FACULTATEA DE ENERGETICA
AUTOMATIZAREA CAZANULUI ДКВР-10-13 A EFECTUAT
A VERIFICAT:
CHISINAU 2003
3. AUTOMATIZAREA CAZANULUI ДКВР-10-13
3.1.Caracteristica elementelor tip
Toate elementele componente ale sistemelor automate, indiferent de modul lor de functionare si de realizare constructiva, pot fi grupate intre ele dupa reactia lor la actionarea perturbatiilor, care conduc la schimbarea starii de echilibru si care este insusi procesul de reglare. Astfel, drept un element tip al sistemului automat este denumit elementul, care are o singura coordonata generalizata si poate fi descris de ecuatia ordinara diferentiala liniara de ordinul l sau 2 si care are o caracteristica de tranzitie tipica, in cazul sistemelor liniare dinamice SRA se poate remarca sase elemente tipice.
Elementul amplificator (proportional)
Este elementul tip in care raspunsul este descris de o ecuatie de forma a0 y = b0u unde a0¹ 0 si
b ¹ 0, y = y (t) = u (t) marimile semnalului de iesire si de intrare.
Notand k = b0 / a 0 expresia de legatura devine y = ku. Ecuatia de legatura in forma operationala va fi:
Y (P) = k U (P)
unde y = Y(P) si u = U (P).
Atunci functia de transfer va fi:
,
unde k este coeficientul de transfer sau de amplificare.
Elementul de intarziere (cu timp mort)
Este un element in care marimea de iesire reproduce unu la unu variatia marimii de intrare, numai deplasata in urma cu un timp t, numit timp mort.
Este descris de ecuatia cu argumentul intarziat:
y(t) = u (t-t).
Functia tranzitorie are expresia g (t) = 1 (t -t)
Functia de transfer este:
Raspunsul la frecare se obtine substituind in functia de transfer P = iw
unde: Re (w) = cos wt, Im (w)= - sin wt
Caracteristica faza frecventa
Caracteristica amplitudine frecventa 21694jmh35egj4l
sau
Elementul integrator
Este descris de o ecuatie diferentiala de ordinul 1
y = b0 u dupa care se poate defini elementul.
Deci se numeste element integrator acela in care viteza de variatie a marimii de iesire este proportionala cu marimea de intrare sau, ce este acelasi lucru, altfel exprimate marimea de iesire este proportionala cu integrala marimii intrare.
Ecuatia de legatura da:
unde b0 = k este coeficientul de amplificare al elementului
Elementul integrator in forma operationala va fi:
unde T1 = 1/b0 se numeste constanta de integrare si are dimensiunea timpului.
Elementul aperiodic (elementul de inertie de ordinul 1) mg694j1235eggj
Este descris de o ecuatie diferentiala de ordinul unu de forma
dy / dt + a0 y = b0 u, unde a0 ¹0, b0¹0
Impartind ecuatia cu a0 se obtine
Tdy / dt + y = ku
Unde k = b0/ a0 este coeficientul de amplificare; T = 1/a0 este constanta de timp a elementului
Ecuatia caracteristica, adica ecuatia respectiva in forma operationala va fi:
T P Y(P) + Y(P) = kU (P)
Atunci
W(p) = Y (P)/ U(P) = k / (TP + 1) este functia de transfer
Raspunsul la frecventa are expresia:
Elementul derivativ
Este acela la care marimea de iesire y este proportionala cu viteza marimii de intrare:
Y = b0 du / dt, b0 ¹ 0
Daca in ecuatia de legatura, care descrie dinamica elementului, notam b0 = Td unde Td se numeste tipul derivativ , atunci avem:
Y = Td dy /dt, t >0
Ecuatia elementului derivativ in forma operationala
Y(P) = Td P U (P)
Ecuatia de transfer a elementului
Elementul oscilant (de inertie de ordinul II)
Elementul oscilant se descrie de o ecuatie diferentiala de ordinul II
unde y = y (t) si a0 > 0 , b0 ¹ 0
Impartind ecuatia la a0 si notam 1/a0 = T20; a1 / a0 = T1; b0/a0 = k
Se obtine
Primul termen al ecuatiei descrie proprietatea oscilanta si al doilea termen descrie proprietatea amortizare a elementului a elementului oscilant, respectiv coeficientii numesc:
T0 – constanta oscilanta
T1 – constanta de amortizare
k – constanta de amplificare.
