Введение к работе
профессор А. А. Южаков
Газотурбинные установки (ГТУ), первоначально применявшиеся благодаря своим высоким удельным характеристикам преимущественно в авиации, получили широкое распространение в качестве силового привода в газотурбинных электростанциях (ГТЭС). Создание специальных ГТУ для наземного применения требует значительных затрат на их освоение в производстве, поэтому предприятия авиационного двигателестроения используют возможность изготовления наземных ГТУ конвертированием авиационных. Однако для достижения требуемых статических и динамических характеристик газотурбинные авиационные двигатели претерпевают значительные модификации при их применении в качестве привода для электрогенераторов. Кроме того, существенно изменяются условия их функционирования, связанные с тем, что наземные двигатели работают в режимах, отличающихся от полетных. Таким образом, при использовании авиационных двигателей в наземных условиях требуется решение задачи разработки и настройки новых систем автоматического управления (САУ) ГТЭС применительно к требованиям обеспечения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.
Одним из важнейших этапов жизненного цикла вновь разрабатываемых САУ ГТЭС, является этап испытаний. Следует признать недостаточно эффективными испытания САУ ГТЭС, проводимые непосредственно на натурных стендах, изначально изготовленных для испытаний САУ авиационных двигателей и существенно ограничивающих режимы, в которых испытываются САУ ГТЭС. В отличие от полетных режимы наземных ГТУ в значительной мере определяются режимами энергопотребления и зависят от конфигурации и состава элементов электроэнергетической системы (ЭЭС).
На текущий момент на этапах испытаний и настройки САУ ГТЭС имеет место низкая эффективность труда, обусловленная значительной трудоемкостью анализа множества конкурентоспособных настроек САУ с учетом многорежимности, иерархичности и обилия степеней свободы объекта управления (электроэнергетической системы). Кроме того, нередко испытания и настройка САУ с учетом специфики электроэнергетической системы проводится на этапе пусконаладочных работ в условиях ограниченного времени. В таком случае, как правило, принимается не лучшее, а первое найденное допустимое решение. Как результат снижаются эксплуатационные характеристики газотурбинных электростанций.
Высокая сложность задач, которые решает САУ ГТЭС, а также связанная с этим необходимость учета различных режимов работы электростанций на широкий диапазон нагрузок, обуславливает необходимость использования методов математического моделирования для испытаний САУ ГТЭС. Однако существующие математические модели являются структурно и функционально упрощенными, а также ограниченными для модификаций, что затрудняет моделирование процессов параллельной работы энергоблоков ГТЭС в автономном режиме и при работе на мощную сеть с учетом схемы распределения электрической энергии.
Существенное улучшение процедур испытаний САУ ГТЭС применительно к показателям качества вырабатываемой электроэнергии достигается за счет создания человеко-машинной системы компьютерной поддержки процессов испытаний САУ. Такая система, предоставляя методы использования моделей, данных и вычислительных алгоритмов, позволяет разработчику и (или) экспериментатору решать задачи испытаний САУ ГТЭС в режимах, недоступных испытаниям на натурных стендах, с учетом специфики объекта управления.
В силу указанных причин актуальной является задача компьютерной поддержки испытаний САУ ГТЭС средствами интерактивной автоматизированной человеко-машинной системы, которая позволит методами компьютерного моделирования осуществить оценку качества вырабатываемой газотурбинной электростанцией электроэнергии на соответствие требованиям государственных стандартов.
Объектом исследования являются автоматизированные испытания САУ ГТЭС.
Предмет исследования – математическое, алгоритмическое и программное обеспечение компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ газотурбинных электростанций.
Научная задача – разработка методики и алгоритмов компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС на основе комплексной математической модели ЭЭС.
Цель диссертационной работы – разработка системы компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ газотурбинных электростанций применительно к показателям качества вырабатываемой электроэнергии на основе математической модели газотурбинной электростанции, электрической нагрузки и электрической сети.
Для достижения сформулированной цели ставятся и решаются следующие задачи:
-
Разработать математическую модель ЭЭС на основе структурной и функциональной декомпозиции ЭЭС и входящих в ее состав газотурбинных электростанций.
-
Разработать методику компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС, основанную на математическом моделировании статических и динамических процессов в ЭЭС и входящих в ее состав ГТЭС.
