Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности современного этапа развития АСУТП тепловых электростанций. Постановка задачи исследований
1.1. Предварительные замечания 12
1.2. Анализ факторов, влияющих на эффективность многофункциональных АСУТП энергоблоков тепловых электростанций 16
1.3. Анализ особенностей топливоприготовительного оборудования и требований к построению математических моделей в составе АСУТП 24
1.4. О феноменологическом подходе к построению динамических моделей технологических объектов управления. Общая постановка задачи 30
1.5. Выводы 35
ГЛАВА 2. Методика обобщенного термодинамического анализа пылесистем прямого вдувания котлов тепловых электростанций
2.1. Определение параметров установки пылеприготовления. Анализ основных допущений 36
2.2. Обобщенные термодинамические потенциалы и координаты систем .„
пылеприготовления
2.2.1. Предварительные замечания 43
2.2.2. Работа перемещения топливовоздушного потока 44
2.2.3. Аэродинамическая работа 45
2.2.4. Работа преодоления гравитационных сил 47
2.2.5. Технические работы 47
2.2.6. Термическая работа
2.3. Обсуждение результата 55
2.4. Выводы 58 Стр.
ГЛАВА 3. Теоретические основы построения динамических моделей каналов формирования потоков топливоздушных смесей в топки котлов (развитие феноменологического подхода на примере пылесистем прямого вдувания с молотковыми мельницами) 60
3.1. Общие методические положения. Предварительные замечания 60
3.2. Анализ особенностей динамических процессов, определяемых. условиями сохранения материального баланса в системе пылеприготовления
3.3. Анализ особенностей динамических процессов, определяемых законом сохранения количества движения в системе пылеприготовления
3.4. Анализ особенностей динамических процессов, определяемых законом сохранения энергии 77
3.5. Обсуждение полученных результатов 84
3.6. Выводы 93
ГЛАВА 4. Реализация и исследование математических моделей
4.1. Разработка фонда экспериментальных динамических характеристик теплоэнергетического оборудования ТЭС 95
4.2. Разработка и исследование имитационных моделей пылесистем прямого вдувания топлива в составе АСУТП на базе программно-технических комплексов
4.3. Исследование нелинейной имитационной модели пылесистем 1с-прямого вдувания
4.4. Выводы 125
ГЛАВА 5. Применение динамической нелинейной модели пылесистемы прямого вдувания для решения задач анализа и синтеза АСР тепловой нагрузкой котлов
5.1. Способы решения задачи управления пылеподачей котлов с пылесистемами прямого вдувания. Предварительные замечания
5.2. Исследование вариантов схем управления пылеподачей в пылесистемах прямого вдувания 130
5.3. Выводы 143
Заключение 144
Литература
- Анализ особенностей топливоприготовительного оборудования и требований к построению математических моделей в составе АСУТП
- Работа перемещения топливовоздушного потока
- Анализ особенностей динамических процессов, определяемых законом сохранения количества движения в системе пылеприготовления
- Исследование нелинейной имитационной модели пылесистем 1с-прямого вдувания
Введение к работе
Актуальность темы. В долгосрочной перспективе развитие тепловой энергетики России связано с существенным увеличением доли угля в структуре потребляемого ТЭС органического топлива. Это требует решения комплекса задач, направленных на обеспечение эффективной работы большого числа действующих и строящихся пыле-угольных энергоблоков, оснащаемых АСУТП на базе программно-технических комплексов (ПТК) сетевой организации.
Мощный вычислительный ресурс ПТК позволяет реализовать в составе АСУТП сложные задачи технического диагностирования и управления и, таким образом, вскрыть резервы в повышении надежности оборудования и его технико-экономической эффективности. Однако на пути решения новых задач имеют место разного рода проблемы и трудности. Одна из них связана с формированием необходимой информации о состоянии объекта управления, а другая - с обоснованностью используемых математических моделей технологических объектов управления (ТОУ).
На решение проблемы построения математических моделей ТОУ направлены усилия многих ученых и специалистов, что связано с задачами совершенствования режимов работы оборудования ТЭС и рисками экспериментальных исследований, активным развитием энергетического тренажеростроения и многофункциональных полигонов, развитием методов прямого применения математических моделей в составе АСУТП. Для котельных установок ТЭС с пылесистемами прямого вдувания задача построения динамической модели до сих пор оставалась нерешенной, а попытки интеграции имитационной модели в состав АСУТП и соответствующих полигонов отсутствовали. Объясняется это тем, что физика формирования топливовоздушных потоков в системах пылеприготовления отличается сложностью математического описания мельничных процессов и недоступностью для непосредственного контроля многих технологических параметров.
