A.P.T.B 10. Reglarea automat a presiunii 10.1 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

10REGLAREA AUTOMAT A PRESIUNII10.1 Structura prii fixate Presiunea este reprezentativ pentru starea termodinamic a gazelor care sunt compresibile i mult mai puin pentru lichide care sunt foarte puin compresibile. In faza gazoas volumul variaz invers proporional cu presiunea. Entalpia unui gaz depinde n principal de temperatur i ca atare rezult c presiunea se poate regla n principal prin modificarea masei sistemului, adic prin debitul de intrare sau ieire din sistem. Dac n proces se gsete n echilibru starea lichid i cea gazoas presiunea se poate regla prin debitul de lichid sau de vapori sau prin modificarea entalpiei sistemului prin schimb de cldur cu exteriorul. Procesele n care se regleaz presiunea unui gaz sunt n general de ordinul unu, cu autostabilizare, robinetul de reglare i traductorul contribuind cu constantele lor de timp la constanta de timp principal a procesului. Presiunea unui gaz este relativ uor de reglat, chiar i pentru volume mici ale sistemului, cum ar fi de exemplu o conduct. Pentru cele mai multe aplicaii este suficient o reglare proporional, regulatoarele directe fiind foarte mult utilizate cnd nu se cere o valoare foarte precis a presiunii reglate. In cazul reglrii presiunii unui lichid problema este de a se modifica cderea de presiune pe robinetul de reglare pentru ca, la acelai debit s se asigure presiunea dorit n aval. Problemele dinamice se datoresc ineriei coloanei de lichid n curgere. Structura tipic a unui circuit de reglare a presiunii este prezentat n figura 10.1.

Fig 10.1 Schema circuitului de reglare a presiunii Presiunea este msurat cu un traductor de presiune TP montat pe conduct la o distan Lt n aval de robinetul de reglare RR care primete comanda u de la regulatorul de presiune RP. Pentru a se urmrii modul de funcionare al sistemului de reglare se monteaz manometre de control pe conducta de intrare MANi i de ieire MANe. In schema hidraulic echivalent a circuitului de reglare a presiunii, prezentat n figura 10.1 b, se variaz debitul masic, att pentru gaze ct i pentru lichide, prin modificarea rezistenei robinetului de reglare RR pe care se produce o cdere de presiune pRR care este de fapt mrimea cu care se regleaz

10.2 Erol Murad - Automatizarea proceselor tehnologice i biotehnologice -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

debitul i deci i presiunea pcons la utilizatori. Presiunea reglat pcons, din aval, reprezint diferen dintre presiunea din amonte pretea i cderea de presiune pRR pe RR:

pc o n s= pr e te a pR R = c o n .s. tD pR R = co ns ........ K v 2

(10.1)

Cderea de presiune pRR pe RR depinde de Dcons i de debitul specific Kv: (10.2)

Ca urmare se poate scrie:

De unde rezult valoarea necesar pentru Kv :

D pco n s = pretea co n s = const K v

2

(10.3)

Kv =

Dc o n s pretea pco n s

(10.4)

Debitul specific Kv al RR trebuie s varieze proporional cu perturbaia principal, debitul cerut de consumatori Dcons, i invers proporional cu perturbaia pretea. Schema tipic a circuitului de reglare a presiunii gazelor cu regulatoarele directe, proporionale, este reprezentat n figura 10.2. Aceste circuite de reglare sunt utilizate foarte mult n acionrile pneumatice i la alimentarea cu gaze combustibile, metan i butan.

Fig. 10.2 Circuit de reglare cu regulator direct de presiune. 10.2 Reglarea automat a presiunii la gaze 10.2.1 Acionare compresor cu turaie fix In cazul reelelor de distribuie a aerului comprimat sau de alte gaze nu este necesar meninerea unei presiuni constante, fiind acceptat un domeniu de variaie al presiunii (pmin, pmax), Schema unei instalaii de alimentare cu aer comprimat este prezentat n figura 10.3. Elementul de execuie este un compresor COMP acionat de un motor electric trifazic M care se cupleaz la reeaua electric prin releul REL. Instalaia automatizat se compune din rezervorul de acumulare REZ i conductele reelei de distribuie. Compresorul introduce aerul comprimat prin supapa de reinere SR n rezervorul de acumulare REZ, cu volum suficient pentru a asigura debitul

A.P.T.B 10. Reglarea automat a presiunii 10.3 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Dcons necesar n intervalul de presiuni (pmax, pmin ) cu variaii lente ale presiunii din reea. Pentru evitarea creterilor periculoase de presiune rezervorul este legat la o supap limitatoare de presiune SS. Evacuarea condensului se face periodic cu robinetul dispus la partea inferioar a rezervorului.

