Регулятор давления жидкости

) 5 С 05 Р 16/2 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ Из к систеидкостей етение относирегули можетвания давлименятьсяванин режимв системе ения оматиче ском ри ав а раб борно прово насо е ты насосныхразборныхов, рабоа в насос" регулстанциимагистающи а выхо 3 - техальных труб по схеме и а и поющие с насосьппение диойчивости помощ ной с к ои моделтировать ю элек анции корре гналы на из управляюастоты вра ной станци выходе еменным ости трубщие с щения с цел нение я нас вала двигат ю изменения давления на выхои; на фиг, 4 лементов регулято озможнос ния насо де насосной ста аграмма работы давлен ос ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ П(НТ СССР(71) Государственный научно-исследовательский институт по химмотологии(54) РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ(57) Изобретение относится к средствам автоматического регулирова,ния давления жидкости и может использоваться в автоматизированныхсистемах управления процессами перекачки жидкости по магистральнымтрубопроводам с помощью насосныхстанций (НС) и заправки техники гоЦель изобретения - пов намической точности и уст регулирования давления на насосной станции с одновр повьппением производительн провода путем сооздания в увеличения р або че го давле ной станции. рючим. Целью изобретения являетсяповьппение динамической точности иустойчивости регулирования давленияна выходе НС с одновременным повышением его производительности путемсоздания возможности увеличения рабочего давления на НС. Эта цель достигается тем, что в состав существующего регулятора давления жидкостивводится электрическая модель НС.Модель насосной станции осуществляеткорректировку управляющих сигналовна изменение частоты вращения валадвигателя с целью изменения давления на выходе НС, что позволяет уменьшить разницу между уставкой регулирования и уставкой защиты по давлениюна выходе НС. За счет этого увеличивается рабочее давление НС и повьппается производительность магистрального трубопроводав среднем на8-10 Х. 4 ил, 1 табл. На фиг. 1 представлена функцио нальная схема регулятора дажидкости; на фиг. 2 - графикного процесса регулированияде насосной станции; на фигническая реализация сумматоррогового устройства, позвол1536359 Фых сяддмж цюбрякВииВпорогового Йока 19дщ бага - напреюяиовс 3 ьмодоацМоинерояорО ЮФи )00 дд РОЮ драуесаю Рм Зароке Ус Рыхла фщ,1 - нпоРажение дФОЮУ И Ущ -иалРвкаиие сйыда йока О Уу кОДзйжВниВ сбых 066 Ф Ю У- ноарженоВ с ЙмйЬ ф Йока 17м) ф(я) фа 67 Составитель Л, ЦаллаговаРедактор М. Недолуженко Техред М. Ходанич Корректор С, Черни Заказ 108ВНИИПИ Госу раж 640 писноепри ГКНТ СС митета по изобретениям и открыти ква, Ж, Раушская наб., д. 4/ ственного 113035,роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго л, Гагарина, 10(2) где ш,(1),ш (с) величины характеризующие скорость отработки50управлятощего воздействия на электродвигатель14 исполнительного механизма насосной станции42 с целью приведенияс,5давления на выходе НС взаданные пределынапряжение, поступающее,на входы сумматоров 28.,Регулятор давления жидкости содержит датчики 1 и 2, задатчики З,и 4давления жйдкости на входе и выходенасосной: станции, блок 5 управления,состоящий из дифференциальных усилителей 6-9, логический блок выбора 1 Осигналов, состоящий из логическогоэлемента ИЛИ 11 и логического элемента И 1 2, усилитель 13 моЩности, испол нительный механизм 14, тахогенератор15, два усилителя 16 и 17 с. однополярнътми выходами, сумматор 18, первый пороговый блок 19, логический элемент И 20, задатчик 21 скорости вращения электродвигателя исполнительного механизма, второй пороговьпт блок22, логический элемент И 23, эгтектрическую модель насосной станция 24,состоящую из блока вычисления скорости и ускорения изменения сигнала управления (на фиг, 1 без позиции),Блок вычисления скорости изменения сигнала управления включает входной сумматор 25, электронный ключ 2, 2.