CC BY
1Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 3 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 3 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 3 | 2024 год
Математическая модель и система управления прямоточными котлами с пылесистемой
прямого вдувания
I
ВВЕДЕНИЕ
Разработка энергетических систем, обладающих высокой эффективностью и надежностью, представляет собой одну из ключевых задач современной теплоэнергетики. Прямоточные котлы с пылесистемой прямого вдувания занимают важное место в структуре тепловых электростанций благодаря своей способности обеспечивать высокую
производительность и оперативность в регулировании топливного процесса.
Эффективность и экономичность работы прямоточных котлов во многом зависят от оптимизации процессов, что требует глубокого понимания и точного моделирования процессов, происходящих в котле. Современные требования к снижению выбросов вредных веществ и повышению экологичности энергетических установок также стимулируют разработку новых подходов к моделированию и управлению этими процессами.
Основой оптимальной работы прямоточных котлов является их система управления, которая должна обеспечивать оптимальные условия для всех происходящих процессов. В условиях непрерывного изменения внешних и внутренних параметров, таких как колебания нагрузки, качество топлива, атмосферные условия, системы
Х.И.Сотволдиев,
Доктор технических наук (PhD) Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хорезми
управления играют важную роль в поддержании стабильной и эффективной работы котлов.
В данной статье рассматривается математическая модель и система управления прямоточного котла с пылесистемой прямого вдувания, способная точно описывать динамику процессов и обеспечивать основу для оптимизации работы. Применение разработанной системы управления позволит не только улучшить эксплуатационные характеристики котлов, но и снизить их экологическое воздействие за счет более эффективного управления процессом.
Такая модель и система управления представляют значительный научный и практический интерес, поскольку предоставляют возможности для повышения эффективности энергетических установок и их адаптации к современным требованиям. Рассмотрение различных аспектов систем управления позволит сформировать комплексное представление о путях совершенствования эксплуатации прямоточных котлов в условиях современных требований энергетики.
МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ Современные теплоэнергетические
установки, особенно крупные энергоблоки, являются сложными объектами автоматического регулирования, требующими координации множества процессов и параметров для
133
Аннотация: В статье рассматриваются математическая модель и система управления прямоточными котлами с пылесистемой прямого вдувания. Описаны схемы прямоточного котла и системы его управления, предложен вариант регулирования и настроек регуляторов, разработана линеаризованная модель рассматриваемого прямоточного котла, которая достаточно точно отражает его динамические свойства. Исследование подтверждено результатами численных экспериментов.
Ключевые слова: моделирование процессов, регулирующий орган, регулируемые параметры, динамические свойства, линеаризованная модель, передаточная функция
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific Электронный научный журнал "Потомки Аль-
journal of Fergana branch of TATU named after Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени
Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252
Vol: 1 | Iss: 3 | 2024 year Том: 1 | Выпуск: 3 | 2024 год
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 3 | 2024-yil
обеспечения стабильной и эффективной работы. Эти системы характеризуются следующими особенностями:
- многообразие регулирующих органов: в современных энергоблоках используется большое количество регулирующих органов, включая клапаны, заслонки, насосы и вентиляторы. Эти устройства контролируют подачу топлива, воздуха, воды и пара, а также регулирование давления и температуры в различных зонах котла и турбины. Управление каждым из этих элементов требует точной координации для обеспечения оптимальных условий работы установки;
- широкий диапазон регулируемых параметров: теплоэнергетические установки должны поддерживать стабильные значения множества параметров, таких как температура и давление пара, содержание кислорода и углекислого газа в дымовых газах, уровень воды в барабанах котла, скорость потоков топлива и воздуха, и многие другие. Каждое из этих параметров оказывает взаимное влияние на другие, создавая сложную систему взаимодействий, требующую точного контроля;
- сложные процессы теплообмена и сгорания: в энергоблоках происходят сложные физико-химические процессы, связанные со сгоранием топлива и теплообменом. Для достижения высокой эффективности и минимизации выбросов необходимо тщательно регулировать параметры горения, такие как подача топлива и воздуха, температура в топке и другие процессы;
- динамичность системы: энергетические установки должны быстро и точно реагировать на изменения нагрузки и внешних условий. Это требует наличия высокоэффективных систем управления, способных обеспечивать быстрые и точные
корректировки работы в ответ на изменяющиеся требования. Динамические свойства энергоблоков с точки зрения требования быстрого и значительного изменения нагрузки, являющегося необходимым условием участия в регулировании мощности энергосистемы, определяются главным образом динамическими свойствами котла [1-7].
