Разработка иерархических агрегативных моделей и анализ путей улучшения динамических характеристик прямоточных парогенераторов как объектов управления Станиславски Влодимеж

Содержание к диссертации

Список важнейших обозначений ... .... 8

ВВЕДЕНИЕ 10

Состояние проблемы моделирования прямоточных парогенераторові 1 Цели и задачи диссертации . . . . . . . .14

Структура работы ......... 17

Основные научные результаты, выносимые на защиту . . .19

Новизна научных результатов . . . . . . .20

1. ПРЯМОТОЧНЫЕ КОТЛЫ ЭНЕРГОБЛОКОВ КАК
ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ 24

1. Конструкция прямоточных котлов ВР-1150 . . . .24

2. Динамические свойства парового котла как объекта

управления ......... 30

1.3. Системный анализ и иерархический подход к моделированию

энергетических котлов . . . . . . .34

4. Формализация описания структуры модели парогенератора . 37

5. Систематизация моделей и методов анализа динамики парогенераторов ........ 49

Выводы по разд. 1 . . . . . . . . .53

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМ

ПАРОГЕНЕРАТОРА 56

2.1. Основные физические процессы, происходящие в прямоточном
парогенераторе ......... 56

1. Режимы течения рабочей среды в экранных трубах парогенератора . . . . . . . .57

2. Теплообмен в экранных трубах парогенератора . . 63

2.2. Нелинейные дифференциальные уравнения в частных

производных, описывающие течение рабочего вещества . 68

2.2.1. Уравнения баланса для однофазного потока . . .69

2.2.2. Уравнения баланса для многофазного потока . . 72

2.2.3. Уравнения баланса для пароводяной смеси . . .79

3. Дифференциальные уравнения описывающие процессы теплообмена ......... 81

4. Математические модели экранных труб парогенератора

с сосредоточенными параметрами . . . . .88

2.4.1. Модель экранных труб парогенератора

с неподвижными секциями . . . . . .89

2.4.2. Модель экранных труб парогенератора

с подвижными секциями . . . . . .94

2.5. Математическая модель сепаратора . . . . 107

1. Баланс тепловой энергии для оболочки сепаратора. 109

2. Модель сепаратора в пространстве состояний. . 111

2.6. Математические модели остальных подсистем
парогенератора . . . . . . . 112

3. Смеситель и фильтр . . . . . 113

4. Соединительные трубопроводы . . . . 115

5. Циркуляционный насос . . . . . 115 Выводы по разд. 2 ... . . . . . . 116

3. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОДСИСТЕМ ПАРОГЕНЕРАТОРА .... 119

3.1. Равновесные состояния и статические характеристики
подсистем парогенератора. . . . . . 120

6. Модели с распределенными параметрами . . 120

7. Модели с сосредоточенными параметрами . . 127

3.2. Линеаризованные модели с распределенными параметрами 131
3.2.1. Линеаризованная модель зоны подогрева . . 133

3.2.2. Линеаризованная модель зоны испарения . . 136

3.3. Линеаризованные модели с сосредоточенными параметрами 138

8. Линеаризованная модель зоны подогрева . . 138

9. Линеаризованная модель зоны испарения . . 141

10. Линеаризованная модель сепаратора ... 141

11. Линеаризованная модель смесителя, фильтра

и соединительных трубопроводов. . . . 148

3.4. Частотные характеристики моделей с распределенными

и сосредоточенными параметрами . . . . 149

12. Частотный анализ динамики зоны подогрева . . 151

13. Частотный анализ динамики нижнего участка зоны

испарения с большой тепловой нагрузкой . . 164

3.4.3. Частотный анализ динамики верхнего участка

экранных труб ....... 179

3.4.4. Частотный анализ бинамики экранных труб . . 187
Выводы по разд. 3. . . . . . . . 211

ЧАСТОТНЫЙ АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПАРОГЕНЕРАТОРА 214

4.1. Анализ иерархических систем как последовательная

агрегация свойств подсистем . . . . . 214

14. Процедура декомпозиции парогенератора . . 215

15. Агрегация как редукция линеаризованных моделей. 215

4.2. Комплекс алгоритмов и программ, обеспечивающих анализ

иерархических агрегативных систем .... 220

4.3. Анализ взаимодействий подсистем первого уровня . 225

16. Влияние контуров на устойчивость . . . 225

17. Чувствительность динамических свойств к вариациям соединений подсистем ...... 228

