Моделирование универсального задающего блока автоматизированной системы управления процессом декарбонизации

Надежность и экономичность теплоэнергетических установок и систем теплоснабжения в значительной мере зависят от интенсивности внутренней коррозии оборудования и трубопроводов под действием циркулирующей в них воды. Коррозионная агрессивность воды обусловлена рядом физико-химических факторов, среди которых одним из главных является присутствие в воде растворенных газов, особенно кислорода и диоксида углерода СО2.

Основным типом декарбонизаторов, применяемых в теплоэнергетических водоподготовительных установках, являются противоточные насадочные декарбонизаторы с кольцами Рашига. В них удаление СО2 осуществляется при контакте обрабатываемой воды с атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором.

В настоящее время вентилятор для декарбонизатора выбирается при его проектировании исходя из расчетной максимальной производительности, а следовательно, величина расхода воздуха на декарбонизацию постоянна [1]. Однако при работе декарбонизатора с неполной нагрузкой вентилятор продолжает работать с полной про- изводительностью, подавая в декарбонизатор избыточное количество воздуха, что приводит к перерасходу электроэнергии на его привод. Для более качественного удаления углекислоты из воды при меньших затратах электроэнергии процесс декарбонизации необходимо автоматизировать (рис . 1).

В данной схеме управление скоростью вращения вентилятора декарбонизатора осуществляется на основе системы «преобразователь частоты – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором» (ПЧ–АД).

Важнейшим элементом автоматизированной системы является задающий блок, основная функция которого состоит в расчете требуемой мощности вентилятора декарбонизатора N по требуемой остаточной концентрации СО₂ в зависимости от геометрических параметров декарбонизатора (номинального размера насадки, площади поперечного сечения колонки декарбонизатора, объема насадки колец Рашига, сопротивления элементов декарбонизатора), параметров процесса (расхода и температуры воды, исходного содержания СО₂) и параметров гетерогенной дисперсной системы (ускорения

Рис. 1. Структурная схема автоматизации процесса декарбонизации

свободного падения, плотности воздуха, динамической вязкости воды).

Рассмотрим структуру (рис. 2) и работу задающего блока более подробно.

Логический блок Б1 служит для определения расхода воздуха в зависимости от основных параметров процесса декарбонизации: G _и.в – расхода воды, т/ч; t _и.в – температуры воды, °C; С _С^и_О^сх₂ – исходной концентрации СО₂, мг/кг; С _С ^ос _О ^т ₂ – требуемой остаточной концентрации СО₂, мг/кг. Математическая реализация этого блока приведена в уравнении регрессии зависимости остаточной концентрации С _С^ос_О^т₂ от параметров декарбонизации [2].

Блоки Б2 и Б7 – это блоки коэффициентов запаса. Коэффициент запаса принимаем равным 1, 2.

Блок Б3 предназначен для определения приведенной скорости воздуха в декарбонизаторе [3]:

Н=

^V н н а а с с S ^,

где V _нас – объем насадки, м³. Выходом данного блока является сопротивление насадки.

Блок Б8 служит для перевода единицы измерения расхода воды из тонн в час (т/ч) в кубические метры в секунду (м3/с).

ω ₌ ^D вент _, ⁰ 3 600 S

где S – площадь поперечного сечения колонки декарбонизатора, м² (см. табл. 2.2.3 [3]).

Логический блок Б4 используется для определения параметров Х и Y [3]:

Рис. 3. Зависимость Р _ор/ Н от Y и Х ( U/ ω ₀)

_{Х =} ^G и.в S ω ₀

.

где G _и.в – расход воды, м³/с;

Блок Б9 реализует сопротивление элементов декар-

бонизатора, Па.

CFrгr =      0,1 , усл где коэффициент С выбирается по табл. 2.24 [3]; Frr – кри-

терий Фурда для газа:

Fr =^{ω ω 0} gd

здесь g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²,

d – номинальный размер насадки, м; Re_усл – условный критерий Рейнольдса для газа:

Re усл

ω ₀ d ρ _г µ _ж

здесь ρ _г – плотность воздуха, кг/м³, µ _ж – динамическая вязкость воды, Па ⋅ с.

Блок Б5 предназначен для определения сопротивления 1 м орошаемой насадки Р _ор / Н в зависимости от значений Х и Y . Величина Р _ор / Н находится по графикам рис. 3 [3] после их преобразования в вычислительном блоке.

В блоке Б6 величина Р _ор / Н умножается на высоту насадки Н , определяемой по формуле

Блок Б10 для рассчитывает требуемую мощность вен-

тилятора. Этот параметр определяется по формуле

D ⋅ Р

_{N =} вент    вент                       ₍₇₎

вент                          ,

3 600 η вент

где η _вент. – коэффициент полезного действия вентилятора, %.

На основе рассмотренных выше соотношений в пакете МATLAB была построена модель задающего блока для получения требуемой мощности вентилятора (рис. 4). Расчет проводился для декарбонизатора с кольцами Рашига 25 ⋅ 25 ⋅ 3, который имеет следующие параметры: S = 9,25 м²; d = 0,025 м; С = 1; V _нас = 13,4 м³; сопротивление элементов декарбонизаторов Р _эл = 650 Па; КПД вентилятора принят 80 %. Физические параметры гетерогенной дисперсной системы: µ _ж = 0,01 Па ⋅ с; ρ _г = 1,2 кг/м³.

Разработанная модель состоит из следующих блоков: – блок D_u определяет требуемый расход воздуха вен-

тилятора;

– блок Fr определяет критерий Фурда для газа (4);

– блок 1/ Re0,1 вычисляет величину, обратную условному критерию Рейнольдса в степени 0,1 (5);

Рис. 2. Структурная схема задающего блока

• –    блок Р _ор/ Н рассчитывает сопротивления 1 м орошаемой насадки;

• –    блоки Subsystem1...Subsystem4 используются как делители.

По результатам проведенных на модели экспериментов можно сделать следующие выводы:

• –    для уменьшения мощности приводного двигателя вентилятора необходимо, чтобы были обеспечены полная нагрузка декарбонизатора (500 т/ч воды), подогрев исходной воды и увеличена требуемая остаточная концентрация углекислого газа С _С^ос_О^т₂;

• –    зависимости преобретают линейный характер при исходной концентрации газа 60...70 мг/кг. Следовательно, при больших исходных концентрациях газа можно структурно упрощать задающий блок.

Модель задающего элемента системы автоматического управления процессом декарбонизации является универ- сальной, для ее настройки достаточно изменить параметры процесса, параметры декарбонизатора и дисперсной системы. Полученный задающий блок можно применять в автоматизированной системе управления во всех противоточных насадочных декарбонизаторов с кольцами Рашига.