Công nghệ xử lý khí - Phần 7 doc

Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 96 PHẦN 7 ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ LÀM THẾ NÀO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH Quá trình làm việc trên giàn nén khí trung tâm có quá trình làm việc của các phần tử và các thiết bò điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con người đó là quá trình điều khiển tự động. Mỗi phần tử điều khiển nhận một tín hiệu vào từ một số bộ phận của hệ thống điều khiển, và tạo nên một tín hiệu ra đưa vào phần tử khác. Các tín hiệu có thể là: dòng điện, điện áp, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, vận tốc, gia tốc, vò trí…q đạo của tín hiệu có thể là sóng điện, ống dẫn, liên kết cơ…. Hệ thống hở và hệ thống kín: Hệ thống hở là hệ thống không so sánh kết quả thực tế với trò số mong muốn (setpoint) sau tác động điều khiển. Hệ thống kín là hệ thống tạo nên một tác động đo lường giữa tín hiệu vào (giá trò cần setpoint) và tín hiệu ra (giá trò thực). Sai lệch giữa hai tín hiệu này được dùng làm tín hiệu vào của cơ cấu điều khiển. Hình: hệ thống điều khiển kín Mạch phản hồi bắt đầu từ tín hiệu ra Y được đo (cảm biến) bởi thiết bò đo lường (Pressure, level, temperature, flow transmitter ,detector… , qua cơ cấu chuyển đổi (cũng chính là bộ phận của thiết bò đo lường) để biến thành tín hiệu được chuyển đổi Y’ tỉ lệ với Y. tín hiệu Y’ được so sánh với tín hiệu vào tạo nên sai lệch (error) ε = X-Y’ = giá trò cần – giá trò thực được tính toán qua cơ cấu so sánh (là cơ cấu của bộ điều khiển). Thiết bò điều khiển biến đổi ε thành tín hiệu tác động u nhờ cơ cấu điều khiển. Tín hiệu tác động là tín hiệu vào của hệ thống được điều khiển. Nó sẽ tác động vào cơ cấu tác động, cơ cấu tác động thường có hai phần là bộ chuyển đổi (converter) và phần tử điều khiển (van, quạt, bơm…) làm thay đổi quá trình là một đối tượng điều khiển, nhằm triệt tiêu sai lệch đã hình thành. Cơ cấu điều khiển thực hiện các chế độ điều khiển như sau: chế độ điều khiển tỷ lệ (P), chế độ tích phân (I), chế độ đạo hàm (D). Chế độ P có thể sử dụng riêng biệt, hoặc kết hợp với một hoặc hai chế độ khác. Chế độ I có thể dùng riêng rẽ nhưng thực tế ít dùng. Chế độ D không thể dùng riêng rẽ. Các tổ hợp hay dùng là PI, PD, PID. Tuyến tính và phi tuyến Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 97 Khi phân tích và thiết kế hầu hết các hệ thống điều khiển được coi là các phần tử tuyến tính, tức là phần tử điều khiển cho tín hiệu ratỉ lệ thuận với tín hiệu vào. Tuy nhiên có nhiều dạng phi tuyến khác nhau xuất hiện trong các phần tử điều khiển như : trễ, khoảng chết, bão hoà… mà đặc tính của nó được thể hiện qua hình: Hình: mối quan hệ giữa tín hiệu vào/ra (I/O) của phần tử điều khiển - a: tuyến tính: là mối quan hệ giữa tín hiệu vào/ra (I/O) của phần tử điều khiển hoàn toàn là một đường thẳng - b: phi tuyến : có thể thay thế gần đúng bằng một đường thẳng, đường này đặt ở vò trí sai số bé nhất. - c: Dải chết là một dãy các giá trò mà ở đó tín hiệu vào X không làm thay đổi tín hiệu ra - d: Trễ là tính phi tuyến dẫn đến giá trò tín hiệu ra Y không trùng nhau khi tín hiệu vào tăng hay giảm. - e: Trễ và chết thể hiện sai lệch lớn nhất của tín hiệu ra ở giới hạn trên và dưới - f: Bão hoà là giới hạn của một dãy các giá trò tín hiệu ra Y. Một phần tử thực đạt đến giới hạn bão hoà khi tín hiệu vào thay đổi tín hiệu ra không thay đổi. Giảm chấn và ổn đònh Độ khuyếch đại của bộ phận điều khiển xác đònh