Ограниченная аккумулирующая
способность котла создает наиболее тяжелый режим для энергоблока при скачкообразном повышении нагрузки, когда необходимо в минимальный срок мобилизовать все энергетические ресурсы оборудования, чтобы обеспечить в динамике мощность, которую энергосистема потребовала от энергоблока.
Энергоблок как объект управления представляет собой весьма сложную, взаимосвязанную структуру. Его можно охарактеризовать как нелинейный,
нестационарный, недетерминированный,
многосвязный объект с паразитными поперечными и обратными связями [6].
Для выполнения требования увеличения нагрузки энергоблока на 5 % за заданный период необходимо увеличить массовый расход свежего пара на выходе из котла. Для этого давление свежего пара на входе в турбину снижают, а массовый расход топлива увеличивается одновременно. Это приводит к увеличению массового расхода свежего пара на выходе из котла. Суммарное увеличение массового расхода свежего пара можно определить с помощью разработанной модели. После прекращения процесса снижения давления требуемый уровень массового расхода пара на выходе из котла должен достигаться только за счет дополнительного сжигания топлива. Единственным подходом для получения соответствующих значений целевого снижения давления при заданной нагрузке в диапазоне нагрузок энергоблока от 40% до 80% является разработка математической модели всего котла и проведение имитационного моделирования.
134
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 3 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 3 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 3 | 2024 год
Рассмотрим прямоточный котел (рис.1), который состоит из последовательно соединенных нагревателей [1]. Здесь НР — контур высокого давления; LP — контур низкого давления; VI—У3 — клапаны, позволяющие контролировать температуру пара на входе соответствующего нагревателя; Т11 — датчик температуры пара, поступающего на лопатки турбины.
Рис.1. Упрощенная схема прямоточного
котла
Экономайзер служит для подогрева питательной воды перед подачей в котел с помощью уходящих из котла газов. Нагретая до 200 °С питательная вода поступает на вход Выпаривателя, где превращается в пар [1,2].
Полученный пар последовательно проходит четыре нагревателя (Нагреватель I — Нагреватель IV), где он постепенно нагревается до температуры 460...575 °С (значение температуры зависит от нагрузки), после чего подается на рабочие лопатки высокого давления и приводит в движение турбину.
Пар низкого давления после турбины поступает на рекуперативный теплообменник, подогревается и подается на рабочие лопатки турбины низкого давления [5]. Такая организация позволяет обеспечить более высокий КПД.
Возможная нагрузка в диапазоне 50...100 % соответствует 125...250 МВт мощности. При этом основное внимание уделяется контролю температуры в котле, причем наиболее важной является температура пара на выходе последнего
нагревателя, который приводит в движение турбину.
В системе предусмотрены клапаны VI — У3 для подачи холодной воды под высоким давлением, что позволяет контролировать процесс нагрева пара в соответствующих нагревателях. Вода поступает напрямую в трубы с паром через специальные распылители, тем самым понижая температуру пара.
На основе экспериментальных
исследований была разработана линеаризованная модель рассматриваемого прямоточного котла, которая достаточно точно отражает его динамические свойства. Она имеет вид последовательного соединения звеньев со следующими передаточными функциями:
p) =
G2(p) =
K
(TMP + llTin2p + 1)(ТизР +1)' к
(1)
(ToutP +1)
(2)
параметры которых и порядок передаточной функции (в зависимости от уровня нагрузки представлены в табл. 1.
Таблица 1. Уровень нагрузки
„ Gi
Нагрузка
É», % К г.... т.... К г,. И
0.. .50 -118,72 1,68 1,81 3,7 1.0672 42 4
50...70 -73,6928 1,68 1,81 3.7 1,1311 37 3
70...90 -48,9917 1,68 1,81 3.7 1,1721 27 3
к
Как видно из табл.1, коэффициент отрицательный, и это означает, что открытие клапана приводит к уменьшению температуры
T T
пара. Постоянные времени ( in1, 1 n2
и
in3
) не
зависят от уровня нагрузки и определяются самим клапаном. Однако уровень нагрузки влияет на коэффициент усиления передаточной функции. Это объясняется тем, что при увеличении нагрузки увеличивается давление пара, что уменьшает эффективность процесса охлаждения.
