Оптимизация параметров систем теплоснабжения на основе регуляторов прямого действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Балдаев, Владимир Александрович

• Балдаев, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Балдаев, Владимир Александрович

Введение

Глава 1. Использование регуляторов прямого действия в системах теплоснабжения. 6 1-1. Анализ проблем в тепловом хозяйстве Республики

Бурятия 6 1-2. Принцип действия регуляторов давления и перепада давления прямого действия.

1-3. Допустимые изменения регулируемых параметров. 28 Выводы по главе

Глава 2. Взаимодействие потока с плунжерами различных форм в регуляторах прямого действия

2-1. Обтекание тела потоком жидкости. 3 5 2-2. Обтекание тел вращения потенциальным потоком несжимаемой жидкостью. 41 2-3. Определяющие факторы на основе теории подобия. 44 2-4. Описание экспериментальной установки.

2-5 .Проведение эксперимента и обработка результатов. 53 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование переходных процессов в регуляторах прямого действия.

3-1. Описание экспериментальной установки. 65 3-2.Демпфирование в регуляторах прямого действия. 73 3-3.Влияние воздуха в регуляторе на качество регулирования.

3-4 Надежность систем автоматического регулирования тепловой сети и абонентских вводов.

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Теоретическое исследование процесса регулирования.

4-1. Уравнение движения регулятора. 102 4-2. Вынужденные колебания в регуляторах.

4-3. Системы автоматического регулирования прямого действия.

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация параметров систем теплоснабжения на основе регуляторов прямого действия»

Актуальность темы. К настоящему времени в тепловом хозяйстве Бурятии сложилась ситуация, характерная и для других территорий страны. Несмотря на то, что номинально дефицит тепловой мощности источников в большинстве действующих систем отсутствует, в тепловом хозяйстве Республики Бурятия существуют серьёзные проблемы, имеющие место как в крупных системах теплофикации и централизованного теплоснабжения, так и в сфере теплоснабжения от мелких котельных.

Основные проблемы в системах теплоснабжения:

Гидравлическая разрегулированность систем, отклонения от расчётных параметров теплоносителя, что приводит к завышенным расходам (в 1,5-2 раза) сетевой подпиточной воды и неудовлетворительному распределению теплоносителя по потребителям. Это сопровождается дальнейшей разрегулировкой системы и увеличивает сливы сетевой воды из систем отопления.

Отсутствие автоматического регулирования в тепловых сетях и установках потребителей, что не позволяет организовать эффективные режимы работы систем в течение отопительного сезона и обеспечить комфортные условия в зданиях. Это является одной из основных причин больших непроизводительных потерь тепла при его транспорте и потреблении.

По результатам нашей многолетней деятельности было установлено, что на трубопроводах систем теплоснабжения диаметром до 80 мм целесообразно применять регуляторы прямого действия. Регуляторы прямого действия не используют постороннего источника энергии для перестановки регулирующего органа и эта перестановка осуществляется силой, возникающей непосредственно в чувствительном элементе за счет изменения величины регулируемого параметра. Регуляторы прямого действия просты в конструктивном отношении, удобны в эксплуатации. Существующие методики подбора регуляторов ограничиваются выбором номера регулятора по регулируемому параметру и величине потери давления в регуляторе при максимальной степени открытия регулирующего органа. При этом остаются в стороне такие важные параметры, как определение неравномерности, требуемой формы плунжера, жесткости пружины и сильфона, настроечного натяга пружины, динамических характеристик механической системы пружина - плунжер - сильфон и регулируемой системы и т.д. Поэтому управление и оптимизация параметров на основе регуляторов прямого действия в системах теплоснабжения является актуальной.

Целью диссертации является создание детальной методики с целью анализа работы регуляторов прямого действия для управления и оптимизации параметров систем теплоснабжения.

Методы исследования основаны на применении теории подобия в теплотехническом эксперименте, теории линейных и нелинейных дифференциальных уравнений, математического моделирования устойчивости и динамики регуляторов прямого действия, теории переходных процессов в системах автоматического регулирования.

В диссертационной работе впервые получены результаты, которые составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту:

1. Методика расчета регуляторов прямого действия в виде номограмм;

2. Математическая модель описания процессов работы в регуляторах прямого действия;

3. Расчетные характеристики регуляторов прямого действия типа РР и РД диаметром 50 мм с плунжерами различной формы на основе экспериментальных данных;

4. Эмпирические зависимости для определения коэффициента лобового сопротивления плунжера и гидравлического сопротивления корпуса регулятора.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы иодтвернедается согласованием полученных зависимостей с многочисленными экспериментальными исследованиями. При расчетах по полученным зависимостям средняя квадратичная погрешность от экспериментальных данных не превышала 5 %.

