Link Building
Школа автоматчиков » Blog Archive » Урок №13. Автоматизация вентиляционных систем.Часть 2

Урок №13. Автоматизация вентиляционных систем.Часть 2

Здравствуйте коллеги!

На прошлом уроке мы начали рассматривать вопросы автоматизации приточно-вытяжных систем и дошли до нагревательных секций. Рассмотрим сначала секцию, где в качестве теплоносителя используется вода.
Секция представляет собой пластинчатый теплообменник, расположенный в виде секции приточной камеры. Через него вентилятором протягивается воздух, который нагревается отопительной водой, проходящей через пластины. За счет теплообмена на поверхности пластин возникает передача тепла от воды к воздуху. Теплообменник обвязан так называемым «узлом управления», состоящим, как правило, из ручной арматуры, регулирующего клапана и циркуляционного насоса. К сожалению, в связи с непониманием процессов регулирования, на практике можно встретить любые узлы: с насосом и без насоса, с двухходовым или трехходовым клапаном, кто ставит их в подающий трубопровод, кто в обратный. Мало того, узлы обвязки проектируют ОВ-шники, хотя они должны подбирать типы насосов и клапанов в зависимости от расходов и гидравлических режимов, диаметры трубопроводов, а вот типы узлов должны проектироваться совместно с КИП-овцами.
Ну ладно давайте попробуем прояснить ситуацию. Вспомним, что для качественного регулирования температуры желательно иметь постоянный расход воды через теплообменник. А регулирование проводить изменением температуры этого постоянного расхода. Тогда мы можем четко сказать, что у нас теплообменник четкий объект управления с понятными характеристиками. Если же регулировать расходом, то меняются два параметра - расход и температура самого теплоносителя. Это происходит потому, что при прикрытии клапана или его открытии происходит изменения скорости движения теплоносителя. Понятно, что температура воды тем ближе к температуре источника приготовления этой воды, чем быстрее вода поступает к потребителю. В процессе регулировании при закрытии клапана температура подающего теплоносителя падает, при открытии растет. Т.е. объект постоянно меняет свои характеристики. В такой ситуации добиться одинаковой динамики ПИД-регулятора, т.е. динамики выхода на новый режим и динамики удержания параметра при различных отклонениях нельзя. Кстати, размороженные теплообменники (об этом чуть позже) в большинстве случаев это продукт количественного регулирования (хотя не только). Давайте будем дальше рассматривать на примерах.
Начнем с самого худшего:

Узел обвязки №1

Где 1 – кран шаровый
2 – фильтр сетчатый
3 – клапан регулирующий двухходовой
4 – кран шаровый для выпуска воздуха
5 – кран шаровый для спуска воды
6 – манометр показывающий
7 – термоманометр показывающий

Схема без насоса. Применен двухходовой регулирующий клапан. Установлен в обратном трубопроводе, что делает схему максимально дешевой (можно применить клапан, работающий при температуре не более 70ºС), но при прикрытии клапана повышается давление на теплообменник, тем самым повышается его гидравлическая нагрузка. Регулирование количественное.
Это самая плохая схема из всех возможных, поэтому ее лучше не применять.
Единственный плюс - уменьшение начальных капиталовложений.

Узел обвязки №2

Где 1 – кран шаровый
2 – фильтр сетчатый
3 – клапан регулирующий трехходовой
4 – кран шаровый для выпуска воздуха
5 – кран шаровый для спуска воды
6 – манометр показывающий
7 – термоманометр показывающий

Схема так же без насоса. Однако применен трехходовой регулирующий клапан, установленный в обратном трубопроводе. При прикрытии клапана повышается давление на теплообменник, тем самым повышается его гидравлическая нагрузка. Регулирование количественное - часть воды идет через теплообменник, часть - минуя его, возвращается в обратный трубопровод. Преимущество данной схемы перед предыдущей все же есть. Перед разделением потоков расход теплоносителя постоянен. Т.е. в данной точке температура теплоносителя не падает и не повышается в зависимости от количества воды, пропускаемой через воздухонагреватель, а зависит от источника. При такой схеме степень опасности размораживания теплообменника меньше. Но в связи с количественным регулированием – схему так же лучше не применять.