18. Редукция порядка моделей первого уровня . . 230

4.4. Анализ подсистем второго уровня .... 236

19. Редукция моделей экранных труб .... 236

20. Редукция модели системы циркуляции в парогенераторе 247

4.5. Анализ взяимодействий подсистем парогенератора . 248

21. „Внутренная" обратная связь .... 249

22. „Циркуляционная" обратная связь . . . 255

23. Чувствительность динамических свойств парогенератора

на вариации соединений подсистем . . . 261

4.6. Редукция модели парогенератора ВР-1150 . . . 264

4.6.1. Редуцированная модель парогенератора . . 265

4.7. Процедура контроля достоверности результатов анализа
(валидация) ........ 282

4.8. Диапазоны адекватности моделей парогенератора . 287
Выводы по разд. 4 . . . . . . . . 288

ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ПАРОГЕНЕРАТОРА . 294

6. Цели, методы и средства компьютерной имитации . 294

7. Библиотека модели подсистем нулевого уровня . . 297

8. Элементы определяющие свойства рабочего вещества 297

9. Элементы определяющие параметры потока

рабочего вещества ...... 301

5.2.3. Элементы определяющие условия теплопередачи . 301

5.2.4. Применение искусственных нейронных сетей

в реализации элементов нулевого уровня . . 304

5.3. Вивлиотека модели подсистем первого уровня . . 309
5.3.4. Имитационная модель неподвижной секции

с однофазным потоком ..... 309

5.3.2. Имитационная модель неподвижной секции

с двухфазным потоком . . . . . 312

5.3.3. Имитационная модель неподвижной промежуточной

секции ......

4. Имитационная модель подвижной секции с однофазным потоком

5. Имитационная модель подвижной секции с двухфазным потоком

5.4. Библиотека моделей подсистем второго уровня 5.4.5. Имитационная модель зоны подогрева с неподвижными секциями .

2. Имитационная модель зоны испарения с неподвижными секциями .

3. Имитационная модель экранных труб парогенератора с неподвижными секциями

4. Имитацоинная модель зоны подогрева с подвижными секциями

5. Имитационная модель зоны испарения

с подвижными секциями

6. Имитационная модель экранных труб парогенераторя с подвижными секциями

7. Имитационная модель сепаратора.

8. Имитационная модель смесителя, фильтра и соединительных трубопроводов .

5.4.9. Имитационная модель циркуляционного насоса
5.10. Имитационная модель парогенератора котла ВР-1150
Выводы по разд. 5 .

6. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ПАРОГЕНЕРАТОРА КОТЛА ВР НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ИМИТАЦИИ .

1. Анализ временных характеристик для зоны подогрева

2. Анализ временных характеристик для нижнего участка зоны испарения.......

3. Анализ временных характеристик для экранных труб . 354

4. Анализ временных характеристик для парогенератора

котла ВР-1150 362

Выводы по разд. 6 ....... 369

7. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ПАРОГЕНЕРАТОРА КОТЛА ВР-1150 ДЛЯ АНАЛИЗА ПУТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ И

УПРАВЛЕНИЯ 371

1. Требования UCPTE к регулированию частоты и мощности ПЭС. . 371

2. Система регулирования давления пара в котле ВР-1150 . 374

3. Анализ динамики системы регулирования давления котла 381

7.4. Возможные пути улучшения динамики системы

регулирования давления в котле ВР-1150 . . . 385

7.5. Анализ возможности изменения угла наклона пылевых горелок
как дополнительного управляющего воздействия в системе

регулирования давления ...... 388

7.6. Анализ возможности изменения производительности
циркуляционного насоса в системе регулирования давления 397

7.7. Анализ системы управления с компенсацией возмущения
расходом пара ........ 403

Выводы по разд. 7 ....... 404

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 407

ЛИТЕРАТУРА 411

ПРИЛОЖЕНИЯ 423

СПИСОК ВАЖНЕЙШИХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

А - площадь поверхности, м²; с,х - паросодержание;

D~ д ,

—w = — + wgraa:

Dt dt *

D~ д

и v ugraa;

Dt dt

-t? e - внутренная энергия, кДок/кг;

F - объемная сила, Н/м³;

g - гравитационное ускорение, м/с²;

Н -уровень, м;

h - энтальпия вещества, кДж/кг\

М - удельный массовый расход, (отнесенный к 1м² сечения), кгЛ^с;

