CC BY
61
УДК 621.313.322-52
Канюк Геннадш 1ванович, д-р техн. наук, проф., декан енергетичного факультету Тел. +38-057-733-79-14, E-mail [email protected] (orcid.org/ORCID: 0000-0003-1399-9039) Близниченко Олема МиколаТвна, асистент, зав. лабораторieю кафедри «Теплоенергетики та енергозбереження», Тел. (057) 733-78-39, (063) 214-79-77 E-mail: [email protected] ORCID: (orcid.org/ORCID: 0000-0002-2774-5200)
Мезеря Андрш Юршович, кандидат техшчних наук, доцент кафедри електроенергетики
Тел.: (057)733-79-66E-mail: [email protected] ORCID: (orcid.org/ORCID: 0000-0003-2946-9593)
Мельников В'ячеслав Свгенович, аспiрант кафедри «Теплоенергетики та енергозбереження»
Тел. (057) 733-78-03, (050) 403-93-67E-mail: [email protected] ORCID: (orcid.org/ORCID: 0000-0001-6427-6805)
Укра!нська шженерно-педагопчна академiя, м. Харшв, Укра!на. Вул. Утверситетсъка 16, м. Харк1в, Украина,
61003
Бабемко 1гор Анатолшович, директор Змпвсько! теплово! електрично! станцй' Публiчного акцiонерного товариства «Центренерго», Харювсъка обл.., ЗмИвсъкий р-н, смт. Комсомолъсъке, Бстаклшсъке шосе,2. Украина, 63460, Тел. 0504021367, E-mail: [email protected] ORCID: (http://orcid.org/0000-0001-6640-070X)
ПРЕЦИЗ1ЙН1 СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРНЫХ
УСТАНОВОК
Статтю присвячено дослгдженню та розробщ науково-техтчних i нормативних методгв i засоб1в полтшення показниюв nrncmi електроенергИ, що виробляетъся турбогенераторними установками електростанцш i доведення Их до рiвня дтчих мiжнародних стандартiв. В роботi розглянутi питання розробки i впровадження нових ефективних технiчних ршенъ, що суттево зменшуютъ вй види статичних i динамiчних похибок i, тим самим, тдвищуютъ точнктъ регулювання i яюстъ виробляемоИ електроенергИ. До таких методiв i рШенъ вiдносятъся, зокрема, методи структурно-параметричного синтезу регуляторiв частоти та потужностi турбогенераторних установок на основi зворотних задач динамти.
Ключовi слова: турбогенераторт установки, паровi i гiдравлiчнi турбти, показники якостi електроенергИ, точнiстъ регулювання, синтез прецизтних регуляторiв, наукова i нормативна база.
Канюк Геннадий Иванович, д-р техн. наук, проф., декан энергетического факультета Тел. + 38-057-733-79-14, E-mail [email protected] (orcid.org/ORCID: 0000-0003-1399-9039) Близниченко Елена Николаевна, ассистент, зав. лабораторией кафедры «Теплоэнергетики и энергосбережения», Тел. (057) 733-78-39, (063) 214-79-77 E-mail: art-studio diana @ukr.net ORCID (orcid.org/ORCID: 0000-0002-2774-5200)
Мезеря Андрей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетики
Тел .: (057) 733-79-66 E-mail: [email protected] ORCID (orcid.org/ORCID: 0000-0003-2946-9593)
Мельников Вячеслав Евгеньевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетики и энергосбережения»
Тел. (057) 733-78-03, (050) 403-93-67 E-mail: [email protected] ORCID (orcid.org/ORCID: 0000-0001-6427-6805)
Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков, Украина. Ул. Университетская 16, г. Харьков,
Украина, 61003
Бабенко Игорь Анатольевич, директор Змиевской тепловой электрической станции публичного акционерного общества «Центрэнерго», Харьковская обл., Змиевской р-н, пгт. Комсомольское, Балаклейское шоссе, 2 Украина, 63460, Тел. 0504021367 E-mail: [email protected] ORCID (http://orcid.org/0000-0001-6640-070X)
ПРЕЦИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК
Статъя посвящена исследованию и разработке научно-технических и нормативных методов и средств улучшения показателей качества вырабатываемой турбогенераторными установками электростанций и доведение их до уровня действующих международных стандартов. В работе рассмотрены вопросы разработки и внедрения новых эффективных технических решений, существенно уменъшают все виды статических и динамических погрешностей и, тем самым, повышают точностъ регулирования и качество производимой электроэнергии. К таким методам и решениям относятся, в частности, методы структурно-параметрического синтеза регуляторов частоты и мощности турбогенераторных установок на основе обратных задач динамики.
