Методы, алгоритмы и программное обеспечение анализа и параметрического синтеза энергетического блока «котел-турбина»

Актуальность работы.

На современном уровне развития вычислительной техники исследования систем регулирования энергетических установок ведутся преимущественно методами математического моделирования, так как организация натурных экспериментов в необходимом для подробных исследований объеме представляет на практике значительные трудности. Использование математического описания не только объекта регулирования, но и остальных элементов системы становится весьма эффективным как на ф стадии разработки новых систем регулирования, так и при изучении динамики уже созданных систем. Поэтому в современных условиях методы исследования систем регулирования энергетических блоков, основанные на их математических моделях, находят широкое применение. Если в начале развития систем регулирования энергетических блоков ограничивались изучением устойчивости и быстродействия линейных моделей, то затем получил все большее распространение анализ нелинейных моделей, стали применяться стохастические подходы, оптимизационные методы и т. д. Это ф связано главным образом с ужесточением требований, предъявляемых к качеству функционирования систем регулирования энергетических установок.

В настоящее время получила большое распространение блочная компоновка электростанций. Поэтому энергетический блок необходимо рассматривать как единый энергетический объект с общей системой регулирования. Главная особенность этого объекта — сочетание агрегатов с резко отличающимися динамическими свойствами. Так, в едином объекте сочетаются котельный агрегат, обладающий большой инерцией, и сравнительно малоинерционная турбина. Математические модели, которые ф описывают подобные объекты, имеют высокий порядок и множество нелинейных элементов.

Для нелинейных систем не существует общих методов, позволяющих так же просто решать классические задачи анализа и синтеза, как это имеет место для линейных систем. Поэтому актуальной является задача разработки инженерных методов, позволяющих с единых позиций подходить к решению задач анализа и синтеза систем регулирования энергетических блоков в классе нелинейных систем как при детерминированных, так и при случайных воздействиях, а также создания на основе этих методов эффективного алгоритмического и программного обеспечения.

Объектом исследования в данной работе является система регулирования энергетического блока «котел-турбина». В качестве примера рассматривается энергетический блок, состоящий из котла БКЗ-75 и паровой турбины ПТ-12/15−35/1 ОМ.

Предметом исследования выбраны методы анализа и параметрического синтеза нелинейных систем, основанные на теории матричных операторов.

Цель работы и задачи исследования.

Предлагаемая работа посвящена проблеме синтеза систем регулирования энергетических блоков.

Целью работы является развитие инженерных методов расчета, позволяющих с единых позиций подходить к решению задач анализа и синтеза систем регулирования энергетических блоков, ориентированных на создание высокоэффективных вычислительных алгоритмов и применение ЭВМ.

Для достижения сформулированной цели ставятся следующие задачи исследования:

1. Развить методы анализа систем регулирования энергетических блоков при детерминированных и случайных изменениях нагрузки.

2. Развить метод параметрического синтеза системы регулирования энергетических блоков.

3. На основе указанных методов разработать вычислительные алгоритмы и программное обеспечение.

4. Рассчитать параметры математической модели блока «котел БКЗ-75 -паровая турбина ПТ-12/15−35/1 ОМ».

5. Рассчитать параметры системы регулирования блока «котел БКЗ-75 — паровая турбина ПТ-12/15−35/1 ОМ» и провести анализ системы регулирования блока при детерминированном и случайном изменении электрической нагрузки.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Получили дальнейшее инженерное развитие спектральные методы, применительно к анализу и параметрическому синтезу систем регулирования сложных объектов управления, математические модели которых описываются системами нелинейных дифференциальных уравнений высоких порядков. Это стало возможно благодаря новой итерационной процедуре, которая разработана в диссертации.

2. На основе предложенных методов разработаны эффективные вычислительные алгоритмы и программное обеспечение, интегрированное в пакет МАТЬАВ. Алгоритмы и программное обеспечение позволили автоматизировать анализ и параметрический синтез системы регулирования энергетических блоков в классе нелинейных систем. Это дает возможность, произвести расчет параметров регуляторов системы, исследовать ее динамику на различных режимах работы уже на этапе проектирования.

3. Рассчитаны параметры математической модели системы регулирования блока «котел БКЗ-75 — паровая турбина ПТ-12/15−35/10М».

4. Разработанными методами рассчитаны: постоянные времени сервомоторов, отсечных золотников и коэффициентов усиления регуляторов блока «котел БКЗ-75 — паровая турбина ПТ-12/15−35/ЮМ». Исследована динамика блока при детерминированных и случайных изменениях электрической нагрузки.

Практическая ценность и внедрение.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение позволяют автоматизировать анализ и синтез энергетических блоков, а также получить данные о функционировании системы на различных режимах работы и при разных регуляторах на этапе ее проектирования.

Разработанные в работе методы исследования турбин вошли в отдельные параграфы 5-томного учебника «Методы классической и современной теории автоматического управления» под редакцией К. А. Пупкова и Н. Д. Егупова.

Разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение используются для анализа и параметрического синтеза систем регулирования паровых котлов и паровых турбин ОАО «Калужский турбинный завод».

Методы внедрены в ОАО «Калужский турбинный завод», ОАО «Тайфун» (г. Калуга), что подтверждается актами о внедрении.

На защиту выносятся.

1. Проекционно-матричный метод анализа систем регулирования энергетических блоков «котел-турбина» при детерминированных изменениях нагрузки в классе нелинейных систем.

2. Модернизированный метод детерминированных эквивалентов исследования систем регулирования энергетических блоков «котел-турбина» при случайных изменениях нагрузки в классе нелинейных систем.