Практическая ценность полученных научных теоретических и экспериментальных результатов позволяет подобрать характеристики регуляторов типа РР и РД в зависимости от параметров регулируемых тепловых систем; определять величину неравномерности и статическую ошибку регулирования; определять зону устойчивой работы регуляторов прямого действия.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты исследований внедрены для расчетов режимов управления и оптимизации в тепловых сетях г. Улан-Удэ, г. Гусиноозерска. Материалы диссертации используются в учебном процессе в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в Московском энергетическом институте (Москва, 1973-2000гг), в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете (Улан-Удэ. 2000-2006 гг.), на Международной конференции Улан-Баторского энергетического института (Улан-Батор, 2005 г), на Международных конференциях Бурятской государственной сельскохозяйственной академии (Улан-Удэ, 2005 г).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения.

Заключение диссертации по теме «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», Балдаев, Владимир Александрович

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах:

1. Балдаев В.А., Соколов Е.Я., Сафонов А.П. Исследования воздействия потока воды на плунжеры регуляторов прямого действия.//Энергетика, Известие ВУЗов. - М., 1974. - №5, с.135-140.

2. Балдаев В.А. Исследование работы регуляторов давления и перепадов давления в тепловых сетях./ЛГруды Московского ордена Ленина энергетического института. «Исследование теплоэнергетических и низкотемпературных процессов», выпуск 186-М.: МЭИ, 1974. с.72-79.

3. Балдаев В.А., Рыбалко В.Ф., Балтуев Г.Т. Внедрение двухимпульсного регулятора давления на насосной станции тепловой сети.//Теплоэнергетика.-М.: «Энергия», 1978. №12, с.36-37.

4. Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц. Организация эколого-энергетического аудита городской ТЭЦ.//Материалы международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука: проблемы и перспективы развития». - Улан-Удэ, БГСХА, 2005. - с.291-295.

5. Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц.Математическая модель устойчивого развития энергосистемы.//Материалы международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука: проблемы и перспективы развития». - Улан-Удэ, БГСХА, 2005. - с.304-308.

6. Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц Характеристика республики Бурятия как объекта энергосбережения.// Материалы III международной научнопрактической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии». - Томск-Улан-Удэ, БГСХА, 2005. - с.200-205. Балдаев В.А., Дамбиев Ц.Ц., Алганаев А.А. Энергоснабжение и энергосбережение. - Улан-Удэ, ВСГТУ, 2006, с. 131

Заключение

Несмотря на кажущуюся простоту, исследование работы регуляторов прямого действия имеет много сложных моментов, ибо здесь, как ни в какой системе автоматического регулирования проявляются взаимное влияние объекта регулирования и самого регулятора.

В регуляторах прямого действия в одном рабочем органе - плунжере совмещены две функции - измерительного и исполнительного элементов, поэтому усложняется определение аналитических зависимостей коэффициентов передачи этих элементов от возмущающих воздействий, как правило, эти зависимости имеют нелинейный характер.

При рассмотрении условий протекания потока регулируемой среды через регулятор сталкиваемся с вопросами, требующими своего фундаментального решения. Это, прежде всего, вопросы теории пограничного слоя. Теория хорошо разработана для обтекания тел в одномерном и осесимметричном двухмерном пространстве. Задачи обтекания произвольного профиля имеют решение только для фиксированных случаев. Случай обтекания тела в канале рассмотрен только для некоторых профилей, обтекаемых потенциальным потоком.

Вот почему в данной работе, при рассмотрении протекания потока через регулятор, основной упор был сделан на экспериментальном исследовании обтекания некоторых профилей с учетом границ потока. Поток, обтекающий профиль, был автомоделей относительно критерия Рейнольдса. При этих условиях коэффициент сопротивления определялся степенью открытия и формой плунжера. Был оставлен в стороне исключительно важный, в теоретическом и практическом отношениях, вопрос о кавитации при протекании потока через регулятор. Косвенная оценка кавитации, основанная на измерении электрического сопротивления воды, показала существенное влияние кавитации на условия протекания потока.

Одним из эффективных способов организации потока через регулятор является конструирование корпуса по линиям тока безотрывного потенциального потока и применение насадок. В этом случае уменьшаются потери энергии потока на вихреобразование.