In forma operationala ecuatia va avea urmatorul aspect:
Pentru sistemele de reglare automata, care sunt invariabile, adica nu variaza cu timpul, coeficientii a1 si bj sunt constanti si ecuatia neliniara se transforma in ecuatie diferentiala liniara
Reprezentand prin imagini functiile y(t) si u(t) ca y (t) = Y (p) si u (t) = U (p) si substituind in ecuatia diferentiala in locul operatorul p la puterea respectiva se obtine ecuatia sistemului de reglare automata in fora operationala, [18]:
anPnY(p) + αn - 1Ρ n-1Υ(ρ) +... + а1PY(р) + a0Y(p) = bmPmU(p) + bm-1P m -1U(p) +... + b1 PU(p} + b0 U(p)
Atunci raportul imaginilor semnalelor la iesire si la intrare va avea expresia, [18]:
(3.1)
unde: W(P) este functie de transfer.
Deci sub notiunea de functie de transfer se intelege raportul functiei imagine a semnalului de iesire cu functia imaginea semnalului de la intrare, [18]:
Functia de transfer este notiunea fundamentala a teoriei de reglare automata si reprezinta o descriere speciala a ecuatiilor de miscare a mediului continuu. Functia de transfer este un parametru principal prin care pot fi definite proprietatile dinamice ale elementelor si sistemelor automate.
La regimurile statice, functia de transfer pentru sistemele dinamice liniare transforma in coeficientul de transfer k, care are valoarea reala si care descrie caracteristica statica a sistemului respectiv Y = kU.
Daca la intrare se introduce o perturbare oscilatorie, de exemplu, o oscilatie sinusoidala, atunci pentru analiza dinamicii sistemului automat se utilizeaza functia de transfer frecventiala W(iw), denumita caracteristica sau functia de frecventa.
Pentru obtinerea functiei de frecventa in expresia functiei de transfer se substituie p = iw, unde: со = 2 πf - se numeste frecventa ciclica, care este de fapt, viteza unghiulara, iar f - frecventa oscilatiilor
Pentru functia frecventiala este valabila relatia:
(3.2)
unde: W(iw) este notiune de functie de frecventa.
Functia de frecventa W (ίω) poate fi reprezentata in coordonatele Decari ca suma partii reale si a partii imaginare:
Ra W (i ω) = Re (ω), Im W (i ω) = Im (ω). (3.4)
Adica:
W (i ω) - Re (ω) + i Im (ω) (3.5)
In coordonatele polare:
j (iω) = Α(ω)e iφ (ω), (3..6)
unde: A (ω) este amplitudinea oscilatiilor;
f (ω) - faza oscilatiilor.
Caracteristica amplitudine frecventa 21694jmh35egj4l CAF se determina de expresia:
(3.7)
Caracteristica de frecventa W (iω) poate fi reprezentata grafic de un vector OC, lungimea caruia este amplitudinea A (ω), iar argumentul vectorului este faza f (ω), care reale OX.
Hodograful functiei W (iω) sau locul geometric al varful vectorului OC = W (iω), construit pentru intervalul frecventei ciclice (ω), de la (0 , + ¥) se numeste caracteristica amplitudine faza frecventa.
Caracteristica faza frecventa
0
X
Im
j (w), Re (w)c
C
YW(w)
A(w)
Fig. 3.1.
3.2. Masurarea parametrilor ale sistemelor termotehnice
3.2.1. Masurarea temperaturii
Temperatura este un parametru foarte important al sistemelor termotehnice, insa valoarea ei nu poate fi determinata direct. Greutatile de masurare a temperaturii sunt conditionate de particularitatea sensului fizic a notiunii de temperatura. Definitia mai generala care reiese din principiul al doilea al termodinamicii se reduce la intelegerea temperaturii T ca masura de crestere caldurii dQ cedate sau absorbite de un sistem termodinamic izolat readus petrecut la aceasta variatie de entropie a sistemului:
(3.8)
in care: T este temperatura sistemului, in K;
dQ – caldura cedata sau primita de sistem, in kJ;
dS – variatia de entropie, in kJ/ (kg×K).
Termometrele. Cele mai simple mijloace de masurare a temperaturii sunt aparatele grupului mecanic, care se bazeaza pe principiul de dilatare termica a fluidelor. In termometrul cu gaze se masoara presiune, creata de cantitatea determinata de gaz la volum constant. In termometrele cu lichid si cu sticla se foloseste mercur sau alte substante. Limitele de utilizare a acestor termometre sunt aduse in tab. 3.1.
Tabelul 3.1.