*

А4* - массовый расход, кг/с,

Р -давление, кПа;

q - удельный тепловый поток (отнесенный к 1м длины трубки),

кВт/м;

S - коэффициент скольжения в течении пароводяной смеси;

Т -температура, С;

U - скорость перемещений, м/с;

v - удельный объем вещества, л/У/сг;

V -объем, м³;

w - скорость потока вещества, м/с;

Z,z - координата, м;

а - коэффициент теплообмена, кВш/м^К;

р - объемное паросодержание;

(р - доля сечения занимаемого паровой фазой;

Я -коэффициенттеплопроводности, кВт/мК\

р -плотность, кг/м³;

9 - температура вещества, С;

& ~ температура стенки трубки, С;

р - площадь поверхности, м²;

ф - круговая частота, рад/с.

Введение к работе

Диссертационная работа посвящена решению ряда проблем, связанных с поиском путей улучшения динамических свойств парогенераторов энергетических блоков как объектов управления. Исследования проводятся на примере энергоблоков мощностью 360 МВт с прямоточными паровыми котлами типа ВР-1150, ВВ-1150, которые изготавливаются на котельном заводе в г. Ратибож (Польша) по лицензии швейцарской фирмы Sulzer Brothers Ltd. и обеспечивают около 22% мощности Польской Энергетической Системы.

В 1995 г. Польская Энергетическая Система (ПЭС) была подключена к западно-европейским системам, объединенным в UCPTE (фр. Union pour la Coordination de la Production et du Transport de 1'Electricite) [73, 74, 159]. Технические требования, которые ставит UCPTE перед ПЭС касаются: резерва мощности; первичного и вторичного регулирования частоты и мощности; регулирования напряжения; надежности и др [78]. В этой связи, а также с учетом вхождения польской энергетики в открытый рынок возросли требования к динамике действующих энергоблоков, более 90% которых - это блоки традиционных тепловых электростанций.

Парогенераторы играют существенную роль в формировании динамических свойств энергоблоков. Прогресс в области автоматизации теплоэнергетических установок, улучшение их экономических показателей в значительной степени зависят от получения достоверной информации о динамических свойствах парогенераторов, работающих в блоке с турбиной. Хотя современные технические средства позволяют решать многие задачи контроля и автоматизации управления по самым сложным алгоритмам, остается без исчерпывающего ответа вопрос о том, в какой степени новые информационные технологии способны улучшать динамические свойства прямоточных энергетических паровых котлов, а в каких случаях оправданы мероприятия технико-технологического и иного характера [1, 11, 37]. Становятся актуальными новые знания об этом классе объектов управления и регулирования, другими словами, необходимы новые, более детальные математические модели парогенераторов, имеющих расширенную область адекватности, т. е. близких к реальности для более широких диапазонов переменных и скоростей их изменения.

Похожие диссертации на Разработка иерархических агрегативных моделей и анализ путей улучшения динамических характеристик прямоточных парогенераторов как объектов управления

Разработка методологии численного моделирования полей признаков при управлении сложными пространственно-распределенными объектами : На примере предприятий нефтедобычиЧуб Алексей Николаевич

Разработка методики и моделей для анализа информационных потоков в сетях обработки информации АСУП с требованиями к качеству обслуживания Давыдов Денис Владимирович

Разработка и анализ распределенных математических моделей тепловых процессовЖук Татьяна Игоревна

Разработка и исследование моделей и методов анализа и синтеза оптимальных структур баз данных иерархического и сетевого типов Сиротюк Владимир Олегович

Разработка моделей, методов и инструментальных средств анализа и синтеза оптимальных структур объектно-ориентированных баз данных в автоматизированных информационно-управляющих системах Сиротюк Олег Владимирович

Разработка учебных моделей оптических систем на основе их структурного анализа и алгоритмов оптимизацииПашковский Матвей Александрович

Математическое моделирование и автоматическое управление объектами с распределенными параметрами в технологических процессах изолирования кабелей связиМитрошин Владимир Николаевич

Система поддержки принятия решений при автоматизированном оперативно-диспетчерском управлении объектами добычи и транспорта газаБалабанов Александр Анатольевич

Нелинейное управление сельскохозяйственными объектами в переходных режимахЛитвинов Максим Михайлович

Информационная технология принятия решений при управлении сложными объектами с оценкой технического состояния на основе экспертных системЗуров Евгений Владимирович