Поскольку механическая система плунжер-пружина-сильфон является колебательным звеном, а также быть и сама источником волновых процессов в тепловой сети. В процессе работы система постоянно находится в колебательном движении, параметры которого зависят от динамических свойств системы плунжер-пружина-сильфон, гидродинамических особенностей протекающего потока, характера протекания волновых процессов в тепловой сети. Механическая система регуляторов является системой с жестким самовозбуждением, т. е. до тех пор, пока начальное возмущающее воздействие не достигнет некоторого значения, определяемого амплитудой неустойчивого предельного цикла, колебания будут затухающими. Как только начальное возмущение станет достаточно велико, колебательный процесс становится расходящимся, амплитуда колебания может принимать как угодно большое значение. Примером таких колебаний является широко известное явление в бытовой практике - дребезжание водопроводных вентилей. Легко представить, насколько серьезнее по своим последствиям является такой процесс в регуляторах. По некоторым данным, около трети всех устанавливаемых регуляторов прямого действия выходят из строя в течение первого года по разным причинам. Более половины из этого количества - по вышеупомянутой причине.

Связывая неустойчивость работы регулятора и вибрацию плунжеров с нестационарным характером протекания потока через регулятор, причинами, лежащими в основе этой нестационарности, будут:

1. Вихри, образуемые за телом при обтекании его потоком;

2. Силы Бернулли;

3. Силы внешнего происхождения;

4. Параметрические колебания.

При развитом турбулентном режиме Re > 105, а именно такой режим наблюдается в тепловых сетях, за телом образуются многочисленные кавитационные образования и вихри, срываемые с кромок тела, как бы вязнут в этой пузырьковой структуре. С увеличением Рейнольдса кавитация усиливается, размер пузырьков увеличивается, влияние срывного вихреобразования на колебания уменьшается, но зато начинает играть роль нестационарный характер протекания кавитации - образование и схлопывание паровых пузырей. Вопрос влияния кавитации на устойчивость работы регулятора требует отдельного исследования.

Движение механической системы плунжер-пружина-сильфон регуляторов расхода и давления «до себя» может быть описано нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка. Анализ работы системы сводится к анализу дифференциального уравнения с переменными коэффициентами. Точность этого анализа зависит от степени линеаризации исходного уравнения. Используя вычислительные машины, можно решить исходные нелинейные дифференциальные уравнения с любой требуемой точностью. В настоящей работе исходные уравнения упрощаются, и результат аналитических решений сверяется с экспериментальными данными.

Рассматривая работу регуляторов прямого действия во всей системе теплоснабжения, необходимо отметить, что от качества надежности работы регуляторов зависит режим управления и оптимизация всей системы теплоснабжения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Балдаев, Владимир Александрович, 2006 год

1. Алексеев, С.Р. Энергосбережение в Бурятии: проблемы и перспективы Текст.: монография/ С.Р. Алексеев, Ц.Ц. Дамбиев, А.В.Крюков В.Б. Нимаев Улан - Удэ, 2006. - 51 с.

2. Дамбиев, Ц.Ц. Методологические принципы создания муниципальных программ энергосбережения Текст. /Ц.Ц. Дамбиев, А.В. Крюков, В.Б. Нимаев //Энергосбережение. -№5.-2000. С.33-35.

3. Дамбиев, Ц.Ц. Методология разработки муниципальных программ энергосбережения Текст. / Ц.Ц. Дамбиев, А.В. Крюков, В.Б. Нимаев //Сб. научн. тр. ВСГТУ, 2000.

4. Дамбиев Ц.Ц. Комплексная программа энергосбережения и внедрения энергоэффективных технологий для АО Бурятэнерго Текст. / Ц.Ц. Дамбиев, А.В. Крюков, В.Б. Нимаев //Сб. научн. тр. ВСГТУ, 2000.

5. Авторегуляторы горячего водоснабжения конструкции ОРГРЭС. СЦНТИ 1969.

6. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М. «Недра» 1970.

7. Арзуманов Э.С. Расчет и выбор регулирующих органов автоматических систем. М. «Энергия». 1971.

8. Архипов П.С. Автоматическое регулирование поверхностных теплообменников. М. «Энергия». 1971.

9. Бабаков И.М. Теория колебаний. М. «Наука» 1968.

10. Благих В.Т. Автоматическое регулирование отопления и вентиляции. «Челябинская книж. Издат.» 1964

11. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. М., «Энергия» 1972

12. Горлин С.М. , Слезингер И.И. Аэромеханические измерения М. «Наука» 1964

13. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. М. «Высшая школа» 1970

14. Громов Н.К. Абонентские установки водяных тепловых сетей., М. «Энергия» 1968

15. Громов Б.Н. Гидравлический удар в тепловой сети при закрытии дросселирующих устройств. «Теплоэнергетика» ,1973, №1.

16. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. М. «Машиностроение» 1969.

17. Гухман А.А. Введение в теорию подобию. М. «Высшая школа»1963

18. Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости. М. «Энергия» 1971

19. Егоров К.В. Основы теории автоматического регулирования. М. «Энергия» 1967.

20. Емельянов М.А. , Трембицкий В.Я., Харин А.В. ДДысин М.И. Автоматизация районных тепловых станций. М. «Стройиздат» 1970

21. Заринский О.Н. Регуляторы давления прямого действия. ЦИНТМаш. 1961

22. Зельдович Я.Б., Мышкин А.Д. Элементы прикладной математики. «Наука» 1972.

23. Иванов В.А. , Чемоданов Б.К. , Медведев B.C. Математические основы теории автоматического регулирования «Высшая школа» 1971

24. Иорши Ю.И. Виброметрия. «Машиностроение» 1963

25. Копьев С.Ф. Теплоснабжение. «Стройиздат» 1953

26. Крутов В.И., Спорыш И.П., Юношев В.Д. Основы теории автоматического регулирования. «Машиностроение» 1969

27. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М. «Наука» 1973

28. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М. «Наука» 1973

29. Мишенков Г.В., Комар Н.В. Лабораторный практикум по теории колебаний, ч.Ш. Изд. МЭИ, 1970

30. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. М. «Энергия» ,1970

31. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М. «Наука» 1971

32. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. «Машиностроение» 1964.

33. Проблемы управления микроклиматом в обогревательных зданиях. Изд-во ЧПИ 1971

34. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М. «Наука» 1971

35. Сафонов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям. М. «Энергия» 1968

36. Сафонов А.П. Переходные процессы в системах теплоснабжения. « Известия ВУЗов», 1970 №11

37. Сафонов А.П. Исследование работы регуляторов давления, расхода прямого действия в тепловых сетях. «Известия ВУЗов»

38. Сергеев С.И, Демпфирование механических колебаний. «Физматиздат» 1959

39. Скрицкий Л.Г. Основы автоматики и автоматизации систем теплогазоснабжения и вентиляции. М. «Стройиздат» 1968

40. Соколов Е.Я. Теплофикации и тепловые сети. М. «ГЭИ» 1963

41. Соколов Е.Я., Громов Н.К. , Сафонов А.П. Эксплуатация тепловых сетей «ГЭИ» 1955

42. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей. «Стройиздат» 1965

43. Седач B.C., Блудов В.М. Повышение пропускной способности тарельчатого клапана. «Известия ВУЗов» 1972 №4

44. Стефании Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических прочесов. М., «Энергия», 1972

45. Сквайре Дж. Практическая физика «Мир», 1971

46. Тезисы докладов к научно-техническому совещанию по автоматизации систем отопления и абонентских вводов в жилых и общественных зданиях при централизованном теплоснабжении. Челябинск, 1972

47. Универсальный регулятор расхода и давления прямого действия (УРРД) конструкции ОРГРЭС. «БТИ ОРГРЭС», 1968

48. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. Госиздат тех. теор.лит. 1949

49. Френкель Н.Э. Гидравлика. М. «ГЭИ» 1956

50. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах. М., «Мир» 1968

51. Химмельблау Д. Анализ процессов статическими методами. «Мир» 1968

52. Циккарт И. (ЭГУ, ПРАГА) Регулировочные клапаны в ЦТП и абонентских вводах. Тезисы. 1-ый международный симпозиум по автоматизации и защите тепловых сетей. Варшава, 1973.

53. Чистович С.А. Системы центрального отопления жилых зданий. «Стройиздат» 1971 '

54. Фын Я.Ц. Введение в теорию аэроупругости. «Физматидат» 1959

55. Бисплингхофф, Эшли, Халфмэн. Аэроупругость. «ИЛ» 1958

56. Справочник. Прочность, устойчивость, колебания. Т. 1-3. под общей редакцией И.А.Биргера и Я.Г. Пановко «Машиностроение» 1968

57. Тондл А. Нелинейные колебания механических систем. М., «Мир» 1973

58. Красовский Б.М., Глушков В.Д. Применение теории надежности при проектировании теплофикационных систем. Пермь.

59. Половко JI.M. Основы теории надежности. «Наука» 1964.