Таким образом, задача теоретического обоснования управляемых координат рассматриваемого класса объектов, развитие методов построения и разработка нелинейных динамических моделей пылеси-стем прямого вдувания для совершенствования АСУТП котельных установок ТЭС и многофункциональных полигонов (тренажерных комплексов) является актуальной.
Работа выполнялась на кафедре систем управления в соответствии с планами ИГЭУ при поддержке следующих грантов Министерства образования и науки РФ и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ):
«Создание комплекса имитационных макромоделей пылесистем по схеме прямого вдувания котлов ТЭС для решения задач управления и диагностирования». Проект Т00-1.2-3174 конкурса 2000 г. по фундаментальным исследованиям в области технических наук.
«Исследование способов реализации имитационных моделей непрерывных технологических объектов в составе АСУТП на базе программно-технических комплексов сетевой организации». Проект Т02-03.2-2281 конкурса 2002 г. по фундаментальным исследованиям в области технических наук.
«Развитие методов феноменологической термодинамики для построения высокоточных нелинейных динамических моделей технологических объектов управления с аккумуляцией топлива в каналах формирования потоков топливовоздушных смесей». Проект № 07-08-00360 конкурса РФФИ 2007-2008 г. г.
Целью диссертационной работы является совершенствование АСУТП котельных установок ТЭС на основе развития методов построения, разработки и применения нелинейных динамических моделей пылесистем прямого вдувания.
В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие задачи:
сформулированы требования к построению динамических моделей для совершенствования систем управления пылесистем прямого вдувания котлов;
разработана методика и выполнен обобщенный термодинамический анализ пылесистем прямого вдувания котлов как сложных переопределенных технологических объектов управления;
разработаны основы построения математических моделей каналов формирования потоков топливовоздушных смесей в топки котлов с пылесистемами прямого вдувания и нелинейная динамическая модель лылесистемы с молотковыми мельницами;
выполнено исследование разработанных математических моделей средствами имитационного моделирования и показаны примеры практической реализации имитационных моделей в среде ПТК АСУТП;
проведено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными ретроспективных исследований по идентификации теплоэнергетического оборудования;
выполнено исследование вариантов алгоритмов (схем) автоматического управления пылеподачей в пылесистемах прямого вдувания.
Методы исследования. В работе используются методы теории автоматического управления, феноменологической термодинамики необратимых процессов, имитационного моделирования динамических систем и вычислительного эксперимента.
Научная новизна
Впервые для разработки математической модели пылесистемы прямого вдувания применена методика обобщенного термодинамического анализа и определены математические выражения обобщенных термодинамических потенциалов и обобщенных термодинамических координат (на примере пылесистем с молотковыми мельницами).
Разработаны теоретические основы нелинейной динамической модели пылесистем прямого вдувания котлов в виде системы дифференциальных уравнений с распределенными и сосредоточенными параметрами на основе развития методов феноменологической термодинамики и использования результатов обобщенного термодинамического анализа мельничной системы.
Выполнено сравнение вариантов АСР пылеподачи в пылеси-стемах прямого вдувания с молотковыми мельницами и установлено, что применение АСР с использованием в качестве основного комплектованного сигнала новой термодинамической координаты обеспечивает существенно лучшие показатели качества автоматического регулирования по сравнению с известными техническими решениями.
Показано, что известные динамические модели рассматриваемого класса объектов теоретически обоснованы линейными приближениями разработанной модели на уровне уравнений материального баланса и сохранения количества движения.
Практическая значимость результатов
Основные теоретические результаты нашли применение при создании моделей пылесистем прямого вдувания энергетических котлов, доведены до уровня полигонных версий АСУТП и используются в учебно-научном процессе ИГЭУ при подготовке инженеров по специальности 220201.65 "Управление и информатика в технических системах", а также при переподготовке специалистов энергетических предприятий.
