Математическое моделирование, оптимизация, управление и диагностика воздушного конденсатора паросиловой установки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Култаев, Беркин Баянгалиевич

• Култаев, Беркин Баянгалиевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Култаев, Беркин Баянгалиевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОБЪЕКТА, МЕТОДОВ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Сравнительный анализ конденсационных систем ТЭС и АЭС.

1.2. Выбор метода исследования.

1.3. Обзор научно-исследовательских работ с применением планирования эксперимента.

1.4. Алгоритм определения математической модели по.результатам пассивного эксперимента.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СТАТИКИ ВКУ.

2.1. Воздушно-конденсационная установка как объект исследования и управления.

2.2. Процессы, влияющие на величину разрежения (вакуума) в конденсаторе турбины.

2.3. Анализ факторов, влияющих на значение вакуума в конденсаторе.

2.4. Математические модели воздушного конденсатора ВК-110 и турбоустановки К-37-3,4.

Глава 3. ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ТУРБОУСТАНОВКИ С ВОЗДУШНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ ВК-110 В ЛЕТНИЙ И ЗИМНИЙ ПЕРИОДЫ.

3.1. Выбор целевых функций и методов оптимизации.

3.2. Алгоритмы оптимизации работы турбоустановки с ВКУ.

3.3. Диагностика состояния воздушно-конденсационной установки.

3.4. Обеспечение безаварийной работы турбоустановки с воздушным конденсатором в зимний период.

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ ТУРБОУСТАНОВКИ С ВКУ.

4.1. Описание программы «Воздушный конденсатор ВК-110».

4.2. Программа для оптимизации режима работы турбоустановки с воздушным конденсатором.

4.3. Результаты применения алгоритма управления в зимний период.

4.4. Результаты применения алгоритма оптимизации по удельному расходу пара.

4.5. Прогноз результатов применения алгоритма оптимизации по удельному расходу тепла.

4.6. Особенности реализации алгоритмов оптимизации с расчетными процедурами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование, оптимизация, управление и диагностика воздушного конденсатора паросиловой установки»

Одним из основных условий в развитии ТЭС и АЭС является наличие достаточного количества охлаждающей воды, снабжение которой может производиться от разных источников. Использование прямоточной системы водоснабжения, при которой в конденсатор турбины постоянно подается свежая холодная вода, ограничено, и возможности его применения с каждым годом суживаются [70]. Большое распространение получают системы оборотного водоснабжения, в которых осуществляется повторное использование отработавшей в конденсаторе воды после охлаждения в атмосферных условиях.

Расход воды на ТЭС при использовании прямоточного водоснабжения в среднем составляет около 160 м3/(МВт-ч), при оборотном водоснабжении с испарительными градирнями расход на порядок ниже, однако и в этом случае необходимость в воде велика (кратность охлаждения обычно составляет 5075).

Традиционные способы водоснабжения в виде искусственных водохранилищ и прудов, брызгальных бассейнов и испарительных градирен наряду с преимуществами имеют ряд серьезных недостатков, основными из которых являются:

- сброс в водоемы больших масс подогретой воды («тепловое загрязнение»), неблагоприятно действующих на гидробиологическое состояние водоемов;

- затопление обширных территорий и потеря сельхозугодий вследствие создания водоемов-охладителей;

- большие безвозвратные потери циркуляционной воды и необходимость сооружения водозаборных и очистных сооружений;

- образование отложений в виде накипи и биообразований в теплообменном оборудовании;

- зависимость от источника водоснабжения.

Максимальная экономия свежей воды и, где это возможно, внедрение «сухих» процессов - направление, являющееся в современной энергетике и промышленности в целом особенно актуальным. Все возрастающий дефицит водных ресурсов заставляет искать новые, более рациональные системы охлаждения циркуляционной воды, а также новые системы конденсации пара.

Интерес с этой точки зрения представляет тенденция использования в качестве охладителя окружающего воздуха. К таким системам относятся, например, широко известные в настоящее время конденсационно-охладительные установки (КОУ) системы Геллера-Форго (Венгрия), а также различного вида воздушно-конденсационные установки (ВКУ).

Применение воздушно-конденсационных установок в составе паротурбинных установок во многих случаях оказывается единственно возможным решением. Практическое отсутствие безвозвратных потерь воды является существенным преимуществом указанных систем, поэтому в определенных условиях они могут оказаться вне конкуренции. Однако следует отметить, что переход к конденсационно-охладительным или воздушно-конденсационным установкам связан со значительным увеличением капитальных и эксплуатационных затрат. Поэтому, а также ввиду отсутствия достаточной ясности по ряду технических вопросов, такие системы еще не получили широкого применения. Значительная роль неуправляемых природно-климатических факторов, как и сложность взаимосвязанных тепло-и гидродинамических явлений, имеющих место в процессе охлаждения и конденсации, не позволяли до последнего времени в полной мере оценить особенности и преимущества этих систем.

