subiecte aapc rezolvate- cap 2

49
II. Sisteme de conducere automata a cuptoarelor tubulare 1. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul geometric: schite ale cuptoarelor tubulare, specificul sistemelor automate in raport cu criteriul geometric Geometria cuptorului tubular

Upload: marian-petre

Post on 07-Aug-2015

183 views

Category:

Documents


9 download

TRANSCRIPT

Page 1: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

II. Sisteme de conducere automata a cuptoarelor tubulare

1. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul geometric: schite ale cuptoarelor tubulare, specificul sistemelor automate in raport cu criteriul geometric

Geometria cuptorului tubular

Page 2: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulareTemperaturi:

– reglarea temperaturii produsului încălzit, Ties, în cascadã cu debitul (presiunea) combustibilului;

– măsurarea temperaturii produsului la intrarea în cuptor, Tin, în scopul bilanţării automate a cuptorului;

– măsurarea în diferite puncte a temperaturii produsului în serpentina amplasată în secţia de radiaţie, în scopul asigurării unui profil impus de temperatură;

– măsurarea temperaturii pereţilor exteriori ai tubulaturi, din secţia de radiaţie şi din secţia de convecţie, în scopul monitorizării procesului şi încadrării temperaturii în limitele admise;

– măsurarea suplimentară a temperaturii produsului, Ties, în scopul verificării corectitudinii traductorului de temperatură inclus în cadrul SRA-T. Debite:

– măsurarea şi/sau reglarea debitului de produs încălzit, în scopul bilanţării automate şi reglării capacităţii de prelucrare a cuptorului;

– măsurarea şi/sau reglarea debitului de combustibil, în scopul bilanţării automate a cuptorului;

– măsurarea şi reglarea debitului de aer în scopul reglării automate a combustiei.

Analize :– măsurarea concentraţiei oxigenului şi a monoxidului de carbon din gazele de ardere

pentru monitorizarea şi reglarea procesului de combustie;

Page 3: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

– măsurarea densităţii sau compoziţiei combustibilului, pentru bilanţarea automată a cuptorului şi reglarea automată a combustiei şi temperaturii, utilizând algoritmi de reglare performanţi.Presiuni:

– măsurarea presiunii produsului la intrarea şi ieşirea din cuptor, în scopul monitorizării evoluţiei depunerilor de cocs din interiorul tuburilor şi calculul unor indicatori tehnologici legaţi de prelucrarea materiei prime (calculul fracţiei vaporizate a produsului tehnologic sau conversia reacţiilor chimice);

– măsurarea şi reglarea presiunii combustibilului gazos la intrarea în arzător, în scopul supravegherii combustiei şi reglării temperaturii produsului;

– măsurarea presiunii gazelor arse în focar, în scopul supravegherii circulaţiei gazelor arse şi a sensului flăcării în secţia de radiaţie.

2. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul numarului de sectii de radiatie: schite ale cuptoarelor tubulare, comparatie intre sistemele de reglare a temperaturii produsului incalzit, prezentati traductoarele de temperatura

Numărul de secţii de radiaţie

Page 4: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2
Page 5: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Traductorul de temperatura este de tip termocuplu. Elementul sensibil TE este reprezentat de un termocuplu Fe-Co. Termocuplul este montat în conductă. Acest element generează un semnal electric, respectiv o tensiune electromotoare de ordinul a 1 mV. Semnalul electric este captat de un adaptor tensiune-curent, TT. Acesta va genera un semnal electric, curent continuu 4...20 mA, către regulatorul de temperatura TIC. Semnalul este figurat printr-o linie întreruptă. Acesta este un generator de comenzi, curent continuu 4...20 mA, către convertorul electropneumatic TY, linia de semnal fiind o linie întreruptă. Convertorul electropneumatic va genera un semnal în gama 0,2...1 bar, linia de semnal fiind specifică semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic TV va primi acest semnal şi va acţiona asupra organului de reglare, în speţă un robinet cu un scaun. Legătura dintre servomotor şi organul de reglare este fizică, fiind realizată prin linie continuă.

