Алдын-ала қыздырылған мұнайлар мен мұнай өнімдерін айдау

Алдын-ала қыздырылған мұнайлар мен мұнай өнімдерін айдау

Қысқа мұнай базалы құбырлар үшін құбырдың қыздыруының әртүрлі тәсілдерін кеңінен қолданады. Егер қатып қалатын мұнай өнімі үшін бу және құбыр желілері бір бағытта өтсе, онда айдауды жол бойы қыздырып ұйымдастыруға болады. Құбырларды бір-бірінің қасынан өткізіп немесе бу құбырын мұнай құбырының ішіне орналастырып және оларды жылу изоляциясымен бүркесек, (сурет 1.1, а,б,) жол бойы бумен жылытатын жүйені аламыз. Мұнай бұл жүйе бойынша әртүрлі режимдерде және жылдың әр кезеңінде айдала алады. Бірақ магистральді құбырлар үшін бұл тәсілді оның күрделілігінен, қымбаттылығынан және техникалық жүзеге аспайтындығынан қолданбайды.

Тұтқырлы мұнайларды қыздыру үшін кеңінен электроқыздыруды; индукционды қыздыруды; құбырдың тікелей электроқыздыруын; кабельдер немесе жылыту ленталар 2 арқылы қыздыруды (сурет 1.1, в) қолданады. Жылу тасымалдағыштармен (ыстық су, бу) салыстырғанда электроқыздырудың ПӘК-і, қуатты кеңінен реттеу, құрастыру жеңілділігі, тұтастығы әлде қайда болады.

Индукциялық электроқыздырудың құны жоғары болғандықтан оны құбырды қыздыру үшін іс жүзінде онша қолданбайды. Құбырды тікелей электроқыздыру үшін құбырдың жекелеген бөлігіне кернеуі 50 В-тан көп болмайтын айнымалы тоқты қосу қажет. Бұл тәсілдің қолданылуы шектелген, себебі қыздырылатын бөлік барлық жағынан электрлі қорғалған болу керек. Осыдан, оны тоқтың көп шығыны кететіндіктен жер астықұбырлар үшін қолдану тиімсіз екендігі шығады.

Ең кең тараған қыздыру элементтері – негізінен құбырдың сыртқы бетіне құрастырылатын кабельдер мен ленталар түрінде болады. Олардың энерготұтынуы – құбырдың 1м-ге 100 Вт құрайды. қыздырылатын кабельдердің кемшілігі – құбырдың перимтрі бойынша қыздырудың біркелкі болмауы, ол кабельде жоғары температураны ұстап тұруда қажет етеді. Қыздырылатын кабельдің тұтынатын қуаты 4000 кВт-қа жетеді, ал қыздыру ұзындығы 13 км жуық болады. Магистральді құбырдағы мұнайды үзіліссіз қыздыру үшін бұл тәсілді қолданбайды.

Қысқа құбырларды қыздыру үшін электроқыздырылатын ленталар кеңінен тараған, және оларды құбырдың сыртқы жағынан, қыздырудың берілген қуатын қамтамасыз ететін қадаммен орайды.

Құбырдағы мұнайды электроқыздырудың барлық тәсілдерін апаттық жағдайда немесе қатып қалған мұнайды қыздыра айдауды жаңалау үшін айдаудың жоспарлы тоқтаулар кезінде пайдалануға болады.

Алдын-ала қыздырылған мұнайлар үшін құбырды құрылымдық схемасы. Қазіргі уақытта тұтқырлы және қатуы жоғары мұнайлар мен мұнай өнімдерін құбырлы тасымалдаудың ең кең тараған тәсілі – алдын-ала қыздырылған сұйықтарды айдау (ыстық айдау) болып табылады. Бұл жағдайда мұнайды немесе мұнай өнімдерін құбырдың басты пункттеріндегі пештерде (жылу алмастырғыщтарды) қыздырып, сораптармен магистральға ендіреді.

Құбыр бойымен әрбір 20-30 км сайын аралық қыздыру пункттерін орналастырады, ал 70-150 км сайын аралық сорапты станциялар құрастырады, сол станцияларда да мұнайды қыздыратын құрылғыдлар бар, ол жерде мұнайды қыздырады да, қайтадан құбырға айдайды. 1.2 суретнде магистральді ыстық құбырдың принципті технологиялық схемасы келтірілген. Мұнай өндірістен құбыр 1 бойынша басты қопарғыш станциялардағы резервуарлы паркіне 2 беріледі. Жылу жоғалуын қысқарту үшін резервуарларда көбінесе жылу бүркегіш болады. Оларды міндетті түрде қыздырғыштармен жабдықтайды, және солар арқылы мұнайды тіректі сораптармен 3 сорып алуға болатын температураны сақтап тұрады. Сораптар мұнайды қыздырғыштар 4 арқылы өткізеді. Қыздырғыштарды, әдетте, тіректі және жұмыс сораптары 5 арасында орналастыррады, ал өз кезегінде жылу алмастырғыштарды жеңіл етіп жасауды рұқсат етеді, себебі тіректі сораптармен берілетін қысым онша көп емес. Қыздырғыштар арқылы температураны берілген мәнге дейін жоғарлата, барлық айдалатын мұнайды немесе оның бөлігін, есепті температурадан жоғары температураға дейін қыздырып, ал жылу алмастырғыштың шығысында оны, қыздырудың берілген температурасын алу үшін, салқын ағынмен араластырып өткізуге болады. Жылу алмастырғыш аппараттардан 4 кейін мұнай сорап станцияларының негізгі сораптарына 5 жіберіледі де солар арқылы магистральға айдалады. Құбыр арқылы мұнайдың қозғалуы кезінде ол суып қалады, және де оның тұтқырлығы жоғарылап, үйкеліске жоғаулары да жоғарлайды. Суық мұнайды айдауға кететін мұнайдың көп шығындарының алдын алу үшін оны аралық жылу станцияларында 6 және 7 қыздырады. Егер мұнайды үлкен қашықтыққа тасымалдаса, онда жылдамдықтан басқа жылу станциясымен 9 қосарланған аралық сорапты станцияларын да 8 құрастырады. Берілген схемада аралық жылу станциялары 10 дәне 11 мұнай өндіретін зауыттың шикізат паркі де 12 орналасқан.

