МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗАВАРИЙНОЙ РАБОТЫ ПАРОТУРБИННОЙ КОГЕНЕРАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ENGINEERING SCIENCES

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗАВАРИЙНОЙ РАБОТЫ ПАРОТУРБИННОЙ КОГЕНЕРАЦИИ

Софийский К. К., д.т.н. Стасевич Р. К., к.т.н. АгаевР. А., к.т.н. ВласенкоВ. В., к.т.н. Дудля Е. Е., к.т.н.

Украина, Днепр, Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины DOI: https://doi.org/10.31435/rsglobal_ws/12072018/6035

ABSTRACT

The relevance of the studies presented in this paper is to develop a control algorithm that prevents its emergency shutdowns. The aim of the work is the development of scientific and technical foundations for improving the safety of resource-saving steam turbine cogeneration of gaseous fuels.

In the present work, the transition from the temporary methods of constructing regulators in the operational form to frequency methods was realized. The main advantage of the complex frequency characteristics obtained in this case is that the amplification factor K, the lag time t, the time constant T can be obtained by a stepwise impulse action on the input of the link and its transition characteristic we can determine the parameters of the link.

As a result of the research, a general mathematical model of the boiler unit's tracts based on the complex frequency characteristics of its dynamic links was developed.

Citation: Софийский К. К., Стасевич Р. К., Агаев Р. А., Власенко В. В., Дудля Е. Е. (2018) Matematicheskoe Obespechenie Bezavariinoi Raboty Paroturbinnoi Kogeneracii. World Science. 7(35), Vol.5. doi: 10.31435/rsglobal_ws/12072018/6035

Copyright: © 2018 Софийский К. К., Стасевич Р. К., Агаев Р. А., Власенко В. В., Дудля Е. Е. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.

Введение. Для достижения энергетической независимости Украины необходимо развивать добычу и когенерацию газов угольных месторождений, в частности метана. Для достижения данной цели разработаны технико-экономические аспекты утилизации газов угольных месторождений с помощью шахтных когенерационных энергетических комплексов [1,2,3,4]. Строительство таких комплексов обеспечит надежность электро- и теплоснабжения угледобывающих предприятий, а также примыкающих к ним жилых массивов и предприятий. Исследование и анализ работы многих котлоагрегатов и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), в состав которых входят когенерационные комплексы, показал, что управление подачей углеводородных газов и воздуха осуществляется, как правило, вручную. При этом в случае изменения расхода пара сложно поддерживать соотношение воздух/газ, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) и образованию в дымовых газах оксидов азота и углерода больше предельно допустимых концентраций. Управление величиной

ARTICLE INFO

Received: 04 May 2018 Accepted: 18 June 2018 Published: 12 July 2018

KEYWORDS

steam turbine cogeneration; hydrocarbon gases; boiler unit;

frequency characteristics; mathematical model; automation.

разряжения в топке также осуществляется вручную, что не исключает загазирование помещений ТЭЦ ядовитыми газами, погасания пламени на горелках и взрывов в топке котла. Для решения вышеприведенных актуальных задач требуется развитие математического обеспечения безопасности паротурбинной когенерации углеводородных газов.

Результаты исследований. В работе описаны результаты аналитических исследований динамики воздушного тракта парового котлоагрегата, которые представлены на рис. 1 в виде структурной схемы и передаточных функций в операционной форме [3].

uy k K P Kvp V' Ki e-X1P W2 V Kov o2 K2 e-x2p W4 O2

9 Tp +1 Wpu —► TvpP +1 Wi w w TovP +1 W3 w w

Рис. 1. Общеизвестная структурная схема динамики воздушного тракта в операционной форме

Сложности, которые возникают в процессе определения параметров воздушного тракта котлоагрегата, связаны с тем, что методика их определения базируется на размерах элементов конструкции и на номинальных параметрах воды, газа, пара, воздуха, дымовых газов. Параметры воздушного тракта меняются в ходе капитальных ремонтов и полученные нами параметры по чертежам котлоагрегатов оказались далекими от действительных при проверке их в процессе моделирования. Поэтому, нами предложено произвести замену оператора Лапласа (р) мнимой комплексной составляющей (/«), что позволит перейти от временных методов конструирования управляющих контуров в операционной форме к частотным методам. Основное преимущество разработанных при этом комплексных частотных характеристик состоит в том, что параметры звеньев можно получить путем скачкообразного импульсного воздействия на вход звена по его переходной характеристике. При этом автоматически учитывается воздействие других звеньев, взаимосвязанных с исследуемыми. Методика определения комплексных частотных характеристик в показательной форме звена частотного привода и звена вентилятора ^(/ю) представлена в следующем виде:

Wpu (jw) =

к

Тв (jd) +1

W/) =

к

vp

Typ (jd) +1

к,,

Ppu (w) = ■ 2T2 i + w t2

Pi(d) =

к

yp

1 + w2Tp

Qi(w) = -

wTvp Kvp

1 + w2Tp '

n wTeKe

Qpu (d) =

1 + d Тв

4(w) =

к

vp

1

Wpu (/w) =

1 + w2t2 Ke

Ф pu (w) = -arctg аТв;

91(w) = -arctg aTvp;

Apu (w) =

K

Ф + а2Тв2

y-jarctg аТв ; w jd) Kvp e~jarctg wTvp .

