одновременное поддержание расхода и давления в трубопроводе

[alex_ugrumov]

Всем добрый день!

Водоочистка. Две ступени:
1) Мех фильтрация
2) ультрафильтрация.
Причём сейчас схема такая
0) емкость
1) нагнетающий насос, датчик давления
2) мехфильтр (на нём часть давления упадёт)
3) регулирующая заслонка, датчик расхода
4) ультрафильтрация.
Всё это в одном трубопроводе, без промежуточных ёмкостей.
Технологи говорят:
1) мех фильтру важно обеспечить требуемое по паспорту давление на входе в него( около 2-3 бара, может и меньше разброс, и абсолютные значения может быть другие, сейчас не важно). Где-то 1 бар на нём упадёт, тоже сейчас не суть.
2) для ультрафильтрации важно обеспечить постоянство расхода, давление не важно.
Дальше говорят: расход на ультрафильтрации будет регулироваться заслонкой, давление перед мех фильтром - насосом.

я так понимаю, что контура-то получаются зависимыми: ведь изменение скорости вращения насоса приведёт не только к изменению давления за ним, но и расхода на заслонке. Справедливо и обратное: изменение положение заслонки влияет как на расход через неё, так и на давление перед ней и значит опосредованно и перед мехфильтром.
Правильно я понимаю, что контура зависимые?

И вот за 8 лет самостоятельных запусков объектов первый раз попался такой: с зависимыми контурами регулирования. А чего-то теорию я совсем забыл. Хотелось бы потеоретизировать по этому поводу:
Как вы считаете, это вообще будет работать? Ведь гипотетически можно подобрать, например, такие сечения трубопроводов, что одновременно не возможно обеспечить и давление в границах, и расход. Трубы выбираю не я, но если в итоге не заработает, виноваты будут все.
Как проверить математически работоспособность? Или как обосновать отказ от ответственности (то есть всё равно нужно показать, что при выбранных (не нами) тех решениях реализовать поддержание 2-х параметров не возможно А показать это, как я понимаю, можно только на мат модели)? я предложил поставить промежуточную емкость и вместо задвижки поставить второй насос. но что-то поддержки не встретил.
Если это всё таки работает. Ткните, пожалуйста, где почитать про методику настройки регуляторов в связных системах. Сейчас ориентируюсь на два ПИД контура, но чего-то мне уже видятся устойчивые колебания в такой системе.

Есть ещё какие-то мысли по этому поводу?

[rwg]

Первый контур стабилизации давления на входе при произвольном расходе, второй контур стабилизации расхода при произвольных давлениях на входе и выходе. Если учесть технологические зависимости, всё будет работать практически мгновенно, а если не учитывать, но настроить регуляторы обычным образом, то переходные процессы будут занимать несколько секунд. Если, конечно, диапазона регулировки у насоса и заслонки хватит. Кстати, а как ведёт себя потребитель очищенной воды? Он ведь будет получать постоянный расход воды, а её надо куда то девать.

[Бондарев Михаил]

Дальше говорят: расход на ультрафильтрации будет регулироваться заслонкой, давление перед мех фильтром - насосом.

ДА! Это знакомая ситуация, она называется "тупые технологи". Я в таких ситуациях сразу предлагаю ставить две задвижки подряд. Одна будет регулировать расход, вторая - давление. И вот тут ключевой момент, если технолог встрепенулся, или хотя бы задумался, то не все еще потеряно. Если же он радостно закивал головой: пиши-пропало, готовь лопату - разгребать.

Правильно я понимаю, что контура зависимые?

Абсолютно верно, вода - несжимаемая (как и большинство других) жидкость, поэтому невозможно на одном конце трубы менять давление, что бы расход на другом конце не изменился. Тут очень подходит электрическая аналогия: давление - напряжение и расход - ток. Там даже формулы для расчета идентичны. Местное сопротивление трубопровода - сопротивление проводника; фильтр, диафрагма, технический узел (ультрафильтр, например) - нагрузка. Законы кирхгофа, кстати, тоже работают в полный рост.

Как вы считаете, это вообще будет работать?

В такой постановке - нет.

Если это всё таки работает.

Тут есть вариант со сбрасыванием излишнего давления перед ультрафильтром на рецикл.
Но есть так же и вариант, что давления перед ультрафильтром не хватит для создания через него нужного расхода, имейте в виду.

