Автоматизация аппарата очистки природного газа

 

• колебательность n – число колебаний системы от момента воздействия на нее до перехода в установившееся состояние n=1;
• время нарастания регулируемой величины =0,2 – время, при котором выходная величина достигает своего максимального значения;
• время первого согласования определяется как время, за которое регулируемая величина первый раз достигает своего установившегося значения.

По полученным характеристикам можно судить об удовлетворительном качестве управления. Система не нуждается в коррекции.

Чтобы построить АЧХ данной системы произведем замену р на jw (4.8).

 

(4.8)

 

.

Построим график АЧХ (Рисунок 16) и определим оп нему косвенные оценки качества системы. Для этого необходимо разделить R(ω)  на вещественную U(ω) и мнимую части V(ω).

График АЧХ будет описываться формулой (4.9):

 

.                                         (4.9)

                                   

Для упрощения задачи воспользуемся функцией Mathcad’a:

Рисунок 16 - График АЧХ

 

Косвенные оценки качества системы:

• колебательность (показатель колебательности) определяется выражением(4.10):

 

,                                                     (4.10)

 

где    А(0)=0,028 – значение АЧХ при =0; =0,061, тогда М=2,1;

• резонансная частота определяется как частота, при которой АЧХ достигает максимального значения ;
• полоса пропускания – время наилучшего прохождения сигнала по системе. Для ее определения вычисляется величина , тогда полоса пропускания будет от 13,1 до 22,5.

Для построения ЛАЧХ и ЛФЧХ (Рисунок 17) воспользуемся Matlab’ом. Для этого зададим передаточную функцию разомкнутой системы (4.11):

 

s=zpk('s');                                                   (4.11)

w=(0,006)/((0,05^2*s^2+0,05*0,4*s+1)*(0,02*s+1)*(0,03*s+1)*(0,04^2*s^2+0,04*0,2*s+1)).

Zero/pole/gain:

2500000

----------------------------------------------------

(s+33,33) (s+50) (s^2  + 8s + 400) (s^2 + 5s + 625) .

 

Воспользовавшись расширением пакета Toolbox, командой sisotool:

 

Рисунок 17 – График ЛАЧХ и ЛФЧХ

 

По ЛАЧХ и ЛФЧХ так же можно определить, устойчива система или нет.  Для определения устойчивости замкнутой СЛУ необходимо из точки, где ЛФХ принимает значение  -1800 провести вертикальную линию до пересечения с ЛАХ. Если ЛАХ в этой точке имеет отрицательное значение (т.е. расположена ниже оси абсцисс), то замкнутая САУ устойчива. Если ЛАХ в этой точке имеет положительное значение (или расположена выше оси абсцисс), то замкнутая САУ неустойчива. Если ЛАХ в этой точке равна 0, то замкнутая САУ находится на границе устойчивости. При анализе устойчивости САУ по критерию Найквиста по ЛАЧХ введено понятие:

• запас устойчивости по амплитуде -  это величина в децибелах, на которую надо увеличить   коэффициент   усиления, чтобы привести систему к границе устойчивости (4.12):

 

                                           (4.12)

 

где    - частота при которой ;

• запас устойчивости по фазе – это угол, на который надо уменьшить фазо-частотную характеристику, чтобы ее значение равнялось -1800.

В данном случае запас по амплитуде равен  30 dB. Запас по фазе равен бесконечности.

Определение устойчивости системы.

Чтобы система описываемая линейным дифференциальным уравнениями с постоянными коэффициентами была устойчива необходимо и достаточно чтобы вещественные корни дифференциальных уравнений были отрицательны, а комплексные корни имели отрицательную вещественную часть.

 Воспользуемся  методом Ляпунова (4.13):

 

           (4.13)

®

 

Так как все вещественные части корней меньше 0, то можно сделать вывод, что система устойчива.

 

5.3 Нелинейная часть расчета АСР уровня жидкости в резервуаре

 

 

 

 

Рисунок 18 – Начальная схема АСР

 

Данную схему необходимо привести к следующему виду (рисунок 19):

 

Рисунок 19 – Начальная схема преобразованная АСР

 

Преобразуем начальную данную  схему к исследуемой. При переносе нелинейного элемента к входному сигналу, то выражение входного сигнала измениться. G1(p)=G(p)*W1. То есть это повлияет на сигналы прямой связи.