135
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 3 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 3 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 3 | 2024 год
Передаточная функция р) определяет взаимосвязь между температурой на входе и температурой на выходе нагревателя. Увеличение нагрузки приводит к ускорению процесса нагрева
т
out
уменьшается, а
пара — постоянная времени
коэффициент увеличивается, что говорит об увеличении эффективности нагрева пара.
Нагреватель как объект управления обладает следующим рядом особенностей, которые необходимо учитывать при выборе регулятора:
- параметры и порядок объекта зависят от текущей нагрузки (см. таб.1);
- управление в системе ограничено;
- на вход и выход нагревателя действуют возмущения.
При работе с ним следует помнить, что управляющее воздействие может изменяться только в диапазоне от 0 до I (0...100 %), что соответствует полностью открытому и полностью закрытому положениям клапана.
Также следует отметить, что единственная возможность воздействия на систему — это охлаждение пара. Если температура пара слишком мала, то единственное возможное действие с точки зрения регулирования температуры — закрыть клапан до тех пор, пока температура пара не войдет в рабочую зону.
В системе имеется два типа возмущений, причем работа со вторым типом (приложенным к выходу системы) является наиболее трудной, так как возмущение "проходит" напрямую в регулятор. Следовательно, при синтезе регулятора нужно учитывать необходимость отработки такого возмущения.
Отметим также, что "наихудшим" случаем является система с параметрами, соответствующими нагрузке 50% от максимальной. Этому состоянию соответствуют наибольший порядок системы, наибольшие постоянные времени и наибольший коэффициент усиления, что по отдельности и в целом затрудняет синтез регулятора.
Поскольку нагреватели II—IV
представленные на рис.1. идентичны, то достаточно рассмотреть один из них, при этом возможную систему управления можно представить как показано на рис.2.
Рабочей средой здесь является нагреваемый пар, а холодная вода позволяет регулировать температуру входного пара нагревателя
посредствам клапана V. Двойная стрелка @ показывает зависимость параметров нагревателя от текущей нагрузки. Наличие датчиков температуры
входного и выходного пара 4' позволяет организовать каскадное управление в системе.
Рис.2. Схема системы управления нагревателем
Во внутреннем контуре с помощью регулятора (Регулятор 1) контролируется значение
tin
температуры пара на входе нагревателя in, а во внешнем контуре второй регулятор (Регулятор 2) обеспечивает стабилизацию значения температуры
на выходе нагревателя tut. При этом управляющим воздействием, генерируемым регулятором, является положение клапана [5,8].
В системах автоматического регулирования технологическими объектами в основном применяется типовой ПИД-регулятор или его частные случаи (ПИ- и П-регуляторы) [4].
Если точность регулирования,
обеспечиваемая такими регуляторами, оказывается недостаточной, то в этом случае обычно идут не на поиск более совершенных регуляторов, а на усложнение информационной структуры системы, позволяющей получать своевременную
136
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 3 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 3 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 3 | 2024 год
информацию о действующих на объект возмущениях [6].
Одной из наиболее распространенных систем регулирования с добавочными информационными каналами связи с объектом является каскадная система, структура которой представлена на рис. 3,а.
Рис.3. Структурная схема каскадной системы
В такой системе объект разделяется на два
участка
Ol
и
О,
(они иногда называются
соответственно опережающим и инерционным).
р
Имеется два регулятора - главный р и
р
вспомогательный р2 , причем последний контролирует вспомогательную регулируемую величину г на выходе О, а главный меняет ему задание на основании контроля отклонения
главной регулируемой величины у от ее
заданного значения и. Возмущения Х1, действующие на опережающую часть объекта,
назовем внутренними, а на инерционную 2 -внешними. Возможно использование в подобных системах большего числа вспомогательных регулируемых величин, что приводит к увеличению числа вспомогательных регуляторов
[9].
В более общем случае вспомогательная регулируемая величина берется из некоторой точки
объекта без явного разделения последнего на опережающий и инерционный участки (рис. 3, б).
Попытки получить дополнительную информацию о переменных состояния не напрямую от объекта, а от его параллельно подключенной "Модель" (обычно называемой наблюдателем) в виде оценок переменных состояния г оказываются неудачными (рис. 3, в). Изменения информационной структуры в этом случае не происходит - система по-прежнему остается одноконтурной, но с добавочной корректирующей обратной связью, охватывающей регулятор, что только меняет закон его регулирования [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ
В ходе исследования были разработаны и верифицированы математическая модель и система управления для прямоточных котлов с пылесистемой прямого вдувания.
