CS207292B1 - Zapojení regulačního obvodu pro kompensari vlivu velkého rozsahu změn tlaku v sání, případně výtlaku radiálního turbokompresoru na mez zásahu antipompážní regulace - Google Patents

Description

Vynález se týká zapojení regulačního obvodu pro kompensaci vlivu velkého rozsahu změn tlaku v sání, nebo výtlaku radiálního turbokompresoru na mez zásahu antipompážní regulace.

Charakter provozu některých radiálních turbokompresorů je typický tím, že provozní podmínky se vyznačují mimořádně velkými změnami tlaku v sání, případně na výtlaku. Charakteristika některých radiálních turbokompresorů tohoto druhu bývá v okolí hranice pompáže velmi plochá, nebo dokonce konvexní. V těchto případech se jednoznačná informace o poloze pracovního bodu na charakteristice odvozuje od parametrů, které určují objemový, resp.. hmotnostní průtok. V regulačním obvodu antipompážní regulace je pak regulovanou veličinou.objemový, resp. hmotnostní průtok turbokompresorem. Měřenou hodnotou bývá obvykle tlaková diference na pasivním odporu v linii stlačovaného plynu, případně další pomocné měřné hodnoty. V běžném uspořádání známých systémů automatické antipompážní regulace se používá k získání regulační odchylky rozdílu mezi konstantní žádanou hodnotou a mezi měrnou hodnotou. Dalším charakteristickým znakem těchto obvodů je, že pro získání tlakové diference je používán pasivní odpor, záměrně vložený do sacího nebo výtlačného potrubí, např. měřící clona. Zapojení v obvodu je provedeno např. tak, že na výtlačné potrubí radiálního turbokompresoru před měřící clonu je napojen snímač tlaku a současně před a za měřící clonu je napojen snímač tlakové diference. Snímač tlaku i snímač tlakové diference jsou propojeny se vstupem nelineárního matematického bloku, jehož výstup je propojen s jedním vstupem rozdílového bloku. Druhý vstup rozdílového bloku je propojen se zadávací jednotkou konstantní žádané hodnoty. Výstup z rozdílového bloku tvoří vstupní signál regulátoru.

Nevýhodou takovéhoto a podobných zapojení regulačního obvodu je především rozsah jejich použitelnosti. V zásadě jsou použitelné všude tam, kde tlak na sání, případně na výtlaku se příliš nemění. Turbokompresorům, jejichž pracovní režimy jsou charakterisovány velkými změnami tlaku v sání nebo výtlaku tento druh zapojení nevyhovuje, protože změna měřené veličiny, způsobená změnou charakteristiky pasivního odporu při změněných tlakových podmínkách by působila nevhodně na mez zásahu automatického regulačního systému. Mez zásahu, zajišťující minimální bezpečnou vzdálenost od meze pompáže by musela být nastavena na podstatně větší průtok vzdušiny turbokompresoru, než je žádoucí z hlediska využití celého rozsahu charakteristiky turbokompresorů při všech uvažovaných tlakových hladinách. Tím by se značně snižovala ekonomie provozu. Další nevýhodou je okolnost, že záměrně vložený pasivní odpor do potrubí, na nějž jsou napojeny převodníky fysikálních veličin regulačního obvodu jev podmínkách výše uvedených, typů turbokompresorů j technologicky i ekonomicky nevýhodný až neI únosný.

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zapojení regulačního obvodu, který sestává ze snímače tlaku, snímače tlakové diference, pasivního funkě, ního odporu, dvou nelineárních matematických ί bloků, rozdílového bloku, zadávací jednotky kon{ stantní žádané hodnoty a regulátoru, podle vynálezu. Podstata řešení spočívá v tom, že v zapojení regulačního obvodu je vstup snímače tlaku napojen na výtlačné potrubí radiálního turbokompresoru před funkční pasivní odpor tvořící součást okruhu stlačovaného plynu, např. před mezichladiě a vstup snímače tlakové diference je napojen před a za týž funkční pasivní odpor. V zapojení je zařazen druhý nelineární matematický blok pro korekci měřené, případně žádané hodnoty a to tak, že je napojen pouze před jedním ze dvou vstupů rozdílového bloku. Pokud je druhý nelineární matematický blok zapojen v regulačním obvodu před prvním vstupem rozdílového bloku, je jeden vstup druhého nelineárního matematického bloku napojen na výstup prvého nelineárního matematického bloku. Druhý vstup rozdílového bloku je propojen přímo s výstupem zadávací jednotky konstantní žádané hodnoty.

