СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АППАРАТАМИ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
AUTOMATIC CONTROL METHOD OF AIR COOLING DEVICES

Изобретение относится к вентиляторным установкам переменной производительности и может быть использовано в системах транспортировки газа и энергетических установках, где требуется охлаждение теплообменников аппаратов воздушного охлаждения (АВО) воздухом для поддержания требуемой температуры охлаждаемой среды. Использование изобретения позволяет повысить энергоэффективность работы установок охлаждения (УО). Энергоэффективность работы УО оценивается расходом электроэнергии, потребляемой электродвигателями вентиляторов, для обеспечения заданной разности температур (перепада температур) на входе и выходе УО при стационарном режиме работы установки, характеризуемом определенным расходом и давлением охлаждаемой среды, температурой наружного воздуха и т.д.
Известны способы автоматического управления процессом охлаждения газа и реализующие их устройства (см. Крюков Н.П. Аппараты воздушного охлаждения. - М.: Химия, 1983. - 168 с.), основанные на включении/отключении электродвигателей вентиляторов многосекционных теплообменников по результатам измерения температуры газа на выходном коллекторе УО. Недостатком известного способа и реализующего его устройства является повышенный расход электроэнергии.
Наиболее близким к заявленному способу является взятый за прототип способ, реализуемый системой частичного (дискретного) отключения работающих вентиляторов многосекционных АВО, содержащей блок управления, датчик температуры охлаждаемой среды, вентиляторы с электродвигателями, группу теплообменников (см. Крылов В.Г. Эксплуатация газопроводов Западной Сибири», Л.: Недра, 1985 - 152 с.). Недостатком этого способа и реализующей его системы является повышенный расход электроэнергии.
Задача изобретения - создание способа автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения, обеспечивающего стабилизацию температуры на выходе УО на заданном уровне при минимальном расходе электроэнергии электродвигателями вентиляторов АВО в условиях широкого диапазона изменения температуры наружного воздуха, расхода и температуры охлаждаемой среды на входе в УО.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в экономии электрической энергии, расходуемой на охлаждение.
Технический результат достигается тем, что в известном способе автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения, заключающемся в измерении температуры охлаждаемой среды на выходном коллекторе многосекционной установки охлаждения и включении/отключении части электродвигателей вентиляторов секций установки в функции измеренной температуры охлаждаемой среды, дополнительно для каждой секции теплообменников при включенном двигателе вентилятора измеряют электрическую мощность, потребляемую им из сети, температуру на входе и выходе секции, периодически определяют разность измеренных температур на входе и выходе, а также отношение разности температур к измеренной мощности, принимают вычисленные отношения за показатели эффективности работы секций теплообменников, периодически запоминают и сравнивают их, при этом в случае отклонения температуры охлаждаемой среды на выходном коллекторе установки охлаждения ниже зоны допустимых отклонений с выдержкой времени отключают вентилятор секции теплообменника с наименьшим показателем эффективности, а в случае отклонения температуры выше зоны допустимых отклонений подключают вентилятор секции теплообменника с наибольшим показателем эффективности среди отключенных, зону допустимых отклонений температуры среды на выходном коллекторе установки охлаждения принимают равной 5%…7% от заданного (требуемого) значения температуры, выдержку времени на отключение вентилятора секции, имеющей наименьший показатель эффективности, принимают в 5…7 раз больше постоянной времени нагрева секции установки охлаждения, при значениях показателей эффективности всех секций, меньших или равных нулю, отключают электродвигатели всех вентиляторов.
Эффективность работы различных секций теплообменников различна. Она зависит от местоположения теплообменника, например, теплообменники, расположенные в центре УО, имеют при прочих равных условиях меньшую энергоэффективность, т.к. обдуваются воздухом, подогретым соседними секциями. Кроме того, энергоэффективность секций зависит от угла атаки лопастей, состояния теплообменника (загрязненности, механических повреждений теплообменной поверхности), конкретных характеристик электродвигателей вентиляторов (например, электродвигатели после ремонта, как правило, имеют пониженный КПД) и других факторов.
Тепловая мощность секций теплообменников и их количество выбирается так, чтобы обеспечить необходимый температурный перепад в наиболее неблагоприятном режиме работы УО (при максимальном расходе охлаждаемой среды, наибольшей температуре воздуха, наибольшей температуре охлаждаемой среды на входе УО и т.д.). При этом в других условиях, например в зимний период, необходимая температура охлаждаемой среды на выходе УО может быть обеспечена при отключении части вентиляторов. Оптимальный по потреблению электроэнергии режим работы УО в этих условиях может быть достигнут за счет отключения вентиляторов секций АВО, имеющих наименьшие показатели энергоэффективности. Указанный режим работы многосекционных УО с нерегулируемым приводом вентиляторов достигается при использовании предложенного способа.
