ЛОЖЕЧНІКОВ ВАДИМ ФЕЛІКСОВИЧ

УДК 621.18 : 62-5

БАГАТОВИМІРНЕ ЦИФРОВЕ УПРАВЛІННЯ

БАРАБАННИМИ ПАРОГЕНЕРАТОРАМИ

05.13.07 – автоматизація технологічних процесів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації теплоенергетичних процесів Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Демченко Владислав Олексійович, Одеський національний політехнічний університет, кафедра автоматизації теплоенергетичних процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Коханський Анатолій Йосипович, Одеська національна державна морська академія, завідувач кафедри автоматизації суднових паропотужних установок.

кандидат технічних наук, доцент Ковріго Юрій Михайлович, Національний технічний університет “КПІ”, завідувач кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів.

Провідна установа: Національний університет харчових технологій, м. Київ.

Захист відбудеться 25.09.2003 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий 20.08.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ______________ Ямпольський Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА роботи

Даним часом на АЕС і теплоенергетичних підприємствах України йде заміна аналогових апаратних засобів локальних систем автоматичного управління технологічними процесами на мікропроцесорні управляючі комплекси, які мають величезну перевагу порівняно з аналоговою технікою. Однією з цих переваг є можливість реалізації нових схем і алгоритмів управління технологічними процесами. Однак, незважаючи на те, що на теперішній момент часу вже розроблено математичний апарат для створення цифрових багатовимірних систем регулювання, впровадження нової техніки здійснюється з використанням старих типових схем і алгоритмів регулювання, що не сприяє повному використанню потенціалу цифрової техніки.

Удосконалення автоматизованих систем управління технологічними процесами енергоблоків АЕС і промислових барабанних котлів є найважливішим способом підвищення їхньої ефективності та надійності і однією з необхідних умов підвищення якості і зниження собівартості кінцевого продукту, його конкурентоздатності як на внутрішньому, так і на зовнішньому ринках, сприяє економічному зростанню і технічному престижу держави.

Актуальність теми

Ефективне управління барабанним парогенератором (ПГ) АЕС із ВВЕР, промисловим і енергетичним котлом у нормальних і аварійних режимах значною мірою забезпечує динамічну стійкість всього енергоблока або промислової установки. Найважливіший параметр, від якого залежить виконання цих функцій, – рівень води у ПГ, який необхідно підтримувати на визначеному нормативному значенні. Підвищення рівня в котлах приводить до збільшення вологості пари, закиду води у пароперегрівні поверхні та турбіну, зниження температури пари, гідроударів і ушкодження лопаткового апарата турбін, при неприпустимому зниженні рівня може порушитися циркуляція внаслідок улучення значної кількості пари в опускні труби і відбутися перепалення екранних труб котла. Зниження рівня в ПГ АЕС приводить до погіршення теплообміну і підвищення температури води першого контуру, а також до зменшення аварійного запасу води для охолодження реактора, підвищення рівня супроводжується збільшенням вологості і зменшенням потужності енергоблока.

Управління ділянкою живлення ПГ АЕС із ВВЕР даним часом здійснюється двома автоматичними системами регулювання: рівня води і витрати живильних турбонасосів (ЖТН). Робота цих систем взаємозалежна через об'єкт управління, однак розраховуються вони індивідуально, незалежно друг від друга. При глибоких внутрішніх і зовнішніх збуреннях ці системи регулювання не можуть забезпечити підтримку технологічних параметрів у межах (границях) нормальної експлуатації, що приводить до розвантажування або зупинки енергоблока та економічних втрат. Так, за даними Південно-Української АЕС за період з 20.12.92 по 24.04.93 час простою тільки 2-го енергоблока, спричинений вимиканням останнього через вихід рівня за припустимі межі, склав 313 год., внаслідок чого було недовироблено 335.43 млн. кВт•годин електроенергії. Аналогічні порушення спостерігалися на всіх блоках Запорізької АЕС.

Крім того, автоматична система регулювання рівня води в барабанах котлів і ПГ несерійних енергоблоків АЕС потребує виміру витрат свіжої пари і живильної води, що пов'язано з необоротними втратами її тиску при дроселюванні на вимірювальному звужуючому пристрої, що небажано.

Наведені факти свідчать про необхідність удосконалювання систем управління барабанними котлами і ділянкою живлення барабанних парогенераторів АЕС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота виконана за госпдоговорами з ПУ АЕС № 1149-47 “Аналіз стану і дієздатності існуючої системи контролю рівня в ПГ і рекомендації щодо її вдосконалення” та № 1222-47 “Оцінка дієздатності системи виміру вологості пари на блоці №2 ПУ АЕС конструкції НИЦ ВНИИАМТЕПЛОТЕХ” згідно з наказом № 1 від 4.01.98 р. по ПУ АЕС “Об итогах работы ПО “Южно-Украинская АЭС” в 1997 г. и основных задачах на 1998 г. Приложение №8 “Годовой план на 1998 г. на проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ ПО “ Южно-Украинская АЭС”, п. 6.09 та 6.07.

