Разработка систем управления барабанных котлов по эффективности их работы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Грошев, Николай Анатольевич

• Грошев, Николай Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Грошев, Николай Анатольевич

Введение

Гл.1. Анализ способов регулирования экономичности работы барабанных котлов

1.1. Общие положения

1.2. Особенности экстремальных систем регулирования экономичности котлов 12'

1.3. Анализ основных способов регулирования экономичности процесса» горения в топках барабанных котлов

1.4. Постановка цели и задач диссертационной работы 31 Гл.2. Разработка математической модели экономичности работы барабанного котла

2.1. Выбор объекта1управления

2.2. Постановка задачи, выбор и обоснование обобщенного критерия экономичности работы котла

2.3.Моделирование процессов управления в барабанном котле

2.3.1 Получение математической модели котла активным экспериментом'

2.3.2 Математические модели случайных сигналов

2.4. Разработка алгоритма идентификации объекта 60 Гл. 3. Разработка алгоритма экстремального управления ЭР котла

3.1 Разработка алгоритма управления

3.2 Разработка алгоритмов стабилизации параметров, обеспечивающих работу алгоритма управления ЭР котла 70 Гл.4. Разработка имитационной модели управления и проверка работоспособности алгоритма управления ЭР котла 74 4.1 Описание методики имитационного моделирования процессов управления*

4.2 Разработка блок-схемы имитации процесса управления

4.3 Исследование работоспособности алгоритма управления 84 4.4. Предложения по практической реализации алгоритма управления ЭР котла 89 Основные выводы по работе 105 Список литературы 107 Приложения 115

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка систем управления барабанных котлов по эффективности их работы»

Актуальность работы.

Уровень автоматизации технологических процессов является решающим фактором в повышении эффективности и надежности производства тепловой и электрической энергии и их конкурентоспособности на рынке электроэнергии и мощности.

Технологический процесс: тепловых электрических станций (ТЭС) отличается сложностью взаимосвязей между. большим числом* агрегатов; высокими параметрами рабочей среды, требованиями; к точности их регулирования; и это обусловило постоянный поиск и внедрение новых методов; усовершенствования систем управления на базе теории и новых технических средств автоматического управлениям Степень, эффективности системы управления технологическим процессом находится в прямой зависимости от качества и точности автоматического ведения технологических процессов;

Г лубокое изучение процессов тепловых электростанций, разнообразие технических средств, автоматизации; предлагаемых; , отечественной приборостроительной! промышленностью; а также достаточно хорошо* разработанная теория автоматического управления позволяют интенсивно внедрять автоматизированные системы в энергетическую промышленность.

В настоящий; момент в рыночных условиях работы электростанций остро стоит проблема: экономии топлива при неизменной тенденции роста числа потребителей, что приводит к необходимости поиска различных методов, обеспечивающих увеличение, эффективности производства, электрической« энергии и тепла. Одним из таких решению является метод , повышения коэффициента полезного действия ТЭС, составной частью которой; является котельный агрегат. При этом важным фактором является эффективность процесса горения топлива в топках котлов. Эффективность процессов горения определяется в основном соотношением, воздуха и топлива, поэтому выбор оптимального баланса между топливом воздухом является одним из определяющих факторов в отношении обеспечения максимальной эффективности процесса парообразования в котельном агрегате.

Паровые барабанные котельные агрегаты находят широкое применение в энергетике. На данный момент они являются наиболее часто используемыми, и повышение их эффективности может привести к снижению удельного расхода топлива на выработку электроэнергии, и, как следствие, уменьшению доли топливной составляющей в себестоимости' отпускаемой на рынок электроэнергии, что и приведет к значительному росту прибыли станции.

В то же время, повышение степени автоматизации управления современным производством, усложнение технологических процессов, увеличение объемов информации, подлежащей обработке, привело к необходимости контролировать все более и более сложные параметры технологических и производственных процессов, так называемые технико-экономические показатели. Особенностью этих показателей .является-то, что зачастую не существует датчиков или приборов, позволяющих непосредственно получить их значения, в связи* с чем, оценка значения» технико-экономическою параметра осуществляется посредством косвенных измерений.

