Математическое моделирование и оптимизация динамических процессов в котельных агрегатах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Жарков, Павел Валерьевич

• Жарков, Павел Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жарков, Павел Валерьевич

Введение

Глава 1. Аналитический обзор методов управления динамическими процессами в котельных агрегатах

1.1. Основные этапы развития теории автоматического управления и теории решения задач оптимального управления

1.2. Классификация систем автоматического управления и регуляторов

1.3. Технологические схемы систем автоматического регулирования парового энергетического котла

1.4. Методы математического моделирования элементов котельных агрегатов

Глава 2. Математические модели элементов динамической модели парового энергетического котла

2.1. Математическая модель конвективных теплообменников

2.2. Математическая модель радиационных экранов

2.3. Математическая модель полурадиационных (ширмовых) пароперегревателей

2.4. Математическая модель трубчатого воздухоподогревателя

2.5. Математическая модель топки котла

2.6. Математическая модель барабана-сепаратора

2.7. Математическая модель парового энергетического котла

Глава 3. Методика управления динамическими процессами в паровом котле на основе оптимального управления

3.1. Постановка задачи оптимального управления процессом изменения нагрузки котла

3.2. Сведение задачи оптимального управления к задаче нелинейного программирования

3.3. Переход к задаче линейного программирования

3.4. Методика коррекции результатов решения задачи линейного программирования с использованием подробной (нелинейной) модели котла и с использованием замеров регулируемых параметров на объекте управления

Глава 4. Использование методики управления динамическими процессами для процесса изменения нагрузки парового энергетического котла ТП

4.1. Общая характеристика математической модели котла ТП

4.2. Коррекция линеаризованной модели котла

4.3. Оценка эффективности применения методики управления динамическими процессами для разных диапазонов нагрузки котла

4.4. Пример применения методики в качестве блока управления для процесса изменения нагрузки котла

4.5. Решения задачи наискорейшего изменения нагрузки котла 90 Заключение 92 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование и оптимизация динамических процессов в котельных агрегатах»

В России, как и в большинстве стран мира, определяющую роль в структуре производства электроэнергии (примерно 70 %) и тепла играют тепловые электростанции на органическом топливе, в том числе использующие твердое топливо [1]. В настоящее время в России актуальна проблема обеспечения качества электроэнергии и повышения маневренности ТЭС, улучшения надежности работы оборудования в нестационарных режимах.

В процессе эксплуатации происходит изменение режимов работы оборудования ТЭС. Это связано с изменением тепловых и электрических нагрузок, изменением температуры наружного воздуха, изменением состава сжигаемого топлива (особенно для угольных ТЭС), изменением состава работающего оборудования в связи с аварийными отказами и рядом других причин. Топливная и экономическая эффективность ТЭС, отдельных ее элементов, а так же их надежность во многом зависит от эффективности управления динамическими процессами в энергетическом оборудовании. В наибольшей мере это относится к паровым энергетическим котлам, в которых происходят сложные физико-химические процессы горения топлива, радиационного и конвективного теплообмена, парообразования и

ДР- И

Вопросы описания динамических процессов в энергетических котлах и управление этими процессами привлекали внимание ученых как в нашей стране, так и за рубежом на протяжении длительного времени.

Были разработаны принципы автоматического управления и созданы автоматические регуляторы, обеспечивающие управление динамическими процессами в широком диапазоне нагрузок. Вместе с тем, используемые методы регулирования процессов в паровых энергетических котлах имеют существенные недостатки.

Это связано с тем, что формирование управляющих воздействий для изменения нагрузки и поддержания требуемых параметров котла осуществляется с помощью системы регуляторов, работающих по заранее заданным, достаточно простым законам регулирования [3,4,5]. Использование таких регуляторов не позволяет осуществлять принцип оптимального управления, так как при этом не учитывается совместное влияние всех параметров состояния котла, динамика изменения температуры металла, не обеспечивается минимальный расход топлива в переходном процессе и нахождение всех параметров котла в допустимых пределах. Переход на более эффективные методы управления динамическими процессами в энергооборудовании, основанные на методах оптимального управления, был невозможен из-за недостаточных вычислительных ресурсов компьютерной техники для решения задачи в реальном времени [6]. В последние годы производительность вычислительной техники значительно выросла и появилась возможность решения таких задач. В настоящее время проблема состоит в практически полном отсутствии методических, алгоритмических и программных разработок, реализующих методы оптимального управления для объектов теплоэнергетики. Этим обусловлена актуальность, научная новизна и практическая значимость предлагаемой работы.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является: создание единой методики управления динамическими процессами в паровом котле основанной на методах оптимального управления;

