Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ РЕЖИМОВ ПАРОВОДЯНОГО СТРУЙНОГО
ПОДОГРЕВАТЕЛЯ 14
Принципиальная схема струйного аппарата 14
Развитие теории струйных аппаратов 18
Особенности пароводяного струйного подогревателя 20
1.3.1. Влияние конструктивных факторов 23
1.3.2. Влияние режимных факторов 24
1.4. Виды и режимы течения двухфазных сред в каналах 26
1.5. Влияние устойчивости струи на работу пароводяного струйного
подогревателя 31
1.6. Особенности физического процесса пароводяного струйного
подогревателя 34
1.7. Существующие проблемы применения пароводяного струйного
подогревателя - 36
1.8. Постановка цели и задач исследования 37
ГЛАВА 2. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
РЕЖИМОВ ПАРОСТРУЙНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ 39
2.1. Исходные уравнения течения двухфазных потоков 39
2.2. Нахождение области устойчивости системы с распределенными
параметрами 43
2.3. Моделирование процессов пароструйного подогревателя 50
Численное решение методом Рунге - Кутта 4 порядка 51
Моделирование с использованием пакета MATLAB 5.0 56
Линеаризованная модель 66
Выводы к главе 2 75
ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПАРОСТРУЙНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ 77
3.1. Постановка задачи 77
Критерии оптимизации 77
Факторы 78
Полный факторный эксперимент 79
Проведение эксперимента 82
Обработка результатов 86
Методы оптимизации 94 3.5.1. Выбор метода оптимизации 94 3.5.2 Метод крутого восхождения по поверхности отклика 96
Выводы к главе 3 103
ГЛАВА 4. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ 104
4.1. Постановка задачи автоматического регулирования 104
4.2. Проверка на устойчивость и управляемость модели пароструйного
подогревателя 105
4.3. Разработка принципов построения системы регулирования 110
Экспериментальная регулировочная характеристика 112
Структура системы автоматического регулирования. 117
Методика настройки системы автоматического регулирования по фактической модели. 123
Методика настройки системы автоматического регулирования по имитационной модели 127
Синтез оптимального управления 132
Оценка качества процессов регулирования 136 Выводы к главе 4 138
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 140
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Список сигналов используемой информации 151
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Список сигналов результатов решения 152
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Алгоритм регулирования температуры на выходе ПСП 153
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Алгоритм формирования сигналов управления
регулирующим клапаном 155
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Акт внедрения результатов диссертационной работы
Введение к работе
В связи с ростом стоимости энергоносителей необходим поиск путей снижения их расхода. Экономию энергоресурсов можно получить при применении пароводяных струйных подогревателей, используемых в различных отраслях техники.
В пароводяном струйном подогревателе происходит движение двухфазной жидкости при наличии фазовых переходов. Поэтому, для эффективного применения подогревателей необходимо учитывать проблемы механики многофазных сред, а также регулирования их параметров.
Наиболее существенными физическими особенностями процессов движения двухфазных систем следует считать: а) тепловое и гидромеханическое взаимодействие фаз между собой и с твердыми границами; б) наличие фазовых переходов. Наиболее интенсивно эти особенности проявляются при больших скоростях движения жидкости (газа).
Процессы движения двухфазных сред усложняются образованием метастабильных неравновесных состояний системы (переохлаждение пара, перегрев жидкости, скачки конденсации и испарения и т. д.). Сложность таких систем обусловлена также возможным многообразием форм существования жидкой фазы (взвешенные и крупные капли, пленки и т.д.).
Перечисленные и ряд других принципиальных физических особенностей движения двухфазных двухкомпонентных (а в общем случае и многокомпонентных) систем считается, что дают основания выделить эти разделы механики легко деформируемых сред в самостоятельную специальную область — механику двухфазных (двухкомпонентных) систем. Созданию и развитию этого направления механики посвящены исследования отечественных и зарубежных специалистов. В период от первых случайных экспериментальных работ, относящихся ко второй половине прошлого века, до систематических теоретических и экспериментальных исследований, про-
водимых в настоящее время, накоплены были данные, позволяющие сформулировать некоторые основные закономерности течения двухфазных систем [60]. Установленные теоретически и экспериментально физические характеристики процессов привели к построению полуэмпирических методов расчета.
Как известно, газовая динамика гомогенной среды развивалась на основе некоторых упрощенных моделей движения. Несмотря на существенную схематизацию и упрощение действительного процесса движения и свойств реальной среды, указанные методы оказались весьма плодотворными и до настоящего времени не потеряли своего значения, так как они позволяют применять достаточно строгие математические методы к решению практически важных инженерных задач. В механике двухфазных сред аналогичные модели пока еще окончательно не разработаны, и это обстоятельство привело к заметному отставанию в решении теоретических задач.