Сипатталған тәсіл бойынша қазіргі уақытта әлемде шамамен 50 50 құбыр пайдаланылады. Ең үлкен ыстық құбырларының бірі - Өзен-Гурьев-Куйбышев.

dx=K(T-T₀)πDdx

мұнда К – мұнайдан (мұнай өнімінен) қоршаған ортаға жылу беру коэффициенті; Т – қарастырылатын бөлік үшін мұнай өнімінің температурасы; πDdx – қарапайым бөліктің жылу беретін беті; D – құбырдың ішкі диаметрі; Т₀ – қоршаған ортаның температурасы. Стационарлы жылу алмасу үшін Т₀ және К шамаларын тұрақты етіп қабылдайды.

Қарастырылатын қарапайым бөліктен өтетін сұйықтықтың қозғалысы кезінде, ол а-а қимасынан а΄-а΄ қимасына дейін dT-ға суиды да,

dq = -G·c_pdT

жылу мөлшерін жоғалтады, мұндағы G = Q·ρ – мұнайдың массалық шығыны; Q – мұнайдың көлемдік шығыны; ρ, c_p – мұнайдың тығыздығы мен жылу сыймдылығы.

Графиктен құбырдың басты бөлігіндегі температураның құлауы, соңғы бөлігіне қарағанда қарқындылау екендігі шығады. Мұнда бөліктің ұзындығы бойынша орташа температура да Т _ср келтірілген. Төменгі температураларда парафин кристалданады да, мұнайдың барлық көлемі бойынша кеңістікті тор түзді, және оның ұяшықтарында мұнайдың сұйық фазасы орналасқан.

Жоғары парафинді мұнайдың суытылуы келесідей жүзеге асады: бастапқы Т_н температурасынан парафиннің кристалдануы бастаған кездегі Т_п температурасына дейінгі мұндай мұнайлар (1.2) заңы бойынша суытылады, ары қарай суытқанда температураның түсу темпі баяуланады, себебі жылу алмасу парафиннің кристалдануынан бөлінетін жылумен бірен-саран орнын толтырады. Бөлінетін парафиннің мөлшері температураның төмендеуіне пропорционал.

Айдалатын мұнай температурасы Т_кр-ден төмендегенде онда жылжудың динамикалық кернеуі пайда болуы мүмкін. Жылжудың динамикалық кернеуі пайда болған кездегі температураны Т_у арқылы белгілейік. Сонда ағынның ламинарлы режимі байқалатын құбыр бөлігінің ұзындығын келесі формула бойынша бағалауға болады

Критикалық шығынға жеткен кезде изотермиялық құбырлардың бір режимнен екінші режимге өтуі құбырдың барлық ұзындығы бойынша іске асады. Сұйықтықтың температурасы айнымалы болатын құбырлар үшін тұрақты шығын кезінде де бір режимнен екінші режимге өту айдалатын сұйықтықтың суу қарқыны бойынша бйқалады. Сондықтан “ыстық” құбырларда ешқандай секірмелі өтулер болу мүмкін емес.

Құрылымдық режимді бөліктің ұзындығы l_c = L – l_T – l_Л. Температуралық режимге байланысты құбырда мұнай ағынының бір, екі немесе үш режимі байқалуы мүмкін.

“Ыстық” құбырлардағы үйкеліске жоғалуларын анықтау. Турбулентті l_T , ламинарлы l_Л және құрылымдық l_с ағын режимдерінің ұзындықтарын біле отырып, олар үшін үйкеліске қысымның жоғалуын және құбырдағы энергияның жоғалуларының қосындысын h=h_T + h_Л + h_c анықтайды. Ыстық құбырдағы үйкеліске, қысымның жоғалуларын құбырдың ұзындығымен қоса оның радиусы бойынша мұнай температурасының өзгеруін ескере отырып, анықтай қажет, яғни

h=h_ИЗΔ_lΔ_r

мұндағы h_ИЗ – сұйықтықтың Т=Т_н болғандағы изотермиялық ағыны кезінде үйкеліске қысымның жоғалулары; Δ_lΔ_r – ағынның ұзындығы мен радиусы бойынша температураның құлауын ескеретін сұйықтықтық ағынының изотермиялы болмауына түзегіш коэффициенттері.

