Оценивание режимов работы и идентификация характеристик оборудования тепловых электрических станций

Тепловые электрические станции (ТЭС) занимают ведущее место в электроэнергетическом комплексе России. На их долю приходится около 70% произведенной электроэнергии и более 50% централизованно отпускаемого тепла. Поэтому повышение эффективности режимов эксплуатации оборудования станций является важной научно-технической задачей. Особенно трудоемка такая задача для теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), имеющих сложные технологические схемы, разнообразный состав оборудования и существенно изменяющиеся в течение года режимы работы. Эффективное решение данной проблемы невозможно без привлечения таких мощных инструментов, как аппарат математического моделирования, методов оптимизации и статистики.

Теплоэнергетика страны находится сейчас в трудном положении. Более трети оборудования тепловых электростанций подвержено значительному физическому износу и требует замены или модернизации. Это, в свою очередь, ведет к снижению надежности, возникновению аварийных ситуаций, несоответствию санитарным нормам и экологическим требованиям. Учитывая сложную финансовую обстановку по стране в целом, энергетикам приходится изыскивать внутренние резервы для надежного и эффективного функционирования электростанций и их агрегатов. Немаловажную роль в этом играет внедрение средств автоматизации на различных уровнях управления.

Следует отметить, что режимы работы станций характеризуются существенным изменением тепловых и электрических нагрузок в течение года, обусловленным колебанием температуры наружного воздухасложностью технологических схем и разнотипностью состава основного оборудования (паровых котлов и турбин). Поэтому автоматизация управления ТЭС является весьма актуальной и в то же время трудоемкой задачей. Ее решение базируется на представлении теплоэнергетических объектов в виде математических моделей, которые достаточно подробно описывают все элементы объекта, их связи и протекающие в них физико-химические процессы.

Основы применения методов математического моделирования и оптимизации для исследования теплоэнергетических объектов, как при их проектировании, так и при их эксплуатации, заложены в работах школы Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева, созданной Г. Б. Левенталем и Л. С. Попыриным [3, 13, 18, 31, 34, 35, 41, 48, 51, 53, 55−58, 7078, 80, 84]. В указанных работах изложены принципы автоматизации математического моделирования теплоэнергетических установок (ТЭУ) — рассмотрены задачи оптимизации непрерывных и дискретных параметров ТЭУ различных типов и технологических схемданы подходы к оптимизации ТЭУ в условиях неоднозначности исходной информации. Методы математического моделирования теплоэнергетических установок развиты также в работах Ф. А. Вульмана и др. [19−21], выполненных в ЦНИИКА и в работах Л.А. Шубенко-Шубина, A.A. Палагина и др. [6, 67−69], выполненных в ИПМаш, в работах В. М. Боровкова, А. Г. Кутахова и др. [2, 61], выполненных в СПбГТУ и Ленэнерго. Применение методов нелинейного программирования реализовано в ННГТУ A.C. Карабасовым, Г. Б. Усыниным и др. [11, 36−38, 86], в ИЯЭ АН Белоруссии В. П. Бубновым и др. [15, 43, 79] и в МИФИ В. В. Хромовым и др. [1, 32, 90, 91] при оптимизации параметров ядерных реакторов и атомных электростанций. Интересные подходы к оптимизации параметров ТЭУ, основанные на аналитических методах оптимизации, развиты в работах А. И. Андрющенко, Р. З. Аминова и др., выполненных в СГТУ [8, 9, 10] и в работе П. А. Андреева, М. И. Гринмана и Ю. В. Смолкина, выполненной в НПО ЦЬСТИ [7]. В целом, с использованием методов математического моделирования, оптимизации и реализующих их программных разработок выполнено значительное количество техникоэкономических исследований энергетических установок различных типов. Следует заметить, что на первых порах рассматривались либо достаточно простые энергоустановки, как правило, паротурбинные, либо для более сложных объектов использовались довольно упрощенные математические модели. В последние десятилетия интерес исследователей устремился к теплоэнергетическим установкам, имеющим существенно более сложные технологические схемы — это парогазовые установки, работающие по комбинированному термодинамическому циклу, многоконтурные паротурбинные установки АЭС и многоцелевые ТЭУ, производящие наряду с электроэнергией тепловую энергию и искусственное жидкое топливо и т. д. При оптимизационном исследовании таких установок типичным является использование метода сплошного перебора заранее заданного множества вариантов схем и параметров [93, 95, 96, 98, 104]. Оригинальные подходы использованы в работах [97, 100, 103], в которых для совершенствования сложных ТЭУ используются методы термодинамического анализа в сочетании с достаточно простыми моделями. Требуется подчеркнуть, что отраженные в работах исследования, в основном, касались вопросов принятия инженерных схемно-параметрических решений по вновь проектируемому оборудованию.