Pokud je druhý nelineární matematický blok zapojen před druhým vstupem rozdílového bloku, je jeden vstup druhého nelineárního matematického bloku propojen s výstupem zadávané jednotky konstantní žádané hodnoty a prvý vstup rozdílového bloku je propojen s výstupem prvního nelineár: ního matematického bloku. Druhý nelineární matematický blok je s výhodou stejného konstrukčního provedení jako první nelineární matematický blok.

Pokrokovost řešení jednotlivých zapojení regu: ladního obvodu pro kompensaci vlivu velkého rozsahu změn tlaku v sání, případně výtlaku radiálních turbokompresorů na mez zásahu antipompážní regulace lze posoudit z toho, do jaké míry vyhoví požadavku zachovat minimální vzdálenost hranice zásahu antipompážní regulace od pompážní hranice a současně jak složité je zabezpečení realizace tohoto požadavku při velkých změnách tlaku v sáni, nebo na výtlaku. Zapojení podle vynálezu vyhovuje oběma těmto požadavkům a poskytuje další výhody. Jednou z výhod je jednoduchost použitých bloků, jejich nízký počet a sortimentně nízká skladba. Použité matematické bloky mohou být např. stejné. Regulace konstantního průtoku v sání, nebo na výtlaku turbokompresoru, pracujícího v blízkosti pompážní hranice se vyznačuje vysokou přesností. Velkou předností je pak dosažení minimálních energetických ztrát, kterých se dosahuje tím, že zapojení podle vynálezu umožňuje využít jako pasivního odporu v okruhu stlačovaného plynu funkčního pasivního odpo' ru, např. chladiče na rozdíl od používaného a záměrně vkládaného pasivního odporu pro regulační \ potřebu, např. měřící clony, jejíž tlaková ztráta se promítá do značných energetických ztrát. Tato výhoda se uplatňuje zejména u radiálních turbokompresorů, pracujících v různých tlakových reži mech, v různém zapojení sekcí a v širokých rozsazích tlaků v sání respektive na výtlaku.

{ Zapojení podle vynálezu používá pouze jednu zadávací jednotku konstantní žádané hodnoty pro [ libovolný rozsah tlakových režimů na sání i výtlaku ! stroje, zatímco dřívější zapojení musela být vybaI véna různými zadávacími jednotkami pro různé i tlakové režimy, což kromě složitosti nepříznivě ovlivnilo přesnost a spolehlivost regulačního sys< tému.

Na připojeném výkresu jsou znázorněny sche; maticky dva příklady provedení zapojení podle vynálezu a jeden příklad zapojení podle známého stavu techniky. Obr. 1 znázorňuje schematicky ί zapojení regulačního obvodu s převodníky fysikálních veličin zapojené na měřící cloně ve výtlačném ; potrubí radiálního turbokompresorů. Na obr. 2 je znázorněno zapojení podle vynálezu, ve kterém je provedena korekce žádané hodnoty a na obr. 3 je zapojení podle vynálezu, ve kterém je provedena korekce měřené hodnoty.

Na obr. 1 znázorněné výtlačné potrubí 1 radiál; ního turbokompresorů 2 je opatřeno měřící clonou i 3, tvořící nefunkční pasivní odpor na výtlačném potrubí 1 pracovního okruhu. Před měřící clonou > 3 je napojen snímač tlaku 4 a před a za měřící clonu je napojen snímač 5 tlakové diference. Výstup ze snímače 5 tlakové diference je napojen na vstup U_t • a výstup ze snímače 4 tlaku je napojen na vstup U₂ { prvního nelineárního matematického bloku 6, na jehož výstup je napojen první vstup 7 rozdílového bloku 8. První nelineární matematický blok 6 má i ještě vstup U₃ pro konstantní signál, vstup r pro i nastavení konstanty přenosu a vstup s pro nastavení exponentu. Druhý vstup 9 rozdílového bloku 8 je propojen s výstupem zadávací jednotky 10 kontantní žádané hodnoty. Rozdílový blok 8 je propojen svým výstupem s regulátorem 11.