^+w2Tp

Комплексную частотную передаточную функцию разлагаем на вещественную и мнимую составляющие Рри(ю) и Qpu (ю), Р^ю) иQl(ю). По теореме Пифагора, используя вещественные

и мнимые составляющие определяем амплитуды частоты характеристик Лри (ю) и Ац(ю).

Начальные фазы ф определяем как арктангенс отношения мнимой к вещественной составляющей.

В результате получаем комплексные частотные характеристики в показательной форме, в которой удобно производить преобразование последовательного соединения звеньев. Ниже представлены результаты определения комплексной частотной характеристики газопровода от точки измерения перепада давления на воздухоподогревателе до измерения концентрации кислорода и комплексные частотные характеристики (КЧХ) звеньев чистого запаздывания ^

от вентилятора до точки измерения перепада давления на воздухонагревателях и Жи (]ю) в газоанализаторе кислорода.

W3(jw) =

Pj(®) =

K„

Tov(ja) + 1

1 + V2ToV2'

гл < aTovKov . Q3(a) =--2—2'

1 + a%v 2

W 2(ja) = K1e~Ti(jm);

Л2(ю) = КЪ Ф2 (ю) = -ют1;

Л4(ю) = К2; ф4 (ю) = -ют1;

Фз (ю) = -аг^ а>Тт; Лз(и) =

комплексно - частотные характеристики

ф + a2ToV 2

-arctgdTo^ _ jarctg&Tov .

Wj = L 2T 2e OV' Wj) = K2e

V1 + a Tov

_^2(Ja)

Математическое обеспечение динамики разряжения в топке в виде комплексных частотных характеристик представлено на рисунке 2

Рис. 2 - Общеизвестная структурная схема динамики разряжения в операционной форме Жри (ю).- КЧХ частотного привода дымососа; Щ(/ю) - КЧХдымососа;

Жб(]'ю) - КЧХ звена чистого запаздывания от дымососа до точки

Wj) =

K

об

To6(ja) +1

Рз(") = Ко6

1 + ®2Тоб2

Qsia>) = _akKf.

1 + ю2т1б

Коб

ф + Ю2Тоб2

А5(ю)=

Ф5 (a) = _arctgaTo6;

W5(ja) =

K.

W6(ja) = K2e~(a)z2; Wpu (ja) = 1

A6(a) = K2; Фб(ю) =_a2;

pu

p/pu (a) = 1

Tpu <Ja) + 1

1 + G?"Tpu u

aT

Qu (a) = _ pu

1 , 2™ 2 ' 1 + a Tpu

W6 (ja) = K2 e-jai2; p pu (a) = _arctgaTpU;

A pu (a) = 1

1 + a2Tpu2

об

p-jarctgaTo6 ■

w' pu (ja) =

_ jarctgaT.

4

pu

1 + a2Tpu 2

Обобщенная математическая модель динамики газовоздушного тракта представлена на рисунке 3, из которой видно, что разряжение в топке зависит не только от разряжения создаваемого дымососом, но взаимосвязано с подачей воздуха и газа в топку.

1

uv

Wpu(jö) KB p W,(j©) Kßll V' W4(j®) TO», V W3(jß>) Kov o2-, CO' W5ü«)

TbÜ®)+1 Tvp(jco)+l Tov(jw)+l

02, CO

и w 'pUM 1 p W,'(jco) К-об Sh W2(jio) ST.(

Tpuü®)+1 lo6Ü»)+l

Vb

Vr

Рис. 3. Разработанная математическая модель динамики газовоздушного тракта на основе комплексных частотных характеристик Жри (¡ю) - КЧХ привода вентилятора с частотным управлением; Щ(/'ю) - КЧХ вентилятора;

Ж2(/ю) -КЧХ тракта от дымососа до топки; Ж3(]ю) - КЧХ тракта от измерения V до измерения О2'; Ж4(/ю) - КЧХ тракта от вентилятора до измерения V'; Ж5 (¡ю) - КЧХ кислородомер; Ж'р и (¡ю) - КЧХ привода дымососа с частотным управлением;

Ж{(/ю) - КЧХ дымососа

Динамика парового тракта, в виде известной структурной схемы и передаточных функций в операционной форме согласно [3], представлена на рис. 4. На их основе заменой оператора Лапласа (р) комплексной мнимой составляющей получены комплексные частичные характеристики испарительного контура, включающего испаренный контур, барабан котла, пароперегревателя и экономайзер.