Основой успеха в решении проблем оперативного управления ТЭС на базе автоматизированных систем является наличие достаточно быстродействующих и точно отражающих текущее состояние оборудования математических моделей ТЭС и эффективных методов математического программирования, реализующих использование этих моделей для целей управления режимами функционирования ТЭС. Весомый вклад в решение задач оптимизации параметров функционирования ТЭС составляют работы [8, 9, 27, 64, 65, 66, 82, 83, 92, 98, 101]. Однако недостаточно широкое внедрение такого рода работ при управлении режимами функционирования ТЭС обусловлено трудностями, возникающими как при моделировании сложных теплоэнергетических объектов, каковыми являются ТЭС, так и при решении проблемы настройки математических моделей на изменяющееся фактическое состояние оборудования станций, и, наконец, при постановке и решении оптимизационных задач.

В Институте систем энергетики (ИСЭМ СО РАН) за многие годы накоплен значительный методический и практический опыт моделирования и оптимизации для предпроектных стадий создания нового теплоэнергетического оборудования [3, 28−29, 33, 40, 41, 47−48, 51, 59, 73, 94, 99, 102]. В последние годы на этой базе развёрнуты работы по моделированию действующих ТЭС и решению задач оптимизации, связанных с управлением их функционированием [44, 45, 46, 49, 54, 60]. Они выполняются в двух основных направлениях: а) дальнейшая автоматизация и совершенствование методов математического моделирования достаточно широкого многообразия энергетических объектовб) разработка и развитие взаимосвязанного комплекса задач и методов схемно-параметрической оптимизации для управления режимами функционирования ТЭС. Эффективность такого управления во многом зависит от качества информации о текущем состоянии оборудования, о внешних электрических и тепловых нагрузках.

Системы автоматического сбора информации в настоящее время установлены на некоторых работающих ТЭС, в отличие от систем аналитической обработки информации, которые до сих пор остаются малодоступными. Кроме того, такие системы должны быть достаточно специализированы, в том числе они должны опираться на конкретные математические модели работающего оборудования и его показатели.

В области исследования электроэнергетических, систем вопросы оценивания состояния и идентификации при расчете режимов работы с учетом погрешности измерений изучались с начала 70-х годов, о чем дает хорошее представление цикл работ А. З. Гамма и его коллег [22−25], выполненных в ИСЭМ СО РАН. В работе тех же авторов [26] рассмотрены возможные подходы к детекции «плохих» измерений. Указанные вопросы в системах диспетчерского управления ЭЭС решаются на основе идеологии контрольных уравнений. Идеология контрольных уравнений построена на первой форме задачи оценивания, т. е. система уравнений балансов разделяется на базисную, из которой вычисляются не подлежащие измерениям параметры и небазисную, называемую контрольной, по невязкам уравнений которой можно выявить наличие грубых ошибок в измерениях. Подход носит во многом эвристический характер и успех анализа достоверности измерений нередко зависит от удачного разделения исходной системы уравнений, отражающей законы электрических цепей, на базисную систему и систему контрольных уравнений, а также от способа формирования линейных комбинаций контрольных уравнений и выбора тех или иных переменных для исключения из контрольных уравнений.