-
Осуществить алгоритмизацию и программную реализацию разработанных модели и методики в форме программно-моделирующего комплекса для поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС.
-
Провести исследования разработанного программно-моделирующего комплекса методом математического моделирования.
Цель и задачи работы обусловили выбор следующих методов исследования: методы теории автоматического управления, электрических машин, теоретических основ электротехники и электроснабжения, математического моделирования, численного анализа, линейной алгебры, натурного и вычислительного эксперимента.
Теоретической и методологической основой исследований являются работы Д.А. Арзамасцева, В.А. Веникова, Л.П. Веретенникова, В.Л. Волкова, А.А. Горева, В.В. Жукова, К.К. Кетнера, И.В. Копылова, А.А. Самарского, С.А. Ульянова и др., исследования также опираются на работы, посвященные практическому внедрению систем автоматизации испытаний, таких авторов как А.А.Шевяков, Н.Н.Матушкин, В.П.Казанцев, А.И.Полулях и др., диссертация продолжает исследования, выполненные представителями научной школы профессора В.М. Винокура: И.А.Шмидтом, А.В.Ромодиным, А.Б. Петроченковым, Л.А. Мыльниковом и др.
Научная новизна
-
Разработана новая математическая модель ЭЭС, позволяющая моделировать переходные и установившиеся электромагнитные и электромеханические процессы, возникающие под влиянием возмущающих воздействий в автономном и параллельном режимах работы энергоблоков ГТЭС, при работе ГТЭС на мощную сеть, а также при электрической коммутации.
-
Впервые разработана методика компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС, обеспечивающая оценку качества вырабатываемой электроэнергии методом математического моделирования динамических и статических процессов в ЭЭС.
-
На основе разработанной методики и математической модели создана оригинальная функциональная структура программно-моделирующего комплекса, основой которой являются открытые для чтения и модификации алгоритмическая база, база знаний и база экспериментов.
Практическая ценность работы определяется следующим.
Разработана система компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС, реализованная в форме программно-моделирующего комплекса, позволяющая методами вычислительного эксперимента автоматизировать предварительные и комплексные испытания существующих и вновь разрабатываемых систем автоматического управления ГТЭС путем:
автоматизации процесса испытаний САУ ГТЭС на соответствие качества вырабатываемой электроэнергии требованиям государственных стандартов;
автоматизации процесса обработки результатов моделирования.
Применение программно-моделирующего комплекса для компьютерной поддержки испытаний САУ позволяет повысить эффективность испытаний за счет сокращения трудозатрат на испытания САУ на этапах разработки, пусконаладки и эксплуатации ГТЭС.
На защиту выносятся:
модель ЭЭС, впервые включающая математические модели структурных элементов и модель взаимодействия элементов для статического и динамического моделирования ЭЭС и входящих в ее состав ГТЭС в режимах автономной, параллельной работы и работы на мощную сеть;
методика компьютерной поддержки испытаний САУ ГТЭС методами математического моделирования;
функциональная структура программно-моделирующего комплекса для компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС;
принципы программной реализации разработанных алгоритмов и математической модели ЭЭС, результаты исследований разработанного программно-моделирующего комплекса.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2006), на научно-технической конференции Электротехнического факультета ПГТУ (Пермь, 2007), на Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике» (Пермь, 2008), на 2-ой и 3-ей Всероссийской научно-технической конференции «Инновационная энергетика» (Пермь, 2008, 2009), на V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»» (Казань, 2009г.).
Основные положения и результаты диссертационной работы были отражены: в инновационном проекте «Разработка программных комплексов для моделирования и оптимизации газотурбинных электростанций», удостоенном II премии Международного молодежного Конкурса инновационных проектов авиакосмических технологий и материалов (Москва, 2006 г.); в инновационном проекте «Разработка программно-моделирующего комплекса для настройки и оптимизации алгоритмов управления газотурбинной электростанцией», удостоенном поощрительной премии в конкурсе на лучшую научную или инженерную работу молодых специалистов в рамках LVI научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Пермь, 2009 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 62 наименования, и приложения. Основная часть работы содержит 136 страниц, включающих 3 таблицы и 24 рисунка.