Разомкнем систему перед нелинейным элементом, перенося на новый вход системы регулирующее воздействие. Получим следующую структурную схему (рисунок 20):

 

Рисунок 20 – Структурная схема

 

Найдем передаточную функцию линейной части (4.14):

 

                                        (4.14)

 

 

 

Далее пренебрегая всеми значениями меньшим чем 10-3, получим следующую передаточную функцию линейной части:

 

 

 

Построение фазового портрета.

Уравнение нелинейного элемента (4.15):

 

                                                  (4.15)

 

Запишем уравнение сравнивающего элемента (4.16):

 

                                            (4.16)

                   

Предположим, что задающее воздействие . Тогда уравнение нелинейной САУ будет иметь следующий вид (4.17):

 

                         (4.17)

          

Характеристика нелинейного элемента разбивается на три линейных участка и для каждого из них составляется линейное дифференциальное уравнение:

 

 

 

Исключим время, произведя замену :

 

 

 

Разделим каждое уравнение в правой части на , а правые разделим на z. Член с   оставим в правой части, далее разделим уравнения на Т, получим:

 

 

 

Умножим на  z, получим:

 

 

 

В MATHCAD программа получения фазовых траекторий на фазовой плоскости путем непосредственного решения данной системы уравнений имеет следующий вид.

Зададим значения коэффициентов :

T=0,0051;   k=0,03; c=2;   b=1,5;   ε=5,6.

Зададим начальное значение для вектора, .

Определим функцию D по 3-м линейным участкам нелинейной статической  характеристики, задающую производную,  приведя дифференциальное уравнение 2-го порядка к системе 2-х дифференциальных уравнений 1-го порядка (4.18):

 

                  (4.18)

 

 

Y:=rkfixed(y,0,200,2000,D);

i:=0..rows(Y)-1/.

 

Рисунок 21 - Фазовый портрет САУ

 

Рисунок 22 - Переходный процесс нелинейной системы

 

По полученному фазовому портрету (рисунок 21) проводим анализ устойчивости СУ. При этом видно, что система является устойчивой так как фазовый портрет закручивается по спирали по часовой стрелке. Качество управления СУ, о котором можно судить по виду фазового портрета, является удовлетворительным и не требует дополнительной коррекции. Так как переходный процесс стремится к устойчивому состоянию (рисунок 22), то система считается устойчивой.

 

 

 

 

 

 

 

6. Безопасность и экологичность работы.

 

6.1. Анализ опасных и вредных факторов на производстве.

В современном мире вопросы безопасности ставятся на первое место. Только за последние 6 лет в РФ на нефтеперекачивающих заводах произошло более 50 чрезвычайных происшествий. На нефтеперекачивающей станции могут возникнуть возгорания на любою установке, любом помещений, взрывы в хранилищах топлива и других взрывоопасных веществ, выброс попутного газа, пробоины в нефтепроводе, загрязнение воздушной среды, большое количество загрязняющих веществ в помещениях и т.д.

В рассмотренной теме ВКР актуальны вопросы безопасности и экологичности работы такие как: оценка качества воздушной среды в рабочей зоне, расчет системы местного освещения зоны, расчет системы общего освещения, расчет системы зануления, определение ПДС загрязняющих веществ в водоеме, которым пользуются для хозяйственно-питьевого водоснабжения , оценка зон теплового воздействия при горении зданий и других промышленных объектов.

 

6.2 Расчет системы зануления

К защитным средствам от поражения электротоком относят: специальные устройства ограждения; устройства сигнализации и автоматического контроля; устройства изоляции; защитное заземление и зануление; автоматические выключатели; разрядники и молниеотводы.

Главной характеристикой изоляции является  сопротивление, в момент работы электрооборудования состояние электрической изоляции теряет свои свойства из-за нагрева, повреждений механического характера, влияния окружающей природной среды. Соответственно «Правилам устройства электрооборудования» (ПУЭ) сопротивление изоляции в установках напряжением до 1000 В должно быть не меньше 0,5 МОм.

Зануление – преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Нулевым защитным проводником называют проводник, который соединяет зануляемые части с нейтральной земленной точкой обмотки источника электрического тока или ее эквивалентом.