Актуальность данной работы заключается в том, что существующие в настоящее время типовые способы и схемы регулирования экономичности работы паровых барабанных котлов оказались недостаточно эффективными. Поэтому возникает необходимость создания, более эффективных, интеллектуальных систем, основанных на современных технологиях^ искусственного интеллекта, которые позволяют проводить непрерывный параметрический мониторинг и управлять технологическим процессом. Это дает возможность не только повысить эффективность группы котельных агрегатов, уменьшить расход топлива, но и вместе с тем снизить выбросы оксидов азота.

В данной работе рассматривается возможность построения принципиально нового алгоритма группового управления котельными агрегатами, основанного на супервизорном управлении с помощью обобщенного показателя эффективности работы каждого котла.

Вопросу разработки и исследования; алгоритмов управления предшествует не менее важная задача построения^ математических моделей объекта управления, необходимых, для оценки; обобщенного критерия, а также1 . моделей сигналов; позволяющих проводить имитационное моделирование процессов управления в условиях близких к реальным.

В первой главе диссертации проведен анализ существующих в настоящее время, типовых способов и схем регулирования; экономичности' процесса горения в топках паровых барабанных котлов; Показано недостаточная^ эффективность их практического применения: Так, использование экстремальных систем; регулирования, основанных на вычисление текущего значения коэффициента полезного действия (КПД) котла, как в режиме реального времени, так и с использованием» аналитических моделей,, затруднено аккумуляцией' теплоты- в паровом/ котле; и большим влиянием: статистических погрешностей в? каналах измерений; ' способ, основанный на применении сигнала по содержанию остаточного кислорода в уходящих газах; не нашел- широкого практического применения? из-за трудностей технической реализации, значительною инерционности, каналов передачи; информации и отсутствия надежных датчиков; опыт эксплуатации таких систем с сигналом по «теплоте» показывает недостаточную представительность сигнала к - внутритопочным возмущениям, неинвариантность к. впрыскам . охлаждающей воды в, паропровод, и как следствие, зависимость от качества и режима работы АСР первичного перегрева пара; способы и схемы регулирования с использованием корректирующих сигналов по С0,С02,Н2, температуре топочного пространства и др. не нашли широкого применения из-за сложности технической реализации и наладки, низкой надежности и т.д.

Показано, что идея экстремального регулирования экономичности процесса горения в топках паровых барабаных котлов с учетом современных условий работы электростанций на рынке электроэнергии, всего накопленного опыта и широких возможностей нового поколения технических средств автоматизации и управления остается актуальной и перспективной для практической реализации.

На основании анализа литературных источников конкретизированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены методические положения по разработке математической модели экономичности процесса горения в топке барабанного котла на основе использования современного интеллектуального (супервизорного) метода управления. Приведены выбор и описание объекта исследования, выбор и обоснование обобщенного критерия экономичности котла. Приведены также методические положения по составлению математической модели объекта управления с применением активного эксперимента, модели случайных сигналов и модели идентификации объекта на базе пассивного эксперимента.

Третья глава посвящена разработке алгоритма управления эффективности котла на основе экстремального регулирования обобщенного показателя котельного агрегата градиентным (безмодельным) методом. Приведены методическое обоснование алгоритма, структурная схема его реализации. Дано описание разработанных новых алгоритмов стабилизации температуры перегрева пара, уровня в барабане котла и других параметров, обеспечивающих успешную работу предлагаемого алгоритма управления барабанным котлом.

В четвертой главе приведено описание системы имитационного моделирования разработанного алгоритма управления эффективности работы котла и ее реализация в программном пакете У1з8ип. Приведены блок-схемы имитационного моделирования необходимых компонентов алгоритма управления (входных параметров, помех и случайных сигналов, упраления экономичности и др.).

Приведены результаты проверки работоспособности алгоритма управления путем моделировании ситуаций работы объекта управления без экстремальной системы управления и под ее управлением.

В заключении приведены основные выводы по работе и даны конкретные рекомендации по применению разработанного алгоритма группового управления.

