материалы III международной научнопрактической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии». - Томск-Улан-Удэ, БГСХА, 2005. - с.200-205. Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц., Алганаев А.А. Энергоснабжение и энергосбережение. - Улан-Удэ, ВСГТУ, 2006, с. 131

Заключение

Несмотря на кажущуюся простоту, исследование работы регуляторов прямого действия имеет много сложных моментов, ибо здесь, как ни в какой системе автоматического регулирования проявляются взаимное влияние объекта регулирования и самого регулятора.

В регуляторах прямого действия в одном рабочем органе - плунжере совмещены две функции - измерительного и исполнительного элементов, поэтому усложняется определение аналитических зависимостей коэффициентов передачи этих элементов от возмущающих воздействий, как правило, эти зависимости имеют нелинейный характер.

При рассмотрении условий протекания потока регулируемой среды через регулятор сталкиваемся с вопросами, требующими своего фундаментального решения. Это, прежде всего, вопросы теории пограничного слоя. Теория хорошо разработана для обтекания тел в одномерном и осесимметричном двухмерном пространстве. Задачи обтекания произвольного профиля имеют решение только для фиксированных случаев. Случай обтекания тела в канале рассмотрен только для некоторых профилей, обтекаемых потенциальным потоком.

Вот почему в данной работе, при рассмотрении протекания потока через регулятор, основной упор был сделан на экспериментальном исследовании обтекания некоторых профилей с учетом границ потока. Поток, обтекающий профиль, был автомоделей относительно критерия Рейнольдса. При этих условиях коэффициент сопротивления определялся степенью открытия и формой плунжера. Был оставлен в стороне исключительно важный, в теоретическом и практическом отношениях, вопрос о кавитации при протекании потока через регулятор. Косвенная оценка кавитации, основанная на измерении электрического сопротивления воды, показала существенное влияние кавитации на условия протекания потока.

Одним из эффективных способов организации потока через регулятор является конструирование корпуса по линиям тока безотрывного потенциального потока и применение насадок. В этом случае уменьшаются потери энергии потока на вихреобразование.

Поскольку механическая система плунжер-пружина-сильфон является колебательным звеном, а также быть и сама источником волновых процессов в тепловой сети. В процессе работы система постоянно находится в колебательном движении, параметры которого зависят от динамических свойств системы плунжер-пружина-сильфон, гидродинамических особенностей протекающего потока, характера протекания волновых процессов в тепловой сети. Механическая система регуляторов является системой с жестким самовозбуждением, т. е. до тех пор, пока начальное возмущающее воздействие не достигнет некоторого значения, определяемого амплитудой неустойчивого предельного цикла, колебания будут затухающими. Как только начальное возмущение станет достаточно велико, колебательный процесс становится расходящимся, амплитуда колебания может принимать как угодно большое значение. Примером таких колебаний является широко известное явление в бытовой практике - дребезжание водопроводных вентилей. Легко представить, насколько серьезнее по своим последствиям является такой процесс в регуляторах. По некоторым данным, около трети всех устанавливаемых регуляторов прямого действия выходят из строя в течение первого года по разным причинам. Более половины из этого количества - по вышеупомянутой причине.

Связывая неустойчивость работы регулятора и вибрацию плунжеров с нестационарным характером протекания потока через регулятор, причинами, лежащими в основе этой нестационарности, будут:

1. Вихри, образуемые за телом при обтекании его потоком;

2. Силы Бернулли;

3. Силы внешнего происхождения;

4. Параметрические колебания.

При развитом турбулентном режиме Re > 105, а именно такой режим наблюдается в тепловых сетях, за телом образуются многочисленные кавитационные образования и вихри, срываемые с кромок тела, как бы вязнут в этой пузырьковой структуре. С увеличением Рейнольдса кавитация усиливается, размер пузырьков увеличивается, влияние срывного вихреобразования на колебания уменьшается, но зато начинает играть роль нестационарный характер протекания кавитации - образование и схлопывание паровых пузырей. Вопрос влияния кавитации на устойчивость работы регулятора требует отдельного исследования.

Движение механической системы плунжер-пружина-сильфон регуляторов расхода и давления «до себя» может быть описано нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка. Анализ работы системы сводится к анализу дифференциального уравнения с переменными коэффициентами. Точность этого анализа зависит от степени линеаризации исходного уравнения. Используя вычислительные машины, можно решить исходные нелинейные дифференциальные уравнения с любой требуемой точностью. В настоящей работе исходные уравнения упрощаются, и результат аналитических решений сверяется с экспериментальными данными.

Рассматривая работу регуляторов прямого действия во всей системе теплоснабжения, необходимо отметить, что от качества надежности работы регуляторов зависит режим управления и оптимизация всей системы теплоснабжения.

1. Алексеев, С.Р. Энергосбережение в Бурятии: проблемы и перспективы Текст.: монография/ С.Р. Алексеев, Ц.Ц. Дамбиев, А.В.Крюков В.Б. Нимаев Улан - Удэ, 2006. - 51 с.

2. Дамбиев, Ц.Ц. Методологические принципы создания муниципальных программ энергосбережения Текст. /Ц.Ц. Дамбиев, А.В. Крюков, В.Б. Нимаев //Энергосбережение. -№5.-2000. С.33-35.

3. Дамбиев, Ц.Ц. Методология разработки муниципальных программ энергосбережения Текст. / Ц.Ц. Дамбиев, А.В. Крюков, В.Б. Нимаев //Сб. научн. тр. ВСГТУ, 2000.