Рис. 4. Общеизвестная структурная схема и передаточные функции в операционной форме

Wx(p) = W2(p) = W3(p) = -Ь WA(p) = kA; W5(p) = ^;

T\p +1 T2 p +1 T3 p k5Tp

комплексные частотные характеристики испарительного контура

Wu (ja) = Ри (а) = 2l2 ; Qu (а) = аТ 2; A и = V + Q2(a) = , 1 ;

ТЦа)+1 Ти (а) +1 1 + а Ти + а Ти2

-л,- \ 1 аТи , ч Qu(а) ^

wu j)=+ к—bj; фи(а)=arctgQP^a=-arcta;

Ти22(а) +1 1 + аТи2 Ри(а)

ityu __1_l-iarctga

Wu (J®) = An (®)e

V12

Выделив вещественную и мнимую составляющие, получили комплексную частотную характеристику испарительного контура в алгебраической форме, которая применяется при преобразовании параллельно соединенных звеньев и звеньев с обратными связями. Определив амплитуду и начальную форму, получили КЧХ испарительного конструкта в показательной форме.

Ниже представлены КЧХ звена регулирующего органа и звена сжигания газа в топке, а также КЧХ давления в барабане котла в виде интегрального звена при постоянной нагрузке по пару, и КЧХ звена от пароперегревателя до потребителя при различных возмущениях паровой нагрузкой.

,= Kn

Чja) T г л + 1

Tn(ja) +1

Фп = _arctgaTn\

-xTP kt

A

K„

п(ю)

4

1 + a2T2

Wn (ja) = K\ ejarctgaTn Wt (ja) = e~

P (a) = Kn

1 + a2Tn2

Qn (a) = _ aTnKn

1 + a2T2'

Л + a2T 2

Wt (p) = e

Wp6(ja) =

TTP +1

, - „_T(ja).

Tt (ja) +1

WT (ja) = 1 , Kt е_jarctgaT_aT-

2 n~r2

1 + a TT

1

Wh6 (ja) =T-

Tp6 (jaY 1

Pp6(a) =

1

1

Трб(a)

Арб (a) = —;

со

Ф рб

= _90°

1

Кб kнб • Тнб (ja)

рнб(a)=т—; qh6(a) =\

Кнб Тнб(a)

We (ja) =

1

1

T (ja) +1 J

jarctgaTe.

1 + a2Te 2

Wh6 №) =

Тнбa2 + Кб2 _JarctgTt

нб ,б№

Кб 2th6®2

Комплексные частотные характеристики, динамических звеньев управления температурой пара представлены ниже в виде: КЧХ сухопарника, представляющей собой апериодическое звено второго порядка, КХЧ звена от сухопарника до пароперегревателя (апериодическое первого порядка), КХЧ регулирующего органа подачи воды в сухопарник (апериодическое первого порядка).

На основе КХЧ звеньев, с учетом обработки связей и звеньев управления динамикой температуры, разработана нижеприведенная математическая модель парового тракта.

Т2 (ja) +1.

Kenp (1 + Т1Т2)

к a 2 _ тх)

W1 = Kenp'^Z.^'; Pa = ТЛ2 2Qi(a) = mp ; Ф^) = arctg

Tj)+1

1 + a Tf

4(a) =

Kenp (1 + TT2) 1 + a>2Ti

2

Kenpa(T2 _ T1)

1 + rn2T2

; ад=

1 + azT2

K .

a(T2 _ T1). (1 + T1T2) '

1 , 2rp2 '

1 + a T3

W2(ja) =

Ki

Wj) =

Kenp (1 + T1T2)

1 + co2T2

f Kenpa(T2 _ T1) ^ jrctg\

1 + co2T2

a(T2 _T) (1+TT2) J.

Q2(a) = _

T3(ja) +1

aT3 K1 _

1 + a 2T2

А2 (a) = K ; W2 (ja) = K e~arctg aT3;

ф + a2T2

ф +a2T32

Ф2 = _arctg aT3.