một đặc tính quan trọng của hệ thống điều khiển là dạng giảm chấn. Đặc tính này được hệ thống thể hiện ra như là một đáp ứng dưới tác động của bên ngoài. Đáp ứng của hệ thống điều khiển thể hiện theo năm dạng như sau Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 98 Hình: các dạng đáp ứng Khi độ khuyếch đại tăng đáp ứng của hệ thống thay đổi theo các dạng như sau: a: quá giảm chấn, b: giảm chấn tới hạn, c: giảm chấn tắt dần, d: đáp ứng biên độ không đổi, e: đáp ứng biên độ tăng dần Ba loại đầu đặc trưng cho hệ thống ổn đònh, hai loại sau đặc trưng cho trạng thái không ổn đònh. Kó thuật ổn đònh được dùng để làm tăng độ giảm chấn trong hệ thống, và do đó cho phép đạt được độ khuyếch đại cao. Ýù tưởng chung là tìm một tín hiệu chống lại sự thay đổi đại lượng được điều khiển. Tín hiệu đó là tốc độ thay đổi đại lượng được điều khiển. Như ta biết đạo hàm của một biến là tốc độ thay đổi của biến đó và tín hiệu làm ổn đònh này được coi như đạo hàm của đại lượng được điều khiển. Độ giảm chấn tăng nếu đạo hàm của đại lượng được điều khiển được trừ ra khỏi tín hiệu sai lệch trước khi vào cơ cấu điều khiển. Một tín hiệu làm ổn đònh khác là đạo hàm của tín hiệu sai lệch, nếu đại lượng điều chỉnh là một hằng, tín hiệu này bằng giá trò âm của đạo hàm đại lượng được điều khiển. Giảm chấn tăng nếu đạo hàm độ sai lệch được cộng với tín hiệu sai lệch trước khi vào cơ cấu điều khiển. Mục tiêu của hệ thống điều khiển: Hình : đáp ứng tải bậc thang Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 99 Làm giảm tối đa giá trò của tín hiệu sai lệch, một số hệ thống sai lệch có thể giảm đến 0, trong khi các hệ thống khác đòi hỏi sai lệch dư ε d để bù cho sự thay đổi của phụ tải. Trong cả hai trường hợp hệ thống điều khiển cần đưa trò số sai lệch về giá trò ổn đònh, trò số không thay đổi. Mục tiêu thứ hai là giảm đến mức tối thiểu thời gian ổn đònh t ô Mục tiêu thứ ba là giảm đến mức tối thiểu sai lệch dư ε d sau khi đạt được trạng thái ổn đònh Đánh giá hệ thống điều khiển : Cho thay đổi phụ tải theo hàm bậc thang sau đó quan sát đồ thò nếu biên độ của một đỉnh dương bằng ¼ biên độ của đỉnh dương trước nó khi đó dao động là tắt dần hội tụ tốt: Hình: Suy giảm ¼ biên độ khi có tải bậc thang Các ví dụ điều khiển trên giàn nén khí trung tâm: - hệ thống điều khiển mức bình: Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 100 - hệ thống điều khiển áp suất - hệ thống điều khiển lưu lượng: Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 101 - hệ thống điều khiển nhiệt độ Chế độ điều khiển tỉ lệ P: Chế độ điều khiển tỉ lệ tạo nên tín hiệu ra ở bộ điều khiển tỉ lệ với tín hiệu sai lệch ε. Chúng có mối quan hệ tuyến tính cố đònh giữa đại lượng được điều khiển và vò trí của đối tượng điều khiển. u = P ε + u o qua công thức trên trong hệ thống điều khiển mức các bình tách nếu tăng độ khuyếch đại P thì chỉ cần một sai lệch bé hơn của ε cũng đủ để van mở 100%, nói cách khác độ khuyếch đại lớn đòi hỏi độ sai lệch nhỏ để đạt được vò trí của van cần thiết cho việc cân bằng quá trình tuy nhiên việc tăng độ khuyếch đại này cũng dẫn đến xu hướng tăng dao động của đại lượng được điều khiển cho nên cần chọn phương án dung hoà. Chế độ này được dùng cho những quá trình có dung lượng nhỏ và thay đổi phụ tải nhanh P cần chọn đủ lớn để tránh dao động. Chế độ điều khiển tích phân I u = I ê o t ε dt + u o chế độ điều khiển tích phân làm thay đổi tín hiệu ra u tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch. Chế độ này tạo nên