L14. Studiul sistemelor de reglare a presiunii 1. Obiectul lucrării constă în studiul construcţiei şi funcţionării unor sisteme de reglare automată a presiunii în instalaţii tehnologice - S.R.A-P. 2. Instalaţii în care apare necesitatea reglării presiunii Într-o serie de instalaţii tehnologice ca: reţele de distribuirea gazelor şi a apei, coloane de fracţionare, procese de separare, cazane cu abur, cuptoare industriale încălzite cu combustibil lichid sau gazos, etc., se impune fie menţinerea constantă a presiunii într-o anumită zonă a instalaţiei, fie asigurarea unei dependenţe dorite faţă de un alt parametru tehnologic. Starea termodinamică a unui sistem poate fi definită cu ajutorul presiunii p, entalpiei i şi volumului V. Dacă este prezentă numai faza gazoasă, presiunea şi volumul sunt invers proporţionale, entalpia jucând un rol relativ minor. Entalpia depinde în special de temperatură. Dacă însă vaporii se află în echilibru cu faza lichidă respectivă, o variaţie a entalpiei sistemului va produce şi o variaţie pronunţată a presiunii, în timp ce variaţiile de volum au un efect mai redus. În plus, lichidele sunt virtual incompresibile şi ca urmare nici presiunea şi nici entalpia nu au o influenţă mare asupra sistemului. Deci presiunea este o mărime de stare în srtânsă dependenţă cu alte mărimi de stare: entalpia şi volumul. Aspectele mai sus menţionate stau la baza măsurării şi reglării presiunilor în diverse instalaţii tehnologice complexe cum sunt de exemplu instalaţiile de cazane, degazoare termice, reactoare chimice, etc., unde prin intermediul măsurării şi reglării presiunii se acţionează fie asupra conţinutului de material (volum specific), fie asupra conţinutului de energie (entalpia) din sistem. Rezultă că presiunea poate fi reglată fie prin modificarea debitelor admise sau evacuate, fie prin modificarea unui schimb de căldură. În cele ce urmează se fac referiri numai la problemele reglării presiunii într-un vas tehnologic VT cu volum dat, respectiv la realizarea unei presiuni într-un anumit punct al unei reţele de distribuţie (de exemplu presiunea combustibilului la ieşirea dintr-un arzător etc.). 299
2.1. Reglarea presiunii într-un vas tehnologic De obicei, un vas tehnologic în care ne interesează evoluţia presiunii poate fi caracterizat prin intermediul elementelor prezentate în figura 1 Fig.1. Vase tehnologice ρ 1, ρ - densităţi; p 1, p, p 2 - presiuni; i 1,i - entalpii; q i, q e - debite masice; h 1, h 2 - cursele robinetelor RR 1 şi RR 2 ; V - volumul vasului. Debitele q i şi q e, care trec prin robinetele RR 1 şi RR 2, depind de o serie de mărimi fizice, pe baza unor funcţii neliniare f 1 şi f 2 : q q i e = f ( p,i,h, p ); 1 2 1 1 2 1 = f ( p,i,h, p ). 2 i (1) Evident, presiunea p, din vasul tehnologic, de volum V constant, depinde de debitele respective şi de vitezele de variaţie ale acestora. Regimul staţionar al presiunii are loc când cele două debite devin egale, deci: f 2 1 ( p1,i1,h1, pi ) = f2( p,i,h2, p ). (2) Dacă în acest regim, mediul vehiculat nu primeşte căldură din exterior, atunci mai are loc şi egalitatea entalpiilor i 1 = i (3) deoarece mediul sosit în vasul tehnologic, având temperatura constantă, 300