Работа выполнена в Московском энергетическом институте под руководством доктора технических наук, профессора Кузеванова Вячеслава Семеновича, которому автор выражает свою благодарность. Автор выражает благодарность и признательность профессору кафедры АТП филиала МЭИ в г.Волжском Шевчуку Валерию Петровичу за консультации и ценные советы при выполнении и профессору кафедры АСУ ТП МЭИ Аракеляну Эдику Койруновичу за ценные советы при рецензировании диссертационной работы. Автор благодарит также коллектив кафедры АСУ ТП МЭИ за помощь и ценные замечания при выполнении и оформлении работы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Грошев, Николай Анатольевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработаны методические положения и алгоритмы принципиально нового эффективного алгоритма управления экономичностью барабанного котла на основе использования "современного интеллектуального (супервизорного) метода управления с применением обобщенного показателя эффективности работы котла. ,

2.Разработана модель котла, как. объекта управления, по разным каналам в виде переходных процессов каналов регулирования по результатам активного эксперимента. По данным пассивного эксперимента определены модели сигналов; используемых для моделирования процессов управления.

3. Разработана математической модель алгоритма управления; ориентированного на применение обобщенного показателя эффективности котла, предложен и реализован алгоритм управления« с нахождением максимума эффективности работы котла градиентным методом. ; :.

4. Проверка работоспособности алгоритма управления эффективностью работы автономно работающего котла выполнена методом имитационного моделирования, для чего? по? разработанному алгоритму управления создана блок-схема и система имитационного моделирования с учетом реальных условий протекания процессов в системе управления. •

5. Исследование разработанного алгоритма управления на имитационной модели показало эффективность его применения:

6. Разработаны алгоритмы использования разработанной системы управления эффективностью работы барабанного котла в супервизорном режиме. Предложены / схемы практического применения метода супервизорного управления в автономном режиме и при групповом управлении на станциях с поперечными связями.

7. Предложена методика и алгоритм оптимального распределения суммарной паровой нагрузки котельного цеха для станции с поперечными* связями между работающими котлами; опгимальнре распределение базируется на текущих значениях КПД котлов, максимально приближенных к их экстремальному значению при заданных паровых нагрузках и определяемых алгоритмом управления их эффективностью и поэтому в наибольшей степени учитывает текущее состояние котлов.

8. Использование предложенного метода автоматического управления по обобщенному показателю позволит оптимизировать расход энергоресурсов, управлять процессом с большей точностью, повысить эффективность и информативность системы управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Грошев, Николай Анатольевич, 2011 год

1. Автоматизация крупных тепловых электростанций. Под ред. М.П. Шальмана. М., «Энергия», 1974. 240 с.

2. Инструкция по эксплуатации автоматической системы регулирования тепловых процессов котла ТГМ-84 ст. № 9 Волжской ТЭЦ-1. ВТЭЦ-1. - Волжский, 2000. - 155 с.

3. Кузьменко Д.Я. Автоматическое регулирование и технологические защиты паровых котлов. Учебное пособие для техникумов. М., «Энергия», 1970. 120 с.

4. Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами / Клюев С.А., Лебедев А.Т., Семенов Н.П., Товарнов А. Г.: Под ред. С.А. Клюева.-М.: Энергия, 1977 400 с.

5. Плетнев Г.П. Автоматическое регулирование и защита теплоэнергетических установок. М.: Энергия, 1976. — 424 с.

6. Плетнев Г. П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций: Учебн. пособие для вузов. — М.: Энергоиздат, 1981. — 686 с.

7. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 296 с.

8. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. М.: Энергия, 1972. - 376 с.

9. Шамигулов П.В. Использование программы MathCAD для решения задач теории автоматического управления: Учебное пособие по дисциплине «Теория автоматического управления». Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2004. - 38 с.

10. Шевчук В.П., Муха Ю.П. Прикладные методы для автоматизированного проектирования АСУТП. Часть 2. Методы проектирования управляющих подсистем АСУТП: Учебн. пособие / В.П. Шевчук, Ю.П. Муха; Волгоград, политехи, ин-т. Волгоград, 1990 -80 с.

11. Ротач В.Я. Метод многомерного сканирования в расчетах автоматических систем управления // Теплоэнергетика. 2001. — 11. С. 33 -38.

12. Экстремальное регулирование котельных агрегатов/ Шмоков Н.В. и др. Эл. станции.- 1967.- №10. С.31-37.