Аз шығындар аймағында құбырдағы мұнай өнімі Т₀ – ге жақын температураларға дейін тез суиды, және құбырлар ұзындығының үлкен бөлігінде оның тұтқырлығы ылғи тұрақты, ν₀-ге жақын болып қалады. Шығын көбейген сайын қыздырылған бөліктің ұзындығы да үлкейеді, және ол орташа температураның өсуі мен үйкеліске шығындардың төмендеуіне әкеледі. Демек, шығын өскен сайын шын сипаттама l түзуінен оң жаққа қарай ауытқиды. Н өзгеруінің мұндай сипаттамасы Q өскен сайын (үйкеліске жоғалулар өсіп жатыр) К нүктесіне дейін жалғаса береді. К нүктесінен бастап шығынның өсуі үйкеліске жоғалулардың азаюына әкеледі. Бұл Q – дың өсуі құбырдағы температураның (орташа) өсуіне әкеп соғатындығымен түсіндіріледі, демек, мұнайдың тұтқырлығын төмендетеді, және сол мұнай тұтқырлығының әсері Q-дің өсуі үйкеліске жоғалуының мәніне тигізетін әсеріне қарағанда әлдеқайда үлкен дәрежеде көрінеді. Мұндай жағдай мұнайдың орташа температурасының өсуі тұтқырлықтың өзгеруіне әсерін тоқтатпағанға дейін сақталады.

Құбырдың арынды сипаттамасының 3 (1.4 суретті қараңыз) Б нүктесінен бастап, мұнай шығынының өсуімен үйкеліске жоғалулар көбейе береді және 2 қисығына асимптотикалық жақындайды. Қисық 3 –те турбулентті режимнен ламинарлыға өтуінің кенет өзгеруі болмайтындығын ескеру қажет, бұл құбыр ұзындығы бойымен температураның төмендеуі мен тұтқырлықтың өсуіне байланысты бір режимнен екінші режимге бірқалыпты өтумен түсіндіріледі.

К және Б нүктелері арқылы жүргізілген екі вертикальді сызықтармен ыстық құбырдың сипаттамасы үш зонаға бөлінеді: I, II және III.

Сипаттаманың II зонасы к-дан б нүктесіне дейін изотермиялық емес құбырдың тұрақсыз жұмыс зонасы болып табылады, себебі температураның немесе шығынның шамалы төмендеуі кезінде арынның жоғалулары күрт өседі де, сораптың (а нүктесі) максималды арынын асып кетуі мүмкін.

Бұл жағдайда айдалатын сұйықтықтың шығыны күрт түседі де ОК қисығының бөлігіне өтеді, бұл құбырдың “қатып қалуына” эквивалентті болады. Сондықтан сипаттаманың I зонасы айдауға кететін энергияның өте аз берілетіндігі мен үлкен шығындарына байланысты жұмыс істейтін болып табылады. Істейтін болып сипаттаманың тек III зонасы болып табылады.

Құбырдың барлық сораптық станциялардың жиынтық сипаттамаларын да осы графикке салады. Егер сораптық станциялардың жиынтық сипаттамалары К нүктесінен (5 қисығы) жоғары өтсе, онда мұнайдың құбырмен айдалуы кез-келген шығындарда (0-ден Q_М-ге дейін) іске аса береді. Егер сораптық станцияларының жиынтық сипаттамасы құбырдың сипаттамасымен (a, b, n нүктелері) қиылысса (көп жағдайда осылай болады), онда III – жұмыс зонасы болады. Егер құбыр мен жабдықтың беріктігі рұқсат етсе (бұл құбырды пайдаланғандағы барлық жағдайда қамтамасыз етіледі), онда сорапты станцияларда аз шығындар диапазонындағы кедергілерден және жіберілетін мезгілді өту үшін қосымша сораптарды орнатады.

Сорапты станциялардың жиынтық сипаттамалары мен құбырдың қиылысуы ( n немесе М нүктелері) жүйенің параметрлерін ( Q_M, H_м немесе Q_n H_n) анықтайтын жұмыс нүктесін береді. “Ыстық” магистральді құбырлар үшін сораптардың (сораптар жинағының) тиімді параметрлері сипаттаманың III зонасына сәйкес болу керек. Әдетте “ыстық” құбырларды пайдаланған кезде айдаудың турбулентті режимі орын алады, себебі ламинарлы режимде шығындар өте аз.

Сорапты-жылу станциялардың құрылғысы. “Ыстық” тұтқырлы және қатуы жоғары мұнайлар мен мұнай өнімдерін поршеньді сораппен айдаса, сол сияқты центрден тепкіш сораппен де айдай алады. Бірақ магистральді құбырлар үшін бүкіл әлемде тек центрден тепкіш сораптарды қолданады, өйткені жоғары температура кезінде мұнайдың (мұнай өнімдерінің) тұтқырлығы аз, ал сораптардың пайдалы әсер коэффициенті жеткілікті жоғары болады. “Ыстық” құбырдың айдау станцияларының центрден тепкіш сораптары қарапайым құбырлар сияқты. Бұл тасымалданатын сұйықтықты қыздыру температурасының 307⁰К-нен аспайтындығымен түсіндіріледі. Бұл жағдайда центрден тепкіш сораптардың ПӘК-і 75-80% құрайды. центрден тепкіш сораптар құрылымы бойынша қарапайым, үзіліссіз қадағалап отыруды қажет етпейді, және оңай автоматтандырылады. Бір центрден тепкіш сораптан шығатын арын әдетте аз болғандықтан қопару станцияларында оларды тізбектеп орнатады. Сорапты станциялардың технологиялық орап-байлаудың ең жақсы сұлбасы екі-үш жұмысшылардыңнемесе бір резервтіагрегаттардың тізбектей қосылуы болып табылады. Әрбір агрегатпен дамитын қысым 2-3 МПа құрайды.