Ключевые слова: турбогенераторные установки, паровые и гидравлические турбины, показатели качества электроэнергии, точностъ регулирования, синтез прецизионных регуляторов, научная и нормативная база.
Gennady Kaniuk, Ph. D., Professor, Dean of the Faculty of Energy
Tel.: (057) 733-79-14, E-mail [email protected] (orcid.org/ORCID: 0000-0003-1399-9039)
Elena Blyznychenko, Assistant Head. Laboratory of the department "Power engineering and energy saving" Tel. (057) 733-78-39 (063) 214-79-77 E-mail: art-studio diana @ukr.net ORCID (orcid.org/ORCID: 0000-00022774-5200)
Andrey Mezerya, Ph.D., Associate Professor, Department of electricity E-mail: [email protected] ORCID (orcid.org/ORCID: 0000-0003-2946-9593)
Vyacheslav Melnikov, graduate student, Department of power engineering and energy saving. Contact tel.: +38(050) 403-93-67, E-mail: [email protected]
Ukrainian Engineering and Pedagogical Academy, Str. University, 16, Kharkov, Ukraine, 61003 Igor Babenko, Director Zmiyiv thermal power stations of JSC "Centrenergo", Kharkov region. Zmiyivskiy district, town. Komsomolsk, Balakliysky highway, 2, Ukraine, 63460, Contact tel.:0504021367 E-mail: [email protected] ORCID: (http://orcid.org/0000-0001-6640-070X)
PRECISION AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS TURBOGENERATORS
The article is devoted research and working out of scientific and technical and standard methods and means of improvement of indicators of quality developed turbogenerators by installations of power stations and their finishing to level of operating international standards. In work questions of working out and introduction of new effective technical decisions are considered, essentially reduce all kinds of static and dynamic errors and, thereby, raise accuracy of regulation and quality of the made electric power. Methods of structurally-parametrical synthesis of regulators of frequency and capacity concern such methods and decisions turbogenerators installations on the basis of return problems of dynamics, in particular.
Keywords: turbogenerators installations, steam and hydraulic turbines, indicators of quality of the electric power, accuracy of regulation, synthesis ofprecision regulators, scientific and standard base.
Актуальшсть теми
Електрична енерпя, що вироблясться тепловими, атомними та гiдравлiчними електростанщями, характеризусться рядом показниюв якосп (ПЯЕ), яю жорстко регламентуються вггчизняними та зарубiжними стандартами. Вщхилення фактичних показниюв якосп вщ регламентованих значень призводить до додаткових втрат електроенерги, зниження надшносп i термшу служби електроустаткування, а також до зниження ефективносп або навпъ прямого порушення технолопчних процеав споживачiв.
