Алгоритмический аппарат исследования и синтез регулятора уровня деаэрационно-питательной системы ТЭС на основе спектральных методов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Сизов, Александр Николаевич

• Сизов, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сизов, Александр Николаевич

Оглавление.

Обозначения и аббревиатуры.

Список используемых аббревиатур.

Список используемых обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Современное состояние исследований динамики трубопроводных систем.

1.1. Колебания потока в трубопроводных системах.

1.2. Методы исследования нелинейных систем автоматического управления

1.3. Задача обеспечения устойчивой работы деаэрационно-питательной системы ТЭС.

Глава 2. Построение математической модели деаэрационно-питательной системы.

2.1. Объект исследования.

2.2. Колебания - экспериментальные данные.

2.3. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент.

2.4. Баланс расходов парогенератора и оценка его сосредоточенной упругости.

2.4.1. Исходные уравнения и допущения.

2.4.2. Уравнение баланса расходов парогенератора.

2.5. Построение математической модели деаэрационно-питательной системы

2.6. Типовые нелинейности в модели деаэрационно-питательной системы

2.7. Структурное представление деаэрационно-питательной системы.

2.7.1. Структурная схема деаэрационно-питательной системы (укрупнённо).

2.7.2. Подсхемы (подсистемы) деаэрационно-питательной системы

2.7.3. Полные структурные схемы.

2.8. Моделирование деаэрационно-питательной системы ТЭС на ЭВМ.

2.9. Особенности и недостатки моделирования для решения задач анализа и синтеза.

Глава 3. Исследование автоколебаний в деаэрационно-питательной системе ТЭС.

3.1. Основы подхода, развиваемого в диссертации.

3.2. Нелинейные преобразования спектральных характеристик.

3.3. Проекционно-матричный метод исследования процессов в нелинейных системах: теоретические положения и алгоритмическое обеспечение.

3.4. Исследование автоколебаний методом проекционно-матричных операторов в базисе тригонометрических функций.

3.4.1. Применение метода на примере анализа участка питающего трубопровода.

3.4.2. Применение метода для анализа всей системы.

3.5. Исследование автоколебаний методом проекционно-матричных операторов в базисе локальных сплайнов.

3.5.1.Локальные сплайны нулевого порядка.

3.5.2. Локальные сплайны 1-го порядка.

3.6. Применение структурных преобразований.

3.7. Сравнительный анализ результатов, полученных в разных базисах.

Глава 4. Синтез регулятора для деаэрационно-питательной системы ТЭС.

4.1. Краткий обзор современных методов синтеза регуляторов в нелинейных системах.

4.2. Выбор структуры регулятора уровня для деаэрационно-питательной системы ТЭС.

4.3. Теоретические основы решения задачи синтеза регулятора уровня для ДПС ТЭС.

4.4. Синтез регулятора уровня для деаэрационно-питательной системы ТЭС

4.5. Анализ результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмический аппарат исследования и синтез регулятора уровня деаэрационно-питательной системы ТЭС на основе спектральных методов»

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Тепловые электростанции в настоящее время являются основными в составе электроэнергетической отрасли. Они сосредотачивают 2/3 всей установленной мощности и производят 2/3 электрической и тепловой энергии. При этом прогнозируется значительный рост электропотребления в России, что, в свою очередь, предполагает определённое увеличение необходимой установленной мощности электростанций. Наряду с этим будет наблюдаться снижение суммарной установленной мощности действующих электростанций из-за частичного демонтажа устаревшего оборудования теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и теплоэлектростанций (ТЭС). Для остальной части оборудования, достигающего паркового ресурса (мощностью около 60 млн. кВт), предусмотрено продление срока его службы. Все это позволяет сделать вывод о том, что ТЭЦ и ТЭС ещё долго будут играть значительную роль в энергетике страны, а значит, повышение эффективности и продление ресурса их работы является актуальной задачей [40].

Вместе с тем, ещё в начале 70-х годов прошлого века в связи с ростом удельной мощности ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и увеличением скорости движения теплоносителя остро встала проблема разрушения элементов ЯЭУ, в том числе и трубопроводов различной конфигурации, из-за их колебаний, имеющих место при работе на некоторых эксплуатационных режимах. Эти колебания значительно снижают срок службы оборудования, сужают диапазон допустимых режимов работы установки, ухудшают условия работы персонала, могут явиться причиной серьезных аварий.