Другим примером решения проблем оценивания состояния и идентификации параметров являются задачи исследования трубопроводных систем. В [64] H.H. Новицким представлено комплексное рассмотрение широкого круга задач и методов оценивания, разработанных с учетом особенностей гидравлических цепей. В работе также достаточно большое внимание уделено вопросам выявления ошибочной информации в измерениях.

Проблема оценивания состояния теплоэнергетического оборудования рассматривалась также в НГТУ Г. В. Ноздренко, Ю. В. Овчинниковым, Г. Д. Крохиным и другими [50, 65, 66]. Это одни из первых работ в области теплоэнергетики, где поднималась данная тема. Для решения задачи оценивания в них предлагается методика согласования уравнений теплового и энергетического балансов. Однако разработанный авторами подход шел в контексте с более широкой задачей оптимального распределения нагрузок между агрегатами и не решил полностью многих вопросов диагностики оборудования. К числу таких нерешенных проблем можно отнести, например, отсутствие постановки и решения задачи идентификации характеристик, определяющих состояние оборудования и не поддающихся прямому измерению. Также не были изучены вопросы устойчивости и взаимосвязи оптимальных решений с погрешностью измерений.

Полезный подход к созданию автоматизированных систем диагностического контроля ТЭС, разработанный коллективом авторов, представлен в [52].

Следует отметить, что имеются значительные достижения с одной стороны в вопросах моделирования и оптимизации теплоэнергетических объектов, а с другой — в вопросах оценивания состояния функционирования и диагностики некоторых технических систем, в первую очередь, электроэнергетических и трубопроводных. В то же время, проблемы оценивания состояния режимов работы и идентификации параметров теплоэнергетических систем практически не нашли приемлемого решения в силу сложности объектов, их моделей, а также в связи с отсутствием эффективных методов, алгоритмов и программ решения необходимых математических задач.

Автоматизированное управление режимами работы ТЭС — это комплексная проблема, требующая решения ряда взаимосвязанных задач. Среди них можно выделить последовательную цепочку основных: оценивание параметров режимов работы и идентификация фактических значений характеристик оборудования ТЭС на базе набора измерений параметров в установившихся режимах функционированияпоиск оптимальных, с точки зрения некоторого критерия, текущих и будущих режимов работыформирование управляющих воздействий, обеспечивающих реализацию оптимальных режимов.

Среди задач, связанных с оптимальным управлением режимами ТЭС, согласованная задача оценивания режимов функционирования и идентификации параметров, характеризующих состояние основного оборудования, занимает особое место. Результаты ее решения имеют важное самостоятельное значение, а также играют существенную роль для качественного решения проблем управления в целом и, в частности, для задач оптимального распределения нагрузок между агрегатами ТЭС. Целями данной диссертационной работы являются:

• разработка согласованной методики оценивания параметров функционирования и идентификации характеристик состояния оборудования ТЭС, исходя из набора измерений, выполненных в течение достаточно короткого отрезка времени, когда состояние оборудования можно считать неизменным, в нескольких установившихся режимах функционирования ТЭС;

• разработка на персональном компьютере программно-вычислительного комплекса, реализующего методику;

• апробация разработанных методических подходов и ПВК на примерах основного оборудования действующих ТЭЦ.

Впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Методический подход к решению проблемы оценивания режимов функционирования и идентификации характеристик состояния основного оборудования ТЭС, включающий этапы выявления и устранения «плохих» данных измеренийопределения значений представительной совокупности не подлежащих измерениям параметров, характеризующих режимы функционирования и фактическое состояние оборудования ТЭСанализа эффективности полученного решения и этап оценивания текущего режима функционирования оборудования ТЭС. Методика опирается на использование набора измерений, выполненных в нескольких режимах функционирования оборудования ТЭС и достаточно подробные математические модели агрегатов. Ее основу составляют теория, задачи и методы математического программирования и статистического анализа.

2. Программно-вычислительный комплекс для автоматизации процессов подготовки исходных данных, решения задач оценивания и идентификации, последующего анализа и визуализации полученных результатов, построенный на современных информационных технологиях в многооконной среде.