ТМД елдерінде қолданылатын НМ сериялы центрден тепкіш магистральді сораптардың параметрлері: 125-1000 м³/с берілуі; қопарылатын сұйықтықтың жіберілетін температурасы 353⁰К-ге дейін; сұйықтықтың кинематикалық тұтқырлығы 3-10^-4 м²/с-ден аспайды; механикалық қосылғыштар көлемі бойынша 0,05% -тен аспайды.

1250 м³/с артық беретін сораптар Q₀ номиналдан 0,5 және 0,7-мен беретін сменалы роторымен жабдықталған. Бұдан басқа НМ 10000-210 сорабының 1,25 Q₀ беретін сменалы роторы бар, ал НМ 1250-260 сораптың 900 м³/с беретін қосымша роторы бар. барлық сораптарторцты нығыздаумен және сырғанау подшипниктерімен жабдықталған. Көлемді бергіш магистральді центрден тепкіш сораптар кірісіне тек 0,3-1 Мпа қысыммен жұмыс істей алатындықтан, оларды тіректі центрден тепкіш сораптармен бірге қояды. Негізгі және тіректі сораптарының жұмысшы дөңгелектерінің айналым жылдамдығы 50және 16 с^-1.

Қопарылатын мұнайдың тұтқырлығы көбейген сайын сораптың арыны мен ПӘК-і азаяды, ал қолданылатын қуаты өседі, сондықтан центрден тепкіш сорапты жылу ауыстырғыш аппарттан кейін орнатқан жақсы. Бұрақ мұндай орналастыру бірқатар жағдайларда гидравикалық кедергінің көптігінен (сорғыш желілер мен жылуалмастырғыш аппараттар) мүмкін емес. Жұмыстық сорапқа тірек жетпегендіктен ол кавтациялы режимде жұмыс істей бастайды. Сондықтан кейбір мұнай құбырларында тіректік және жұмысшы сораптар жылу алмастырғыш аппараттардың алдында орнатылады. Бұл жағдайда сораптар тұтқырлығы жоғары мұнайды айдайды, ал сораптар судың бетінде оның жұмысы кезінде сорап үшін көрсететін паспорттық берумен арынды қамтамасыз етпейді. Тұтқырлы сұйықтықпен жұмыс істеу кезінде сораптың нақты сипаттамасын алу үшін қайта санақ үшін арнайы әдістер қолданылады.

Сораптар үшін күштік жетек ретінде бу және газ турбиналары, сұйық немесе газ тәрізді отынмен жұмыс істейтін ішкі жану қозғалғыштары, электрқозғалтқыштары қызмет етеді. Ең кең тарағандары редакторсыз тікелей негізгі және тіректі сораптармен жалғайтын электрқозғалтқыштары болады.

Резервуарларда мұнайды (мұнай өнімдерді) 313-333 К температураға дейін қыздырады, оның сорап арқылы берілген берісі мен тарптып шығаруын қамтамасыз етеді. Резервуарларда сұйықтықтың жоғарыда келтірілген температурасының қызуы қарқынды буланудан болған мұнайдың жеңіл, өте бағалы фракциясының және жылудың өте көп жоғалуынан мақсатқа сай болмайды. Сондықтан резервуардан кейін қотару температурасына дейін мұнайды арнайы жылу алмастырғыштарда қыздырады.

Резервуарларда мұнайдың қыздыруын стационарлы ирек түтікті не секциялы қыздырғыштар көмегімен іске асырады. Бұл қыздырғыштар резервуардың түбінің үстінде конденсатты жою мақсатымен жылутасығыш жүрісі бойынша құрастырады және мұнайдың барлық массасын қызыдруды қамтамасыз етеді. Қыздырғыштар үшін жылутасығыш ретінде су буын, ыстық су және ыстық мұнайды қолданады. Резервуардан қоршаған ортаға жылудың көп кетуін бүйір қабырғалар және жатырларды жылулық изоляциялау арқылы болдырмауға болады, бұл өте тиімді, өйткені эксплуатациялық шығындар тез қысқарады.

Магистральді “ыстық” құбырларда бу және оттық қыздырғыштар қолданылады. Бұл қыздырғыштардың ішінде мұнай үшін ең кең тараған қалқып тұратын басы бар көп жүрісті жылуалмастырғыштар. Бұлар эксплуатация кезінде өте ыңғайлы, компактілі және қарастырумен жөндеуге мүмкіндік береді. Жылуберіліс коэффициентін көтеру және жылуалмастырғыштардың габариттері мен массасын төмендету үшін мұнайды құбырлар арқылы жібереді де, ал буды құбыр артындағы кеңістіктен жібереді.

