Содержание к диссертации
Введение
1. Управление процессами оптимизации расхода топлива на судах - комплексная научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение 10
1.1. Краткий обзор работ по проблеме управления процессами оптимизации расхода топлива 10
1.2. Экономичные режимы движения судов 18
1.3.. Оптимальные стабилизаторы курса судна 23
1.4. Особенности управления процессом, оптимизации расхода топлива на судах с ПТУ 29
Выводы по первой главе 34
2. Информационное обеспечение управления процессами оптимизации расхода топлива на судах .36
2.1. Принцип группового управления классом судовых объектов по критерию минимальных расходов топлива. Информационная поддержка 36
2.2. Алгоритмическое и информационное обеспечение параллельной работы судовых генераторных агрегатов по критерию расхода энер гии при сложной форме расходных характеристик 42
2.3. Информационное обеспечение экономичных режимов движения судов . 47
2.4. Информационное обеспечение оптимального управления маневром судна по критерию минимума расхода энергии 53
2.5. Алгоритмическое и информационное обеспечение процедуры построения наблюдателя с заданными топологическими свойствами. Выводы по второй главе... < 66
3. Математическая модель системы связного управления судовой ПТУ сВРШ 68
3.1. Судовой комплекс « котел-ГТЗА-ВРШ» как объект управления.. 68
3.2. Математическая модель силового котлоагрегата 69
3.3. Математическая модель двигательно-движительного комплекса .73
3.4. Линейная модель судового комплекса « котел-ГТЗА-ВРШ» 79
3.5. Математическая модель системы управления судовым энергетическим комплексом с учетом корпуса судна 80
Выводы по третьей главе 107
4. Техническое обеспечение управления процессами оптимизации расхода топлива на судах 109
4.1. Выбор программы и способа управления процессами оптимизации расхода топлива на судах типа «Крым» 109
4.2. Система связанного управления комплексом «ПТУ-ВРШ-валогенератор» 111
4.3. Техническое обеспечение выбора параметров генератора системы управления судовой ПТУ с ВРШ, с целью снижения расхода топлива .. 122
4.4. Система ограничения перегрузок судового комплекса « турбоагрегат- винт регулируемого шага - валогенератор». Корректор шага 125
4.5. Техническое обеспечение коррекции характеристик регулятора давления пара 132
Выводы по четвертой главе 143
Заключение 144
Литература 146
Приложения 150
- Особенности управления процессом, оптимизации расхода топлива на судах с ПТУ
- Информационное обеспечение оптимального управления маневром судна по критерию минимума расхода энергии
- Математическая модель системы управления судовым энергетическим комплексом с учетом корпуса судна
- Техническое обеспечение выбора параметров генератора системы управления судовой ПТУ с ВРШ, с целью снижения расхода топлива
Особенности управления процессом, оптимизации расхода топлива на судах с ПТУ
Информационное и техническое обеспечение управления процессами штимизации расхода топлива на судах с паротурбинными энергетическими установками (ПТУ) имеет свои особенности [45]. При эксплуатации крупнотоннажных танкеров в составе судов ОАО «Новороссийское морское пароходст-зо», в частности, танкеров типа «Крым» водоизмещением 180 тыс. тонн и мощностью главной машины 22000 кВт, необходимо учитывать, что танкеры явля-отся крупными потребителями топлива. В этих условиях уменьшение расхода топлива на 1-1,5% только на одном танкере может превосходить в количественном отношении сэкономленное топливо целой флотилией небольших рыболовецких судов.
Исследования показали, что на танкерах типа «Крым» при снижении засхода топлива повышается надежность работы парогенератора подобно тому, сак использование экономичных ходов на судах с дизельными энергетическими остановками способствует увеличению моторесурса и уменьшению расхода смазочного масла.
Для рассмотрения предлагаемого способа уменьшения расхода топлива, становимся кратко на описании состава энергетической установки танкеров :ипа«Крым».
В ее состав входят: главный парогенератор КВГ 80/80 ТМ, главный тур-юзубчатый агрегат (ГТЗА) ТС-3, винт регулируемого шага (ВРШ) и блок при-юдных механизмов (БПМ), включающий в себя генератор и главный питательный насос (ГПН) (см. рис. 1.4-1). Наличие БПМ вызывает необходимость стабилизации частоты вращения ГТЗА, которая в зависимости от режима работы доставляет 50 об/мин или 85 об/мин.
