Система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа

Изобретение относится к аппаратам воздушного охлаждения газа и может использоваться, в частности, для охлаждения газа после компримирования на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Установка охлаждения газа компрессорных станций магистральных газопроводов содержат несколько параллельно включенных аппаратов воздушного охлаждения газа, по которым прокачивается компримированный природный газ. Аппарат воздушного охлаждения содержит теплообменник и вентиляторы, создающие поток охлаждающего воздуха на теплообменник. Типовой аппарат воздушного охлаждения газа, например, широко используемый в установках охлаждения газа аппарат 2АВГ-75, содержит два вентилятора, приводимых в движение асинхронными короткозамкнутыми двигателями. Регулирование температуры газа на выходе аппарата воздушного охлаждения газа осуществляется за счет изменения частоты вращения двигателей вентиляторов с помощью частотно-регулируемого электропривода. Как правило, для каждого аппарата воздушного охлаждения используется один частотный преобразователь, к выходу которого подключены оба двигателя вентиляторов. Систему управления температурой газа выполняют в виде системы с отрицательной обратной связью по температуре газа на выходе аппарата. Для обеспечения устойчивости системы и требуемых динамических характеристик в систему вводят регуляторы.

Известна система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения [RU 2330993]. Недостатком устройства является необходимость перенастройки регуляторов при изменении температуры наружного воздуха.

Наиболее близкой по технической сущности является система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа [Абакумов A.M., Алимов С.В., Мигачева Л.А., Мигачев А.В. Исследование системы автоматического управления температурой газа на выходе аппаратов воздушного охлаждения / Известия вузов Электромеханика, №5, 2014. С. 68-71], содержащая блок задания температуры, фильтр в виде апериодического звена второго порядка, первый, выполненный в виде интегрального, регулятор, второй, выполненный в виде пропорционально-интегрально-дифференциального, регулятор, частотно-регулируемый электропривод, включающий частотный преобразователь и асинхронные короткозамкнутые приводные двигатели вентиляторов, вентиляторы, теплообменник и датчик температуры газа на выходе теплообменника.

Система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения газа имеет специфические особенности.

Как показывает анализ, коэффициент передачи процесса теплообмена в теплообменнике зависит от температуры и влажности наружного воздуха, расхода газа через АВО, температуры газа на входе в АВО, угла атаки лопастей вентиляторов, других менее существенных факторов и может меняться в 4 и более раз. Кроме того, наряду с требуемыми показателями качества регулирования температуры газа, система, для исключения динамических перегрузок кинематической части привода вентиляторов, должна обеспечивать протекание переходного процесса изменения частоты вращения вентиляторов при ступенчатом изменении сигнала задания температуры без существенного перерегулирования.

Недостаток наиболее близкой по технической сущности системы автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа заключается в том, что для исключения значительного перерегулирования переходных процессов по задающему воздействию на входе системы необходима установка фильтра - апериодического звена второго порядка.

Кроме того, в известной системе содержится шесть настраиваемых параметров: две постоянные времени апериодического фильтра второго порядка, три постоянные времени пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора и постоянная времени интегрального регулятора. Действительные значения параметров системы, по которым должны выбираться указанные постоянные времени, известны лишь приближенно. В связи с этим возникает задача экспериментальной настройки регуляторов и фильтра с учетом фактических значений параметров системы. Большое количество настраиваемых параметров, усложняет настройку системы.

Технический результат использования изобретения заключается в обеспечении требуемых показатели качества регулирования в условиях изменения параметров окружающей среды, в частности температуры наружного воздуха, приводящих к изменению коэффициента передачи процесса теплообмена, и упрощении настройки системы за счет уменьшения количества настраиваемых параметров.

Сущность изобретения состоит в том, что система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа, содержащая блок задания температуры, первый и второй регуляторы, частотно-регулируемый электропривод, включающий частотный преобразователь и асинхронные короткозамкнутые двигатели привода вентиляторов, вентиляторы, теплообменник и датчик температуры, причем выход второго регулятора соединен со входом частотного преобразователя, выход частотного преобразователя подключен к асинхронным электродвигателям, кинематически связанным с вентиляторами, воздействующими потоком воздуха на теплообменник, дополнительно снабжена третьим регулятором, выполненным в виде пропорционально-дифференциального регулятора, постоянная времени которого принимается равной постоянной времени процесса теплообмена, причем вход третьего регулятора соединен с выходом датчика температуры, его выход подключен ко второму входу первого регулятора и второму входу второго регулятора, выход блока задания температуры соединен с первым входом первого регулятора, при этом первый и второй регуляторы выполнены в виде интегральных регуляторов, постоянная времени первого регулятора выбирается из соотношения