Проблема исследования низкочастотных колебаний в гидросистемах также является актуальной, поскольку, как показывает опыт эксплуатации энергетического оборудования, пульсации давления в линиях подачи питательной воды могут возникать на многих тепловых и атомных электростанциях, питательные насосы в которых в периоды сезонных разгрузок эксплуатируются на подачах, меньших номинальной. Производители энергоёмкого насосного оборудования (например, для различных ГРЭС) по тем же причинам зачастую в своих проспектах указывают, что для обеспечения устойчивой работы минимальная подача насоса должна составлять не менее 30% от номинальной величины. Такой высокий предел снижает диапазон регулирования подачи, не позволяя более эффективно использовать имеющееся оборудование.

Предлагаемая работа посвящена исследованию автоколебаний и обеспечению устойчивой, с заданным качеством в статическом режиме, работы объекта - деаэрационно-питательной системы ТЭС (ДПС ТЭС), функционирующей на Калужском турбинном заводе. Основная функция указанной системы -стабилизация давления в парогенераторе ТЭС и обеспечение его питательной водой при условии действия главного возмущения - подачи пара потребителю.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель работы заключается в исследовании автоколебаний и обеспечении устойчивой работы с заданным качеством для сложной, существенно нелинейной системы автоматического управления (ДПС ТЭС) путём синтеза регулятора уровня (подачи питательной воды в парогенератор). Для достижения поставленной цели формулируются следующие задачи исследования:

1. Разработка математической модели ДПС ТЭС.

2. Разработка теоретических положений для исследования колебаний в рассматриваемой системе и распространение их для анализа широкого класса систем.

3. Расширение области применения разработанных положений для синтеза регуляторов в широком классе систем. Синтез регулятора уровня (подачи питательной воды в парогенератор ДПС ТЭС).

4. Разработка алгоритмического обеспечения и его программная реализация для решения поставленных задач с помощью ЭВМ применительно к ДПС ТЭС.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем. 1. Разработанная математическая модель деаэрационно-питательной системы регулирования уровня в барабане парогенератора ТЭС адекватно описывает процессы, протекающие в системе, и может применяться как для исследования автоколебательных процессов, так и для решения задачи синтеза регулятора, обеспечивающего заданное качество работы в статическом режиме.

2. На основе теоретических положений метода моментов (Галёркина-Петрова) разработаны теоретические положения, распространенные для применения в широком классе систем, в том числе систем с несколькими нелинейными элементами. Рассмотрена возможность применения различных базисов для решения поставленной задачи.

3. Разработаны алгоритмы и их программная реализация как для анализа автоколебаний в ДПС ТЭС, так и для решения задачи параметрического синтеза. Для заданной системы алгоритмической форме получена зависимость выходных сигналов от варьируемых параметров регулятора (целевой функционал), что позволило свести задачу их расчёта к задаче параметрической оптимизации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

Результаты исследований нашли своё применение на энергетических объектах ОАО «КТЗ» (ТЭС, испытательные стенды Энерготехнологического комплекса), что подтверждается техническими отчётами предприятия. Работы по данной теме проходили при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 06-01-96306) - «Теория матричных операторов и ее приложение к исследованию и математическому конструированию и идентификации сложных нелинейных систем автоматического управления». Научная работа по теме диссертации участвовала в конкурсе научных работ молодых учёных г. Калуги, прошла открытую экспертизу, а по итогам исследования автору была присуждена государственная стипендия имени К.Э. Циолковского. Также работа выставлялась на конкурс молодых специалистов ОАО «Калужский турбинный завод», где заняла 1-е место в секции «Опытные работы».

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Математическая модель ДПС ТЭС в форме дифференциальных уравнений, включающая в себя автоматическую систему регулирования уровня в барабане парогенератора ТЭС, а также в операторной форме, допускающая проведение структурных преобразований.

2. Алгоритмический аппарат на основе теоретических положений метода Галёркина-Петрова для анализа колебательных процессов в системах, подобных ДПС ТЭС, в различных базисах.