Создан фонд (база данных) экспериментальных динамических характеристик котлов. Фонд использован для оценки адекватности разработанной математической модели и может применяться при верификации тренажерных комплексов различного назначения.
В целом полученные результаты ориентированы на использование инженерами и научными работниками при решении широкого круга задач анализа и синтеза систем управления ТОУ ТЭС.
Автор защищает:
методику обобщенного термодинамического анализа пылепри-готовительного оборудования и результаты формирования комплекса управляемых параметров пылесистем прямого вдувания;
нелинейную динамическую модель пылесистем прямого вдувания котлов и результаты ее исследования для пылесистем с молотковыми мельницами.
Личное участие автора состоит также в разработке фонда экспериментальных динамических характеристик котлов, сборе, анализе и подготовке его содержательной части.
Обоснованность и достоверность научных положений и методик обеспечивается применением апробированных методов математического моделирования, а также путем сопоставления результатов вычислительных экспериментов и полигонных испытаний с известными результатами промышленных экспериментов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Бенардосовские чтения; Иваново, ИГЭУ, 1997, 2005 гг.), Научно-технической конференции "Управление в технических системах" (Ковров, 1998), Всероссийской конференции "Управление и информационные технологии" (Санкт-Петербург, ЛЭТИ - 2006, 2008), Международной конференции «Теория и практика построения и функционирования АСУТП (CON-TROL-2008)» (Москва, МЭИ (ТУ)-2008), научно-технических семинарах кафедры СУ ИГЭУ (1997-2008).
Список публикаций. Основные положения диссертации опубликованы в 14 работах, в том числе в 3-х статьях по списку ВАК, депонированной ВИНИТИ рукописи, материалах 6 докладов на конференции и статьи в электронном издании. В ходе исследований получены патент РФ и свидетельство о государственной регистрации БД.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 113 наименований и 5 приложений. Материал диссертации изложен на 184 стр., в том числе 156 стр. основного текста.
Анализ особенностей топливоприготовительного оборудования и требований к построению математических моделей в составе АСУТП
Эффективность работы современной АСУТП ТЭС и соответственно на эффективность работы энергоблока в целом, выделим! и рассмотрим три наиболее существенных" - фактор технического уровня ПТК; - фактор совершенства алгоритмов реализации функций АСУТП; - фактор технологии создания и.эксплуатации АСУТП энергообъекта Фактор технического уровня ПТК предопределяет характер технической структуры АСУТП, поскольку служит ее системообразующим- компонентом В настоящее время ПТК относят к основному оборудованию станции и его выбор осуществляют на стадии проведения.тендерных мероприятий.
В состав ПТК входят управляющий комплекс (контроллерный уровень), информационно-вычислительный, комплекс (компьютеры рабочих, станций) и сетевой комплекс (системная- сеть, контроллерные сети). Техническая структура АСУТП энергоблока содержит (рис 1.2): средства измерений - источники информации (датчики); информационно-вычислительный комплекс в составе рабочих станций; управляющий комплекс в составе микропроцессорных контроллеров; сетевой комплекс в составе системных и контроллерных сетей; исполнительные устройства и средства бесперебойного питания.
Информационно-вычислительный комплекс (ИВК) формируется посредством комплекса рабочих станций, реализованных на базе персональных компьютеров (как правило, промышленного, иногда офисного исполнения). Общее число рабочих станций может достигать нескольких десятков. В ПТК выделяют операторские и инженерные станции, сервер архива и др.
Управляющий комплекс формируется посредством цифровых микропроцессорных контроллеров. Контроллеры ПТК включают в себя базовый комплект модулей и проектно компонуемый комплект. В базовый комплект входят модули центрального процессора, оперативной и энергонезависимой памяти, модуль для обеспечения информационного обмена по сети.
Проектно компонуемый комплект контроллеров содержит модули устройств связи с объектом (УСО), обеспечивающие преобразование аналоговой и дискретной информации в цифровую форму. В некоторых случаях, в составе контроллера не выделяют модуль центрального процессора, как это выполнено, например, в ПТК отечественного производства ТПТС-51 (лицензионный аналог Teleperm ME фирмы Simens). При этом функции центрального процессора распределяют по отдельным функциональным модулям УСО, выделяя, таким образом, дополнительный уровень иерархической структуры АСУТП.
