Введение к работе
Актуальность
Анализ и совершенствование режимов работы оборудования тепловых электрических станций и методы управления этими режимами являются важнейшим аспектом эксплуатации тепловых электростанций.
В течение многих десятилетий основным источником информации о режимах и об их внешнем представлении: статических и динамических характеристиках оборудования - бьш эксперимент на действующем оборудовании
Альтернативой экспериментальному подходу к анализу и совершенствованию режимов и методов управления ими являются расчетные методы и их высшая реализация: вычислительная модель, основанная на объективных данных, которыми в действительности определяются характеристики и свойства оборудования и особенности протекающих в них процессов и реализуемых режимов.
Актуальность разработки методов построения таких моделей была осознана научной и инженерной общественностью достаточно давно, однако ограниченные возможности доступных вычислительных средств не позволяли радикально решать задачу такого масштаба. Компьютерная революция, произошедшая в последние 15 лет, практически сняла ограничения, накладываемые техническими и стоимостными характеристиками вычислительной техники, и сделала реально реализуемой задачу построения достаточно полной и представительной вычислительной модели процессов энергоблока (станции).
Цель работы. Создание вычислительной системы моделирования технологических процессов энергоблока (станции), обеспечивающей с высокой степенью адекватности и в реальном масштабе времени любых режимов работы оборудования на любой стадии его существования (в том числе допусковой - проектной) для решения задач:
исследования и отработки режимов и совершенствования на этой основе документов, регламентирующих его эксплуатацию;
построения тренажеров для обучения и тренировки оперативного персонала управлению оборудованием в наиболее сложных режимах;
- совершенствования алгоритмов функционирования АСУ ТП.
Основные этапы работы
формирование системы уравнений для отдельных компонентов и энергоблока в целом, описывающей функционирование оборудования в широком диапазоне режимов;
разработка методов и средств численного решения полученной системы уравнений, а также методов и средств проектирования моделей применительно к выбранной системе уравнений и к разработанным методам ее решения;
- промышленная апробация разработанной системы.
Научная новизна работы:
1. Предложена радикальная концепция построения вычислительной системы
моделирования технологических процессов энергоблока, в основу которой положены фундаментальные уравнения сохранения энергии (тепла), массы и количества движения, термодинамические уравнения состояния теплоносителей, критериальные уравнения теплообмена, для определения коэффициентов которых используются конструктивные и
структурные данные оборудования и для которой принято, что пространственно распределенные компоненты энергоблока представляются как совокупности сосредоточенных элементов. В результате математическая модель в целом приводится к виду большой системы обыкновенных дифференциальных уравнений, которая без линеаризации и без перехода к относительным единицам решается прямым численным интегрированием, причем для разных подсистем общей системы интегрирование выполняется с разными величинами шага по времени.
2 Исследованы методы моделирования пространственно распределенных
теплообменников с позиций реализации этих методов на основе прямого численного интегрирования системы обыкновенных дифференциальных уравнений, получающейся в результате разбиения распределенных теплообменников по пространственной координате на сосредоточенные элементарные теплообменники.
Получены выводы о возможности разбиения на разные по величине элементы для сведения теплового и массового баланса Предложены граничные оценки для минимшіьного количества элементов, на которые следует разбивать участки пароводяного и газового трактов котлоагрегата для сведения баланса по теплу и по массе, и граничные оценки сверху для значений шагов интегрирования по времени для уравнений теплового баланса и уравнений массового баланса.
На основе уравнений теплового баланса для зон топки, приведенных в «Нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов», разработан метод моделирования процессов в топке, отличающийся тем, что в нем учитывается температура металла экранов, благодаря чему стало возможным моделирование тепловых процессов в топке не только в рабочих режимах, но также при пусках, остановах и расхолаживаниях.
Разработаны методы моделирования теплообменных аппаратов, в которых тепло к трубчатому теплообменнику поступает от конденсирующегося снаружи пара. Показано, что в большинстве случаев трубчатый теплообменник, входящий, как компонент, в такой теплообменный аппарат, может быть без потери точности разбит по пространственной координате на два элемента.