Na obr. 2 znázorněné zapojení podle vynálezu má vstup snímače 4 tlaku napojen na výtlačné potrubí 1 radiálního turbokompresorů 2 před ^: mezichladiě 12 a vstup snímače 5 tlakové diference i před a za mezichladiě 12, který tvoří funkční odpor { v pracovním okruhu radiálního turbokompresorů i j 2. Vstupy U₁₅ U₂, U₃, ras prvního nelineárního i { matematického bloku 6 jsou stejné jako v obr. 1. Jeho výstup je napojen na první vstup 7 rozdílového bloku 8. Druhý vstup 9 rozdílového bloku 8 je propojen s výstupem zadávací jednotky 10 konstantní žádané hodnoty přes vstup U₃' a výstup druhého nelineárního matematického bloku 13, jehož vstup U₂' je propojen s výstupem snímače tlaku. Druhý nelineární matematický člen 13 má ještě vstup Uj', pro konstantní signál, vstup r pro j nastavitelnou konstantu přenosu a vstup s pro | nastavitelný exponent. Rozdílový blok 8 je propoj jen svým výstupem s regulátorem ΪΪ. Vstupy I snímače 4 tlaku i snímače 5 tlakové diference podle ί obr. 3 jsou napojeny na Výtlačné potrubí 1 radiálního turbokompresoru 2 před a za mézichladič 12 stejně, jako u obr. 2. Výstup snímače 5 tlakové diference je napojen na první vstup 7 rozdílového bloku 8 přes sériově propojené vstupy a výstupy prvního nelineárního matematického bloku 6 a druhého nelineárního matematického bloku 13 tak, že výstup snímače 5 tlakové diference je napojen na vstup U_x prvého nelineárního matematického bloku 6, jehož výstup je pak propojen se vstupem U₃ druhého nelineárního matematického bloku 13. První nelineární matematický blok 6 má ještě vstup U₃ pro konstantní signál a další vstup U₂ pro další konstantní signál vstup r pro nastavitelnou konstantu přenosu a vstup s pro nastavitelný exponent. Vstup U₂' druhého nelineárního matematického bloku 13 je přímo propojen s výstupem snímače 4 tlakové diference. Druhý nelineární matematický blok 13 má ještě vstup U/ pro konstantní signál, vstup r pro nastavitelnou * konstantu přenosu a vstup s pro nastavitelný exponent. Druhý vstup 9 rozdílového bloku 8 je propojen s výstupem zadávací jednotky 10 konstantní žádané hodnoty. Rozdílový blok 8 je propojen jako na obr. 1 a obr. 2 s regulátorem

11.

Nelineární a matematické bloky 6 a 13 jsou stejné matematické bloky s přenosem:

U_f = u₃ . r / ~~ j kde

U_f = výstupní signál

U_lj2(3 = vstupní signály r = nastavitelná Jkonstanta přenosu (jejíž hodnota je dana) s = nastavitelný exponent

Nastavení použitých nelineárních matematických bloků 6 a 13 vyplývá z těchto závislostí:

Tlaková diference na pasivním odporu v okruhu stlačovaného plynu je dána známým vztahem:

W² P

Δ P = ξ . γ —— (po doplnění γ = — a úpravě = 2„ Kl

kde:

γ = měrná hmotnost w = rychlost vzdušiny v místě pasivního odporu g = zemská gravitace (gravitační konstanta) P = je tlak v místě odběru Δ P R = plynová konstanta T = absolutní teplota v místě odběru ξ = koeficient, který je funkcí Reynoldsova čísla a které charakterizuje průtok plynu pasivním odporem. Jestliže je pasivním odporem měřící clona pracuje obvykle v oblasti ξ = konst. Jestliže je pa207292 sivním odporem např. mézichladič turbokompresoru, pracuje obvykle v oblasti blízké přechodové a funkce ξ = f (Re) se obvykle aproximuje závislostí:

K kde:

Reⁿ

R^e = Reynuldsovo číslo

K a n = konstanty, dané charakterem pasivního odporu např. pro kotlový mézichladič s příčně obtékanými trubkami se koeficient

ΙΠ: ξ =

Re

0,23 kde K = funkcí počtu řad teplosměnných trubek Reynoldsovo číslo vyjádříme ve tvaru:

W.y.d

Re = (po doplnění γ = —— )

IV: =

1·ξ W . P . d η . g . R . T ^vr_'^r ’ * RT kde kromě hodnot z rovnice ad I d = charakteristický rozměr η = dynamická viskosita

V rovnici považujeme oprávněně za konstantní hodnoty T, R, g, d, η.

Nutným předpokladem je jednoznačná závislost hodnoty „w“ na objemovém průtoku v sání turbokompresoru na hranici pompáže.

Z uvedeného vyplývá, že jestliže tlaková diference je

A) závislá na Reynoldsově čísle má závislost tvar:

V: ΔΡ = konst. P^zi-^n/

B) není závislá na Reynoldsově čísle, má závislost tvar:

ΔΡ = konst. P

Z uvedených vztahů vyplývá nastavení universálního matematického bloku s přenosem U_f = U₃ . r í —- \ * pro první nelineární matematický blok a druhý nelineární matematický blok 13 v jednotlivých zapojeních podle obr. 1—3:

Pro první nelineární matematický blok 6 z obr. 1 se využívá funkce:

Uf = U₃. r υΛ ^1/2

U₂ /

Na vstup Uf je napojen výstup snímače 5 tlakové diference na vstup U₂ je napojen výstup snímače 4 tlaku, na vstup U₃ je napojen konstantní signál, daný celkovým zesílením měřícího řetězce, na vstupu S je nastaven exponent 1/2, na vstupu r je nastavena konstanta přenosu daná zesílením měřícího řetězce tlaku.