интегратор 27 и выходной сумматор 28,На входе элементов блока вычисленияскорости изменения сигнала управленияустановлены корректирующие звенья 2932 и перед корректирующим звеном 30 инвертор 33,Блок вычисления ускорения изменения сигнала управления включает входной сумматор 34, элетстронный ключ 35интегратор 36, выходной сумм.-.тор 37.На входе элементов бг.ока вычисленияускорения сигнала управления установлены корректирующие звенья 38-40 иинвертор 41. Регулятор такой конструк. ции управляет насосной станцией 42,установленной в линии трубопровода 43. На фиг. 2 графики а показывает процесс регулирования давления на выходе насосной станции без электрической модели насосной станции в контуре регулятора давления жидкости, графикт: б - при наличии эгтектрической модели насосной станции в контуре регулятора давления жидкости. На фиг. 3 показаны сумматоры 44, 45, пороговый элемент 46.В структуру предлагаемого регулятора давления жидкости для значитель ного улучшения,тсачества процесса регулирования, введена электрическая модель насосной станции 24. С помощью этой модели производится корректировка регулирования, режима работы насосной станции оцененными значениями давления на выходе НС, что в значи- . тельной степени снижает влияние на процесс регулирования погрешностей датчиков давления,.помех и инерционности агрегатов насосной станции, т.е, модель насосной станции в контуре регулятора давления жидкости вносит корректирующую поправку в управляющие сигналы, поступающие на электродвигатель исполнительного механизма. В результате совместного решения уравнения математической модели насосной станции и уравнения оптимальной фильтрации для непрерывных процес" сов получены выражения для оценок Ь,(й)/ и пт скорости и ускорения) - параметра управления (давление на выходе насосной станции), имеющие следующий вид 37 от датчика 2 давления на выходе насоснойстанции с учетом заданного масштабного коэффициента преобразования(масштабный преобразователь на фиг,1 не показан).А - масштабный коэффициентпреобразования оценкитц,(с) (ускорения) давления на выходе насосной1536359 станции при ее суммировании с величиной К,(2) с помощью сумматора 28 (масштабный преобразователь на фиг. 1 учтен в корректирующих звеньях 30 и 39)- величины пульсации давления навыходе насосной станции, зависящей от скорости вращения вала и подачи, насоса;- величины изменения давления навыходе насосной станции в зависимости от неравномерности вращения во времени коленчатого вала приводного двигателя)- модуля передаточной функции насосной станции,Численные значения этих коэффициентов (см.таблицу) определены в процессе 15 исследования с учетом величин указанных показателей. ар Ф амьа,а,КК, - коэффициенты, численныезначения которых определяются с учетом следующих показателей;- дисперсии и модуля передаточной функции датчика давления 1 а, К 1 К Обозначение коэффициентов а,а а 1,2 4,85 -1 1,05 0,66 0,51 Величина коэффициента В соответствии с этими значениями , После преобразования уравнения (1)коэффициентов осуществляют настройку ;и (2) принимают следующий вид:постоянной времени интеграторов 27 и 36. и,(с) 1 а, + а в(с) + (а, - к А,)и,(й ае + к,(с)(3), т (с) 1 а 1,т,(с) -к, А т (е ас + к, ,и)Уравнениям (3) и (4) соответству усилителя 8. Ключ 26 устроен так, что ет приведенная на фиг. 1 блок-схема при его закрытии на выходе интегратоэлектрической модели насосной стан- ра 27 получается нулевой сигнал. Это ции 24. легко достигается путем замыканияВ соответствии с уравнением (3) входа интегратора 27 на шину земля с для получения корректирующего сигна-, помощью ключа 26. Благодаря этому ла в виде шИ) скорости изменения интегратор никогда не входит в режим сигнала управления необходимо изменя- насыщения и работает только в необемое напряжение с выхода датчика 2 ., ходимые моменты, т.е. в момент регуподать через корректирующее звено К лирования давления. В .