Рис. 5. Математическая модель динамики парового тракта котлоагрегата

Тракт питания достаточно хорошо изучен, известны апробированные на практике

структурные схемы регуляторов уровня в барабане котла. Ниже приведены известные [3,4]

передаточные функции тракта питания в операционной форме

1 к, 1 к1 (р) = Жх(р) + Ж2(р) = -— +Жр (р) = Ж8(р) + Ж9(р) =--+ —2

T1 p Т2 Р + 1 Wjv (p) = Wi2(p) + Wii(p) =

Т5 Р Т6 Р + 1

1 k3 ■ + - 3

Т8 Р Т7 Р +1

На их основе нами получены комплексные частотные характеристики тракта питания

Wh (J®) =

1

Tx(j®) +1

T2(j®) +1 WT (j®) =

1

Wdk(j®) =

1

Т (j®)+1 T2(j®)+1

Т^ю) +1 Тт (¡о) +1

Поскольку наиболее часто аварийные ситуации с тяжелыми последствиями возникают при пусках, розжиге и аварийных остановках котлоагрегатов, то главной задачей обеспечения их безопасности является создание алгоритма управления, предотвращающего его аварийные остановки.

Для его разработки вышеприведенное математические обеспечение было запрограммировано в контроллер Р-130, который являлся моделью котлоагрегата. В управляющий контролер Р-130 были загружены структурные схемы пропорционально-интегрално-диференциальных регуляторов для каждого контура управления и обеспечена связь его выходов со входами контуров модели, а выходы модели со входами управляющего контроллера. Наладка отдельных контуров управления не вызывала особых затруднений. Но как только объединялись все связи между контурами модели, и имитировалось возмущение паровой нагрузкой начинался колебательный процесс в паровом тракте, тракте питания и в топке, что приводило к срабатыванию противоаварийной защиты. Этот процесс длился до тех пор, пока не было пройдено принципиально новое решение - подавать одновременно на все входа контуров управления упреждающие сигналы пропорциональных первой производной возмущения паровой нагрузки котлоагрегата. На основе этого решения был разработан алгоритм противоаварийной защиты

котлоагрегата, предотвращающий аварийную остановку котлоагрегата по возмущению расходом пара, определен перечень новых управляющих параметров и разработана структурно-функциональная схема безаварийного управления котлоагрегатом при неизбежных возмущениях паровой нагрузкой выше регламентных значений.

Для проверки достоверности разработанных математических моделей и структурно-функциональной схемы разработаны общесистемные, программно-технические решения, информационное обеспечение. Также был изготовлен опытно-промышленный образец станции управления «Д1Я» и установлен, для промышленного испытания, в действующий котлоагрегат БКЗ-220-100Ф №2 ТЭЦ ПАО «ДНШРОАЗОТ» в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ I II) котлоагрегатов (рис.6).

Рис. 6. Структурная схема комплекса технических средств станции «Д1Я»

Фактический экономический эффект за три года (2015-2017) работы станции «Д1Я» в составе АСУ ТП составил 20,7 млн грн.

Выводы.

1. Разработана обобщенная математическая модель трактов котлоагрегата на основе комплексных частотных характеристик его динамических звеньев, с помощью которой, разработан методом математического моделирования и внедрен алгоритм выдачи упреждающих воздействий, пропорциональных первой производной значения возмущающего воздействия паровой нагрузкой одновременно по всем взаимосвязанным информационным каналам, устранивший опасность возникновения аварийных остановок котлоагрегатов и обеспечивший безопасность их эксплуатации при возникновении возмущений, превышающих регламентные значения.

2. Разработана структурно-функциональная схема информационного управления, обеспечивающая выдачу упреждающих воздействий одновременно на все информационные входные каналы, при возмущениях процесса изменением паровой нагрузки, на основе которой,

разработано информационное обеспечение, общесистемные и технические решения и изготовлен опытно-промышленный образец станции управления котлоагрегатом «Д1Я».

3. Разработанная станция управления «Д1Я» в составе АСУ ТП позволяет применять в котлоагрегатах метан угольных месторождений и утилизировать газовую смесь с низкой концентрацией метана, полученную в результате подземной дегазации угольной шахты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Булат А. Ф., Чемерис И. Ф. Технико-экономические аспекты утилизации шахтного метана в газодизельгенераторных установках, Геотехническая механика. Межвед. сб. научн. трудов ИГТМ НАН Украины, № 17, 2000, с. 19-23.

2. Софийский К. К., Стасевич Р. К., Бокий Б. В., Шейко А. В., Гаврилов В. И., Московский О. В., Дудля Е. Е. Безопасность и эффективность метаноугольных шахт, ФЛП Халиков, 2017 - 308 с.

3. Клюев А. С., Товарнов А. Г. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов, Энергия, 1970 - 280 с.

4. Клюев А. С., Лебедев А. Т., Новиков С. И. Наладка систем автоматического регулирования барабанных паровых котлов, Энергоатомиздат, 1985 - 280 с.