împrospătează mediul aflat în vas şi asugură menţinerea unei temperaturi constante, procesul putând fi considerat izoterm. Modificarea oricărui parametru din relaţia (2) conduce la perturbarea stării de echilibru, declanşând un regim tranzitoriu, de variaţie a presiunii din vas. Regimul dinamic respectă ecuaţia de conservare a masei: dm( t ) qi ( t ) qe( t ) = (4) dt unde: m(t) este masa mediului din recipient (gaz, lichid). Pe de altă parte m( t ) = Vρ( t ), (5) unde: ρ(t) este densitatea care se modifică atât la variaţia presiunii cât şi la variaţia temperaturii, deci: ρ ( t ) = ρ( p,i,t ) (6) Avându-se în vedere un proces izoterm, din legea gazelor rezultă: şi ţinând seama de (5), se obţine: m pv = RT M (7) ρ ρ ( t ) = 0 p( t ) p (8) 0 unde: ρ 0 şi p 0 reprezintă valorile staţionare ale densităţii şi presiunii. În consecinţă din (5) şi (8) se obţine: p m( t ) = V 0 p( t ). ρ (9) 0 301
Ţinând seama de caracterul neliniar al relaţiilor (1), în vederea deducerii modelului matematic al unui asemenea obiect reglat, se recurge la liniarizarea relaţiei (4) în jurul unui punct nominal de funcţionare. În urma operaţiilor de centrare, normare şi parametrizare, rezultă un model matematic sub forma: unde: y( t normată; dy( t ) + y( t ) = K1 u1( t ) + K2u2( t ) + K3u3( t ) + K4u ( t ) dt (10) T 4 ) = Δp( t ) / p 0 este variabila de ieşire adimensională, centrată şi u1( t ),u2( t ),u3( t ),u4( t ), - sunt variabilele de intrare adimensionale centrate şi normate: Δh1 Δh u1( t ) = ; u 2 2( t ) = ; h h h h 1 max Δp 1 min 2 max 2 min u 1 3( t ) = ; u 2 4( t ) =. p10 p20 K1, K2, K3, K4 - reprezintă sensibilităţile adimensionale ale canalelor de legătură intrare-ieşire,. În consecinţă schema bloc a unei asemenea instalaţii tehnologice apare sub forma din figura 2. Δp Fig.2. Schema bloc a unui vas tehnologic Adoptarea mărimii de execuţie (din cele patru luate în considerare) se face pe baza unor criterii tehnologice de funcţionalitate. 302
Ca urmare în practică s-au răspândit două metode de reglare a presiunii: - prin intermediul robinetului RR1 sau - prin intermediul robinetului RR2. În primul caz, se impune realizarea unei presiuni constante în vasul tehnologic, pe seama debitului de intrare qi(t), când mărimea de comandă este u1, iar debitul de ieşire qe(t) poate varia liber în funcţie de necesităţile consumatorilor (sisteme de reglare a presiunii cu reducere figura 3.a). a. b. Fig.3. Metode de reglare a presiunii Această modalitate de reglare se întâlneşte, de exemplu, în cazul reglării presiunii combustibilului gazos ai mai multor consumatori, reglare presiunii în reţelele de apă potabilă, reducerea presiunii aburului etc. Deoarece, în vasul tehnologic presiunea rămâne constantă, datorită buclei de reglare, variaţia pierderilor de presiune de după vasul tehnologic nu au nici o influenţă asupra debitului prin robinetul de reglare RR1. De asemenea, se remarcă faptul că, datorită dependenţei pătratice dintre debit şi pierderile de presiune, un asemenea subansamblu, robinet de reglare RR + obiect reglat, are o comportare neliniară. În cazul vehiculării lichidelor numai robinetele de reglare RR cu caracteristici intrinseci 303
logaritmice asigură o funcţionare aproape liniară a ansamblului. Folosirea robinetelor de reglare RR cu caracteristici intrinseci liniare duce la variaţii inadmisibile ale factorului de transfer. În cazul vehiculării gazelor şi a unor vase tehnologice cu volum mare constanta de timp devine apreciabilă, aceasta putându-se estima prin : V L T 2 = 2 [ s ] Q v (11) unde: V este volumul vasului tehnologic; Q - debitul volumic; L - lungimea conductei iar v - viteza fluidului. În cel de-al doilea caz se impune realizarea unei presiuni constante în vasul tehnologic, iar debitul de ieşire acţionează