CS242966B1 - Zařízení k fluidicko-hydraulické regulaci hladiny kapalin - Google Patents

Abstract

Řešení se týká zařízení k fluidicko- -hydraulické regulaci hladiny kapalin v nádržích, jimiž mohou být regenerační ohříváky parních turbín. Zařízení sestává z fluidického snímače, snímací dýzy a z regulačního ventilu. Fluidický snímač je svou horní Částí připojen k nádobě, přičemž spodní část je připojena jednak ke snímací dýze a jednak.k hydraulickému servopohonu v místě nad jeho pístem. Snímací dýza je uložena ve spojovacím potrubí, které vstupuje do. regulačního ventilu. K ventilu je připojen řečený hydraulický servopohon.

Description

Vynález se týká zařízení k fluldicko-hydraullcké regulaci hladiny kapalin s parametricky adaptivním chováním vyvozeným průtokem regulované hladiny, které je zvláště vhodné pro regulaci hladiny kondenzátu v regeneračních ohřívácích tepelně-regeneračního systému parní turbiny.

Z běžné technické praxe je známa řada zapojení hladinových regulací úrovně hladin kapalin v nádobách a nádržích, jejichž využitím lze výrazně zlepšit kvalitu regulačního pochodu. Odpovídající úpravy obvodů hladinových regulací, kterými je tohoto cíle dosahováno, sahají od speciálních prediktorů chování regulované soustavy, zabudovaných do celku elektronického regulátoru, až po strukturální změny, zajištěné impletováním řady přídavných zpětných vazeb, kterými je dosahováno snížení amplitudy mezního cyklu regulační smyčky.

Jedním z nejjednodušších zapojení tohoto typu je zapojení f luitlioko-hydraulického obvodu, obvodu s pomocnou korekční zpětnou vazbou, vyvozenou průtokem kapaliny. Strukturální úravou tohoto obvodu, realizovanou vřazením korekční zpětné vazby, je v tomto zapojení dosaženo omezení negativního účinku hysteréze jak akčního členu regulační smyčky, tak regulačního ventilu na kvalitu regulace.

Korekční zpětná vazba je realizována vzájemným prostorovým uspořádáním a hydraulickým zapojením regulované soustavy, která je zde představována jednoduchou nádrží nebo tlakovou nádobou, externí snímací nádrže, na kterou je připojen fluldloký snímač, a průtokového snímače zabudovaného do spojovacího potrubí mezi regulovanou soustavu a regulační ventil.

S podstatně rozsáhlejším spektrem úprav a zapojení obvodů hladinových regulací se setká váme u obvodů s elektromechanickým, elektrohydraulickým nebo pneumomeohanickým principem převodu a zpracování informace.

V těchto regulačních obvodech není například výjimkou, ponecháme-li stranou již zmíněné predlktory chování a doplňkové zpětné vazby, že obvod hladinové regulace je doplňován řadou vnějších pomocných regulovaných veličin, odebíraných z hlavního technologického celku, v němž je vlastní systém hladinové regulace pouze jedním z mnohých, a z hlediska hlavní funkce celého systému vcelku nepříliš významných systémů.

Všechna uvedená zapojení obvodů hladinových regulací mají některé nedostatky. Základním nedostatkem zapojení fluidioko-hydraullckého obvodu s korekční zpětnou vazbou vyvozenou průtokem je jeho složitost., která se nepříznivě promítá do jeho dynamického i stacionárního chování.

Paralelní uspořádání hlavní nádrže, ve které je regulována úroveň hladiny kapaliny, a snímací nádrže, ve které je úroveň hladiny snímána, zavádí totiž do subsystému hladinové regulace další nadbytečnou kapacitu, tj. zpožáující člen.

Další nevýhodou tohoto zapojení je závislost žádané úrovně hladiny v hlavní nádrži na pochodech, které probíhají v podmínkách kondenzujícího média ve snímací nádrži a na ní připojeném fluidickém snímači.

Vzhledem k tomu, že v reálných podmínkách provozu nelze za všech provozních podmínek zaručit teplotu napájecí kapaliny totožnou s teplotou sytosti páry nad hladinou v hlavní a snímací nádrži, dochází v celku fluidického snímače ke kondenzaci páry na paprsku poháněcího média, nutným nátokem páry z hlavní snímací nádrže dojde mezi oběma kapacitami k vzniku tlakové diference.