3. Метод параметрического синтеза системы регулирования энергетических блоков «котел-турбина» в классе нелинейных систем.

4. Вычислительные алгоритмы синтеза регуляторов и исследования динамики системы регулирования блока «котел-турбина» при детерминированных и случайных изменениях нагрузки, а также программное обеспечение, построенное на их основе.

5. Результаты анализа и параметрического синтеза системы регулирования блока «котел БКЗ-75 — турбина ПТ-12/15−35/1 ОМ».

Апробация работы и публикации.

I Результаты работы докладывались и обсуждались на научнотехнических конференциях в г. Калуге и г. Виннице. Результаты работы опубликованы в сборниках статей «Труды МГТУ». Основное содержание работы и результаты работы отражены в [42−47].

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка.

4.5. Выводы.

1. На основе метода структурных преобразований и использования итерационных процедур получено решение задачи синтеза регуляторов в классе нелинейных систем. В задаче синтеза итерационная процедура позволяет найти зависимость, определяющую выходной сигнал системы, который является функцией параметров регуляторов. На основе заданного эталонного выходного сигнала и зависимости, определяющей выходной сигнал через параметры регулятора, легко формируется функционал качества, который представляет собой функцию от параметров регуляторов. Минимизировав значение функционала, находим численные значения параметров регулятора.

2. Разработанным методом проведен расчет параметров регуляторов системы регулирования блока «котел БКЗ-75 паровая турбина ПТ-12/15−35/1 ОМ»:

• регулятора частоты вращения ротора турбины;

• регулятора уровня жидкости в барабане котла;

• регулятора давления пара на выходе котла.

Сравнение данных анализа при рассчитанных параметрах регулятора с эталонными переходными характеристиками, показало, что точность полученных результатов достаточна для решения практических задач параметрического синтеза регуляторов. Погрешность в установившемся режиме находится в пределах неравномерности по соответствующим процессам (5−7%).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Блок «котел-турбина» (котел — БКЗ-75, турбина ПТ12/15−35/1 ОМ производства Калужского турбинного завода) является сложной системой, в которую входят регуляторы, обеспечивающие заданное качество управления, а именно: регулятор уровня жидкости в барабане котла, регулятор давления пара на выходе из котла, регулятор частоты вращения ротора турбины. С целью ее исследования и синтеза регуляторов с использованием комплекса аналитических и экспериментальных средств построена математическая модель блока «котел-турбина» в форме системы нелинейных дифференциальных уравнений 19-го порядка. Автоматизация исследований рассматриваемой системы с использованием математической модели позволяет существенно ускорить процесс проектирования, с необходимой точностью оценить качество регулирования при различных параметрах регуляторов и, что чрезвычайно важно, сэкономить материальные и людские ресурсы.

2. С целью построения алгоритмов исследования и синтеза регуляторов блока «котел-турбина» был осуществлен переход от системы дифференциальных уравнений к векторно-матричной форме. Принимая во внимание особенности структуры указанного блока, высокую степень сложности модели, наличие в ней нескольких нелинейных элементов, были проведены аналитические исследования. Данные исследования позволили развить спектральный метод и построить алгоритмы структурных преобразований, которые показали высокую эффективность при построении математических моделей сложных нелинейных систем и послужили основой как для решения проблемы исследования, так и ключевой задачи — параметрического синтеза регуляторов системы регулирования блока «котел-турбина».

На основе математической модели, в форме матричных операторов, построены эффективные алгоритмы исследования и проектирования регуляторов блока «котел-турбина" — их программная реализация представлена в виде отдельных библиотек интегрированных в пакет математических вычислений МАТЬАВ. В качестве базиса в программном обеспечении использованы функции Уолша, упорядоченные по Адамару, однако благодаря универсальности программного обеспечения существует потенциальная возможность модернизации программ под любой другой базис.

Проведены исследования работы блока «котел-турбина» с использованием полной математической модели на конденсационном режиме и на режиме с двумя отбора пара при сбросе электрической нагрузки на 50%. Точность, полученная сравнением результатов расчетов и экспериментальных данных, является вполне достаточной для решения практических задач исследования, а погрешность результатов не превышает 5−7%%.

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для решения задачи статистического исследования системы регулирования блока «котел-турбина». Это связано с тем, что в реальных условиях система функционирует при постоянно действующих возмущениях (нагрузка в сети, изменение параметров настройки регуляторов и т. д.), носящих случайный характер, неучет которых может существенно сказаться на качестве вырабатываемой электрической энергии и надежности функционирования блока. В качестве математического аппарата при разработке алгоритмического и программного обеспечения используется метод детерминированных эквивалентов, позволяющий рассчитать математические ожидания, функции корреляции, а также плотности распределения вероятностей выходных сигналов блока «котел-турбина».

Получены численные значения СКО процессов на конденсационном режиме работы блока «котел-турбина».

С помощью программного обеспечения, разработанного на основе аппарата структурных преобразований линейных элементов блока «котел-турбина» и эквивалентного описания нелинейных звеньев, с использованием итерационных процедур получила решение ключевая задача проектирования блока «котел-турбина» — синтез регуляторов. Приведены конструкции и описаны принципы действия конкретных регуляторов. Для заданной структуры регуляторов рассчитаны постоянные времени сервомоторов, постоянные времени отсечных золотников и коэффициенты усиления. Сравнение эталонных переходных характеристик и переходных характеристик соответствующих процессов, полученных в результате синтеза, показали, что погрешность результатов синтеза укладывается в пределы неравномерности (5−7%).