První nelineární matematický blok 6 má na obr.

stejnou funkci jako na obr. 1.

Druhý nelineární matematický blok 13 využívá funkci:

U_f’ = U₃’ . r

na vstup U/ je napojen konstantní signál, na vstup U₂' je napojen výstup snímače 4 tlaku, vstup U₃' je propojen s výstupem zadávací jednotky (10) konstantní žádané hodnoty n

na vstupu s je nastaven exponent 2 , který vyplývá z rovnice II a V. Na vstupu r je nastavena konstanta přenosu, daná zesílením měřícího řetězce tlaku.

Na obr. 3 má první nelineární matematický blok 6 funkci:

U, = konst. (UJ¹⁷² na vstup U_x je napojen výstup ze snímače 5 tlakové diference. Konstanta konst. je dána hodnotou vstupních signálů do vstupů U₂, U₃ a nastavením konstanty přenosu r. Velikost je dána zesílením měřícího řetězce tlaku.

Funkce druhého nelineárního matematického bloku 13 vyplývá ze vztahu:

W-W.r —

Na vstup U₃ je napojen signál z výstupu prvého nelineárního matematického bloku 6. Na vstup U₂' je napojen signál z výstupu snímače tlaku 4. Na vstup Uj' je napojen konstantní signál danný zesílením měřícího řetězce tlaku, na vstupu r je nastavena konstanta přenosu. Na vstupu s je nastaven exponent ^;

Claims (4)

1. Zapojení regulačního obvodu pro kompensaci vlivu velkého rozsahu změn tlaku v sání, případně výtlaku radiálního turbokompresoru na mez zásahu antipompážní regulace, obsahující snímač tlaku, napojený na výtlačné potrubí radiálního turbokompresoru před nastavený pasivní odpor a snímač tlakové diference napojený před a za nastavený pasivní odpor, přitom jak snímač tlaku, tak snímač tlakové diference jsou svými výstupy propojeny se vstupy universálního nelineárního matematického bloku, jakožto' součásti měřícího řetězce tlaku respektive tlakové diference, přičemž zapojení regulačního obvodu obsahuje i rozdílný blok, která má dva vstupy, z nichž prvý vstup je propojen s výstupem nelineárního matematického bloku a druhý vstup je propojen s výstupem zadávací jednotky konstantní žádané hodnoty, přitom výstup rozdílového bloku je propojen s regulátorem regulačního obvodu vyznačující se tím, že vstup (4) snímače tlaku je napojen na výtlačné potrubí (1) radiálního turbokompresoru (2) před funkční pasivní odpor okruhu stlačovaného plynu, například mezichladič (12) a snímač (5) tlakové diference je napojen před a za týž funkční pasivní odpor, přitom pouze před jedním ze dvou vstupů (7, 9) tvořených prvním vstupem (7)

VYNÁLEZU í / a druhým vstupem (9) rozdílového bloku (8) je zařazen druhý nelineární matematický blok (13) pro korekci měřené, případně žádané hodnoty, jehož jeden vstup (u₂') je propojen s výstupem snímače (4) tlaku.

2. Zapojení regulačního obvodu podle bodu 1, ve kterém je první vstup rozdílového bloku propo: jen přímo s výstupem prvního nelineárního mateH matického bloku vyznačující se tím, že druhý vstup ί i (9) rozdílového Moku (8) je propojen s výstupem zadávací jednotky (10) konstantní žádané hodnoty přes vstup (U₃') a výstup druhého nelineárního matematického bloku (13) .

3. Zapojení regulačního obvodu podle bodu 1, ve kterém je druhý vstup rozdílového bloku propojen přímo s výstupem zadávací jednotky žádané hodnoty vyznačující se tím, že prvý vstup (7) rozdílového bloku (8) je propojen s výstupem prvního nelineárního matematického bloku (6) přes vstup (U₃) a výstup druhého nelineárního matematického bloku (13).

4. Zapojení regulačního obvodu podle bodu 1 až 3 vyznačující se tím, že první nelineární matematický blok (6) a druhý nelineární matemat tický blok (13) jsou konstrukčním provedením ; shodné.