Возможность учета многих существенных факторов природно-климатических (температура и влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра и т.д.), режимных, появилась по мере развития математических методов и средств вычислительной техники

Основой как для повышения эффективности работы воздушно-конденсационных установок в различных климатических условиях, так и оптимальной модернизации их конструкции служат теоретические разработки такого характера в сочетании с натурно-экспериментальными исследованиями.

Подавляющая часть выполненных на сегодняшний момент исследований в данной области касается ВКУ, в которых происходит использование воды в качестве промежуточного теплоносителя. Объектом исследования в данной работе является воздушный конденсатор ВК-110 производства Калужского турбинного завода. Прямоточные воздушные конденсаторы поверхностного типа, к которым относится ВК-110, до настоящего времени изучены недостаточно, что является причиной эксплуатации паросиловой установки с ВКУ в неоптимальных режимах.

Отсутствие средств диагностики ВКУ зачастую приводит к нарушениям в работе и раннему износу оборудования. .

Кроме того, в исследованиях практически не затрагиваются вопросы оптимизации и управления ВКУ в различных режимах работы турбоустановки. Не решены полностью задачи обеспечения безаварийной работы и сохранности оборудования ВКУ при низких температурах окружающего воздуха.

Вследствие этого актуальным является построение математических моделей для разработки алгоритмов оптимизации работы и средств диагностики ВКУ, а также решение вопросов обеспечения сохранности оборудования и безаварийной работы паросиловой установки с воздушным конденсатором в широком диапазоне изменения внешних условий.

Целями настоящей работы являются:

1) исследование режимов работы воздушно-конденсационной установки с применением регрессионных моделей для получения реальных тепловых характеристик основных узлов системы конденсации пара в ВКУ при глубоких изменениях внешних условий;

2) разработка алгоритмов оптимизации работы и диагностики состояния турбоустановки с воздушным конденсатором;

3) разработка алгоритма управления воздушным конденсатором при отрицательных температурах наружного воздуха.

В данной работе поставлены следующие основные задачи:

1. Задача моделирования:

- построить адекватную по F-критерию полиномиальную модель со статистически значимыми коэффициентами регрессии вида: к к

Ра=а о + £ aiXi + X aijXiXj + £ auXf +.,

1 i<j ;=1 где ра— выходная переменная (абсолютное давление в конденсаторе); X), Х2,., Xj, ., Хк — влияющие факторы; ап> ait а^ ац,.~ оценки коэффициентов регрессии, К— количество влияющих факторов.

2. Задача оптимизации:

- выбрать целевую функцию z = /(xl,.,xn), отражающую качество работы ВКУ в составе паросиловой установки и найти значения переменных х{,х2,.,хп, доставляющие максимум (минимум) целевой функции при условиях gi(xl,x2,.,xn)=bi (i = \,m), > выбор которых осуществить, исходя из требований технологического процесса.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Култаев, Беркин Баянгалиевич

Выводы по четвертой главе

1. Созданы вычислительные программы, осуществляющие:

- расчет значений вакуума в конденсаторе, вырабатываемой и полезной мощностей турбоустановки в широком диапазоне изменения условий работы оборудования;

- решение задачи оптимизации по удельному расходу тепла на производство электроэнергии методом многомерного сканирования;

- элементы диагностики воздушно-конденсационной установки и паровой турбины.

2. Применение алгоритма управления ВКУ в зимний период позволило существенно снизить количество случаев разгерметизации теплообменников ВК при отрицательных температурах наружного воздуха.

3. Произведено опробование алгоритма минимизации удельного расхода пара на действующем объекте, в результате которого отмечено снижение удельного расхода пара в среднем на 4%. Осуществлена проверка статистической значимости разности средних.

4. Рассчитаны прогнозируемые значения удельного расхода тепла с применением алгоритма оптимизации по трем управляющим факторам. Произведен сравнительный анализ прогнозируемых и действительных значений удельного расхода тепла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено изучение работы воздушно-конденсационной установки с воздушным конденсатором ВК-110; рассмотрены и проанализированы процессы, влияющие на вакуумообразование - конденсация и отсос несконденсировавшихся газов.