Разработаны методы моделирования насыщенных баков, к которым можно отнести барабаны котлов, деаэраторы, смешивающие регенеративные подогреватели. Предложены способы определения расхода пара, выделяющегося из водяного пространства обратно в паровое при падениях давления, и изменений объема водяного пространства (набухание уровня) за счет остаточного пара в нем.
5. Для интегрирования жестких систем обыкновенных нелинейных
дифференциальных уравнений, к которым сводится описание процессов в энергоблоках,
предложено использовать предсказывающе-корректирующии метод с тремя итерациями на
шаге, основанный на применении неявного метода Эйлера и итерационной процедуры
Ньютона-Рафсона для определения значения производной в конце шага
6 Разработан экспресс-метод вычисления термодинамических параметров воды и
пара во всем представляющем интерес диапазоне давлений и температур. Метод основан на вычислениях требуемых параметров по формуле Тейлора для функции двух переменных в окрестностях скользящей базовой точки, в которой ранее точно вычислены базовые значения рассчитываемых параметров и значения их частных производных. В основу расчета
значений параметров в базовой точке кладется разработанный на кафедре теоретических основ теплотехники МЭИ интерполяционный метод, использующий таблицы узловых точек и вычисляющий значения параметров с помощью интерполяционной процедуры Эйткена.
7. Для обеспечения решения задачи моделирования в объеме энергоблока с
любой степенью детализации и с учетом специфики уравнений, описывающих процессы энергоблока, разработаны специализированный табличный язык, позволяющий описывать алгоритмы вычисления процессов, и основанная на этом языке программная система моделирования, работающая под управлением ОС LINUX.
Разработанная программная система позволяет свести проектирование модели в целом к проектированию ее компонентов и последующей организации их совместного функционирования. Для этой цели разработано специальное инструментальное средство: редактор моделей, включение в состав которого программы моделирования позволяет использовать редактор и как эффективное средство отладки моделей в предметной области процессов энергоблока.
Диссертант защищает:
Радикальную концепцию построения всережимной модели технологических процессов энергоблока как жесткой системы нелинеаризованных, записанных в абсолютных величинах дифференциальных уравнений баланса энергии, массы и количества движения и связывающих их уравнений состояния и теплообмена, записанной для компонентов энергоблока с использованием конструктивных и структурных данных для определения коэффициентов уравнений, решаемой прямым численным интегрированием во времени с использованием различных по величине шагов интегрирования для разных подсистем полной системы
Методы моделирования пространственно распределенных теплообменников на основе прямого численного интегрирования, рекомендации по разбиению на разные по величине элементы для сведения теплового и массового баланса и методы усреднения термодинамических параметров теплоносителя по нескольким элементарным теплообменникам для обеспечения связи между уравнениями теплового и массового баланса; предложенные граничные оценки для определения минимального количества элементов, на которые следует разбивать участки пароводяного и газового трактов котлоагрегата для сведения баланса по теплу и по массе, а также граничные оценки сверху шагов интегрирования по времени; предложенные рекомендации, позволяющие нейтрализовать неблагоприятное влияние на устойчивость решения особенностей совместного решения уравнений баланса массы и движения при стремящихся к нулю расходах.
3 Метод моделирования процессов в топке котлоагрегата, отличающийся тем,
что в нем учитывается температура металла экранов, благодаря чему стало возможным моделирование тепловых процессов в топке при пусках, остановах и расхолаживаниях
Рекомендацию разбивать топку по высоте на две зоны и использовать коэффициент выгорания топлива в нижней зоне как настроечный коэффициент, варьируя который можно обеспечить требуемые тепловые параметры топки.
4. Методы моделирования поверхностных регенеративных подогревателей,
которые могут быть распространены также па сетевые подогреватели (бойлеры),
конденсаторы турбин и другие теплообменные аппарагы, в которых вода, протекающая в трубах, нагревается конденсирующимся снаружи паром.
Методы моделирования процессов в насыщенных баках, к которым можно отнести барабаны котлов, деаэраторы, смешивающие регенеративные подогреватели.
5 Предложение испотьзовать для интегрирования жестких систем
дифференциальных уравнений, описывающих процессы энергоблока, предсказывающе-корректирующий метод с тремя итерациями на шаге, основанный на применении неявного метода Эйлера и итерационной процедуры Ньютона-Рафсона; формулы для вычисления приращений на итерации прогноза и итерациях коррекций, использующие только текущие значения переменных.
