Текст
                    ВСЕСОЮЗНОЕ НАУЧНОЕ ИНЖЕНЕРНО - ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО
ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
ВНИТОЭ	★
КОМИТЕТ
ГАЗИФИКАЦИИ
Инж. В. А. ГОРДИН
АВТОМАТИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
НА ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ СТАНЦИЯХ
МАТЕРИАЛЫ
ВСЕСОЮЗНОГО СОВЕЩАНИЯ
ПО ЭКСПЛОАТАЦИИ Г АЗО
ГЕНЕРАТОРНЫХ СТАНЦИЙ
ЛЕНИНГРАД
19 4 0


всесоюзное научное инженерно - техническое общество ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРОСВЯЗИ внитоэ СЕК Т О Р ТЕПЛОТЕХНИКИ К О М И Т Е Т Г А 3 И Ф И КАНИ И Инж. В. А. ГОРДИН АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ СТАНЦИЯХ ‘ МАТЕРИАЛЫ ВСЕСОЮЗНОГО СОВЕЩАНИЯ ПО ЭКСПЛОАТАЦИИ ГАЗО- ГЕНЕРАТОРНЫХ СТАНЦИЙ ЛЕНИНГРАД 19 4 0
III. Характеристика регулируемого участка...................... IV. Основные принципиальные схемы установок регуляторов ла га- зогенераторных станциях .......................................... V. Характеристика регуляторов и схем регулирования па газо- генераторных станциях............................................... 1:1 1. Требования, предъявляемые к регуляторам................. 19 2. Характеристика регуляторов.............................. 21 3. Регулировочные схемы на газогенераторных станциях ... 32 ___________— Отв. редактор ннж. Г. С. Пильне. Гехп. редактор М. II. //икшнин. Сдано в набор 7 февраля 1940 Учетно-авторских л. 3,25. Формат бумаги GO X 92. Леноблгорлит № 937. Подписано к печати 4 марта 1940 г. Печатных л. 2|/о. Бумажных л. Н,4. В I бумажном л. 97400 зп. нраж 750. Заказ № 457. Гипография .Коминтерн" Ленинград, Красная ул , 1
1. ВВЕДЕНИЕ 1. В докладе в популярной форме освещаются основные поня- тия и принципы, на которых базируется современная теория регулирования, и закономерности, которые определяют работу регулирующих устройств в зависимости от характеристик регули- руемой системы, передаточных и вспомогательных механизмов и самого регулятора, образующих совместно единый комплекс. 2. Теория, расчет, проектирование и конструирование устройств по автоматическому регулированию процессов представляют собой узко-специализированную область техники. Правильный выбор системы регулятора и успешная его работа требуют предварительного анализа и определения характеристики регулируемой системы сточки зрения протекания процесса регу- лирования. Для успешной работы регулятора требуются соответстопе его характеристики свойствам (характеристике) регулируемой системы и правильный выбор параметров, определяющих процесс регулирования. 3. До разработки теории регулирования вопросы включения регуляторов частного назначения и установления их характе- ристик (коэфициента неравномерности и скорости действия) разрешались на основании опыта фирмы или в лучшем случае путем настройки в процессе наладки и пуска регулятора в ра- боту. Однако эти методы не Всегда давали положи тельные ре- зультаты и должны быть признаны устарелыми. Наиболее целесообразным методом включения регулятора является метод теоретически обоснованного расчетного анализа. II. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ I. Всякая причина, нарушающая равномерность протекания процесса, называется „возмущающим фактором". Из всех возмущающих факторов в отдельную (первую) группу следует выделить изменение полезной нагрузки (изменение рас хода газа потребителем). Задача регулирования в этом случае заключается в измене- нии выработки газа до приведения ее в соответствие с новым расходом. I ’ 3
Однако восстановление равновесия между выработкой и рас- ходом газа при изменении нагрузки связано с общим наруше- нием режима в основной и вспомогательной аппаратуре. Гак, увеличение нагрузки газогенераторной станции, изменяя гидра- влический режим, может привести к недопустимо низкому па- дению давления в газопроводе, а при сохранении постоянства открытия впуска пара и к нежелательному снижению темпера- туры дутья. Отсюда возникает вторая задача регулирования: поддержание заданного режима, характеризуемого определенным значением какого-либо параметра, связанного закономерной зависимостью от первичного (основного)параметра (в данном случае •—произво- дительности), дающего так называемый „командо-импульс". Ко второй группе возмущающих факторов относятся все про- чие причины, не требующие изменения производительности уста- новки, но влияющие на отдельные параметры процесса. Такими причинами могут явиться изменение фракционного состава топ- лива, поступающего в генератор, или засорение газоотвода, изменяющие выход газа и гидравлический режим, изменение да- вления пара, приводящее к изменению температуры дутья, и т. и. Задачей регулирования в этом случае является восстановле- ние нормального протекания процесса при заданной производи- тельности (повышение давления дутья при засорении газоотвода) либо установление значения одного параметра в зависимости от другого (расход пара в зависимости от расхода дутья). Следует отметить особо случай программного регулирования, когда изменение какого-либо параметра рабочей среды или про- изводительности установки происходит по заранее заданному закону (например, но графику во времени). Специфическая особенность этого случая заключается в воз- можности произвольного установления заранее скорости воздей- ствия возмущающего фактора, в то время как в остальных слу- чаях она определяется конструктивными особенностями и усло- виями эксплоатации самой регулируемой системы. 5. Все подлежащие регулированию процессы надо рассматри- вать как материальные или энергетические потоки. В зависимости от характера потока выбирают такой параметр, который своим изменением сигнализирует о нарушении равновесия между притоком и расходом (физического тела или энергии) и дает первичный импульс к установлению нового состояния. Действие же регулятора всегда сводится к изменению расхода какого-либо физического тела, независимо от природы регули- руемой системы и характера выбранного параметра. Поэтому в дальнейшем в виде примеров рассматриваются условия регули- рования потоков газов и жидких тел. 6. ыновка ио pei улироваишо Какого-либо процесса вклю- чав! в себя следующие элементы: а) собственно регулируемую систему,
б) систему регулятора, состоящую из прибора для получения и передачи первичного импульса, управляющего органа и соб- ственно регулирующего органа, и в) возмущающую часть. Под последней надо понимать любую причину, нарушающую установившийся ход процесса, например, открытие свечи на газопроводе, изменяющее расход газа. В дальнейшем в качестве возмущающей части будет рассматриваться задвижка (клапан) на трубопроводе, изменение открытия которой изменяет расход газа (жидкости). 7. Под регулируемой системой следует подразумевать всю ту часть установки, в которой возмущающий фактор оказывает влияние на значение какого-либо параметра. Однако современные весьма сложные энергетические установки представляют значи- тельные трудности для столь широкого, комплексного их рас- смотрения. Поэтому удобнее и целесообразнее в первой стадии решения вопросов регулирования расчленять установку на ряд участков. При выборе участков существенно, чтобы каждый из них представлял собой материальную или энергетическую систему и был ограничен с одной стороны регулирующим органом, а с дру- гой— возмущающей частью; в каждом участке необходимо под- держивать равенство притока и стока какой-либо материальной среды или энергии (обычно на определенном уровне, в зависи- мости от положения возмущающей части). Взаимная связь отдельных участков выражается в том, что регулирующий орган одного участка является возмущающей частью для другого. Выбор параметра рабочей среды, изменяющегося под влия- нием возмущающего фактора, определяется удобством измерения возникающей разности притока и стока материальной среды или энергии и управления процессом регулирования. Например, в трубопроводах для воды, газа и т. п. регулирую- щим параметром, указывающим на равенство или неравенство притока и стока, принимают давление, изменение которого и дает первичный импульс регулятору. Однако можно принять регули- рующим параметром и непосредственный измеритель расхода. В баке с непрерывным притоком и стоком воды регулирую- щим параметром может явиться уровень воды. При установке регулятора производительности газогенератор- ной станции, предназначенного поддерживать равенство количеств вырабатываемого и расходуемого (потребителем) газа, регулирую- щим параметром обычно принимают давление в газопроводе (которое достаточно чувствительно к изменениям расхода газа), управляющее подачей дутья (определяющего производительность генератора). Можно, конечно, принять регулирующим параметром скорость газа в газопроводе, которой в этом случае должно быть подчи- нено управление расходом воздуха. 457
Выбор того или другого параметра должен быть определен в зависимости от характеристики регулируемо» системы, с учетом местных условий. На рис. 1 дана схема регулируемого участка. Разделение сложно» си- стемы с несколькими регу- лируемыми параметрами на ряд регулируемых участков, в которых регулирование осуществляется взаимно- последовательно, не исклю- чает проблемы совместного, Рис. 1. Схема регулируемого участка. п—прибор для получения и передачи первичного импульса (импульсный орган); о — управляющий орган; в—собственно регулирующий орган; г—возму- щающая часть. Регулятор с движением рабочей среды по стрелке /—регулятор притока, по стрелке 2—регулятор стока. параллельного регулирова- ния всей системы. Изучение это» проблемы, представля- ющей значительную матема- тическую сложность, вслед- ствие ее специфичности не входит в рамки настоящего доклада. Общая же харак- теристика метода совмест- ного регулирования ряда параметров освещена в даль- нейшем. ill. ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГУЛИРУЕМОГО УЧАСТКА (Процесс самовыравнивания, см. рис. 2) В этом разделе приняты следующие обозначения (сохраненные и в дальнейшем): Q; — величина притока, размерная (например, .м3/сек, кг/сек, к кал /сек); Q,.— величина стока, размерная (например, щ3/сек, кг/сек, ккал/сек); Qt,o — величина притока Qa,о — величина стока Q.. 'г = Q f —величина притока, размерные, заданные, соответ- ствующие заданному режиму работы установки; безразмерная, так называемая „степень притока": Q„ , v“~" Qtl„—величина стока, безразмерная, „степень стока1'; h величина параметра регулируемого участка, раз- мерная (например, давление — кг/см2, скорость л</сек или 1/сек); величина параметра, размерная, соответствующая заданному режиму установки;
Рис. 2. Графическое изображение процесса самовыравнивания в регулируемом участке.