2. Определены основные факторы, характеризующие протекание процесса вакуумообразования в воздушно-конденсационной установке:

1) расход пара в конденсатор, температура охлаждающего воздуха,

2) расход охлаждающего воздуха, определяемый количеством включенных в работу вентиляторных установок ВК-110 и частотой вращения каждого из вентиляторов,

3) среднее отклонение температуры слива воздушного конденсатора в качестве величины, определяющей степень неравномерности парораспределения.

3. Построены линейные и нелинейные по переменным модели статики воздушного конденсатора и турбоустановки на основе мгновенных и средних значений влияющих факторов; проведена статистическая обработка полученных моделей.

4. Поставлены и решены следующие задачи оптимизации работы турбоустановки с воздушным конденсатором:

- поддержание минимального удельного расхода пара на турбину с применением аналитического метода оптимизации;

- поддержание максимальной полезной мощности с применением метода сканирования;

- поддержание минимального удельного расхода тепла на производство электроэнергии с применением метода сканирования.

5. Разработан алгоритм диагностики, позволяющий производить количественную оценку процессов конденсации и отсоса неконденсируемых газов в ВКУ.

6. Рассмотрены проблемы, возникающие в работе воздушного конденсатора при отрицательных температурах наружного воздуха. Разработан алгоритм управления воздушным конденсатором в зимний период, позволяющий существенно снизить количество случаев переохлаждения и замерзания конденсата.

7. Созданы вычислительные программы, осуществляющие:

- расчет значений вакуума в конденсаторе, вырабатываемой и полезной мощностей турбоустановки в широком диапазоне изменения условий работы оборудования;

- решение задачи оптимизации по удельному расходу тепла на производство электроэнергии методом многомерного сканирования;

- элементы диагностики воздушно-конденсационной установки и паровой турбины.

8. Произведено опробование алгоритма минимизации удельного расхода пара на действующем объекте, в результате которого отмечено статистически значимое снижение удельного расхода пара в среднем на 4%.

9. Результаты применения алгоритма управления ВКУ в зимний период говорят о существенном снижении количества случаев разгерметизации теплообменников ВК при отрицательных температурах наружного воздуха.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Култаев, Беркин Баянгалиевич, 2004 год

1. Авакян А.Б., Баранов В.А. и др. Гидроэнергетические ресурсы. М.: Наука, 1967.-230 с.

2. Автоматизация крупных тепловых электростанций. Под ред. М.П.Шальмана. М.: Энергия, 1974. - 240 с.

3. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Исследование зависимостей: Справочное издание / Под ред. С.А.Айвазяна. М.: Финансы и статистика, 1985. - 487 с.

4. Акименкова В.М., Гиршфельд В.Я. Исследование летних режимов работы ТЭЦ с турбинами Т-100-130 при • оборотной системе водоснабжения / / Теплоэнергетика. 1972. - №2. - С. 75-77.

5. Акименкова В.М., Гиршфельд В.Я. Определение аналитических выражений для тепловых характеристик теплофикационных турбин методом планирования эксперимента / / Теплоэнергетика. — 1970. — №11.-С. 70-73.

6. Балакай В.И. Оптимизация состава электролита по регрессионной модели процесса никелирования / / Междунар. научн. конф. ММТТ-15: Тез. докл. Том. 6. — Тамбов, 2002.

7. Берман Л.Д. Тепловые выбросы конденсационных турбоагрегатов ТЭС и окружающая среда / / Теплоэнергетика. 1975. - №7. — С. 25-32.

8. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.:

9. Вычислительный центр АН СССР, 1968.

10. Борисов Г.М. Исследование тепловых характеристик основного теплоэнергетического оборудования тепловых электростанций с использованием статистических методов: Автореф. дис. на соискание ученой степени к.т.н. М., 1978. — 19 с.

11. Борисов Г.М., Гиршфельд В.Я. Экспериментальное определение влияния режимных факторов на экономичность парогенератора ТП-230Б при совместном сжигании АШ и мазута / / Теплоэнергетика. — 1977. — №6.-С. 22-25.

12. Н.Борисова Е.В., Френкель А.Я., Мокин В.А. Алгоритмы оптимизации работы конденсационной и воздухоудаляющей установок энергоблока мощностью 1200 МВт//Теплоэнергетика. 1985. -№10. — С. 30-35.

13. Боровиков В.П., Ивченко Г.И. Прогнозирование в системе STATISTIC А. М.: Финансы и статистика, 2000.

14. Вентиляторы осевые из композиционных материалов для градирен ВГ-25РК. Паспорт. М., 2001.

15. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1981.

