Система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения природного газа

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

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.

Типовой аппарат воздушного охлаждения газа, например, аппарат 2АВГ-75, который широко применяется на компрессорных станциях магистральных газопроводов, содержит теплообменник, через который прокачивается охлаждаемый газ, и два вентилятора, создающих поток охлаждающего воздуха. Вентиляторы приводятся в движение асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Для управления частотой вращения вентиляторов применяют частотные преобразователи. Систему управления 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.

Система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения газа имеет специфические особенности.

Наряду с требуемыми показателями качества регулирования температуры, 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. 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. Как показывает анализ, коэффициент передачи процесса теплообмена при стабильном по производительности режиме работы компрессорной станции может меняться в 3…4 раза. С учетом изменения производительности в течение года диапазон изменения коэффициента передачи процесса теплообмена достигает 8…10. Постоянная времени процесса теплообмена изменяется при этом в 1,5…2 раза.

Недостаток наиболее близкой по технической сущности системы управления аппаратом воздушного охлаждения газа заключается в том, что ее показатели качества регулирования существенно изменяются при изменении коэффициента передачи и постоянной времени процесса теплообмена. Из-за этого, зачастую, приходится корректировать настройки регуляторов при смене времен года, что затрудняет эксплуатацию системы. Кроме того, значительным недостатком является то, что 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 с учетом фактических значений параметров системы. Большое количество настраиваемых параметров, усложняет настройку системы.

Техническим результатом использования изобретения является снижение количества настраиваемых параметров, а также улучшение динамических характеристик системы в условиях вариаций ее параметров вследствие изменения внешних условий и, как следствие, отсутствие необходимости корректировки коэффициентов регуляторов после первичной настройки.

Сущность изобретения состоит в том, что система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения природного газа, содержащая блок задания температуры, первый, выполненный в виде интегрального, регулятор, частотно-регулируемый электропривод, включающий частотный преобразователь и асинхронные короткозамкнутые двигатели привода вентиляторов, вентиляторы, теплообменник и датчик температуры, причем выход частотного преобразователя подключен к асинхронным электродвигателям, кинематически связанными с вентиляторами, воздействующими потоком воздуха на теплообменник, дополнительно снабжена пропорционально-дифференциальным регулятором, пропорциональным регулятором и апериодическим регулятором второго порядка, причем вход пропорционально-дифференциального регулятора соединен с выходом датчика температуры, его выход подключен ко второму входу первого регулятора и второму входу пропорционального регулятора, выход блока задания температуры соединен с первым входом первого регулятора, выход первого регулятора соединен с первым входом частотно-регулируемого электропривода, и, через апериодический регулятор второго порядка, с первым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен со вторым входом частотно-регулируемого электропривода, при этом постоянная времени первого регулятора выбирается по соотношению T_R1=0,6k_ok_Ek_DT_o, где k_e,k_D - коэффициенты передачи электропривода и датчика температуры, k_o, T_o - коэффициент передачи и постоянная времени процесса теплообмена в теплообменнике, постоянная времени дифференцирующего преобразования пропорционально дифференциального регулятора выбирается равной постоянной времени теплообменника, коэффициент передачи пропорционального регулятора выбирается равным k_R3=5.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности блоков и связей устройства. Введение апериодического регулятора второго порядка и пропорционального регулятора позволяет компенсировать влияние вариаций параметров процесса теплообмена на качество управления, что придает системе адаптивные свойства, а введение пропорционально-дифференциального регулятора компенсирует инерционность процесса теплообмена. Указанная совокупность блоков и связей позволяет снизить вариации показателей качества регулирования при изменении температуры окружающей среды и производительности компрессорной станции, тем самым обеспечивается круглогодичная эксплуатация системы без поднастройки коэффициентов регуляторов. В отличие от известной, в предлагаемой системе автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения содержится только три настраиваемых параметра: постоянная времени интегрирующего преобразования первого регулятора, постоянная времени дифференцирующего преобразования пропорционально-дифференциального регулятора и коэффициент передачи пропорционального регулятора.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения природного газа; на фиг. 2 - структурная схема системы; на фиг. 3 - графики переходных процессов изменения частоты вращения вентиляторов в предлагаемой системе при единичном ступенчатом изменении сигнала задания температуры и при вариациях коэффициента передачи объекта управления; на фиг. 4 - графики переходных процессов изменения частоты вращения вентиляторов в предлагаемой системе при единичном ступенчатом изменении сигнала задания температуры и при вариациях постоянной времени объекта управления. Система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения газа (фиг. 1) содержит блок 1 задания температуры, первый, выполненный в виде интегрального, регулятор (И-регулятор) 2; второй регулятор (апериодический регулятор второго порядка) 3; третий, выполненный в виде пропорционального, регулятор (П-регулятор) 4; частотно-регулируемый электропривод 5, включающий частотный преобразователь и асинхронные короткозамкнутые двигатели привода вентиляторов; вентиляторы 6; теплообменник 7; датчик температуры 8; четвертый, выполненный в виде пропорционально-дифференциального, регулятор (ПД-регулятор) 9.