Экспресс метод вычисления термодинамических параметров воды и пара во всем представляющем интерес диапазоне давлений и температур.
Специализированный табличный язык моделирования, позволяющий описывать алгоритмы вычисления тепломеханических процессов энергоблока практически с любой степенью полноты и детализации, и программную систему моделирования под управлением ОС LINUX, основная исполнительная компонента которой относится к классу интерпретирующих программ и которая обеспечивает возможность реализации полной модели, как совокупности субмоделей различных компонентов, таким образом, что каждая субмодель является задачей в общей мультизадачной системе моделирования и в каждой задаче функционирует одна и та же исполнительная компонента и своя таблица описания субмодели на языке моделирования; а также систему проектирования моделей и разработанное для этой цели специальное инструментальное средство: редактор моделей, который обеспечивает не только широкие возможности автоматизации процесса построения таблиц модели, но благодаря включению в его состав самой интерпретирующей программы моделирования и эффективные возможности отладки моделей в предметной области процессов энергоблока.
Практическая значимость и реализация результатов:
Разработанная методика и программное обеспечение использованы для создания моделей'
Котлов ТГМ-84Б, ТГМ-96 (А), ТГМ-96Б, ТП-87, ТГМЕ-464, БКЗ-210, ТГМЕ-206, ТГМП-314А, ТГМП-314П, ТГМП-344, ТПП-210А, П-96 (котел-утилизатор);
Паровых турбин типа ПТ-60-130/13, ПТ-65-130/13, ПТ-80-130/13, Т-100/110-130, К-210-130, К-300-240 ЛМЗ, Т-250/300-240, Т-150-7.7;
газовой турбины ГТЭ-160 (V94.2)
Из моделей перечисленных котлов и турбин, а также моделей соответствующего вспомогательного оборудования были построены 13 различных моделей энергоблоков (включая станции с общим паропроводом), включенных в состав компьютерных тренажеров, установленных и введенных в эксплуатацию на 20 объектах: электростанциях и учебных центрах энергосистем.
Кроме того, 5 различных тренажеров, имеющих в своем составе перечисленные модели, в период с 1998 по 2005 г.г. неоднократно использовались при проведении станционных, системных, региональных, общероссийских и международных соревнований операторов тепловых электростанций.
Кроме того, модель энергоблока ПГУ-450 Калининградской ТЭЦ-№2 была использована для допусковой отработки режимов пуска ПГУ-450 из различных тепловых состояний и режимов останова различной длительности.
Достоверность и обоснованность:
Сопоставление статических и динамических характеристик энергоблоков, полученных на моделях, построенных по разработанной методике, с имеющимися данными по режимам действующих электростанций и результатами динамических испытаний показало, что модельные характеристики практически всегда укладываются в разброс, который имеют экспериментальные характеристики.
Наиболее значимым подтверждением достоверности результатов явилась широкая независимая экспертиза, которая практически была выполнена несколькими сотнями специалистов-эксплуатационников в ходе проведения соревнований операторов, которые проводились на созданных по излагаемой методике тренажерах.
Апробация работы.
Работа в целом и отдельные ее этапы неоднократно докладывалась и обсуждалась на конференциях и семинарах, в том числе на международных конференциях по моделированию, проводимых международным обществом по моделированию (the Society for Modeling and Simulation International), в 1993 г. (Вашингтон), в октябре в 2000 г. (Сан-Франциско), в 2004 г. (Сан-Диего в январе и в октябре Будапешт), Американских энергетических конференциях в 1993 г. (Чикаго) и 2000 г. (Сан-Антонио), на международной научной конференции Control-2000 в МЭИ в 2000 г., на научно-техническом семинаре «Опыт разработки, внедрения и эксплуатации АСУП тепловых и атомных электростанций» во ВНИИЭ в 2000 г., на семинарах кафедры АСУ ТП МЭИ.
Структура и объем работы.
Диссертация содержит введение, б глав, раздел «Выводы и рекомендации», заключение и 2 приложения.
Материал диссертации изложен на 267 страницах стандартного формата А4, в том числе 248 страниц основного текста, 11 рисунков. Библиография содержит 146 наименований.