□ = fi~—величина параметра, безразмерная; т — время, размерная величина—сек.; ч.— степень открытия органа притока; — степень открытия органа стока; ч.. и — измеряются не геометрически, а безразмерно в долях пропускаемых (при соответствующих значениях параметра) количеств Q;,„ и Qn,„. 8. Возмущающий фактор вызывает нарушение равновесия между притоком и стоком (рабочего тела или энергии) в регули- руемом участке и в результате его изменение состояния рабо- чей среды, какого-либо ее параметра, В дальнейшем, в целях наглядности, мы под регулируемым участком, согласно схеме рис. 1, будем подразумевать газопровод между задвижкой у газогенераторной станции (органом притока) и задвижкой у потребителя (органом стока). Изменение положения последней, например, частичное закры- тие, представляет собой возмущающий фактор. Действие возму- щающего фактора предполагается (пока) мгновенным в момент само возмущение выразится мгновенным снижением расхода газа и образованием начальной разности притока и стока в тот же момент ^itQ. Q„ или в безразмерном выражении v, va. При этом предполагается, что задвижка на газостанции остается в не- изменном положении (поскольку предметом изучения настоя- щего раздела является не процесс регулирования, а свойства самого регулируемого участка); точно также неизменным предполагается и состояние (давление) газа перед задвижкой на газостанции. В этом случае уменьшение расхода вызывает изменение со- стояния рабочей среды, повышение ее давления, а в результате постепенное уменьшение притока и увеличение стока |ха, т. е. процесс самовыравнивания, который заканчивается с установле- нием нового, измененного состояния рабочей среды, давления газа, и равенства притока и стока газа, значения которых уже отличны от первоначальных их значений (до наступления возму- щающего фактора). Для всего процесса выравнивания характерны: 1) действие возмущающего фактора или величина возмущения (в данном случае — первичная разность притока и стока в момент его наступления); действие возмущающего фактора, прикрытие задвижки у потребителя, в первом приближении принимаем мгновенным, 2) изменение параметра рабочей среды, т. е. давления газа, в результате действия возмущающего фактора, 3) кривая процесса изменения во времени разности притока и стока, 4) кривая процесса изменения во времени параметра измеряющего состояние рабочей среды (в рассматриваемом при-
мере давления газа в газопроводе). Эти кривые определяют и характер и длительность процесса самовыравнивания. На рис. 2, а, б, в даны кривые, характеризующие процесс самовыравнивания. Ввиду того что для процессов регулирования так же, как и для процесса самовыравнивания, существенны не абсолютные значения участвующих в процессе величин, а лишь их относи- тельные значения, на графиках рис. 2 приведены символы, озна- чающие безразмерные величины, т. е. отношение значения какой- либо величины в данный момент к некоторому заданному ее значению. Последним может быть среднее ее значение, соответ- ствующее заданному режиму, например, среднему расходу газа, либо предельное значение, соответствующее предельному расчет- ному режиму (например, максимальному расходу газа). 9. Зависимость скорости изменения параметра ^(в рассматри- ваемом примере давления газа) от разности степени притока и стока, '>г v(J (т. е. прихода и расхода газа) в данный момент определяет собой чувствительность регулируемого участка (на о da ч рис. 2 даны построением и ча для момента г3). Для рассматриваемых в проблемах регулирования малых конеч- ных разностей эта зависимость может быть принята линейной, отсюда da d-. '<,) Е и 1 'г — сек’ (1) где Е чувствительное! ь регулируемого участка и имеет размер- ность времени. На рис. 3 дано построение Е для у,— vo—I. В практических условиях в пределах работы регулирующих систем Е сохраняет приблизительно постоянное значение. В технике употребительно и выражение , которое называется временем разгона. Примечание. Выражение „время разгона" возникло из представления о продолжительности времени, необходимого лая падения параметра, например, давления газа, от начального значения а 1 до 0 (или обратно) при мгновенном начальном возмущении (уг— ча). ... = 1, т. е. либо при внезапном полном от- крытии органа стока (<iva 1 при 0), либо при полном закрытии органа притока (Д-^ ——1 при при постоянном значении £. Фактически в этом смысле время разгона равно оо, соответственно значению величины чув- ствительности при предельном значении а = 0. Приближенно могут быть определены времеба, соответствующие изменению ’ в пределах долей единицы. Так. например, определяется время полувыравнк- ванпя для изменения а от 1 до 0,5. На рис. 3 дано такое построение. Аналогично могут быть с некоторым приближением (в зависимости от переменного значения Е в пределах измене- ния параметра а) определены времена самовыравнивания, изменению а до 0,1 или 0,9 и т. д^'брое1ю^цервонача.тьиого Г I \ « и ЙГ.Ш1/ соответствующие значения. 9
10. По кривым з и представленным в виде функций времени г (см. рис. 2, б и в), возможно путем исключения г найти функциональную зависимость между а и v2 - v„. Рис. 3. Графическое определепне чувствительности регглируе- мого участка. Для малых конечных разностей эту зависимость можно при- нять линейной и принять — va)=pdi или (.>) где р constans безразмерная величина. Правая часть уравнения (2) может быть представлена в виде — V«) 4- : 3? 4(<г— va) *Ae щ ojfianaei скорость изменения возмущения, а д>
d". скорость изменения параметра, воздействующего в направ- лении уменьшения возмущения. Чем больше при данной скорости ^'скорость изменения воз- мущения rf г • п ’ тем больше способность регулируемого участка к самовыравниванию, тем больше устойчивость процесса. Величина р называется коэфициентом самовыравнивания. Урав- нение (2) может быть представлено в виде формулы л-Рг-Р,., (2а) которая в согласии с характером протекания кривых v и va по- казывает, что коэфициент самовыравнивания можно рассматривать как алгебраическую сумму коэфициентов самовыравнивания при- тока и стока. В отдельных частных случаях коэфициенты самовыравнивания притока и стока могут быть не равны; в частности, может быть рг = 0 при ра>0 и наоборот. 11. В формулы (1) и (2), определяющие величины Е и р, вхо- дят лишь безразмерные величины (кроме времени г); поэтому эти формулы имеют общий универсальный характер, независимый от характера регулирующего участка и параметра. Величины Е и р являются основными величинами, характеризующими регу- лируемый участок с точки зрения условий самовыравнивания и процессов регулирования. Чувствительность регулируемого участка определяет его аккумулирующую способность и в связи с ней продолжительность процесса самовыравнивания. Чем больше чувствительность участка, тем меньше его аккумулирующая способность и продолжитель- ность процесса самовыравнивания (отрезок г, — на рис. 2). Коэфициент самовыравнивания р определяет при данной ве- личине возмущения v,— ча величину изменения параметра в тече- ние процесса самовыравнивания, (рис. 2, б), которое обратно пропорционально коэфициенту р. Изменение параметра в свою очередь влияет на продолжитель- ность процесса самовыравнивания. Общая функциональная связь между характеристическими величинами регулируемого участка, чувствительностью £ и ко- эфициентом самовыравнивания и, с одной стороны, и величиной изменения параметра а,— а, и продолжительностью самовыравни- вания ---г(, с другой, может быть выражена следующим поло- жением. Величина изменения параметра —at пропорциональна вели- чине возмущения — v„) и обратно пропорциональна коэфициенту самовыравнивания регулируемого участка р; она не зависит о г чувствительности участка. Продолжительность процесса само- выравнивания г,— обратно пропорциональна произведению чув- 11
ствительности Е и коэфициента самовыравнивания регулируемого участка р и не зависит от величины возмущения |(мг - vu)t. ч |. 12. Для определения величины чувствительности и степени выравнивания регулируемого участка можно, вообще говоря, воспользоваться как аналитическим, расчетным, так и экспери- ментальным методом. Практически, однако, в системах со зна- чительной аккумулирующей способностью функциональные зави- симости, связывающие изменения регулируемого потока и Рис. 4. Кривые самовыравнивания регулируемого участка для различной чувствительности Е при постоянном коэфищинте самовыравнивания, р = const >0. 4 Л, #, 2) Е. - мало, .,) Е, > Е,-, 4) Е , 5) / параметра, очень сложны и трудно поддаются аналитическому выражению; таковы, например, печные установки с регулируе- мыми потоками тепла и температурой. В этих случаях наиболее удобным является эксперименталь- ный метод, который сводится к снятию опытным путем кривых а (изменения параметра, например, температуры) и (разно- ' 111 степеней притока и стока, например, прихода и расхода тепла), аналогичных приведенным на рис. 2. Малая <корость протекания изменения о, благодаря большой аккумулирующей способности системы, облегчает снятие экспе- риментальных кривых. 12
Наоборот, в системах малой емкости, где регулирующим параметром является давление, очень большая скорость измене- ния параметра затрудняет снятие экспериментальных кривых. В этих случаях удобным методом определения чувствительности и степени выравнивания является аналитический, поскольку за- висимость параметра (давления) от возмущения, т. е. разности Рис. 5. Кривые самовыравнивания регулируемого участка для раз- личных коэфициентов самовыравнивания при постоянной чувстви- тельности Е = const >0. ;) Р1 = 0; 2) р,—мало; 6) рз > р>; 4) р1 > PJ 6) о.,— х. притока и расхода, легко может быть определена по закону Бойля-Мариотта. 13. На основании структуры формул (1) и (2) и данной в п. 11 характеристики значений величии Е и р можно установить, что самовыравнивание невозможно при Е—0 или р=0. При .£>0 и Р>0 характеристика процесса самовыравнивания зависит от значений Е и р (согласно сказанному в п. 11). На рис. 4 и 5 представлены кривые самовыравнивания в за- висимости от Е и р с нанесением и частных случаев Е—0 при р>0 и р=0 при £>0. 457 13