4. Дамбиев Ц.Ц. Комплексная программа энергосбережения и внедрения энергоэффективных технологий для АО Бурятэнерго Текст. / Ц.Ц. Дамбиев, А.В. Крюков, В.Б. Нимаев //Сб. научн. тр. ВСГТУ, 2000.

5. Авторегуляторы горячего водоснабжения конструкции ОРГРЭС. СЦНТИ 1969.

6. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М. «Недра» 1970.

7. Арзуманов Э.С. Расчет и выбор регулирующих органов автоматических систем. М. «Энергия». 1971.

8. Архипов П.С. Автоматическое регулирование поверхностных теплообменников. М. «Энергия». 1971.

9. Бабаков И.М. Теория колебаний. М. «Наука» 1968.

10. Благих В.Т. Автоматическое регулирование отопления и вентиляции. «Челябинская книж. Издат.» 1964

11. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. М., «Энергия» 1972

12. Горлин С.М. , Слезингер И.И. Аэромеханические измерения М. «Наука» 1964

13. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. М. «Высшая школа» 1970

14. Громов Н.К. Абонентские установки водяных тепловых сетей., М. «Энергия» 1968

15. Громов Б.Н. Гидравлический удар в тепловой сети при закрытии дросселирующих устройств. «Теплоэнергетика» ,1973, №1.

16. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. М. «Машиностроение» 1969.

17. Гухман А.А. Введение в теорию подобию. М. «Высшая школа»1963

18. Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости. М. «Энергия» 1971

19. Егоров К.В. Основы теории автоматического регулирования. М. «Энергия» 1967.

20. Емельянов М.А. , Трембицкий В.Я., Харин А.В. ДДысин М.И. Автоматизация районных тепловых станций. М. «Стройиздат» 1970

21. Заринский О.Н. Регуляторы давления прямого действия. ЦИНТМаш. 1961

22. Зельдович Я.Б., Мышкин А.Д. Элементы прикладной математики. «Наука» 1972.

23. Иванов В.А. , Чемоданов Б.К. , Медведев B.C. Математические основы теории автоматического регулирования «Высшая школа» 1971

24. Иорши Ю.И. Виброметрия. «Машиностроение» 1963

25. Копьев С.Ф. Теплоснабжение. «Стройиздат» 1953

26. Крутов В.И., Спорыш И.П., Юношев В.Д. Основы теории автоматического регулирования. «Машиностроение» 1969

27. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М. «Наука» 1973

28. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М. «Наука» 1973

29. Мишенков Г.В., Комар Н.В. Лабораторный практикум по теории колебаний, ч.Ш. Изд. МЭИ, 1970

30. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. М. «Энергия» ,1970

31. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М. «Наука» 1971

32. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. «Машиностроение» 1964.

33. Проблемы управления микроклиматом в обогревательных зданиях. Изд-во ЧПИ 1971

34. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М. «Наука» 1971

35. Сафонов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям. М. «Энергия» 1968

36. Сафонов А.П. Переходные процессы в системах теплоснабжения. « Известия ВУЗов», 1970 №11

37. Сафонов А.П. Исследование работы регуляторов давления, расхода прямого действия в тепловых сетях. «Известия ВУЗов»

38. Сергеев С.И, Демпфирование механических колебаний. «Физматиздат» 1959

39. Скрицкий Л.Г. Основы автоматики и автоматизации систем теплогазоснабжения и вентиляции. М. «Стройиздат» 1968

40. Соколов Е.Я. Теплофикации и тепловые сети. М. «ГЭИ» 1963

41. Соколов Е.Я., Громов Н.К. , Сафонов А.П. Эксплуатация тепловых сетей «ГЭИ» 1955

42. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей. «Стройиздат» 1965

43. Седач B.C., Блудов В.М. Повышение пропускной способности тарельчатого клапана. «Известия ВУЗов» 1972 №4

44. Стефании Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических прочесов. М., «Энергия», 1972

45. Сквайре Дж. Практическая физика «Мир», 1971

46. Тезисы докладов к научно-техническому совещанию по автоматизации систем отопления и абонентских вводов в жилых и общественных зданиях при централизованном теплоснабжении. Челябинск, 1972

47. Универсальный регулятор расхода и давления прямого действия (УРРД) конструкции ОРГРЭС. «БТИ ОРГРЭС», 1968

48. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. Госиздат тех. теор.лит. 1949

49. Френкель Н.Э. Гидравлика. М. «ГЭИ» 1956

50. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах. М., «Мир» 1968

51. Химмельблау Д. Анализ процессов статическими методами. «Мир» 1968

52. Циккарт И. (ЭГУ, ПРАГА) Регулировочные клапаны в ЦТП и абонентских вводах. Тезисы. 1-ый международный симпозиум по автоматизации и защите тепловых сетей. Варшава, 1973.

53. Чистович С.А. Системы центрального отопления жилых зданий. «Стройиздат» 1971 '

54. Фын Я.Ц. Введение в теорию аэроупругости. «Физматидат» 1959

55. Бисплингхофф, Эшли, Халфмэн. Аэроупругость. «ИЛ» 1958

56. Справочник. Прочность, устойчивость, колебания. Т. 1-3. под общей редакцией И.А.Биргера и Я.Г. Пановко «Машиностроение» 1968

57. Тондл А. Нелинейные колебания механических систем. М., «Мир» 1973

58. Красовский Б.М., Глушков В.Д. Применение теории надежности при проектировании теплофикационных систем. Пермь.

59. Половко JI.M. Основы теории надежности. «Наука» 1964.