Одним з найважливших ПЯЕ е стабшьнють частоти електричного струму в електричнш мережь Цей показник забезпечуеться ефективнютю роботи систем автоматичного регулювання частоти i потужносп (САР Ч i П) турбогенераторних установок, а саме - показниками !х статично! та динамiчноi точностi, якi повинш забезпечувати мiнiмальне вiдхилення частоти обертання роторiв турбогенераторiв вiд заданих режимних значень. Вимоги вггчизняних державних стандарпв дозволяють максимальнi допустим! вiдхилення частоти для САР Ч i П, оснащених гiдравлiчними i електрогiдравлiчними регуляторами, вщповщно 0,3 i 0,1 %, тодi як за вимогами зарубiжних стандартiв, що визначають якiсть електроенерги та ii конкурентоспроможнiсть на зовшшшх ( у т. ч. -европейських) ринках, цей показник повинен становити не бшьше 0,06 %. Останшм часом на рядi енергоблоюв украшських електростанцiй використовуються електрогiдравлiчнi САР Ч i П, розробленi АТ «Турбоатом» i АТ «Монолгг» (м. Харюв). Такi системи мають значш резерви пiдвищення показникiв якостi регулювання i дозволили наблизити деякi з них до рiвня мiжнародних стандарпв. Разом з тим, в нишшнш час цi резерви використовуються не повнютю. Це пов'язано, з одного боку, з використанням недостатньо ефективних алгоршмв керування виконавчими мехашзмами САР Ч i П (використовуються, в основному, типов1 промисловi П1Д - регулятори), з шшого боку - неращональними схемними i конструктивними ршеннями самих виконавчих механiзмiв (загальна система живлення, низью питомi енергетичнi характеристики, значш габарити, велика кшькють додаткових передавальних механiзмiв). Вирiшення цiеi проблеми ускладнюеться вщсутнютю системно! науково-технiчноi та нормативно! бази для створення прецизшних САР Ч i П турбогенераторних установок. Вщповщно, розробка i наукове обгрунтування цих питань становить важливу та актуальну науково-техшчну задачу [1, 2, 3].
Мета i завдання дослщжень Мета роботи - пщвищення якостi (у т. ч. - стабшьносп частоти) електроенергii, шляхом удосконалення наукових i нормативных методiв i засобiв, що забезпечують висок1
показники статично! та динамiчноi точносп систем автоматичного регулювання турбогенераторних установок.
Повна уточнена математична модель САР Ч 1 П
Для виршення завдань пщвищення точносп регулювання частоти та потужносп турбогенераторних установок шляхом синтезу прецизшних регуляторiв розроблено уточнеш, порiвняно з iснуючими, математичнi моделi електрогiдравлiчних виконавчих механiзмiв САР Ч i П, робота яких суттево впливае на якiсть регулювання [4-5].
Принципову схему електрогiдравлiчного виконавчого мехашзму з мiкропроцесорною системою керування, що забезпечуе необхiдне (вiдповiдно з завданням регулювання) перемщення стопорно-регулюючих клапанiв парово! турбiни, наведено на рис. 1.
При вщхиленш параметрiв регулювання (частоти або потужносп) вiд заданих значень мжропроцесорний регулятор (МР) формуе керуючий сигнал, який подаеться на вхщ електрогiдравлiчного перетворювача (ЕГП). Змщення заслонки ЕГП викликае вiдповiдне змщення плунжера вiдсiчного золотника (ВЗ) i поршня гiдравлiчного сервомотора (СМ), який передае керуюче зусилля через кулачковий передавальний мехашзм (ПМ) на стопорно-регулюючi клапани (СРК) парово! турбши (ПТ), забезпечуючи потрiйну змiну частоти
Повна уточнена математична модель САР Ч i П представлена наступними piB^H^M^
- диференцшш piвняння обертового руху pотоpiв електрогенератора i парово! туpбiни
J7 К г + M т sign К }+ kЖт (г = Ссв (рг - ут ) , (1)
J птр а> т + M Тт sign К }+ k тжт (От + ССв (рг - рт )= K рРп + Кр G „2; (2)
- диференцшне piвняння руху електpомеханiчних елементiв ЕГП
TL Хз + 2^эгп тэгп Х3 + Х3 = Кхiy; (3)
- диференцшне piвняння витрат робочо! piдини у гiдpавлiчних каналах ЕГП
эгп-Ру + S03X03 - »3S3 {X3) I ( — - цслsс )
ж
р
р
- диференцшне рiвняння руху вiдсiчного золотника
m03 Xоз + KЖт Xоз + FT sign {Xоз }- рб {Sy - Sб) + PdSд - Py Sy - F™ ;
(4)
(5)
- диференцiйнi рiвняння витрат робочо' рiдини у гiдравлiчних каналах вiдсiчного золотника
V,
- Pe Sign{X03 }- Цоз S03 (X03 \ - (Pi - Pe Sign{Xo3 }) - 6, Ж \P
2
Рг sign {X оз }- Q ШТ - »03 S оз {X оз I- P sign {X оз } - Рг ) ;
X
V- Pд - Q д -
X
р
V6 P. рб -
X
0
»оз s mrj рр (P0 - pcji );
при Х оз > 0
12
»оз S оз^1 р (Ро - Рб ) ПРи Хоз <
Pi -
Q д -
»о, S о^ рр (Ро - Рб ) при Хоз > 0 . р - | 0 при Хоз < 0 ^
Р„
Грп пРи Х03 > 0
Рсл ПРи Хоз < 0
при Х оз > 0 .
