Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Рассмотрим решение задачи синтеза регулятора системы промышленного назначе ния. Бурное развитие газового промысла на Севере, в Западной Сибири и в других регионах России потре бовало передачи огромных количеств природного газа в центр страны и за рубеж. Газ должен быть дос тавлен потребителям самым оптимальным и экономически эффективным путем с соблюдением все воз растающих требований по повышению надежности и безопасности поставок. Он транспортируется по магистральным газопроводам под высоким давлением (от 50 до 75 кг/см2). Для этого на расстоянии 100-150 км устанавливаются промежуточные компрессорные станции (рис. 1), которые восстанавливают давление газа на участке газопровода до расчетного значения. При этом пропускная способность газопро вода возрастает в несколько раз, а капитальные затраты увеличиваются лишь на 25-30%.
Рис. 1. Установка промежуточных компрессорных станций
Каждая станция содержит комплекс технических средств, обеспечивающих надежную и экономичную работу основного оборудования - нагнетателей природного газа. Они являются основным энергетическим элементом компрессорных станций магистральных газопроводов. Привод и нагнетатель представляют собой газоперекачивающий агрегат (ГПА) (рис. 2). Нагнетатель - лопаточная машина сжатия, в которой энергия внешнего источника (привода) сообщается газу, за счет чего и повышается давление. В ГПА в качестве при вода используются газотурбинные установки (ГТУ).
Рис. 2. Газоперекачивающий агрегат
Эффективная эксплуатация этого комплекса возможна при безотказной работе компрессорной станции, в состав которой входит и система автоматического регулирования ГПА. Задачей системы регулирования является поддер жание одного или нескольких параметров на требуемом уровне. В ГПА регулируемыми параметрами яв ляются либо частота вращения нагнетателя, либо давление газа на выходе из КС.
Рассмотрим принцип работы ГПА с двухвальной ГТУ и регулятором давления (рис. 3). Двухвальная газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, которая состоит из двух частей: турбины высокого давлении (ТВД) и турбины низкого давления (ТНД). Атмосферный воздух с давлением и температурой засасывается в компрессор, тем самым повышая давление воздуха.
Сжатый воздух с давлением и температурой поступает в камеру сгорания и в нее впрыскивается топливо. В камере сгорания воздух разделяется на два потока: один поток необходим для сгорания топлива, он поступает внутрь жаровой трубы (ЖТ); второй поток обтекает жаровую трубу снаружи и подмешивается к продуктам сгорания для понижения их температуры. Этим достигается уменьшение начальной температуры газа перед турбиной. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается.
Получающийся после смешения газ с давлением и температурой поступает в турбину. К нагнетателю от входного участка магистрального газопровода с помощью за порных органов З подается природный газ с давлением . Рабочее колесо нагнета теля имеет определенное количество лопаток, загнутых в сторону, противоположную вращению колеса. С помощью их происходит передача механической энергии от ко леса газу, что сопровождается повышением давления до и скоростного напора.
Увеличением (уменьшением) числа оборотов нагнетателя п2 можно добиться расчетного давления . Дальше газ с возвращается в газопровод, к потреби телям. Расчетное значение достигается с помощью регулятора давления, кото рый изменяет подачу топлива в камеру сгорания, тем самым увеличивая или умень шая частоту вращения нагнетателя.
В регуляторе давления в качестве чувствительного элемента используется мем бранный датчик 1, который состоит из мембраны 2, пружины 3 и штока 4. Пружина подбирается таким образом, чтобы датчик был настроен на нужное давление . Мембрана прогибается вверх ( < ) или вниз ( > ) на относительную величину , тем самым перемещая шток 4, на конце которого жестко закреплен дроссель 5 усилителя 6. Это вызывает изменения давления под поршнем 7, в резуль тате чего он смещается на относительную величину , поднимая или опуская ры чаг 8. Рычаг 8 жестко связан с главным сервомоторам 10. В состоянии равновесия отверстия в золотнике сервомотора 9 перекрываются поршнями 11. Давление в верх ней и нижней части главного сервомотора одинаково и регулирующий орган 12 не подвижен. В зависимости от направления движения рычага 8 будут открываться от верстия для поступления масла от источника постоянного давления в одну из полос тей главного сервомотора 10, при этом из другой полости будет открывается слив масла. Усилие, возникшее за счет разности давлений масла в полостях, перемещает поршень 13 и связанный с ним дозирующий топливный клапан 12 (регулирующий орган). Обратная связь осуществляется с помощью штока 14.