Главный генератор обеспечивает генерацию и промежуточный перегрев iapa. С изменением режима работы главной энергетической установки изменяйся нагрузка парогенератора (расход пара Gn) и, соответственно давление пара к. Изменение давления приводит в действие главный регулятор давления пара управляющий подачей топлива и воздуха), который переводит котел на новый фовень мощности. Регулятор уровня воды в котле обеспечивает соответст-іующее изменение подачи питательной воды. Важными свойствами котла яв-[яются значительная (по сравнению с другими агрегатами установки) инерци-)нность контура давления пара и сравнительно малые допустимые скорости вменения подачи топлива, особенно при наборе нагрузки, являющиеся в об-цем случае следствием требований по исключению дымления на маневре, оп-юкидывания циркуляции и ряда других технологических требований.
Главная турбина и ВРШ, жестко связанные между собой через главный редуктор и валопровод характеризуется единым регулируемым параметром -угловой скоростью гребного вала; при включенной муфте к вращающемуся комплексу подключается БПМ. Локальные контуры автоматизации каждого агрегата воздействуют на свои управляющие органы: паровпускные (маневровые) клапана главной турбины, гидропривод поворота лопастей ВРШ (механизмы изменения шага винта МИШ) и впускной клапан турбопривода БП. Комплекс ГТЗА-ВРШ-БПМ взаимодействует, с одной стороны, с главным парогенератором, и с другой - через винт с корпусом судна.
Особенностями турбоагрегата является значительная инерционность вращающихся масс (редуктор с большим коэффициентом редукции) и наличие промежуточного парового перегрева, приводящего к появлению паровой емкости значительного объема, включенной в паровой тракт ГТЗА.
Обе эти особенности с одной стороны благоприятствуют фильтрации возмущений со стороны винта (например, на волнении), но с другой - значительно усложняют обеспечение устойчивости контура регулирования оборотов главной турбины. Последнее обстоятельство привело к необходимости установки регулируемого органа ОК на подводе пара от промпароперегрева-теля к ТС Д.
Локальная система управления подводом пара к ГТЗА представляет собой контур регулирования скорости вращения с дистанционным заданием оборотов в диапазоне от минимальных до номинальных и со етатизмом, необходимым для обеспечения устойчивости.
Неравномерность регулятора частоты вращения РЧВ составляет 10-15%. Поэтому в систему регулирования частоты вращения ГТЗА введена статическая корректирующая связь (рис. 1.4-2) по положению лопастей ВРТТТ (нагрузка).
Особенностью ВРШ является наличие направляющей насадки. С точки зрения управления комплексом эта особенность благоприятна, так как способствует уменьшению колебаний упора и момента на винте при волнении.
Локальная система управления лопастями ВРШ (МИШ) представляет собой гидравлическую систему, отслеживающую заданное положение управляющего золотника.
Одной из особенностей ПТУ танкера типа «Крым» является сравнительно малые запасы прочности главного валопровода (связанные с ограниченностью типоразмеров дейдвудных уплотнений). Это требует от системы управления исключения перегрузок по крутящему моменту на валу как в статике, так и в динамике.
Функцию ограничения перегрузок выполняет электромеханическое устройство КШ (корректор шага), входящее в состав электрогидравлической сис-гемы управления шагом (СУШ) винта (система «Шторм»). Управляющее воздействие для изменения уровня мощности (скорости судна) можно формиро-зать как на подводе энергии к главной турбине, так и на отводе (поворот лопатей ВРШ) от нее. Установка имеет две локальные системы: регулирования давления пара в котле (ГРДП) и частоты вращения ГТЗА (РЧВ); совместного управления комплексом ГТЗА-ВРШ от одной рукоятки с центрального поста /правления ЦПУ или главного поста управления ГПУ (рис. 1.4-2).
При эксплуатации ПТУ танкеров типа «Крым» на парциальных режимах (17,5 тыс. кВт) маневровые клапана РК и ОК находятся в открытом состоянии, что приводит к дополнительными потерям давления пара (таблица 1.4-1). Снижение потери давления на клапанах БКЗ, РК и ОК может быть обеспечена гутем уменьшения давления пара в парогенераторе. При этом уменьшится расход топлива, а также возрастет надежность работы парогенератора. Наибольший эффект экономии топлива может быть достигнут при управлении рабочим давлением в котле в зависимости от нагрузки на гребном валу в режиме, соот-іетствующем полностью открытым маневровым клапанам. Такой способ правления получил название способа управления мощностью ПТУ при сколь-ящем давлении.
Результаты теплотехнических испытаний показали, что в обеспечение кользящего давления пара позволяет получить экономию топлива не менее ,5% только за счет снижения потерь давления пара на дросселирование в кла-[анахРКиОК.