- Рп при Хоз < 0
(6) {7) (8)
(9)
(10)
- диференцшш piB^Hra витрат робочо' рщини у робочих порожнинах гiдравлiчного сервомотору
V + — Рп + kп (рп - Р )+ k (рп - Ршт )- Qп
п гц ут V гц сл / пер \ гц гц / х--гц
X V
V + _шт р шт - k шт (р шт - р ) + k (рп - р шт ) - q
шт гц ут \ гц сл ' пер\ гц гц '
X
шт
гц
Vn - S; (X4 + XK); V^r - Sшт (XZ4 + XK); Хк
S
С
s:
гц рп гц £)шт
п гц
С
р:
шт гц
- диференцшш piвняння руху робочо'1 piдини у каналах шдводу до сервомотору
р Sr Q п + р
2
L
+
кп j ъ кп
V "" кп J
- Pe - рц;
р S^- Q шт+р
2 кш
КШ 7
ат„
+
ршт _ р •
гц г '
чшт
гц ^ гц
- диференцшш piвняння руху поршня сервомотору m ппр XZ4 + k^m + ft sign {^гц }+ С 7 + Fon - рц Sпщ - РШт S
- piвняння формування керуючого сигналу у pегулятоpi
i у - K1 (i гц - i гц )- K 2 1оз ; i гц - K xiX гц ; i гц - KxiX гц ; i оз - K xi X оз ;
(11) (12)
(13)
(14)
(15)
(16) (17)
п
У рiвняннях (1) - (17), що складають у сукупностi повну математичну модель САР Ч i П парово! турбiни, використано наступш позначення: 3 ,3 , т03, т - приведет до
вщповщних оргашв моменти енерци i маси рухомих части електрогенератора, турбши,
. . . 2 вiдсiчного золотника i поршня сервомотору, кг • м , кг; рг, (рТ, Сг, С0Т - кути повороту i
кутовi швидкостi роторiв генератора i турбши, рад , рад / с ; М гст , М Тст , , Рсгц -моменти i сили сухого тертя у опорах генератора, турбши, вщачного золотника i сервомотору; Рп, G - тиск i витрата пари на входi в турбшу, Па, кг / с;
С се, С цр, Сцп , СОП" - значення крутильно! та лiнiйних пружних податливостей зв'язку роторiв генератора i турбши, поршня сервомотору i його опор з боюв поршнево! i штоково! порожнин, Нм / рад , Н / м ; К гжт , К Тжт , К жт , К ЖЦт - коефiцieнти рiдинного тертя у опорах генератора, турбши, вщачного золотника i сервомотору, Нм • с / рад , Н • с / м ; Тэгп, с, ^эги - постшна часу i коефiцieнт вiдносного демпфшвання електрогiдравлiчного
перетворювача; 1у, ¡Згц, 1гц, ¿оз - значення струмiв електричних керуючих сигналiв, вiдповiдно, на входi в ЕГП, задавач регулятора частоти, давачiв положення сервомотору i вiдсiчного золотника, А; А Х Х Х Х - змщення золотника ЕГП, вщачного
' з ' оз ' гц ' к
золотника, поршня i корпуса сервомотора, м ;
Р , Р0, Рсл , Р1, Р2, Рб, Ре, Рг, Рд, Рг"ц , РгЦ" - значення тискiв робочо! рiдини, вiдповiдно,
на виходi i входi ЕГП, у зливнiй порожнинi, у вiдповiдних порожнинах вiдсiчного золотника i сервомотора, Па; уэгп , у , Vшт - об'еми порожнин ЕГП, поршнево! i штоково! порожнин
сервомотору, м3; £ з, £оз, £л , £д, £д, £ пгц , £Ш" - ефективнi робочi площини золотника