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є підвищення якості і точності регулювання технологічних параметрів ділянки живлення парогенераторів АЕС з реакторами ВВЕР і промислових барабанних котлів середньої потужності, підвищення їхньої надійності за рахунок застосування цифрових систем, нових алгоритмів і способів управління.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі наукові задачі:

1. Виявити недоліки застосовуваних систем управління барабанними парогенераторами.

2. Доповнити математичні моделі барабанних котлів середньої потужності і ділянки живлення барабанних ПГ АЕС із ВВЕР зв'язками, що враховують взаємний вплив регулюючих впливів на регульовані параметри.

3. Розробити нові системи управління рівнем води в барабанних котлах середньої потужності і барабанним ПГ АЕС із ВВЕР, які забезпечують кращу якість управління в порівнянні зі штатними системами.

4. Дослідити ефективність багатовимірного управління барабанним котлом середньої потужності і ділянкою живлення ПГ АЕС із ВВЕР (задача про спільне управління чотирма парогенераторами і живильними турбонасосами).

Об'єкт дослідження – автоматизована технологічна ділянка живлення парогенератора енергоблока АЕС із ВВЕР, що містить живильний тракт, парогенератор і паропроводи до турбіни з необхідними системами, а також автоматизовані барабанні котли середньої потужності.

Предмет дослідження – структура і властивості системи управління технологічними параметрами барабанних котлів середньої потужності і парогенераторами АЕС.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач використовуються аналітичні та експериментальні методи дослідження теорії автоматичного управління, математичне моделювання систем автоматичного регулювання технологічних параметрів.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Удосконалено аналітичну математичну модель динаміки барабанного котла середньої потужності.

2. Розроблено експериментально-аналітичну математичну модель динаміки ділянки живлення парогенераторів енергоблока з ВВЕР-1000, що складається з чотирьох парогенераторів, живильних турбонасосів, живильних і парових трубопроводів.

3. Уперше для регулювання рівня води в барабанному парогенераторі розроблений цифровий регулятор зі спостерігачем стану, в якому використовується для управління тільки сигнал за рівнем води.

4. Розроблені і досліджені багатовимірні цифрові регулятори барабанного котла для режимів: а) підтримки тиску пари в загальному паропроводі б) підтримки заданого теплового навантаження та їхні модифікації з об'єднаним каналом “паливо – повітря”, які підвищують якість стабілізації технологічних параметрів.

5. Розроблений і досліджений оптимальний цифровий багатовимірний багаторежимний регулятор рівня води в чотирьох парогенераторах і витрати живильних турбонасосів для різних навантажень енергоблока АЕС із ВВЕР-1000, який підвищує якість стабілізації технологічних параметрів.

Практичне значення: запропоновані нові оптимальні цифрові системи управління дозволяють підвищити якість автоматичної стабілізації рівня води в ПГ при внутрішніх і зовнішніх збуреннях в енергоблоці, підвищити економічність роботи живильних турбонасосів АЕС і якість регулювання технологічних параметрів барабанних котлів при одночасному скороченні числа вимірювальних перетворювачів, зокрема по витраті свіжої пари.

Використання єдиного алгоритму проектування дозволяє значно спростити процедуру синтезу багатовимірних оптимальних АСР теплоенергетичними об'єктами.

Особистий внесок автора в дисертаційну роботу полягає в розробці багатовимірних математичних моделей динаміки об'єктів управління і синтезі нових цифрових багаторежимних багатовимірних АСР для розв'язання поставлених задач.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на 2-й українській конференції “Автоматика-95” (Львів, 1995 р.), 6-й українській конференції “Автоматика-99” (Харків, 1999 р.), на науково-практичній конференції “Оптимізація управління, інформаційні системи і комп'ютерні технології” (Одеса, 1999 р.), на 7-й українській конференції “Автоматика-2000” (Львів, 2000 р.), 8-й міжнародній конференції “Автоматика 2001” (Одеса, 2001 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Автоматика та комп’ютерні технології в промисловості та АПК (Кіровоград, 2002 р).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 9 роботах. Роботи написані разом із проф. Ю.К. Тодорцевим , проф. В.О. Демченко , доц. О.О Стопакевичем.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних літературних джерел і додатків.

Загальний обсяг роботи становить 198 сторінок, у тому числі на 146 сторінках викладений основний зміст дисертації, на 6 сторінках поданий список літературних джерел, а на 46 сторінках подані матеріали додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність розв'язання задачі дослідження, її наукова і практична цінність.

У першому розділі проведено аналіз існуючих системи управління промисловими барабанними котлами середньої потужності і барабанними парогенераторами АЕС з реактором ВВЕР-1000.