Узел обвязки №3

Где
1 – кран шаровый
2 – фильтр сетчатый
3 – клапан регулирующий двухходовой
4 – насос циркуляционный
5 – вентиль регулировочный
6 – клапан обратный
7 – кран шаровый для выпуска воздуха
8 – кран шаровый для спуска воды
9 – манометр показывающий
10 – термоманометр показывающий

Схема с насосом и двухходовым регулирующим клапаном в обратном трубопроводе. Насос можно поставить в подающем трубопроводе. При открытии клапана обратный теплоноситель поступает, благодаря наличию насоса, по перемычке в подающий трубопровод, тем самым, понижая температуру воды, поступающей в воздухонагреватель. И наоборот, при закрытии клапана температура воды повышается. При переносе клапана в подающий трубопровод (до точки смешения) можно решить вопрос гидравлической нагрузки на теплообменник. Т.е. в этой схеме через теплообменник постоянно проходит постоянный расход воды, изменение температуры которой происходит изменением количества подмешиваемого с помощью насоса обратного теплоносителя. Таким образом, это схема с качественным регулированием. Недостатком данной схемы является отсутствие постоянного расхода перед точкой смешения. Тут появляется опять, как и в первой схеме, зависимость температуры подачи от расхода через теплообменник. При такой схеме степень опасности размораживания теплообменника уменьшается.

Узел обвязки №4

Где
1 – кран шаровый
2 – фильтр сетчатый
3 – клапан регулирующий трехходовой
4 – насос циркуляционный
5 – вентиль регулировочный
6 – клапан обратный
7 – кран шаровый для выпуска воздуха
8 – кран шаровый для спуска воды
9 – манометр показывающий
10 – термоманометр показывающий