Выход блока 1 задания температуры соединен с первым входом И -регулятора 2. Выход И-регулятора 2 соединен со входом апериодического регулятора второго порядка 3 и первым входом частотно-регулируемого электропривода 5. Выход апериодического регулятора второго порядка 3 соединен с первым входом П-регулятора 4, выход которого соединен со вторым входом частотно-регулируемого электропривода 5. Выход частотно-регулируемого электропривода 5 подключен к асинхронным электродвигателям, кинематически связанным с вентиляторами 6, воздействующими потоком воздуха на теплообменник 7, оснащенный датчиком температуры 8. Выход датчика температуры 8 соединен с ПД-регулятором 9, а выход ПД-регулятора 9 соединен со вторым входом П-регулятора 4 и вторым входом И - регулятора 2.

Система автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения природного газа работает следующим образом. На входе И-регулятора 2 происходит сравнение сигнала, поступающего с блока 1 задания температуры, и сигнала датчика 8 температуры, поступающего на второй вход И-регулятора 2 через ПД-регулятор 9. Сигнал с выхода И-регулятора 2 поступает на вход апериодического регулятора второго порядка 3 и вход частотно-регулируемого электропривода 5. Сигнал с выхода апериодического регулятора второго порядка 3 поступает на вход П-регулятора 4, где он сравнивается с сигналом с выхода ПД-регулятора 9. Сигнал на входе частотно-регулируемого электропривода 5, определяющий частоту ƒ вращения электродвигателей и соответственно вентиляторов 6 формируется из двух составляющих - сигнала с выхода И-регулятора 2 и сигнала с выхода П-регулятора 4. При изменении значения коэффициента передачи и постоянной времени процесса теплообмена, на выходе П-регулятора формируется сигнал, компенсирующий влияние этих изменений на динамику системы. Результирующий сигнал на входе частотно-регулируемого электропривода 5 определяет напряжение и частоту на его выходе и, соответственно, напряжение и частоту на статорных обмотках электродвигателей. Электродвигатели приводят во вращение вентиляторы 6, воздействующие на теплообменник 7 потоком охлаждающего воздуха. Если сигнал на выходе датчика температуры 8, проходящий через ПД-регулятор 9 равен сигналу, поступающему с блока 1 задания температуры, то система управления находится в установившемся режиме. При отклонении сигнала датчика 8, проходящего через ПД-регулятор 9, от сигнала, поступающего с блока задания 1, соответствующим образом изменяется сигнал на выходе И-регулятора 2, изменяется частота и величина напряжения на выходе частотно-регулируемого электропривода 5, изменяется частота вращения электродвигателей вентиляторов 6. Вследствие этого изменяется интенсивность потока охлаждающего воздуха, воздействующего на теплообменник 7. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сигнал на выходе датчика температуры 8, проходящий через ПД-регулятор 9 не станет равным сигналу, поступающему с блока задания 1. В результате обеспечивается стабилизация температуры газа на выходе аппарата воздушного охлаждения на заданном уровне.

Интегральный регулятор 2 обеспечивает сведение к нулю статической ошибки системы. Апериодический регулятор второго порядка 3 моделирует динамические свойства прямой цепи эталонной (расчетной) системы: частотно-регулируемого привода 5, вентиляторов 6, процесса теплообмена 7, датчика температуры 8 и ПД-регулятора 9. Его выходной сигнал сравнивается на входе П-регулятора 4 с выходным сигналом ПД-регулятора 9. При этом в случае отклонения параметров процесса теплообмена 7 от эталонного значения на выходе П-регулятора 4 формируется дополнительный сигнал, снижающий влияние вариаций параметров на показатели качества переходных процессов, т.е. система приобретает адаптивные свойства. ПД-регулятор 9, называемый также «форсирующим звеном» компенсирует инерционность процесса теплообмена. Надлежащий выбор параметров регуляторов обеспечивает устойчивость и адаптивность системы и позволяет достичь требуемой точности стабилизации температуры газа на выходе аппарата воздушного охлаждения, а также обеспечить минимальное перерегулирование в переходном процессе по частоте вращения электродвигателей вентиляторов.

Для подтверждения сказанного рассмотрим структурную схему предлагаемой системы аппаратом воздушного охлаждения газа (фиг. 2). Она содержит интегральный И-регулятор с передаточной функцией:

где T_R1 - постоянная времени интегрирующего преобразования И-регулятора; 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, T_o - коэффициент передачи и постоянная времени процесса теплообмена.

Знак минус в выражении (2) 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 апериодического регулятора второго порядка описываются передаточной функцией:

где k_R2 - коэффициент передачи, a T_R21 и T_R22 - постоянные времени апериодического регулятора второго порядка;

Динамические свойства пропорционального регулятора описываются коэффициентом передачи k_R3.