Берілген конструкцияның жылуалмастырғыш аппраттарын технологиялық схемаға қосуы әртүрлі болуы мүмкін, бірақ оларды жиі параллельді түрде қосады, ал бұл қосу түрі мұнайды қыздыру температурасын кең шектерде реттеуге мүмкіндік береді. Жылу станцияларында технологиялық режимді бұзбайтындай жылуалмастырғыштарды тазалау және жөндеу жұмыстарды өткізе алатындай бірнеше резервті жылуалмастырғыш аппараттарды орнатады. Бі қыздырғыштарын пайдалану кезінде жылуалмастырғыштардың технологиялық режимдерін және күйін үнемі бақылап тұру қажет.

От қыздырғышы үшін газ не қотарылатын мұнай өнімі отын болып табылады. Пештің жұмысын шығысында мұнайдың берілген қыздыру температурасы болатындай етіп реттейді. Жылу станцияларында қажетті жылу қуатын тәуелді есептеуге сәйкеснегізгі және резервті оттық қыздырғыштар орнатылады.

Оттық қыздырғыштар булыға қарағанда экономикалық тиімділеу, бірақ олар отқа қауіпті, жоғарымамандырылған қызмет көрсету персоналын қажет етеді және жылу режимінің өзгеруіне өте сезімтал. Көп ағынды оттық қыздырғыштарды эксплуатациялау кезінде радиантты құбырларды суыту шарты бірдей болу үшін әрбір бұтақта бірдей шығындар ұстап тұру қажет. Осы талаптарды орындамау құбырлардың жануына және оттық қыздырғыштардың жануымен атылуына әкеп соғуы мүмкін. Барлық қыздыру пештері өздерін қалыпты пайдалануды қамтамасыз ететін бақылағыш өлшеу приборлармен және автоматты жүйелермен жабдықталған.

2. 
   Пештің конструкциясы мен жұмысының сипаттамасы
   

Конструктивті құбырлы пешті құрастырмалы-комплексті етіп жасалған және орта радиантты блок пен радиантты блоктың екі жағынан симметриялы орналасқан екі конвективті камерадан тұрады.

Радиантты блок 4 ағынды горизантальді ирек түтікпен жабдықталған және оның әр ағынында құбырдың үш қатары бар. әр ағындағы оттыққа арналған құбырдың бірінші қатары өзіндік радиантты болып табылады, және қабырғалы ирек түтіктің екі қатарынан қалқамен бөлінген. Радиантты блогының подында ось бойынша 9 газды шілтер орналастырылады. Радиантты блогының бүйір қабырғалары арасы мен қалөалар үстіндегі жану өнімдері бәсеңдейтін ағынмен өтеді де, газоходтар арқылы пластинкалы ауақыздырғыштар шоқтары мен конвективті ирек түтіктердің пакеттерін тізбектей өте отырып, конвективті камераларының астына түседі. Әрі қарай түтін газдары үстінгі газоходтар арқылы әрбір конвективті блоктан түтін құбырына жіберіледі. Негізгі тура радиантты блоктың үстіне рамаға орналастырылатын түтін құбыры айнымалы шибермен жабдықталған.

Жануға берілетін ауа ауақыздырғыштарда қыздырылады да, вентиляторлар арқылы ауа коллекторына, ал одан әрбір шілтерге беріледі.

Арнайы шығыны тұрақты болған жағдайда, жағылатын газдың (отын) өзгеруі газдың температурасының тұрақсыз өзгеруіне және құбырлы пештің ПӘК-нің өзгеруіне әсер ететіні белгілі. Бірақ бұл байланыстардың бейсызықсыз отын шығынының температурасының айтарлықтай өзгерулерінде байқалады, ал отын шығынының аз өзгеруі құбырлы пештің ПӘК-і мен жағылатын газдардың температурасының сызықты өзгеруіне әкеледі. Құбырлы пештің жылу режимін басқарған кезде, отын шығынының айтарлықтай лездік өзгерулері болмайды, сондықтан құбырлы пештің оптимизация обьектісі ретінде отын шығынының өзгеруіне қатысты сызықты деп санауға болады.

Құбырлы пеш бірінші ретті тиімділеу объектісі болып табылады, және оның моделінің инерционды бөлігі бейсызықты бөліктен кейін оналасады (сурет 2.1). Келтірілген құрылымдық схема құбырлы пештерде болатын үрдістермен жақсы келіседі, себебі, алдымен, пеште жылухимиялық айналдырулармен байланысты бейсызықты үрдіс, ал содан кейін сызықты буындардағы бірінші жуықтағы үрдістермен келтірілген жылу берілістің барлық түрімен байланысқан үрдістер жүзеге асырылады.

Қазіргі уақытта құбырлы пештерді басқару үшін пештің шығысындағы шикізат температурасын берілген деңгейде ұстап тұратын функционалдау алгоритмі бар жүйелерде қодлданады. Бірақ бұндай жүйелер құбырлы пештердің жұмыс режимін қамтамасыз етпейді.