Componenţa termocuplului şi circuitul de măsură asociat

e=U A−U B≈αAB (T−T 0 )

Page 6: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Traductorul de temperatură cu termorezistenţă

Principiul de funcţionare RT=R0(1+α T +β T 2+…)

3. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul natura circulatiei aerului si a gazelor de ardere: schite ale cuptoarelor tubulare, comparatie intre sistemele de reglare a debitului de aer, problema traductoarelor de debit de aer

Natura circulaţiei aerului şi a gazelor de ardere

Page 7: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2
Page 8: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Traductoare de debit de aer

Ajutaj cu rază lungă

Page 9: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Relaţii de calcul pentru proiectarea elementului sensibil

Qm= α A0 √2 ΔP ρ

Qv= α A0 √ 2 ΔPρ

P1+ρ1 w1

2 2

= Po +ρo wo

2

2

ρ1 w1 A1= ρ0 w0 A0

A0= A1 √ 1

1+2 ΔPρ ( A1

Q0)2

x2

a2+ y2

b2= 1

y= b √1−x2

a2

4. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul natura combustibilului utilizat: schite ale sistemelor automate, comparatie intre sistemele de reglare a temperaturii produsului incalzit, traductorul de presiune

Natura combustibilului utilizat

Page 10: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Traductorul de presiune PT este montat pe un ştuţ al vasului de reflux. Traductorul de presiune generează un semnal electric, curent continuu 4„, 20 mA, către regulatorul de presiune PIC. Semnalul este figurat printr-o linie întreruptă Acesta este un generator de comenzi, curent continuu 4...20 mA, către convertorul electropneumatic PY, linia de semnal fiind o linie întreruptă. Convertorul electropneumatic va genera un semnal în gama 0,2... 1 bar, linia de semnal fiind specifică semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic PV va primi acest semnal şi va acţiona asupra organului de reglare, respectiv asupra unui robinet cu un scaun. Legătura dintre-servomotor şi organul de reglare este fizică, fiind realizată prin linie continuă.

Page 11: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

5. Probleme privind automatizarea cuptoarelor tubulare – criteriul numarul de circuite paralele: schite ale cuptoarelor tubulare, schita sistemului de echilibrarea temperaturii circuitelor paralele, prezentati traductoarele de temperatura

Numărul de circuite paralele

Page 12: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Traductorul de temperatura este de tip termocuplu. Elementul sensibil TE este reprezentat de un termocuplu Fe-Co. Termocuplul este montat în conductă. Acest element generează un semnal electric, respectiv o tensiune electromotoare de ordinul a 1 mV. Semnalul electric este captat de un adaptor tensiune-curent, TT. Acesta va genera un semnal electric, curent continuu 4...20 mA, către regulatorul de temperatura TIC. Semnalul este figurat printr-o linie întreruptă. Acesta este un generator de comenzi, curent continuu 4...20 mA, către convertorul electropneumatic TY, linia de semnal fiind o linie întreruptă. Convertorul electropneumatic va genera un semnal în gama 0,2...1 bar, linia de semnal fiind specifică semnalelor pneumatice. Servomotorul pneumatic TV va primi acest semnal şi va acţiona asupra organului de reglare, în speţă un robinet cu un scaun. Legătura dintre servomotor şi organul de reglare este fizică, fiind realizată prin linie continuă.

Componenţa termocuplului şi circuitul de măsură asociat

e=U A−U B≈αAB (T−T 0 )

Page 13: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Traductorul de temperatură cu termorezistenţă

Principiul de funcţionare RT=R0(1+α T +β T 2+…)

6. Modelarea matematica a combustiei: tipuri de reactii chimice, schema structurala a procesului de combustie, regimuri de exploatare pentru arderea teoretica, caracteristica statica a monoxidului de carbon in raport cu coeficientul cantitatii de aer

Modelarea combustiei

Page 14: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

α= aer realaer teoretic

δα=αmin−1

α−δα<1, α>1

α−δα<1, αC<α<1 α−δα>1

αC=1− c5 ,04 Lmin

Monoxid de carbon

xC=2c+6h−5 ,04 αid Lmin

α id=α−δα

Page 15: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

7. Modelarea matematica a combustiei: tipuri de reactii chimice a carbonului, schema structurala a procesului de combustie, regimuri de exploatare pentru arderea reala, caracteristica statica a oxigenului in raport cu coeficientul cantitatii de aer