- создание динамических математических моделей элементов котельного агрегата и модели котла в целом, которые могут быть использованы для решения задач оптимизации динамических процессов в котле;

- иллюстрация применения созданной методики на примерах оптимизации динамических процессов в реальном котле.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в получении впервые и вынесении на защиту следующих результатов работы:

- постановка задачи оптимального управления динамическими процессами в котельном агрегате, базирующаяся на сочетании его нелинейных и линейных математических моделей, создание динамической математической модели котельного агрегата для решения задачи оптимизации переходных процессов, трансформация задачи оптимального управления процессом изменения нагрузки котла к задаче нелинейного программирования с последующей линеаризацией этой задачи (что значительно сокращает время ее решения);

- разработка методики коррекции результатов линейной оптимизации динамического процесса с использованием подробной (нелинейной) модели котла и с использованием замеров регулируемых параметров на объекте управления;

- иллюстрация разработанной методики оптимального управления динамическими процессами на примере котла ТП-81; сравнение качества управления работой котла при использовании для формирования управляющих воздействий системы ПИД регуляторов и разработанной методики.

Практическая ценность

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный подход, эффективные алгоритмы и программы дают возможность использовать методику оптимизации динамических процессов в паровом котле, для управления объектом в режиме реального времени, что позволяет сократить расход топлива в динамических процессах, организовать динамический процесс таким образом, чтобы в ходе этого процесса параметры всех элементов котла находились в допустимых пределах, что повышает надежность работы и долговечность его элементов.

Апробация работы

Основные результаты работы опубликованы в 7 печатных изданиях и обсуждались:

- на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2005, 2006, 2007, 2008);

- на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2007);

- на XIII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2007» (Томск, 2007)

- в 3-й и 4-й научно-технических конференциях «Автоматическое управление технологическими процессами производства, распределения и потребления энергии как средство энергосбережения, повышения надежности теплоэлектроснабжения, улучшения экологии» (Санкт -Петербург, 2006, 2007).

- XXI - Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21» (Саратов, 2008).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка литературы, содержащего 81 наименование. Общий объем работы 102 страницы. Работа содержит 24 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Жарков, Павел Валерьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана единая методика управления динамическими процессами в паровом котле основанная на сочетании его нелинейных и линейных математических моделей. Произведена трансформация задачи оптимального управления процессом изменения нагрузки котла к задаче нелинейного программирования. За счет последовательного использования линейных и нелинейных моделей котла достигнуто существенное ускорение решения задачи оптимального управления. Применение базы данных значений коэффициентов и свободных членов функции цели и ограничений, определенных для всего диапазона нагрузок работы котла, позволило сократить рассогласования между линейной и нелинейной моделями.

2. Разработана методика коррекции результатов линейной оптимизации динамического процесса с использованием подробной (нелинейной) модели котла и с использованием замеров регулируемых параметров на объекте управления.

3. Созданы динамические математические модели элементов котельного агрегата, и модели котла в целом, которые могут быть эффективно использованы для решения задач оптимизации динамических процессов в котле.

4. На примере математической модели парового энергетического котла ТП-81 показана эффективность использования методики при формировании управляющих воздействий для изменения нагрузки и поддержания требуемых параметров котла по сравнению с применением ПИД регуляторов. Разработанная методика обеспечила в ходе динамического процесса увеличение удельного отпуска тепловой энергии от котла.

5. Предложена схема применения методики в качестве блока управления для процесса изменения нагрузки котла. Показан пример решения задачи наискорейшего изменения нагрузки котла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жарков, Павел Валерьевич, 2008 год

1. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно технические аспекты. Энергетическая безопасность (Проблемы функционирования и развития электроэнергетики) М/.МГФ Знание, 2001.

