МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПАРА В ДЕАЭРАТОРЕ АЭС В SIMINTECH Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ

УДК 681.5.017

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-628-633

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПАРА В ДЕАЭРАТОРЕ АЭС В SIMINTECH

Ю. А. Мефедова, А. В. Бизов

Рассмотрен процесс разработки и исследования модели системы автоматического регулирования давления пара в деаэраторе атомной электростанции в среде БтЫТвсИ. Применена оптимизация параметров переходного процесса по времени регулирования и максимальному давлению с нахождением коэффициентов ПИД-регулятора. Представлены модели для расчета параметров передаточной функции объекта регулирования, модель исходной и оптимизированной системы регулирования с управляющим и возмущающим воздействиями, результаты моделирования в виде графиков переходных процессов.

Ключевые слова: деаэратор, система автоматического регулирования, моделирование в БтЫТвсИ, оптимизация переходного процесса, ПИД-регулятор.

Одним из основных путей повышения эффективности производства является создание систем автоматического регулирования (САР) технологическими процессами на базе современных средств автоматизации. Для их функционирования с заданными показателями качества синтезируется закон регулирования различными методами. Актуальным является использование имитационных моделей, в которых данный закон определяется автоматически в ходе моделирования при заданных параметрах системы.

В статье рассматривается САР давления пара в деаэраторе атомной электростанции (АЭС) с реактором ВВЭР-1000, включающим в себя накопительный бак с двумя колонками. Деаэратор является смешивающим подогревателем, в котором осуществляется термическая деаэрация конденсата, поступающего из конденсатора турбины после подогревателей низкого давления. В верхнюю часть колонки подается конденсат, а в нижнюю часть - греющий пар из отбора турбины. Конденсат нагревается до температуры насыщения, при этом выделяющиеся из него газы вместе с остатками пара удаляются из головки в виде выпара, а деаэрированный конденсат собирается в деаэраторном баке. Деаэрационная установка турбинного отделения АЭС предназначена для:

- удаления из питательной воды коррозионно-активных газов (кислород, двуокись углерода), образовавшихся при термическом разложении бикарбонатов и карбонатов;

- создания рабочего резерва питательной воды в баках-аккумуляторах для компенсации разницы между расходом питательной воды, подаваемой питательными насосами в парогенераторы, и количеством основного конденсата турбины, подаваемого в деаэраторы;

- подогрева питательной воды в регенеративном цикле турбоустановки;

- подачи пара на уплотнения турбины при работе блока на номинальных параметрах.

Во время работы деаэрационной установки в режиме нормальной эксплуатации контролируются такие параметры, как температура питательной воды за деаэратором и химически очищенной воды (ХОВ), давление конденсата, греющего пара и ХОВ перед колонками, расход ХОВ и основного конденсата на деаэратор. Подлежат автоматической регулировке давление пара в деаэраторе (колонке) и уровень воды в деаэраторе (баке) [1].

628

Давление в деаэраторе необходимо поддерживать постоянным. Это связано с тем, что после деаэратора вода, нагретая до температуры насыщения, питательным насосом подается в питательную магистраль и далее в парогенератор. При резком изменении давления в деаэраторе может произойти вскипание воды, и работа насоса нарушается.

Для регулирования давления в деаэраторе в качестве управляющего воздействия используется изменение расхода пара. Возмущающими воздействиями, вызывающими отклонение от номинального значения, являются расход и температура конденсата, а также давление пара на входе в деаэратор. В большинстве случаев применяются одноконтурные САР с регулированием по отклонению выходной величины. Для моделирования такой системы необходимо иметь математическое описание всех элементов, включая объект регулирования.

Для вывода уравнения динамики деаэратора по давлению пара используется уравнение сохранения энергии для парового пространства [2]: т\(у - V )р"7"1

^ П 1 = Мп (1П -7') + 0И - Мс7'- Мк (¡'- 1К ),

т

где Vп, Vк - объемы парового пространства и водяных капель в нем; р'' - плотность насыщенного пара; Мп, Мк, Мс - массовый расход пара, конденсата и паровоздушной смеси; 7, 7", ¡п, 7к - энтальпии сухого насыщенного пара, воды на линии насыщения, пара и конденсата; Qи - количество теплоты, поступающее в паровое пространство за счет самоиспарения конденсата.