Құбырлы пештерді оптимизацтялау кезіндегі басқару есебі келесі түрде бола алады: пеш шығысындағы температураның ауытқуы (Δt_j) технология бойынша берілген шамадан (t_j^H) аспау керек, яғни

|Δt_j| ≤ t _j″

Бұл кезде экономикалық көрсеткіш (берілген сападағы мақсатты өнімді алу үшін кететін шығындар) минималды болу керек:

3 = min ∫
мұндағы З – керекті сападағы өнімді алу үшін кететін шығындар; K_j – j-ші шығынның барлық коэффициенті; З_j(τ) – j-ші шығынның шамасы.

Пештің ПӘК-ң шын мәндерін өлшеу кезінде шығындар минимизациясының орнына оттықтардың немесе пештердің максималдыПӘК-ін алу шартынкелтіруге болады.

η_т=max η_т (2.3) η=max η (2.4) η_эн=max η_эн (2.5)

Пештер жұмысының ең тиімді режимі стабилизация мен оптимизацияның автоматты жүйелерінің бірлескен жұмысы кезінде қамтамасыздандырылады. Осы кезде стабилизацияның автоматты жүйелері (2.1) шартын минималды уақыт ішінде, ал автоматты оптимизациялау жүйелері жану экономиясын қамтамасыз етеді.

Шикізаттың шығыс температурасын және жағы үрдістерін реттейтін буындары бар құбырлы пештердің режимдерінің автоматты басқару жүйесі үш вариантты синтезделуі мүмкін:

1. 
   стабилизациялау және оптимизациялау контурларына арналған объектінің өлшенетін бір ғана шығыс шамасын қолданатын автоматты басқару жүйесі. Сонымен қатар, басқару объектісінің динамикалық сипаттамалары екі контурға да бірдей болады, сондықтан біреуі екіншісіне қатты әсер етеді;
   
2. 
   стабилизация мен оптимизация контурлары үшін объектінің әр түрлі шығыс шамаларын қолданатын автоматты басқару жүйесі. Бұл жағдайда контурлар өзара байланысты және бір контурдың кіріс шамасы басқасының кірісіне бір уақытта түседі және керісінше;
   
3. 
   объектінің кіріс шамасының оптимизациясы бар автоматты басқару жүйесі. Мұнда стабилизацияланатын және оптимизацияланатын шамалар арсындағы өзара байланыс объектісі мен реттегіш арқылы жүзеге асырылады.
   

Көптеген құбырлы пештер үшін АСЖ температурасы қатынасты реттеу контурларынан тұрады.

Қатынасты реттеу объектісінің (құбырдың бөлігі) динамикалық қасиеттерін анықтайтын параметрлері температураны реттеу объектісінің (пеш) сол параметрлерінен едәуір аз болады. Сондықтан есептеген кезде қарапайымдылық үшін қатынасты реттеу объектісінің бірінші ретті апериодикалық буын ретінде алуға болады.

Температураның АРЖ-сін есептегенде қатынасты реттеу контурын, сонымен қатар отынның шығыны мен қысымның стабилизация контурларын ескермесе де болады, себебі олардың динамикасы температураны реттеу контурының динамикалық қасиеттеріне байқалатындай әсер етпейді. Сонымен, пештердің АСЖ-сін есептегенде басқару контурлары өзара байланысты емес деп қарастыруға болады. Демек, әр басқару контурын бөлек қарастыру керек. Бұл жағдайда қатынас реттегішін апериодты өтпелі үрдісіне икемдеу керек, себебі құбырдағы тербелмелі өтпелі үрдіс пен пульсациялардың болуынан резонанс құбылысының болуы ықтимал.

Есеп келесідей қойылады: шикізаттың белгілі шығыны кезінде пештер параметрлерінің η_{т ,} η, η_эн максимум қамтамасыздандырылатын шамаларын табу керек. η_{т ,} η, η_эн және жылу бөлінудің максимум шамасы ауа артықшылығының коэффициентінің, температура мен ауа ылғалдылығының, шығын мөлшерінің, отын түрінің және т.б. өзгеруімен қоса өзгереді. Қарастырылып отырған жағдайда, басқару есебі айнымалы кіріс параметрлері болғандағы η_{т ,} η және η_эн максимум қамтамасыздандырудан тұрады. Басқаша айтқанда, басқару объектісінің статикалық сипаттамасыбір ғана емес, ал бірнеше айнымалылардың функциясы болып табылады, және осы айнымалылардың әр жиынтығына экстремумның әртүрлі мәндерісәйкес болып тұрады.

Максималды η_{т ,} η, η_эн мәндерін іздеуін қамтамасыз ететін жану үрдісін басқарған кезде ПӘК мәндері уақыттың кез-келген мезетінде белгісіз, бірақ үрдісті басқару үшін олар қажет емес. Тек барлық жұмыс режимдерінде құбырлы пештің мүмкін болатын эффектілігіне жету керек.

Ауа шығынының оптималды мәнін іздеу отын-ауа қатынасының өзгеру жолы арқылы жүзеге асырылады. Экстремалды реттегіштің шығыс сигналы отын-ауа қатынас ретегішінің W_co^p(P)орналасуына әсер етеді де, t_{г ,} η_т, η, φ максималды немесе отын шығынының B_t минималды шамалардың қамтамасыз ететін мәндерді таңдайды. Ауаның беріліп тұруын қамтамасыз ететін пештегі сиретілу, отын газдарының сызығындағы орындаушы механизм -–түтін құбырының шибері арқылы стабилизацияланады.