ЕГП, i вщачного золотника, зливно! порожнини, поршнево! i штоково! порожнини сервомотору, м2; р, % - густина i модуль об'емно! пружностi робочо! рiдини,
кг • м 3, Па ; Р°д, Fоn - гiдродинамiчна сила, що дie на плунжер вiдсiчного золотника i постiйна складова сил, що дшть на поршень сервомотора, Н ; ( ц , ( ^ - витрати робочо! рiдини через поршневу i штокову порожнини сервомотора i вiдповiднi порожнини вiдсiчного
^ОТН^ м 3/ с ; Iц , й п , £ ц , Iкш , й кш , £ кш - д0вжини, дiаметPи i площини перерiзу
каналiв пiдводу робочо! рщини до порожнин сервомотора, м, м2; Хкп, Хкш , %кп, %кш -коефщенти гiдравлiчного тертя i мюцевого опору вiдповiдних каналiв; iншi позначення е постiйними коефiцiентами, що визначаються конструктивними особливостями елементiв.
З метою перевiрки достовiрностi та щентифшацп параметрiв розроблено! математично! моделi виконано ряд натурних експериментальних дослщжень характеристик турбогенераторних установок на дшчих електростанцiй Укра!ни. Деякi результати дослiджень наведено на рис. 2-4.
В результат дослщжень встановлено, що розроблена модель САР Ч i П е достовiрною, враховуе ва основнi фактори, що впливають на точнiсть регулювання частоти та потужносп, i може бути ефективно використана для аналiзу вах видiв статичних i динамiчних похибок регулювання, виявлення !х причин i розробки наукових i нормативних методiв компенсацГ! i зменшення цих похибок з метою пщвищення показникiв якосп електроенергГ!. На основi розроблено! математично! моделi виконано аналiз видiв i причин основних похибок регулювання частоти та потужносп турбогенераторних установок i сформульовано перелiк науково-технiчних рiшень, спрямованих на пщвищення точносп регулювання до рiвня дiючих мiжнародних стандартiв. Означений аналiз виконано на основi спрощених лiнеарiзованих моделей САР Ч i П, побудованих на основi циклу обчислювальних експериментiв, якi проводились з метою уточнення окремих параметрiв моделей i забезпечення !х вiдповiдностi реальним характеристикам системи, визначеними за даними
натурних випробувань.[6-7]
у
5
т
0,8с
Рис. 2. Перехщш процеси в ЕГСР
Р, тс \
Р, кгс/см .
-30 30 \
Р2 ..
-20 - 20 Г \
" 18 ,
-16 у
-12 / \
-ю -ю / •
6 I I .....
50 100 150 200 250 т. мм
500 1 1 1000 ММВт
Рис. 3. Швидкюна характеристика сервомотору
Р i Р — значення тискiв у порожнинах
сервомотору; ^ - навантаження на поршш сервомотору
Рис. 4. Приблизний характер загрузок на поршш сервомотора
Розроблену класифжащю основних видiв статичних i динамiчних похибок в системi регулювання частоти та потужностi турбогенераторних установок наведено на рис. 5.
Похибки«
ЗуМОВЛСН!