Page 16: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

α= aer realaer teoretic

δα=αmin−1

α−δα<1, α>1

α−δα<1, αC<α<1 α−δα>1

αC=1− c5 ,04 Lmin

Page 17: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Caracteristica Oxigen asociată gazelor de ardere

8. Modelarea transferului termic: schema structurala a procesului de transfer termic, algoritmi numerici de solutionare a modelului

Modelarea transferului termic

Page 18: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Algoritmul de identificare al sistemelor de ordinul I

Modelul matematic al unui proces aproximat printr-un sistem de ordinul I: aΔ y+Δy=bΔi

Soluţia ecuaţiei diferenţiale: Δy ( t )=b Δi (1−e−1at)

Funcţia obiectiv utilizată : F (a )=∑

j=1

m [Δy j−bΔu(1−e−1at j)]

2

Rezolvarea problemei de optimizare :

dFda

=∑j=1

m

[2 Δibt je−tj /a 1a2 [Δy j−bΔi (1−e−tj /a) ]]=0

Sistem de notatii

{s2=∑j=1

m

t je−1at j

s3 =∑j=1

m

t j e−

2at j

c1 =2bΔu

c2 =2b2 Δu2

Ecuatie neliniara f (a )=c1 s1

1

a2−c2s2

1

a2+c2 s3

1

a2=0

Page 19: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

9. Modelarea matematica a sectiei de radiatie: schema structurala a sectiei de radiatie, perturbatii si comenzi, caracteristica statica a monoxidului de carbon si a oxigenului in raport cu coeficientul cantitatii de aer

Modelul matematic al secţiei de radiaţie

Caracteristica Monoxid de carbon asociată gazelor de ardere

Page 20: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Caracteristica Oxigen asociată gazelor de ardere

10. Adaptarea modelului matematic al unui cuptor tubular: tipuri de constante numerice utilizate in cadrul modelului, prezentati curba PRF a titeiului, calculul entalpiei titeiului partial vaporizat si expresia finala a entalpiei

Adaptarea modelului matematic:

• constante ce sunt specifice geometriei cuptorului;

Page 21: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

• constante specifice combustibilului utilizat;

Păcura DA: densitatea relativă d=0 ,9404

fracţia masică a carbonului c=0 ,88081

puterea calorică inferioară q inf=40946 ,1 kJ/kg;

entalpia combustibilului la 80 C hcomb=150 ,3 kJ/kg.

• constante specifice fluxului încălzit.

Entalpia petrolului brut la intrarea în cuptor

h=(2 ,964−1 ,332 d ) T+( 0 ,003074−0 ,002254 d2 ) T 2

Entalpia ţiţeiului parţial vaporizat la ieşirea din cuptor H ies=0 ,01∗[ vol∗H+(100−vol )∗h ]

H ies=k1+k2T ies

k 1=−0 ,9473472∗103 k 2=0 ,6644883∗101

Algoritmul de calcul a entalpiei materiei prime la ieşirea din cuptor

Datele de laborator asociate curbei PRF : T _inf i - temperatura inferioară a fracţiunii distilate i;

T _supi - temperatura superioară a fracţiunii distilate i;

vol¿ - volumul distilat a fracţiunii i;

d i – densitatea d 420

sau d1515

;

nf – numărul total de fracţii distilate.

11. Caracteristici statice ale cuptoarelor tubulare: temperatura de iesire - perturbatii ale procesului, temperatura de iesire - comenzi ale procesului

?

12. Caracteristici statice ale cuptoarelor tubulare: compozitia gazelor arse in raport cu debitul de aer sau coeficientul cantitatii de aer

Page 22: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

13. Identificarea dinamicii proceselor asociate cuptoarelor tubulare: modelul elementului aperiodic de ordinal 1, solutia in domeniul timpului, structura functiei obiectiv, modalitati de determinare a optimului

Identificarea experimentală

M odelul matematic al unui proces aproximat printr-un sistem de ordinul I : aΔ y+Δy=bΔi

Soluţia ecuaţiei diferenţiale : Δy (t )=b Δi (1−e−1at)

Funcţia obiectiv utilizată :F (a )=∑

j=1

m [Δy j−bΔu(1−e−1at j)]