3. Параметрический синтез регулятора уровня (подачи питательной воды в парогенератор ДПС ТЭС) при помощи разработанного алгоритмического аппарата на основе проекционно-матричного метода, распространённого на широкий класс систем, в том числе с несколькими нелинейными элементами.

4. Алгоритмическое обеспечение и его программная реализация, необходимые для исследования колебаний в ДПС ТЭС и решения задачи синтеза регулятора уровня для неё.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты предлагаемой работы были доложены на трёх международных [71,78,80], трёх Всероссийских [74,77,79], трёх региональных [72,76,81] научно-технических конференциях, а также изложены в четырёх статьях [69,70,73,75]. Основное содержание и результаты работы отражено в главе 6 монографии [68].

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 170 страницах, в том числе 138 страниц основного текста, 36 рисунков, 2 таблицы. Библиографический список из 115 наименований, приложение на 24 страницах.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Сизов, Александр Николаевич

Заключение

Можно сформулировать следующие основные результаты, достигнутые в работе:

1. Проведён анализ возможностей возникновения автоколебательных процессов в сложных гидравлических системах, а также способов их устранения.

2. Разработана математическая модель деаэрационно-питательной системы ТЭС, включающей в себя деаэратор, насос, регулятор, паровой котёл, нагрузку, трубопроводы; рассчитаны её параметры; проведено моделирование, результаты которого согласуются с экспериментальными данными.

3. Для анализа автоколебательных процессов в ДПС ТЭС выбран и обоснован метод проекционно-матричных операторов, основанный на методе моментов (Галёркина-Петрова). Положения метода распространены на широкий класс систем, в том числе с несколькими нелинейными элементами.

4. Проведён анализ автоколебательных процессов в системе проекцион-но-матричным методом в различных базисах; результаты, сопоставленные между собой и с точным решением, показывают удовлетворительную сходимость. Определены параметры автоколебаний в рассматриваемой системе.

5. Результаты анализа системы выбранным методом позволили применить его для решения задачи синтеза регулятора подачи питательной воды в парогенератор ТЭС. Рассмотрен подход к процедуре синтеза, при котором широкий класс систем (в том числе нелинейных нестационарных), представленных в операторной форме, допускает проведение структурных преобразований вплоть до представления САУ одним конечным оператором. Также рассмотрен подход, основанный на приближённом равенстве эталонного и реального выходного сигнала, реализующийся при помощи оптимизационных процедур нелинейного программирования, который и был в дальнейшем использован для параметрического синтеза.

6. Разработаны теоретические положения, с помощью которых область применения выбранного для решения задачи синтеза метода проекционно-матричных операторов распространена на класс систем с несколькими нелинейными элементами. Использованный при этом итерационный подход позволил получить зависимость выходных сигналов от варьируемых параметров регулятора и провести его параметрический синтез, путём решения задачи оптимизации методами нелинейного математического программирования.

7. Сочетание использования хорошо теоретически обоснованного метода Галёркина-Петрова с современными эффективными численными методами позволило решить задачу синтеза и достичь главной поставленной задачи - обеспечения устойчивой работы системы с заданным качеством в статическом режиме.

8. Разработано алгоритмическое обеспечение и его программная реализация для решения указанных задач. Программное обеспечение оформлено в виде пакета программ.

Представляется, что дальнейшим направлением исследований по данной тематике должен стать переход к распределенным по пространственным координатам параметрам. Действительно, в [66] отмечается, что в реальных условиях масса, упругость и вязкость рабочей среды распределены по всей длине гидравлической или пневматической линии, причем параметры потока могут изменяться при переходе от одной точки живого сечения к другой. Вследствие отмеченной особенности нестационарных течений реальных сред гидравлические и пневматические линии в общем случае относятся к системам с распределенными по пространственным координатам параметрами и описываются сложными уравнениями в частных производных, основными из которых являются уравнения Навье-Стокса. Рассмотренными в [66] методами усреднения характеристик нестационарных потоков по площади живого сечения математические модели гидравлических и пневматических линий удается свести к моделям с параметрами, распределенными только вдоль линии. При малом влиянии сжимаемости рабочей среды на изучаемые процессы и в предположении бесконечной жесткости стенок трубопровода или канала математические модели гидравлических и пневматических линий могут быть представлены в сосредоточенных параметрах. В этом случае нестационарное течение среды описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями. В качестве предполагаемого функционального базиса могут быть использованы интерполяционные полиномы Эрмита [7,59].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сизов, Александр Николаевич, 2007 год

1. Абросимов Н.А., Баженов В.Г., КибецА.И., Садырин А.И., ЧекмаревД.Т. Нелинейные задачи динамики конструкций. // Математическое моделирование. 2000. - Т. 12, №6. - с. 47.