Сетевой комплекс содержит кабель, как среду для передачи- данных, коммутаторы и концентраторы, сетевые карты компьютеров и контроллеров, сетевые шлюзы. Сетевые средства обеспечивают информационную связь между отдельными компонентами системы. Сеть ПТК строится, как правило, на сетевом стандарте Ethernet, который обеспечивает недетерминированный доступ. В продвинутых- ПТК в последнее время стали применять детерминированную-сеть. Например, в ПТК «ОВАЦИЯ» разработки.компаний Эмерсон («Фишер-Роузмаунт») применена сеть FDDI Fiber Distribute Data Interface, которая гарантирует передачу данных в режиме реального времени свободную от потерь и ошибок при любых информационных потоках, в том числе в аварийных режимах работы объекта.
Формирование технической структуры АСУТП энергоблока выполняют с учетом требуемого объема автоматизации технологического оборудования и выделяемых технологических зон объекта управления. Например, при формировании технической структуры АСУТП пылеугольного блока дополнительно выделяют подсистему, связанную с решением функциональных задач по системе пылеприготовления.
Таким, образом, иерархическая многофункциональная структура АСУТП включает уровень локальных систем управления (контроллерный уровень, уровень прикладного алгоритмического обеспечения) и уровень оперативного управления, называемый уровнем рабочих (операторских) станций, взаимодействующих между собой, например, через сетевые шлюзы, которые выполняют функции маршрутизации потоков информации.
Программно-технический комплекс служит основным системообразующим компонентом АСУТП и обладает практически неограниченными вычислительными возможностями, что является одним из ключевых отличительных факторов многофункциональной АСУТП, позволяющим осуществить практическую реализацию сложных алгоритмов управления.
Фактор технического уровня ПТК к настоящему времени во многом утратил свою остроту, поскольку последние разработки программно-технических комплексов, представленные на Российском рынке АСУТП и внедряемые на отечественных энергоблоках, в основном соответствуют общеотраслевым стандартам и требованиям, и оснащены развитыми средствами для реализации всех«базовых функций АСУТП [9,50,55,56 и др.].
Фактор совершенства алгоритмов, реализуемых в составе многофункциональных АСУТП функций, всегда, представлялся актуальным [1,2,3,19,20,47,69 ,72 ]. Общий минимально необходимый объем автоматизации технологического оборудования ТЭС определяется требованиями нормативно-технических документов (НТД) [44]. В современной весьма дорогостоящей АСУТП совершенство алгоритмов управления, прежде всего, связано с требованием обеспечения проектной (расчетной) технической эффективности автоматизированного объекта. Иными словами, кроме отработанных базовых функций, регламентированных нормативными документами, требуется также обеспечить и соответствующую оптимизацию режимов работы оборудования. В целом эти требования можно рассматривать как комплекс необходимых (определяемых НТД) и достаточных (определяемых экономической и/или экологической эффективностью) условий эксплуатации технологического оборудования.
Однако опыт ввода в действие современных многофункциональных АСУТП на базе ПТК сетевой иерархической структуры выявил на пути реализации сложных алгоритмов автоматического регулирования и логического управления существенные трудности.
Это связано с несовершенством сложных алгоритмов управления и невозможностью их отработки в реальных условиях» эксплуатации оборудования. Причина - существенные риски, которые связывают с высокими вероятностями возможности возникновения аварийных ситуаций и повреждения дорогостоящего оборудования, а также с проблемами специфики работы функциональных подсистем в единой информационно-технической среде ПТК АСУТП (невозможность выделения информационной части различных подсистем из общей структуры, см. рис.1.1).
Другая трудность, которая до конца пока еще не преодолена, сводится к проблеме согласования частных критериев оптимизации локальных систем управления, и получению совместного решения в области нормальной работы базовых регуляторов технологического оборудования (комплексные испытания). Согласование критериев локальных, как правило, многосвязных АСР, требует, чтобы на контроллерном уровне АСУТП имело место непротиворечивое решение, которое обеспечивает достижение глобального экстремума функционирования системы в целом.
Для рассматриваемого класса объектов управления эта задача эффективного регулирования в диапазоне заданных режимов тепловой нагрузки котла с подчиненными однотипными многосвязными системами автоматического регулирования подачи топлива и первичного воздуха в мельничные установки, в которых происходит формирование топливовоздушных потоков.