Для регулювання технологічних параметрів барабанних котлів і ПГ АЕС із ВВЕР використовуються автономні локальні системи регулювання окремих параметрів зі штатними регуляторами. Однак нанесення регулюючого впливу для стабілізації одного параметра приводить до відхилення інших, у тому числі і регульованих параметрів. Наприклад, зміна витрати повітря для підтримки заданого значення концентрації кисню в димових газах приводить до зміни розрідження в топковій камері. Крім того, за рахунок зміни об'єму димових газів і швидкості їхнього плину в газоході змінюються коефіцієнти тепловіддачі між димовими газами і конвективними поверхнями нагріву котла. Це приводить до зміни параметрів пароводяного тракту котла (рівень води в барабані, витрата, температура та тиск перегрітої пари). Зміна положення регулюючого живильного клапана (РЖК) одного з парогенераторів енергоблока АЕС із ВВЕР-1000 приводить до зміни витрати живильної води до інших трьох парогенераторів і зміни перепаду тиску між головним паровим колектором (ГПК) і живильним трубопроводом, що стабілізується регулятором витрати ЖТН.

Як показує досвід експлуатації, штатні системи регулювання недостатньо добре функціонують при великих збурюючих впливах, у тому числі при глибоких змінах навантаження. При цьому регульовані параметри виходять за припустимі регламентом значення, що приводить до зниження надійності устаткування, а в деяких випадках – до спрацьовування аварійних захистів ПГ і зупинки енергоблока.

Заміна даним часом на деяких ТЕС і особливо АЕС застарілих технічних засобів на комп'ютеризовані системи управління відбувається з використанням старих алгоритмів і схем регулювання, тобто не використовуються переваги і можливості мікропроцесорної техніки.

Таким чином, для підвищення якості процесів управління барабанними парогенераторами, зменшення відхилень регульованих параметрів, підвищення надійності устаткування і збільшення числа годин його використання необхідно застосовувати нові способи й алгоритми управління, в тому числі оптимальні, багатовимірне управління з використанням сучасної мікропроцесорної техніки.

Для досягнення поставлених цілей необхідно розв'язати такі задачі:

- розробити математичну модель динаміки барабанного котла і математичну модель ділянки живлення барабанних парогенераторів АЕС

- за отриманими моделями об'єктів управління синтезувати цифрові багатовимірні оптимальні системи управління, що забезпечують кращу порівняно з існуючими системами якість управління

- дослідити роботу багатовимірних і типових систем управління.

У другому розділі розроблені математичні моделі досліджуваних об'єктів управління, необхідні для синтезу нових АСР і моделювання перехідних процесів регулювання.

Через складність прямого розгляду нелінійних динамічних і статичних властивостей барабанних парогенераторів у нестаціонарних режимах роботи при створенні математичних моделей для цілей синтезу цифрових багатовимірних систем управління доводиться робити спрощуючі допущення. Тому моделі досліджуваних об'єктів управління представлені спектром математичних моделей, лінеаризованих щодо декількох можливих режимів функціонування.

Аналіз динаміки барабанного котла середньої потужності, що містить такі конструктивні елементи, як топкова камера, фестон, котловий пучок, барабан, пароперегрівник, повітряпідігрівник, економайзер, системи газовоздуховодів і паропроводу показує, що кожен блок структурної схеми моделі (рис. 1) може бути описаний диференціальним рівнянням вигляду:

де n – номер блока в структурній схемі – відхилення технологічного параметра – зміна регулюючого і збурюючого впливів і – визначаються за конструктивними і режимними характеристиками котла.

Вхідні регулюючі впливи математичної моделі (рис. 1): зміни положення регулюючого клапана витрати палива , положення направляючих апаратів дуттьового вентилятора і димососа , регулювальних клапанів витрати живильної і продувної води . Контрольовані вихідні параметри: зміни концентрації кисню в димових газах , розрідження в топці , рівень води в барабані котла , тиск пари в паровій магістралі чи витрата пари (залежно від режиму роботи котла), солевмісту в барабані котла . Основними збурюючими впливами є зміни положення регулюючого клапана за витратою пари і зміна тиску пари в паропроводі з боку споживача.

