Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Автоматизація процесів керування інерційними контурами котлоагрегата теплової електростанції з використанням методу динамічної корекції

Автоматизація процесів керування інерційними контурами котлоагрегата теплової електростанції з використанням методу динамічної корекції




Сторінка1/20
Дата конвертації05.05.2017
Розмір1.95 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   20


Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»
На правах рукопису

Бунке Олександр Сергійович


УДК 621.181.1:681.5

АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ КЕРУВАННЯ ІНЕРЦІЙНИМИ КОНТУРАМИ КОТЛОАГРЕГАТА ТЕПЛОВОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДУ ДИНАМІЧНОЇ КОРЕКЦІЇ

05.13.

Міністе́рство осві́ти і нау́ки Украї́ни (МОН України) - центральний орган виконавчої влади України.
Теплова електростанція (ТЕС), електростанція, в якій первинна енергія має хімічну форму і вивільняється шляхом спалювання вугілля, рідкого палива чи газу; на парових електростанціях (з паровими турбінами) у топці парового котла відбувається перетворення хімічної енергії палива в тепло газів - продуктів згоряння; це тепло передається воді та водяній парі, пара з котла надходить до парової турбіни, де тепло перетворюється на кінетичну енергію обертання електрогенератора, з'єднаного з турбіною; відпрацьована в турбіні пара надходить до конденсатора і віддає тепло охолоджувальній воді (наприклад, з ріки); на деяких електростанціях застосовують замість парової газову турбіну.
07 – Автоматизація процесів керування


Дисертація на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Науковий керівник

Ковриго Юрій Михайлович

кандидат технічних наук, професор

Київ – 2014

Зміст


ВСТУП 5

Розділ 1


АНАЛІЗ ПРОБЛЕМ АВТОМАТИЗАЦІЇ КЕРУВАННЯ ІНЕРЦІЙНИМИ КАНАЛАМИ КОТЛОАГРЕГАТІВ ТЕС 11

1.1.

Технічні науки - науки, що вивчають закономірності розвитку техніки і визначають способи найкращого її використання.
Особливості котлоагрегату ТЕС, як об’єкта регулювання,


та вимоги до САР 11

1.2. Аналіз існуючих методів регулювання інерційних контурів 19

1.3. Вимоги до систем автоматичного керування технологічними параметрами 31

1.4.

Автомати́чна систе́ма керува́ння - це сукупність керованого об'єкта й автоматичних вимірювальних та керуючих пристроїв.
Методи оптимального налаштування систем керування інерційними об’єктами 32

1.5. Методи динамічної корекції контурів регулювання та новітні стратегії керування 40

1.6. Визначення мети та задач дослідження 47

Розділ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ІНЕРЦІЙНИХ ДІЛЯНОК РЕГУЛЮВАННЯ КОТЛОАГРЕГАТА 49

2.1. Вибір методу апроксимації 49

2.2. Розробка моделі об‘єкта керування 52

2.3. Експериментальне визначення параметрів об’єкта 52

2.4. Передатні функції об’єкту 60

2.5. Перевірка моделей на адекватність 61

2.6. Вибір критерію оптимізації системи керування 62

2.7. Дослідження штатної системи керування 63

2.8. Дослідження запасів стійкості систем керування
на базі ПІ регуляторів 67

2.9. Висновки за розділом 70

Розділ 3
РОЗРОБКА МЕТОДУ ДИНАМІЧНОЇ КОРЕКЦІЇ, МЕТОДИКИ НАЛАШТУВАННЯ САР 72

3.1. Розробка динамічного коректора для автоматичного регулятора 72

3.2.