Фактор технологии АСУТП в обеспечении возможности решения упомянутых выше алгоритмических проблем реализации сложных функций оказывается ключевым [16,17,20,78,79,88,97].
Процесс перехода к новой технологии создания АСУТП к настоящему времени практически завершился. Современная технология создания АСУТП на базе ПТК, кардинально изменившаяся за последние 10 - 15 лет, представляется в виде сквозной итерационной последовательности работ на стадиях функционального, конструкторского и технологического проектирования сложной системы (рис. 1.3)
Одна из основных отличительных особенностей новой технологии, которая обеспечивает возможность решения возникших при освоении современных. АСУТП на базе ПТК проблем, связана с созданием соответствующих Полигонов и возлагаемых на них задач.
Работа перемещения топливовоздушного потока
Для того чтобы провести обобщенный термодинамический анализ той или иной системы, необходимо одной группе переменных, входящих в математическую модель системы, приписать содержательный смысл обобщенного потенциала (обобщенных сил) Xh а другой группе переменных -смысл обобщенных термодинамических координат х, При этом X,dx, должно иметь смысл элементарной работы. Обобщенная физическая величина X, является количественной мерой интенсивности процесса обмена. Обобщенная физическая величина х, является координатой состояния системы, которая рассматривается как объект переноса [13,14]. Кроме того, одной из переменных математической модели необходимо предписать смысл абсолютной температуры или энтропии [85].
Рассмотрим переменные системы пылеприготовления в указанном содержательном смысле, выполняя требование сохранения размерности, Дж: с/Д=Х,с/х,, (2.19) где X, - обобщенная сила (потенциал[13,14]), с/х, - изменение обобщенной термодинамической координаты состояния системы (заряд[13,14]). Надо отметить, что в выборе координат существует известная свобода, а, следовательно, существует известная свобода в выборе и сопряженных с ними потенциалов. Правильность выбора потенциалов по имеющимся зарядам проверяют по формуле [13,14]: ЯА X, =—, (2 20) Эх, где А = Д - сумма элементарных работ.
Необходимо рассмотреть следующие виды работ, совершаемых в системе пылеприготовления: работу перемещения потока мельничного продукта в пространстве мельничной системы, работу перемещения потока готовой пыли, работу по преодолению сопротивления установки; работу по преодолению гравитационных сил; технические работы, определяемые работой ротора; тепловую работу в системе. 2.2.2. Работа перемещения топливовоздушного потока Работа перемещения топливовоздушного потока в объеме системы мельница-сепаратор-пылепровод (М-С-П) равна изменению кинетической энергии системы: dA = d Mv Л Mvdv + —dM, где v = vc - скорость, м/с; М - масса перемещаемого топлива в потоке, кг. Для потока мельничного продукта
Учитывая правила определенной свободы выбора зарядов, нетрудно перебрать все возможные случаи определения X, и х,-. Здесь, по-видимому, надо рассмотреть случаи, когда х,- есть отдельный параметр {B2,M,GC}, и случаи, когда х,-есть некоторый обобщенный комплекс. Для оценки результата применим правило (2.19), которому удовлетворяет следующий выбор обобщенного потенциала и координаты: V 1 2 LD (2.23) х, = VLD хгЛ.У (2.24) 2 2 LD B2G. 2 LD т.е. работа перемещения топливовоздушного потока в объеме системы определяется половиной удельного объема системы и произведением скорости сушильно-вентилирующего агента и переносимой субстанции (готовой пыли В2 или мельничного продукта Bz=MGcIV). Согласно (2.19): 2 LD 2 дх2 2 LD Таким образом, количественная мера интенсивности процесса переноса (обобщенный потенциал) есть Xi = X2 - удельный объем системы, м, (объем системы, отнесенный к сечению ротора), который определяется строго конструкцией установки, а термодинамическими координатами, характеризующими состояние системы, являются сложные комплексированные параметры: _MGl, _В& 1 W_D 2 LD (2"25) соответственно для мельничного продукта и потока готовой пыли. При этом координата Xi может быть определена по косвенным показателям и использована при оценке состояния процесса. Например, путем формирования сигнала [12]: MG2C KJZN M =NGl VLD Nydk2LDV a где N = NM - Nxx; a = Nye,k2LDV = const для данного типоразмера мельницы и вида топлива, Л/„, Л/хх, Л/Уа - соответственно активная мощность, потребляемая электродвигателем мельницы, мощность холостого хода и удельная мощность, прикладываемая к единице размалываемого топлива [38, 60, 75]. Параметры (2.25) получены впервые и, кроме представленного здесь теоретического обоснования, требуют дополнительного исследования их динамических особенностей.
