Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований теплового двигателя

 

Т а б л и ц а  2.2 – Алгоритм управления регулирующими клапанами, реализованный с помощью регулятора ПРОТАР 120

Номер шага программы	команда	содержание  команды	результат вычисления
1	2	3	4
0	F16	Фильтр с  масштабированием	N16=C1*A*(t1*p+1)
1	F17	Фильтр с  масштабированием	N16=C2*b*(t2*p+1)
2	F40	ввод переменной для последующего вычисления	C
3	C	переменная
4	F49	дифференцирование	t3*C/(t3*p+1)
5	t3	переменная
6	F27	умножение	t3*C*c3/(t3*p+1)
7	c3	переменная
8	F41	пересылка и  запоминание результата предыдущего  вычисления	N00=t3*C*c3/(t3*p+1)
9	N00	переменная
10	F25	сложение	N00+N17
11	N17	переменная
12	F25	сложение	N00+N17+N16
13	N16	переменная
14	F41	пересылка и  запоминание результата предыдущего  вычисления	P=N00+N17+N16
15	P	переменная
16	F10	интегратор  задания

 

 

 

 

Продолжение таблицы 2.2

 

1	2	3	4
17	F01	регулирование ПИД-импульсное	Задание Yo=Po+ao, где  ао изменяется в диапазоне от -а$ до а$. Рассогласование: Е=p/(to*p+1)+Yo; Динамическая или статическая балансировка (в  зависисмости от переменноц tc). Введение зоны нечувствиетльности а. ПИД-регулирование: W=(100sec/Ts)*P
18	F00	конец программы  и обработка входов-выходов прибора  ПРОТАР 120

 

2.5 Разработка интерфейса оператора в среде графического программирования Lab View Real Time

 

Графическое представление  хода выполнения технологического процесса, а также управление этим процессом с помощью графических средств являются одними из главных задач, решаемых Lab View Real Time . Прежде  чем описывать окно оператора следует ознакомиться с предлагаемым решением вопроса автоматизации установки.

Система управления и работа оборудования с помощью панели оператора с экрана монитора представлена на рисунке 2.11. Панель оператора представляет собой графическое изображение технологической схемы тригенерационной установки. На схеме представлены органы управления установкой, а также выводятся показания датчиков температуры и давления в удобной и наглядной форме. Активность управляющих элементов определяется оператором по цвету. В интерфейсе окна оператора применяется 2 цвета: красный – отключено и синий – включено. Применение такой индикации активности очень удобно, так как наглядно и понятно на интуитивном уровне. Принципиальная схема, изображенная на интерфейсе поделена на два блока управления. Левый блок отвечает за управление тепловыми насосами, регулирующими клапанами и температурой воды в баке-аккумулятор-1. Правый блок за управление дизель-генератором, а также регулирование потоком охлаждающей жидкости.

 

 

Рис. 2.11 - Интерфейс автоматизированной системы экспериментальных исследований

Как видно из рисунка 2.11, окно оператора состоит не только из принципиальной схемы установки. Информацию, получаемую с датчиков можно контролировать не только на схеме. В состав окна оператора входят несколько вкладок: «Схема», «Приборы», «Графики RTD 1-8», «Графики RTD 9-16», «Графики ТП 1-5», «Графики ТП 6-10», «Графики Давление». Каждая вкладка позволяет считывать информацию в удобном для наблюдателя виде. На рисунке – 2.12 представлена вкладка «Приборы», как видно по рисунку можно узнать точное значение любого из параметров в данный момент времени. В состав данной вкладки входят такие компненты как указатели температуры и указатели давления. Значения каждого прибора максимально наглядно отражают состояние системы в текущий момент времени.

 

 

Рис. 2.12 - Вкладка «Приборы»

 

Но такое  считываение информации не всегда удобно, так как представлено большое количество приборов, а опрос датчиков микроконтроллером происходит в считанные милисекунды. Поэтому для большего удобства оператора были использованы еще несколько вкладок: », «Графики RTD 1-8», «Графики RTD 9-16», «Графики ТП 1-5», «Графики ТП 6-10», «Графики Давление». Эти вкладки уже позволяют следить за динамикой происходящего процесса. Графики можно получать с заданной дискретностью. Ниже на рис2.13 показана вкладка «Графики Давление». В этой вкладке рисуются графики указателей давления. Указатели давления установлены местно на установке, и предназначены для контроля давления в тепловых насосах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.13 - Вкладка «Графики Давление»

 

Ниже на рис.2.14 показана вкладка «Графики RTD 9-16». В этой вкладке рисуются графики полученнык при опросе термодатчиков RTD 9-16 . Термодатчики установлены местно на установке, и предназначены для контроля температуры в различных частях системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.14 - Вкладка «Графики RTD 9-16»

 

Фрагмент кода программы в среде графического программирования LabVIEW в виде блок-диаграмм представлен на рисунках 2.15 и 2.16. Запуск лабораторного стенда осуществляется нажатием кнопки пуск ДГ. После запуска происходит имитация движения охлаждающей жидкости по малому контуру и по мере возрастания температуры открывается дозирующее устройство.  По ПИД - закону регулирования часть жидкости попадает в большой контур. Регулирование в данном случае осуществляется посредством регулятора ПРОТАР-120.