У структурну схему ділянки живлення барабанних парогенераторів АЕС із ВВЕР-1000 (рис. 2) входять такі елементи: парогенератори ПГ 1,2,3,4, що враховують динаміку зміни рівня пароводяної суміші в парогенераторі при зміні витрат живильної води і пари живильний трубопровід, що є сполучним елементом ділянки живлення і враховує динаміку зміни витрати живильної води в результаті зміни положення РЖК ( , , , ) і динаміку зміни тиску живильної води перед регулюючими живильними клапанами у результаті зміни витрати ЖТН живильний турбонасос, що визначає динаміку зміни подачі живильної води в парогенератори через живильний трубопровід і зміну тиску живильної води на виході ЖТН у результаті зміни положення регулювальних клапанів приводної турбіни ЖТН головний паропровід від парогенераторів до головного парового колектора і трубопровід першого контуру. Внутрішнім збуренням для ділянки живлення є зміна теплової потужності енергоблока , що приводить до зміни кількості пари, що генерується в парогенераторах, і, як наслідок, зміни витрати і тиску пари в головному паропроводі. Зміна теплової потужності характеризується зміною різниці температур гарячої і холодної петель першого контуру. Як зовнішнє збурення

Рис. 1. Структурна схема математичної моделі барабанного котла середньої потужності

прийнята зміна положення регулювальних клапанів турбіни , що супроводжується зміною витрати пари через паропровід і зміною тиску пари в ГПК.

Система диференціальних рівнянь розглянутих об'єктів управління перетворюється в систему матричних різницевих рівнянь з періодом дискретності :

де – вектор внутрішнього стану, що відповідає номінальному режиму функціонування системи – вектор контрольованих параметрів (вихід системи) – вектор регулюючих

Рис. 2. Структурна схема математичної моделі ділянки живлення барабанних парогенераторів АЕС з ВВЕР

впливів – вектор основних збурень; Ak, Bk, Fk, Ck – матриці коефіцієнтів відповідних розмірностей, k=1..n, де n – число розглянутих режимів функціонування.

У третьому розділі розглянута процедура синтезу цифрових оптимальних багатовимірних систем управління барабанним котлом середньої потужності.

Для синтезу оптимального ПІ-регулятора рівня води в барабанному парогенераторі, багатовимірного оптимального ПІ-регулятора барабанного котла і ділянки живлення парогенераторів АЕС із ВВЕР-1000 використаний єдиний алгоритм проектування.

Для моделі об'єкта управління (2) і функціонала енергії вигляду

були введені змінні , ( – сигнал завдання), , , вектор , які дозволили переписати систему диференціальних рівнянь (2) і функціонал (3):

,

де , , , , а , – позитивно визначені матриці, значення яких підбираються в процесі синтезу регулятора.

Розв'язання стандартної задачі конструювання для (4) і (5) визначає регулятор стану вигляду , де матриця може бути розділена на блоки , а регулятор стану переписаний так: чи , що відповідає структурі ПІ-регулятора, який забезпечує астатичність системи регулювання.

Для відновлення відсутніх координат використовується спостерігач стану Луєнбергера , де – матриця спостерігача стану системи.

Запропонована АСР рівня води в барабані котла з оптимальним цифровим ПІ-регулятором (рис. 3) при збільшенні витрати пари на 1.4 кг/с дає порівняно з

Рис. 3. Структурна схема оптимальної дискретної системи регулювання

трьохімпульсною системою однакову величину динамічного закиду рівня води (15 мм) і в три рази менший час регулювання. В АСР з оптимальним ПІ-регулятором відсутня статична помилка регулювання, а використання одного сигналу від дифманометра-рівнеміра підвищує надійність системи і зменшує її вартість.

Подальше підвищення якості регулювання технологічних параметрів барабанного котла отримано в результаті застосування вищеописаного алгоритму до розрахунку багатовимірної АСР усім барабанним котлом. Дискретний оптимальний багатовимірний ПІ-регулятор барабанного котла (рис. 4) дозволяє зменшити тривалість перехідних процесів по концентрації кисню у відходячих газах, розрідженню в топковій камері, тиску пари в паропроводі та солевмісту котлової води (табл. 1). Величина збурення – стрибкоподібне

Рис. 4. Багатовимірна АСР управління барабанним котлом

збільшення витрати пари споживачем на 10 %. При моделюванні перехідних процесів у досліджуваних системах регулювання було враховано обмеження на швидкість зміни регулюючого впливу, що обумовлено використанням у розглянутих АСР виконавчих механізмів постійної швидкості.

Таблиця 1

Характеристики перехідних процесів типової та багатовимірної АСР

Регульовані параметри | Типова АСР | Багатовимірна АСР | Багатовимірна АСР (с об'єднаним каналом)

макс. дин. відх. | час пер. процесу, с | макс. дин. відх. | час пер. процесу, с | макс. дин. відх. | час пер. процесу, с