рис. 3. Принципиальная схема ГПА
В системе регулирования ГПА (на рис. 4 представлена функциональная схема процесса регули рования) используется непрямое регулирование: в цепь чув ствительный элемент - регулируемый объект вводят усилительные устройства, как правило, работающие на энергии жидкости (масла), получаемой от системы маслоснабжения. Такие устройства называют сервомоторами. Заданный режим работы объекта нарушается вследствие возмущающих воздейст вий. Для ГПА это, в основном, изменение потребления газа, приводящее к изменени ям крутящего момента нагнетателя и связанной с ним турбины. К возмущающим воздействиям для ГПА следует отнести и изменения температуры и давления окру жающей среды. Возмущением системы является относительное изменение потребления газа в выходном участке газопровода. Регулируемой величиной является относительное изменение давления газа на выходе нагнетателя , а регулирующим воздействием является относительное открытие топливного клапана .
рис. 4. Функциональная схема системы автоматического регулирования ГПА:
1 – чувствительный элемент; 2 – усилитель;
3 – главный сервомотор; 4 – ГПА.
Несмотря на конструктивные различия, у сервомоторов всех типов можно выделить два элемента: 1) устройство, вырабатывающее силовое воздействие за счет энергии постороннего источника; 2) устрой ство управления (золотник), воспринимающее сигнал от чувствительного элемента или предшествующего усилительного устройства.
Принцип действия сервомотора заключается в следующем. Точка С получает перемещение z от чувст вительного элемента или промежуточного усилителя. В камеру А золотника 1 (см. рис. 5) подается жид кость, которая может поступать в полости под поршнем 5 и над поршнем 4 попеременно, при этом если одна полость соединяется с напорной камерой А, то другая — со сливной В. Равновесие системы возможно только в одном положении, когда золотник перекрывает напорную и сливную линии, т.е. при неизменном положе нии точки а. Перемещаясь, поршень 2 меняет проходное сечение регулирующего клапана 3, чем определяет подачу топлива и соответственно режим работы ГТУ. Хотя точка а в равновесных состояниях неподвижна, точки с и b могут занимать различные положения в соответствии с требуемой нагрузкой турбины. Обратная связь осуществляется с помощью рычага 6, обеспечивая выключающее воздействие на сервомотор.
рис. 5. Схема сервомотора двойного действия:
1 - золотник; 2 - поршень; 3 - регулирующий клапан; 4 – полость над поршнем; 5 – полость под поршнем; 6 – рычаг
Газотурбинная установка с нагнетателем и газопровод представляют собой дина мическую систему (объект регулирования), которую можно представить в виде от дельных элементов или звеньев. Уравнения движения элементов ГПА составляют, исходя из условий баланса мощностей (моментов) и законов сохранения массы, энер гии или других свойств. Основными характеристиками любого звена являются дина мические константы, определяемые расчетным или экспериментальным способом.
Применительно к решению задач устойчивости и определения качества переход ного процесса будем рассматривать только малые колебания динамической системы около равновесного положения. Это означает, что математическая модель включает только линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами, или, что то же самое, из-за малости отклонений параметров от состояния равновесия, нелинейную зависимость при разложении в ряд Тейлора представляют только пер выми членами разложения (учитываются только линейные члены). Изменение иско мых величин и независимых параметров удобно представить в безразмерном виде в относительных координатах:
В качестве масштабов приведения величин к безразмерному виду целесообразно принимать их значения в равновесном состоянии.
Уравнения регулирования со статическим регулятором давления с жесткой об ратной связью:
- уравнение чувствительного элемента;
- уравнение усилителя, - коэффициент самовыравнивания.
Примем .
- уравнение главного сервомотора;
- степень неравномерности чувствительного органа; - относительное смеще ние мембраны; - относительное смещение поршня усилителя; , - посто янные времени усилителя и главного сервомотора.
Передаточная функция регулятора имеет вид
.
Математическая модель ГПА описывается уравнениями:
;
;
;
;
;
;
;
,
где коэффициенты - безразмерные величины; , - постоянные времени ТВД и ТНД, которые зависят от размеров и форм роторов, их мощностей и угловых скоростей вращения; , - постоянные времени в подводящей и отводящей вет ках газопровода; , - постоянные времени, зависящие от объема патрубков между камерой сгорания и ТВД, между ТВД и ТНД. Для ГТН-16 коэффициенты мате матической модели имеют следующие значения:
Структурная схема системы представлена на рис. 6.
Исключая промежуточные переменные из уравнений математической модели ГПА и регулятора давления, можно получить ПФ всей системы, коэффициенты кото рой зависят от параметров системы
.
рис. 6. Структурная схема ГПА.