T_R1 = (1,2…1,3)T_o,

где Т_o - постоянная времени процесса теплообмена; постоянная времени второго регулятора выбирается из соотношения

где k_о1 - расчетное значение коэффициента передачи процесса теплообмена;

k_Е, - коэффициент передачи частотно-регулируемого привода;

k_D, T_D - коэффициент передачи и постоянная времени датчика температуры.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности блоков и связей устройства. Указанная совокупность блоков и связей позволяет обеспечить требуемые показатели качества регулирования частоты вращения вентиляторов и температуры на выходе аппарата воздушного охлаждения газа без перенастройки системы в условиях изменения внешних условий и упростить настройку системы за счет уменьшения количества настраиваемых параметров регуляторов. В отличие от известной, в предлагаемой системе автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения содержится только три настраиваемых параметра: постоянные времени интегрирующего преобразования первого и второго регуляторов и постоянная времени дифференцирующего преобразования третьего регулятора.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа; на фиг. 2 - структурная схема системы автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа; на фиг. 3 - график зависимости величины перерегулирования частоты вращения вентиляторов от постоянной времени первого интегрального регулятора в предлагаемой системе автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа при ступенчатом изменении сигнала задания температуры; на фиг. 4 - графики переходных процессов изменения частоты вращения вентиляторов в предлагаемой системе автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа при отрицательном ступенчатом изменении сигнала задания температуры; на фиг. 5 - графики переходных процессов изменения температуры газа при ступенчатом изменении сигнала задания температуры.

Система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа (фиг. 1) содержит блок 1 задания температуры, первый, выполненный в виде интегрального, регулятор (И-регулятор) 2; второй, выполненный в виде интегрального, регулятор (И-регулятор) 3; частотно-регулируемый электропривод 4, включающий частотный преобразователь и асинхронные короткозамкнутые двигатели привода вентиляторов, вентиляторы 5, теплообменник 6, датчик температуры 7, третий, выполненный в виде пропорционально-дифференциального, регулятор (ПД-регулятор) 8.

Выход блока 1 задания температуры соединен с первым входом первого интегрального регулятора 2, выход которого соединен с первым входом второго интегрального регулятора 3. Вход частотно-регулируемого электропривода 4 соединен с выходом второго регулятора 3, выходные валы электродвигателей частотно-регулируемого привода, кинематически связаны с вентиляторами 5, воздействующими потоком воздуха на теплообменник 6, оснащенный датчиком температуры 7. Выход датчика температуры 7 через пропорционально-дифференциальный регулятор 8 соединен со вторыми входами первого 2 и второго 3 регуляторов.

Система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа работает следующим образом. На входе И-регулятора 2 происходит сравнение сигнала, поступающего с блока 1 задания температуры, и сигнала датчика 7 температуры, поступающего на второй вход И-регулятора 2 через ПД-регулятор 8. При этом первый И-регулятор 2 в совокупности со вторым И-регулятором 3 формируют сигнал на входе частотно-регулируемого электропривода 4, определяющий частоту ƒ вращения электродвигателей и соответственно вентиляторов 5. Последние воздействуют на теплообменник 6 потоком охлаждающего воздуха. Если сигнал на выходе датчика 7 температуры равен сигналу блока 1 задания температуры, то система управления находится в установившемся режиме. При отклонении сигнала датчика 7 от сигнала блока 1 задания температуры соответствующим образом изменяется сигнал на выходе И-регулятора 3, изменяется частота вращения электродвигателей вентиляторов 5. Вследствие этого изменяется интенсивность потока охлаждающего воздуха, воздействующего на теплообменник 6. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал на выходе датчика 7 температуры не станет равным сигналу блока 1 задания температуры. В результате обеспечивается стабилизация температуры газа на выходе аппарата воздушного охлаждения на заданном уровне.

Надлежащий выбор параметров регуляторов обеспечивает устойчивость системы и позволяет достичь требуемой точности стабилизации температуры газа на выходе аппарата воздушного охлаждения.

Для подтверждения сказанного рассмотрим структурную схему предлагаемой системы управления аппаратом воздушного охлаждения газа (фиг. 2). Она содержит первый и второй интегральные И-регуляторы с передаточными функциями

где T_R1, T_R2 - постоянные времени интегрирующего преобразования первого и второго регуляторов;

р - оператор Лапласа.