Концентрація кисню, % | -0.20 | 700 | -1.25 | 100 | 0.00 | 0.00

Розрідження, Па | 100 | 1000 | -95 | 15 | -60 | 15

Рівень, мм | 13 | 1400 | 18 | 130 | 18 | 130

Тиск пари, кПа | -15 | 1300 | -17 | 500 | -17 | 500

Солевміст, мг/кг | 245 | 15000 | 265 | 6000 | 265 | 6000

Зменшити динамічні відхилення концентрації кисню у відходячих газах і розрідження в топковій камері порівняно з типовою і раніше описаною багатовимірною АСР дозволяє багатовимірна АСР з об'єднаним каналом “паливо - повітря”, що синхронно змінює витрату палива і повітря при зміні навантаження котла. Об'єднання цих каналів здійснюється множенням матриці входу моделі об'єкта по каналу витрати палива і витрати повітря на матрицю , де – коефіцієнт надлишку повітря. Матриця враховує спільний вплив витрати палива й оптимальної витрати повітря, а матриця описує властивості моделі об'єкта управління щодо зміни положення направляючого апарата димососа, живильного і продувного клапанів. Матриці та формують нову матрицю входу регулюючих впливів зниженої розмірності , що використовується для розрахунку багатовимірної АСР котла з об'єднаним каналом по витраті палива і повітря.

Для визначення грубості багатовимірної АСР була промодельована її робота при навантаженнях котла 50 і 75 % від номінальної потужності, коли властивості об'єкта управління змінюються, а настроювання регуляторів залишаються колишніми. Результати моделювання показують, що зі зменшенням навантаження котла відбувається погіршення якості перехідних процесів у багатовимірної АСР (збільшення динамічного відхилення до 25%), що зв'язано зі зміною статичних і динамічних властивостей котла залежно від його паропродуктивності. Але ці погіршення якості менші, ніж у штатних АСР за тими ж умовами.

Для реалізації багатовимірної АСР потрібно п'ять вимірювальних перетворювачів, тоді як у типовій АСР використовується дев'ять датчиків (додаткові – з витрати палива, повітря, живильної води і перегрітої пари). Це зменшує вартість нової багатовимірної АСР і підвищує її надійність.

У четвертому розділі розроблені і досліджені нові цифрові АСР для парогенераторів АЕС із ВВЕР-1000.

Оскільки управління ділянкою живлення чотирьох ПГ здійснюється регуляторами рівня води в кожнім з парогенераторів і регулятором витрати ЖТН, у роботі були досліджені такі варіанти цифрових систем управління: АСР з оптимальним ПІ-регулятором рівня води в кожнім ПГ і штатною АСР витрати ЖТН, АСР з оптимальним багатовимірним регулятором рівня в чотирьох ПГ і штатною АСР витрати ЖТН, багатовимірна АСР ділянки живлення ПГ.

Як показали результати моделювання перехідних процесів в АСР ділянки живлення парогенераторів, що складається з регулятора витрати ЖТН і оптимальних ПІ-регуляторів рівня, розрахованих відповідно до вищеописаного алгоритму окремо для кожного парогенератора, при збільшенні потужності енергоблока оптимальні ПІ-регулятори дають менше динамічне відхилення рівня і меншу тривалість перехідного процесу. Однак через те, що регулятору рівня доводиться одночасно відпрацьовувати відразу два однакових за знаком збурення – витратою пари і живильною водою відхилення положень РЖК в АСР з оптимальними ПІ-регулятором майже в три рази (18 %) більше, ніж у трьохімпульсних АСР, що у випадку номінального положення РЖК близько 90 % відкриття може привести до недостачі регулюючого впливу регулюючими живильними клапанами і зміни характеру перехідного процесу за рівнем у парогенераторах.

Найкращі показники якості досягнуті при управлінні всією ділянкою живлення чотирьох парогенераторів за допомогою цифрового оптимального багатовимірного ПІ-регулятора (рис. 5). Дана схема підтримує середній гідравлічний опір ділянки живлення

Рис. 5. Структурна схема багатовимірної АСР ділянки живлення парогенераторів АЕС із ВВЕР

при роботі енергоблока на навантаженнях 40 – 70 % потужності, для чого всі РЖК повинні бути відкриті на 70 – 80 %, а при навантаженнях нижче ніж 40 % АСР повинна підтримувати постійний перепад тиску на РЖК. При роботі блока на низьких і середніх навантаженнях багатовимірна АСР має переваги перед типовою АСР (табл. 2) за рахунок меншого динамічного відхилення рівня води в парогенераторах, зменшення тривалості перехідних процесів, невеликих динамічних відхилень РЖК (рис. 6-7).

Рис. 6. Зміна рівня води в ПГ

Рис. 7. Зміна положень РЖК

Максимальний ефект від використання багатовимірного управління отриманий для режиму підтримки мінімального гідравлічного опору ділянки живлення (рис. 8).

У цьому режимі РЖК одного з ПГ цілком відкритий і номінальне значення рівня в цьому парогенераторі фактично підтримується регулятором витрати ЖТН, на вхід якого подається сигнал за рівнем води в парогенераторі.