Қазіргі уақытта жану үрдісінің ауаның аз ғана артықшылығы кезіндегі қамтамасыз етілуі ең актуалды сауалдардыңбірі болып табылады. Бұл экономикалық түсініктерге сүйенеді, себебі ауаның шектелуі аз артықшылығында отынды жағу, отын шығынын және газдармен қоса кетіп қалатын шығындарды төмендетеді, жөндеу периодтары мен қызу беттерін тазалау бойынша жұмыстарды қысқартады, сонымен қатар атмосфераға кететін зиянды заттарды азайтады.

Ауаның шектелуі аз артықшылығы кезіндегі жану үрдісін басқаратын жүйені жасаған кезде ауа артықшылық коэффициентін өлшеу және стехиометриялыққа өте жақын етіп ұстап тұруы негізгі мәселе болып табылады.

Ауа артықшылық коэффициентінің шамасы жану өнімдерінің компоненттерінің біреуінің құрамы бойынша есептеуге болады. Бірақ жану өнімінің компоненттерін дұрыс өлшеумен қоса ауа артықшылық коэффициентін дұрыс есептеу де маңызды болып табылады. Дұрыс жұмыс істейтін құбырлы пештердің уа артықшылық коэффициенті 1,05÷1,6 аралығында өзгереді.

Жоғарыда баяндалғаннан, ауа артықшылық коэффициентін өлшемей, отын жануының стехиометриялық шартын қамтамасыз ететін күрделі жану объектілердегі жану үрдісін автоматты түрде басқаратын әдісті жасау қажеттілігі айқындалып тұр. Бұл жану өнімдеріндегі СО₂-ң максималды мәнін автоматты түрде қамтамасыздандыру жолы арқылы іске асырылу мүмкін.

Жасалған жүйеде қадам типті экстремалды реттегішті қолдануға болады; СО₂-ң мөлшерін тура өлшеу оптимизацияның синтезделген жүйесін қолданудың шектеуі бола алмайды, себебі соңғы нәтижеде, басқарылатын сигнал таңдап алынған уақыт интервалына бір-бірінен қалып отыратын СО₂-ң екі мәндерінің айырымы бойынша анықталады.

2. 
   Пеш реттеу объектісі ретінде
   

Пештің шығысындағы шикізаттың қажетті температурасын ұстап тұратын жүйелер бір контурлы және екі мен үш контурлы АРЖ-р класыда синтезделуі мүмкін. Жүйелердің классификациясы басқарылатын әсердің ағымды мәнін қалыптастыратын контурлар бойынша жүзеге асады.

Басқарылатын шама кіріс сигналы басқарылатын параметрлердің ағымды мәні болып табылады. АРЖ реттегіштерінен түсетін команда бойынша өзгереді.

Каскадты жүйелер көпбайланысқан АРЖ-рдың ең көп таратылған кластарының бірі болып табылады. Оларды қолдану қажеттілігі көптеген өндірістік объектілері, сонымен қатар БТП-10М-Э пеші де үлкен кешігу мен едәуір ауытқулармен сипатталтындығына байланысты. Реттегіштердің беріліс коэффициенттерінің шектеулі мәндері мен жүйенің баяу жұмыс істеуінің нәтижесінде осындай объектілерді басқару үшін бір контурлы АРЖ-рды қолданубасқарудың қажетті сапасын ылғи да қамтамасыз етіп тұрмайды.

Каскадты АРЖ-рдың синтезі тек басқарылатын объектінің кейбір аралық айнымалыларын өлшеуге болатын жағдайларда және осы объект шартты түрде екі тізбектей жалғанған буынға бөлінген кезде ғана іске асырылуы мүмкін.

Басқарылатын параметрлерге қарағанда таңдап алынған аралық айнымалы басқару объектісінің негізгі ауытқуларына және басқарылатын әсерге қатысты едәуір аз кешіге мен инерттілігі болу керек.

Бір контурлармен салыстырғанда каскадты АРЖ-лар келесі артықшылықтары қамтамасыз етеді:

• 
  Ауытқуларды өтеген кезде басқару елеулі – 1,5-20 есе, және басқарылатын әсерлердің өтуін есептеген кезде аса елеулі емес –1,5-2 есе жақсартады;
  
• 
  Басқару объектісінің аса көп кешігуі кезінде жоғары дәлдік дәрежесімен берілген мәнде басқарылатын (негізгі) параметрді ұстап тұрады;
  
• 
  Стабилизациялайтын (ішкі) реттеу контурына әсер ететін ауытқуларды тез компенсациялайды, осының нәтижесінде бұл ауытқулар басқарылатын параметрдің берілген мәнінен ауытқуына әкеп соқпайды;
  
• 
  Каскадты АРЖ-рдың жоғары өзіндік жиілігі арқасында стабилизациялайтын реттеу котурымен қамтырылған басқару объектісінің элементтеріне қолданылған ауытқулары кезіндегі басқару сапасы елеулі жақсарады;
  
• 
  Стабилизацияланған реттеу контурының пайда болу нәтижесінде басқару объектісінің ішкі бөлігіндегі фазалық жылжуының елеулі азаюы, бұл түзегіш (сыртқы) контурының тез жұмыс істеуін жоғарлатады;
  
• 
  Басқарудың стабилизациялау котурының беріліс коэффициентінің өзгеруі арқылы басқару объектісінің ішкі бөлігінің беріліс коэффициентінің өзгеруін компенсациялайды;
  
• 
  Басқару объектісіне затың немесе энергияның керекті мөлшерін беріп отырады.
  