установившему32 на соответствующий вход сумматора 4 О ся режиме работы насосной станции 42 28. На сумматоре 28 это напряжение он будет отключен. Аналогично вырабасуммируется с проинтегрированными . тывается корректирук)щи сигналв виде сигналами с выхода сумматора 25. На ускорения сигнала управления. Только сумматор 25 поступают сигналы с выхо- в этом случае по команде от дифференда сумматора 37 через инвертор 33 и 4 В циального усилителя 8 зерез сдвоенкорректирующее звено 30 и сигнал об-ныл ключ 35 подключается интегратор ратной связи с выхода сумматора 38 36, который интегрирует обобщенный через корректирующее звено 31. Вклю- сигнал с выхода сумматора 34. На сумчение в работу блока вычисления ско- матор 34 поступает сигнал юИ) черости изменения корректирующего сиг- ВО рез корректирующее звено а, 38 и нала управления осуществляется с по- через инвертор 41 и корректирующее мощью сдвоенного электронного ключа звено К, А, 39 сигнал с выхода сум. Этот ключ открыт при наличии наматора 37, На вход сумматора 37 по- . его входе напряжения, равного по ве- ступает напряжение с выхода датчика личине логической единице, поступаю- ВВ 2 через интегрирующее звено К 1.)40. щего с выхода дифференциального уси- При соответствующей обработке излителя 8, а закрыт ключ при сигнале,: меряемого давления на выходе насос- равном по величине логическому нулю ной станции в соответствии с зависис выхода того же дифференциального мостью (3) и (4), электрической мо(4)делью вырабатываются корректирующие сигналы щ,(С) 1 я п(1:)Аналоговые сигналы щ,(1) и ща,(Т) с выхода интегратора 27 и 36 через вы 5 ходные сумматоры 28 и 37 поступают на третий и четвертый входы сумматора 18, где происходит суммирование этих сигналов с аналоговыми сигналаги с выходом однополярных усилителей 16 и 17. За счет суммирования аналого. вых сигналов щ 1(с), щ,(1) с аналоговыми сигналами с выходов усилителей с однополярными выходами 6 и 17 суммарный выходной сигнал с сумматора,который поступает на второй вход пер-вого порогового блока 19, больше потенциала с вьгхода тахогенератора 15,Чтобы на выходе порогового блока 19 напряжение стало равно логическому 20 нулю, электродвигатель исполнительного механизма 14 и соединенный с ним тахогенератор .15 должны раскрутиться до большей скорости, чем если бы на первый и второй входы порогового 25 блока 19 поступали только сигналы с выходов усилителей с однополярными выходами 16 и 17. Это приводит к тому, что на выходе насосной станции давление снижается быстрее и не до-: 30 пускается его повышение вьпие 0,07 МПа(см.фиг.2). В этом заключаешься сущность коррекции работы регулятора спомощью сигналов щ (1:) и щ я( с) .При отсутствии сигналов щ,( 1) и щ,(1) напряжение вь;ода тахогенератора 15 сравнивается только с выходными сигналами блоков 16 и 17, поступающими через сумматор 18 на вход порогового блока 19. 40Когда напряжение с выхода тахо- генератора 5 превысит суммарное напряжение сигналов с вьгхода блоков 16 и17, пороговое устройство 19 сработает и,на его выходе будет сигнал, равныйпо величине логическому нулю. За счетэтого прохождение сигнала от логического элемента ИЛИ через лсгический элемент И 23 прекратится, Исполнительный механизм 14 обесточен,При наличии дополнительных сигналов щ,(с) и щ я(1) с выхода блоков 28и 38 суммарное напряжение уже четырехсигналов: двух с выхода блоков 16 идвух сигналов щ (с) и п 1(1) с выхо с,5да интеграторов 28 и 38, намного выше сигнала с выхода тахогенератора 15(при той же частоте его вращения совместно с электродвигателем исполнительного механизма), что приводитк более позднему срабатыванию порогового блока 19 за счет раскручиваниятахогенератора 15 до большей частотывращения. В связи с чем сигнал с выхода порогового блока 19 (логическаяединица) дает более длительное разрешение на прохождение через логический элемент И 23 регулирующего воздействия через блок 13 на исполнительный механизм 14, который отрабатывает регулирующее воздействие на насосную станцию таким образом, чтобы изменение давления на выходе насоснойстанции осуществлялось,как это указано на фиг. 2,Аналоговые сигналы щ,(с) и щ (с)вырабатываются с учетом величин дисперсии и модуля передагочной функциинасосной станции (эти величины, какуказано выше, учитываются при расчетах коэффициентов а, а а,я, К,я,К 1, определяющих настройку постоянной времени интегрирования интеграторов 27 и 36), корректируют основ"ной сигнал, еоответствующий величинерассогласования между заданным давлением и давлением на выходе насоснойстанции, что способствует выработкетакого управляющего воздействия регулятором на исполнительный механизм,при котором динамическое отклонениедавления на выходе насосной станциизначительно уменьшается и повьппаетсяустойчивость регулирования.