между ухлу/хх/х/иу, д Рис. 6. Схема включения в водопроводную линию промежуточного бака для автоматического обеспе- чения постоянного рас- хода воды. /—водопроводная линия с пе- ременным напором и расхо- дом; 2—водослив; j—уровень воды.приблизительно постоян- ный (колебания уровня зави- сят от ширины водослива), / — сток воды с постоянным расходом. IV. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УСТАНОВОК РЕГУЛЯТОРОВ НА ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ СТАНЦИЯХ 14. При достаточной величине чувствительности и высоком коэфициенте самовыравнивания процесс самовыравнивания закан- чивается в короткое время, и состояние равновесия притока и стока восстанавливается при незначительном изменении пара- метра (см. рис. 5, кривые 4 и 5). В этом случае регулируемый участок не требует принудительного регулирования. В газовом деле такой случай может иметь место при распределении газа газовыми машинами, потребляющими газ исключительно в зависимости от силовой нагрузки, и па- ровыми котлами, которые автоматически должны принять весь избыток генерируе- мого газа. Другой случай применения самовырав- нивания, при котором изменения (колеба- ния) параметра столь незначительны, что исключают необходимость установки спе- циального органа для принудительного ре- гулирования (задвижки, клапаны), пред- ставляет собой установка в водопроводе промежуточного бака для автоматического обеспечения постоянного расхода воды, независимо от колебания давления в водо- проводе. Схема установки представлена на рис. 6. Ширина водослива должна быть опре- делена в зависимости от возможной вели- чины возмущения и допускаемого измене- ния параметра (уровня воды в промежуточ- ном баке). 15. В том случае, когда коэфициент самовыравнивания слишком мал и процесс самовыравнивания не может обеспечить до- статочно малых изменений параметра, определяющего режим процесса, необходимо включение аппарата принудительного регу- лирования. 16. Основной регулируемой системой на газостанции является газовый поток от дутьевого вентилятора до места потребления газа (газового клапана у потребителя). Для индивидуальной генераторной установки, обслуживающей одною потребителя, система представляет один основной регу- лируемый участок, возмущающим фактором является изменение расхода газа; per улирующим органом, восстанавливающим рав- новесие между притоком и стоком, т. е. количеством генерируе- мого и расходуемого газа, является задвижка (или заслонка), управляющая расходом воздуха; параметром, дающим импульс и 14
управляющим положением регулирующего органа, может быть давление газа; точку отбора импульса целесообразно установить возможно ближе к потребителю (лучше всего у потребляющего газ аппарата), чтобы избежать вредного влияния побочных воз- мущающих факторов (засорения газопровода, изменения сопро- тивления самого генератора), которые при другом расположении места отбора импульса потребовали бы выделения дополнитель- ных регулируемых участков либо привели бы к неудовлетво- рительному и неустойчивому регулированию. Рис. 7. Схема регулирования индивидуальной газогенераторной установки. 7 газогенератор; 2—дутьевой вентилятор; .7 потребитель газа; 4 место отбора импульса регулятора давления; .5 подвод пара; <5- регулятор температуры дутья. Принципиальная схема регулирования для этого случая пред- ставлена на рис. 7. 17. На центральных газостанциях (при значительной удален- ности места потребления газа от станции, при нескольких по- требителях) регулируемая система делится на два основных участка: 1) От системы потребителей до задвижки в начальной точке напорного газопровода на газостанции. Основной возмущающий фактор — изменение расхода газа (изменение положения задвижек у потребителей); регулирующий орган задвижка в начальной точке напорного газопровода; параметр и место отбора импульса давление в газопроводе между регулирующей задвижкой и по- требителем, в точке, близкой к регулятору. 2) От дутьевого вентилятора до регулируемой задвижки на напорном газопроводе. Выделение 2-го участка часто связано с задачей поддержания на газостанции, у отдельных аппаратов, определенного режима давления и избежания падения давления ниже заданного предела. 15
Возмущающий фактор положение регулируемой задвижки на напорном газопроводе; регулирующий орган задвижка за венти- лятором, управляющая расходом воздуха; параметр и место отбора импульса давление в коллекторе сырого газа. Принципиальная схема регулирования для рассматриваемого слепая представлена на рис. 8. 18. Работа нескольких генераторов делает целесообразной разбивку участка от вентилятора до коллектора сырого газа на ряд параллельных цепей, соответственно числу установленных регуляторов. Преимущества этой системы сводятся к следующему. 1) При одном регуляторе на напорном воздухопроводе за вентилятором побочные возмущающие факторы, например, изме- нения сопротивления слоя топлива в разных генераторах, должны Гн,. _8. Схема регулирования работы центральной газогенераторной станции. .’- газогенераторы; 2 -дутьевой вентилятор; 3— газосос; 7 газ к потребителям; 5—место отбора импульса регулятора давления; 6—место отбора импульса регулятора расхода дутья (производительности); 7 подвод пара; 8-место отбора импульса регулятора тем- пературы дутья. привести к изменению распределения общей нагрузки между генераторами; при индивидуальном же регулировании изменение сопротивления топливного слоя в каком-либо генераторе (или другое побочное возмущающее действие в одной цепи) вызы- вает работу регулятора и поддерживает заданное распределение общей нагрузки станции. 2) Параллельное индивидуальное регулирование отдельных генераторов дает возможность путем подбора характеристик ре- гуляторов (их коэфициентов неравномерности) установить и под- держивать определенное распределение нагрузки станции, с вы- делением генераторов, несущих базисную и воспринимающих пиковую нагрузку. Принципиальная схема с индивидуальным регулированием генераторов представлена на рис. 9. 19. Наличие нескольких регулируемых участков, совместно работающих в одной регулируемой системе, не требует обяза- 16
телъно включения каждого регулирующего органа по простей- шей принятой в пп. 17 и 18 схеме, т. е. с управлением от соот- ветствующей данному участку импульсной точки (см. рис. 8 и 9). Система включения регуляторов должна быть подчинена лишь следующему правилу: число одновременно и совместно действую- щих регулирующих органов и число управляющих ими регули- ровочных величин должны быть равны числу регулировочных задач. Соединения же регулирующих и управляющих ими орга- нов взаимно заменимы. Например, при двух регулировочных задачах (количественное равновесие и режим давления в регулируемой газовой сеть) Рис. 9. Схема индивидуального регулирования на газогенераторной станции. / газогенераторы; 2 дутьевой вентилятор; и газосос; 4 газ к потребителям; 5—регу- лятор давления; 6 регулятор расхода дутья; 7—подвод пара; 6‘ температурный регуля- тор дутья. возможны две системы включения или связи двух регулирующих органов с двумя управляющими (импульсов давления с соот- ветствующими механизмами в обоих участках). Таким образом, наряду со схемой, данной! на рис. 8, возможна и принципиальная схема, представленная на рис. 10. 1 Следует, однако, заметить, что косвенное включение регули- рующих органов (т. е. управление регулирующим органом ка- кого-либо регулируемого участка импульсом, отбираемым от другого участка той же регулируемой системы) усложняет уста- новку и уменьшает устойчивость ее работы; эти методы требуют тщательной проверки устойчивости работы системы. 1 В том случае, если регулятор давления газа в коллекторе сырого газа конструктивно разработан как предельный регулятор, ограничивающие лишь нижний предел давления во избежание засоса воздуха, он может быть охарак теризован как регулятор безопасности. 2—457 17
Вариантом схемы, приведенной на рис. 10, является принци- пиальная схема, представленная на рис. 11, с байпас-регуля тором в качестве регулятора безопасности. Дальнейшие критерии для сравнительной оценки различных систем включения регуляторов будут даны в разделе, посвящеи- Рис. 10. Вариант регулирования работы центральной газогенераторной станции, генераторы; 2—дутьевой вентилятор; 3- газосос; 4—газ к потребителям; 5—место отбора импульса регулятора производительности, 6- место отбора импульса регулятора давления (без- опасности). Рис. 11. Вариант регулирования работы центральной газогенераторной станции. / операторы; 2 дутьевой вентилятор; 3 -газосос; /-газ к потребителям; .5-место отбора импуль а регулятора производительности. 6-место отбора импульса регулятора давления (без- опасности). ном характеристике регулирующей аппаратуры и выбору типов регуляторов. В оз ношении байпас-регуляторов следует дополнительно от- метин» необходимость оценки их сравнительной экономической целесооора шости в связи с повышенной производительностью напорною газового вентилятора (газососа'. 18
V. ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГУЛЯТОРОВ И СХЕМ РЕГУЛИРО- ВАНИЯ НА ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ СТАНЦИЯХ 1. Требования, предъявляемые к регуляторам 20. Потребность в автоматических регуляторах, т. е. аппара- тах принудительного регулирования, возникает в тех случаях, когда слишком малые коэфициент самовыравнивания или чув- ствительность регулируемого участка и значительная величина возмущения приводят к практически недопустимому изменению параметра (и обусловливаемому этим изменением нарушению режима процесса) или к слишком большой продолжительности самого процесса самовыравнивания. Поэтому решение проблемы Рис. 12. Характеристические кривые самовыравнивания и регулирования. установки регулятора должно быть начато с анализа возмущаю- щих факторов, установления величины возможных возмущенна, их продолжительности и частоты и величины коэфициента само- выравнивания и чувствительности регулируемого участка. Как всякий аппарат, авторегулятор не может быть оправдан там, где не несет достаточной нагрузки, и в этом случае не сле- дует усложнять и удорожать им всей установки в целом. 21. На рис. 12 кривая / характеризует изменение параметра (в точке отбора импульса) в процессе самовыравнивания регули- руемого участка в результате некоторого возмущения (см. также главу III, рис. 2, а). Окончательное изменение параметра равно о0 о,. Кривая // характеризует изменение параметра в результате работы авторегулятора; максимальное отклонение параметра в течение процесса регулирования Да; оно постепенно умень- шается, и по окончании процесса, спустя сек., параметр принимает постоянное значение; отклонение от заданного началь- ного значения о(, остается лишь в пределах коэфициента неравно- 2* 19
мерности регулятора. В частном случае, при коэфициенте нерав- номерности равном нулю, конечное з = 0. В зависимости от величины возмущения и частоты возмущаю- щих факторов может возникнуть желательность или даже необ- ходимость уменьшения величины максимального отклонения параметра Да или продолжительности процесса регулирования с получением характеристики регулирования по кривым III или IV. Однако при данной схеме и конструкции регулятора ускоре- ние его действия (увеличение скорости открытия и закрытия регулирующего органа) не приводит к этой цели: процесс регу- лирования по мере ускорения действия характеризуется кривыми V или VI, т.е. колебательными движениями регулятора. Колебания могут быть затухающими, с постоянной и даже возрастающей амплитудой. Устойчивая работа возможна лишь при достаточном коэфициенте затухания. Таким образом, к предъявляемым авторегуляторам требованиям: точности, чувствительности, малого коэфициента неравномерно- сти, широких пределов регулирования необходимо присоеди- нить в качестве основного требование устойчивой работы. К сожалению, изложенные требования не всегда совместимы, и, в частности, нередко достаточная устойчивость может быть обеспечена лишь за счет увеличения коэфициента неравномерности или уменьшения чувствительности регулятора. Задача выбора типа регулятора может быть правильно разре- шена лишь после критической оценки и установления требова- ний, предъявляемых эксплоатацией к работе авторегулирующих систем; она заключается в правильном согласовании этих требо- ваний с характеристикой регулируемой системы и самого регу- лятора. 22. Требования, предъявляемые эксплоатацией газостанции, не должны выходить за пределы действительно необходимого; гак, при определении точности следует считаться с точностью соответствующей измерительной аппаратуры, дающей первичный импульс регулятору (это в особенности относится к регуляторам расхода, поскольку расходомеры не гарантируют точности выше 1 2о/,). При определении пределов, точнее, зоны или области регули- рования, например, давления и расхода газа на газостанции, сле- дует считаться лишь с действительно встречающимися (доста- точно часто) минимальными нагрузками, предусматривая для возможных* исключительно низких нагрузок вмешательство обслу- живающего персонала по указаниям или сигналам измерительной и регулирующей аппаратуры. Чрезмерное же расширение преде- лов регулирования может привести к значительному, ничем не оправдываемому удорожанию и усложнению регулирующей системы. Чувствительность регулятора, точнее, степень его нечувсгви- «ельносги, определяет собой предел (минимальное значение) ко- 20
эфициента его неравномерности, имеющего особое значение для определения устойчивости регулятора; выбор величины коэфи- циента будет рассмотрен особо. Скорость действия (открытия и закрытия) регулирующего органа определяется эксплоатационными условиями: она должна несколько превышать скорость действия возмущающего фактора. 11а действующих газогенераторных станциях, для регуляторов давления и расхода газа скорость возмущения, т. е. нарастания и падения нагрузки, может быть легко определена по графикам нагрузок; для вновь проектируемых станций она может быть определена по скорости открытия или закрытия задвижки у потре- бителя, равной при моторном приводе 0,5 1 мин. Скорость действия регулятора должна быть проверена из условий устойчивости. 23. Устойчивость работы, определяемая коэфициентом затуха- ния кривой регулирования, является основным требованием к авторегулирующей установке; однако и в этом случае чрез- мерные требования могут привести. к неоправдываемым значи- тельным усложнениям и удорожаниям установки. Коэфициент затухания, равный единице, соответствует апериодической кривой регулирования (см. кривую // рис. 12) Коэфициент затухания ® в пределах 1 ^>?>0 соответствует затухающим, а при ?<0 воз- растающим амплитудам колебаний. Для устойчивой работы сле- дует обеспечить коэфициент затухания не ниже 0,5, желательно около 0,75. Наилучшей работой следует безусловно признать апериодическое регулирование; окончательный выбор коэфи- циента зависит от затрат и усложнений, связанных с повыше- нием его больше 0,5. 2. Характеристика регуляторов Принципиально следует различать два метода обеспечения устойчивого регулирования. 24. Первый метод заключается в использовании коэфициента самовыравнивания р регулируемой системы и ее чувствительно- сти Е- о=| ц Д=2-~ обычно обеспечивают коэфициент затуха- ’ г сек пня ?>0,75. В этом случае регулятор получается простейшего типа; он вызывает наименьшие затраты, удобен и надежен в экс- плоатации. Устойчивость регулирования повышается с уменьше- нием скорости действия. Однако в целях недопущения временного значительного изме- нения параметра (Да на рис. 12), скорость действия должна быть принята несколько выше скорости возмущения. Особенно большая чувствительность Е регулируемой системы (например, водопроводной сети, без аккумулирующих объемов, в которой, вследствие несжимаемости воды, Е весьма велико), которая вместе с достаточным коэфициентом самовыравнивания 2Т
обеспечивает хорошую устойчивость регулирования, может обу- словить кратковременно большие изменения параметра (напри- мер, гидравлические удары при весьма быстром открытии органа впуска или закрытии органа выпуска). Борьба с чрезмерным повы- шением параметра должна вестись не повышением скорости действия регулятора, которая ухудшает условия регулирования (увеличение инерционных усилий также сказывается весьма неблагоприятно на процессе регулирования) и сильно удорожает установку, но уменьшением скорости возмущения. Именно поэтому в водопроводных сетях желательно исключение кранов и замена их сравнительно медленно действующими вентилями и задвижками. В газовых сетях особо большая чувствительность может встретиться лишь в виде исключения. Обычно она ниже единицы, Рис. 13. Слева — регулятор с обратной связью (прямого дей- ствия); справа — регулятор без обратной связи (прямого дей- ствия). и в этом случае достаточно устойчивое регулирование возможно лишь при малой скорости действия, которая в то же время не должна быть менее скорости возмущения во избежание неблаго- приятного суммирования действия нескольких последовательно возникающих возмущений. Вопрос об устойчивости регулирования разрешается матема- тическим анализом уравнений движения регулятора; практически могут быть использованы и формулы для коэфициента затухания г, приводимые I . Вюншем, где <$ дается в виде функции коэфи- циента неравномерности, чувствительности и коэфициента само- выравнивания регулируемой системы и скорости действия регу- лятора. Коэфициент самовыравнивания обычно уменьшается с умень- шением нагрузки; поэтому расширение пределов регулирования может привести к весьма неблагоприятным условиям и даже к необходимости перейти ко второму методу, связанному с зна- чительным усложнением и удорожанием установки. 25. В случае, если характеристика регулируемого участка не может обеспечить достаточную устойчивость процесса регулиро-
вания, необходимо прибегнуть к второму методу, заключающе- муся в \становлении так называемой обратной связи между по- ложением регулирующего органа (определяющим расход рабочего агента) и положением управляющего органа, получающего им- пульс 01 измерителя параметра. Тем самым устанавливается связь Рис. 14. Слева — регулятор с обратной связью, рычажной (с сервомотором) справа — регулятор без обратной связи (С сервомотором). между расходом регулируемого агента и величиной параметра, т. е. устанавливается некоторая степень неравномерности, неза- висимая от степени чувствительности регулятора и с ней сумми- рующаяся. Рис. 15. Регулятор с гидравлп- Рис. 16. Кривая характеристики обратной связи, ческой обратной связью. п—дли регуляторов притока; б—для регуляторов стока 1 (см. также рис. 1). Таким образом, регуляторы с обратной связью, пли статиче- ские, характеризуются большей степенью неравномерности, чем рассмотренные в п. 24 (астатические), и это является их значи- тельным недостатком. Схемы регуляторов с обратной связью приведены на рис. 13, 14 и 15. Параллельно показаны построенные по схемам рис. 13 и 14 регуляторы без обратной связи (астатического типа). 23
