СПОСОБ И СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КЛАПАНОМ-РЕГУЛЯТОРОМ
AUTOMATIC CONTROL METHOD AND SYSTEM OF REGULATING VALVE

Изобретение относится к способам и техническим средствам автоматизации технологических процессов транспорта природного газа по газопроводам и предназначено для автоматического управления клапаном-регулятором с электроприводом.
Известные в газовой промышленности автоматизированные системы управления технологическими объектами применяют краны для регулирования давления газа на выходе до заданного с определенной точностью по алгоритмам ПИД и USWO.
Такие системы обеспечивают точность регулирования давления на выходе регулятора, но используют очень сложные модели управления и алгоритмы САУ с несколькими контурами управления, имеющими порядок инерционного звена в цепях регулирования и измерения более двух. Из теории автоматического регулирования известно, что схемы объектов с обратными связями (инерционным звеном) более второго порядка и усилением более 1 имеют неустойчивость и склонны к превращению в автогенераторы из-за фазового сдвига в цепях регулирования более 360 градусов и превращению обратной связи из отрицательной в положительную. Для настройки таких систем на объекте требуются сложные и длительные процедуры экспериментального определения постоянных времени, времен запаздывания и других коэффициентов в цепях измерения и регулирования с целью достижения устойчивости работы АСУ. Эти данные не могут быть получены из теоретических расчетов достаточно точно для оптимальной работы АСУ (Бажанов В. «USWO новый способ формирования управления для замкнутых систем автоматического регулирования», журнал «Современные технологии автоматизации», №4, 1998 г., стр.28-32).
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым техническим решениям является система автоматического управления краном-регулятором по патенту РФ №2382392 (МПК G05D 16/00, опубл. 20.02.10 г.), работающая по способу поддержания выходного давления газа до определенного его значения с контролем и управлением за позиционированием клапана-регулятора. Система выполняется как трехконтурная: с внешним контуром давления, промежуточным контуром углового положения и внутренним контуром скорости перемещения исполнительного органа крана-регулятора. В контуры давления и углового положения вводятся специально спроектированные нелинейные элементы, а в контуре скорости используется нелинейный элемент типа «зона нечувствительности».
Недостатком известного технического решения является сложность системы и трудоемкость ее настройки, а также повышенная цикличность включений крана-регулятора из-за необходимости точного регулирования давления до определенного заданного значения, что вызывает повышенный износ крана-регулятора.
Цель предлагаемых изобретений - устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в упрощении системы и повышении надежности и срока ее службы.
Технический результат обеспечивается тем, что способ автоматического управления клапаном-регулятором заключается в регулировании давления газа на выходе клапана-регулятора, которое задается в расширенном диапазоне до значений, обеспечивающих работоспособность последующего оборудования в оптимальном режиме, с учетом сравнения вычисленного по формулам расхода газа через клапан-регулятор и расхода газа, полученного от имеющегося расходомера для подачи требуемого количества потребителю.
Технический результат системы автоматического управления клапаном-регулятором, обеспечивается тем, что в системе, содержащей объект управления, состоящий из клапана-регулятора с затвором, соединенным с электроприводом, датчики давления на входе и выходе клапана-регулятора, вычислительное устройство с входными преобразователями, соединенными соответственно с датчиками давления на входе и выходе клапана-регулятора, и с выходными преобразователями для управления положением затвора, на выходе установлен расходомер, вход которого соединен с датчиком перепада давления и датчиком температуры, а клапан-регулятор снабжен датчиком положения затвора, при этом вычислительное устройство также содержит входные преобразователи для соединения с выходом расходомера и для соединения с датчиком положения затвора. Система может быть снабжена установленным на выходе системы датчиком положения уставок интервала выходного давления, соединенным с вычислительным устройством через дополнительный входной преобразователь. Кроме того, система может быть снабжена интерфейсом верхнего уровня, соединенным с вычислительным устройством и имеющим обратную связь.
Изобретение поясняется функциональной схемой.
Система автоматического управления клапаном-регулятором содержит объект управления, который состоит из клапана-регулятора 1 с затвором 2, соединенного с электроприводом 3. Клапан-регулятор 1 снабжен датчиком положения затвора 4. На входе клапана-регулятора 1 установлен датчик давления 5, а на выходе - датчик давления 6. На выходе системы расположен расходомер 7 с сужающим устройством 8, вход которого соединен с датчиком перепада давления 9 и датчиком температуры 10. Система содержит вычислительное устройство 11 с входными преобразователями 12, 13, 14 и 15 и выходные преобразователи 16 и 17. С вычислительным устройством 11 входной преобразователь 12 соединяет датчик давления 5 на входе клапана-регулятора 1, а входной преобразователь 13 - датчик давления 6 на выходе клапана-регулятора 1. Входной преобразователь 14 соединяет расходомер 7 с вычислительным устройством 11, а входной преобразователь 15 соединяет с вычислительным устройством 11 датчик положения затвора 4. Выходные преобразователи 16 и 17 соединяют вычислительное устройство 11 с электроприводом 3 для управления положением затвора 2 (открытия или закрытия клапана-регулятора 1). Для оперативной установки режима оборудования по давлению используется размещенный на выходе системы электроконтактный датчик положения уставок интервала выходного давления 18, который с вычислительным устройством 11 соединен входным преобразователем 19. К вычислительному устройству 11 может быть подключен интерфейс верхнего уровня 20 с обратной связью. На схеме позициями 21 и 22 обозначены соответственно входной и выходной трубопроводы.