16. Герасимов С.Г. Оценка тепловосприятия экранных поверхностей в барабанных котлах / / Теплоэнергетика. 1969. -№5. - С. 35-38.

17. Герасимов С.Г. Применение полного факторного эксперимента для исследования статистических свойств котлов / / Материалы научно-технической конференции МЭИ, 1968. — С. 120.

18. Гидрохимия и гидробиология водоемов охладителей электростанций СССР. Киев, Наукова думка, 1971. - 130 с.

19. Гиршфельд В.Я., Борисов Г.М., Удыма С.П., Акименкова В.М., Куликов

20. Гиршфельд В.Я., Морозов Г.Н. Тепловые электрические станции. — М.: Энергия, 1973.-238 с.

21. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. — М.: Высш. шк., 2002.-479 с.

22. Грицук А.В., Тейтельбаум A.M. Прогнозирование объемов поставки нефтепродуктов в регионы с использованием регрессионных моделей / / Междунар. научн. конф. ММТТ-15: Тез. докл. Том. 6. Тамбов, 2002.

23. Дементьев В.А. Работы ОАО «ЦНИИКА» по созданию интеллектуальных функций АСУТП объектов энергетики / / Труды Междунар. научн. конф. Control-2000. М.: МЭИ, 2000.

24. Доброхотов В.И., Жгулев Г.В. Эксплуатация энергетических блоков. -М.: Энергоатомиздат, 1987. — 256 с.

25. Ежов Е.В., Солодов А.П., Юшков Б.В. Расчетная модель тепломассообмена при струйной конденсации / / Международная научно-практическая конференция «Экология энергетики 2000»: Тез. докл. М., 2000. - С. 364-367.

26. Ермуратский П.В. Разработка и исследование методов экспериментальной оптимизации многофакторных объектов: Автореф. дис. на соискание ученой степени к.т.н. М., 1970. -32 с.

27. Ефимова М.Р., Петрова Е.В., Румянцев В.П. Общая теория статистики. — М.: ИНФРА-М, 2002. 416 с.

28. И.В.Долинин, Д.В.Тарасов. Оптимизация структуры сети и информационных потоков интегрированной АСУ ТЭЦ-27 «МОСЭНЕРГО» / / Труды Междунар. научн. конф. Control-2003. М.: МЭИ, 2003.

29. Игнатьев В.М, Пелевина А.Б., Белова Т.Б. Статистическое оценивание эффективности внесения мелиорантов в черноземы / / Междунар. научн. конф. ММТТ-15: Тез. докл. Том. 6. Тамбов, 2002.

30. Идентификация и оптимизация сложных объектов методами активного эксперимента / Мойсюк Б.Н.; Под ред. В.П.Бородюка М.: МЭИ, 1988. -141 с.

31. Исследование летних режимов работы ТЭЦ с турбинами Т-100-130 с использованием метода планирования эксперимента, отчет по НИР -МЭИ, 1971.-С.143.

32. Квинт. Программно-технический комплекс для автоматизации производственных процессов. Краткие сведения-М.: НИИТеплоприбор, 2000.

33. Кириллин В. А., Сычов В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. — М.: Энергия, 1983. -445 с.

34. Кондратенко А.В. Математическая модель циркуляционного барабанного котла / / Научно-техническая конференции МЭИ: Тез. докл. -М, 1969.-С. 132-134.

35. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Пер. с англ. М.: Наука, 1968. - 720 с.

36. Костылев А.А., Миляев П.В., Дорский Ю.Д. и др. Статистическая обработка результатов экспериментов. — JI.: Энергоатомиздат, 1991.

37. Крохин Г. Д. Функциональная диагностика энергоустановок электростанций: Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. -Новосибирск, 1996.

38. Култаев Б.Б., Панько М.А. Оптимизация вакуума в воздушном конденсаторе / / Десятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. Том 3. М.: МЭИ, 2004.

39. Култаев Б.Б., Панько М.А. Оптимизация управления воздушным конденсатором паровой турбины / / Междунар. научн. конф. ММТТ-15: Тез. докл. Том 6. Тамбов, 2002.

40. Култаев Б.Б., Панько М.А. Оптимизация режима работы турбоустановки с воздушным конденсатором / / Труды Междунар. научн. конф. Control-2003.-М.: МЭИ, 2003.

41. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высш. шк., 1988. - 239 с.

42. Марухян В.З. Исследование конденсационно-охладительных установок и разработка методов оптимизации и интенсификации режимов их работы: Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Ереван, 1982.

43. Методические указания по составлению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электрификации о тепловой экономичности оборудования: РД34.08.552-95. М.: СПО ОРГРЭС, 1995.