Limitele de utilizare termometrele cu lichid si cu sticla
Denumirea substantei |
Limita inferioara, 0C |
Limita superioara, 0C |
Mercur |
-30 |
700 |
Toluol |
-90 |
100 |
Alcool etilic |
-100 |
75 |
Alcool petrolier |
-130 |
25 |
Pentan |
-190 |
20 |
Termocuplurile. Principiul termometrelor de rezistenta se bazeaza pe proprietatea metalelor si aliajelor de varia rezistenta electrica R in dependenta de temperatura, in cazul cel mai simplu traductor primar a acestui termometru reprezinta un segment de conductor, la capetele caruia sunt unite firele. Catre materiale folosite in calitate de termorezistoare in primul rand se cere stabilitate caracteristicii R = f (T) si valoarea destul de ridicata a coeficientului de rezistenta a, care se exprima prin relatie, [18]:
(3.9)
unde: α este coeficientul de rezistenta, in K"1;
dR- variatia rezistentei electrice, in Ω;
R- rezistenta electrica, in Ω.
Pentru majoritatea metalelor curate la temperatura de camera α~4·10-3 Κ-1 . Pentru masurarile precise a temperaturii (pana la 0.01 °C) schema electrica de masurare trebuie sa fie sensibila la variatie de rezistenta de 0.004 %.
Utilizarea cea mai mare pentru fabricarea traductoarelor termometrelor de rezistenta au capatat metalele: platina, cupru, nichel; se cunoaste la fel si utilizarea ferului, bronzei, pirografitului, si unor aliaje, fabricate din amestec de metale diferite.
Materialul cel mai bun este platina curata, care in limitele largi de temperaturi nu intra in reactii chimice si pastreaza stabil valoarea rezistentei sale specifice.
In afara de cele de platina se mai produc termometrele de cupru cu valoarea nominala a rezistentei R0 = 53 ¸ 100 W, care sunt destinate pentru functionarea in diapazonul de tempetaruri –
50 ¸ 180 W. In acest interval de temperaturi rezistenta electrica a termometrelor din cupru se determina din relatia:
R1 = R0 × (1+ a × Dt), W (3.10)
Pentru masurarea temperaturilor » 300 °C in locul platinii poate fi folosit nichelul. El are rezistenta specifica destul de mare (» 8· l O"2) si coeficientul mare de temperatura α » 6,4 · 10-3 Κ-1.
In retea din doua conductoare la diferenta de temperaturi in locurile de conectare apare forta te termolectromotrica, care este diferenta de functii a temperaturilor punctelor de conectare a conductoarelor A si B (fig.3.1,a).
Retea termoelectrica si variante de conectare a traductorului
Fig. 3.2.
Forta termoelectomotorica va fi egala cu.
eAB = f ( T1) – f(T0) (3.11)
Daca f (T0) = const, atunci relatia [3.4] vom obtine in urmatoarea forma:
eAB = f ( T1) – f(T0) (3.12)
Pe ultima relatie se bazeaza functionarea termocuplurilor. Traductorul termoelectromotric poate fi conectat in retea dupa schemele indicate pe fig. 3.1.b si c. in ambele cazuri pentru asigurarea relatiei (3.9) este necesar ca temperatura sa fie constanta la locurile nefunctionale de conectare a circuitului toi, To2,To. Valoarea si directia fortei termoelectromotrice depinde de la natura si materialul termoelectroadelor. Pozitiv este acel termoelectrod, spre care se scurge curentul in retea. De regula, forta termoelectromotrica se masoara prin metoda de compensare - prin reducerea la zero a curentului din circuitul de masurare. De acea in majoritatea cazurilor rezistenta termoelectrozilor nu joaca un rol important si sectiunea lor fara o pierdere sensibila a preciziei poate fi foarte mica. De aici reiese un avantaj foarte important al termocuplurilor- posibilitatea de masurare a temperaturii in volume foarte mici. Pentru stabilizarea temperaturii conectarii nefunctionale deseori se foloseste cada termoizolanta cu gheata. Pentru a exclude influenta surselor exterioare de caldura asupra temperaturii conectarii nefunctionale capetele libere ale termocuplurilor se indeparteaza de la locul de masurare a temperaturii. Termocuplurile standardizate si domeniul lor de utilizare sunt aduse in tab. 3.2.
Tabelul 3.2
Termocuplurile si domeniul lor de utilizare
№ |
Denumirea termocuplului |
Domeniul de utilizare |
Medii cu contat direct |
1. |
Cupru-constantan |
-250 ¸ + 600 |
- |
2. |
Nicrom-nichel |
<1200 |
De oxidare |
3. |
Fier-constantan |
-200 ¸ + 1000 |
- |
4. |
Wolfram-molibden |
+1300 ¸ 2000 |
De restabilire si oxidabila de scurta durata |
5. |
Wolfram-reniu |
0 ¸ 2000 |
De restabilire si oxidabila de scurta durata |
3.2.2. Masurarea presiunii
De obicei presiunea se determina ca o forta care actioneaza pe o unitate de suprafata. Din punct de vedere fizic presiunea gazului ideal asupra unei suprafete este rezultatul ciocnirii moleculelor gazului cu peretii, in asa gaz valoarea presiunii se determina prin viteza medie si numarul moleculelor, care se ciocnesc cu peretele. Viteza moleculelor este functie de temperatura, iar numarul lor depinde de densitate. Legatura dintre presiune, temperatura si densitate se descrie prin ecuatie de stare a gazului ideal, [18]:
p = p.g.R.T, (3.13)
unde: p este densitatea gazului ideal, in kg/m3;
g-acceleratia caderii libere, in m /s
R-constanta universala gazoasa, in kJ/(kg·K);
T-temperatura gazului ideal, in K.