13. Кудрявцев Н.С. Улучшение качества регулирования процесса горения путем введения дополнительного импульса по температуре в топке // Теплоэнергетика. 1968.- №3, - С.18-20.

14. Плетнев Г.П., Лесничук А.Н., Шелихов А.И. и др. Регулирование тепловой нагрузки барабанного котла с исследованием сигнала по тепловосприятию топочных экранов // Теплоэнергетика.- 1984.-№6.-С.53-58.

15. Буров Д.В., Котлер В.Р. Новый подход к проблеме регулирования топочных процессов // Теплоэнергетика.- 1993.-№8.-С.23-28.

16. Аракелян Э.К. Кормилицын В.И., Самаренко В.Н. Оптимизация режимов оборудования ТЭЦ с учетом экологических ограничений// Теплоэнергетика.- 1992.-№2.-С.29-33.

17. Кузеванов B.C., Шевчук В.П., Грошев H.A. СупервизорноеIуправление эффективностью работы котла // Новое в российской электроэнергетике.- 2010.- №11.- С.-34-44

18. Шевчук В.П., Грошев Н.А, Еремин Д.В. Моделирование переходных процессов в задаче управления полутопками в котлоагрегате // Известия ВолгГТУ. Серия: Процессы преобразования энергии и энергетические установки, № 6(44), 2008. стр. 85-88.

19. Ротач В. Я. Теория автоматического управления. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

20. Плетнев Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике.- 3-е изд., перераб. И доп.- М.: Издательство МЭИ, 2005.- 352с., с ил.

21. Шевчук В.П. Концепция автоматизированного проектирования виртуальных приборов// Мир измерений.- 2007.- №5.

22. Капля Е.В., Кузеванов B.C., Шевчук В.П. Моделирование процессов управления в интеллектуальных измерительных системах .М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2009.- 512с.

23. Поляков A.A. Оптимизация процесса горения в паровом котле при сжигании нескольких видов топлива с применением экстремального регулятора: диссертация канд.техн.наук: 05.13.06.-М.:2005, 190с.

24. Беликов С.Е. Совершенствование способов управления процессом горения топлива // Энергоснабжение и водоподготовка.- 2005.-№6.- С. 43-45.

25. Использование сигнала по тепловосприятию топочных экранов для оценки теплонапряженности поверхностей нагрева барабанного котла /

26. A.Н. Лесничук, В.А.Лошкарев, Г.П. Плетнев и др.// Вестник МЭИ.1999.№3. С.56-59.

27. Регулирование тепловой нагрузки барабанного парового котла с использованием сигнала по тепловосприятию топочных экранов / Г.П. Плетнев, А.Н.Лесничук, А.Н. Шелихов, В.И. и др. // Теплоэнергетика. 1981. №6. С.53-57.

28. Аракелян Э.К., Пикина Г.А. Оптимизация и оптимальное управление: Учебное пособие. М.: Издательство МЭИ, 2003.- 356с.

29. Экстремальный регулятор при автоматизации тепловых процессов//

30. B.А. Ужеловский, B.C. Ткачев, и др. — http:// www.foxitsoitwar.com

31. Наладка систем автоматизации и автоматических систем регулирования // A.C. Клюев, А.Т. Лебедев, С.А. Клюев .Справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

32. Обзор по освоению и эксплуатации АСУТП, реализованных на базе основных ПТК на ТЭС РФ. ОАО "Инженерный центр энергетики Урала", предприятие "УралОРГРЭС", инв. № А1269, 2006.

33. Плетнев Г.П. АСУ объектов ТЭС.- М.: Изд. МЭИ,1995.- 353с.

34. Плетнев Г.П., Сафонов В.М., Усанов В.В. Экстремальное регулирование режимов горения в топке барабанного парогенератора // Теплоэнергетика.- 1977, №2,С.57-62.

35. Лесничук А.Н., Краснов В.К. Разработка и' результаты имитационного моделирования экстремальной- системы регулирования экономичностью процесса горения в топке парового котла' // Тр. Ин-та -МЭИ.- 1990.- Вып. 234, С.83-85.

36. Растригин Л.А. Системы экстремального регулирования // М.:Наука.- 1974.

37. Либерзон Л.М., Родев А.Б. Системы экстремального регулирования .- М.: Энергия, 1965.