Регулятор давления жидкости работает следующим образом.Сигнал с датчиков 1 и 2 давленияна входе и выходе насосной станциии с соответствующих задатчиков 3 и 4пбступает на вход блока управления,а с задатчика 2 давления - дополнительно на вход электрической модели 24.Блок 5 управления по каждому регулируемому параметру - давлению навходе и давлению на выходе насоснойстанции - формлрует дискретные сигналы, соответствующие равенству дав .,лений на входе и выходе насоснойстанции заданным знаГениям, устанавливаемым эадатчиками. 3 и 4, а такжевьппе и ниже заданных. Эти сигналы поступают на вход логического блока Овыбора сигналов, которое обеспечивает преимущественнОе прохождениечерез него тех сигналов, которые требуют сникения частоты вращения вала59 Она входе элемента И 23 напряжение равно логическому нулю. Это воспрепятствует прохождению сигнала через логический элемент И 23, так как на одном его входе напряжение равно логическому нулю, электродвигатель исполнительного механизма 14 остановится, напряжение тахогенератора 15 равно нулю. Если к этому моменту давление на входе насосной станции невосстановилось, то произойдет повторное включение исполнительного механизма. Такое поочередное включение и выключение электродвигателя исполнительного механизма происходит до тех пор, пока давление на входе насосной станции 42 не сравняется с заданным. Длительность интервалов между включением электродвигателя исполнительного механизма 14 регулируется величиной напряжения рассогласова- ния, пропорционального разности давления по задатчику 3 и давления жидкости на входе насосной станции 42 и коэффициентом усиления усилителя 16 с однополярным выходом.Таким образом, снижение оборотов двигателя насосной станции при уменьшении давления яидкости на входе насосной станции происходит с учетом величины отклонения этого давления от заданного значения по задатчику.При повышении давления жидкости на выходе насосной станции 42 на выходе блока 5 управления появляется напряжение рассогласования, пропо 13- циональное разности давления по задатчику 4, и напряжение, снимаемое с датчика 2 давления на выходе насосной станции 42, которое поступает на вход усилителя 17 с однополярным выходом и сигнал "давление вьппе заданного", который через логический блок 10 выбора сигналов поступает на первый вход логического элемента И 23.Так как на втором его входе напряжение, снимаемое с выхода порогового блока 19, равно логической единице, то он проходит через усилитель мощности 13 к исполнительному механизму 14, Одновременно с датчика 2 давления на выходе насосной станции .24, которая включается в работу ключами 26 и 35 по сигналам, соответствующим по величине логическим единицам, с выхода дифференциального усилителя 8 в электрической модели вырабатываются корректирующие сигналы 9 15363 двигателя насосной станции 42, а следовательно, и уменьшения давления на выходе насоса.Напряжение рассогласования соот 5 ветствующее понижению давления на входе насосной станции, от датчика 1 и задатчика 3 поступает на вход усилителя 16 с однополярным выходом, а напряжение рассогласования, соответствующее повьппению давления на выходе насосной станции - на вход усилителя 17 с однополярным выходом.Когда давление на входе и выходе насосной станции 42 равно заданным . значениям и электродвигатель 14 исполнительного механизма обесточен, напряжение на выходе тахогенератора 15 равно нулю, При этом на выходе порогового блока 19 напряжение равно логической единице. За счет этого обеспечивается первоначальноепрохождение сигнала - с выхода логического элемента ИЛИ 1 блока выбора сигналов 10 через логический элемент И 23, 26 усилитель мощности 13 к электродвигателю исполнительного механизма 14.