Дипломная работа - Синтез алгоритмов управления тепловым режимом
Подождите немного. Документ загружается.
естественной тяги. При этом на крайних станциях линии метрополитена (на
тупиковых станциях и станциях вблизи выхода в атмосферу) может
сложиться неблагоприятная ситуация, при которой совместное действие
естественной тяги и поршневого действия поездов вызовут переохлаждение
пассажирских помещений станции холодным атмосферным воздухом.
1.3. Описание технологического процесса проветривания и
элементов системы вентиляции на станции «Речной вокзал»
На рис.1.1 представлена схема процесса вентиляции на станции
«Речной вокзал». Вентиляция метрополитена в зимний период
осуществляется за счет поршневого действия поездов в тоннелях и за счет
естественной тяги. При этом на крайних станциях линии метрополитена (на
тупиковых станциях и станциях вблизи выхода в атмосферу) может
сложиться неблагоприятная ситуация, при которой совместное действие
естественной тяги и поршневого действия поездов вызовут переохлаждение
пассажирских помещений станции холодным атмосферным воздухом.
Например, при эксплуатации в зимний период года на платформе станции
“Речной вокзал” Новосибирского метрополитена, имеющей близлежащий
выход в атмосферу – метромост, температура воздуха на платформе
опускается до -3…+5
0
C. Снижение общего количества поступающего на
станцию холодного воздуха возможно с помощью повышения
аэродинамического сопротивления на путях движения холодного
атмосферного воздуха с метромоста. При повышении аэродинамического
сопротивления снижается расход воздуха через участок тоннеля вне
зависимости от того, каким источником давления (поршневым действием
поездов или естественной тягой) он инициируется. Повышение
сопротивления возможно вследствие установки на участке метромост –
платформа так называемых шиберов [2]: конструкций из листового металла
или листов асбоцемента, представляющих собой диафрагмы, уменьшающие
площадь живого сечения тоннеля для прохода воздуха и существенно
13
повышающих аэродинамическое сопротивление участка тоннеля. Шиберы
устанавливаются в тоннелях на расстоянии 2.5…3.5 м – при таком
расстоянии сопротивление отдельного шибера максимально. Размеры
внутреннего отверстия для прохода воздуха ограничены габаритными
размерами поезда для соблюдения безопасности движения метропоездов.
С помощью подвижных шиберов можно управлять поступлением
холодного наружного воздуха в тоннель. Далее холодный воздух с
метромоста смешивается с горячим воздухом, идущим из воздушно -
тепловой завесы (ВТЗ). ВТЗ уменьшает проникновение холодного воздуха из
тоннеля метромоста на станцию. Температура полученной смеси
регистрируется датчиком температуры, расположенном в тоннеле. Эта
температура должна составлять +10ºС ± 2ºС по п.3.1 Санитарных правил
2.5.1337-03 "Санитарные правила эксплуатации метрополитенов" от
30.06.2003. Рассмотрим уравнение теплового баланса на участке
вентиляционной сети [7]:
см ВТЗ см НВ ВТЗ ТН НВ НВ
t G t G G t G t
,
где t
см
- температура смешанного воздуха, t
ТН
– температура
теплоносителя (вода), t
НВ
– температура наружного воздуха, G
ВТЗ
– массовый
расход воздуха ВТЗ, G
НВ
– массовый расход наружного воздуха.
Из уравнения теплового баланса t
см
вычисляется по формуле:
ВТЗ ТН НВ НВ
см
ВТЗ НВ
G t G t
t
G G
Полагая температуру наружного воздуха и температуру теплоносителя
ВТЗ величинами постоянными, необходимо управлять расходом наружного
воздуха (с помощью управляемых шиберов) и расходом воздуха ВТЗ (меняя
производительность вентилятора воздушно-тепловой завесы) для
поддержания температуры на платформе станции на необходимом уровне.
14
Рис. 1.1 Схема выбранного участка вентиляционной сети: - места установки
датчиков расхода воздуха, - место расположения датчика температуры, Q
ВТЗ
– расход
воздуха, нагнетаемый вентилятором воздушно-тепловой завесы, Q
НВ
– расход наружного
воздуха, поступающего через шиберы в тоннель, t
см
– температура смешанного воздуха,
поступающего на платформу станции.
1.4. Требования к управлению температурой и проветриванием на
станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена
С учетом особенностей вентиляционной системы на станции «Речной
вокзал» необходимо исследовать математическую модель участка
вентиляционной сети и систему автоматического управления температурным
режимом на станции в зимний период года.