Автомати́чний регуля́тор - у системах автоматичного регулювання (САР) - пристрій, що виробляє керуючий сигнал для зміни (регулювання) вихідного параметра.
Оптимізація параметрів динамічного коректора 95

3.3. Аналітична методика налаштування контуру динамічної корекції 111

3.4. Розробка експрес-методу налаштувань контуру динамічної корекції 117

3.5. Порівняння методик налаштування 123

3.6. Порівняння ПІ-К та ППІ регуляторів 124

3.7. Висновки за розділом 125

Розділ 4
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ПЕРЕВІРКА МЕТОДУ ДИНАМІЧНОЇ КОРЕКЦІЇ НА ІНЕРЦІЙНИХ ОБ’ЄКТАХ 128

4.1. Вдосконалення триімпульсної САР температурного режиму


пароводяного тракту 128

4.2. Вдосконалення каскадної САР температури первинної пари 133

4.3. Програмно-технічна реалізація контурів регулювання пароводяного тракту 139

4.4. Висновки за розділом 145

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ЗА РОБОТОЮ 146

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 149

Додаток А
Котлоагрегат ТПП-210А 167

Додаток Б


Експериментальні дані для ідентифікації моделей 168

172


Додаток В
Код програми налаштування САР з ПІ-К регулятором 173

174




Перелік умовних позначень
АПЖ – аераційний паливний живильник

АРМ – автоматизоване робоче місце

АСУТП – автоматизована система управління технологічним процесом

АФЧХ – амплітудно-фазова частотна характеристика

АЧХ – амплітудно-частотна характеристика

ВРЧ – верхня радіаційна частина

КПП – конвективний пароперегрівач

КЧХ – комплексна частотна характеристика

НРЧ – нижня радіаційна частина

ОУ – об’єкт управління

ПЕ – потолочний екран

ПЗ – програмне забезпечення

ПІ – пропорційно-інтегральний закон керування

ПІД – пропорційно-інтегрально-диференційний закон керування

ПІ-К – пропорційно-інтегральний закон керування з динамічною корекцією

ПЛК – програмований логічний контролер

ППІ – предиктивний пропорційно-інтегральний закон керування

ПФ – передатна функція

РВ – регулятор впорску

САР – система автоматичного регулювання

СКВ – середньо квадратичне відхилення

ТЕС – теплова електростанція

ФЧХ – фазочастотна характеристика

FBD - function block diagram

ISE - integral square error

ITAE - integral time absolute error

SCADA - supervisory control and data acquisition

ВСТУП



Актуальність теми.
Систе́ма автомати́чного регулюва́ння (САР) - така система автоматичного керування (САК), задача якої полягає у підтримці вихідної величини об'єкта Х на заданому рівні Хзад.
За оцінками експертів, очікується, що світові потреби енергії до 2030 року зростуть на 60%. Доля теплових станцій у світовому енергетичному балансі складає 65%, атомних – 15%, гідроелектричних   15%, решта – 5% припадає на альтернативні джерела енергії [18].
Альтернати́вні джере́ла ене́ргії - будь-яке джерело енергії, яке є альтернативою викопному паливу.
Причину дисбалансу у бік теплових станцій можна зрозуміти, якщо порівняти собівартість виробництва 1 кВт-год електроенергії, яка найнижча для атомних і вугільних електростанцій станцій, а найвища для сонячних батарей та інших поновлювальних джерел. Міжнародна Агенція з Енергії прогнозує, що при загальній кількості діючих зараз у світі ТЕС (біля 50 000), вугільне та інші види горючого палива можуть скласти 85% ринку енергії до 2030 року [127].

Теплові електростанції (ТЕС), що працюють на вугільному паливі, зокрема пиловугільній суміші, традиційно були і залишаються одним із основних джерел електроенергії, як в Україні, так і в більшості країн світу, у тому числі й з високо розвинутим сектором альтернативних джерел енергії.