Выполняя ряд преобразований с учетом определенных допущений, получено уравнение динамики по давлению Р в деаэраторе с двумя входными воздействиями: по расходу пара Мп (управляющее воздействие) и температуре конденсата ?к (возмущающее воздействие):

T AP'

AP = КП AM П

Кк AtK,

где Т- постоянная времени, с; Кп, Кк - коэффициенты преобразования, А - приращение.

Таким образом, динамика деаэратора по обоим каналам описывается апериодическим звеном 1-го порядка. Параметры определяются согласно выражениям:

д(р"7") _

(7'- ¡к ) • Мк

2 • (Vn - Vk ) •

Т = ■

dP

Ц-Л®' 5(MC • i") (M П + MK ) 5P +

К П =

/IT" ТГГч^'' 5(MC • i")

(Mn + Mk )— + ■ V C '

5P

dP

M П

K =_iК • MK

К r(M" , ^ 5i' 5(Mc • i")■

(М п + Мк ) дР + дР

где Мп,Мк,Мс - средние значения расходов пара, конденсата и паровоздушной смеси, 1к -средняя температура конденсата.

Для расчета данных параметров использована система модельно-ориентированного проектирования SimInTech. Модель, реализующая расчет постоянной времени Т, представлена на рис. 1.

ГУТ!-1

dP

•-Р V

Пар

РТ

Гмр 7Mkl

"Ui

-J

drin

-2*

drin/dP

D>

t>

diB/dP

t>

dMcin/dP

Рис. 1. Внешний вид модели для расчета постоянной времени Т

629

Для расчета коэффициента по расходу пара Кп и коэффициента по температуре конденсата Кк построены аналогичные структурные схемы.

В результате моделирования получены численные значения:

- постоянная времени Т=10,67 с;

- коэффициент по расходу пара Кп = 0,064 МПас/кг;

- коэффициент по температуре конденсата Кк = 0,014 МПа/0С.

На рис. 2а представлена модель САР давления в деаэраторе без ПИД-регулятора. Регулирующий клапан с исполнительным механизмом представлен интегрирующим звеном, участок паропровода от регулирующего клапана до деаэратора - звеном с запаздыванием, датчик -усилительным звеном, объект регулирования - двумя передаточными функциями по управлению и по возмущению с найденными ранее параметрами.

Переходный процесс исходной системы, как будет показано далее, имеет большое перерегулирование, а так как к превышению номинального давления предъявляют жёсткие требования, то необходимо определить параметры ПИД-регулятора, который обеспечит требуемые показатели качества регулирования.

Для этого разработана имитационная модель САР давления в деаэраторе совместно с блоком оптимизации, представленная на рис. 2б [3,4].

В качестве критерия оптимизации использованы два параметра: время переходного процесса tр и максимальное давление Ртах в деаэраторе. Оптимизируемыми параметрами являются пропорциональная кр, интегральная к и дифференциальная кл составляющие ПИД-регулятора. Данные величины использованы в качестве глобальных переменных проекта (табл. 1).

Подсистема расчета параметров переходного процесса представлена на рис. 3. В блоке «Ключ» установлена уставка, соответствующая 5% коридору от номинального значения давления 0,6 МПа. Также предусмотрен блок для определения верхнего предела текущего давления. Таким образом, в данной подсистеме вычисляются необходимые критерии оптимизации.

Деаэратор [по возмущен иш}

Т$+1

Рноы

Тб+1

Клапан

Деаэратор (по управлению)

<

к

Переходный процесс

Датчик давления

Изменение

температуры

кондесата

Деаэратор (по возмущению)

О

к

Тэ+г

Тэ+1

Переходный процесс

Клапан

Деаэратор (по управлению)

о

С

\г<~

Оптимизация

1Р

Ртах

кР

—* и

— к(1

Расчет параметров переходного процесса

Рис. 2. Разработанные модели: а - модель САР давления без ПИД-регулятора; б - модель

САР давления с оптимизацией

Глобальные переменные проекта (после оптимизации)