Как проверить математически работоспособность?

а) Прикинуть на коленке по электрической аналогии величины тех.параметров, с учетом паспортных данных оборудования (Да, придется поднатореть в гидравлике).
б) Использовать моделирующий софт ( оч. много вариантов, обращайтесь при необходимости - помогу найти).
У вариантов а) и б) есть очень серьезный минус, вы рискуете услышать " что ты КИПовец в этом понимаешь, что твои программки там посчитали? Вот наши технологи - спроектировали!". Поэтому, вариант:
в) Если есть возможность, то нужно призвать ГИПа к бдительности и ответственности и заставить технологов провести нормативный (а это аргумент для всех) расчет, согласно установленных методик с вычислением рабочих точек.
Заодно, вариантом в) и обоснуете:

Или как обосновать отказ от ответственности

но чего-то мне уже видятся устойчивые колебания в такой системе.

Конечно, это будет классический тяни-толкай и борьба в партере двух регуляторов (победит, скорее всего задвижка, взяв на удушающий). Консенсус и согласие возможны, только в случае нечаянного совпадения рабочих точек. Но если они совпадут, то и регуляторы толком-то не нужны.

[alex_ugrumov]

Михаил! спасибо за развёрнутый ответ и, что вникли в вопрос.
В целом вы подтвердили все мои догадки.

Дальше говорят: расход на ультрафильтрации будет регулироваться заслонкой, давление перед мех фильтром - насосом.

ДА! Это знакомая ситуация, она называется "тупые технологи". Я в таких ситуациях сразу предлагаю ставить две задвижки подряд. Одна будет регулировать расход, вторая - давление. И вот тут ключевой момент, если технолог встрепенулся, или хотя бы задумался, то не все еще потеряно. Если же он радостно закивал головой: пиши-пропало, готовь лопату - разгребать.

Хорошая аналогия. Спасибо, наглядно.

Правильно я понимаю, что контура зависимые?

Абсолютно верно, вода - несжимаемая (как и большинство других) жидкость, поэтому невозможно на одном конце трубы менять давление, что бы расход на другом конце не изменился. Тут очень подходит электрическая аналогия: давление - напряжение и расход - ток. Там даже формулы для расчета идентичны. Местное сопротивление трубопровода - сопротивление проводника; фильтр, диафрагма, технический узел (ультрафильтр, например) - нагрузка. Законы кирхгофа, кстати, тоже работают в полный рост.

Да так проще понять. А то гидродинамика была в общем курсе физики, а это 15лет уже как. Думаю простительно, что забылось, если не использовалось.

Как вы считаете, это вообще будет работать?

В такой постановке - нет.

Если это всё таки работает.

Тут есть вариант со сбрасыванием излишнего давления перед ультрафильтром на рецикл.
Но есть так же и вариант, что давления перед ультрафильтром не хватит для создания через него нужного расхода, имейте в виду.

Да, это хорошо. Про недостачу - ясно. Но тут проще сделать расчёт, поскольку нужно только гарантировать, чтобы всегда был достаточный приход жидкости. То есть только одна граница.
Правильно я понял схему, что регулирующая заслонка ставиться не между мехфильтром и уьтрафильтрацией, а в этом промежутке делает отворот на обратку и регулирующий фильтр ставиться уже на это отворот? Соответственно, чем больше заслонка открывается, тем меньше поток на ултрафильтрацию. Да так конечно всё развязывается. Отличная мысль.

Как проверить математически работоспособность?

а) Прикинуть на коленке по электрической аналогии величины тех.параметров, с учетом паспортных данных оборудования (Да, придется поднатореть в гидравлике).
б) Использовать моделирующий софт ( оч. много вариантов, обращайтесь при необходимости - помогу найти).
У вариантов а) и б) есть очень серьезный минус, вы рискуете услышать " что ты КИПовец в этом понимаешь, что твои программки там посчитали? Вот наши технологи - спроектировали!". Поэтому, вариант:

Не сочтите за лень. Но вот принципиально не буду за них их работу делать.
А вот это отличный ход:

в) Если есть возможность, то нужно призвать ГИПа к бдительности и ответственности и заставить технологов провести нормативный (а это аргумент для всех) расчет, согласно установленных методик с вычислением рабочих точек.
Заодно, вариантом в) и обоснуете:

Или как обосновать отказ от ответственности

Так и поступлю.