Аэродинамическая работа Аэродинамическая (гидродинамическая) работа, совершаемая потоком топливовоздушной смеси, направлена на преодоление сопротивления установки, Дис. dA3 = yidm, (2.26) где [І — гидродинамический потенциал, Дж/кг; т — масса перемещаемого продукта, кг, dm = d(pV) = Vdp, где V объем системы, м ; р - плотность потока, кг/м Р Ц = —. Р Р-давление в системе, Па. В результате с/Д3 = (idm = — d(Vp), (2.27) Р откуда следует, что аэродинамический (гидродинамический) потенциал (обобщенная сила системы) определяется давлением в системе: Х3=Р, Н/м2=Па, а обобщенная координата (аэродинамический заряд) - объемом системы,м3: x3=V.
Очевидно, что увеличение объема системы (изменение типоразмера мельницы) ведет к увеличению аэродинамической работы, совершаемой потоком.
Рассматривая процесс в действующей системе приготовления топливовоздушной смеси, в которой объем V величина фиксированная, а работа совершается при соответствующей потере напора, запишем, учитывая известную свободу в выборе Xj И X;
Анализ особенностей динамических процессов, определяемых законом сохранения количества движения в системе пылеприготовления
Здесь AZH - гидравлическое сопротивление мельничной установки (аэродинамические потери), которое определяется уравнением состояния конкретной установки.
Гидравлическое сопротивление мельничной установки при размоле топлива может быть определено по выражению [52]: АгН = і; —Нр,Па,. (3.42) где коэффициент гидравлического сопротивления мельничной установки при размоле топлива определяется выражением перепад давлений, развиваемый вращающимся ротором тангенциальной мельницы, определяется выражением р 1 + 0.V2 где v - скорость воздуха (при температуре за сепаратором) в-сечении ротора мельницы, м/с; 0 - коэффициент сопротивления мельничной установки с вращающимся ротором на чистом воздухе; р - массовая концентрация пыли за сепаратором, кг/кг; кц - кратность циркуляции топлива в установке; а, с -коэффициенты пропорциональности: для мельниц с открытым ротором а = 0,065, для мельниц с закрытым ротором а = 0,050 [52]; то- количество бил в ряду по окружности, шт.; и - окружная скорость бил (ротора), м/с; pv -плотность чистого воздуха, кг/м3.
Для того чтобы воспользоваться выражением (3.42), необходимо определить коэффициент (3.43), что связано с большими практическими трудностями [38,52 и др.]. Это объясняется тем, что составляющие (3.43) с, кц, \і в большинстве случаев неизвестны. Определяющим в определении является комплекс С,=1 + с/гцц, (3.45) который характеризует увеличение коэффициента сопротивления мельничной установки при размоле топлива в сравнении с коэффициентом сопротивления о мельничной установки с вращающимся ротором на чистом воздухе {скц]х, 0 - Gi 1) Положим, что величина произведения скцц прямо пропорциональна массовой загрузке М установки (количеству топлива, циркулирующего в системе) и обратно пропорциональна объему системы: М Vpv где pv- плотность чистого воздуха, кг/м3. Тогда, решая совместно (3.45) и (3.46), нетрудно определить коэффициент ск , характеризующий кратность циркуляции топлива в установке: 1 + с/сцц = —-, Vpv откуда находим л ( м Л 4 v\yp . (3.47) Пример расчета, выполненный для молотковой мельницы ММТ-2000/2590-730, дает коэффициент скц = 4$. Сравнивая полученное значение с экспериментальными оценками [52, с.159, рис.7-4б], видим, что полученный результат практически совпадает с экспериментальным значением для RB0 « (50ч-55)% в номинальном режиме работы.
Таким образом, (3.42) с учетом предположения (3.46) может быть принято в качестве дополнительного уравнения состояния, позволяющее определить гидравлического сопротивления мельничной системы. При этом впервые получено выражение (3.47) для аналитической оценки кратности циркуляции топлива в мельничной установке с молотковой мельницей в номинальном режиме работы.