При выборе для защиты от поражения электрическим током зануления обязательно знать режим нейтрали вторичной обмотки питающего участок трансформатора на подстанции:

• при изолированной нейтрали применяется заземление;
• при глухозаземлённой нейтрали — зануление.

Конструктивно зануление выполняется путём присоединения корпуса к нулевому проводу, проходящего внутри производственного участка и присоединяется к нейтрали вторичной обмотки питающего трансформатора на подстанции.

В случае пробоя изоляции ток короткого замыкания по нулевому электропроводу возвращается в нейтраль и по проводам фазы — на автоматический выключатель оборудования, на котором случилось короткое замыкание, и разрывает электрическую цепь питания. Недопустимо в режиме глухозаземлённой нейтрали  применять заземления вместо зануления, так как в этом случае ток короткого замыкания уменьшается в несколько раз и автомат не отключит электрооборудование, на корпусе которого будет сохраняться длительное время опасное напряжение.

Расчет системы зануления необходим для обеспечения защита от поражения электрическим током обслуживающего персонала. 

Данные для расчета : k  – коэффициент надежности, k =3; Pэ –мощность электродвигателя, Pэ=10×103 Вт;– длина провода в пределах участка, = 80 м; Uф – фазное напряжение, Uф=220 В; D – диаметр провода в подводящем кабеле, D=5×10-3 м; rпров – удельное сопротивление алюминиевого проводника rпров=2,53×10-8 Ом×м; rст. – удельное сопротивление стали, 
Ом×м; мощность трансформатора — 25 кВ А, нулевой проводник — труба.

1. Определить  номинальный и пусковой ток  электродвигателя, и ток короткого  замыкания:

 

Iн= ,    (6.1)

 

 

 

Iпуск.=3Iн ;                              (6.2)

 

Iпуск.=3×15,15=45,5 А.

 

Iк.з.=1,5Iпуск ;                              (6.3)

 

 А.

 

 

 

 

2. Рассчитаем  активное сопротивление фазного  алюминиевого провода:

 

 ;                      (6.4)

где     S — площадь сечения кабеля, .

 

 

 

3. Рассчитываем площадь поперечного  сечения трубы:

 

;                                      (6.5)

 

 

 

4. Вычисляем активное сопротивление  нулевого проводника:

 

;                                       (6.6)

 

 

5. Определяем сопротивление взаимоиндукции  между проводами:

 

                                                        (6.7)

 

где     m0— абсолютная магнитная проницаемость вакуума, m0=4p10-7 Гн/м;

d — расстояние между проводами (»7 мм), м;

w — циклическая частота, w=2pf=2×3,14×50=314 рад/с.

 

  ) =6.3* Ом.

 

6. Вычисляем  полное сопротивление петли «фаза-нуль»:

 

;                     (6.8)

 

=0,7 Ом.

 

7. Определяем ток короткого замыкания:

 

                                      (6.9)

 

где    величину берем из приложения Д.

.

 

8. Определяем  соответствие условию:

 

Iк.з. ³ k Iн;

 

49,5 А ³ 3×15,15 А.

 

Принимаемая система зануления удовлетворяет условию: 49,5 ³ 3×15,15 А. (49,5 45,5). На основании расчетов делаем вывод, что принимаемая система зануления удовлетворяет условию Iк.з. ³ k Iн, и обеспечена необходимая защита от поражением электрическим током.

 

6.3 Оценка зон теплового воздействия при пожаре

Решение данной задачи необходимо для определения безопасного расстояния от резервуара на нефтебазе  при его возгорании.

1. Расчет протяженности зон теплового  воздействия, R, м, при горении резервуара производится по формуле:

 

;        (6.10)

 

 

где    Rпр. –– приведенный размер очага горения, м, равный 0,8×Dрез –– для горения нефтепродуктов в резервуаре;

Dрез –– диаметр резервуара, м;

qсоб –– плотность потока собственного излучения пламени пожара, для нефти составляет 874 кВт/м2;

qкр –– критическая плотность потока излучения пламени пожара, падающего на облучаемую поверхность и приводящую к тем или иным последствиям возгорание нефти через 3 минуты равна 41 кВт/м2.