но чего-то мне уже видятся устойчивые колебания в такой системе.

Конечно, это будет классический тяни-толкай и борьба в партере двух регуляторов (победит, скорее всего задвижка, взяв на удушающий). Консенсус и согласие возможны, только в случае нечаянного совпадения рабочих точек. Но если они совпадут, то и регуляторы толком-то не нужны.

И у меня та же мысля была. Что если верно спроектировать все эти трубы, то только насосом то и можно обойтись (ну контролировать понятное дело аварийные границы...). А тут такая сказка: мы навертим, а автоматика разрулит.



----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Если учесть технологические зависимости, всё будет работать практически мгновенно

Как её учесть?

Кстати, а как ведёт себя потребитель очищенной воды? Он ведь будет получать постоянный расход воды, а её надо куда то девать.

Это не проблема, там накопительная емкость.

[Никита]

Может все оказаться проще. Принимая гидравлическое сопротивление куска с ультрафильтрацией постоянным, с учетом последней оговорки о том, что в конце ультрафильтрации есть разрыв струи, получим что задача стабилизации расхода сводится к поддержанию стабильного давления на входе в ультрафильтрацию. Т.е. общая задача сводится к обеспечению постоянного давления на входе в каждый кусок фильтрации.
Теперь нужно лезть в технологию. Если рассматривать оба фильтра как сопротивления, то их изменение с течением времени настолько медленное, что задвижка тут вполне справится. Главное рассчитать гидравлику так, чтобы точки оказались там, где надо.
Дальше - давление на входе мех.фильтра регулирует частотник. Производительность насоса не указана, но постоянной времени этого контура в 10с хватит за глаза, а то и на порядок меньше. Время хода задвижки в разы больше, а с учетом ШИМ и возможных настроек регулятора - на порядок. И при таких разницах во времени схема вполне может оказаться работоспособной. Т.е. регулятор расхода просто не заметит существования регулируемого по давлению насоса и будет считать мех.фильтр источником с постоянным напором. Коррекция по степени забивки фильтра, скорее всего, будет иметь времена еще на порядок-два больше.
(пара с ПИД в частотнике и советском аналоговом ПИД с МЭО на одной точке регулирования недавно по рас..йству опробованы вместе - при нормальной калибровке датчиков и наличии разумной нечувствительности у медленного регулятора вполне дружат)
А вот если схема гидравлики хитрая и сопротивления могут меняться резко и непредсказуемо - надо смотреть подробности.
Это будет аналог схемы с двумя задвижками, при условии что датчик давления стоит после первой, и она отрабатывает мгновенно, а расходомер после второй и она медленная. Ес-но, если допустимо по технологии.
Аналогичное применялось в советских же тиристорных приводах постоянного тока - внутренний быстрый контур тока якоря и внешний медленный по оборотам.
Все это лишь мысли вслух, я схемы не видел и технологии не знаю.

[rwg]

Если учесть технологические зависимости, всё будет работать практически мгновенно

Как её учесть?

Кстати, а как ведёт себя потребитель очищенной воды? Он ведь будет получать постоянный расход воды, а её надо куда то девать.

Это не проблема, там накопительная емкость.

Если накопительная ёмкость, то она скорей всего под атмосферным давлением. Вы получаете электрический аналог Вашей технологической схемы, состоящий из одного источника напряжения-насоса, создающего нужное давление на входе, и 3 резисторов - фильтр механический, фильтр ультрафиолетовый и заслонка. Насосом держите нужное давление на входе, а заслонкой создаёте такое суммарное сопротивление, чтобы был тот расход, который нужен. Схема быстро выходит на режим и потом в ней ничего быстро не меняется. В этом случае ничего корректировать не надо.
Что касается коррекции, раньше на МЗТА выпускались специальные корректирующие дифференцирующие блоки. Они подключались бы в Вашем случае например так, чтобы изменение изменение расхода приводило к динамической коррекции сигнала, управляющего насосом, а изменение давления корректировало сигнал управления задвижкой. То есть сигнал обратной связи одного регулятора кратковременно меняет выход другого регулятора. Коэффициенты коррекции рассчитывались так, чтобы минимизировать изменение стабилизируемого параметра соответствующего регулятора, а время дифференцирования- так, чтобы минимизировать динамическую ошибку регулятора. Раньше это было темой кандидатских диссертаций, а сейчас - вряд ли кто то на это заморачивается.