При снижении давления жидкости на входе насосной станции на выходе блока 5 управления появляется напряжение рассогласования, пропорциональное разности напряжений задатчика 3 и датчика 1.Это напряжение через усилитель 16 с однополярным выходом подается через сумматор 18 на вход пЬрогового блока 19, Однако из-за отсутствия напряжения на втором входе порогового блока 19, подключенном к тахогенератору 15, его срабатывания не про исходит и на выходе напряжение по- прежнему равно логической единицеТахогенератор 15 начинает работать одновременно с включением электродвигателя исполнительного механиз б ма 14 за счет сигнала на уменьшение оборотов двигателя насосной станции от устройства выбора сигналов, Этот сигнал от логического элемента ИЛИ 11 поступает на вход логического эле О мента И 30, а от него через усилитель 13 мощности - к электродвигателю ис-полнительного механизма .14 и включа ет его. Напряжение тахогенератора Ч 5 соответствует скорости вращения электродвигателя исполнительного механизма 14. Как только напряжение тахогенератора 5 сравняетсц с напря,- жением на входе порогового блока 19, 1536359 12управления пт(С) и пт(С). С выхода электрической модели 24 корректирующие сигналы тп(1) и ш(й)через сумматор 18 поступают на вход5порогового блока 1 9.управляющий сигнал с выхода уси"чтителя мощности 13 вКлючает электродвигатель 14 исполнительного механиз ма, который изменяет частоту вращения двигателя насосной станции 42 внаправлении уменьшения давления наее выходе, Одновременно с началом вращения злектрсдвигЯтсля 14 начинает вращаться тахотенератор 15 и, как голь;ко ега напряжение стане:- равно наприжению на вход ттарогавога блока 19,прохождение сигнала к усипителю мощности 13 через логический элементИ 23 прекратится и электродвигатель 14 с исполнителькаго механттзиаостановится, Ксли к этому моменту дав-.ление на выходе насосной станции невосстановится, то процесс повторится.Длительность интервалов между Бклю 2-чениями исполнительного механизмарегулируется -величиной напряжениярассогласования, пропорциональногарязности давления по задатчик 1 т ч идавления жидкости на вь,ходе насосной станции, коэФФициетттом усилителя17, а также параметрами интегрирования,зависящитти от дисперсии и модуля передаточной функции насоснойстанции, передаточной Функции датчи-.ка которые учтень. в корректирующих9сигналах ш.,(т.) и п (т поступающихпосле суммироватткя с сттгняламк с выходов усилителей 16 и 17 с однаполярными выходами в сумматоре 18 на ,10входы пороговото блока 19, Прохождение сигналов на увеличение оборотовнасосной станции управляется тем жетахагенераторам 15 тл пороговьм блоком 22 с устанавливаемым порогамсрабатывания, на одттн вход которогоподается напряжение от задятчикя 21скорости вращения электродвигателя14 истталнительного механизма, я надругой - напряжение от тахогенергто-"ра 15.При отсутствии напряжения ня тахо-.генераторе 1 5 напряжение на выходепорогового блока 22 равно логическойединице,Когда давление на выходе насоснойстанции ниже заданного, а на входенасосной станции выше заданного та,на выходе блока 10 выбора сигналов подается сигнал, который через логический элемент И 20 и усилитель мощности 13 проходит к электродвигателю 14 исполнительного механизма. Как только от этогс сигнала произойдет включение электродвигателя 14 исполнительного механизма и напряжение на выходе тахогекератора 15 станет равно напряжению задатчикя 21, пороговый блок 22 работает и на его выходе напряжение станет равно нулю, что воспрепятствует прохождению сигнала на увеличение оборотов двигателя через логкческий элемент И 20. Если давление ка входе или выходе насосной станция не стало равно заданному, то произойдет повторное включение исполнительного механизма.