Эта схема является одним из нескольких вариантов «правильной» схемы обвязки водяного воздухонагревателя. Данная схема законодательно разрешена для применения в Европе. У нее отсутствуют все недостатки всех предыдущих схем. Постоянный расход воды через теплообменник обеспечивает качественное регулирование. Перемычка до трехходового клапана позволяет обеспечить стабильность температуры перед узлом смешения. При правильной настройке системы и правильной реализации остальных условий (поговорим об этом позже) такая схема полностью исключает опасность размораживания теплообменника (отсутствие теплоносителя в трубах не рассматривается).
Таким образом. Первый критерий выбора узла управления - качественное или количественное регулирование Немаловажным вторым критерием является источник приготовления воды и соотношение вентиляционной нагрузки по теплоносителю с системами отопления и ГВС объекта.
Подробнее рассмотрим дальше.
Часто бывает, что применение качественного регулирования усложнено большим количеством возвращаемой воды практически той же температуры, что и температура подающего теплоносителя. Если объем тепловой нагрузки вентиляции объекта основной, то в этом случае суммарная температура обратного теплоносителя объекта может быть завышена. Это может быть проблема как для котлов (ограничение температуры воды возвращаемой на котел), так и для тепловых сетей (неэффективное использование тепла). В этом случае рекомендуем применять схему №3.
Поговорим об угрозе размораживания теплообменника.
Что это такое? Ну, во-первых, произносимые в обиходе замораживание и размораживание теплообменника – это одно и тоже. Просто замораживание - это 1-ая часть процесса, а размораживание – это его вторая часть.
Этот процесс, когда в калорифере в связи с недостаточной скоростью движения, а соответственно и температуры теплоносителя, при обдуве воздухом с минусовой температурой, сначала в нижних точках, а потом и по всему теплообменнику начинает происходить замерзание воды, что еще дополнительно ухудшает циркуляцию воды через него и, в конце концов, полностью ее останавливает. В это время теплообменник замерзает. Лед, образовавшийся в теплообменнике, расширяется и разрывает его. После того, как температура воздуха поднимается, теплообменник оттаивает и начинает течь. В это время и говорят, что калорифер разморозился. Естественно нам, как автоматчикам, необходимо произвести мероприятия, которые позволят предотвратить данную ситуацию.
Хочу отметить, что решающим фактором для возникновения угрозы замораживания является не столько температура теплоносителя, а и расход теплоносителя, расход и температура воздуха. Исходя из вышесказанного понятно, что узлы обвязки с переменным расходом теплоносителя через воздухонагреватель - это потенциальная угроза его замораживания.
Начнем собирать задачи по управлению водяным воздухонагревателем:
- поддержание температуры воздуха путем управления клапаном.
При этом поддерживается температура приточного воздуха по одноконтурной замкнутой схеме или по каскадной температура в помещении или в вытяжном воздуховоде. Соответственно температурный датчик устанавливается в приточный воздуховод и в характерной точке помещения или, при ее отсутствии, в вытяжной воздуховод.
Хочу обратить внимание, что привод клапана следует применять с аналоговым управлением (0-10)В или (4-20)мА. Почему? Во-первых, подавая определенный сигнал на привод, мы точно знаем, что он переместится в соответствующее положение (если только он не поломан). Во-вторых, рассмотрим позже.
- управление циркуляционным насосом и его защита, если насос не имеет встроенной защиты.
Существуют различные алгоритмы управления насосом. Но если говорить по сути, то насос должен работать во всех режимах, когда существует необходимость движения теплоносителя через калорифер:
а) при работающем вентиляторе, когда осуществляется подогрев воздуха в нагревателе.
б) при неработающем вентиляторе при температуре воздуха ниже 5-7ºС (далее будем называть - зимний режим)
в) при прогреве воздухонагревателя перед пуском вентилятора.
г) при возникновении угрозы замораживания.
- поддержание температуры обратного теплоносителя при неработающем вентиляторе.
Когда система не работает в зимнем режиме, теплоноситель должен все равно циркулировать через теплообменник, но поскольку без движения воздуха в полном объеме теплоноситель не нужен, то есть смысл поддерживать расход на минимальном уровне. Для этого, при остановке вентилятора, управляющий контроллер перестает поддерживать температуру приточного воздуха, и переходят на поддержание температуры обратной воды. Обычно диапазон уставки колеблется в диапазоне 20-40 ºС. Для этого в обратный трубопровод до точки подмешивания со стороны теплообменника устанавливается температурный датчик, который одновременно используется и для защиты теплообменника от замораживания и при пуске системы.
-защита воздухонагревателя от замораживания.
Защита осуществляется по анализу двух параметров - температуры обратной воды и воздуха. Для анализа температуры обратной воды используется тот же датчик, что и для регулирования температуры обратного теплоносителя. По воздуху ставится дополнительный термостат. Если какая-либо из температур снизилась ниже уставки (на термостате для воздуха или в контроллере для воды), то контроллер останавливает вентилятор, закрывает заслонку наружного воздуха, открывает на 100% регулирующий клапан и включает насос (если он был выключен).
-предварительный прогрев воздухонагревателя.
В зимний период перед тем, как включить установку необходимо прогреть воздухонагреватель. Обычно это происходит следующим образом. При нажатии кнопки «пуск» контроллер осуществляет задержку этого пуска обычно на 3-и минуты, открывая при этом клапан на 100% и включая насос, и только через 3 минуты открывается заслонка наружного воздуха и запускается вентилятор. Существуют и более продвинутые схемы. Например, и время задержки может выбираться, и алгоритм может быть более энергосберегающий. Например, нет понятия четкого времени задержки пуска вентилятора. При нажатии кнопки «пуск» контроллер следит за воздушным термостатом и датчиком на обратном теплоносителе. Как только обе температуры поднимутся выше уставок по угрозе от замораживания, прекращается режим прогрева и осуществляется пуск системы. Таким образом, данный алгоритм является наиболее оптимальным, поскольку учитывает все реалии каждой конкретной системы.
Ну вот, вроде бы мы рассмотрели все вопросы автоматизации водяного воздухонагревателя. Если что-то упустил - задавайте вопросы. Материал серьезный, так что читайте. На следующем уроке рассмотрим автоматизацию электрического воздухонагревателя и ответим на вопросы.
До встречи!

Комментарий к публикации «Урок №13. Автоматизация вентиляционных систем.Часть 2»

  1. ЦАП

    Сайт очень полезный, вспомнить что изучалось в университете за 5 лет…
    Перед сдачей диплома…

Задать вопрос
или оставить свой комментарий