38. Олейников В. А. Оптимальные системы автоматического регулирования .- М.: ВШ, 1969, С. 98-106.

39. Лесничук А.Н., Лошкарев В.А., Плетнев Г.П. и др. Использование сигнала по тепловосприятию топочных экранов для оценки теплонапряжения поверхностей барабанного котла.- Вестник МЭИ.-1999.- №3,С.56-60.

40. Ястребенецкий М.А., Иванова Г.М. Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами. // М.: Энергоатомиздат, 1989. 263с.

41. Аракелян Э. К., Старшинов В. А. Повышение экономичности^ маневренности оборудования тепловых электростанций. М.: 1993.-328 с.

42. Шевчук В.П., Лясин Д;Н. Количественная оценка погрешностей измерений обобщенных технологических параметров// Измерительная техника. 2004 .-№10 С 16-20.

43. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем. Искусство и наука .- М.: Мир, 1978 .- 420с.

44. Шихи Мунир. Бен Монжди. Информационные технологии имитационного моделирования в автоматизированных системах контроля й управления // Дис. Канд. техн. наук: 05.13.06. .- СПб.,. 1995 .-197С. ' ' ' ' ' ' ' ■■ ' ■':.■

45. Быков Ю.М., Трояновский В.М; О количественной оценке , эффективности алгоритмов управления // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика .- 2007. №6. - С.53-57.

46. Горнштейн В. М. и др. Методы оптимизации режимов энергосистем. М.: Энергия, 1981. — 336 с. ,

47. Мань Ы. В., Аракелян Э. К., Хунг II. Ч. Оптимизация фактического режима; эксплуатации теплоэнергетических установок. //Вестник МЭИ,1997. №6. С. 56-61, .'■ ; ■ ' ■;

48. Аракелян ЭгК., Бурначян Г.А., Минасян С.А. Влияние режимных факторов и технического состояния на реальные энергетические харакгеристики энергоблока К-200-130// Изв. Вузов. Энергетика, 1983. №1, С.57-62.

49. Александров А. С. Выбор состава работающего генерирующего оборудования в условиях конкурентного рынка электроэнергии и . мощности. Екатеринбург: 2007. 157 с.

50. Цыпулев Д.Ю., Аракелян Э.К. Оптимизация работы ТЭЦ со; сложным составом оборудования в условиях переменных графиков энергопотребления: // Вестник МЭИ. М. : Изд-во МЭИ; 2007, №1, -С.32-37.

51. Цыпулев Д.Ю., Аракелян Э.К. Методические положения оптимального управления режимами ТЭЦ со сложным составомоборудования // Теплоэнергетика: Ежемесячный теоретический и научно-практический журнал. М.: Наука, 2008, №3, -С.67-73.

52. Шевчук В.П., Грошев H.A., Кузеванов B.C., Раменский П.П. Способ контроля текущей эффективности работы котлоагрегата // Приборы и системы.- 2007.- №6.- С. 53-57.

53. Программа получения математических моделей активным экспериментом

54. Канал XI У1, аппроксимация переходной характеристикой 3-х одинаковых апериодических звеньев путем проведения касательной к кривой разгона.

55. У; — уравнение прямой, проходящей через выбранную точку к — коэффициент усиления

56. Т постоянная времени апериодического звена первого порядка 11Трр - зависимость, аппроксимирующая экспериментальную кривую разгона1. Текст программы:dGg:=dGg :=6 4000026020-24100

57. N := го\уз(Трр) {:= 0. N 11. Трр1-Трр0 Трротн^ :=--3.71. Ь „ := 0.3231. Р •1. Т п := 5.5о •к := h е1. Т := 2-Т 0-ехр(-2)х := tp 2-Т к = 11. Т = 1.489т = 0.723h Tpp(t) := ift < т ,0 ,k1 -t + xЛ2 -Гky:"dGg

58. Канал XI Y5, аппроксимация переходной характеристик^ апериодического звена второго порядка методом наименьших квадратов

59. N := rows(Gpp) i := 0. N 1 t. := {1. Gppi :=1. Gppi Gppo 50hGpp(t,k,Tl ,T2) :=-T2•exp1. VT2y1. T1