Фотоелектрична комірка, також сонячна комірка, со́нячний елеме́нт, фотогальванічний елемент, фотоелемент, фотоелектричний перетворювач (ФЕП) - електричний пристрій, який діє як перетворювач, і служить для перетворення частини світлової енергії (як правило, видимих і інфрачервоних електромагнітних хвиль) у електричну за допомогою фотоелектричного ефекту.
Краї́на - це територія з визначеними кордонами й населенням, що являє собою єдине ціле з погляду історії, культури, нації та в політико-географічному відношенні може бути незалежною або залежною. Країна не завжди є державою, наприклад Україна в 1900 р.

Споживання Україною первинних енергоносіїв складає у млн. тон умовного палива:

нафта – 20.4 (10.

Умо́вне па́ливо - одиниця обліку органічного палива, яка використовується для зіставлення ефективності різних видів палива та їхнього сумарного обліку.
5%);

природний газ – 88.5 (45.5%);

вугілля – 52.6 (27.0%);

ядерне паливо – 27.7 (14.2%);

гідроенергія – 5.4 (2.8%).

всього – 194.6 (100%);

При загальній встановленій потужності електростанцій України 50.9 млн. кВт, ТЕС виробляють близько 47 % усього об’єму електроенергії Україні [116]. Найбільшу кількість (85%) складають енергоблоки потужністю 175-300 МВт при їх максимальній потужності до 800 МВт, але тільки близько половини з цих потужностей (19 млн. кВт) може активно нести навантаження, тому що 90% обладнання перевищило розрахунковий ресурс експлуатації і потребує ремонту або повної заміни. За даними роботи [59], із загальної кількості 104 енергоблоків ТЕС України 75 енергоблоків (71%) знаходяться за межею граничного ресурсу, 17 енергоблоків (16%) наближаються до цієї межи, а решта, 12 енергоблоків (13%), майже вичерпали розрахунковий ресурс.

Кабінет Міністрів України у березні 2006 р. затвердив «Енергетичну стратегію України на період до 2030 року», що отримала неоднозначні відгуки з боку громадськості та експертів, оскільки в ній був яскраво виражений акцент на розвиток ядерної енергетики [59].

Я́дерна енерге́тика або атомна енергетика - галузь енергетики, що використовує ядерну енергію для електрифікації і теплофікації; область науки і техніки, що розробляє методи і засоби перетворення ядерної енергії в електричну і теплову.
Але другим напрямком все ж були визначені теплові станції, і у контексті цієї програми подальшого розвитку електроенергетики треба відзначити важливість зміни функцій ТЕС, а саме: все більше використання їх потужностей у змінній частині графіку навантажень, тому що атомні станції працюють у базовому режимі, а гідроелектричні ресурси України обмежені (практично вичерпані на руслі Дніпра). У майбутньому, при зростанні енергоспоживання така роль ТЕС буде ставати все більш важливою [116]. Це викликає певні потреби у підвищенні ефективності їхньої роботи саме у перехідних, маневрених режимах.

Враховуючи вищезгадані факти, на сучасному етапі розвитку енергетики України є актуальним модернізація енергоблоків діючих ТЕС з метою підвищення їх ефективності та надійності функціонування, зменшення витрат на обслуговування обладнання, введення більш точного регулювання навантаження енергоблоків та частоти струму для покращення якості електроенергії та стійкості загальної енергосистеми. Але покращення регулювання має певні практичні і теоретичні ускладнення та обмеження.

Автоматичні системи регулювання, що побудовані на основі ПІ регуляторів є дуже поширеними на теплоенергетичних об’єктах, де використання регуляторів із диференціаторами ускладнено у зв’язку з посиленням шумової складової сигналів у вимірюваних параметрах. Разом з тим, об‘єкти регулювання ТЕС у більшості випадків змінюють свої параметри як у межах доби (зміни режимів роботи, навантаження), так і під час тривалої експлуатації (утворення накипу, збільшення люфтів, зменшення товщини стінок труб і т.д.). Результатом незадовільної якості функціонування стандартних регуляторів є збільшення випадків перегріву і витрати пального, зменшення ресурсу котлоагрегатів за рахунок термоциклічних напруг та зношування виконавчих пристроїв, що збільшує експлуатаційні витрати та посилює технологічну небезпеку ТЕС. Загальновживаною є практика, коли оператори ТЕС вимушені переходити на ручний режим керування, щоб уникнути великих динамічних викидів і тривалих низькочастотних коливань регулюємих параметрів котлоагрегатів. Тому розробка нових рішень в царині автоматизації, що забезпечують високу якість регулювання у маневрених режимах роботи енергоблоків та гарантують стійкість САР у всьому передбаченому діапазоні навантажень, але одночасно з цим побудовані на класичній теорії автоматичного керування й традиційних для теплоенергетики ПІ-законах регулювання, є актуальною науковою проблемою.