Таблиця 2

Характеристики перехідних процесів типової та багатовимірної АСР

Регульовані параметри | Типова АСР ділянки живлення парогенераторів | Багатовимірна АСР ділянки живлення парогенераторів

макс. дин. відх. | час перехідного процесу, с | макс. дин. відх. | час перехідного процесу, с

Режим підтримки постійного перепаду тиску на РЖК

Рівень у ПГ, мм | 110 | 150 | 80 | 140

Положення РЖК, % | 8 | 150 | 7 | 140

Режим підтримки середнього гідравлічного опору ділянки живлення ПГ

Рівень у ПГ, мм | 105 | 140 | 85 | 130

Положення РЖК, % | 8 | 150 | 7 | 150

Режим підтримки мінімального гідравлічного опору ділянки живлення ПГ

Рівень у ПГ, мм | 100 | 500 | 80 | 150

Положення РЖК, % | 9 | 500 | 4 | 130

Регулятор витрати ЖТН у типовій АСР працює за пропорційно-інтегральним законом і його використання для регулювання рівня приводить до великого динамічного відхилення рівня в парогенераторі і коливальному перехідному процесу. Оскільки зміна витрати ЖТН впливає на рівень у всіх чотирьох ПГ, то це приводить до великого відхилення РЖК трьох інших парогенераторів, яким приходиться компенсувати коливання, внесені регулятором витрати ЖТН. Багатовимірний регулятор дає менше динамічне відхилення рівня води в ПГ,

Рис. 8. Структурна схема багатовимірної АСР ділянки живлення в режимі мінімального дроселювання

меншу тривалість перехідного процесу і невеликі переміщення РЖК (табл. 2).

У результаті аналізу роботи цифрової багатовимірної АСР ділянки живлення встановлено, що нові цифрові АСР мають добру стійкість до зміни динамічних властивостей парогенераторів у результаті зміни потужності енергоблока (зміна коефіцієнтів моделі до 20%). Принципове погіршення якості регулювання оптимальних систем у результаті зміни внутрішніх властивостей об'єкта управління у випадку оптимального управління барабанними парогенераторами компенсується зміною вбік поліпшення динамічних властивостей ПГ за рівнем (зменшення “набрякання” рівня і швидкості її зміни зі зменшенням навантаження). Також встановлено, що збільшення кроку квантування за часом цифрової АСР приводить до погіршення якості перехідних процесів, зокрема при якість перехідних процесів у багатовимірній АСР стає гірше, ніж у типовій АСР.

ВИСНОВКИ

Встановлено, що штатні системи автоматичного регулювання барабанними парогенераторами не забезпечують достатньої якості перехідних процесів через взаємний вплив регулюючих впливів на інші регульовані величини. Поліпшення якості регулювання барабанними парогенераторами може бути досягнуто шляхом застосування оптимальних багатовимірних алгоритмів управління для створення нових АСР і їхньої реалізації на цифрових технічних засобах. У роботі запропоновані і досліджені багатовимірні цифрові оптимальні автоматичні регулятори для барабанних котлів середньої потужності і ділянки живлення чотирьох парогенераторів АЕС із ВВЕР, що забезпечують підвищення якості управління у порівнянні зі штатними системами.

1. Удосконалена аналітична модель барабанного котла середньої потужності типу ГМ-50 з урахуванням перехресних зв'язків дозволяє досліджувати перехідні процеси в об'єкті управління при внутрішніх і зовнішніх збуреннях, а також робити синтез оптимальних багатовимірних регуляторів для барабанних котлів. Доповнена математична модель може бути використана для розрахунку математичних моделей інших типів котлів цього класу.

2. Розроблено експериментально-аналітичну математичну модель динаміки ділянки живлення парогенераторів АЕС із ВВЕР-1000, що дозволяє досліджувати перехідні процеси в об'єкті управління при внутрішніх і зовнішніх збуреннях, а також робити синтез оптимальних регуляторів не тільки одним ПГ, але і всією ділянкою живлення енергоблока.

3. Проведено синтез і досліджена на математичній моделі робота цифрового оптимального зі спостерігачем внутрішнього стану ПІ-регулятора рівня води в парогенераторі АЕС і барабанного котла, що забезпечує кращу якість регулювання порівняно з типовими АСР рівня.

4. Уперше запропонований цифровий багатовимірний регулятор барабанного котла і його модифікація з об'єднаним каналом “паливо-повітря”. Розглянута можливість його застосування як у регулюючому, так і в базовому режимах роботи. Застосування багатовимірного управління барабанними котлами забезпечує підвищення якості регулювання, зменшення кількості вимірювальних перетворювачів і в підсумку – поліпшення техніко-економічних показників.

5. Для управління всією ділянкою живлення чотирьох парогенераторів енергоблока АЕС із ВВЕР-1000 уперше запропонований багатовимірний цифровий регулятор рівня води і витрати живильних турбонасосів для трьох режимів роботи, що забезпечує підвищення якості управління. Застосування багатовимірного управління ділянкою живлення енергоблока повинно зменшити кількість аварійних розвантажень і вимикань енергоблока, що підвищить ефективність використання блока і поліпшить його техніко-економічні показники.