Vlivem vzájemného hydraulického propojení obou nádrží pod volnými hladinami vyústí shora naznačené procesy v posuv úrovně hladiny ve snímací nádrži směrem vzhůru spolu s ekvivalentním posuvem úrovně hladiny v hlavní nádrži směrem dolů.

Principiálně odlišné, ale ve svých důsledcích ještě závažnější nedostatky se vyskytují u známých hladinových regulací s elektromechanickým, ale v některých případech také s elektrohydraulickým nebo pneumomechanickým převodem a zpracováním signálů.

Složitým zapojením těchto obvodů je obvykle pouze redukován jejich základní nedostatek, spočívající v nedostatečně rychlé odezvě na změny, probíhající v regulované soustavě. Tento principiální nedostatek je téměř vždy spojen s obtížným převodem veličiny výstupu regulátorů těchto obvodů na mechanickou, silově na výkonově náročnou, výstupní veličinu akčního členu regulační smyčky, kterou je ovládán regulační ventil.

Uvedené nedostatky podstatně omezuje zařízení k fluidicko-hydraulické regulaci hladiny kapalin podle vynálezu, sestávající z fluidického snímače, snímací dýzy a z regulačního ventilu.

Podstata spočívá v tom, že fluidický snímač je připojen horní částí k nádobě regeneračního ohříváku, spodní částí je jednak připojen ke snímací dýze uložené ve spojovacím potrubí a jednak k nadpístovému prostoru hydraulického servopohonu.

Servopohon je připojen k regulačnímu ventilu spojovacího potrubí. Výhodou zařízení je především jeho schopnost parametrické adaptace na změněné pracovní podmínky regulačního obvodu, která se projeví ve zvýšené stabilitě jeho chování a v jeho značně zjednodušeném ¹ fyzickém provedení.

Jeden z příkladů praktického provedení zařízení k fluidickohydraulické regulaci hladiny kapalin je znázorněn na výkresu, na kterém jé v nárysném řezu znázorněno jeho začlenění do fluidicko-hydraulické regulační smyčky systému hladinové regulace regeneračního ohříváku parní turbíny.

Podle výkresu sestává zařízení podle vynálezu z fluidického snímače' 2, připojeného v úrovni žádané hodnoty hladiny kondenzátu k plášti regeneračního ohříváku 1^ pomocí horního nátrubku' 11, přičemž ke spodnímu nátrubku' 12 regeneračního ohříváku _1 je připojena horní větev spojovacího potrubí' 5 dále připojená na snímací dýzu' ^4, jejíž odsávací prostor 40 s mezikruhovou štěrbinou 41 je potrubím korekční zpětné vazby _6 připojen k odpadnímu prostoru '221 fluidického snímače' 2.

Spodní část snímací dýzy 4 je v úrovni mezikruhové štěrbiny 41 spojena spodní větví 50 spojovacího potrubí 5 se vstupní pasáží 301 regulačního ventilu _3. Hydraulický výstup fluidického snímače £ je přitom ovládacím potrubím 7. spojen s vnitřním prostorem válce 35 hydraulického servopohonu '300.

Fluidický snímač 2. je interně uspořádán tak, že kolmo k ose pláště fluidického snímače £ je do jeho vnitřního prostoru vestavěn stínící plášť 23, do nějž je jednak shora vložena vysílací tryska' '21 připojená k napájecímu potrubí 200 a jednak zespoda snímací tryska 22 připojená ovládacím potrubím 7 k hydraulickému servopohonu 300, který je pevně spojen s horní částí regulačního ventilu' 3.

Vzájemně souosé uspořádání trysky 21, stabilizační clony 2 4 a snímací trysky 22 je zaručeno konstrukčním provedením stínícího pláště 2 3, do jehož válcového vrtání jsou všechny zmíněné elementy situovány tak, že v úseku mezi vysílací tryskou 21 a stabilizační clonou 24 je ve stěně stínícího pláště 23 provedena perforace 230 spojující vnitřní prostor stínícího pláště' 23 s prostorem pláště snímače 20, přičemž spodní kuželovité rozšířená část stínícího pláště 23 vytváří spolu s vnějším povrchem snímací trysky 22 mezikruhový difuzor 220 a anulární odpadní prostor 221.

Regulační ventil _3 sestává v tomto případě provedení z tělesa 30 ventilu, do jehož sedla je pevně vsazena implozní komora 31, která pomocí radiálních vývrtů 310 nepřekrytých škrticím elementem 32 vzájemně spojuje vstupní pasáž '301 a výstupní pasáž 302 regulačního ventilu 3.