Современное состояние механики двухфазных сред характеризуется интенсивным развитием экспериментальных исследований, проводимых с целью накопления опытных фактов. Параллельно сделаны и делаются попытки математического описания некоторых упрощенных моделей движения двухфазной жидкости и фазовых переходов при больших скоростях движения. В этом направлении успешно развиваются исследования двухфазных течений, например, в Московском энергетическом институте. В настоящей работе на основе полученных результатов сделана попытка некоторых обобщений для дальнейшего использования их в теории регулирования процессами, используются также материалы, имеющиеся в периодической литературе, а также монографиях книгах по общей газовой динамике и термодинамике.
Проблема механики двухфазных сред длительное время привлекает внимание исследователей. Над проблемами движения двухфазных сред
работют М.Е. Дейч и Г.А. Филиппов [26, 27], В. В. Фисенко [76, 77,78], А.Н Дядик, Н. П. Шаманов и А.Ю. Лабинский [82] и т.д.
В [60] Соколовым Е.Я., Зингером Н.М. рассмотрены типы струйных аппаратов. Процессы, протекающие в струйном подогревателе, описаны и проанализированы лишь с качественной стороны. Теоретические исследования струйных подогревателей немногочисленны [73] и представляю собой экспериментальное исследование смешения турбулентных струй.
Из-за сложных процессов, протекающих в пароводяном струйном подогревателе, при их эксплуатации возникают ударные воздействия, автоколебания, временное прекращение циркуляции и т.д. Неустойчивая работа и неэффективное использование пара приводит к необходимости создания систем автоматического регулирования пароструйными подогревателями.
Актуальность темы. Пароводяные струйные подогреватели в настоящее время используются в теплофикационных системах в связи с развитием энергосберегающих работ. Пароводяные струйные подогреватели с успехом заменяют традиционные теплообменники, при этом они дешевле и проще в эксплуатации. Они используются для теплоснабжения цехов и горячего водоснабжения жилого фонда.
Преимущества от применения пароводяного струйного подогревателя в сравнении с традиционными теплообменниками следующие:
1. Экономия пространства. Пароводяной струйный подогреватель
является смесительным теплообменником, в котором отсутствуют
промежуточные теплообменные поверхности и тепло передается при непосредственном контакте пара и воды. Поэтому он обладает более высоким коэффициентом теплопередачи и имеет меньшие размеры. За счет этого образуется экономия пространства при строительных и монтажных работах.
Уменьшение расхода пара. В пароводяном струйном подогревателе принципиально исключено явление пролетного пара, характерное для поверхностных подогревателей. Более того, тепло, содержащееся в паре, используется в подогревателе на 100%.
Сокращение потерь тепла. Благодаря малым габаритам подогревателя можно существенно уменьшить потери тепла с наружной поверхности аппарата и тем самым увеличить тепловой КПД.
4. Высокая надежность. В конструкции аппарата нет тонкостенных
трубок.
5. Высокая ремонтопригодность. Пароводяной струйный подогреватель
имеет малое число сменных деталей, причем любая из них. может быть
достаточно просто изготовлена.
6. Простота технического обслуживания. Ввиду отсутствия в
пароводяном струйном подогревателе теплообменной поверхности,
отсутствует необходимость химической промывки трубного пучка от
накипных отложений.
Простота эксплуатации. Подогреватель запускается не сложнее, чем традиционный теплообменник, при этом мало инерционен и быстро выходит на рабочий режим.
Возможность утилизировать отработанный пар. В пароводяном струйном подогревателе исключается сброс отработанного пара в атмосферу, тем самым улучшаются экологические показатели.
Данные положительные свойства подогревателя обуславливают то, что внедрение их в теплофикационные системы является одним из рекомендуемых мероприятий, выполняемых в рамках программ энергосбережения, как на региональном, так и федеральном уровнях.
Однако прямое преобразование пара в воду обладает также рядом существенных недостатков. Опытное применение пароводяных струйных подогревателей в системе теплофикации на промышленной площадке ОАО "ММК" (Магнитогорский металлургический комбинат) показали, что
режимы работы их неустойчивы. При изменении параметров пара возникают возмущающие воздействия, которые могут нарушить работу системы.
Вторым недостатком пароводяного струйного подогревателя является
то, что он является нерегулируемым, в то время как теплофикационные
режимы являются регулируемыми в зависимости от температуры наружного
воздуха. Это ограничивает использование подогревателя для
технологических процессов, в которых требуется регулирование температурных режимов.