На фигуре 1 показана схема устройства для практической реализации предлагаемого способа автоматического управления процессом охлаждения природного газа. На чертеже показана последовательная схема установки теплообменников. В общем случае схема УО может содержать параллельно-последовательно включенные секции теплообменников. На чертеже обозначено:
1 - входной коллектор УО;
2.1…2n - секции теплообменников (например, для АВО типа 2АВГ-75С - это пучок из 528 поперечно-оребренных биметаллических трубок, расположенных в шахматном порядке, снабженных входным и выходным коллекторами и охлаждаемых при помощи вентиляторов 4.1…4n с приводными асинхронными электродвигателями 5.1…5.n);
3 - выходной коллектор УО;
4.1…4.n - вентиляторы;
5.1…5.n - приводные электродвигатели вентиляторов;
6.1…6.n - коммутирующие устройства, производящие подключение/отключение электродвигателей;
7.1…7.n+1 - датчики температуры охлаждаемой среды на входе и выходе секций теплообменников (во входном и выходном коллекторе секций);
8 - блок обработки измерительной информации и автоматического управления;
9.1…9.n-датчики мощности, потребляемой электродвигателями вентиляторов;
10 - датчик температуры охлаждаемой среды в выходном коллекторе УО (в общем случае в выходной коллектор поступает также охлаждаемая среда с параллельно включенных секций УО).
Функционирование устройства, реализующего предлагаемый способ, происходит следующем образом.
факт
зд
зд
В процессе работы устройства с помощью датчиков 7.1 и 10 осуществляется измерение температуры охлаждаемой среды на входе и выходе УО и соответствующие сигналы поступают в блок 8 обработки измерительной информации и автоматического управления, где производится сравнение фактического значения температуры Т на выходе УО с заданным (требуемым) Т значением. Заданное значение Т может поступать в устройство, например, с высшего уровня управления. В блок 8 обработки измерительной информации и автоматического управления поступают также сигналы с датчиков температуры 7.1…7.n на входе и выходе каждой секции теплообменников, причем измеренное значение температуры на выходе первой секции теплообменника 2.1 совпадает с температурой на входе следующей секции 2.2 теплообменника. Кроме того, при включенных двигателях 5.1…5.n вентиляторов 4.1…4.n с помощью датчиков 9.1…9.n мощности измеряется мощность, потребляемая электродвигателями вентиляторов каждой секции теплообменника. В блоке 8 обработки измерительной информации и автоматического управления периодически вычисляется отношение разности температур на входе и выходе каждой секции теплообменника к электрической мощности, потребляемой электродвигателем соответствующей секции. Указанное отношение принимается за показатель эффективности работы секции теплообменника.
После включения УО с блока 8 обработки измерительной информации и автоматического управления на коммутирующие устройства 6.1…6.n поступают управляющие сигналы на включение электродвигателей 5.1…5.n вентиляторов 4.1…4.n. Происходит интенсивное охлаждение среды и снижение температуры на выходе УО (см. фигуру 2). При этом в блоке 8 обработки измерительной информации и автоматического управления происходит вычисление показателей эффективности работы секций теплообменников и периодическое сравнение их.
1
зд
факт
факт
2
Если температура охлаждаемой среды в выходном коллекторе УО в некоторый момент времени t (фигура 2) снижается ниже зоны допустимых отклонений: Т-Т>Δ, блок 8 обработки измерительной информации и автоматического управления с выдержкой времени выдает воздействие на отключение коммутирующего устройства 6 электродвигателя 5 вентилятора 4 секции теплообменника с наименьшим показателем эффективности. Если после отключения одного вентилятора фактическая температура Т в выходном коллекторе остается ниже зоны допустимых отклонений Δ, блок 8 с выдержкой времени выдает воздействие на отключение коммутирующего устройства 6 следующего электродвигателя 5 вентилятора 4 секции теплообменника с наименьшим показателем эффективности среди оставшихся в работе и т.д. В результате температура на выходе УО входит в зону допустимых отклонений (момент времени t на фигуре 2) и в стационарном режиме остается неизменной.
3
4
Если под действием каких-либо возмущений, например из-за возрастания температуры охлаждающего воздуха, температура повышается и (в момент времени t на фигуре 2) становится больше заданной, с блока 8 обработки измерительной информации и автоматического управления на коммутирующее устройство 6 секции теплообменника с наибольшим показателем эффективности среди отключенных поступает управляющий сигнал на включение электродвигателя 5. В результате температура на выходе У О начинает снижаться и (в момент времени t на фигуре 2) входит в зону допустимых отклонений. Уменьшение количества включений/отключений двигателей вентиляторов достигается за счет того, что зону допустимых отклонений температуры среды на выходном коллекторе установки охлаждения принимают равной 5%…7% от заданного (требуемого) значения температуры. А также за счет того, что выдержку времени на отключение вентилятора секции, имеющей наименьший показатель эффективности, принимают в 5…7 раз больше постоянной времени нагрева секции установки охлаждения.
Возможны ситуации, в частности в летний период, когда температура охлаждающего воздуха выше или равна температуре охлаждаемой среды. При этом показатели эффективности работы секций теплообменников, вычисляемые в блоке 8 обработки измерительной информации и автоматического управления, оказываются меньшими или равными нулю, и блок 8 выдает на коммутирующие устройства 6.1…6n сигналы на отключение всех электродвигателей 5.1…5.n вентиляторов 4.1…4.n. Тем самым исключается непроизводительное расходование электроэнергии.