зоною нечуглквдсп
вяконычнх
МОШШЬШ
Сгатнчш шинбкн
Похибки, ЭуМОВЛВШ □оспйною
С ЕЛ ВДОВОЮ ЮШПШНЬЛт
кшантаженш
Нн1
Ниди нокишк -1-
Стинчн! екладо|1 похвбос, ауштмння ИкдкплСМ
СМПОПВ
шуропроцкорно!
ЕНСКНИ керуикишт
Похнбхн, Систенатичн!
зумовдею шкибкн
внгнсакн 1 гранам I»
перспканнямн аворотнього
рОбоЧ01 Р1."] И111Е Зя'юху
№ ссркнотор]
X
[Пнидкшн!
похибки (стати эм 1-го порядку)
ДИ1ГПМИ1Г1 похябжя
Похибки, здмошкш шумами I инпадковнмн эбурешикк
Похнбхн. Диназмчш
зуномеш СКЛШОЫ шпбок,
недкмшыи© !у ЧУП.ГП Ш X
ЛИСКртТШОК)
[ИВНДКОДКТО снгнаВД
системе нирврршшфнд!
регулюиннл LHiH.Mll Кфуииии
Рис. 5. Класифшащя похибок САР Ч i П турбогенераторних установок
Аналiз результатiв оцiночних розрахункiв показав, що постiйна часу ЕГП (Тэмп) i механiчна постiйна часу сервомотору (1щп i 1Щ ) значно менш^ нiж постiйна часу вщачного золотника (Тоз ) i гiдравлiчна постiйна часу сервомотора (Тгц ). З урахуванням
цих факторiв, лiнеарiзована математична модель другого рiвня може бути представлена у виглядi
Т32 Хоз + 2%зТзХоз + Хоз - Кхоз*
Тх Х + Х
гц гц гц
КхХоз - Р?ц / К
(18)
У якостi базового об'екту для дослiджень прийнято САР Ч i П парово! турбши К-1000-60/1500-2, що експлуатуеться на Запорiзькiй та Швденно-Украшськш АЕС Украши. При цьому чисельнi значення параметрiв САР Ч i П (19) для тако! системи складають
Т3 - Тэмп - 4,8*10-2с ; KХоз - 1,05*10-3м/А; Kх - 4572,5 ;
4 з -4
эмп -1; ТХц - 103,25с; Fгоц /kF - 0.25; К
6,58 • 104.
Результати щентифшацп параметрiв моделi (18), що виконувалась шляхом порiвняння результатiв обчислювальних експериментiв з натурними, наведено на рис.6.
Структурш схеми електрогiдравлiчного контуру керування положенням регулюючого клапану турбiни, що вiдповiдають математичнш моделi (18), наведено на рис.7.
Передавальш функцп цього контуру (головна i по збурюючий ди) визначаються за формулами:
--3-Ь-0-, (19)
а38 + а28 + а^ + а0
Ж(Б) —
Хщ (5)
Х3 (5) а3Б3 + а2Б2 + а1Б+(а0 + Ь0)'
(20)
0,35 _
1,8 т, с
_ - базовий об'ект; експеримент;
--базовий об'ект, розрахунок при вихщиих значениях параметра;
............... розрахунок (Тщ- 80 с);
---- розрахунок (Т,= 2,4*10"3с);
—----------розрахунок (Тщ~ 115 с);
.....................- роэрахунок (Т1= 5,5*10 с);
Рис. 6. Результати щентифшацп математично'1 моделi САР Ч i П
Ь„ — К К,К^Кг
0 х' 12 хоз ■
а 0 — 1 + К03 К 2 К1
0 X! 2 хоз
а — (1 + К03 К2 К1 )ТХ + 2£Х,
1 V X! 2 хоз / гц ~ 3 3 '
а2 — 2£ТзТХц + Т 3
а3 — ТТ,
3 3 гц 5
Умова стшкосп замкнуто системи (19) мае вигляд: а2а1 > а3 (а0 + Ь0).