44. Методы математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок / Под ред. Г.Б.Левенталя и J1.C. Попырина-М.: Наука, 1972.-С. 223.

45. Молькова Е.Е., Христофоров А.И., Христофорова И.А. Применение планирования эксперимента при производстве теплоизоляционного материала / / Междунар. научн. конф. ММТТ-15: Тез. докл. Том 6. -Тамбов, 2002.

46. Мэрфи Дж. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. М.: Энергия, 1979. — 256 с.

47. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965. — 340 с.

48. Паровые и газовые турбины / М.А.Трубилов, Г.В.Арсеньев, В.В.Фролов и др.; Под ред. А.Г.Костюка и В.В.Фролова. — М.: Энергоатомиздат, 1985.- 352 с.

49. Плетнев Г.П., Долинин И.В. Основы построения и функционирования АСУ тепловых электростанций. М.: Издательство МЭИ, 2001.

50. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергия, 1978.-704 с.

51. Применение математического моделирования при выборе параметров теплоэнергетических установок / Под ред. Г.Б.Левенталя и Л.С. Попырина М.: Наука, 1966. - 175 с.

52. Ращаникова Н.В. Сравнительный анализ расчетных зависимостей для оценки качества нефтепродуктов / / Междунар. научн. конф. ММТТ-15: Тез. докл. Том 6. Тамбов, 2002.

53. Ривкин C.JL, Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1975. - 80 с.

54. Ротач В.Я. Расчет систем автоматического управления методом многомерного сканирования / / Труды Междунар. научн. конф. Control-2000.-М.: МЭИ, 2000.

55. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами. М.: Энергоатомиздат. 1985. - 296 с.

56. Самойлович Г.С., Трояновский Б.М. Переменные и переходные режимы в паровых турбинах. М.: Энергоиздат, 1982. — 496 с.

57. Симпозиум по влиянию подогретых вод теплоэлектростанций на гидробиологию и биологию водоемов. — Борок, 1971.

58. Соловьев Ю.П. Тепловые расчеты промышленных паротурбинных электрических станций. М.-Л., Госэнергоиздат, 1962. — 160 с.

59. Статистические методы в инженерных исследованиях (лабораторный практикум): Учеб. пособие / Бородюк В. П., Вощиннн А. П., Иванов А. 3. и др.; Под ред. Г. К. Круга. М.: Высш. школа, 1983. — 216 с., ил.

60. Статистический словарь / Под ред. М.А.Королева. 2-е изд. М.: Финансы и статистика, 1989.

61. Статистическое моделирование и прогнозирование / Учеб. пособие / Под ред. А.Г.Гранберга. М.: Финансы и статистика, 1990.

62. Теоретические основы планирования экспериментальных исследований / Под ред. Г.К.Круга. М., 1974. - 184 с.

63. Типовой алгоритм расчета технико-экономических показателей конденсационных энергоблоков мощностью 300, 500, 800 и 1200 МВт. — М.: СПООРГРЭС, 1991.

64. Тихонов Б.А. Исследование воздушно-конденсационных установок: Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. — М., 1974.

65. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. М.: Энергоатомиздат, 1990.-640 с.

66. Трухний А.Д., Лосев С.М. Стационарные паровые турбины / Под ред. Б.М.Трояновского. М.: Энергоиздат, 1981. - 456 с.

67. Турбина паровая К-37-3,4. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Калуга, 2001.

68. Уайлд Д.Дж. Методы поиска экстремума. М.: Наука, 1967.

69. Фаронов В. Профессиональная работа в Delphi 6. Библиотека программиста. СПб.: Питер, 2002. — 320 с.

70. Цой А.Д., Клевцов А.В., Пронин В.А., Юшков Б.В. Воздухоохлаждаемый водоструйный конденсатор паротурбинной установки / / Юбилейная научно-практическая конференция АНТОК СНГ: Тез. докл. М., 2001.-С. 253-254.

71. Чохонелидзе А.Н., Луцик В.И., Григорьев В.И., Бобров И.В. Оптимизация режима регенерации катионита при обессоливании воды / / Междунар. научн. конф. ММТТ-15: Тез. докл. Том 6. Тамбов, 2002.

72. Шураков В.В. и др. Автоматизированное рабочее место для статистической обработки данных. -М.: Финансы и статистика, 1990.

73. Юшков Б.В. Разработка воздушного конденсатора нового поколения и исследование его характеристик: Автореф. дис. на соискание ученой степени к.т.н. — М., 2001. 17 с.142