Таблица 1

Имя Название Тип данных / Режим / Способ расчета Значение

Ф Время переходного процесса 26.553

Ртах Максимальное давление Вещественный / 0.62457495

кр Пропорциональный коэффициент Ненаправленный / 3

Интегральный коэффициент Переменная 0

kd Дифференциальный коэффициент 44.830966

Рис. 3. Подсистема расчета параметров переходного процесса

В настройке блока «Оптимизация» заданы начальные, минимальные и максимальные величины оптимизируемых параметров (коэффициентов ПИД-регулятора), а также минимальные и максимальные величины критериев оптимизации (табл. 2). Так время регулирования 7р должно составлять от 5 до 30 с, максимальное давление Ртшх - от 0,6 до 0,63 МПа.

Таблица 2

Свойства блока «Оптимизация»_

Название Имя Значение

Режим оптимизации параметров optmode По полному переходному процессу

Периодичность анализа критериев оптимизации при расчёте в динамике, с optstep 1

Начальное приближение выходов блока x0 [5, 5, 5]

Минимальные значения выходов блока ymin [3, 0, 0]

Максимальные значения выходов блока ymax [30, 10, 200]

Абсолютная точность подбора значений выходов yabserror [0.01, 0.01, 0.01]

Начальное приращение выходов dparams [0.01, 0.01, 0.01]

Минимальные значения входных критериев оптимизации umin [5, 0.6]

Максимальные значения входных критериев оптимизации umax [30, 0.63]

Тип суммарного критерия оптимизации usumtype Аддитивный

Метод оптимизации optmethod Симплекс

Максимальное количество повторных исследований при расчёте по полному переходному процессу maxiter 5000

Выдача информации о процессе оптимизации printoptinfo Да

Оптимизация проводится симплекс-методом по полному переходному процессу, при этом максимальное количество повторных моделирований равняется 5000. Результаты параметров и критериев оптимизации приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты параметров и критериев оптимизации_

Текст сообщения

№ Оптимизированные параметры Критерии оптимизации

1 [5, 5, 5] [99.998, 9013.4151]

2 [13.689557, 0, 9.965461] [80.909, 0.95919647]

3 [11.620615, 0, 6.6551537] [76.091, 0.95368382]

4 [4.4482821, 0, 16.034358] [44,93 0.69540464]

5 [3, 0, 44.830966] [26.553, 0.62457495]

6 Конечное время достигнуто (time = 100)

Графики переходных процессов представлены на рис. 4.

Параметры ПИД-регулятора, найденные в ходе оптимизации: кр=3, к =0, кт =44,830966. Время регулирования 7р оптимизированной системы составляет 26,553 с, максимальное давление в деаэраторе Ртах равняется 0,6246 МПа. Требования к работе САР давления пара в деаэраторе выполнены.

- Уставка - Оптимизирован ный процесс

Рис. 4. Графики переходных процессов

Таким образом, выполнена разработка, моделирование исходной и оптимизированной системы САР давления пара в деаэраторе АЭС с реактором ВВЭР-1000. Из полученных результатов моделирования можно сделать вывод, что использование среды SimlnTech для модельной настройки параметров ПИД-регулятора имеет следующие преимущества:

- сокращение временных и экономических затрат на разработку систем управления путем предварительной проверки полученных проектных решений посредством имитационного моделирования;

- гибкая адаптация модели под возможные изменения режимов эксплуатации САР давления деаэратора (например, уставок) или в случае ее модернизации (замены средств автоматизации);

- универсальность подхода с возможностью применения результатов моделирования САР давления к деаэраторам различного назначения на АЭС, ТЭЦ и на других промышленных объектах.

Список литературы

1. Юшкова А.О., Мефедова Ю.А. Задачи автоматизации деаэратора атомной станции // Актуальные проблемы и пути развития энергетики, техники и технологий : Сборник трудов VII Международной научно-практической конференции, Балаково, 23 апреля 2021 года. - Балако-во: Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 2021. С. 149-154.

2. Мефедова Ю.А., Меркулов А.С. Разработка модели деаэратора атомной станции // Актуальные проблемы и пути развития энергетики, техники и технологий : сборник трудов III Международной научно-практической конференции, Балаково, 18-23 апреля 2017 года / Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Балаковский инженерно-технологический институт. Балаково: Балаковский инженерно-технологический институт (филиал) Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ", 2017. С. 194-197.