Анализ полученных результатов Дифференциальное уравнение (3.23) dt В2 dz LD dz расхода сушильно-вентилирующего агента для нелинейной модели с сосредоточенными параметрами (3.41), —- = 0 : dt M после подстановки эмпирических выражений для определения А7Н (3.42-3.46) приобретает сложный нелинейный характер: -а - a-,Gi - dt -F(M,GC) = 7-і — 32\JC _ аАМ + 0,1 MG2C (3.48) где a =LDg, а2=С,0 , a3=c(/_D)2, a4=(LD)2 определяются конструктивными параметрами мельниц. Переходя к приращениям, после несложных преобразований находим: «ЇМ + AGr + AM, =" 3GC с 3/W М(а4 + 0,1 Gc2) 0,2a3Gc M"(a4+0,1GC2)2 м0 - "о cG„ F(M,GC) G=GC0 где /с0 = -а, -a2G2 где - кА = -2a2Gc + 5F ЭМ - /с2.," где к2 = MM(a4+0,1Gc2)2 В результате d{AGc) dt d{AGc) dt = k0 -k AGc +k2AM. + k,AGc =k0+k2AM, (3.49) здесь k0=0. k0 - — a1 - a2Ge ==-0. a4M+0,1MG; (3.50) Уравнение (3.49) характеризует влияние изменений загрузки мельницы ДМ на изменение расхода сушильно-вентилирующего агента AGC в точке линеаризации (нормальный режим работы) и представляет собой апериодическое звено: P + k -lp + И/7(Р) = --2АІ
Канал -И/7(р) характеризует «паразитное» влияние загрузки мельницы на расход сушильно-транспортирующего агента.
По данным [75, табл.3.3] экспериментальные значения коэффициента усиления передаточной функции рассматриваемого канала для типажного ряда молотковых мельниц (в зоне нормальных режимов работы пылесистемы) лежат в диапазоне (- 0.037) -(- 0.048), м3/с/кг.
Особый интерес представляет решение уравнения Gc(M) статики (3.50). При определении функции Gc{M) необходимо решить биквадратное уравнение. Уравнение имеет 4 корня: 2 комплексных и 2 действительных, только один из которых может быть отнесен к модели физически реализуемой системы (участок кривой ниже отмеченного уровня расхода первичного воздуха) (рис.3.3).
Зона устойчивого массопотока (малые отрицательные коэффициенты усиления) находится справа в области экстремума. Выделенные (1,2) участки кривой показывают характер уменьшения расхода первичного воздуха при перегрузке мельницы и представляют, по-видимому, «линию завала» мельницы.
Уравнение Gc(M) весьма критично к параметрам «0» и «с», которые являются настроечными в используемых эмпирических выражениях (3.42-3.46) определения гидравлического сопротивления мельничной системы в заданном режиме работы.
Таким образом, на основе анализа особенностей динамических процессов, определяемых условиями сохранения количества движения топливовоздушного потока в системе пылеприготовления, система дифференциальных уравнений модели дополнена третьим уравнением, которое вскрывает внутренние связи изменений расхода сушильно-вентилирующего агента как от конструктивных, так и режимных параметров. Непротиворечивость аналитического и экспериментальных [38,52,75] результатов позволяет говорить об апробации (верификации) математической модели на очередном шаге ее рассмотрения и, соответственно, о корректности развиваемого общего методологического подхода.
Исследование нелинейной имитационной модели пылесистем 1с-прямого вдувания
На стадиях функционального (синтез технических решений) и технологического (ввод в действие) проектирования АСУТП информация о реальных динамических характеристиках технологического оборудования особенно актуальна, поскольку позволяет оценивать корректность принимаемых проектных решений.
Эта информация необходима для оценки адекватности аналитических моделей и всегда востребована при разработке разного рода компьютерных тренажеров с моделями технологического оборудования для сравнения аналитического и экспериментального результатов; при выполнении экспериментально-наладочных работ при модернизации СКУ полномасштабными АСУТП для отработки алгоритмов управления на этапе ввода систем управления в действие, а также - в учебном процессе вузов в качестве исходных данных-для курсового и дипломного проектирования и др..