2

Page 23: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Rezolvarea problemei de optimizare

dFda

=0;

dFda

=∑j=1

m

[2 Δibt je−tj /a 1a2 [Δy j−bΔi (1−e−tj /a) ]]=0

14. Structuri de reglare dupa abatere a temperaturii: structura de reglare clasica, structura de reglare pentru cuptoare alimentate cu combustibil gazos, principiul de functionare al unui termocuplu

Structura de reglare clasică

Structura de reglare a temperaturii pentru cuptoare alimentate cucombustibil gazos

Page 24: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Traductorul de temperatură tip termocuplu

Componenţa termocuplului şi circuitul de măsură asociat : e=U A−U B≈αAB (T−T 0 )

Page 25: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

15. Structuri de reglare dupa abatere a temperaturii: structura de reglare pentru cuptoare prevazute cu combustibil lichid, caracteristici statice ale termocuplurilor, probleme ale cablurilor de legatura

Structura de reglare a temperaturii pentru cuptoare prevazute cu combustibil lichid

Page 26: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Traductorul de temperatură tip termocuplu

Caracteristicile electrice ale tipurilor de termocupluri

Page 27: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Circuitul de măsură

Page 28: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

16. Structuri de reglare dupa perturbatie a temperaturii: conceptul bazat pe functii de transfer, structura sistemului de reglare cu actiune dupa perturbatie, ecuatia regulatorului cu actiune dupa perturbatie

Conceptul proiectării regulatorului bazat pe funcţiile de transfer

Page 29: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Δy 1=−Δy2

U ( s)= HC (s ) ∗ P (s )

Y 1 ( s )= H1 ( s ) ∗ P ( s )

Y 2 (s )= H2 (s ) ∗ HC ( s ) ∗P ( s)

HC (s )= −H 1 (s )H 2 (s )

Proiectarea şi simularea sistemelor de reglare automată bazate pe funcţiile de transfer

Modelul dinamic al procesului: 300 ΔT +ΔT=0 ,186 ΔQc−0 ,0025 ΔQmp

Functia de transfer pe canalul perturbatie- temperatura : H1 ( s )=−0 ,0025

300 s+1

Functia de transfer pe canalul comanda-temperatura : H2 ( s )= 0 ,186

300 s+1

Functia de transfer a regulatorului :

HC (s )= −

−0 ,0025300 s+1

0 ,186300 s+1

=0 ,00250 ,186

=0 ,01344

17. Structuri de reglare dupa perturbatie a temperaturii: conceptul bazat pe separarea componentei stationare de componenta dinamica, structura sistemului de reglare cu actiune dupa perturbatie, exemplu de model matematic al regulatorului

Conceptul proiectării regulatorului bazat pe separarea componentei staţionare de componenta dinamică

Page 30: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Componenta staţionară : H (p ,u , y )=0

Comanda stationara : us=G ( p , i )

Componenta dinamică : aududt

+u=us (t−τu )

Proiectarea şi simularea sistemelor de reglare automată bazate pe separarea componentei staţionare de componenta dinamică

Modelul matematic în regim staţionar al procesului : B =

Gmp ∗ c p ∗ (T ies − T in )q inf ∗ (1−η )

Componenta staţionara a regulatorului : Bs = Gmp ∗ k p∗ (T iesi − T in) k p=2 ,702∗10−4 [C-1]

Componenta dinamica a regulatorului : aBdBdt

+B=Bs (t−τB ) aB=5 min

τ B=2 min

Page 31: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

18. Activarea fazei I a operatiilor de specificare a modulului Distillation Column Sisteme de masurat debitul – traductorul de debit cu diafragma: schita diafragmei, relatia de calcul a debitului masic, algoritm de calcul al debitului, algoritm de calcul a diafragmei

Traductorul de debit cu diafragmă

Qm=αεπ4d2√2Δpρ1

Qm=CE επ4d2√2 Δpρ1

C=0 ,5959+0 ,0312 β2,1−0 ,1840 β8+0 ,0029 β2,5 [106

ReD ]0 ,75

+0 ,0900 L1 β4 (1−β4 )−1

−0 ,0337 L2' β3

β= dD

Qv=Qm

ρ

Page 32: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

E= 1

√1−β 4

ε=1−( 0 ,41+0 ,35β 4) Δpχp1

Algoritmul pentru calculul debitului prin diafragmă

g (Qm )=0

g (Qm )=Qm−CEπ4d2√2 ρΔP

g (Qm )=Qm−KC

K=Eεπd2

4√2ρΔP

Algoritmul pentru calculul diametrului diafragmei

g (d )=0

g (d )=Qm−CEπ4d2√2 ρΔP

g (d )=Qm−KCd2

K=E επ √2 ρΔP4

19. Sisteme de masurat debitul – traductorul de debit tip ajutaj cu raza lunga: schita traductorului, relatia de calcul pentru debitul masic, ecuatia lui Bernoulli, ecuatia de conservare a masei, ecuatia elipsei

?