Принципиальной особенностью рассматриваемого метода яв- ляется использование аккумулирующей способности регулируемой системы, возрастающее с увеличением коэфициента неравномер- ности. Вторая особенность, отличающая регуляторы с обратной связью, заключается в увеличении устойчивости регулирования (коэфициента ? затухания колебаний) с возрастанием скорости действия. Таким образом, в регуляторах с обратной, связью достаточная устойчивость обеспечивается лишь за счет увеличения коэфи- циента неравномерности, усложнения схемы и соответствующего удорожания оборудования, обусловленного, в частности, и повы- шением скорости действия, увеличивающим необходимую мощ- ность для привода регулятора. Выбор его характеристики, т. е. коэфициента неравномерности и скорости действия, определяется и в этом случае уравнением движения регулятора из условия обеспечения коэфициента зату- хания v 0,5. Для этого ? определяется как .функция характе- ристики регулируемой системы и самого регулятора. Характери- стика обратной связи дается в виде кривой (см. рис. 16), опре- деляющей изменение параметра в зависимости от положения регулирующего органа (определяющего расход регулируемого рабочего агента). Разность предельных значений параметра, соответствующих заданной области регулирования, в пределах Qniax Qmin, опреде- ляет коэфициент неравномерности (обусловленный обратной связью): у__'s шах = п1 i п % max 26. На рис. 16 приведены две кривые обратной связи, опре- деляемые направлением движения рабочего агента в регулируе- мом участке; при движении среды от регулирующего органа к точке отбора импульса, в так называемых регуляторах притока (см. рис. 1) кривая понижается с увеличением открытия регули- рующего органа (увеличением расхода); при движении среды в направлении от точки отбора импульса к регулятору (в регу- ляторах стока) кривая имеет обратный характер. В частном случае возможно Qmin = 0, т. е. увеличение зоны регулирования от pmin=0 (т. е. полного закрытия задвижки или другого дроссельного органа) до |Атах=1 (полного открытия дрос- сельного органа), соответствующих Qmin = 0 и Qmax 1. 27. I азопроводные сети в большинстве случаев обладают достаточной чувствительностью и допускают регулирование с использованием процесса самовыравнивания системы, т. е. по схеме, изложенной в п. 24. Сами же газогенераторы, особенно при оборудовании их газоочистной аппаратурой значительной емкости, наоборот, обла- дают значительной аккумулирующей способностью и часто гре- 24
буют установки регуляторов с обратной связью. Повышение производительности повышает относительную чувствительность и облегчает условия регулирования. 28. Для скорости газа в газопроводе w, измеряемой перепадом давления в дросселирующем органе А, действительно уравнение откуда dh—j^wctw или dh—K'wd'w, т. е. при изменении скорости (расхода) газа изменение перепада давления пропорционально начальной скорости; поэтому повыше- ние начальной (расчетной) скорости повышает чувствительность регулирования; малые же расчетные скорости затрудняют его, увеличивая притом продолжительность действия (открытия и закрытия регулирующего дроссель-органа). Для магистральных газопроводов сопротивление регулирующего дроссель-органа на газостанции и обусловливающая его скорость в газопроводе и диаметр последнего должны быть определены по характеристике газососа из условия достаточного плавного регулирования (приблизительно пропорциональной зависимости расхода от геометрической степени открытия) по крайней мере для средних и максимальных нагрузок. В случае, если исчисленная этим методом скорость не может быть принята для всей магистрали из-за чрезмерного падения давления, следует включить малый участок расчетного диаметра для регулирующего органа с переходным патрубком. Последний может быть выполнен в виде диффузора, с целью преобразования при полностью открытом дросселе больше)) части скоростного напора (—75°/о) в давление. Таким образом, потеря давления, обусловленная выбором надлежащей скорости в дроссельном органе, может быть доведена до достаточно малой величины. Для подводящих газопроводов, непосредственно питающих потребителей, желательная скорость и диаметр определяются аналогичным способом по кривой давления перед регулирующим дросселем, определяемой в зависимости от расхода по величине неравномерности в начале магистрали (за регулятором давления на газостанции) и падению давления в функции от расхода. По данным Г. Вюнша хорошие результаты получаются при перепаде давления в регулирующем дросселе, равном (при полном его открытии) 0,25 от постоянного заданного давления у потреби- теля. 29. В случае, если расчет регулятора с обратной связью приводит к коэфициенту неравномерности, недопустимому по эксплоатационным условиям, задача разрешается применением упругой обратной связи. 25
Схема отличается от рассмотренной в п. 25 жесткой обратной связи включением упругого звена между регулирующим и упра- вляющим органами. Схема таких регуляторов представлена на рис. 17 и 18. На рис. 17 шток сервомотора, соединяющий его поршень с рычагом управляющего органа (точкой С), разорван (см. рис. 14), и в него включен наполненный маслом цилиндрик (демпфер), разделенный поршнем на 2 полости, соединенные обходной линией, снабженной дросселем. На точку С рычага воздействует пружина Fv стремящаяся привести ее в постоянное положение. Процесс регулирования осуществляется здесь принципиально так- же, как и при жесткой обратной связи; но по окончании процесса Рис. 17. Регулятор с упругой обратной связью (рычажной). 7—упругая связь. Рис. 18. Регулятор с уп- ругой обратной связью (гидравлической). регулирования, когда соединительный рычаг примет положение Л1ВС]( действием пружины Fi масло в цилиндрике-демпфере через дроссель перейдет из нижней полости в верхнюю, рычаг повернется около точки В и займет первоначальное положение АВС\ при этом и натяжение пружины F, уравновешивающее дей- ствие параметра (в рассматриваемой схеме давления), примет первоначальное значение; таким образом, установившееся состоя- ние характеризуется постоянным значением натяжения пружины F и регулируемого параметра. Коэфициент неравномерности, определяемый упругой обратной связью, имеет место лишь в процессе регулирования, характери- стику которого он определяет, в противоположность жесткой обратной связи, определяющей коэфициент неравномерности для установившегося состояния в зависимости от положения регули- рующего органа и определяемого им расхода (см. рис. 16). 30. Изменение натяжения пружины F (см. рис. 13, 14, 15 и 17) измеряет величину изменения параметра; поэтому жесткость
пружины определяет путь, проходимый отдельными точками рычажной системы регулятора (управляющего органа), величину открытия сервомотора и скорость действия регулирующего органа для данного изменения параметра. Таким образом, устанавли- вается скорость действия, пропорциональная отклонению пара- метра от заданного его значения (а5), благоприятно действующая на устойчивость процесса регулирования. Введением простого приспособления для изменения жесткости пружины можно достичь изменения скорости действия регулятора в известных пределах. Аналогично—изменением жесткости пружины F{ и сопротивле- ния дросселя демпфера можно регулировать продолжительность действия упругой связи. 31. Электрические регуляторы обычно характеризуются постоян- ной скоростью действия.1 Для улучшения условий устойчивости, во избежание пере- регулировки и связанных с ней недопустимых колебаний системы в электрических регуляторах, часто прибегают к прерывистому действию (регуляторы прерывного действия). Иногда к этому методу, как к средству обеспечения достаточ- ной устойчивости в регуляторах без обратной связи, прибегают и в регуляторах гидравлических систем. 32. До сих пор нами рассматривалась передача отклонения параметра от заданного значения, т. е. передача управляющему органу регулятора первичного регулировочного импульса, без опаздывания и без изменения его величины. В действитель- ности более или менее длинные подводящие трубопроводы сравнительно малых сечений вызывают некоторое дросселирование, искажающее величину импульса (это искажение не всегда озна- чает уменьшение величины импульса). Опаздывание бывает особо значительным при отборе проб для газового анализа, который должен дать регулирующий импульс. Запаздывание и дросселирование импульса действуют неблаго- приятно на процесс регулирования и уменьшают его устойчивость. При проектировании регуляторов эти факторы оцениваются, в зависимости от местных условий, увеличением расчетного зна- чения коэфициента затуханий колебаний регулятора. При регулировании по данным газоанализатора прибегают и к прерывистой подаче импульса. 33. Все рассмотренные нами характеристики регулируемых систем и регуляторов и функциональные зависимости и законы, определяющие работу последних, действительны совершенно независимо от системы и конструкции применяемых регуляторов. Достоинства и преимущества какого-либо регулятора определяются правильным выборов типа и характеристики (выбор регулятора 1 Установление переменной скорости действия, пропорциональной отклонении' параметра, связано для электрических регуляторов с значительным усложнением схемы п конструкции.