Согласно данным фирмы «Дюррверке» (Германия), внедрение скользящего давления пара на мощной стационарной ПТУ привело к увеличению сро-а службы трубопроводов на 30%. Аналогичный результат можно также полу-:ить на судах.
Информационное обеспечение оптимального управления маневром судна по критерию минимума расхода энергии
Обеспечение безопасности и эффективности эксплуатации судов во мно-эм определяется алгоритмом управления, реализуемым с помощью авторуле-ых, информационным и техническим обеспечением рулевых управляющих омплексов[35].Использование в процессе их работы пропорционально-нтегрально-дифференциальных законов управления (ПИД-регуляторов) по-воляет установить требуемые динамические свойства системы по спектру матицы состояния путем введения обратных связей по измеряемым координа-ам[41]. Как правило, регулятор состояния или выхода синтезируется с помощью методов аналитического конструирования (АКОР) в предположении, что ремя действия системы t— оо и в процессе синтеза нелинейное дифференци-гаьное уравнение Риккати вырождается в алгебраическое матричное уравнение, решаемое эффективными численными методами. В этом, по существу, состоит упрощение процедуры синтеза регуляторов методом АКОР[40].
Повышение маневренных качеств судов требует использования для управления различных оптимальных законов: обеспечение минимального времени маневра, маневрирование в условиях ограничений на переменные состояния и управления, обеспечение минимального расхода топлива при стабилизации курса в условиях волнения и др.
В работе предлагается алгоритм оптимального маневра судна, обеспечивающий переход из заданного начального состояния в требуемое конечное юстояние (не обязательно нулевое) в течение фиксированного времени. Время зыбирается таким образом, чтобы максимальное отклонение пера руля от по-гожения диаметральной плоскости не превышало заданных значение (ограни-іение на сигнал управления). Оптимальное управление определяется для класса щскретных систем.
х(к+1)=Ах(к) + Ви(к),к=0,1,...,г-1, (2.4.1)
де А - {пхп), В - (пхГ) - матрицы постоянных коэффициентов, :(к) - вектор состояния, i(k) - скалярная величина.
Система (2.4.1) обладает свойствами управляемости, достижимости и наблюдаемости [47] .Тогда должна существовать управляющая последователь-гость, переводящая систему из любого начального состояния в произвольное остояние за конечное время.
Введем матрицу S, образующую последовательность
S = [Ar-1;B,A 2 B,...,A-B,B] (2.4.2) имеющую полный ранг п. С помощью метода наименьших квадратов оп-еделим WKS-SVS (2.4-3)
Проверим, чтобы сумма строк поэлементного произведения матриц (2.4-) и (2.4-3) была равна единичному вектору:
L=S-W, Sum(L )=[l,..., 1] (2.4-4)
Тогда существует однозначная связь между вектором управления =[U(0), U(l), ..., U(r-1)]T , векторами граничных условий х(0), и х(г), и числом тагов г: U=W х(г) - W Аг х(0). (2.4-5)
Если теперь U(k), k=0, 1,..., г-1, использовать последовательно для управ-гния системой (2.4-1), то на r-ом шаге она будет находиться в требуемом ко-ЇЧНОМ состоянии (в том числе в необходимых случаях - в состоянии х(г)=0). равнение (2.4-5) позволяет представить вектор управления в виде суммы ли-гйных преобразований векторов х(г) и Аг.х(0), выполненных с помощью опе-ітора W. Кроме того, использование (2.4-3) для определения наилучшего ре-ения(2.4-5) позволяет получить минимум энергии на управление: p{r \fu(kY Лит-и = Uevc{u)j, (2.4-6) ;е evc(U) - эвклидова норма вектора управления. Из принципа Заде следует, что минимальное число шагов, которые не-)бходимы для перевода дискретной системы (2.4-1) из состояния х(0) в состояние х(г), должно быть равно порядку системы (г п). При этом обес-ючивается максимальное быстродействие за счет наибольшего потребления нергии на управление. Условие достижимости предусматривает отсутствие ог-)аничений на управление и наличие квадратной неособенной матрицы S. В ре-ультате для определения вектора управления можно использовать следующую ;ависимость [23]:
-и(о) V =S-l-(x{n)-A"x(0)) (2.4-7) U(n-\)_
В реальных системах оптимальное по быстродействию управление пре-(усматривает введение ограничения на модуль элементов вектора U U Umax (2.4-8)
Поэтому синтез управлений, отвечающих условию (2.4-8), может быть іьшолнен по следующему алгоритму.