2. Мадоян А.А., Моргунова В.А. Повышение эффективности использования котлов, работающих на углях марки АШ в режимах переменных нагрузок // Теплоэнергетика. 2002. - №4. - С. 21 - 24.

3. Автоматическое управление теплоэнергетическими установками электростанций (техническая кибернетика в теплоэнергетике), М.: Энергия, 1968.-91с.

4. Автоматика: Учебник для сред. проф. образования / Владимир Юрьевич Шишмарев. М.: Издательский центр «Академия», 2005. -288с.

5. Автоматическое регулирование объектов теплоэнергетики: Учебное пособие / Липатников Г.А., Гузеев М.С. 2007 г. 136 с.

6. Дуэль М.А. Автоматическое управление блочными энергоустановками с применением вычислительных машин // «Техшка», 1969. 244с.

7. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. 2-е изд., перераб. и доп. - К. : Выща шк. Головное изд-во, 1989. -431 с.

8. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. — Л.: Энергия, 1969г.-376с.

9. Максвелл Д.К., Вышнеградский И.А., Стодола А. Теория автоматического регулирования. М.: Изд. АН СССР, 1949публикация работ Д.К. Максвелла 1868 г., И.А. Вышнеградского -1876 и 1877 г., и Стодолы А. 1878, 1894 и 1899 гг.), 430с.

10. Ляпунов A.M. Общая задача об устойчивости движения. Харьков, 1892. Вторично опубликовано в издании: Ляпунов A.M. Собрание сочинений, т.2. М.: Изд. АН СССР, 1956.

11. Вознесенский И.Н. О регулировании машин с большим числом регулируемых параметров // Автоматика и телемеханика. 1938. - №4 -5.

12. Мееров М.В. Системы многосвязного регулирования. М.: Наука, 1965.-384с.

13. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования. М.: Энергия, 1970. - 288с.

14. Ивановский Р.И., Таранов А .Г. Синтез многомерных систем автоматического управления с применением ЭЦВМ. М.: Наука, 1970. - 172с.

15. Охоцимский Д.Е. К теории движения ракет// Прикладная математика и механика. 1946. Т. 10. №. 2. С. 251-272.

16. Охоцимский Д.Е. Энеев Т.М. Некоторые вариационные задачи, связанные с запуском искусственного спутника Земли// Успехи физических наук. 1957. Т. 63. № 1а. С. 5-32.

17. Давыдов Б.Л. Перспективы и задачи теории рудничного подъема. -Уголь, 1950, №11.

18. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. — М.: Физматгиз, 1961.

19. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. М., 1975. -528 с.

20. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.-488 с.

21. Петров Ю.П. Очерки истории теории управления. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 272 с.:ил.

22. Мухин B.C., Саков И.А. Приборы контроля и средства автоматики тепловых процессов: Учебное пособие для СПТУ. М.: Высш. шк., 1988.-256 с.

23. Теплоэнергоэффективные технологии: Информационный бюллетень. Санкт-Петербург Академический центр теплоэнергоэффективных технологий, 2006. - Вып. №4(45). - 80с.

24. Теория автоматического управления: учебник для вузов / В .Я. Ротач. -4-е изд., стереот. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 400 е., ил.

25. Вульман Ф.А., Хорьков Н.С. Тепловые расчеты на ЭВМ теплоэнергетических установок. Под общ. ред. В.Я. Рыжкина. М.: Энергия, 1975.-200 с.

26. Труды центрального научно-исследовательского института комплексной автоматизации // М.: Энергия, 1967. — вып. 16. 312 с.

27. Вульман Ф.А., Хорьков Н.С., Куприянова JI.M. Применение модульного принципа для описания задач математического моделирования теплоэнергетических установок. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1978. - №4. - С.129 — 136.

28. Палагин А. А. Автоматизация проектирования теплосиловых схем турбоустановок. Киев: Наукова думка, 1983. 160 с.