Рис. 19. Схема электрического регулятора на- полнения газгольдера. с обратной связью или без нее, выбор коэфициента неравномер- ности, скорости действия, расчет необходимой мощности и коэфи- циента затухания). Кроме того, большое значение имеет простота устройства и тщательность выполнения; инерционные усилия и мертвые хода в шарнирных сочленениях рычажных систем действуют анало- гично запаздыванию импульса и уменьшают устойчивость регу- лирования. 34. В качестве иллюстрации приводим опыт установки регу- лятора наполнения колокольного газгольдера.1 Установка регулятора имела целью поддержа- ние в газгольдере с ма- ксимальной емкостью в 50 000 мй постоянного ко- личества газа 47 000 при превышении его избы- ток газа должен быть отведен по особому тру- бопроводу путем откры- тия регулятором специ- альной дроссельной за- слонки. Схема установ- ленного регулятора пред- ставлена на рис. 19. Колокол газгольдера был снабжен поводком т, который при достиже- нии колоколом положе- ния 2', увлекал штифт 5 троса, передававшего посредством блока движение колокола кон- тактному рычагу А, имевшему неподвижную точку опоры I. Среднему положению рычага соответствовало положение коло- кола, изображенное на рис. 19 сплошными линиями и соответ- ствующее емкости в 47 0U0 л/3. При достижении колоколом положения Г контактный конец рычага h приходил в соприкосновение с контактом 7; при этом замыкалась цепь вспомогательного реле и запускался мотор М, открывавший посредством троса регулирующий дроссель г. Соответственно, при наинизшем положении колокола 2' рычаг А замыкал через контакт 2 цепь второго реле, приводившего мотор во вращение в обратную сторону. Работа регулятора оказалась совершенно неудовлетворитель- ной; регулятор работал с постоянными колебаниями (см. рис. 20), которые недопустимы как с точки зрения работы механизма *G. Neumann, Erfahrungen an Reglcr. Archiv f. d. Eisenhiittenwesen. 7. 28
рассматриваемая о I <1000 1‘ ---- Время г Рис. 20. Характеристик;) работы peiy- лятора наполнения газгольдера (элек- трический регулятор без обратной связи). «—открытие задвижки, у.; о—параметр с, по- ложение колокола. самою регулятора, так и с точки зрения эксплоа гацни газовой сети, давление которой подвергалось резким колебаниям, нару- шавшим нормальны!! режим работы потреби гелей газа. Причина неудовлетворительной работы заключалась в непра- вильном выборе характеристики регулятора; регулируемая система имеет ко- эфициент самовыравнивания, рав- ный нулю, так как изменение параметра (положение колокола) практически не влияет на вели- чину соотношения притока и сто- ка газа; поэтому затухание коле- баний возможно лишь при усло- вии оборудования регулятора об- ратной связью, не предусмотрен- ной первоначальной его схемой. Включение обратной связи в данном примере легко разре- шается установлением положе- ния опоры и точки вращения I рычага /г в зависимости от положения регулирующей заслонки (вместо первоначальной неподвижной точки У) посредством вод- на рис. 19), приводимому движением регулирующей вески опоры к тросу (см. пунктир в движение тросом, управляющим Рис. 21. Характеристик:! работы элек- трического регулятора наполнения газгольдер;) после включения обрат- ной связи. Рис. 22. Характеристика обратной связи регулятора (по рис. 14) на- полнения газгольдера. ч. открытие регулирующего дросге.ш it—кривая регулируемых .шачеинй пило женин колокола з. заслонки г. Характеристика работы регулятора после включения обратной связи представлена на рис. 21. Характеристик;! обратной связи представлена на рис. Кри- вая а определяет коэфициент неравномерности, i. е. отклонение положения колокола (а с ним и изменение рабочей емкости газюль- дера) в зависимости от положения заслонки р при установив- шемся состоянии, г. е. при условии равновесия регулятора. 2»
Рис. 23. Схема регулятора напол- иени» газгольдера прямого дей- ствия. газгольдера электрического вомотора, в общем случае Любому положению заслонки Pi соответствуез положение колокола at, при котором регулятор находится в равновесии; при этом положение заслонки определяет расход газа, равный раз- ности между производством и потреблением его в данный момент. В случае изменения этой разности и определяемого им положе- ния колокола регулятор получает импульс к открытию или закрытию дросселя, и процесс регулирования заканчивается установлением новых значений и и а, соответствующих повои измененной разности. Регулируемый параметр <з полу- чает переменное значение с коэфи- циентом неравномерности, макси- мальное значение которого равно 5OqO47OoF°--100-630/<.. Обратная связь ценой некото- рой неравномерности обеспечивает устойчивую работу регулятора. При отсутствии обратной связи даже при равенстве производства и по- требления газа регулятор принуж- ден был совершать постоянные ко- лебания: от полного открытия до полного закрытия. Следует особо подчеркнуть, что применение для рассматриваемой схемы регулирования наполнения егулятора, т. е. электрического сер- е может быть оправдано. Сервомо- торы следует применять лишь в том случае, если энергия, раз- виваемая при изменении параметра, недостаточна для привода регулятора; в данном случае мощность, которую может передать колокол при увеличении или уменьшении его наполнения, не- сравненно более велика, чем мощность, необходимая для привода регулирующей заслонки. Поэтому в данном случае регулирование прямого действия проще, надежнее и гораздо экономичнее. Схема регулятора прямого действия представлена на рис. ‘23. Колокол газгольдера непосредственно управляет положением регулирующей задвижки, и определенному положению первого (и, следовательно, наполнению газгольдера) принудительно соот- ветствует определенное положение задвижки, согласно характе- ристике обратной связи (см. рис. 22). Скорость действия регуля- тора (т. е. закрытия и открытия задвижки) зависит от скорости изменения параметра, и при мгновенном возмущении скорость бес- конечно велика. Опаздывание импульса практически равно нулю. Согласно характеристике регуляторов с обратной связью <см. п. 25), большей скорости действия соответствует ббльшая
отклонению параметра (положения коло- соответствующего» данному положению Рис. 24. Схема гидравлическою регулятора напол- нения газгольдера. Положение троса соответствует: /—верхнему положению колокола; (J— среднему положению колокола; 2—нижнему по- ложению колокола. степень устойчивости, и регулятор по рассматриваемой схеме работает апериодически; при этом большая устойчивость работы позволяет ограничиться малым коэфициентом неравномерности и ,ем повысить степень использования емкости газгольдера Дости- жение столь же совершенного регулирования для регуляторов не- прямого действия (с гидравлическими или электрическими серво- моторами) возможно лишь при соблюдении следующих условий: 1) скорость действия регулятора должна быть пропорцно- НЗЛЬНЗ ИМПуЛЬСу, Т. С. -------- / — кола) от значения его, < регулирующей задвиж- ки, согласно характе- ристике обратной свя- зи; 6 2) не должно быть ? запаздывания импуль- са, что означает отсут- ствие мертвого хода в шарнирных сочлене- ниях, а для электриче- ского регулятора — и бесконечно малое рас- стояние между кон- тактами. Рассмотренная вы- ше схема электриче- ского регулятора ха- рактеризуется постоян- ной скоростью дей- ствия, т. е. первое усло- вие не выполнено (вве- дение же переменной скорости весьма ослож- нило бы установку). Второе условие также не может быть вы- полнено в той мере, в какой оно выполняется регулятором пря- мого действия. Поэтому для рассматриваемого случая регулирования регу- ляторы прямого действия, помимо преимуществ экономических, большей простоты, надежности и удобства эксггЛоатации, обла- дают еще и преимуществом более совершенного регулирования, с большей устойчивостью и чувствительностью и меньшим ко- эфициентом неравномерности. Применение электрического регулятора можег быть оправ- дано лишь в том случае, если дальность расстояния газголь- дера от газоотводной трубы слишком затрудняет или даже исклю- чает применение регулятора прямого действия. На рис. 24 дана схема гидравлического регулятора наполне- ния газгольдера. также не можег быть 31