Presiunea si temperatura gazului pe deplin determina starea gazului; cunoscand acesti doi parametri de stare se poate determina densitatea, viscozitatea, conductibilitatea termica, etc., masurarea directa al carora este imposibila. La masurarea presiunii deosebesc presiunea absoluta pa, presiunea manometrica p si presiunea vidului рh. Presiunea absoluta este presiunea totala la care se afla fluidul. Presiunea manometrica este egala cu diferenta dintre presiunea absoluta si presiunea mediului, care inconjoara aparatul de masura (pa > pmi). In majoritatea cazurilor presiunea pmi ; este egala cu cea atmosferica, care se determina din indicatiile barometrului рH, atunci, [18]:
P = pa-pH,Pa. (3.14)
Vidul sau depresiunea este egal cu diferenta dintre presiunea atmosferica si cea absoluta, in cazul cand рн >ра. Aparate de masura pentru masurarea presiunii sunt manometre, pentru masurarea presiunii si vidului manovidmetre, pentru masurarea vidului - vidometre, iar pentru masurarea a doua presiuni, din care nici una nu este presiunea mediului se utilizeaza manometrele diferentiale. Independent de constructia manometrelor in baza functionarii lor sta principiul de echilibrare a fortei presiunii, aplicate asupra elementului sensibil, cu forta exterioara (cunoscuta). Pe suprafata, ce sufera presiunea care trebuie masurata, actioneaza forta F, [18]:
F = Sef × p (3.15)
in care: Sef este suprafata efectiva a elementului sensibil, in m.
Aceasta suprafata aici joaca rolul de coeficient de transformare primara. Stabilitatea maxima a Sef se atinge in manometrele cu lichid: manometre cu lichid mecanice si manometre cu piston.
La centrale termice pentru masurarea presiunii se folosesc urmatoarele tipuri de manometre:
Manometrul cu teava si resort;
Manometrul diferential;
Vidmetrul cu ionizare.
3.2.3. Masurarea debitului
Grupul mare de debitmetre reprezinta aparatele, traductoare primare care receptioneaza actiunea fortata a torentului de fluid. Mediul lichid se deplaseaza sau rectiliniu, sau se roteste pastrand starea sa fata de axa de simetrie, sau se roteste in jurul punctului de fixare. Fortelor ce actioneaza din partea torentului, i se opune forta greutatii a lichidului in miscare, sau forta dezvoltata de un resort special. Semnalul de iesire a acestor traductoare este valoarea deplasarii sau unghiul de rotatie. Schemele principiale a acestor debitmetre sunt prezentate pe fig. 3.3.
Schemele principale ale debitmetrelor
Fig. 3.3.
In fig. 3.3.a cu cresterea debitului variaza bratul momentului opus, actiunea torentului de fluid se mareste cu marirea debitului astfel, in cat fiecare stare se pastreaza egalitatea momentelor. La masurarea debitelor mari sau la imposibilitate instalarii verticale a debitmetrului forta de contractiune se creeaza cu ajutorul resoartelor, cum este indicat pe fig 3.3.b.
3.3. Sistemul de automatizare al cazanului ДКВР-10-13
3.3.1. Caracteristica automatizarii si mijloacelor de masura
Utilajul pentru automatizare si control in conformitate cu normele in vigoare se instaleaza pe panourile de control si de dirijare, pe standurile pentru traductoare si manometre, la loc pe utilaj tehnologic. Aparate secundare de masura a temperaturii si presiunii aerului primar si gazelor de ardere instaleaza pe panourile locale nemijlocit langa cazan.
3.3.2. Panoul local al cazanului ДКВР-10-13
Panoul local al cazanului serveste pentru instalarea pe el a aparatelor de masura si de control nemijlocit langa cazan. Aparatele de masura si de control folosite pentru pornire, oprire si exploatare care se instaleaza pe panoul local sunt aduse in tab. 3.3.
Tabelul 3.3
Aparate de masura pe panoul local