Regulační ventil £ je přitom svou výstupní pasáží 302 spojen pomocí odpadního potrubí 51 např. s neznázorněným dalším stupněm regeneračního systému parní turbíny. Tubulární škrticí element 32, který je suvně uložen na vnějším válcovém povrchu implozní komory £1 a v závislosti na svém zdvihu odkrývá radiální vývrty 310, je v horní části mechanicky spojen se spodní částí pístu' 36 hydraulického servopohonu’ '300 pomocí závěsu 332 a jeho vnitřní prostor nad hořejší hranou implozní komory '31 je se vstupní pasáží '301 regulačního ventilu £ spojen vyrovnávacími otvory 320.

Hydraulický servopohon '300 regulačního ventilu £ je pevně připojen k tělesu' '30 ventilu a sestává z mechanicky spojené soustavy pístu '36 suvně vloženého ve válci £5 spojeného závěsem '332 se spodní částí táhla 33 procházejícího ucpávkou' '3'31 a opatřeného v horní části pevně připojeným diskem '3'30, o který se opírá pružina' £4, zdola opřená o nástavbu' 37.

Základní činnost zařízení podle vynálezu je orientována na potlačení vlivnosti hysteréze hydraulického servopohonu fluidicko-hydraulického obvodu a s ním spojeného regulačního ventilu.

Tuto činnost je možno popsat posloupností dějů, které proběhnou ve zmíněném obvodu při náhlé změně výkonu regeneračního ohříváku od ustáleného stavu, vyvolané například vzrůstem výkonu parní turbíny.

V regulované soustavě, která je v tomto příkladu provedení zastoupena regeneračním ohřívákem’, rezultuje zvýšený výkon parní turbíny v náhlém vzrůstu intenzity kondenzačního procesu a tím i úrovně hladiny ve spodní části regeneračního ohříváku, která je bezprostředně nátrubkem' ll přenesena do vnitřního prostoru fluidického snímače' £.

Zvýšení hladinové diference na stínicím plášti 23 vyvolá zvýšený nátok kondenzátu perforací 230 do vnitřního prostoru stínícího pláště' '23 a rychlý nárůst vrstvy kapaliny nad snímací tryskou' '2 2.

Paprsek poháněči kapaliny, který vytéká z vysílací trysky '21, se po dopadu na hladinu rozpadá formou volného proudu, přičemž intenzita tohoto procesu je přímo spojena s tloušťkou kapaliny nad snímací tryskou 22.

Náhlý nárůst úrovně hladiny kondenzátu uvnitř stínicího pláště' .23 rezultuje ve zvýšení intenzity rozpadového procesu v úrovni ústí snímací trysky 22 a poklesu tlakové úrovně ve ve vývrtu snímací trysky 22.

Pokles tlakové úrovně je přenesen ovládacím potrubím £ do vnitřního prostoru válce 35 hydraulického servopohonu 300 nad píst' 36 a způsobí vznik silové diference mezi silou působící na píst ‘36 a silou stlačené pružiny 34, která se snaží posunout píst' '36 a s ním spojené pohyblivé elementy hydraulického servopohonu 300 směrem vzhůru.

K posuvu mechanicky svázané soustavy pístu 36, škrticího elementu 32 táhla 33 a disku 330 dojde teprve po překročení třecích sil mezi válcem £5, pístem 36, ucpávkou 331 a táhlem 33 hydraulického servopohonu 300, resp. mezi škrticím elementem '32 a vnější válcovou stěnou implozní komory 31 regulačního ventilu £.

V závislosti na rychlosti poklesu tlakové úrovně hydraulického výstupu fluidického snímače £, velikosti urychlovaných hmot hydraulického servopohonu 300 a regulačního ventilu £ a na povaze hysterézního procesu vyvolaného třením dojde při překročení třecích sil k rychlému dynamickému jevu, tzv. utržení ventilu, který způsobí náhlé zvýšení průtočného průřezu regulačního ventilu 3.

V souhlasu s tlakovým spádem na regulačním ventilu 3, a dynamikou horní větve 51 a spodní větve^- '50 spojovacího potrubí £ a odpadního potrubí 52 způsobí náhlé zvýšení průtočného průřezu regulačního ventilu £ rychlý výtok kondenzátu z regeneračního ohříváku _1.