Fig. 10.3 Reglarea automat a presiunii n instalaia de gaze comprimate Deoarece presiunea trebuie meninut n intervalul (pmin, pmax) se utilizeaz un regulator de presiune RP neliniar de tip bipoziional, care comand pornirea compresorului cnd preea pmin i l oprete cnd preea pmax . Pentru a se realiza aceat cerin de reglare referina r se seteaz la o valoare medie r = 0,5(p min + pmax), iar histeresisul va avea valoarea absolut pmin - pmax. Pentru ca instalaia s fie controlabil, este necesar ca compresorul s realizeze un debit Dcomp > Dcons med pentru a se asigura periodic reumplerea REZ pn la p max . Funcionarea unei staii de aer comprimat, simulat n programul REGPRES02, este prezentat n figura 10.4

Fig. 10.4 Graficul funcionrii sistemului de reglare automat a presiunii

10.4 Erol Murad - Automatizarea proceselor tehnologice i biotehnologice -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Curba 1 este referina r n bari, curba 2 reprezint variaia debitului de Dcons consum n dm3/s, curba 3 reprezint debitul de alimentare produs de compresor n dm3/s , curba 4 este variaia presiunii pr n rezervor i reea. Simularea s-a fcut pentru o staie de aer comprimat cu un compresor de 1,4 dm3/rot antrenat de un motor electric asincron de 23 kW cu turaia de 920 rot/min, un rezervor de 1m3 i o reea de distribuie cu capacitatea de circa 0,4 m3. Referina este la 5 bari iar zona de histeresis =2 bari, ceea ce asigur pentru utilizatori o presiune ntre 4 i 6 bari. 10.2.2 Acionare compresor cu turaie variabil In prezent datorit scderii accentuate a preurilor variatoarele (convertoare) statice de frecven (VSF) acestea sunt disponibile pentru a fi aplicate i la acionri unde limita de rentablitate economic este relativ restrns, cum este i cazul instalaiilor de aer comprimat care asigur alimentarea unor consumatori printr-o reea caracterizat printr-un consum de aer comprimat cu variaii moderate pe perioade suficient de mari. Utilizarea VSF asigur alimentarea motorului de acionare al compresorului cu frecven variabil n domeniul 20...60 Hz astfel nct debitul acestuia se poate adapta rapid la cerinele consumatorilor din reea. Acest modalitate de reglare permite renunarea la rezervorul de acumulare, volumul reelei de distribuie fiind suficient pentru asigurarea unei variaii acceptabile a presiunii de alimentare i n cazurile de cretere abrupt a consumului. VSF actuale n prima faz realizeaz o redresare a curentului trifazic din reea i apoi sintetizeaz un curent alternativ cu frecven variabil n limite largi. Ca urmare VSF n reeaua electric se comport ca o sarcin rezistiv, consumnd numai putere activ, ceea ce asigur un factor de putere cos =1, aspect ce contribue la creterea eficienei economice a acestui tip de acionare.