2. Акименко Д.А. Решение обратных задач динамики систем автоматического управления с использованием спектрального метода: Автореф. дис. канд. техн. наук. Обнинск, 1999. - 20 с.

3. Аксельрад Э.Л. Гибкие оболочки. М.: Наука, 1976.-376 с.

4. Аксельрад Э.Л., Ильин В.П. Расчет трубопроводов. Л.: Машиностроение, 1972.-240 с.

5. Алберг Дж., Ншьсон Э., УолшДж. Теория сплайнов и её приложения / Пер. с англ. -М.: Мир. 1972.-316 с.

6. Анализ и оптимальный синтез на ЭВМ систем управления / Под ред. А.А. Воронова и И.А. Орурка. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 344 с.

7. Аульченко С.М., Латыпов А.Ф., Никуличев Ю.В. Применение локальных параметрических полиномов для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений. / Труды Международнй конференции RDAMM-2001, т.6, ч.2, спец. выпуск.

8. Беднаржевский В. С. Влияние конструктивных параметров на динамику паровых котлов // Проблемы энергетики. 2002. -№9-10 - с.3-12.

9. Беднаржевский B.C., Оскорбин Н.М. Динамическая математическая модель парового котла БКЗ 420-140-9 // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. 2002. - №3-4.- с.8-13.

10. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб.: Наука, 1998.

11. Бирбраер А.Н., Роледер А.Ю., Блиман А.И., Костров Г.Л., Архипов С.Б., Адливанкина КГ., Опалихина Е.И., Лахти М.И. Методы и результаты расчетов строительных конструкций АЭС на особые динамические воздействия. // Тяжёлое машиностроение. 2000. - №8.

12. Богомолов С.К, Журавлева A.M. Взаимосвязанные колебания в турбома-шинах и газотурбинных двигателях. Харьков: Вища школа, 1973. 180 с.

13. Богомолов С.И., Журавлева A.M. Колебания сложных механических систем. Харьков: Вища школа, 1978. 136 с.

14. БойчукЛ.М. Метод структурного синтеза нелинейных систем автоматического управления. М.: Энергия, 1971.

15. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982.

16. В. А. Светлицкий. Механика стержней. В двух частях. Часть 1. Статика. М.: Высшая школа, 1987.

17. В.А. Молодецкий. Перемещения наземного трубопровода. Сборник трудов,- "Гидротехнические сооружения, основания и фундаменты, инженерные конструкции",- М., 1982. 222 с.

18. Вайнберг М.М. Функциональный анализ: спец. курс. Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов. -М.: Просвещение, 1979.

19. Вереземский В.Г. Применение одноразмерного плавно изменяющегося движения к расчету непризматических участков безнапорных закрытых водоводов// Гидротехническое строительство 1966. - № 7. - с. 46-49.

20. Веселое Ф.В., Волкова Е.А., Макаров A.JI., Макарова А.Е. Обеспечение устойчивого развития электроэнергетики России в условиях рынка // Энергорынок. 2004. - №10

21. Галеркин Ю.Б., Рекстин Ф.С., Вельская Э.А. Методы исследования центробежных компрессорных машин. М.: Машиностроение, 1969.

22. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов IT. М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982.

23. Гликман Б. Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1974.

24. Грудев ИД. Толстые упругие стержни, пластинки и оболочки. М.: Ака-демпринт, 2001. - 172 с.

25. Дмитриев А.Н., Егупов Н.Д., Шестопалов A.M., Моисеев Ю.Г. Машинные методы расчёта и проектирования систем электросвязи и управления. М.: Радио и связь, 1990.

26. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко В.Л. Методы сплайн-функций. М.: Наука. - 1980. - 350 с.

27. Иванов Б.Н. Мир физической гидродинамики: От проблем турбулентности до физики космоса. М.: Едиториал УРСС, 2002. - 239 с.

28. Иванов В.А. Регулирование энергоблоков. -М.: Машиностроение, 1980.

29. Ильгамов М.А. Введение в нелинейную гидроупругость. М.: Наука, 1991. -200 с.

30. Ильгамов М.А. Колебания упругих оболочек, содержащих жидкость и газ. М.: Наука, 1969.- 182 с.

31. Ильгамов М.А. Статические задачи гидроупругости. Казань: ИММ РАН, 1994.-208 с.

32. Ильгамов М.А., Иванов В.А., Гулин Б.В. Прочность, устойчивость и динамика оболочек с упругим заполнителем. М.: Наука, 1977. 332 с.

33. Ильгамов М.А., Иванов В.А., Гулин Б.В. Расчет оболочек с упругим заполнителем. М.: Наука, 1987. -264 с.

34. Исследование и совершенствование элементов паротурбинных установок: Юбилейный сборник трудов научно-исследовательского центра Калужского турбинного завода / Под общ. ред. Мильмана О.О. Калуга: изд-во Манускрипт. - 2002.

35. Кавитационные автоколебания /Пшипенко В.В.; АН УССР. Инс-т техн. механики. Киев: Наук, думка, 1989.

36. Карышев А.А. Методы, алгоритмы и программное обеспечение анализа и параметрического синтеза энергетического блока «котёл-турбина». Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. Калуга, 2006. - 19 с.

37. Киселёв Н.В., Рассудов JI.H., Щипцов В.В. Перестраиваемые нелинейности в системах автоматического управления. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982.-88 с.

38. Клюев А.С. Автоматическое регулирование: Учебник для сред. спец. учеб. заведений. -М.: Высш. шк., 1986.

39. Ковалевич О.М., Вереземский В.Г. Безопасность АЭС и прочность элементов оборудования при продлении срока эксплуатации блоков первого поколения. //Ат. энергия. 2001. - т.90, вып.2. - с.90-96.

40. Колесников А.А. Последовательная оптимизация нелинейных агрегированных систем управления. М.: Энергоатомиздат, 1987.

41. Корнейчук Н.П. Сплайны в теории приближения. М.: Наука. - 1984. -352 с.

42. Костовецкий Д.Л. Об оценке усталостной прочности колен трубопроводов при больших пластических деформациях.// Проблемы прочности. -1986. -N8. -с.76-78.

43. Костовецкий Д.Л. Прочность трубопроводных систем энергетических установок. Л.: Энергия, 1973. 264 с.

44. Красносельский М.А., Вайнико Г.М., Забрейко П.П. и др. Приближённое решение операторных уравнений. М.: Наука. - 1969. - 455 с.

45. Кузин Ф.А. Кандидатская диссертация. Методика написания, правила оформления и порядок защиты. Практическое пособие для аспирантов и соискателей учёной степени. 2-е изд. - М.: «Ось-89», 1998. - 208 с.

46. Куликов Ю.А. Имитационные модели и их применение в управлении строительством. М.: Стройиздат, 1983.

47. Л. Коллатц. Функциональный анализ и вычислительная математика. Пер. с нем. И.Г. Нидеккер. Под ред. А.Д. Горбунова. М.: Мир, 1969.

48. Лапин С.В., Егупов Н.Д. Теория матричных операторов и её приложение к задачам автоматического управления. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.-496 с.

49. Лебедев И.К. Гидродинамика паровых котлов: Учебное пособие для ВУЗов. -М.: Энергоатомиздат, 1987.

50. Липин А.В. Разработка технических средств защиты трубопроводов систем автоматики и контроля от волновых процессов и их влияние на окружающую среду. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. Москва, 2000.

51. Макаров В.Л., Хлобыстов В.В. Сплайн-аппроксимация функций: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высш. шк., 1983. - 80 с.

52. Мансуров М.Н., Черный В.П. Методы расчета морских трубопроводов на прочность и устойчивость. // Газовая промышленность. 2005. - №2.54