Отечественными научно-исследовательскими институтами и организациями за последние 50 лет проведены испытания практически всех головных образцов созданного в стране теплоэнергетического оборудования ТЭС [37,48,98,99 и др.].
Инвестиции в результаты этих работ по приближенным оценкам составляют многие десятки миллионов рублей. В настоящее время, в условиях активного подъема энергетики и модернизации АСУТП электростанций, экспериментальный материал ретроспективных исследований вновь приобретает важное теоретическое и практическое значение.
Однако эффективно использовать известный экспериментальный материал практически невозможно. Это связано, во-первых, с его разрозненностью и разбросанностью по многочисленным источникам, а во-вторых, - непригодностью для компьютерного анализа в современных АСУТП и системах имитационного моделирования. Для того чтобы решить эту проблему необходимо выполнить определенный комплекс работ, который включает в себя: сбор, обработку, систематизацию, перевод на машинный носитель (в электронный вид) экспериментальные материалы и, наконец, создание программных средств, обеспечивающих поддержку его использования. Конечной целью выполнения этих работ является создание фонда экспериментальных характеристик тепломеханического оборудования ТЭС [77 ,91 ].
Для того чтобы с помощью создаваемого фонда можно было решать отмеченные выше задачи, информационное обеспечение фонда (БД) должно удовлетворять, по крайней мере, следующим основным требованиям: - охватывать большинство типовых образцов технологического оборудования ТЭС; - содержать динамические характеристики основных каналов технологических объектов управления и статистические характеристики приведенных к выходам каналов регулирования случайных эксплуатационных возмущений; - собранный материал должен быть представлен в нормированном виде и идентифицирован (содержать информацию об объекте и условиях проведения эксперимента); - пользовательский интерфейс должен включать в себя развитые средства для поиска и анализа информации. В том числе, структуризацию имеющегося материала, а также различные режимы активного поиска и сортировки информации; - программное обеспечение должно предусмотреть возможность пополнения информации (из архивных станций АСУТП, из специализированных мобильных устройств цифровой регистрации сигналов, текстовых файлов заданного формата и др.) и ее выдачи по запросам внешних систем (например, систем моделирования, специализированных подсистем АСУТП по расчету узлов автоматического регулирования, диагностике технологического оборудования и др.).
В настоящей работе была поставлена задача создания фонда (электронный альбом) экспериментальных динамических характеристик котлов ТЭС по основным каналам локальных систем автоматического регулирования и соответствующего интерфейса Пользователя к фонду характеристик. База данных экспериментальных характеристик тепломеханического оборудования
Систематизированное формирование исходных материалов базы данных (БД) было начато в конце 80-х годов и включало в себя выполнение следующих этапов работ.
Объем поиска (рецензируемые журналы, отчеты ОРГРЭС и др.) был определен наиболее распространенным видом экспериментальных данных, а именно - переходными характеристиками по основным каналам локальных систем автоматического регулирования, полученных при возмущениях расходом питательной воды, топлива, общего воздуха и других показателей [37,48,98,99 и др.]. При этом схема канала регулирования представляется в виде модели «вход-выход» (рис. 4.1).
Схема.модели технологического объекта управления с приведенной,к выходу объекта аддитивной помехой. Обозначено: входх(ї), y(t) - "истинное" значение выходной координаты, аддитивная помеха A(t), выходной параметр y(t) Задача определения модели ТОУ по результатам активных экспериментов над объектом, с последующей обработкой экспериментальных данных - одна из основных задач экспериментальной теории управления. Для получения моделей в этих случаях применяются методы теории идентификации.
Математически задача идентификации ставится следующим образом: зная характеристики входного воздействия x(t) и характеристики реакции объекта (системы) y(t), требуется найти определяющий, оператор объекта (системы), который в настоящем исследовании представлен в непараметрическом виде (переходные характеристики).
Решение задачи идентификации основано на результатах экспериментальных исследований. При проведении таких экспериментов возникает много вопросов: Как планировать эксперимент? Как выбрать тестовое возмущение и его величину? Какова должна быть длительность эксперимента? Какой должен быть объем эксперимента, чтобы можно было доверять полученным1 оценкам переходных характеристик? и многие другие. Полагается, что все эти вопросы при идентификации головного энергетического оборудования были решены корректно.