Предположим, что требуется перевести систему из состояния х(0) в со-тояние х О за минимальное время при выполнении условия (2.4-8). Обра-уем квадратную матрицу S и выполним оценку U с помощью (2.4-8) на первом tiare, приняв г=п. Если один из элементов U по модулю больше Umax, выберем
Ut=Umaxxsign(U(0)) А с помощью (2.4-1) определим xt(l)=Ax(0)+BxUt(0)
Повторим вычисления по формуле (2.4-7)заменив х(0) вектором xt(l). Этот процесс необходимо вести, увеличивая каждый раз г на единицу до вы-юлнения условия (2.4-8), после чего воспользуемся на последних п шагах вы- ажением (2.4-7). Моменты переключения управлении соответствуют измене-[иям знака Ut (k) = ±Umax Управление, обеспечивающее минимум (2.4-6), реализуется следующим ібразом.
Математическая модель системы управления судовым энергетическим комплексом с учетом корпуса судна
При составлении математической модели системы управления судовым нергетическим комплексом необходимо учитывать следующие основные пе-юменные состояния: расход пара из котла, расход пара на ГТЗА, уравнения в :отле и паропроводе, давления пара, поступающего на ГРДП и др. Их значения І относительных единицах можно представить следующим образом (рис 3.5-1):Для проведения исследований динамических процессов с помощью матема-ической модели была систематизирована следующая информация:
1. Составлена таблица 3.6.1, в которой перечислены обозначения переменных, использованных при записи уравнений и их машинный вариант, а также приведены их смысловые значения.
2. Приведена таблица 3.6.2, в которой в систематизированной форме представлены используемые в процессе моделирования постоянные времени и коэффициенты передачи (усиления) отдельных звеньев системы уравнения.
3. Для удобства моделирования уравнения математической модели и их машинный вариант записи сведены в таблицу 3.6.3.
4. Приведена блок-схема машинной программы, согласно которой производиться обработка информации и реализация вычислений.
В процессе моделирования исследованы следующие основные режимы (условно названные маневрами) :
1. Интегрально - аналоговое управления по положению маневрового клапа на (МК) при вариации времени интегрирования корректирующего звена (Т4):
1.1 Маневр при скачкообразном уменьшении заданного значения шага винта (Н0) от 1 до 0,7 ., Т4=250с с форсировкой.
1.2 Маневр при скачкообразном увеличении координаты Н0 от 0,7 до 1,0, Т4 = 150 с без форсировки.
1.3 Маневр при уменьшении Н0 скачком от 1 до 0,7 без форсировки при значении Т4 = 60с.
1.4 Маневр вызванный увеличением Н0 скачком от 0,7 до 1,0 с форсировкой . Время интегрирования корректирующей связи Т4 = 60с.
2. Аналоговое уравнения без контроля положения МК.
2.1 Маневр при скачкообразном увеличении заданного положения шага винта Н0 от 0,7 до 1,0 (Т4 - 25с)
2.2 Маневр при скачкообразном уменьшении Н0 от 1 до 0,7 при установлении времени интегрировании корректирующего звена, равного Т4 - 75 с. 2.3 Маневр при уменьшении Н0 от 1 до 0,7 при значении Т4 = 25с.
2.4 Маневр увеличения шага: Н0 от 0,7 до 1,0 при постоянной времени Т4 = 100с.
3. Режим позиционно- импульсивного регулирования ПТУ с ВРШ:
3.1 Маневр при уменьшении шага Н0 от 1 до 0,7 при постоянной времени Т5 = 20с,Т6 = 15с.
3.2 Маневр при уменьшении шага Н0 от 1 до 0,7 при постоянной времени Т5 = 20с,Т6 = 20с.
3.3 Маневр при уменьшении шага Н0 от 1 до 0,7 при постоянной времени Т5=20с,Т6 = 10с.
3.4 Маневр при увеличении шага Н0 от 1 до 0,7 при постоянной времени Т5 = 20с,Т6=10с.
3.5 Маневр при увеличении шага Н0 от 1 до 0,7 при постоянной времени
Т5 = 20с, Т6 = 17,5с.
3.6 Маневр при уменьшении шага Н0 от 1 до 0,7 при постоянной времени Т5 = 20с,Т6 = 17,5с.
3.7 Маневр при увеличении шага Н0 от 1 до 0,7 при постоянной времени Т5 = 20с , Т6 = 20с.
На приведенных осциллограммах (Рис 3.6-1-г3.6-16) соответствующих перечисленным выше режимам, содержащих следующие значения частоты вращения ГТЗА (N1), давления пара в котле (Р1), шага ВРШ (Н), положение маневрового клапана МК изменяющиеся в функции времени.
