Содержание к диссертации
Введение
Перечень обозначений величин и их размерности ..
1. ВВЕДЕНИЕ 14
1.1. Технико-экономические аспекты проблемы качества регулирования частоты 14
1.2. Анализ условий эксплуатации судовых дизець-генераторов 21
2. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И МЕТОДОВ ИССЛЕЩОВАНИЙ,НА ПРАВЛЕННЫХ НА УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ С ТУРБОНАДЦУВОМ 28
2.1. Основные направления научного и инженерного поиска 28
2.2. Методы теории автоматического регулирования... 32
2.3. Методы теории рабочего процесса ДВС 40
2.4. Выбор и обоснование метода построения модели.. 46
2.5. Инженерные решения, направленные на улучшение качества переходных режимов 51
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА "ДВИГАТЕЛЬ С ТУРБОНАДОУВОМ - РЕГУЛЯТОР СКОРОСТИ" 66
3.1. Методика построения модели. Общие положения. .. 66
3.2. Исходные данные для построения модели 68
3.3. Двигатель 69
3.3.1. Основные допущения 69
3.3.2. Основное уравнение динамики двигателя.. 71
3.3.3. Крутящий момент двигателя 71
3.3.4. Момент сопротивления (нагрузки) 76
3.3.5. Мощность и момент механических потерь.. 78
3.3.6. Коэффициент избытка воздуха. Расход юз-духа 80
3.3.7. Индикаторный к.п.д. двигателя 82
3.3.8. Работа двигателя с малыми значениями коэффициента избытка воздуха 84
3.3.9. Температура выхлопных газов на выходе из цилиндров 86
3.3.10.Относительное количество тепла, отданное
в стенки цилиндра 86
3.3.II.Температура воздуха на входе в двигатель 87
3.3.12.Расчетный интервал и текущее значение времени ... 87
3.4. Турбокомпрессор 88
3.4.1. Основные допущения 88
3.4.2. Уравнение динамики турбокомпрессора 89
3.4.3. Потребляемый момент компрессора 92
3.4.4. Располагаемый момент турбины 92
3.4.5. Влияние изменения коэффициента избытка воздуха на рабочий процесс турбокомпрессора 93
3.4.6. Адиабатический к.п.д. компрессора 93
3.4.7. Температура газов перед турбиной 95
3.4.8. Степень расширения газов в турбине ...... 97
3.4.9. К.п.д. турбины 99
3.5. Регулятор скорости 105
3.5.1. Ограничение цикловой подачи топлива. Ю8
3.6. Расчет моделей двигателей с повышенной степенью наддува Ю8
3.7. Критерии качеётва переходного процесса ПЗ
3.8. Методика расчета переходных процессов 115
3.9. Проверка истинности модели 115
4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Ц8
4.1. Анализ динамических возможностей комбинированного двигателя 118
4.2. Задачи исследования 125
4.3. Влияние повьшіения давления наддува на показатели переходного режима 125
4.4. Анализ эффективности дополнительного импульса
по нагрузке 130
4.5. Анализ эффективности дополнительного импульса
по расходу воздуха 135
4.6. Анализ эффективности регулирования турбины нагнетателя 141
4.7. Анализ эффективности регулирования компрессора нагнетателя 141
4.8. Анализ влияния чистого запаздывания в цепи регулирования скорости І4Г
4.9. Анализ влияния вращающихся масс двигателя и турбокомпрессора 148
4.Ю.Результаты теоретического исследования.. 148
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕАЖЗАЦИЯ МОДЕЛИ НА ЭВМ 154
5.1. Рейсовое исследование 154
5.2. Лабораторные исследования 157
5.3. Реализация модели динамического комплекса на
ЭВМ 167
6. ВЫВОДЫ 165
ЛИТЕРАТУРА 1.70
ПРИЛОНЕНИЕ I. Основные расчетные формулы 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Алгоритм - блок-программа расчета переходного процесса.... * 187
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.. МГОЛ-программа 196
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программа расчета на ЭШ "НАИРИ-2" 201
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Материгалы к разработке требований к судовым дизель-генерарам в части регулирования скорости вращения /для базовых организаций ММФ/ 209
- Технико-экономические аспекты проблемы качества регулирования частоты
- Основные направления научного и инженерного поиска
- Методика построения модели. Общие положения.
- Анализ динамических возможностей комбинированного двигателя
- Рейсовое исследование
Технико-экономические аспекты проблемы качества регулирования частоты
Неудовлетворительное качество переходных процессов судовых дизель-генераторов свидетельствует в явном виде о недостаточной эффективности регулирования скорости; однако обратное явление- отсутствие больших динамических забросов частоты - не может являться свидетельством высокой эффективности регулятора скорости. Это вытекает из того обстоятельства, что качество переходных процессов не является однозначной функцией эффективности регулятора числа скорости.