На структурной схеме предлагаемой системы (фиг. 2), динамические свойства отдельных элементов для приращения переменных так же, как в известной системе, отражены соответствующими передаточными функциями. Передаточная функция W₀(p) отражает инерционность процесса теплообмена в теплообменнике под воздействием создаваемого вентиляторами потока воздуха; выходной переменной процесса теплообмена является температура газа на выходе , а входной - частота вращения вентиляторов ƒ:

где k_o, Т_o - коэффициент передачи и постоянная времени процесса теплообмена.

Знак минус в выражении (3) отражает тот факт, что положительное приращение частоты вращения вентиляторов дает отрицательное приращение температуры газа на выходе аппарата воздушного охлаждения.

Передаточные функции частотно-регулируемого электропривода W_E(p) вентиляторов и датчика температуры газа W_D(p) имеют вид:

где k_E, k_D, Т_Е, T_D - коэффициенты передачи и постоянные времени частотно-регулируемого привода и датчика, соответственно.

Динамические свойства ПД-регулятора (называемого так же форсирующим звеном) описываются передаточной функцией

где T_R3 - постоянная времени дифференцирующего преобразования. Знак минус в передаточной функции (6) показывает, что положительному приращению входного сигнала соответствует отрицательное приращение (уменьшение) выходного сигнала регулятора.

В предлагаемой системе постоянная времени T_R3 выбирается равной постоянной времени Т_o процесса теплообмена:

Для выбора постоянных времени первого и второго И-регуляторов проводилось моделирование системы.

При моделировании динамических характеристик системы для общности получаемых результатов постоянные времени и текущее время выражались в относительных единицах. За базовое значение времени было принято значение постоянной времени процесса теплообмена Т_o = 300 с. В дальнейших расчетах приняты характерные для рассматриваемой системы относительные значения постоянных времени: , ; время в относительных единицах

Постоянную времени T_R2 второго И-регулятора, как показывают результаты компьютерного моделирования, следует выбирать, например, из соотношения

где k_р1 = k_о1k_Еk_D - расчетное (эталонное) значение коэффициента передачи разомкнутой системы;

k_о1 - расчетное (эталонное) значение коэффициента передачи процесса теплообмена;

b = 1,2…1,5 - настроечный коэффициент.

В частности, для рассматриваемых параметров звеньев системы выбрано значение b = 1,2.

При компьютерном моделировании учитывалась возможность изменения коэффициента передачи k_o в 5 раз как в сторону увеличения, так и в сторону снижения. То есть, коэффициент передачи k_o изменялся от 0,2* k_о1 до 5* k_о1.

Постоянная времени T_R1 первого И-регулятора выбрана так, чтобы обеспечить перерегулирование не более 5% для переходного процесса изменения частоты вращения вентиляторов при ступенчатом изменении сигнала блока задания температуры. Результаты исследования зависимости перерегулирования σ% от значения постоянной времени регулятора в относительных единицах (о.е.) приведены на фиг. 3. Как следует из приведенных данных, для принятых параметров системы значение для обеспечения перерегулирования не более 5% следует принимать .

При дальнейшем исследовании значение постоянной времени первого И-регулятора выбрано равным T_R1 = 1,2Т_o.

Графики переходных процессов изменения частоты вращения вентиляторов в предлагаемой системе при отрицательном ступенчатом изменении сигнала блока 1 задания температуры приведены на фиг. 4: кривая 1 для расчетного значения коэффициента передачи k_о1; кривая 2 - при увеличении k_o в 2 раза. Как следует из приведенных графиков, переходные процессы протекают без перерегулирования.

На фиг. 5 приведены графики переходных процессов изменения температуры при ступенчатом изменении сигнала (кривая 1) блока задания температуры: кривая 2 для расчетного значения коэффициента передачи k_о1; кривая 3 - при увеличении k_o в 5 раза. Как следует из приведенных графиков, переходные процессы протекают без перерегулирования, и вариации коэффициента передачи k_o незначительно влияют на показатели качества регулирования.

Таким образом, предлагаемая система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа позволяет обеспечить требуемые показатели качества регулирования в условиях изменения параметров окружающей среды, в частности температуры наружного воздуха, приводящих к изменению коэффициента передачи процесса теплообмена, и упростить ее настройку за счет уменьшения количества настраиваемых параметров.