6. Дослідження грубості запропонованих цифрових оптимальних багатовимірних АСР ділянки живлення ПГ АЕС і барабанних котлів показало можливість якісної роботи цих об'єктів управління у всьому діапазоні робочих навантажень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Демченко В.А., Тодорцев Ю.К., Ложечников В.Ф. Математическая модель участка питания парогенератора ПГВ-1000 // Вестник Харьковск. гос. политехн. ун-та. Харьков. - 1999. - Вып.73. - С. 133-138.

2. Демченко В.А., Ложечников В.Ф. Разработка математической модели участка питания парогенератора энергоблока с ВВЭР // Труды Одесск. политехн. ун-та.- Одесса. - 1999. - Вып. 2 (8). - С. 111-115.

3. Демченко В.А., Стопакевич А.А., Ложечников В.Ф. Оптимальный ПИ-регулятор уровня воды в парогенераторе энергоблока АЭС с реактором ВВЭР-1000 // Труды Одесск. политехн. ун-та. - Одесса. - 2000. - Вып.1(10). - С. 73-76.

4. Ложечников В.Ф., Стопакевич А.А. Структура многомерной модели динамики барабанного котла // Вестник Херсонск. гос. техн. ун-та. – Херсон. – 1999. - №1(5). – С. 202-203.

5. Ложечников В.Ф., Стопакевич А.А. Структура многомерной математической модели динамики барабанного котла средней мощности. В сб. “Оптимизация управления, информационные системы и компьютерные технологии” // Труды Укр. акад. эконом. кибернетики (Южный научный центр). – Киев-Одесса: ИСЦ, 1999. – Вып.1. – Ч.2. – С. 167-176.

6. Демченко В.А., Ложечников В.Ф. Исследование грубости цифровой системы регулирования уровня воды в парогенераторе с оптимальным ПИ-регулятором и наблюдателем состояния // Зб. наук. праць Кіровогр. держ. техн. ун-ту. – Кіровоград. – 2002. – Вип. 2. – С. 115-117.

7. Демченко В.А., Ложечников В.Ф. Цифровое многомерное управление участком питания парогенераторов ПГВ-1000 энергоблока АЭС с ВВЭР // Труды Одесск. политехн. ун-та. - Одесса. - 2001. - Вып. 4(16). - С. 45 - 48.

8. Демченко В.А., Стопакевич А.А., Ложечников В.Ф. Синтез оптимального ПИ-регулятора уровня воды для барабанного парогенератора // Праці Міжнар. конф. ”Автоматика-2000”. - Ч.1, С.3. - Львів. - 2000. - С. 123-126.

9. Демченко В.А., Стопакевич А. А., Васкес М., Кесада П., Ложечников В.Ф., Сунаата С. Разработка современных систем многомерного микропроцессорного управления энергоемкими установками технологических процессов // Тезисы докладов. Друга украiнська конф. з автоматичного управління "Автоматика-95". – Львiв, 26-30 вересня.- 1995.

Ложечніков В.Ф. Багатовимірне цифрове управління барабанними парогенераторами. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів. – Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.

Дисертація присвячена розробці і дослідженню цифрових АСР барабанними котлами середньої потужності та парогенераторами енергоблоків АЕС із реакторами ВВЕР. Для синтезу нових цифрових систем регулювання розроблені аналітична модель динаміки барабанного котла та експериментально-аналітична модель динаміки ділянки живлення барабанних парогенераторів енергоблока АЕС з реактором ВВЕР-1000. Для стабілізації рівня води в барабанних парогенераторах запропонований цифровий оптимальний ПІ-регулятор. Для оптимального управління всім барабанним запропоновані цифровий багатовимірний ПІ-регулятор і його модифікація з об'єднаним каналом “паливо-повітря”. Для управління всією ділянкою живлення енергоблока АЕС із реактором ВВЕР-1000 запропонований багатовимірний цифровий оптимальний ПІ-регулятор.

Ключові слова: барабанний парогенератор, котел, автоматична система регулювання, синтез, аналіз, алгоритм.

Vadim F. Lozhechnikov. Multivariate digital regulation of drum-type steam generators.

This thesis is to be defended for the scientific degree of Candidate of Technical Science, in specialty 05.13.07 – Automation of Technological Processes, at Odessa National Polytechnic University, Odessa, in 2003.