Изменение числа оборотов в процессе работы электростанции слагается из статического &V C VV и динамического Ь. \и« откло нений от номинального значения. Как правило, статическое отклоне ние числа оборотов всегда поддерживается регулятором в пределах заданной неравномерности и может быть сведено как угодно близко к нулю выбором соответствующего типа регулятора. Поэтому в дальней шем под качеством процесса регулирования будет пониматься только динамическое отклонение числа оборотов, вызванное изменением на грузки. Учитывая практическое постоянство числа оборотов, входное воздействие для системы регулирования скорости М с СО может быть выражено как №сС"с} , которое в свою очередь, исходя из тождества Nc - , может быть заменено функцией Р С ) , где F - активная составляющая нагрузки на шинах генератора.
В момент изменения нагрузки мгновенное значение активной мощности будет представлять собой сумму некоторого статического значения PQ СІК», О » характеризующую нагрузку на предшествующем установившемся режиме и динамической составляющей PQ л,«и :
Основные направления научного и инженерного поиска
Применительно к дизель-генераторам задача поддержания качества переходных процессов сводится к разработке системы регулирования скорости, обеспечивающей минимальный динамический заброс частоты при минимальных значениях статической неравномерности регулятора и времени переходного процесса; в идеале - к пол гчению системы, инвариантной по отношению к изменению нагрузки.
Особенностью контура управления в данном случае является зависимость выходного параметра (частоты) от двух параметров - цикловой подачи топлива и расхода воздуха Qr . Условиями инва-риантнооти будут: Соответствующим формированием закона управления подачей топлива -возможно выполнение первого из этих условий. Второе условие невыполнимо из-за высокой инерционности, а главное - косвенного, через выходные параметры двигателя, управления ТК. Следовательно, недостижима и инвариантность контура в целом.
В условиях безынерционной подачи топлива коэффициент избыт ка воздуха - основной параметр, определяющий протекание рабочего процесса двигателя, в первые моменты переходного процесза составит.е. будет обратно пропорционален степени повышения давления двигателя.
Таким образом, интенсификация рабочего процесса дизелей посредством повышения степени наддува неизбежно приводит к ухудшению динамических качеств комбинированных двигателей. Авализ тенденций развития дизелестроения свидетельствует о неуклонном росте давлений наддува и тем самым дает основания предполагать, что при существующих способах регулирования числа оборотов высокоэкономичные двигатели с высокой степенью наддува (от 2,5-3) окажутся непригодными для использования их в судовых электроэнергетических установках из-за недопустимо низкого качества переходных процессов. Степень изученности рабочего процесса дизеля не допускает возможности появления какой-либо принципиально новой конструкции двигателя, устранившей бы недостатки, вызываемые наддувом. С другой стороны, совершенствование процесса регулирования скорости посредством изменения подачи топлива не является достаточным условием, гарантирующим достижение необходимого качества переходных процессов. Поэтому единственным реальным путем в поиске резервов улучшения качества переходных процессов представляется комплексное выявление динамических возможностей всех звеньев комбинированного двигателя: собственно двигателя, турбокомпрессора, регулятора скорости как замкнутого динамического контура. Для решения поставленной задачи необходим соответствующий метод исследований.
Методика построения модели. Общие положения
a Варьируя постоянные множества С , можно проверить влияние отдельных конструктивных параметров на качество переходных цроцессов, варьируя законы управления - эффективность тех или иных методов правления качеством переходных процессов. При этом активными переменными являются переменные множестваХ , в которые входят также и основная выходная величина - число оборотов двигателя, и входная - момент сопротивления, нагрузка на двигатель.
При заданных конструктивных параметрах и законах управления динамическая модель представляет собой систему Y\ уравнений вида:
Эти уравнения, описывающие связи между переменными, могут быть как безынерционными, так и динамическими (инерционными). Для удобства расчетов система уравнений разбивается на блоки, в каждом из которых имеется одна (или несколько) динамическая связь, описываемая дифференциальным уравнением, В нашем случае таких блоков 3:
- двигатель:
- турбокомпрессор:
- регулятор скорости:
- постоянные времени.
Уравнения динамики двигателя и турбокомпрессора решаются в нелинеаризованном виде. Регулятор скорости принимается линейным во всем диапазоне регулирования и описывается стандартными уравнениями теории автоматического регулирования.
Безынерционные связи могут быть описаны как теоретическими уравнениями, так и эмпирическими с любой степенью эмпиризма. Эмпирические уравнения связывают рабочий процесс с конкретной моделью двигателя.
Переходный процесс рассматривается как последовательность большого числа отдельных рабочих циклов двигателя. Дифференциальные уравнения движения двигателя и турбокомпрессора приводятся к раностному виду и решаются посредством реккурентных соотношений
Дифференциальные уравнения регулятора скорости решаются посредством стандартной программы методом Рунге-Кутта. Система уравнений замкнутая и имеет одно входное воздействие МсСс . Момент сопротивления не входит в систему уравнений регулятора скорости и не ограничивается по величине и форме.
Решение системы уравнений динамического комплекса имеет частный характер. Перестройка модели для другого типа двигателя требует соответствующей корректировки уравнений, связывающих параметры рабочего процесса.