3. Герман-Галкин С.Г., Карташов Б.А., Литвинов С.Н. Модельное проектирование электромеханических мехатронных модулей движения в среде SimlnTech. М.: ДМК Пресс, 2021. 494 с.

4. Ustimenko V.V., Chubar A.V., Mikhaylenko L.A. Automated setting of regulators for automated process control systems in the Simintech visual modeling system // Siberian Journal of Science and Technology. 2020. Vol. 21. No 3. P. 337-346. DOI 10.31772/2587-6066-2020-21-3-337-346.

Мефедова Юлия Александровна, канд. техн. наук, доцент, YAMefedova@mephi.ru, Россия, Балаково, Балаковский инженерно-технологический институт - Филиал «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»,

Бизов Александр Валерьевич, студент, alexbizov654@gmail.com, Россия, Балаково, Балаковский инженерно-технологический институт - Филиал «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

SIMULATION OF THE STEAM PRESSURE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM IN THE NPP

DEAERATOR IN THE SIMINTECH

J.A. Mefedova, A.V. Bizov 632

The process of designing and researching the model of the steam pressure automatic control system in the nuclear power plant deaerator in the SimInTech environment is considered. The optimization of the transient process parameters in terms of control time and maximum pressure is applied with the finding of the PID-controller coefficients. The models for calculating the transfer function regulated object parameters, the original model and the optimized control system model with control and disturbing influences, simulation results in the form of transient processes graphs are presented.

Key words: deaerator, automatic control system, simulation in the SimInTech, transient process optimization, PID-controller.

Mefedova Julia Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, YAMefedova @mephi.ru, Russia, Balakovo, Balakovo Institute of Engineering and Technology of the National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute),

Bizov Alexander Valeryevich, student, alexbizov654@gmail.com, Russia, Balakovo, Balako-vo Institute of Engineering and Technology of the National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

УДК 681.3.06, 621.396

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-633-640

ПОВЫШЕНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ДОСТАВКИ В СЛОЖНО СТРУКТУРИРОВАННЫХ И РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЦЕПЯХ

ПОСТАВОК

Н.Н. Майоров, В.Е. Таратун

В статье рассматриваются вопросы повышения автоматизации и управления объектами производственного процесса в сложноструктурированнных и распределенных цепях поставок за счет применения технологии радиочастотной идентификации. Рассмотрены модели и методы для представления структур цепей поставок материальных объектов, приборов и приборных комплексов. Определены особенности организации цепей поставок материальных объектов для таких технических систем, как система доставки материальных объектов, применительно к космической сфере. Обоснована необходимость разработки систем идентификации материальных объектов, применимая на различных уровнях цепей поставок. Рассмотрено применение радиочастотной технологии и системы идентификации на ее основе как в наземном секторе цепей поставок, так и для космического пространства. Приведен анализ стандартов CCSDS для решения задачи идентификации материальных объектов в цепях поставок с использование технологии радиочастотной идентификации.

Ключевые слова: идентификация процессов, стандарт, идентификация материальных объектов, радиочастотная идентификация, RFID, логистические структуры, техническая система.

Обновлению и модернизации цепей поставок уделяется особое внимание при развитии компаний и систем. От эффективности организации процесса доставки материальных объектов, выбора наилучшей структуры и модели реализации, будет зависит стабильность работы организаций и необходимых внутрипроизводственных процессов. Особую актуальность имею процессы доставки материальных объектов, приборных комплексов, для таких сложных систем как международная космическая станция. Уникальность процессов организации цепей поставок определяется наличием наземных и космических участков, которые должны быть объединены в единую цепь. Данные процессы, логистические система, имеют сложную структуру, требуют разработки новых систем идентификации, новых аппаратных и приборных комплексов для учета материального потока. При выполнении исследований, проектирования, дальнейшего управления и внедрения информационных систем, логистическая система может быть разделена на подсистемы, звенья, элементы. При построении модели систем принято выделять функциональные подсистемы и обеспечивающие подсистемы. При практической реализации цепей поставок для обеспечения таких объектов как МКС необходимо учитывать особенность