1 Технико-экономическое обоснование
выполняемой разработки
Одним из важнейших направлений в создании
материально- технической базы является
комплексная автоматизация производственных
процессов. В особенности актуальной автоматизация
становится в отраслях промышленности,
конечная продукция которых находит массовый
спрос у потребителей и используется во
многих производственных процессах. К
таким отраслям в полной мере относится
энергетика.
Автоматизация
- это применение комплекса средств, позволяющих
осуществлять производственные процессы
без непосредственного участия человека,
но под его контролем. Автоматизация производственных
процессов приводит к увеличению выпуска,
снижению себестоимости и улучшению качества
продукции, уменьшает численность обслуживающего
персонала, повышает надежность и долговечность
машин, дает экономию материалов, улучшает
условия труда и техники безопасности.
При комплексной автоматизации на автоматическое
управление переводятся как вспомогательные,
так и основные процессы. При этом используются
всевозможные средства автоматизации,
в том числе и управляющие вычислительные
комплексы. Автоматизация освобождает
человека от необходимости непосредственного
управления механизмами. В автоматизированном
производстве роль человека сводится
к наладке, регулировке, обслуживанию
средств автоматики и наблюдению за их
действием.
По уровню автоматизации теплоэнергетика
занимает один из ведущих мест среди других
отраслей промышленности. Теплоэнергетические
установки характеризуются непрерывностью
протекающих в них процессах. При работе
этом выработка тепловой энергии в любой
момент времени должна соответствовать
потреблению (нагрузке).
Автоматизация паровых котлов предусматривает:
а) дистанционное управление, или управление
машинами и механизмами на расстоянии;
б) теплотехнический контроль (измерение)
текущих значений параметров технологического
процесса, приборы ведут непрерывный контроль
процессов, протекающих в котле;
в) автоматическое непрерывное регулирование,
обеспечивающее автоматическое поддержание
технологических параметров вблизи заданного
предела;
г) автоматическую защиту основного и
вспомогательного оборудования от возможных
повреждений в процессе эксплуатации,
в зависимости от характера нарушения
защита останавливает котел, снижает его
нагрузку или выполняет локальные (местные)
операции предотвращающие аварии;
д) логическое управление, обеспечивающее
автоматическое включение или отключение
регуляторов, машин, механизмов и установок
в заданной последовательности.
Автоматизация дает значительные преимущества:
а) обеспечивает уменьшение численности
обслуживающего персонала, то есть повышение
производительности его труда;
б) приводит к изменению характера и облегчению
труда персонала;
в) увеличивает точность поддержания параметров
вырабатываемого пара;
г) повышает безопасность труда и надежность
работы оборудования;
д) увеличивает экономичность работы парового
котла.
Паровой котел, как объект управления
представляет собой сложную динамическую
систему с несколькими взаимосвязанными
входными и выходными величинами. Система
автоматического барабанного парового
котла в целом состоит из отдельных замкнутых
систем: давления пара и тепловой нагрузки;
избытка воздуха в топке, определяемого
содержанием О2 – экономичность процесса
горения; разрежением в верхней части
топки; питания котловой водой; качества
котловой воды.
По условиям безопасности и надежности
парового котла требования к точности
регулирования уровня воды в барабане
наиболее жестки по сравнению с другими
котловыми регуляторами. Отклонение уровня
воды в барабане от номинального значения
может вызываться следующими причинами:
изменением расхода пара, изменением количества
подаваемой питательной воды, изменением
тепловыделения, связанным с изменениями
подачи топлива или воздуха. Кроме того,
на колебание уровня оказывает влияние
явления «набухания» воды – изменение
объема, занимаемого паром в пароводяной
смеси, циркулирующей в контуре котла.
«Набухание», проявляющееся при резких
изменениях расхода пара или тепловой
мощности горелки, нарушает в первый момент
процесс регулирования уровня – при увеличении
расхода пара подачу воды в барабан следует
увеличить, а на регулятор поступает импульс
на уменьшение подачи питательной воды,
вызванный резким повышением уровня за
счет «набухания». Выбор типа регулятора
из-за этого усложняется. Поэтому существующий
способ управления не дает возможность
полного контроля за состоянием технологического
процесса и оборудования. Таким образом,
из сказанного выше можно сделать вывод
о необходимости автоматизации парового
котла и конкретно питания котловой водой.