Выбранный участок вентиляционной сети включает в себя платформу
станции с примыкающим тоннелем, в котором установлены управляемые
шиберы, а также воздушно-тепловая завеса.
Требования к вентиляционной сети станции «Речной вокзал» :
1. Требования, предъявляемые к качеству переходных процессов в
системе управления шиберами (САУ УШ): t
п
70 с,
0%,
0%;
15
2. Требования, предъявляемые к качеству переходных процессов в
системе управления производительностью вентилятора воздушно-тепловой
завесы (САУ ВТЗ): t
п
10 с,
30%,
5% .
Управляющими воздействиями на систему являются сигналы задания
требуемых параметров работы вентилятора воздушно-тепловой завесы и
управляемых шиберов.
Для обеспечения комфортных условий для пассажиров и работников
метрополитена, а также нормальных условий эксплуатации (сохранение
отделочных материалов, исключение возможного замораживания систем
водоотлива, водопровода и канализации) температура воздуха на станции в
зимний период года должна быть не менее + 10±2ºС. При этом температура
наружного воздуха лежит в диапазоне от -40ºС до +10ºС по данным СНиП
2.01.01-82 (стр.16). Разрабатываемая система автоматического регулирования
предусматривает наличие системы сбора информации о состоянии
атмосферы метрополитена с последующей ее обработкой и выработки
задающим устройством сигналов регулирования.
1.5. Постановка задачи дипломного проектирования
Цель дипломного проекта – синтез алгоритмов управления
температурным режимом на платформе станции «Речной вокзал»
Новосибирского метрополитена.
Основными задачами являются:
1) изучение участка вентиляционной сети метрополитена как объекта
управления;
2) исследование математической модели тепловых процессов и
процессов воздухообмена в тоннеле метрополитена;
3) разработка алгоритмов управления массовым расходом воздуха,
поступающим в тоннель из воздушно-тепловой завесы;
4) разработка алгоритмов управления шиберным устройством для
регулирования расхода воздуха, поступающего в тоннель с метромоста;
16
5) численное моделирование переходных процессов в системе
управления.
1.6. Выводы
В данной главе были рассмотрены особенности системы вентиляции
Новосибирского метрополитена, в частности, на станции «Речной вокзал»;
определены требования к микроклимату и воздухообмену в тоннеле.
Для исследований была выбрана станция «Речной Вокзал». Обозначена
цель регулирования и определены требования к системе управления
тепловым режимом на платформе станции «Речной вокзал» Новосибирского
метрополитена.
Также в этой главе были поставлены основные задачи дипломного
проекта.
17
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЕНТИЛЯЦИИ
В ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА
2.1. Функциональная схема системы вентиляции на станции
Процесс воздухообмена в тоннеле метрополитена (рис.1.1)
описывается уравнением теплового баланса [7]:
см ВТЗ см НВ ВТЗ ТН НВ НВ
t G t G G t G t
(1.1)
где t
см
- температура смешанного воздуха, t
ТН
– температура
теплоносителя (вода), t
НВ
– температура наружного воздуха, G
ВТЗ
– массовый
расход воздуха ВТЗ, G
НВ
– массовый расход наружного воздуха.
На основании уравнения теплового баланса определяется требуемая
температура воздуха на платформе станции
ВТЗ ТН НВ НВ
см
ВТЗ НВ
G t G t
t
G G
(1.2)
Температура теплоносителя t
тн
и температура наружного воздуха t
нв
полагаются постоянными величинами и температура воздуха на платформе
станции зависит от массовых расходов воздуха из ВТЗ и управляемых
шиберов. Массовый расход наружного воздуха определяется по формуле [7]:
НВ НВ НВ
G Q
(1.3)
где Q
НВ
– расход наружного воздуха, ρ
НВ
– плотность наружного
воздуха. Величина ρ
НВ
вычисляется по формуле, полученной в результате
эмпирических исследований [14]:
353
273
НВ
НВ
t
(1.4)
Массовый расход воздуха определяется по следующей формуле [7]:
ВТЗ ВТЗ ТН
G Q
(1.5)
18
где Q
ВТЗ
– расход воздуха воздушно - тепловой завесы, ρ
ТН
– плотность
теплоносителя (воды), калориферной установки. Плотность теплоносителя
ρ
ТН
= 1000
3
кг
м
.
Плотность воздуха величина постоянная и температура на платформе
станции в результате зависит от расхода наружного воздуха, поступающего в
тоннель через управляемые шиберы и от расхода воздуха воздушно-тепловой
завесы.