Длительность интервалов между включениями исполкителъного механиэма определяется напряжением задатчика 21 и выбирается так, чтобы обеспечить плавный выход насосной станции на заданный режим работы при пуске насастьых станций в работу и исключить .резкое повьппекие давления на выходе насосной станции и трубопроводе при резких повьппекиях давления на входе насосной станции.Из приведенных графиков д и б, показанньг: на Фиг, 2 видно, что динамическое отклонение давления на выходе насосной станции при наличии модели насосной станции в контуре регулятора давления уменьшается в 5,7 раза, а устойчивость регулирования улучшается в среднем в б раз,За счет повышения динамической точности и устойчивости регулятора. давления на выходе насосной станции создается возможность увеличить рабочее давление насосных станций и тем самым повь.сить производительность трубопровода.Ф о р и у л я и з о б р е т е н и яРегулятор давления жидкости, содержащий задатчики и датчики давления на входе и выходе насосной станции, первый и второй элементы И, выходы которых связаны с соответствующими входами усилителя мощности, подключенного выходом к входу электродвигателя исполнительного механизма, блок уттравлеттия, подключенный входами к выходам соответствующих задатчиков и датчиков цавления на входе13 1536359 14и выходе насосной станции, выходы ко- входы которого подключены к выходам торых подключены также к входам со- соответствующих усилителей, а выход ответствующих усилителей, логический сумматора связан с вторым входом перблок выбора сигналов, входы которого вого порогового блока, управляющие5соединены с соответствующими выхо- входы ключей соединены с соответствую- дами блока управления, а выходы - с щими выходами блока управления, выход первым входами соответственно перво-датчика давления на выходе насосной го и второго элементов И, установлен- станции подключен через первое коррекный на валу электродвигателя исполни-,0 тирующее звено к второму входу выход- тельного механизма тахогенератор, об- ного сумматора блока вычисления ускомотка которого подключена к первым,рения изменения сигнала управления, входам первого и второго пороговых а через второе корректирующее звено - блоков, выходы которых связаны с вто-, к второму входу выходного сумматора рым входом соответственно первого и )б блока вычисления скорости изменения/Ввторого элементов И., задатчик скорости сигнала управления, выход выходного вращения электродвигателя исполни.- сумматора блока вычисления ускорения тельного механизма, пощлюченньф вы- изменения сигнала управления через ходом к второму входу второго порого- последовательно соединенные первый вого блока, о т л и ч а ю щ и. й с я щ инвертор и третье корректирующее зветем, что, с целью повьпнения динамиче- но связан с первым входом входного ской точности и устойчивости регули- сумматора блока вычисления ускорения рования давления на выходе насосной сигнала управления, а через последостанции с одновременным повышением вательно соединенные второй инвертор производительности трубопровода путем 25 и четвертое корректирующее звено - с ,создания возможности увеличения рабО- первым входом входного сумматора блочего давления насосной станции, регу- ка вычисления скорости изменения сиглятор содержит сумматор и модель на- нала управления, выход блока вычислесосной станции, включающую корректи- ния скорости изменения сигнала управрующие звенья, инверторы и блоки вы" 30 ления соединен через пятое корректичисления скорости и ускорения из- рующее звено с вторым входом входноменения сигналов управления, каждый го сумматора блока вычисления ускореиз которых состоит из последовательно ния изменения сигнала управления, а соединенных входного сумматора, ключа, через шестое корректирующее звено - интегратора и выходного сумматора, вы-ЗБ: с вторым входом входного сумматора ходы выходных сумматоров подключены блока вычисления скорости изменения соответственно к первому и второму вхо- сигнала управления.дам сумматора, третий и четвертыйЯНПа да йокаафрОт АгвоГ Отоко Л 7От юки 7 1536359 фигЗ дАоса 15 оку И