Současně se zvýšeným výtokem spojovacím potrubím' 5 dojde na snímací dýze _4 v úrovni mezikruhové štěrbiny 41 k poklesu tlakové úrovně a tato změna je přenesena potrubím korekční zpětné vazby £ do anulárního odpadního prostoru' ‘221 fluidického snímače 2.

Poklesem protitlaku vzroste hltnost mezikruhu difuzoru 220 a zvýšeným výtokem z vnitřního válcového prostoru stínícího pláště 23 je v tomto prostoru rychle snížena úroveň hladiny kondenzátu.

Snížením vrstvy kapaliny nad snímací tryskou' 22 a odpovídající redukcí rozpadového procesu je zvýšen tlak v ústí snímací trysky 22 a tato změna je přenesena ovládacím potrubím _7 nad píst' 36 hydraulického servopohonu’ '300.

Nově vzniklá silová diference opačného smyslu omezí rychlost posuvu pístu 36 směrem vzhůru, resp. při neadekvátním překývnutí regulace, počne posouvat píst 36 hydraulického servopohonu '300 směrem dolů, a tím uzavírat regulační ventil 3.

Tímto způsobem realizovaná rychlá zpětná vazba interně koriguje neadekvátní překývnutí fluidicko-hydraulického obvodu vyvolané hysterézí hydraulického servopohonu 300 a regulačního ventilu' _3, aniž by došlo k vzniku mezního cyklu celé regulační smyčky s nepřijatelně vysokou amplitudou oscilací stavových veličin.

Zavedení interní zpětné vazby vyvozené průtokem kapaliny má ve smyslu zlepšení celkové funkce fluidicko-hydraulického obvodu, ale daleko podstatnější kvalitativní než dosud popsaný kvantitativní aspekt.

Implementováním interní zpětné vazby do fluidicko-hydraulického obvodu jsme získali regulační smyčku, jejíž základní prvek, fluidický snímač, dostává v průběhu regulačního děje informace nejen o úrovni hladiny v regulované soustavě, jako tomu bylo u předchozích řešení, ale také informaci o průtoku kapaliny systémem.

Na základě těchto dvou informací získaných dvěma různými informačními kanály /změnou hladinové diference na stínícím plášti snímače a změnou hltnosti mezikruhového difuzoru/ je možno dosáhnout adaptivního chování fluidického snímače, a tím i celého regulačního obvodu.

Proces parametrické adaptace zapojeni fluidicko-hydraulického obvodu podle vynálezu je možno demonstrovat na průběhu koncové fáze přechodového děje, jehož počáteční fázi jsme již použili při popisu účinků interní zpětné vazby redukující amplitudu mezního cyklu.

Po částečném přivření regulačního ventilu 3_, které bylo vyvoláno zásahem rychlé zpětné vazby vyvolané průtokem, počne pomalu stoupat úroveň hladiny kondenzátu v regeneračním ohříváku 1,

Zvýšení hladinové diference na stínicím plášti 2 3 fluidického snímače 2_ vyvolá okamžité zvýšení nátoku kapaliny a nárůst hladiny v tomto prostoru. Následuje již popsaný děj ovlivně· ný hysterézí mechanicky svázané soustavy hydraulického servopohonu 300 a regulačního ventilu 3 a zásah interní zpětné vazby a po proběhnutí určitého časového intervalu se regulační systém ustálí do nového stavu s novou zvýšenou hladinovou diferencí na stínicím plášti 23, kterou je kryta zvýšená hltnost mezikruhového difuzoru 220. Zvýšení hladinové diference ovšem odpovídá pokles zesílení fluidického snímače 2, tj. přestavení jeho základního parametru.

Tato parametrická adaptace fluidického snímače na zvýšený průtok kapaliny regulovanou soustavou a odpovídající zrychlení integračního děje proto představuje jednoduchou možnost, jak redukovat nežádoucí zvýšení celkového zesílení systému hladinové regulace.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Zařízení k fluidicko-hydraulické regulaci hladiny kapalin, sestávající z fluidického snímače, snímací dýzy a z regulačního ventilu, vyznačené tím, že fluidický snímač /2/, připojený svou horní částí k nádobě /1/, je spodní částí připojen jednak ke snímací dýze /4/ uložené ve spojovacím potrubí /5/ a jednak k nadpístnímu prostoru hydraulického sěrvopohonu /300/, připojeného k regulačnímu ventilu /3/ spojovacího potrubí /5/.