Page 33: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

20. Sisteme de reglare a combustiei bazata pe raportul aer/combustibil: structura de reglare bazata pe clapete conjugate, structura clasica de reglare, sistemul de masurare a debitului de combustibil

Reglarea raportului aer/combustibil utilizând clapete conjugate

Structura de reglare clasică

Page 34: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

21. Sisteme de reglare a combustiei bazata pe raportul aer/combustibil: comparatie intre structura clasica si structura de reglare antifum, senzorul utilizat la masurarea debitului de aer

Traductor magnetic de oxigen

1 – tor2 – tub orizontal de sticlă3, 4 – piese polare ale magnetului permanent; R1, R2 – rezistenţe bobinateU – semnalul de ieşire

Page 35: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Structura de reglare clasică

Structura de reglare antifum

Page 36: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

22. Structuri de reglare a combustiei bazate pe continutul de oxigen din gazele de ardere: traductoare de masurat oxigen, structura de reglare clasica, structura de reglare a concentratiei oxigenului bazata pe raportul aer/combustibil

Structura clasică de reglare a concentraţiei oxigenului din gazele de ardere

Structura de reglare a concentraţiei oxigenului prin intermediul raportului aer/combustibil

Page 37: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

23. Structura de reglare a combustiei: structura de reglare clasica, caracteristici de lucru ale robinetelor de reglare, structura de reglare bazata pe modificarea turatiei motorului electric, schema bloc a unui convertizor static de frecventa

Structura clasică de conducere a unui cuptor tubular

C onvertizorul static de frecvenţă

R - redresor

I – invertor

UC – regulator de tensiune

BCG – bloc de comandă pe grilă

UT – traductor de tensiune

CTF – convertizor tensiune - frecvenţă

BDI – bloc distribuţie impulsuri

AF – amplificatoare finale

Page 38: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

24. Structuri de reglare optimala a combustiei: caracteristica statica a temperaturii de iesire – comanda procesului de combustie pentru cuptorul prevazut cu SRA-T, functia obiectiv, algoritmul de optimizare, structura sistemului automat optimal

Caracteristica statică a cuptorului tubular prevăzut cu SRA-T

Page 39: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Stabilirea funcţiei obiectiv asociate sistemului f ob=Qc=f (Qaer )

Algoritmul de optimizare

Tehnici de optimizare Algoritm de reglare extremala

Sensul de cautare:Δx={ Δx 0 , f (x0+Δx0 )<f (x0 )

−Δx0 , f ( x0+Δx 0)≥f (x0 )

r (k )={ r (k−1 ) ; f ob (k ) ≤f ob (k−1 ) − r ( k−1 ) ; f ob (k ) > f ob ( k−1 )

Relatia de explorare: x(k )=x (k−1 )+Δx u (k )= u ( k−1 ) + r (k ) Δu

Pozitia optimului: xopt∈ [ x (k−1 )−Δx0 , x

(k−1 )+Δx0 ]

Proiectarea structurii sistemului de conducere optimală

Page 40: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Implementarea sistemului automat

25. Structuri de echilibrare automata a temperaturii circuitelor paralele: problema cuptoarelor cu circuite paralele, prezentati un algoritm de calcul, schema sistemului automat

Structura clasică de conducere pentru cuptoarele cu două circuite paralele

Page 41: Subiecte AAPC Rezolvate- Cap 2

Schema bloc a procesului de transfer termic asociat cuptorului tubului al instalaţiei DA cu două circuite paralele

Algoritm de reglare PI pentru cuptoare cu două circuite paralele

Definirea erorii : e=T 1−T2

Calculul comenzii pentru circuitul 1 : u1=u0+K p(e+ 1

T i∫0

t

edt)Calculul comenzii pentru circuitul 2 : u2=m2=M−m1