Техническое обеспечение выбора параметров генератора системы управления судовой ПТУ с ВРШ, с целью снижения расхода топлива
В предыдущем параграфе была рассмотрена система управления, реали-)ванная согласно авторскому свидетельству № 1537603 (автор - диссертант .И. Королев) и предназначенная для повышения экономичности судовых ПТУ ) время эксплуатации [1]. В систему управления введены две интегрирующие ІЯЗИ по ошибке регулирования частоты вращения турбоагрегата и положению аневрового клапана. Степень открытия маневрового клапана определяется по эсвенным показателям, в частности, по величине задающего воздействия на :атический регулятор частоты вращения. Введение этих связей образует сис-;му связанного управления судовой ПТУ с ВРШ, в которой заданная степень скрытия маневрового клапана поддерживается изменением давления пара в зтле посредством интегрального корректора давления пара по положению ма-гврового клапана [24].
Для технического обеспечения оптимального управления расходом топ-іва требуется точное поддержание частоты вращения ГТЗА, на редукторе ко-)рого навешен валогенератор. Примененный в рассмотренной системе стати-гский регулятор частоты вращения и нелинейный функциональный блок кор-жции частоты вращения по заданной нагрузке (шаг винта) не всегда могут 5еспечить заданную точность регулирования, так как при полном и том же актическом шаге винта нагрузка может значительно различаться, например, аневры судна, изменения условий плавания и т.д. В таких случаях регулиро-шие частоты вращения осуществляется по статической характеристике регу-ггора, етатизм регулирования при этом составляет около 15%.
Отсюда видно, что отклонения нагрузки ГТЗА на 7% и выше приведут к гклонению частоты вращения на 1% и более, и, соответственно, частоты элек-шческого тока валогенератора, имеющего жесткие ограничения на пределы и штельность любых отклонений частоты.
Повысить точность регулирования за счет снижения статизма контура ре- лирования частоты вращения или выбора более сложного закона регулирова-ЇЯ не представляется возможным, вследствие резкого ухудшения устойчиво-:и. Поставленная задача решается достаточно просто - применением интеграфа отклонения частоты вращения ГТЗА И и реализуется с помощью измерили отклонения частоты электрического тока высокой точности и обычного іектронного интегрирующего устройства. В этом случае функциональная схе-\ контура регулирования частоты вращения ГТЗА имеет вид:
Выполним анализ устойчивости контура регулирования частоты враще-ія с интегратором И. Для этого необходимо знать частотные характеристики V ПТУ по каналу корректировки частоты вращения. С этой целью на тб/х Советская нефть" были проведены испытания по оценке динамических харак-ристик комплекса ПТУ - ВРШ. Динамические характеристики ПТУ, необхо-[мые для получения передаточной функции СУ по каналу частоты вращения, юдставлены на рис.4.3-1
Динамические характеристики получены при изменении задания регуля-ру частоты вращения путем изменения положения привода задатчика оборо-в с 13,6мм до 22,2мм за время 2+3 секунды, начиная с четвертой секунды по афику (рис.4.3-1).
По данным, представленным на рис.4.3-1, выполнена графоаналитическая проксимация таким образом, чтобы аппроксимирующая кривая точно совпала в двух промежуточных точках lh(t)=0,2 и h(tj=0,7l с экспериментальной и іксимально близко подходила к точке h(t)=0,l.
Тогда передаточная функция разомкнутой системы регулирования часты вращения ГТЗА определяется выражением:
WM3 (р) = т (4.3-3) pa3KF) Тир (2,45р + 1) (0,64р + 1)7
Амплитудно-фазовые частотные характеристики, соответствующие переточной функции Wpa3 (р) (4.3-3) при различных параметрах настройки инте-атора Ти, представлены на рис.4.3-2. Видно, что система регулирования не итична к выбору параметров настройки интегратора и сохраняет достаточ-ш запас устойчивости по амплитуде в широком диапазоне изменения значе иТм.
На рис.4.3-3 представлены кривые переходных процессов 1, 2 и 3, полу-нные расчетным путем, и кривая 4, полученная по результатам испытаний. всех случаях применялось однотипное внешнее воздействие.
Анализ динамических характеристик (рис.4.3-3) показывает, что с ростом емени интегрирования увеличивается динамическая ошибка регулирования, этому целесообразно время интегрирования уменьшать. Сравнивая расчет-іе и экспериментальные кривые переходных процессов, можно сделать вывод сорректности расчетов и достоверности проведенного динамического анали-Более острый пик кривой 4 (рис.4.3-3) говорит что имеет место занижение рядка.