Исходя из рис. 1.1 математическая модель системы разделяется на две
подсистемы: система управления расходом воздуха ВТЗ и система
управления расходом воздуха управляемых шиберов. Температура на выходе
системы снимается датчиком температуры. Подсистемы связывает
логическое устройство управления, предназначенное для формирования и
выдачи управляющих воздействий U
зQ
и U
зα
на подсистемы автоматического
управления ВТЗ и управляемых шиберов с учетом сигнала обратной связи с
датчика температуры. Разработка логического устройства управления
выходит за рамки данного дипломного проекта, поэтому не рассматривается.
Возмущающим воздействием для данной системы является t
тн
и t
нв
.
Температура наружного воздуха
имеет следующий диапазон изменения: -
40°С +10°С (согласно СНиП 2.01.01-82, стр.16), это медленно меняющаяся
величина. Температура теплоносителя (воды) лежит в диапазоне +70°+95°С и
связана с изменением теплового режима котельной.
На рис.2.1 представлена функциональная схема системы вентиляции:
19
Рис. 2.1 Функциональная схема системы вентиляции.
2.2. Описание элементов САУ ВТЗ, взаимодействие элементов в
системе
На рис. 1.1 представлена общая схема участка вентиляционной сети
станции «Речной вокзал», в частности расположение и состав воздушно-
тепловой завесы.
Система автоматического управления воздушно-тепловой завесой
включает в себя следующие элементы: регулятор (Р
1
), преобразователь
частоты (ПЧ), короткозамкнутый асинхронный двигатель, центробежный
вентилятор, воздушно-тепловая завеса, калориферная установка, датчик
расхода воздуха.
Регулятор расхода воздуха по сигналу задания требуемого расхода
воздуха U
3Q
и сигналу обратной связи с датчика расхода воздуха U
Q1
подает
команду на преобразователь частоты. Преобразователь частоты изменяет
частоту вращения вала вентилятора, тем самым регулирует расход воздуха
Q(t), подаваемого в ВТЗ. В калориферной установке воздух нагревается до
температуры 50°С и поступает в воздушно-тепловую завесу. На рис.2.2
представлена функциональная схема САУ ВТЗ.
20
Рис. 2.2 Функциональная схема САУ ВТЗ.
2.2.1. Воздушно-тепловая завеса
Воздушные завесы известны в литературе как технологическая
конструкция или ограничивающая, или полностью ликвидирующая
перетекание воздуха из одного пространства в другое через открытый проем,
который технологически не может быть закрыт.
В частности, в зимнее время воздушными завесами можно значительно
уменьшить и даже ликвидировать проникновение холодного наружного
воздуха через открытый проем в помещение.
По схеме действия воздушная завеса является как бы воздушным
шибером, заслоняющим плоской струей открытый проем и тем самым
полностью или частично ограждающим пересечение его внешними потоками
воздуха.
В отдельных случаях при очень близком расположении (70 м) станции
или служебных помещений тупиков от портала для завесы используется
наружный воздух, который дополнительно подогревается. Источниками
такого подогрева, в зависимости от условий, могут быть городские и
районные тепловые сети, местные котельные и электроэнергия.
Конструкция воздушной завесы представляет собой коробы или
каналы с узкой воздуховыпускной щелью, размещаемой сбоку тоннеля (рис.
2.3).
21
Рис. 2.3 Схема расположения воздухоподающих коробов и щелей воздушных завес
у порталов.
Воздуховыпускная щель представляет собой узкий насадок,
направленный навстречу потоку наружного воздуха под углом 45—30° к
плоскости сечения тоннеля, с внутренними перегородками на расстоянии
между собой, равном ширине щели.
Для воздушных завес обычно применяются центробежные
вентиляторы.
Воздушно-тепловые завесы на станции «Речной вокзал» устроены у
порталов (рис.1.1). В результате близкого расположения станции (70 м) от
портала для завесы используется наружный воздух, который подогревается
калориферной установкой. На основании [14] передаточную функцию
воздушно-тепловой завесы в первом приближении можно представить в виде
апериодического звена.
Q
ЦВ
Q
ВТЗ
Рис.2.4 Структурная схема ВТЗ
Коэффициент передачи K
ВТЗ
рассчитывается по формуле:
ЦВ
ВТЗ
ВТЗ
Q
K
Q
(2.1)
22
1
ВТЗ
ВТЗ
K
T p