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

где T_R4 - 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_R4 выбирается равной постоянной времени T_o объекта:

Постоянная времени T_R1 интегрирующего преобразования И-регулятора выбирается по условию:

Постоянная времени T_R21 апериодического регулятора второго порядка выбирается по условию:

Постоянная времени T_R22 апериодического регулятора второго порядка выбирается по условию:

Коэффициент передачи k_R2 апериодического регулятора второго порядка выбирается по условию:

В соответствии со структурной схемой системы автоматического управления аппаратом воздушного охлаждения природного газа проведено моделирование динамических характеристик предлагаемой системы. При моделировании в качестве расчетного (эталонного) значения постоянной времени процесса теплообмена в теплообменнике, так же, как в прототипе, принято: T_o=300 с. При моделировании динамических характеристик предлагаемой и известной систем принято значение k_ok_Ek_D=1. В соответствии с выражением (7), постоянная времени T_R4 принята равной T_R4=T_o=300 с. В соответствии с выражением (8), постоянная времени T_R1 принята равной T_R1=0,6T_o=180 с. В соответствии с выражением (11), коэффициент передачи k_R2 принят равным k_R2=1.

Значение постоянной времени T_R21 в соответствии с выражением (9) выбирается с учетом постоянной времени Т_Е. Значение постоянной времени Т_Е зависит от настроек частотно-регулируемого привода и составляет, как правило, 5…10 с. При моделировании динамических характеристик предлагаемой и известной систем принято: T_R21=Т_Е=10 с. Постоянная времени датчика T_D согласно литературным данным составляет порядка 15…20 с. При моделировании в соответствии с выражением (10) принято: T_R22=T_D=20 с.

Коэффициент передачи k_R3 пропорционального регулятора принят равным k_R3=5.

При изменении внешних условий работы системы, прежде всего температуры наружного воздуха и объема перекачиваемого газа, коэффициент передачи и постоянная времени процесса теплообмена в теплообменнике может изменяться. Как показывает анализ, коэффициент передачи объекта управления может изменяться в 8…10 раз, а постоянная времени примерно в 2 раза. На основе моделирования исследовано влияние вариаций коэффициента передачи k_o и постоянной времени T_o процесса теплообмена в теплообменнике на показатели качества переходного процесса изменения частоты n вращения двигателей вентиляторов в предлагаемой и известной системах.

На фиг. 3 приведены графики переходного процесса изменения частоты вращения двигателей вентиляторов (Δn) при отрицательном единичном ступенчатом изменении сигнала на выходе блока задания температуры в предлагаемой системе для расчетного значения коэффициента передачи процесса теплообмена k_o=1 (кривая 10), при этом время t_p урегулирования составляет 454 с, и при увеличении k_o в 10 раз (кривая 11), при этом время t_p регулирования составляет 378 с. Перерегулирование в обоих случаях равно нулю. Различная величина установившегося значения выходной координаты изменения частоты n вращения двигателей вентиляторов на кривых 10 и 11 объясняется тем, что при увеличении коэффициента передачи процесса теплообмена эффективность охлаждения также увеличивается, соответственно приращение частоты вращения двигателей вентиляторов Δn уменьшается, в данном случае для k_o=1: Δn=1, а для k_o=10:Δn=0,1. Как следует из приведенных графиков, переходные процессы протекают без перерегулирования, и вариации коэффициента передачи k_o незначительно влияют на показатели качества регулирования частоты вращения вентиляторов.

На фиг. 4 приведены графики переходного процесса изменения частоты n вращения двигателей вентиляторов (Δn) при отрицательном единичном ступенчатом изменении сигнала на выходе блока задания температуры в предлагаемой системе при уменьшении постоянной времени процесса теплообмена T_o в 2 раза: кривая 12 - для T_o=300 с, при этом время t_p регулирования составляет 454 с; кривая 13 - для T_o=150, при этом время t_p регулирования составляет 944 с. Перерегулирование в обоих случаях равно нулю. Как следует из приведенных графиков, переходные процессы протекают без перерегулирования, и при уменьшении постоянной времени T_o в 2 раза, время регулирования увеличивается в 2,1 раза.

Анализ переходных процессов в известной системе показывает, что при уменьшении постоянной времени процесса теплообмена T_o на 10%, время регулирования увеличивается в 6,2 раз. При уменьшении постоянной T_o на 20%, время регулирования увеличивается в 12 раз, а при уменьшении постоянной T_o в 2 раза, время регулирования увеличивается в 19,6 раза. Таким образом, в известной системе, даже при незначительных вариациях постоянной времени процесса теплообмена, возникает необходимость перенастройки регуляторов. Предлагаемая же система обеспечивает требуемое качество регулирования без перенастройки в условиях вариаций коэффициента передачи теплообменника в 2 раза.

Показатели качества регулирования температуры на выходе аппарата воздушного охлаждения газа в предлагаемой системе управления аппаратом воздушного охлаждения природного газа для расчетных значений параметров системы при изменении сигнала блока задания температуры и действии возмущения, как показывает анализ, близки к соответствующим показателям в известной системе.

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