Тео́рія автомати́чного керува́ння (ТАК) - наукова дисципліна, що виявляє загальні закономірності функціонування, що властиві для автоматичних систем різної фізичної природи, і на основі цих закономірностей розробляє принципи побудови високоякісних систем керування.


Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення ефективності та надійності роботи теплоенергетичного обладнання енергоблоку ТЕС, що працює у маневрених режимах, шляхом вдосконалення алгоритму регулювання інерційними контурами.

Головна ідея роботи полягає у розробці нового методу підвищення якості регулювання параметрів інерційних об’єктів, який би дозволив одночасно забезпечити стійкість та швидкодію систем автоматичного регулювання.

Автома́тика (грец. αύτόματος - самодіючий) - галузь науки і техніки, яка розробляє технічні засоби і методи для здійснення технологічних процесів без безпосередньої участі людини.



Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання:

  • дослідження статичних та динамічних властивостей ділянок пароводяного тракту котлоагрегата як об'єктів керування, ідентифікація та побудова математичних моделей;

  • аналіз існуючих рішень щодо керування інерційними об’єктами у маневрених режимах роботи;

  • розробка методу підвищення запасу стійкості систем регулювання, що базується на динамічній корекції частотних характеристик;

  • розробка методик налаштування систем регулювання з динамічними коректорами;

  • розробка всережимних систем автоматичного регулювання для інерційних контурів котлоагрегата;
    Математи́чна моде́ль - система математичних співвідношень, які описують досліджуваний процес або явище. Математична модель має важливе значення для таких наук, як: економіка, екологія, соціологія, фізика, хімія, механіка, інформатика, біологія та ін.
    Автомати́чне регулюва́ння - підтримування без втручання людини потрібних значень фізичних величин, що характеризують режим роботи машин, апаратів, установок тощо, за допомогою автоматів-регуляторів.


  • технічна реалізація САР на промислових засобах автоматизації.

Об’єкт дослідження — інерційні контури регулювання теплоенергетичних об’єктів.

Предмет дослідження — системи автоматичного регулювання інерційних ділянок пароводяного тракту прямоточного котлоагрегата ТЕС, що працює у маневрених режимах навантаження.

Методи дослідження. Дисертаційні задачі вирішувалися з використанням загальних методів теорії автоматичного керування, чисельних методів рішення диференційних рівнянь, методів ідентифікації, оптимального параметричного синтезу, методів моделювання динамічних систем;
Динамі́чна систе́ма - математична абстракція, призначена для опису і вивчення систем, що еволюціонують з часом. Прикладом можуть служити механічні системи (рухомі групи тіл) або фізичні процеси.
Диференціа́льні рівня́ння - рівняння, що встановлює залежність між незалежними змінними, числами (параметрами), невідомими функціями та їх похідними. Невідома функція може бути як скалярною, так і векторною.
Чи́сельні ме́тоди - методи наближеного або точного розв'язування задач чистої або прикладної математики, які ґрунтуються на побудові послідовності дій над скінченною множиною чисел. Основні вимоги до чисельних методів, щоб вони були стійкими та збіжними.
Автомати́чне керува́ння (англ. automatic control) - виконання без безпосередньої участі людини певних впливів на об'єкт керування, необхідних і достатніх для одержання цілеспрямованого його функціювання із заданою точністю.
для візуалізації результатів застосовувалися методи комп’ютерної графіки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