ca mărime de execuţie (mărimea de comandă fiind u2), nefiind dictat de consumatori. Această metodă (numită reglarea suprapresiunii figura 3.b) se aplică în coloane de fracţionare, în reactoare chimice etc. Este evident că, în acest caz, pierderile de presiune de după robinetul de reglare RR2 influenţează debitul prin RR2 deci acţionează ca mărimi perturbatoare. Avându-se în vedere cele precizate, şi utilizându-se echipamente unificate, schema bloc a reglării presiunilor are aspectul din figura 4. Fig.4. Schema bloc a reglării presiunii Schema conţine elementele de bază ale unei bucle de reglare, dar s-a pus în evidenţă şi linia de legătură LL. 304
În cazul echipamentelor de automatizare electronice LL nu introduce efecte negative, dar în cazul echipamentelor pneumatice şi hidraulice se cer luate în evidenţă efectele acestora, deoarece acestea introduc întârzieri suplimentare în transmiterea informaţiei. Performanţele sistemului de reglare automată a presiunii pot fi foarte înalte deoarece factorul de amplificare al legăturii directe poate fi crescut mult fără a afecta stabilitatea sistemului, obiectul reglat fiind cu autostabilizare. În mod obişnuit se recomandă BP% = 4-5%. Când se utilizează un regulator PI, se recomandă un timp de integrare: T i ρ V 0. (12) Q 0 În foarte multe aplicaţii utilizarea regulatoarelor neliniare, bipoziţionale cu acţiune directă (presostate), conduc la rezultate acceptabile. 3. Chestiuni de studiat - elementele componente ale buclelor de reglare a presiunilor; - amplasarea acestor elemente; - funcţionarea buclelor de reglare; - acordarea regulatoarelor pentru asemenea bucle de reglare. 4. Modul de lucru În laborator se vor studia două sisteme de reglare a presiunii. 4.1. Sistem de reglare a presiunii cu acţiune continuă Schema instalaţiei din laborator este prezentată în figura 11 din lucrarea 13. Instalaţia permite studiul experimental al reglării nivelului şi studiul experimental al reglării al presiunii. În acest scop instalaţia conţine un model pneumatic al instalaţiei tehnologice MIT, cu schema prezentată în figura 5. 305
Fig.5. Model de instalaţie tehnologică Pentru experimentarea buclei de reglare a presiunii se fac legăturile 2-0, prin care, regulatorul pneumatic R (de tipul F-AB), comutatorul local CL (de tipul F-YB) şi elementul de execuţie pneumatic EE2 sunt conectate în buclă de reglare cu modelul pneumatic al instalaţiei tehnologice MIT. În ceea ce priveşte modelul pneumatic al instalaţiei tehnologice MIT din figura 5, aceasta se compune din două rezistanţe pneumatice reglabile R1 şi R2 şi două capacităţi pneumatice fixe C1 şi C2. Legând între ele bornele 1...8, în diverse moduri, şi avându-se în vedere posibilitatea modificării în limite largi a valorilor rezistanţelor pneumatice reglabile, rezultă o familie largă de caracteristici dinamice, realizabile cu modelul prezentat. Modelul funcţionează la presiunea aerului instrumental între limitele 0...1 bar. În vederea punerii în funcţiune a instalaţiei se vor efectua următoarele operaţii: - Verificarea aspectului exterior, respectiv al stării aparatelor şi a conexiunilor electrice şi pneumatice; - Se fac conexiunile pneumatice la MIT pentru simularea fizică a procesului; - Se execută conexiunile pneumatice 0-2 de pe panoul frontal al instalaţiei; - Se trece comutatorul CL şi regulatorul F-AB pe poziţia "Manual" şi se deschide ventilul de reglare EE2, care este normal deschis; - Pregătirea alimentării pneumatice se realizează prin racordarea la compresor a furtunului de alimentare, cu R3 deschis. În vederea purjării 306