Изменение параметра, т. е. положения колокола газгольдера, посредством троса и рычага А, вращающегося около неподвиж- ной точки опоры, передается игольчатому клапану vst, регули- рующему приток воды, поступающей под постоянным давлением, к сервомотору z. При установившемся состоянии регулятора поршень сервомотора неподвижен, и вода, притекающая через клапан vst, стекает через клапан vn. Поршень сервомотора нахо- дится под воздействием пружины /; поэтому любому определен- ному положению заслонки г, регулирующей выпуск газа, и кине- матически связанного с ней поршня сервомотора соответствует определенное давление воды над поршнем (уравновешивающее натяжение пружины /), определяемое в свою очередь положе- нием вентиля vst, рычага h и самого колокола газгольдера. Край- ним положениям заслонки (полному открытию 1 и полному за- крытию 2) соответствуют предельные положения колокола, рыча- га й (/ и 2) и вентиля vs) и максимальное и минимальное да- вление воды и натяжение пружины в сервомоторе z. Графически выраженная связь между положением колокола (параметром s) и соответствующим при равновесии регулятора положением заслонки г (выраженным в долях пропускаемого количества газа) определяет характеристику обратной связи. Поскольку открытие заслонки г и количество протекающей воды определяется движением колокола, скорость действия регу- лятора зависит от изменения параметра, т. е. от первичного ре- гулировочного импульса, и увеличивается с его возрастанием. Относительная скорость действия (т. е. скорость закрытия или открытия регулирующего дросселя г, деленная на соответствую- щее отклонение параметра от значения его по характеристике обратной связи) может быть сделана достаточно большой посред- ством увеличения размеров вентилей и va. 1 В этой характеристике скорости действия, обеспечивающей большую устойчивость, т. е. больший коэфициент затухания колебаний, заключается основное преимущество гидравлического регулятора перед рассмотренным выше электрическим, в кото- ром скорость действия постоянна. Кроме того, гидравлические регуляторы обладают достаточно высокой чувствительностью и малыми инерционными массами. 3. Регулировочные схемы на газогенераторных станциях 35. Схема конструкции гидравлического регулятора давления по типу Аскания, изготовляемому в СССР, представлена рис. 25. Регулятор является регулятором притока н предназначается для ’ Скорость закрытия дросселя г и процессе регулирования зависит от со- отношения количеств воды, поступающей через вентиль и посту плющей в сервомотор или вытекающей из пего. При бесконечно большом количестве притекающей воды это соотношение, а вместе с ней и относительная скоростт действия раины бесконечности. 32
Рис. 25. Схема гидравлического регуля- тора давления типа Аскания (производ- ство завода КИП в Харькове). поддержания притока рабочего агента (воздуха или газа) равным расходу (нагрузке) при всех изменениях последнего. Регулирую- щий орган, заслонка В, приводится в движение сервомотором/И, в котором рабочим агентом является обычно легкое масло (в других конструкциях применяется и вода, и воздух). Роль золот- ника, управляющею впуском масла, подаваемого насосным агре- гатом L в цилиндр сервомотора (в ту или другую сторону его), исполняет струйная трубка Н, обладающая очень малой массой и вращающаяся с незначительным трением. На трубку с правой стороны воздействует натяжение мембраны, находящейся под действием избыточного - сверхатмосферного давления или раз- режения в месте отбора им- пульса в точке А газопровода. С левой стороны на трубку воздействует натяжение пру- жины /, уравновешивающее действие мембраны F. В уста- новившемся состоянии трубка находится в среднем положе- нии, устье ее находится между приемными соплами трубок, ведущих в обе полости серво- мотора), и натяжение пружины 1 однозначно определяет да- вление в газопроводе А, т. е. коэфициент неравномерности регулятора равен нулю. Прак- тически он определяется сте- пенью нечувствительности весьма малой — регулятора и характеристикой мембраны. 11осредством установочного винта К возможно изменение натяжения пружины, а с ним и величины регулируемого да- вления. Характеристика пружины 7, ее жесткость (величина сжатия в функции от натяжения) определяет (при Данной характеристике мембраны) величину отклонения струйной трубки от среднего положения, а с ним и количество пода- ваемого в цилиндр сервомотора масла, и скорость действия регулятора в зависимости от величины изменения параметра (давления), разумеется, в пределах мощности насоса. Таким обра- зом, при настройке регулятора следует подбором пружины со- ответствующей жесткости обеспечить оптимальную скорость действия регулятора, максимум которой ограничивается возни- кающими колебаниями (минимальным коэфициентом затухания), а минимум величиной скорости и частотой возму щений, т. е. изменений нагрузки. 33
Рис. 2fi. Схема гидравлического регулятора соотношения. а—рабочий агент (легкое масло или вода под давлением); к—сервомотор. В случае необходимости (согласно изложенному в и. 25) ре- гулятор может быть оборудован и обратной связью. Па рис. 25 пунктиром показана схема рычажной обратной связи. В этом случае, при установившемся состоянии регулятора, т. е. среднем положении струйной трубки, каждому положению регулирую- щего органа (заслонки В) и поршня сервомотора М соответ- ствуют определенная степень сжатия пружины 1 и уравновеши- вающее ее давление в газопроводе А. Характеристика обратной связи и вызываемая ею степень неравномерности определяются характеристикой пружины /. Однако при установлении обрат- ной связи необходимо увеличение скорости действия, т. е. производи- тельности насосного агрегата; в за- висимости от увеличения мощности может потребоваться и замена всего регулятора. Другой часто применяемый ме- тод введения обратной связи заклю- чается в замене пружины / мем- браной, находящейся под действием параметра, величина которого опре- деляется положением регулирую- щего органа. 36. В противоположность регу- лятору давления регулятор расхода предназначается для поддержания постоянного расхода, т. е. нагрузки данного аппарата (генератора или потребителя газа) независимо от изменений нагрузки и связанных с ними изменений давлений в сети. В этом случае импульсом регу- лятора является дифференциальное давление, вызываемое дроссе- лем, измерителем расхода, и обе полости капсюли, справа и слева от мембраны F, подобно трубкам дифференциального манометра соединяются с u сторонами измерительного дросселя (шай- ба, измерительное сопло). 37. Частным случаем регулятора расхода является регулятор соотношения, представленный на рис. 26. Регулятор снабжен вспомогательным рычагом для установления соотношения в широ- ких пределах. Регулятор применяется, например, при смешении высоко- и низкокалорийного газа в определенном соотношении. 38. В сложных регулируемых системах в настоящее время получает большое, все возрастающее значение регулирование при помощи командо-аппарата. Частный случай такого регулиро- вания, применяемый, например, для распределения нагрузки (дутья) между рядом параллельно работающих генераторов или 34
для распределения потока газа между параллельно работающими аппаратами по его очистке или переработке, представлен на рис. 27. Аппарат О (командо-аппарат) представляет собой преобразо- ватель основного, т. е. первичного, импульса (давления или рас- хода газа в магистральном коллекторе), работающий по прин- ципу регулятора с обратной связью; он, однако, не управляет непосредственно регулирующими органами у отдельных агрега- тов, а дает соответствующие импульсы установленным у тих индивидуальным регуляторам I, 2 и 3. Рис. 27. Схема параллельного регулирования ряда аппа ратов помощью командо-аппарата. В этих регуляторах передача давления мембраны струйной трубке осуществляется через посредство вспомогательного рычага, установлением различных передаточных чисел последнего воз- можно установить и любое распределение суммарной нагрузки между отдельными аппаратами, с выделением аппаратов, несу- щих постоянную, базисную нагрузку, воспринимающих пиковые нагрузки или находящихся в горячем резерве. Обратная связь У индивидуальных регуляторов осуществлена непосредственно от измерителя регулируемого расхода рабочей среды (она могла бы быть осуществлена и кинематически от положения регули- рующего органа, определяющего расход рабочей среды, см. рис. 25). 39. В некоторых случаях передача командо-импульса от одной точки может оказаться невозможной (например, при распределе- нии газа от сборного коллектора по нескольким магистралям). В этом случае командо-имиульс должен измерять сумму расхо- дов но всем магистралям; так как дифференциальное давление У дросселя, измеряющего расход жидкости пли газа, находится 3* 35
в квадратичной зависимое i n от самого расхода, непосредственное суммирование перепадов давления отдельных дифференциальных манометров недопустимо; необходимо у каждой магистрали уста- новить преобразователь импульса, принципиально не отличаю- щийся от приведенного на рис. 27 аппарата О. Такой преобразователь импульса, в соединении с кольцевыми весами для измерения расхода газа, приведен на рис. 28. Установившееся положение струйной трубки соответствует рав- новесию между перепадом давления дифференциального манометра, измеряющего расход газа в магистрали, и действующим на мем- брану перепадом давления у дросселя, измеряющего расход воз- духа в вспомогательной труб- 6 \ ке. Все вспомогательные по- токи воздуха, измеряющие та- ким образом основные газовые потоки, суммируются и пере- даются командо-аппарату, вы- полняемому как регулятор рас- хода, получающий командо- импульс от суммарного рас- хода воздуха, измеряющего и суммарный расход газа. 40. Проблема комплексного регулирования сложных энер- гетических систем заклю- Ряе. 28. Преобразователь импульса. чается: о—кольцевые веси; 6—сжатый воздух. 1) В аВТОМаТИЧеСКОМ ОббС- печении покрытия любых ко- лебаний внешней нагрузки (в заданных пределах) путем доста- точно быстрого установления необходимого соответствия между внешней нагрузкой и расходом рабочих агентов (воздуха, топлива, воды и др.), 2) в автоматическом обеспечении заданных режимов, гаран- тирующих безопасность, надежность и экономичность эксплоата- ции установок, генерирующих и потребляющих энергию, и 3) в автоматическом изменении параметров, обеспечивающем наивысший коэфициент полезного действия, в зависимости от функциональных связей, определяющих условия наивысшего к.п.д. для различных нагрузок; таким образом, внешняя нагрузка (точнее, ее изменения) дает командо-импульс, управляющий всеми регуляторами системы. На газогенераторных станциях при современном состоянии 1ехники их эксплоатации указанные задачи получают следующие решения. I) Обеспечение компенсации колебаний внешней нагрузки осу- ществляется регуляторами давления, управляющими расходом воздуха. Автоматически регулирование расхода топлива возможно лишь При условии механизации его подачи; в этом случае воз- 36