Нерегулируемый пароводяной струйный подогреватель не обеспечивает стабилизацию работы теплофикационной сети.
Из сказанного следует, что задача автоматизации регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя является актуальной. Данная задача является нетривиальной, так как динамика процессов регулирования происходит в двухфазной среде пар-вода, где возможны автоколебания, ударные волны и другие условия, затрудняющих управление режимами. Процессы, протекающие в подогревателе, являются недостаточно изученными и требуют проведения специальных исследований.
В этих условиях возникает важная научно-техническая задача автоматизации управления режимов пароводяного струйного подогревателя. Исследованием режимов струйных аппаратов, занимались достаточно давно зарубежные и отечественные авторы: Ренкин М, Цейнер Г, Фисенко В.В., Соколов Е.Я., Зингер Н.М., Дейч М.Е., Филиппов Г.А. и др. Вопросы автоматики освещены в работах А.И. Белевича, А.В. Крупцева, В.А. Малафеева и др. Однако в этих работах не исследованы режимы регулирования, известные примеры использования автоматики носят чисто аппаратурный характер для узкого класса паровых инжекторов, исследование динамики процессов регулирования не проводилось.
Рассматриваемая задача в литературе не освещена, что и определяет актуальность данной работы.
Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является автоматизация регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя. Для достижения указанной цели решались следующие задачи исследовательского, методического и прикладного характера:
Разработка имитационной модели процесса регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя на основе экспериментальных и теоретических исследований.
Разработка методики оптимизации параметров пароводяного струйного подогревателя на основе имитационных и натурных экспериментов.
Разработка способов автоматического регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя.
Внедрение разработанной автоматической системы регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя на опытной промышленной установке в теплофикационной системе ОАО "ММК", г. Магнитогорск.
Связь диссертации с федеральными и региональными программами. Диссертационное исследование выполнялось в соответствии с "Законом Российской Федерации об энергосбережении №28-ФЗ от 03.04.96", "Законом Челябинской области об энергосбережении и повышении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов Челябинской области №12-03 от 02.02.96", в рамках федеральной целевой Программы "Энергосбережение России на 1998-2005 годы" (утверждена постановлением правительства Российской Федерации №80 от 24.01.98), "Программы энергосбережения Челябинской области до 2005 года" (утверждена постановлением Губернатора Челябинской области №582 от 11.12.98).
Объект исследования: Система автоматического регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя теплофикационных систем.
Предметом исследования: Динамика процессов и вопросы
автоматизации регулирования режимов пароводяного струйного
подогревателя теплофикационных систем.
Методология и методика исследования. Технической и методологической основой исследования служили труды отечественных и зарубежных ученых по автоматизации систем теплоснабжения и струйным аппаратам.
В работе использовались методы теории автоматического регулирования, теории гидравлических систем и систем теплоснабжения.
Источником экспериментальных данных явились результаты натурных испытаний автоматической системы регулирования режимами пароводяного струйного подогревателя в системе теплоснабжения объектов ОАО "ММК", г. Магнитогорск.
Научная новизна диссертационной работы. В ходе исследования были получены следующие результаты:
Построена новая имитационная модель работы пароводяного струйного подогревателя, отражающая процессы возникновения автоколебаний и ударных воздействия на границе раздела фаз в двухфазной среде пар-вода;
разработана новая методика оптимизации геометрических параметров пароводяного струйного подогревателя на основе имитационных и натурных экспериментов.
Практическое значение. В рамках диссертационной работы разработана система автоматического регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя, на основе которой создана экспериментальная установка автоматизаци пароводяного струйного подогревателя. Разработан проект автоматизации пароструйного подогревателя и на его основе осуществлено внедрение автоматизированного подогревателя в паросиловом цехе ОАО "ММК". Применение системы автоматики позволило:
устранить ударные воздействия и автоколебания в пароводяном струйном подогревателе;
обеспечить заданную регулировочную характеристику;
в широком диапазоне изменения параметров обеспечить необходимую точность регулирования режимов пароводяного струйного подогревателя в пределах ±0.5 С.
В настоящее время составлен перспективный план внедрения
автоматизированных подогревателей в других цехах ОАО "ММК".
Автоматизированные подогреватели могут быть рекомендованы к
внедрению и на других металлургических предприятиях.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на XXXII Уральском семинаре по механике и процессам управления, г. Миасс, 24 декабря 2002г.; на девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", г. Москва, 4-5 марта 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
На защиту выносятся:
1) имитационная модель процесса регулирования режимов
пароводяного струйного подогревателя;
2) метод оптимизации параметров пароводяного струйного
подогревателя.
