АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСХОДА

Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации многих инженерных систем. Например, в тепловых пунктах зданий регулируют расход теплоносителя, подаваемого в систему отопления. Для этой цели часто применяют рассмотренный регулятор прямого действия типа УРРД.

Системы регулирования расхода характеризуются двумя особенностями: малой инерционностью собственно объекта регулирования;

наличием высокочастотных составляющих в сигнале изменения расхода, обусловленных пульсациями давления в трубопроводе, которые вызываются работой насосов и вентиляторов или случайными колебаниями расхода при дросселировании потока через сужающие устройства.

Принципиальная схема объекта при регулировании расхода показана на рис. 5.10. Обычно таким объектом является участок трубопровода между точкой измерения расхода (например, местом установки сужающего устройства 1) и регулирующим органом 2. Длина этого участка L определяется правилами установки сужающих устройств и регулирующих органов и составляет несколько метров. Время чистого запаздывания обычно составляет несколько долей секунды для газов и несколько секунд для жидкостей. Ввиду малой инерционности такого объекта особые требования предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчета АСР расхода. В большинстве случаев инерционность цепей контроля и регулирования расхода соизмерима с инерционностью объекта и ее необходимо учитывать при расчете АСР расхода.

Рис. 5.10. Принципиальная схема при регулировании расхода:

1 — измеритель расхода; 2 — дозирующий

клапан

При регулирования расхода применяют один из трех способов: дросселирование потока через регулируемый орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка); изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора); байпасирование, т. е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расхода после центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. 5.11, а). Если для перекачивания используют поршневой насос, применение подобной АСР недопустимо, так как при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода (или к помпажу, если клапан установлен на линии всасывания). В этом случае для регулирования расхода используют байпасирование потока (рис. 5.11, б).

Рис. 5.11. Схема регулирования расхода после центробежного

• (а) и поршневого (б) насосов:
  • 1 — измеритель расхода; 2 — регулирующий клапан; 3 — регулятор;
  • 4 — насос

В ряде случаев необходимо поддержание заданного соотношения расходов (например, «топливо—воздух» в котельных установках). Наиболее часто прибегают к регулированию соотношения двух веществ, которое осуществляется по одной из трех схем, описанных ниже. По первой схеме (рис. 5.12, а) при незаданной общей производительности расход одного вещества б_ь называемый «ведущим», может изменяться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении а с первым так, что «ведомый» расход б₂ равен а б,. Иногда вместо регулятора соотношения используются реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис. 5.12, б). В этом случае выходной сигнал реле соотношения, устанавливающего заданный коэффициент соотношения, подается в виде задания регулятору, обеспечивающему поддержание «ведомого» расхода. Вторая схема (рис. 5.13, а) используется в технологических процессах, когда значение «ведущего»

Рис. 5.12. Схемы регулирования соотношения расходов при незаданной общей нагрузке:

• 1,2 — измерители расхода; 3 — регулятор соотношения;
• 4 — регулирующий клапан; 5 — регулятор расхода; 6 — реле соотношения

Рис. 5.13. Схемы регулирования соотношения расходов при заданной общей нагрузке (а) и коррекции коэффициента соотношения

по третьему параметру (б):

• 1,2 — измерители расхода; 3 — регулятор соотношения;
• 4, 5 — регулирующие клапаны; 6 — регулятор расхода;
• 7 — технологический аппарат; 8 — измеритель температуры;
• 9 — регулятор температуры; 10 — устройство ограничения

расхода задано. В этом случае кроме АСР соотношения расходов применяют также АСР «ведущего» расхода. По этой схеме в случае изменения задания по расходу G_x автоматически произойдет и изменение расхода С₂, причем в заданном соотношении с С,. Третья схема (рис. 5.13, б) применяется в тех случаях, когда АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной системе регулирования третьего технологического параметра Y (например, температура в каком-либо топливосжигающем аппарате). При этом заданный коэффициент соотношения а устанавливается внешним регулятором в зависимости от этого параметра так, что G₂ = a(Y)G. Особенность настройки каскадных АСР состоит в том, что внутреннему регулятору устанавливают ограничение Х_{п н} < Х_р < Х_рв. Для АСР соотношения расходов это соответствует ограничению а_н < Х_р < Х_р._в. Если выходной сигнал внешнего регулятора выходит за пределы (А"_{р н}, Х_р-В), то задание регулятору остается на предельно допустимом значении а, т. е. а_н или а_в.

Часто в инженерных системах возникает необходимость в аварийной и предупредительной сигнализации о наличии потока воздуха, протока воды или в сигнализации о предельных значениях расхода тех или иных рабочих сред.