một tác động điều khiển làm tăng liên tục tác động điều chỉnh theo thời gian. Nếu độ sai lệch ε nhỏ chế độ tăng I có tác dụng hiệu chỉnh chậm, nếu độ sai lệch ε lớn chế độ I tăng tác dụng hiệu chỉnh nhanh hơn. I là tốc độ tích phân (1/s) đặc tính I/O như sau: Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 102 hình : đặc tính I/O của chế độ I chế độ I hầu như luôn dùng với P Chế độ điều khiển đạo hàm D u = D(dε/dt) D là hằng số thời gian đạo hàm Hình : Đáp ứng bước và độ dốc của chế độ D lí tưởng Chế độ điều khiển đạo hàm cho tín hiệu ra u tỉ lệ với vận tốc thay đổi của ε chính là d ε /dt chế độ D ngăn chặn một sai lệch lớn bằng cách tạo nên một tác động hiệu chỉnh để chặn lại sự phát triển của nó. Chế độ D chỉ tác động vào tín hiệu ra của bộ điều khiển khi tín hiệu sai lệch ε thay đổi (tín hiệu ra không phụ thuộc vào giá trò của độ sai lệch). Vì thế chế độ D không sử dụng riêng biệt mà kết hợp với chế độ khác. Đáp ứng bước và độ dốc của chế độ đạo hàm lí tưởng được minh hoạ ở hình ở bất cứ thời điểm nào, tín hiệu ra của bộ điều khiển D luôn tỉ lệ với độ dốc, hoặc tốc độ thay đổi của độ sai lệch ε . Đáp ứng bước chỉ ra nguyên nhân làm cho chế độ D không dùng riêng trong thực tế vì ở mỗi vò trí thay đổi bước tín hiệu ra u có độ dốc vô cực Chế độ điều khiển PI u = P ε + PI ê o t ε dt + u o Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 103 Hình: Đặc tính I/O của chế độ PI Chế độ PI là tổ hợp của chế độ P và I . Ở đây khi thay đổi tín hiệu vào thì ban đầu bộ PI làm việc như khâu tỉ lệ tức là tín hiệu ra u tỉ lệ với sai lệch ε , sau đó chế độ I tạo ra sự thay đổi bổ xung ở tín hiệu ra tức là làm cho nó tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch. Tốc độ tích phân I là số đảo của thời gian cần thiết để chế độ I thích ứng lại sự thay đổi của tín hiệu ra do chế độ P đưa đến. Chế độ I có xu hướng làm tăng dao động của đại lượng được điều khiển. Độ khuyếch đại P cần phải giảm khi kết hợp chế độ I. Điều này làm giảm khả năng của bộ điều khiển để đáp ứng sự thay đổi nhanh của phụ tải. Nếu quá trình có thời gian trễ lớn tín hiệu sai lệch không đáp ứng kòp thời sai lệch hiện có trong quá trình, sự trễ này sẽ dẫn đến quá hiệu chỉnh, chế độ I tiếp tục làm thay đổi tín hiệu ra của bộ điều khiển sau khi độ sai lệch đã giảm đến 0. Chế độ PI thường dùng ở quá trình có thay đổi phụ tải lớn khi một mình chế độ P không có khả năng giảm dao động và chế độ I tạo nên tác động hiệu chỉnh để triệt tiêu dao động. Chế độ điều khiển PD u = Pε + PD(dε/dt) - αD(du/dt) + u o α hệ số giới hạn của đạo hàm Chế độ kết hợp này cho phép giảm xu hướng dao động và cho phép tăng độ khuyếch đại tỉ lệ. chế độ PD, khâu P tạo nên sự thay đổi của tín hiệu ra tỉ lệ với tín hiệu sai lệch, khâu D tạo nên sự thay đổi bổ sung của tín hiệu ra tỉ lệ với vận tốc thay đổi của tín hiệu sai lệch ngăn chặn trước giá trò mới của tín hiệu sai lệch và thay đổi tín hiệu ra một cách tương ứng. Tác động ngăn ngừa trước làm cho khâu D rất hữu dụng trong điểu khiển quá trình có phụ tải thay đổi đột ngột Chế độ điều khiển PID u = P ε + PIê o t ε dt + PD(d ε /dt) + u o Khâu I dùng để triệt tiêu sai lệch tỉ lệ khi thay đổi phụ tải. Khâu D giảm dao động và tác động ngăn chặn sự thay đổi tín hiệu sai lệch. Vì thế PID được dùng ở quá trình có tải trọng thay đổi đột ngột, mức độ thay đổi lớn . Các bộ PID thực tế có chen hệ số giới hạn đạo hàm α vào khâu PD nên u sẽ là u = Pε + PIê o t εdt + PD(dε/dt) - αD(du/dt) + u o Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 