This thesis concerns research and development on a digital ARS for drum-type steam generators, which are used in industrial boilers, and also in the generators of nuclear power plants. An analytical model for the dynamics of a drum-type boiler with average capacity; and an experimental, analytical model of the dynamics of the feeding section of drum-type steam generators in the power unit of an atomic power station with PWR-1000 reactor have been developed. To stabilize the water level in the drum-type steam generators, an optimal, digital PI-regulator is proposed. Besides this, another digital multivariate PI-regulator, with an upgrade modification that incorporates a ‘fuel-air’ channel, is proposed for optimal regulation of the drum-type boiler. To regulate the steam generators feeding section of an atomic power plant, an optimal digital multivariate PI-regulator is proposed.

Key words: drum-type steam generator; boiler; automatic regulation system; synthesis; analysis; algorithm.

Ложечников В.Ф. Многомерное цифровое управление барабанными парогенераторами. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – автоматизация технологических процессов. – Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003.

Диссертация посвящена разработке и исследованию новых цифровых оптимальных многомерных АСР барабанными котлами средней мощности и парогенераторами энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР. Барабанные парогенераторы являются сложными объектами управления, от надежной работы которых зависит надежность всей энергетической установки. Основным регулируемым параметром во всех типах барабанных парогенераторов является уровень воды, к стабилизации которого предъявляются жесткие требования. Общность основного регулируемого параметра и характера его изменения при нанесении возмущающего и управляющего воздействий обуславливает однотипность систем регулирования уровня воды в барабанных парогенераторах и позволяет применить для синтеза новых цифровых оптимальных АСР единый алгоритм проектирования. Анализ применяемых в настоящее время автоматических систем управления барабанными парогенераторами показал, что они не всегда обеспечивают требуемое качество регулирования.

В настоящее время на атомных и тепловых электростанциях, а также на ряде других теплоэнергетических предприятиях Украины идет замена аналоговых аппаратных средств систем автоматического регулирования на микропроцессорные управляющие комплексы, которые обладают значительным преимуществом по сравнению с аналоговой техникой. Одним из таких преимуществ является возможность реализации новых схем и алгоритмов управления технологическими процессами. Однако, несмотря на то, что к настоящему моменту времени разработан математический аппарат, позволяющий создавать многомерные системы управления, на новой технике продолжают реализовываться старые типовые схемы и алгоритмы регулирования. Таким образом, потенциал цифровой техники используется не полностью. Отчасти это объясняется отсутствием целенаправленных исследований в области многомерного цифрового управления теплоэнергетическими объектами.

Поэтому для сложных динамических объектов, в которых имеется много регулируемых параметров и регулирующих воздействий, а такими объектами как раз и являются барабанные котлы и парогенераторы атомных станций, применение многомерного управления является особенно перспективным.

Для синтеза новых цифровых систем регулирования разработаны аналитическая модель динамики барабанного котла средней мощности, которая учитывает прямые и перекрестные связи между управляющими воздействиями (расход топлива, изменение производительности дутьевого вентилятора и дымососа, расход питательной и продувочной воды) и регулируемыми параметрами (концентрация кислорода в уходящих газах, разрежение в топочной камере, уровень воды в барабане котла, солесодержание котловой воды, давление перегретого пара), и экспериментально-аналитическая модель динамики участка питания барабанных парогенераторов энергоблока АЭС с реактором ВВЭР-1000, в которой управляющими воздействиями являются изменения положения регулирующих питательных клапанов четырех парогенераторов и положения регулирующего клапана приводной турбины питательного турбонасоса, регулируемыми параметрами являются уровень воды в четырех парогенераторах и производительность питательного турбонасоса (ПТН).

Для стабилизации уровня воды в барабанных парогенераторах предложен цифровой оптимальный ПИ-регулятор с одним измеряемым сигналом по уровню воды вместо трех в штатной трехимпульсной АСР, обеспечивающий лучшее качество регулирования при внутренних и внешних возмущениях. Для оптимального управления всем барабанным котлом средней мощности предложен цифровой многомерный оптимальный ПИ-регулятор и его модификация с объединенным каналом “топливо-воздух” (вместо типовых локальных АСР тепловой нагрузки, процесса горения, разрежения в топочной камере, уровня воды в барабане котла, солесодержания котловой воды). Для управления всем участком питания энергоблока АЭС с реактором ВВЭР-1000 предложен многомерный цифровой оптимальный ПИ-регулятор всем участком (вместо отдельных АСР уровня и производительности ПТН) для трех режимов работы: постоянного перепада давления на РПК, среднего и минимального гидравлического сопротивления участка питания.

Вектор внутреннего состояния объекта управления, который недоступен для непосредственного измерения, но необходим для расчета управляющего воздействия в предлагаемых многомерных цифровых оптимальных системах управления, восстанавливается по измеряемому регулируемому выходу с помощью наблюдателя состояния Луенбергера.

Исследования показали хорошую грубость всех предложенных оптимальных АСР при изменении свойств объекта управления.

Ключевые слова: барабанный парогенератор, котел, автоматическая система регулирования, синтез, анализ, алгоритм.