29. Палагин А. А. Логически-числовая модель турбоустановки // Проблемы машиностроения, 1975. Вып. 2. - С. 103 - 106.

30. Палагин А.А. Имитационный эксперимент на математических моделях турбоустановок. Киев: Наук, думка, 1986. — 132с.

31. Шубенко Шубин JI. А., Палагин А. А. Об автоматическом синтезировании оптимальных конструкций в турбостроении // Энергомашиностроение, 1970. -№ 4. - С. 45-51.

32. Шубенко-Шубин Л. А., Палагин А. А. Цели и основные принципы автоматизации проектирования турбин. -Харьков: ИПМАШ, 1970. 40 с.

33. Математическое моделирование и комплексная оптимизация теплоэнергетических установок /Попырин Л. С. и др. // Системы энергетики: управление развитием и функционированием. Иркутск: СЭИ СО РАН СССР, 1986. - С. 36-38.

34. Методы математического моделирования и комплексной оптимизации при неопределенности исходной информации: Сб. работ / АН СССР Сиб. отд-ние. Сиб. энерг. инт-т; Под ред. Попырина Л.С. Иркутск: Вост-Сиб. изд-во, 1977. - 192 с.

35. Методы оптимизации сложных энергетических установок / А.М.Клер, Н.П.Деканова, Т.П.Щеголева и др. Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1993. - 116 с.

36. Попырин Л. С., Клер А. М. , Самусев В. И. Оптимизация состава основного оборудования и тепловой схемы ТЭЦ // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1979. -№5 — С. 24-34.

37. Попырин Л. С., Самусев В. И., Эпелыптейн В. В. Автоматизация математического моделирования теплоэнергетических установок. -М.: Наука, 1981.-236 с.

38. Попырин Л:С. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок. -М.: Энергия, 1978.-416 с.

39. Карпов В. Г., Кесельман Д. Я., Подкорытов В. Н. Алгоритм преобразования ориентированного графа в бесконтурный // Тр. Иркут. гор. семинара по прикл. математике. Иркутск, 1969. - вып. 1. - С. 64 -81.

40. Карпов В. Г.,Попырин Л. С.,Самусев В. И., Эпелыптейн В. В. Автоматизация построения программ для расчета схем теплоэнергетических установок // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1973. - № 1. - С. 129 - 137

41. Бейрах З.Я. Вывод уравнений динамики барабанного парового котла // Автоматика и телемеханика. — 1939. — №2. — С. 8 — 10.

42. Шумская JI.C. Скорость изменения давления в барабанных котлах при нестационарных режимах // Теплоэнергетика. 1964. - №4 . - С.46 -50.

43. Шумская JI.C. Динамика температур однофазных теплообменников и выбор оптимальных настроек регуляторов при различных режимах // Теплоэнергетика. 1969. - №3. - С.13 - 18.

44. Вознесенский И.Н. Автоматическое регулирование паровых котлов // Труды таучно-технической сессии по котлостроению. 1948. - с. 194

45. Арманд А.А. Расчет переходных процессов в теплообменниках // Сборник «Теплообмен при высоких тепловых нагрузках и других специальных условиях». Госэнергоиздат, 1959

46. Таль А.А. О динамических свойствах однофазных участков пароводяного тракта котла // Известия АН СССР. серия ОТН. - 1957. — №2

47. Рущинский В.М. Пространственные линейные и нелинейные модели котлоагрегатов. Труды ЦНИИКА, 1969, вып.22, С.8-15.

48. Серов Е.П. Работа прямоточных котлов при переменном режиме // Труды МЭИ. 1953. - вып. XI. - с.202 - 228

49. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика парогенераторов. 2-е изд., перераб. -М.: Энергоиздат, 1981. - 408 с.

50. В.М. Рущинский. Статья в сб. «Вопросы промышленной кибернетики». Труды ЦНИИКА, вып. 1(22), 1969.

51. Рубашкин А.С. Построение цифровых динамических моделей теплообменников на базе специализированного машинного языка // Теплоэнергетика. 1971. -№6. - С.58 - 61.