Анализ динамических возможностей комбинированного двигателя
Как было показано выше, все способы, направленные на обеспечение качества переходных процессов дизель-генератора, могут быть разделены на две группы по источнику используемой в переходном процессе энергии. В первой группе переходный процесс осуществляется полностью за счет энергетических ресурсов двигателя (введением дополнительных импульсов в контур регулирования скорости, изменением конструкции двигателя, регулированием турбокомпрессора и т.п.); во второй группе используются дополнительные внешние источники энергии (например, подача воздуха на лопатки компрессора). Очевидно границей областей применения способов различных групп является значение потенциальных динамических возможнстей двигателя, различное для разных типов дизелей. Если динамические возможности позволяют в принципе получить удовлетворительное качество переходных процессов, имеется смысл в совершенствовании каких-либо способов, входящих в первую группу; отсутствие таких возможностей дает основание для заведомого исключения бесперспективных поисков в данном направлении и вынуждает обратиться к конструктивно более сложньм и экономически менее совершенным, но зато гарантирующим качество процесса способам второй группы. Поэтому следует знать границы динамических возможностей двигателя.
Сделаем попытку на основании разработанной методики расчета переходных процессов, исходя из анализа рабочего процесса двигателя, посредством регулирования и в пределах, доступных для регулирования, сформировать рабочий процесс двигателя таким образом, чтобы "выжать" из него наилучшие показатели качества переходного процесса
Поставим следующую задачу: требуется найти множество законов управления двигателем \ , обеспечивающее минимум функционала вида: где Gj - численное значение L -ГО параметра, критерий качества переходного процесса.
Как это следует из вида формулы (79), эта задача является частным случаем оптимизации процесса регулирования. Ее отличие от принятых задач оптимизации состоит, во-первых,в том, что минимизируемый критерий I является одновременно численным значением параметра рабочего процесса двигателя и находится в функциональной связи с прочими параметрами. Это позволяет нам получать показатели качества непосредственно при расчете рабочего процесса двигателя. И наоборот, нормировав показатели качества переходных процессов, величину и форму возмущающего воздействия и решая систему уравнения относительно интересующих нас параметров рабочего процесса двигателя, мы можем определить, какие значения должны принять эти параметры для обеспечения заданного качества переходных процессов. Сопоставление требуемых значений параметров с реально достижимыми даст нам знание границ динамических возможностей двигателя.
Второе отличие нашей задачи заключается в методе решения. Неаналитический характер уравнений, описывающих динамику комбинированного двигателя, не позволяет рассчитывать на получение требуемой подыинтегральной функции путем каких-либо формальных преобразований исходных уравнений динамики. Поэтому в основу решения кладется анализ рабочего процесса, позволяющий выявить и оценить энергетические ресурсы двигателя.
Рейсовое исследование
Целью экспериментальных исследований являлось:
- анализ нагрузки агрегатов электроэнергетической установки;
- получение исходных данных для построения динамической модели;
- проверка истинности модели.
Первая задача выполнялась в условиях морского рейса, вторая и третья - в дизельной лаборатории ЦНИИМШ.
Рейсовое исследование
Экспериментальная проверка величины и характера распределения нагрузки на судовые дизель-генераторы приводилась на т/х "Кра-сноборск" Северного морского пароходства в рейсе Архангельск -Дудинка - Игарка - иностранный порт.
Оборудование и режимы работы эщектростанции Т/х "Красноборск" - лесовоз, год постройки 1970, дедвейтом ь 20О р.б.т, оборудован двумя основными ДГ марки %N VD Zk фирмы Ч Y. L с турбонаддувом, эффективной мощностью по 450 л.с. каждый и стояночным ДГ марки NVb тои же фирмы, мощностью 250 л.с.
Электроагрегаты не оборудованы какими-либо средствами автоматизации, кроме штатных устройств первичного двигателя и генератора; запуск ДГ, подготовка генераторов в включению в параллель и включение производятся вручную.
По характеру нагрузки можно выделить следующие режимы работы электростанции:
- ходовой режим - работает один ДГ, мощность которого затрачивается на текущие нужды судна;
- швартовный режим - параллельно работают два агрегата; включены такие потребители как брашпиль, пожарный насос и т.п.;
- стоянка с грузовыми операциями с питанием всех грузовых стрел и плавкрана от сети электростанции при работе двух ДГ;
- стоянка без грузовых операций - работает один стояночный
Исследовались первых три режима. Кроме того, при плавании в узкостях велось наблюдение за режимом параллельной работы ДГ без подключения мощных потребителей.
Содержание исследования
Общая задача исследования нагрузочных режимов подразделялась на
анализ статических нагрузок; анализ динамических нагрузок.
Препарирование установки для записи динамических нагрузок
Схема препарирования показана на рис.37. Записывались следующие параметры:
- перемещение рейки топливных насосов первичного двигателя;
- число оборотов двигателя;
- напряжение на шинах генератора;
- текущее время.
При этом использовалось следующее оборудование:
Осциллограф Н-700. При минимальной скорости протяжки (0,5 см/с) достигалась возможность непрерывной записи режима в течение 45 минут.
Линейный реохордный датчик для записи перемещения рейки топливных насосов конструкции ЦНИИМш, снабженный шкалой и указателем положения.