Система автоматического управления клапаном-регулятором работает следующим образом.
В вычислительное устройство 11 поступают с входных преобразователей 12, 13, 14 и 15 соответственно следующие данные: давление на входе клапана-регулятора 1, давление на выходе клапана-регулятора 1, расчетное значение расхода газа Q от расходомера 7, учитывающего показания датчика перепада давления 9 и датчика температуры 10, и положение затвора 2.. Управление клапаном-регулятором 1 осуществляется по двум входным параметрам: выходному давлению и измеренному расходомером 7 расходу газа. После анализа расчетных и полученных данных вычислительное устройство 11 через выходные преобразователи 16 или 17 подает команды управления положением затвора 2 электроприводом 3.
При необходимости оперативного изменения диапазона выходного давления (Рн, Рв) электроконтактный датчик 18 вручную регулируют для задания нижнего и верхнего давления в выходном трубопроводе 22 (Рн, Рв). Требуемые данные для расчета текущего газа: максимальный расход газа Qмах, плотность (ρ) и сжимаемость газа (Z) передаются через интерфейс верхнего уровня 20 в вычислительное устройство 15.
Расчетное значение расхода газа через клапан-регулятор и требуемое положение затвора определяется по следующим формулам с учетом полученного значения расхода газа Qизм от расходомера 10.
Расчет расхода газа [4] через клапан и требуемое положение затвора регулирующего клапана осуществляется по следующим формулам: при критическом режиме
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>257</mn><mo>⋅</mo><mi>K</mi><mi>ν</mi><mi>i</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>Z</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo>/</mo><mi>ч</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
при докритическом режиме:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>514</mn><mo>⋅</mo><mi>K</mi><mi>ν</mi><mi>i</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><msqrt><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>Z</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo>/</mo><mi>ч</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Требуемый ход (положение) затвора регулирующего клапана hi:
<mrow><mi>h</mi><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>Q</mi><mtext>изм/Qмах*L</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где L - полный ход клапана (например, 28 мм);
Kν - условная пропускная способность при полностью открытом клапане с максимальным расходом Qmax;
Kνi - условная пропускная способность при данном положении клапана hi с текущим расходом Qизм;
hi - положение регулирующего клапана относительно закрытого состояния, мм;
<mrow><mi>K</mi><mi>ν</mi><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>h</mi><mi>i</mi></mrow><mrow><mn>28</mn></mrow></mfrac></mrow>
1
2
P - давление на входе клапана, кгс/см;
2
2
P - давление на выходе клапана, кгс/см;
1
2
2
ΔР-P-P- перепад давлений на регулирующем клапане, кгс/см;
1
T - температура газа на входе, К;
Z - коэффициент сверхсжимаемости газа;
3
ρ - плотность газа, кг/м.
Расчетные значения расхода газа по формулам (1) или (2) сравниваются с данными, полученными от расходомера для корректировки величины hi при установке действительного положения затвора.
При подключении интерфейса 20 с обратной связью к вычислительному устройству 11 предусматривается получение данных и команд с интерфейса и выдача в интерфейс данных о состоянии системы, которые осуществляются по стандартным каналам связи.
Вычислительное устройство 11 выполняет следующие алгоритмы работы:
непрерывный сбор данных о состоянии системы,
ввод данных и выполнение, полученных команд с интерфейса, анализ и передача данных о состоянии системы в интерфейс,
плавное заполнение выходного трубопровода газом при пусконаладочном режиме,
основной режим - обеспечение выходного давления в расширенном диапазоне заданных уставок (Рн, Рв) с одновременным отслеживанием и поддержанием необходимого расхода газа за счет обработки данных с расходомера и управления через выходной преобразователь положением затвора крана-регулятора,
режим ограничения расхода газа по команде с интерфейса,
режим охранного крана по команде с интерфейса.
Плавное заполнение трубопровода производится следующим образом: постепенно открывается клапан-регулятор, при этом происходит непрерывный контроль выходного давления и расхода газа. При достижении стабилизации расхода газа производится расчет требуемого положения затвора клапана-регулятора и переход в основной режим работы.
При работе в основном режиме контролируется выход за пределы уставок (Рн, Рв). В случае достижения значения уставок вне заданного интервала рассчитывается текущее значение расхода крана-регулятора по формуле (1) или (2) и с учетом измеренного расходомером текущего значения расхода газа Qизм вычисляется положение затвора клапана-регулятора по формуле (3), затем через выходные преобразователи выдаются управляющие воздействия на электропривод клапана-регулятора для перевода его в необходимое положение. В противном случае, никаких действий с клапаном-регулятором не производится. Таким образом, при малых изменениях расхода газа и широком интервале уставок число срабатываний клапана-регулятора будет минимальным и приведет к увеличению срока его службы.
В режиме ограничения расхода газа производится регулировка расхода газа в выходной трубопровод по заданной с интерфейса величине в вычислительное устройство. В качестве регулирующего параметра используется вычисленный расход газа в выходном трубопроводе.
Режим охранного крана реализуется благодаря тому, что клапан-регулятор имеет возможность полного перекрытия трубопровода, и при поступлении команды перекрытия с интерфейса система перекроет подачу газа в выходной трубопровод.