52. Давиденко К.Я., Рущинский В.М. Построение быстродействующей нелинейной модели прямоточного парогенератора // Теплоэнергетика.- 1972. — №3. С.78 -81.

53. Шубенко-Шубин JL А., Косяк Ю. Ф. и др. Исследование некоторых маневренных характеристик турбоустановки К-300-240 ХТГЗ с помощью математической модели. — «Энергомашиностроение», 1971, № 5, с. 3—6.

54. Хорьков Н. С., Носков А. И. и др. Расчет на ЭЦВМ динамических характеристик прямоточного котла. — «Теплоэнергетика», 1970, № 7, с. 33—37.

55. Рушинский В, М., Смирнов В. Н. Цифровая модель котло-агрегата сверхкритических параметров. — «Теплоэнергетика», 1970, № 6, с. 61—68.

56. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1981.- 416 е., ил.

57. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод./ Под ред. Н.В.Кузнецова. М.: Энергия, 1973. 296 с.

58. Гидравлический расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия, 1978.-255с.

59. Аэродинамический расчет котельных установок. Нормативный метод./ Под ред. С.И.Молчана . JL: Энергия, 1977. 256 с.

60. Клер A.M., Скрипкин С.К., Деканова Н.П., Автоматизация построения статических и динамических моделей теплоэнергетических установок // Изв. РАН. Энергетика. 1996. - №3. - С. 78 - 84.

61. Kler A.M., Mai V.A., Skripkin S.K. A System for computer-based creation of static and dynamic mathematical models of thermal power plants //

62. Expert Systems and Computer Simulation in Energy Engineering. -Erlanger, 1992.-P. (22-4-l)-(22-4-3).

63. M.M. Савин, B.C. Елсуков, O.H. Пятина Теория автоматического управления; под ред. д.т.н. проф. В.И. Лачина. Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 469с.

64. Жарков П.В. Оптимизация динамических процессов в паровом котле // Системные исследования в энергетике (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 37). Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2005. - С. 125 -130.

65. Клер A.M., Жарков П.В. Оптимальное управление динамическими процессами в паровом котле // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: Сборник научных трудов / Под ред. акад. РАН В.Е. Накорякова. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - Вып. 10. - С. 17 -26.

66. Стырикович М.А., Катковская К.Я., Серов Е.П., Парогенераторы электростанций, М. Л., изд-во «Энергия», 1966 г., 384 с. с черт.

67. Пржиялковский М.М. Циркуляция воды при нестационарных режимах работы котлов. БТИ ОРГРЭС. М., 1961.

68. Жарков П.В. Применение оптимального управления для динамических процессов в паровом котле // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2007. - №1(29) - С. 50.

69. Клер A.M., Жарков П.В. Оптимизация динамических процессов в котельном агрегате // Теплофизика и аэромеханика. — 2007 том 14 — №3.-С.477- 487.

70. Теплосиловые системы: Оптимизационные исследования / A.M. Клер, Н.П. Деканова, Э.А. Тюрина и др. Новосибирск: Наука, 2005. — 236 с.

71. Мейкляр М.В. Современные котельные агрегаты ТКЗ. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978. - 223 с.

72. Фиакко А., Мак-Кормик Г. Нелинейное программирование. Методы последовательной безусловной минимизиции. М.: Мир, 1972. — 240 с.

73. Хемминг Р.В. Численные методы. М., 1968. - 400с.

74. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельников Г.М. Численные методы: Учеб. пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. — 600с.

75. Развитие алгоритмов внутренних точек и их приложения к системам неравенств / А.Ю.Филатов, Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001. - 124 с.

76. Бартеньев О.В. Современный фортран. 4-е изд., доп. и перераб. - М.: ДИАЛОГ - МИФИ, 2005 - 560 с.

77. Жарков П.В., Клер A.M. Методика управления динамическими процессами в паровом котле // Сборник трудов XXI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21», 2008. том 6. - С.253 - 257.

78. П.В. Жарков, A.M. Клер Оптимизация динамических процессов в котельном агрегате с использованием его нелинейной математической модели // Научно-технические ведомости СПбГПУ, № 1 (53), 2008. С. 41 -49.