 

Рис.2.15 – Фрагмент блок- диаграммы  для запуска лабораторного стенда

 

На рисунке 2.16 показан фрагмент блок-диаграмма  опроса датчиков. В  автоматизированной системе тригенерационной установки используются датчики давления, термодатчики и термопары. Опрос датчиков производится циклически. Значения снятые с указателей давления, термодатчиков и термопар нормируется и преобразуются в цифровой код. Для удобного отбражения полученной информации цифровой код представляетсчя на экране оператора в удобном для восприятия виде. В результате опроса термодатчиков значения передаются по каналам связи на экран оператора. В цикле опроса датчиков значения передаются в разные вкладки.

 

Рис. 2.16 – Фрагмент блок- диаграммы опроса датчиков

 

Описать все разработанные блок-диаграммы подробно! 
ГЛАВА 3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

 

Экономическая часть выпускной работы выполняется  по индивидуальному заданию.

 

1. Постановка задачи

 

Необходимо рассчитать:

- годовую потребность  одного коммерческого здания  в тепловой энергии на процессы отопления и горячего водоснабжения;

- максимальную часовую  тепловую нагрузку на процессы  отопления и горячего водоснабжения; 

- себестоимость отпуска  единицы тепла для системы  теплоснабжения коммерческого здания  в режиме максимальной выработки  тепловой энергии;

 

1. Схема энергоснабжения коммерческого здания

 

Тепловая нагрузка здания прокрывается за счет Тригенерационной установки на базе ДЭС  «Wilson K8-1» электрическая мощность ДЭС Р=6кВатт, работающей на жидком топливе (дизельное топливо) и 2х ТНУ тепловых насоса, расположенных оппозитно на базе компрессоров ТМ31 мощностью каждый 8,5 кВатт - это система децентрализованного теплоснабжения (ДТС). Вырабатываемая мощность установки при максимальной нагрузке составляет 27 кВт или 23220 ккал/час.

Расчет будет произведен на примере коммерческого здания (кафе), которое обладает следующими характеристиками: количество этажей-2, площадь здания - 120 м², высота здания – 7 м, объем здания- 840 м³., количество посадочных мест - 100 . Был выбран режим работы ДЭС при котором система вырабатывает только тепловую энергию (ГВС+теплоснабжение) - зимой и комбинированно тепло(ГВС) и холод(кондиционирование) - летом. Количество суток эффективной работы станции - 350 (зимний период – 166 суток).

 

2. Описание установки

 

Источником  энергии в данном случае является Дизельная Электростанция, которая после некоторой модернизации дает возможность получать 3 вида энергии: холод, электричество и тепло. Для выработки электрической энергии на валу двигателя расположен генератор электрического тока. Тепловая энергия вырабатывается за счет отбора тепла от отводимых выхлопных газов через теплообменник ТО-5 и бака с холодной водой БА-2, а также тепло в установке выделяется за счет системы охлаждения самого двигателя. Для ГВС(зимой)/кондиционирования(летом)  используется тепловой насос. Охлаждающая жидкость циркулирует по малому контуру и по мере возрастания температуры открывается дозирующее устройство РК-5, вследствие чего часть жидкости попадает в большой контур. В результате открытия устройства происходит тепловой обмен в БА-2, что приводит к отдаче тепла от охлаждающей жидкости для нагрева воды в теплообменнике. Приведенная ниже схема, иллюстрирует принцип работы системы применяемой в коммерческом здании для покрытия собственных нужд в энергии (тепловая и кондиционирование).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок - 3.1 Технологическая схема

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1- технологическая схема

 

 

2. Расчёт потребностей в тепловой энергии

 

1. Определение годового расхода тепловой энергии

 

Годовой расход тепла на отопление одного здания определяется по формуле

                         (3.1)

где  q_o = 0,27 ккал/(м3*ч*С) - удельная тепловая характеристика зданий,

а = 1,05 - коэффициент инфильтрации наружного воздуха;

K_t = 1,08 - коэффициент, учитывающий изменения расчетной температуры

наружного воздуха;

V_н = 840 м³ - объем здания по наружному обмеру;

t_В = 20 ⁰С - температура воздуха внутри помещений;

t_{cp oт} = -3  ⁰С - средняя температура наружного воздуха за отопительный

период;

Z_от = 166 сут - продолжительность отопительного периода;

24 - число часов в сутках.

На здание

    

Годовой расход тепла на горячее водоснабжение  определяется по формуле

           (3.2)

где М = 30 литров  - суточный расход горячей воды на одно посадочное место в сутки;

С = 1,0 ккал/кг - удельная теплоемкость воды;

t_гв = 65 ⁰С  - температура горячей воды;

t_хв.з = 5 ⁰С - температура холодной воды зимнего (отопительного) периода;

t_хв.л = 15 ⁰С - температура холодной воды летнего периода;

Z_з = Z_от =166 сут - продолжительность зимнего периода;

Z_л = 350- Z_от = 184 сут - продолжительность летнего периода.

Тогда на одно посадочное место

;

На здание           ;

Годовая потребность  коммерческого сооружения в тепловой энергии

                      ;

 

3.2.2 Определение максимальной часовой нагрузки

 

Максимальная  часовая нагрузка для процесса отопления  рассчитывается по следующей формуле

                         (3.3)

где t_нр = -24 ⁰С – расчетная температура наружного воздуха местности.

Тогда на одно здание

                   ;

При расчете  был выбран режим работы тригенерационной установки, при котором ДЭС работает только на выработку тепловой энергии. В результате чего получаем максимальное количество тепловой энергии, равную 23220 ккал. Зная вырабатываемую мощность можно рассчитать максимальную часовую нагрузку для горячего водоснабжения. Тогда получим

                                   ;   (3.4)

 

;

В результате получаем

- максимальная часовая нагрузка для процесса отопления