3. Апробация представленных методических подходов и программно-вычислительного комплекса на примере исследования парового котла ТП-81 и паровой турбины ПТ-60−130, установленных на реально действующих ТЭЦ.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика и комплекс программных средств позволяют провести оценку текущего состояния оборудования, получить значения не подлежащих измерениям параметров работы, а также увеличить эффективность применения математических моделей для комплексного оптимизационного анализа состояния оборудования и управления режимами функционирования тэс.

Основные положения и результаты работы докладывались на Региональном научно-техническом семинаре «Новые технологии и научные разработки в энергетике» (г. Новосибирск, 1994), X, XI Международных математических Байкальских школах-семинарах «Методы оптимизации и их приложения» (г. Иркутск, 1994, 1998), научно-технических совещаниях АО «Иркутскэнерго» (г. Иркутск, 1994;1997), Всероссийской конференции с международным участием «Энергетика России в переходный период: проблемы и научные основы развития и управления» (г. Иркутск, 1995 г.), семинаре «Информационные технологии в энергетике» (г. Иркутск, 1999 г.), а также на нескольких конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (г. Иркутск, 1995;1999 г. г.).

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

3.3. выводы.

Проведенные исследования на математических моделях парового котла ТП-81 и промышленной паровой турбины ПТ-60−130 показывают, что предлагаемая в данной работе методика весьма эффективна и позволяет по результатам измерений оценить фактическое состояние теплоэнергетической установкиповысить качество информации по измерениям, в частности, выявить недопустимые ошибки измерительных приборов или каналов передаваемой информациинайти значения неизмеряемых параметров функционирования и коэффициентов фактического состояния оборудования ТЭС и ТЭЦопределить степень дублирования измерений между собой и вычислить статистические отклонения оптимальных значений параметров, коэффициентов модели от их фактических значений. Настроенные на текущее состояние математические модели теплоэнергетических объектов могут использоваться в дальнейших оптимизационных расчетах по управлению их работой.

Результаты проведенных численных экспериментов позволяют говорить о хорошей обусловленности оптимизационных задач и возможности получения их удовлетворительного решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана согласованная методика диагностики состояния оборудования, основанная на совместном решении экстремальных оптимизационных задач оценивания параметров функционирования и идентификации характеристик основного оборудования ТЭС по набору измерений, проведенных в различных точках технологической схемы в нескольких близких по времени режимах эксплуатации.

2. Предложен подход к повышению качества исходной информации за счет выявления «плохих» данных в измерениях и устранения их влияния на оптимальные значений параметров режимов функционирования и показателей, характеризующих состояние оборудования. Подход опирается на обобщенный комплекс результатов решения минимаксной задачи оптимизации невязок и задачи совместного оценивания параметров функционирования и идентификации характеристик основного оборудования ТЭС.

3. Разработана методика анализа устойчивости оптимального решения задачи совместного оценивания параметров функционирования и идентификации характеристик основного оборудования ТЭС к погрешности измерений и статистической оценки его точности. Получаемые коэффициенты чувствительности позволяют оценить влияние погрешностей измерений на оптимальные значения измеряемых и не подлежащих измерениям параметров.

4. Дана постановка задачи оценивания представительной совокупности параметров режима функционирования ТЭС, базирующейся на использовании текущей информации о значениях измеряемых параметров и математической модели, настроенной на фактическое состояние оборудования.

5. Разработан единый программно-вычислительный комплекс для автоматизации решения задач, связанных с идентификацией состояния оборудования и оцениванием режимов функционирования ТЭС. Программный комплекс использует результаты работы системы машинного построения программ, которая обеспечивает генерацию математических моделей теплоэнергетических объектов в виде подпрограмм, и обеспечивает этапы формирования исходных данных для оптимизационных задач, их выполнения, просмотра и анализа полученных решений.

6. Проведена апробация предложенной в работе методики и программно-вычислительного комплекса на примере основного оборудования (парового котла ТП-81 и паровой турбины ПТ-60−130) действующих ТЭЦ.