можно непосредственное управление расходом топлива в зависи- мости от нагрузки. Этот регулируемый участок имеет коэфициент самовыравнивания, равный нулю, и требует установления обрат- ной связи. Возможна и установка регулятора соотношения с управлением от расхода воздуха и установкой преобразователя импульса расхода топлива в импульс давления (расхода). Таким преобразователем импульса может быть центробежный аппарат (насос или вентилятор), вращающийся синхронно с приводом механизма подачи топлива; напор,создаваемый вентилятором или насосом, и представляет собой преобразованный импульс. 2) Задачи, указанные в и. 2, разрешаются в первую очередь установкой регулятора безопасности и регулятора температуры дутья, управляющего расходом пара; в зависимости от местных условий может быть желательной или необходимой установка и других регуляторов: регуляторов соотношения при смешении газа высокой и низкой калорийности, регулятора для распреде- ления нагрузки между параллельно работающими агрегатами, регулятора температуры газа после первой фазы очистки, управ- ляющего расходом воды на охлаждение. Вопрос об экономиче- ской целесообразности регулирования температуры газа по от- дельным стадиям очистки следует считать открытым; в каждом конкретном случае следует проверить возможные выгоды от уменьшения расхода воды и электроэнергии на ее перекачку и сравнить их с дополнительными потерями'и расходами поэксплоа- тации специального оборудования. Поскольку возмущающие факторы, определяемые изменениями давления в водопроводной сети и температур газа и наружного воздуха, обычно не подвер- гаются резким или частым значительным колебаниям, следует полагать, что в этой области применение авторегуляторов вряд ли может оказаться целесообразным. 3) Задачи, указанные в п. 3, разрешают путем подрегулировки указанных выше регуляторов; так, в том случае, если при зна- чительных колебаниях нагрузки газогенератора желательно установить функциональную связь между температурой дутья и производительностью, регулятор дутья должен получить до- полнительный импульс от расхода воздуха. Схема такого метода регулирования показана на рис. 29. На схеме показан электрический термометр с преобразовате- лем импульса; может быть применен жидкостный или газовый термометр с преобразованием температурного импульса в импульс давления в самом измерителе. Могут быть применены и стерж- невые термометры с рычажной передачей или с преобразовате- лем импульса. Регулятор имеет обратную связь, гак как коэфициент само- выравнивания равен нулю. Между мембраной обратной связи, натяжение которой (мембраны) действует на струйную трубку и устанавливает определяемое регулирующим импульсом натяже-. пне мембраны регулятора, и самой струйной трубкой включен
передаточный рычаг, положение которого определяет соотноше- ние натяжении обеих мембран и температуры дутья (при равно- весии регулятора). Этот рычаг управляется вторичным регуля- тором, получающим импульс от расхода воздуха (пли давле- ния, если регулятор давления воздуха имеет обратную связь и достаточный коэфициент неравномерности). Такая подрегу- лировка регулятора температуры дутья обеспечивает необходи- мую функциональную связь между расходом и температурой дутья. • Аналогичным образом регулятор соотношения при смешении высоко- и низкокалорийного газа должен быть снабжен подрегу- лировкой, которая может быть ручной или автоматической, управляемой измерителем калорийности смешанного газа по- мощью особого (вторичного) регулятора. Так как калориметры работают с значительным опаздыванием импульса, последний регулятор для обеспечения устойчивости работы снабжается прерывателем, периодически включающим действия импульса. 41. На рпс. 29. представлена и общая схема оснащения газо- генераторной станции авторегулировочной аппаратурой, согласно изложенным методам. При нарушении режима работы газогене- раторной станции, например, вследствие изменения нагрузки, т. е. расхода газа потребителями, вступает в действие регулятор давления 14 на напорной магистрали станции, устанавливающий новое положение задвижки (или заслонки) 13, соответствующее измененному расходу газа; при этом изменяется гидравлический режим работы всей газогенераторной станции, что вызывает работу регулятора /5 расхода воздушного дутья; установление расхода воздуха (путем изменения положения задвижки 6), соот- ветствующего измененной нагрузке станции, нарушает темпера- турный режим дутья, в результате чего вступают в действие температурный регулятор 17 и регулятор 19, устанавливающий температуру дутья в функции от нагрузки. Все эти регуляторы работают взаимно-последовательно, так как действие каждого из них является возмущающим фактором в общей системе работы газостанции; таким образом, действие, например, регулятора давления 14 не ограничивается однократным установлением поло- жения заслонки по полученному им первичному импульсу при однократном (внезапном) изменении нагрузки; он получает второй импульс в результате действия регулятора дутья 15, снова изме- нившего гидравлический режим, следовательно, и давление перед и за задвижкой 13. Поэтому и при однократном действии первичного возмущаю- щего фактора (в рассматриваемом случае изменения нагрузки) вся pei улирующая система приходит в установившееся состояние лишь после нескольких или ряда колебаний, вызываемых взаимо- действием всех участвующих в регулировании системы регуля- торов, и лишь после того, как все регулируемые параметры примут значения, соответствующие новому режиму работы стан-

ции. Описанная система работы авторегулировочной аппаратуры характеризуется следующими двумя недостатками: 1) повышенная длительность работы, связанная с много- кратными колебаниями регулирующих систем, приводит к повы- шенному износу аппаратуры, как самих регуляторов, так и приводимых ими в действие задвижек и других органов; 2) при частых изменениях нагрузок (или появлении других возмущающих факторов) может возникнуть опасность наложения друг на друга регулировочных процессов и связанных с ними колебаний, вызываемых последовательно наступающими первич- ными импульсами. Чем больше регуляторов участвует в регули- ровании данной системы и чем чаще появления возмущающих ее режим воздействий, тем больше опасность наложения, сумми- рования колебаний, неблагоприятно действующего на устойчи- вость регулирования системы. Проблема совместного действия в одной системе нескольких регуляторов нашла свое разрешение в применении так называе- мого автономного регулирования, сущность которого сводится к установлению параллельной работы всех участвующих в регу- лировании данной энергетической системы регуляторов, которые должны быть, разумеется, кинематически связаны. Трудности этой проблемы заключаются в математическом анализе кинематики отдельных регуляторов и установлении кинематических связей, необходимых для обеспечения правильной совместной работы всех регуляторов. Автономное регулирование обеспечивает при- ведение системы в установившееся состояние после однократного воздействия на каждый регулирующий орган (для каждого дей- ствия возмущающего фактора) и приводит к более спокойному и устойчивому регулированию. Оно нашло широкое применение в строительстве регулировочных систем для паровых турбин, снабженных одним или несколькими регулируемыми отборами пара. Осуществление этой системы регулирования для газогенера- торных станций затрудняется отсутствием комплексного проекти- рования всего оборудования газостанции. Кроме того, кинемати- ческая связь между всеми регуляторами требует особой компакт- ности, органической связанности оборудования, далеко еще не достигнутых техникой строительства газостанции в настоящее время. Поскольку проектирование авторегуляторов для газостанций должно считаться с возможностью установки в настоящий момент лишь индивидуальных регуляторов (согласно изложенным мето- дам, иллюстрированным приведенными схемами), следует уделять особое внимание условиям, обеспечивающим достаточную устой- чивость работы сложных регулировочных систем.

Illlllllllillllllllllllll —02 OM.r.Vl/иэая