Основные результаты:
Разработана математическая модель с учетом ключевых процессов, линеаризованная модель рассматриваемого прямоточного котла достаточно точно отражает его динамические свойства. Она имеет вид последовательного соединения звеньев с передаточными функциями. Проведена валидация модели на основе экспериментальных данных, что подтвердило ее точность и применимость для различных режимов работы котла.
Система управления построена на основе теории автоматического управления и оптимизации, применены алгоритмы управления, которые обеспечивают стабилизацию работы котла при изменении внешних условий и нагрузки, реализован механизм адаптивного управления, который позволяет оперативно реагировать на изменения параметров работы и повышать общую эффективность системы. Анализ показал, что разработанная система управления улучшает стабильность и надежность работы котла.
Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности математической модели и системы управления. Они могут быть применены
137
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 I Son: 3 I 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 3 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 3 | 2024 год
для модернизации существующих энергетических установок и создания новых высокоэффективных котлов, что способствует повышению общей энергетической эффективности и экологической безопасности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье рассмотрены и протестированы математическая модель и система управления для прямоточных котлов с пылесистемой прямого вдувания. Модель точно описывает ключевые процессы в котле, что подтверждено результатами численных экспериментов. Предложенная система управления улучшает стабильность и эффективность работы котла. Эти разработки могут существенно повысить производительность и экологическую безопасность энергетических установок, предлагая значительные преимущества для модернизации существующих и создания новых котлов.
Модельные исследования и системы управления позволяют за короткий промежуток времени проанализировать десятки вариантов структур и их действие в самых тяжелых режимах, чем и обусловлена актуальность создания модели и системы управления и проведения таких исследований.
Модельные исследования объектов управления имеют как практическую, так и научную пользу. С помощью динамической модели можно выбрать наиболее оптимальный вариант алгоритма автоматического
регулирования, произвести расчет настроек регуляторов и т.д. На подобной модели можно отрабатывать не только варианты схем, но и новые законы регулирования (такие как нечеткая логика, нейросетевые технологии и др.), а также построение адаптивных алгоритмов управления.
Использованная литература
1. Тверской, Ю.С. Автоматизация пылеугольных котлов электростанций [Электронный ресурс]: монография / Ю.С. Тверской. — Электрон.дан. — Санкт-Петербург: Лань, 2018. — 472 с.
2. Андык В.С. Автоматизированные системы управления технологическими процессами на
ТЭС: учебник для вузов / В. С. Андык. — Москва: Издательство Юрайт, 2020. — 407 с.
3. Плетнев Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике: учебник для студентов вузов / Г. П. Плетнев - Москва: Издательский дом МЭИ, 2016. — 360 с.
4. Молдабаева М.Н. Автоматизация технологических процессов и производств: учебное пособие: / М.Н. Молдабаева. - Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2019. - 225 с.
5. Дворцевой А.И, Григорьева О.К., Бойко Е.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами тепловых электрических станций учебное пособие Новосибирск 2020. — 77 с.
6. Дуэль М.А. Автоматизированное управление объектами и технологическими процессами ТЭС и АЭС/ - Х.: ЧП «КиК», 2010. — 448 с.
7. Erypalova M.N. Simulation of non-stationary object control system with constant settings in the software environment Simulink Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics. 2017, vol. 17, №. 1, p. 134-139.
8. Дат В.К., Бобцов А.А. Управление по выходу линейными нестационарными системами с использованием методов параметрической идентификации. Мехатроника, автоматизация, управление. 2020, 21(7), 387-393 с.
9. Гребенюк Г.Г., Никишов С.М. Алгоритм управления прямоточных котлов. 2-я Всероссийская конференция с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (УКИ-2010, Москва)
10. Сотволдиев Х.И., Гафуров Ю.И. Алгоритмы оценивания параметров настроек регуляторов в адаптивных системах управления на основе эталонных моделей / Современные проблемы использования информационно-коммуникационных технологий в интеграции науки, образования и производства. Республиканская научно-техническая конференция, Часть 3, Нукус. 2015, 21 апреля, 285-287 с.
138