2 Техническая характеристика
объекта автоматизации
Котлоагрегат типа ТГМ-84/Б изготовлен
Таганрогским котельным заводом в 1976 году
для сжигания мазута и природного газа.
Смонтирован и эксплуатируется на Волжской
ТЭЦ ООО "ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго".
Котельный агрегат ТГМ-84/Б предназначен
для получения пара высокого давления.
Котлоагрегат, однобарабанный, вертикально-водотрубный,
с естественной циркуляцией, регенеративным
воздухоподогревателем (РВП-54М), радиационный,
имеет П-образную компоновку. Он состоит
из топочной камеры, являющейся восходящим
газоходом и опускной конвективной шахты,
разделённой на два газохода после КПП,
топочная камера полностью экранирована
и оборудована 8-ю газомазутными горелками.
На стенах топочной камеры размещены панели
испарительных экранов и радиационного
пароперегревателя, потолок экранирован
трубами потолочного пароперегревателя.
В верхней части топки, в поворотной камере,
соединяющей топку с конвективной шахтой,
расположен ширмовый пароперегреватель.
Конвективная шахта разделена по вертикали
на две камеры прямоугольного сечения.
В ней размещены конвективный пароперегреватель,
водяной экономайзер. За водяным экономайзером
находится нижняя поворотная камера газохода
с золовыми бункерами и далее по ходу газов
расположены два регенеративных воздухоподогревателя.
Проектные параметры котла:
- производительность по перегретому
пару, т/ч - 420;
- давление перегретого пара, кгс/см2 (МПа)
- 140 (14);
- температура перегретого пара, С - 560;
- температура питательной воды, С - 214.
3 Математическое моделирование
объекта управления
3.1 Анализ математической
модели
Математические модели
парогенераторов, как и других теплотехнических
объектов, составляются для описания
технологических процессов и
формирования критериев управления
на различных уровнях (локальных,
блочных, общестанционных). Применительно
к каждому энергоблоку, агрегату,
узлу конечное множество входных
воздействий представляют собой
изменения расходов воды, топлива,
воздуха и так далее. К множеству
выходных воздействий (сигналов) относят
изменения электрической мощности,
паропроизводительности котлов
и параметры, характеризующие
состояние энергоносителей на
выходе объектов (давление, температура,
энтальпия, химический состав
и так далее).
Следует отметить, что
любой реальный объект бесконечно
сложен в своих свойствах
и проявлениях и недоступен
для абсолютного познания, поэтому
модель – это относительно простой
аналог реального объекта. При
построении моделей сложных
явлений принимают во внимание
лишь самое главное для цели
исследования, отбрасывая множество
несущественных деталей. В результате
получается упрощенное, а значит
и пригодное для практического
использования, представление реальности,
которое и называется моделью.
По типу подобия различают
физические и математические
модели теплоэнергетических
объектов. Создаваемая модель
может быть основана на физическом
подобии процессов в модели
и объекте-оригинале. Например,
аналогом тепловых процессов
в прямоточном котле могут
служить процессы нагрева воды
в одной трубе с наружным
электронагревателем. Однако применение
физических моделей затруднительно
в случае сложных теплоэнергетических
объектов с разнообразными химическими
и физическими превращениями.
Поэтому для отображения явлений
в сложных системах применяют
математические модели. Математическая
модель – это система математических
соотношений (алгебраических, дифференциальных
или интегральных уравнений,
неравенств, логических выражений),
отражающих физико-химические законы
различных превращений в объекте.
По методу
получения модели
теплоэнергетических
объектов математические модели
делятся на аналитические, экспериментальные
и комбинированные.
В основе аналитических
моделей лежат уравнения физико-химических
законов (закона сохранения
вещества, импульса тела, энергии
и так далее). Коэффициенты этих
уравнений включают в себя
конструктивные и технологические
параметры объекта и по этой
причине аналитические модели
наиболее полно раскрывают внутреннюю
структуру и сущность
процессов в сложном теплоэнергетическом
объекте, влияние отдельных
параметров на статические и
динамические характеристики объекта.