Для регулирования, сигнализации или переключения с одного расходомера на другой применяют различные сильфонные, мембранные или поплавковые дифманометры с регулирующими или сигнальными устройствами. Например, расход теплоносителя на вводе в здание измеряется комплектом приборов, в состав которого входят диафрагма и сильфонный показывающий диф-манометр с интегратором. Известно, что такой комплект является коммерческим (по показателям интегратора производится финансовый расчет) и может производить измерения с требуемой точностью только при расходе от 30 до 100% максимального диапазона шкалы дифманометра. Если длительное время ожидается минимальный расход, значение которого находится ниже 30% максимального (измеряемого дифманометром), то приходится устанавливать второй комплект расходомера с максимальным пределом измерений, несколько большим 30%-ного предела первого комплекта. Каждый комплект устанавливают на один из двух параллельных участков трубопровода, оборудованных запорными моторными задвижками. В зависимости от величины расхода теплоносителя сигнальные устройства дифманометров, воздействуя на приводы запорных задвижек, открывают для измерения только один участок трубопровода. Общий расход теплоносителя равен сумме показаний интеграторов обоих комплектов.

Для контроля расхода смазки, подаваемой шестеренчатым насосом, в компрессорах холодильных машин используют дифференциальное реле давления (реле контроля смазки), предназначенное для контроля, сигнализации и двухпозиционного регулирования давления жидких и газообразных сред. Принцип его действия основан на сравнении сил, создаваемых перепадом давлений в чувствительных системах прибора, и силы упругой деформации пружины. Реле (рис. 5.14) состоит из двух чувствительных сильфонных систем, узла настройки перепада давлений, передаточного механизма и узла размыкания 7. На сильфоны действуют давления р_{ и р₂, разность которых контролируется. Если перепад давлений больше установленного на шкале, то контакты 8 и 9 замкнуты. При понижении перепада до установленной величины пружина поворачивает рычаг против часовой стрелки и контакты размыкаются. Диапазон настройки перепада давлений реле от 0,2 до 1,8 кгс/см² (от 0, 02 до 0, 18 МПа), разрывная мощность контактов 300 В • А при переменном токе 220 В частотой 50 Гц.

Для контроля потока воздуха в воздуховодах применяют реле (рис. 5.15) с двухпозиционным (контактным) регулирующим устройством, представляющее собой укрепленную на стенке воздуховода плату-основание. В воздуховод вводится жестко закрепленный на оси флажок. Ось имеет две опоры — в корпусе и в кронштейне

Рис. 5.14. Схема реле перепада давлений:

• 1 — сильфонные системы; 2 — передаточный механизм; 3 — ось;
• 4 — шкала; 5 — пружина; 6 — узел настройки; 7 — узел размыкания;
• 8 и 9 — контакты

4

о

о о

флажка. Конец оси через плату-основание введен в корпус реле и соединен с кулачком, который в зависимости от положения флажка в потоке воздуха воздействует на ролик рычага с ртутностеклянным контактом. Контргрузы служат для уравновешивания флажка и создания усилия, противодействующего давлению воздуха. Для ввода электрической проводки в корпусе предусмотрен сальник. Реле может быть настроено на замыкание или размыкание контакта при скорости воздуха 4—10 м/с. Дифференциал реле составляет от 0,5 до 2 м/с. Реле можно устанавливать на горизонтальных и вертикальных участках воздуховодов при скорости воздуха в них не более 25 м/с.

1 2 3

Рис. 5.15. Реле расхода:

а — реле потока воздуха: 1 — ролик; 2 — рычаг; 3 — ртутно-стеклянный контакт; 4 — контргруз; 5 — флажок; 6 — ось; 7 — кронштейн; 8 — корпус;

9 — крышка; 10 — кулачок;

б — реле потока жидкости: 1 — корпус; 2 — плунжер; 3 — сильфон;

• 4 — пружина; 5 — клеммы; 6 — шкала; 7 — диск;
• 8 — микропереключатели; 9 — стрелка

Реле расхода жидкости или газа состоит из дифференциального реле давления и сужающего устройства — камерной диафрагмы. Дифференциальные реле давления выпускают нескольких модификаций, которые отличаются друг от друга наличием того или иного устройства — двухпозиционного регулирующего, показывающего, дифференциально-трансформаторного преобразователя для дистанционной передачи показаний расхода на вторичный прибор. Чувствительным элементом реле является мембранный блок, состоящий из двух камер, к которым присоединяются импульсные линии сужающего устройства. Выход чувствительного элемента (мембранного блока) соединен с приводом двухпозиционного устройства стрелки или с плунжером дифференциальнотрансформаторного преобразователя. Реле расхода применяют для контроля расхода жидкостей или газа в трубопроводах диаметром более 80 мм.

Для контроля протока жидкостей по трубопроводам меньшего диаметра (20, 40 и 50 мм) применяют реле протока для установки на горизонтальных участках трубопроводов и в местах перехода с вертикальных участков трубопроводов на горизонтальные. Основным элементом прибора (см. рис. 5.16) является клапан с возвратной пружиной. При протекании воды через корпус тарельчатый плунжер клапана под действием давления воды перемещается вверх, преодолевая сопротивление пружины. На штоке укреплен диск, который при подъеме и опускании штока обеспечивает переключение двух микропереключателей. Стрелка и безразмерная шкала служат для определения степени подъема плунжера. Уставка реле на заданное значение потока производится натяжением пружины с помощью вращающегося винта. Реле имеет трехпозиционный двухконтактный выход. Разрывная мощность контактов — 600 В • А при переменном токе 220 В частотой 50 Гц.