instalaţiei se deschid robinetele de purjare, montate în partea inferioară a filtrelor - reductor R1 şi R2 şi apoi se porneşte compresorul. Cu ajutorul rozetelor robinetelor R1 şi R2 se reglează valorile dorite ale presiunilor: 1,4 respectiv 1 bar; - Alimentarea electrică se realizează prin introducerea fişei corespunzătoare în priza de 220 V c.a. şi prin închiderea întrerupătorului cu inscripţia "Reţea"; - În vederea identificării comportării dinamice a MIT se verifică dacă V p2 este închis apoi se cuplează VE (normal închis), provocând în acest fel o variaţie în treptă a mărimii de intrare; peniţa verde a înregistratorului F-RB, înregistrază mărimea de intrare, iar peniţa roşie mărimea de ieşire; - În vederea identificării procesului de reglare în bucla închisă, cu ventilul electromagnetic VE cuplat, se trec pe poziţia "Automat" atât regulatorul F-AB cât şi comutatorul F-YB; - Pentru a asigura referinţa internă a regulatorului F-AB, comutatorul AIEM (plasat pe panoul frontal al regulatorului F-AB) se trece pe poziţia I - apăsat (operaţie realizabilă numai dacă CL este pe poziţia M - apăsat). - Se urmăreşte comportarea buclei de reglare pentru diverse valori ale parametrilor acordabili, la variaţia referinţei şi la variaţia perturbaţiei (ce se aplică prin deschiderea ventilului V p2. 4.2. Sistem de reglare a presiunii cu acţiune discontinuă Instalaţia din laborator conţine standul prezentat în figura 15 din lucrarea 3, utilizat ca obiect reglat, la care au fost adăugate: un regulator bipoziţional ELX 176 (vezi lucrarea 6) care, prin intermediul contactelor sale (d1 sau d2) şi al unui contactor K, comandă motorul de antrenare M al compresorului C, racordat la stand prin intermediul filtrului reductor FR. Instalaţia este prezentată în figura 6. Presiunea din vasul tehnologic VT se măsoară cu traductorul VEGABAR, care furnizează la ieşire semnal unificat 4...20 ma la o variaţie de 0...1 bar a presiunii din VT. Cu ajutorul elementelor prezentate mai sus, cu bornele accesibile pe panoul de automatizare, se realizează o buclă de reglare a presiunii şi se studiază comportarea acestei bucle la variaţia referinţei şi la variaţia perturbaţiei. 307
Fig. 6. Instalaţie de reglare a presiunii În vederea acestui studiu, variaţia presiunii din VT se va trimite la un calculator PC, prin intermediul unui cablu conector CB-50 şi a unei plăci de achiziţie Lab PC+, iar datele vor fi prelucrate şi prezentate prin intermediul unui instrument virtual, realizat în mediul LabVIEW, indicat de conducătorul lucrării. Acest instrument va putea fi configurat după dorinţa utilizatorului, iar datele obţinute vor putea fi salvate pentru analiza ulterioară. 5. Prelucrarea şi analiza datelor - Se fac aprecieri cu privire la comportarea dinamică a modelulului pneumatic al instalaţiei tehnologice MIT; - Se vor determina performanţele staţionare şi dinamice ale buclelor de reglare studiate. - Se fac aprecieri cu privire la comportarea buclelor de reglare realizate atât în ceea ce priveşte regimurile staţionare cât şi regimurile dinamice declanşate de variaţia referinţei sau perturbaţiei; Bibliografie 1. Tertişco M., ş.a.,automatizări industriale continue. Ed. Tehn., Bucureşti, 1980. 2. Marinoiu V.,ş.a., Elemente de execuţie. Robinetele de reglare. Ed.Tehn., Bucureşti, 1999. 3. Bivolaru I., Montarea instalaţiilor de automatizare. Ed. Tehn., Bucureşti, 1978. 308