      • набули подальшого розвитку дослідження впливу транспортного запізнювання на якість роботи систем автоматичного регулювання, одержано діапазони граничних значень зміни транспортного запізнювання та коефіцієнту підсилення об’єкта управління в системах з ПІ-регулятором для типових теплоенергетичних об’єктів;

      • вперше розроблено метод підвищення якості функціонування інерційних контурів регулювання теплоенергетичного обладнання, що працює в маневрених режимах, який відрізняється застосуванням додаткового каналу динамічної корекції в структурі регулятора, що забезпечує підвищення запасу стійкості та показників якості систем автоматичного регулювання;

      • вперше запропоновано аналітичну методику налаштування регулятора з паралельним динамічним коректором, що відрізняється корекцією відстані годографа АФЧХ розімкненої системи до критичної точки (-1;
        Крити́чна то́чка - точка на фазовій діаграмі в координатах (p, T), в якій лінія співіснування фаз обривається.
        j0) в частотній області та дозволяє синтезувати систему регулювання із заданим запасом стійкості;

      • удосконалено експрес-методику налаштування регулятора шляхом розробки номограм та емпіричних залежностей параметрів каналу динамічної корекції від параметрів об’єкта керування, що дозволяє синтезувати систему регулювання, налаштовану на мінімум інтегрального абсолютного критерія якості перехідних процесів.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблена система автоматичного регулювання температурного режиму пароводяного тракту, де застосування контуру динамічної корекції дозволило підвищити показники якості перехідних процесів та підвищити запас стійкості системи. Розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення впроваджене та експлуатується на Трипільській ТЕС, що підтверджено відповідними документами.

Результати роботи використовуються в навчальному процесі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» на кафедрі автоматизації теплоенергетичних процесів.



Особистий внесок здобувача. Всі положення, що виносяться на захист, отримано автором особисто. В публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача полягає в наступному: в [111, 55] – застосування регулятору з динамічним коректором у схемах врахування обмежень на керування, в [14] – вибір та аналіз методів ідентифікації, в [49] – синтез системи автоматичного керування та її дослідження, в [48, 52, 75] – опис методу динамічної корекції, синтез системи регулювання, та порівняння методів підвищення якості роботи АСР, в [50, 54] – аналіз структур АСР інерційними об’єктами, дослідження частотних та інтегральних показників якості роботи систем, в [53, 50, 76] – синтез регулятора теплового навантаження, дослідження роботи системи при зміні навантаження енергоблока, в [44, 46] – алгоритмічне забезпечення комплексу ідентифікації, порівняльний аналіз методів, [13, 73] – частотний аналіз систем з динамічним коректором, в [89, 90, 91] – розробка структур каналу динамічної корекції. Експериментальні дані, за якими були ідентифіковані перехідні характеристики об’єкту, отримані автором особисто за допомогою сучасних цифрових програмно-технічних засобів АСУТП на діючому об’єкті. Експериментальні данні та тексти розроблених прикладних програм наведені у додатках до роботи.
Застосунок, застосовна програма, прикладна програма (англ. application, application software; пол. aplikacja; рос. приложение, прикладная программа) - користувацька комп'ютерна програма, що дає змогу вирішувати конкретні прикладні задачі користувача.


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   20



  • АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ КЕРУВАННЯ ІНЕРЦІЙНИМИ КОНТУРАМИ КОТЛОАГРЕГАТА ТЕПЛОВОЇ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ
  • Перелік умовних позначень АПЖ – аераційний паливний живильник АРМ – автоматизоване робоче місце
  • Мета і задачі дослідження.
  • Методи дослідження
  • Наукова новизна одержаних результатів
  • Практичне значення одержаних результатів.
  • Особистий внесок здобувача.