Синтезделетін каскадты АРЖ-рды есептеу, қабылданған ауытқушы әсерлер кезінде оптималды өтпелі үрдісті қамтамасыз ететін күйге келтіру параметрлерді табу үшін және басқару контурлары үшін басқару заңын таңдауға әкеп соғады.

Әдетте өндірістік каскадты-байланысқан АРД-рда стабилизациялау контурының инерттілігі түзегіш контурының инерттілігінен әлде қайда аз болады. бұл кезде стабилизациялау контуры түзегіш контурының тағы бір динамикалық элементі болып қарастырылуы мүмкін, сонда стабилизациялау контурын түзегіш реттегішіне қарағанда басқару объектісінің бөлігі деп есептеуге болады. Сондықтан, стадилизациялау және түзегіш реттегіштердің оптималды күйге келтіру параметрлері бірінен-бірі бөлек табыла алады. Алдымен бір контурлы жүйелер үшін жасалған әдеттегі тәсілмен стабилизациялау реттегішінің W^p_c(P), содан барып – түзегіш реттегіштің W^p_k(P) күйге келтіруінің оптималды параметрлерін табады. Соңғысын есептеген кезде оның басқару контурына басқару объектісінен басқа стабилизациялау контурының реттеу контуры кіретіндігін ескеру қажет. Сондықтан күйге келтіру W^p_k(P) параметрлерін анықтағанға дейін түзейтін реттегіш үшін эквивалентті басқару объектісінің беріліс функциясын анықтау қажет

Каскадты-байланыс АРЖ-рды есептеудің басқа да жолы бар. Алдымен түзегіш реттегіштің W^p_k(P) , содан кейін стабилизациялау реттегішінің W^p_c(P) оптималды күйге келтіру параметрлерін табады. Соңғы айтылғаннан жеткілікті тез жұмыс істеуінің нәтижесінде W^p_c(P) реттегіші жүйенің жұмыс істеуі кезінде Ү₁(Р) аралық параметрлерін берілген мәнде дерлік дәл ұстап тұрады, яғни келесі жуық теңдік сақталады.

Ү₁(Р)≈Ү_1,сад (Р)

Сонда түзегіш реттегіш үшін эквивалентті басқару объектісінің беріліс функциясы келесі түрге ие болады.

Түзегіш реттегіштің оптималды күйге келтіру параметрлері әдеттегі тәсілмен табылғаннан кейін беріліс функциясы бойынша стабилизациялау реттегішінің параметрлері есептелінеді, және оның эквивалентті объектісінің беріліс функциясы келесідей түрде болады.

Есептеудің бірінші әдісін жүеде түзегіш реттегішінің жиі ауытқулары болған кезде, ал екіншісін жүйеде стабилизациялау реттегішінің сөніп қалуы мүмкін болған жағдайда қолданылған дұрыс.

Өндірісте каскадты-байланысқан АРЖ-рдың келесі үш түрі кең таралған: П-ПИ (бірінші реттегіш стабилизациялау, екінші – түзеткіш болып табылады), ПИ-ПИ дәне ПИ-ПИД. Берілген басқару объектісі үшін каскадты-байланысқан АРЖ-ның ең қажетті түрін модельдейтін құрылғыда таңдап алуға болады, бірақ бұл белгілі қиындықтармен байланысты.

Бұл функционалдың критерий ретінде таңдап алынуы – каскадты-байланысқан АРЖ ауытқушы да, бақарушы да жеткілікті жақсы өңдеу керектігімен шартталады.

Қазіргі уақытта каскадты-байланыс АРЖ реттегіштерінің оптималды күйге келтіру параметрлерін табуының әртүрлі тәсілдері мен әдістері бар. ең үлкен кемшілігі – олар бір уақытта екі контур үшін реттегіштердің оптималды күйге келтіру параметрлерін анықтауға мүмкіншілік бермейді; бұл күйге келтірулерді анықтау үшін әртүрлі көп аралық есептеулер мен графикалық салулар керек. Бұл операцияларды орындау көп уақытты алады.

Бұндай кемшілігі жоқ тәсілдің керектілігі бұрыннан бері белгілі. Каскадты-байланысқан АРЖ-рдың ПИ-ПИД типті реттегіштердің оптималды күйге келтіру параметрлерін анықтауға арналған 2.3 суретте келтірілген номограмма бұл кемшілікті кетіреді. Осы номограммадан табылған реттегіштердің күйге келтіру параметрлері қамтамасыз ететін оптималды өтпеліүрдістерді береді.

Сүрет 2.3. ПИ –ПИД типті каскадты – байланысты АРЖ –р реттегіштердің оптималды күйге келтіру параметрлерін анықтауға арналған номонрамма