104 VAN Hai loại van thông dụng là van trượt và van xoay Van trượt tiêu biểu là van cầu (globe valve), van xoay tiêu biểu là van bướm, van bi Hình 7.1 Van điều khiển Tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà người ta dùng van có đầu xả (plug) khác nhau, cho biết mỗi loại đầu xả có khả năng cho môi chất đi qua tuỳ hành trình tương đối của van hình 7.2; hình 7.3 Hình 7.2: Các loại đầu xả của van Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 105 Hình 7.3 : Độ mở và lưu lượng của van-đường đặc tính van Kích cỡ van : Chọn van có kích cỡ đúng là rất quan trọng, nếu van quá nhỏ nó có thể không đáp ứng được yêu cầu cho dòng lưu chất đi qua, nếu quá lớn sẽ lãng phí và làm việc không ổn đònh. Mỗi van điều khiển đều có một hệ số C v khác nhau phụ thuộc vào kích cỡ và loại van điều khiển. Để chọn được đúng van phải biết điều kiện dòng chảy thực tế và phương pháp tính toán C v yêu cầu. Các công thức để tính kích thước van được chuẩn hoá bởi ISA được sử dụng khá rộng rãi đối với chất lỏng dòng bán tới hạn ( khi ∆P < ∆P s *F L 2 ) dòng thể tích dòng khối lượng: đối với chất lỏng dòng tới hạn ( khi ∆P >= ∆P s *F L 2 ) dòng thể tích dòng khối lượng [...]... q=100m3/h, chênh áp khoảng 690kpa, γ = 0 ,78 Giải: Cv = (q/0,0865)(γ/∆P)0,5 Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 109 = (100/0,0865)(0 ,78 /690)0,5 = 38,8 Nhà sản xuất cung cấp hồ sơ van Body size 3” 4” Travel 1 ½” 1 ½” 10% 4,5 8,26 20% 5 ,78 13,5 30% 9,96 19,9 40% 17, 7 30,9 50% 26,5 44,1 Cv @ % open 60% 36,6 72 ,5 70 % 52 ,7 113 80% 71 ,7 152 90% 91,5 182 100% 1 07 203 Nếu chọn van 3” thì van mở... van cho đường hồi chính trên giàn nén khí trung tâm (PCV6901) khi lưu lượng khí là 40000 scmh áp suất trước van là 10000kpa, sau van là 5000kpa, nhiệt độ dòng khí 40oC Giải: P1 = 10000kpa = 1450psi P2 = 50000kpa = 72 5 psi ∆P = P1 - P2 = 72 5psi T = 104oF= 564oR Q = 40000 scmh = 1412586 scfh G tỉ trọng khí 0 ,75 Ta có FL2 ~ 0,98*0,98 = 0,96 Cho nên ∆P> FL2 P1/2 chất khí dòng tới hạn ( khi ∆P >= P1 /2*FL2)... chất khí: Đối với chất khí thì ta dùng thuật ngữ Cg và C1 thay cho Cv, hệ số này có liên quan đến lưu lượng qua mối liên hệ: m = 0,0 475 Cg (ρ1P1)0,5 sin[(3 471 /C1) (∆P/P1)]Deg m lưu lượng khối lượng (kg/h) ∆P chênh áp qua van (kpa) ρ1 tỉ trọng chất lỏng ở điều kiện vào van C1 (hệ số hồi phục áp suất) = 25 đối với van bướm = 28 đối với van bi = 3 3-> 35 đối với van cầu Trong công thức trên sin[(3 471 /C1)... platform page 108 thay số CV = 1412586 (0 ,75 x564)0,5/(834x0,9x1450)= 26 ,7 Xem bảng tài liệu do hãng sản xuất van cung cấp bên dưới: Nên chọn van 3” class 900 có CvR = 34,4 , FL = 0,98 van mở khoảng 80% (có thể chọn van 4”) CV thực tế = 1412586 (0 ,75 x564)0,5/(834x0,98x1450) = 24,5 CV thực tế / CvR = 71 % chấp nhận được Bảng tra Cv cho van kiểu HPT hãng fisher cung cấp CÁC CÔNG THỨC KHÁC Kích thước van dùng... CVR . Body size Travel 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70 % 80% 90% 100% 3” 1 ½” 4,5 5 ,78 9,96 17, 7 26,5 36,6 52 ,7 71 ,7 91,5 1 07 4” 1 ½” 8,26 13,5 19,9 30,9 44,1 72 ,5 113 152 182 203 Nếu chọn van 3” thì. đối của van hình 7. 2; hình 7. 3 Hình 7. 2: Các loại đầu xả của van Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 105 Hình 7. 3 : Độ mở và lưu lượng của van-đường đặc tính van. psi ∆ P = P 1 - P 2 = 72 5psi T = 104 o F= 564 o R Q = 40000 scmh = 1412586 scfh G tỉ trọng khí 0 ,75 Ta có F L 2 ~ 0,98*0,98 = 0,96 Cho nên ∆ P> F L 2 P 1 /2 chất khí dòng tới hạn