Fig. 10.5 Instalaie de aer comprimat cu acionare cu turaie variabil In figura 10.5 este prezentat schema funcional a unei instalaii de alimentare cu aer comprimat cu VSF. Traductorul de presiune TP msoar presiunea din reeaua de distribuie i trimite mrimea de reacie y la regulatorul

A.P.T.B 10. Reglarea automat a presiunii 10.5 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

numeric de presiune, cu P, care elaboreaz mrimea de comand u aplicat VSF. VSF variaz frecvena curentului de alimentare al motorului, turaia motorului asincron M variaz astfel nct debitul Dcomp produs de compresor s fie egal cu debitul de consum Dcons. Astfel se menine presiunea din reea n jurul valorii de referin r, care comparativ cu soluia clasic, cu regulator bipoziional, este la pmin sau puin mai mare. 10.3 Reglarea automat a presiunii la lichide In cazul reelelor de distribuire a lichidelor, ap sau ale lichide tehnologice, soluia constructiv cea mai utilizat actual este cea cu acumulator hidropneumatic, denumit curent hidrofor. Deoarece nu este necesar meninerea unei presiunii constante n reea se accept un domeniu de variaie (pmin, pmax) care s asigure necesitile utilizatorilor. In figura 10.6 este prezentat schema funcional a unei instalaii de alimentare cu ap cu acumulator hidropneumatic.

Fig. 10.6 Reglarea automat a presiunii n instalaia de alimentare cu ap Instalaia este format din acumulatorul hidro-pneumatic AHP n care se introduce un debit Dp furnizat de o pomp acionat cu un motor electric trifazat care se poate cupla la reeaua electric cu un releu REL care primete comanda u de la un regulator de presiune RP, de tip bipozional. Reeaua de distribuie este cuplat la partea inferioar a AHP. AHP este un rezervor poziionat vertical, n care se introduce ap sub presiune pr care comprim o cantitate fix de aer care se gsete n spaiul nchis din partea superioar a rezervorului asigurndu-se n lichid aceiai presiune. Consumul de ap din reea duce la scderea nivelului din AHP, aerul se destinde i scade presiunea pr pn la pr < pmin cnd regulatorul comand pornirea pompei care trebuie s aib un debit suficient de mare Dp > D cons med pentru a se asigura reumplerea AHP. Pompa introduce ap n AHP, nivelul crete i volumul aerului scade ceea ce duce la creterea pr pn la pr > pmax cnd RP d o comand de oprire a funcionrii pompei. Referin r este setat la valoarea medie a presiunii necesare n reeaua de distribuie, iar histeresisul se

10.6 Erol Murad - Automatizarea proceselor tehnologice i biotehnologice -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

seteaz n valoare absolut sau relativ la r. Uzual valoarea relativ pentru este de 20-30% din r, deci o variaie de maxim 15% fa de valoarea medie. Un caz aparte l reprezint reglarea presiunii la bioreactoarele n care n timpul desfurrii procesului trebuie pstrat o presiune constant. Structura unui sistem de reglare de acest tip este dat n figura 10.7.

Fig.10.7 Reglarea presiunii ntr-un reactor In timpul procesului n reactor pot apare variaii de presiune datorate variaiei debitului, proprietilor i transformrilor materialelor intrate n proces. Pentru desfurarea optim a procesului presiunea interioar pr din reactor trebuie meninut ntr-un domeniu restrns. Pentru reglarea presiunii se utilizeaz curent regulatoare cu algoritm tripoziional care elaboreaz dou comenzi: u1 aplicat electroventilului EV1 pentru creterea presiunii i u2 aplicat electroventilului EV2 pentru scderea presiunii. In figura 10.8 este prezentat caracteristica algoritmului de reglare tripoziional a presiunii din reactor, valoarea uzual pentru este de 3-5% din referin..

Fig. 10.8 Caracteristica de reglare a presiunii din reactor Reducerea valorii presiunii cnd aceasta crete peste limita superioar se face prin evacuarea din reactor n exterior a unei cantiti de gaz prin EV1, rezistena variabil RV2 i un filtru de reinere. Pentru a nu se produce perturbri n desfurarea procesului scderea presiunii trebuie s se fac cu o pant mic i ca urmare debitul de evacuare, reglat fin cu RV2, trebuie s fie mic. Cnd presiunea pr scade n reactor se introduce o cantitate de gaz, compatibil cu procesul reglat: O2, H2, N2, CO2, CH4 etc., care este stocat ntr-o

A.P.T.B 10. Reglarea automat a presiunii 10.7 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

butelie la presiune mare. Pentru utilizare presiunea gazului de adaus este reglat cu un regulator RPL la valoarea pg 2pr max. Debitul de intrare este reglat fin cu rezistena variabil RV1.