Недостатком таких моделей может
быть существенное отличие ряда
коэффициентов модели от
их истинных значений в силу
недостаточной изученности или
сложности их теоретического
определения. К таким параметрам
могут быть отнесены, например,
коэффициенты теплоотдачи и
теплопередачи загрязненных теплообменных
поверхностей, плотности и теплоемкости
потоков сред.
Экспериментальные (эмпирические)
модели являются результатом
математической обработки экспериментальных
данных по идентификации объекта.
Недостатками таких моделей
является высокая стоимость
и необходимость наличия действующего
оборудования.
Комбинированные методы
базируются на уравнениях аналитической
модели, но некоторые ее коэффициенты
получают из эксперимента, проводимого
на реальном объекте.
Для парогенераторов качественную
информацию о протекании динамических
процессов можно получить из анализа стационарного
распределения аккумулирующих емкостей
в направлении пути потоков энергии и
вещества. В парогенераторах на органическом
топливе энергию переносят две среды:
греющий газ и теплоноситель (вода, пароводяная
смесь, пар). Энергия в парогенераторе
аккумулируется в объемах теплоносителя
и греющего газа, металле поверхностей
нагрева, топливе, а также в шлаке, изоляционных
материалах и так далее. Указанные емкости
неравноценны. Количества вещества и энергии,
содержащейся в объеме греющего газа,
невелики, поскольку плотность газа мала.
Поэтому этой емкостью, как правило, пренебрегают.
Иногда не учитывают аккумуляцию энергии
в шлаке. Пренебрегают также тепловой
емкостью изоляционных материалов, поскольку
энергии в них запасается относительно
мало, а время отдачи теплоты намного больше
длительности переходного процесса.
Совершенно очевидно, что исходная
система уравнений является чрезвычайно
сложной. Для того чтобы получить решение,
ее целесообразно упростить. Всякая упрощенная
система описывает модель реального объекта.
При этом каждая модель лишь частично
сохраняет его черты. Математические уравнения,
описывающие поведение такого упрощенного
объекта — физической модели, представляют
собой математическую модель.
Для этого парогенератор обычно
разбивается на участки, одни из которых
рассматриваются как системы с распределенными,
а другие — с сосредоточенными параметрами.
Такое деление позволяет упростить решение.
Потеря точности при этом
может быть небольшой, поскольку роль
отдельных участков в формировании динамических
процессов неравноценна. Деление на участки
позволяет также использовать готовые
решения. Расчетная структурная схема
математической модели парогенератора
зависит от конкретного вида технологической
цепочки элементов пароводяного и газового
трактов и требований к степени полноты
контроля в динамике за состоянием параметров
в различных точках тракта.
Как было указано выше аналитическое
математическое описание объекта управления
достаточно сложно и в большинстве случаев
отличается от реального поведения объекта
из-за множества упрощений и допущений
при аналитическом описании. Поэтому модели
каналов будем искать экспериментальным
способом, опираясь на теоретическое описание.
3.2 Получение математической
модели активным экспериментом
Применение экспериментальных
методов получения математической модели
предполагает проведение серии экспериментов
на реальном объекте управления. Обработав
результаты экспериментов, оценивают
параметры динамической модели объекта,
задавшись ее структурой. При этом экспериментальные
методы делятся на два класса: методы определения
временных и частотных характеристик
объекта управления.
Достоинствами активных
методов являются:
- достаточно высокая
точность получения математического
описания;
- относительно малая длительность
эксперимента.
Следует учитывать, что активные
методы, в той или иной степени, приводят
к нарушению нормального хода технологического
процесса. Поэтому проведение эксперимента
должно быть тщательно спланировано.
Суть метода заключается
в нанесении искусственного возмущения
регулярной формы по входной
координате и в регистрации
изменений выходного параметра.
Переходный процесс аппроксимируется
решением линейного дифференциального
уравнения с постоянными коэффициентами
и по установившимся колебаниям находят
значения амплитудно-фазовой характеристики.
Экспериментальный метод определения
динамических характеристик дифференциальных
уравнений, передаточных функций или частотных
зависимостей основан на трех основных
предположениях:
- исследуемый
объект есть система с
сосредоточенными параметрами;
- при незначительных возмущающих
воздействиях изменения выходной координаты
удовлетворяют принципу суперпозиции;