Максимальне значення коефщента пiдсилення головного зворотного зв'язку, що вщповщае умовам стiйкостi (29)
Ктах 1
(2^>зТзТщ + Т2)(Тщ + ТХцКХ3К2КХоз + 3Тз ) _ Т2ТХц (1 + КХ'К2КХоз )
Ктт тт-1
Х1К 2 Кхоз
. (21)
Ь
0
Рис. 7. Структурна схема симетричного виконавчого мехашзму САР Ч i П з урахуванням перетоюв в сервомоторi
Вирази (20) i (21) дозволяють оцiнити максимальнi похибки регулювання, обумовленi статизмом гiдравлiчного контуру (перетшання робочо! рiдини в сервомоторi) i збурюючою дieю (постiйною складовою навантаження на сервомотор^.
За вiдсутностi збурюючо! дп ( Б^Ц = 0 ) вщносна статична похибка замкнуто! системи,
що обумовлена перетiканнями у сервомоторi (при об'емному ККД сервомотора 99 %)
х Ь ап;тр = [1 - (—)ст] = [1 - Ж (о)] = 1--^ = 9.8 X10 -4 (0,098 %)
хГц ао + Ь0
Абсолютна похибка, що обумовлена перетжаннями:
_пер тах 1 ог 1 а-4
Д Хгц = ^ ст гц = 1,96 - 10 М .
Абсолютна похибка, що обумовлена збурюючою дieю (постоянно! складово! з = 0 ; ио /кх
гц _ 0 i ггц ' КГ
навантаження) при хГц = 0 i F° /kF = 0,25 :
F 0 b F 0 д Хц = Wf(o) x^ = X~T = 2,5 x 10-4 м.
kF a0 + b0 kF
Вiдносна (вщнесена до максимального робочого ходу сервомотора Хтах = 0,2 м) похибка, що обумовлена впливом постшно! складово! навантаження,
x
aF = 0,00125 (0,125 %).
ст тах ' V ' '
Хгц
Таким чином, перетжання в сервомоторi i постiйна складова навантаження можуть надавати помггний вплив на точнють позицiонування регулюючого клапана (при регламентованих значеннях нечутливосп гiдравлiчноi i електрогiдравлiчноi систем вiдповiдно 0,3 i 0,06 % допустимi похибки позицiонування сервомотора при прийнятому
значенш максимального робочого ходу ХтЦ^ = 0,2 м складають 6-10-4 м и 1,2-10-4 м).
З метою виключення негативного впливу дискретизаци керуючих сигналiв у мiкропроцесорних регуляторах на точнють регулювання, виконано детальний якюний i кiлькiсний аналiз цього впливу, i на основi цього аналiзу отримано унiверсальне спiввiдношення для визначення максимально допустимих перiодiв квантування [ Дх ] (з
урахуванням квантування сигналiв як за часом, так i за рiвнем) [8-9].
[Дт] = ш1п{[Аг ]ст; [Атдин ]}= шш(-агс81п 8 ^ 1 (22)
[а А аМ)
де А - амплпуда характерного еквiвалентного гармонiйного керуючого сигналу;
с - частота характерного е^валентного гармоншного керуючого сигналу;
N - динамiчний порядок математично! моделi вщносно! об'екта керування;
[ 8 ] - допустиме значення вщносно! похибки вщтворення заданого сигналу.
Науково-техн1чн1 р1шення, спрямоваш для п1двищення точност1 регулювання частоти та потужност1 1 забезпечення на цш основ! в1дпов1дни\ показникчв якост1 електроенергн, що в1дпов1дають сучасним д1ючим м1жнародним стандартам
1. З метою зменшення статичних похибок, зумовлених витоками i перетоками робочо! рщини в сервомоторi i постiйною складовою зовнiшнього навантаження на сервомотор, а також динамiчних похибок, зумовлених статизмом i недостатньою швидкодieю системи регулювання, запропоновано запатентовану структуру астатичного швидкодшчого регулятора, побудованого на принципах зворотшх задач динамiки об'екта керування. Такий регулятор здатен повнютю компенсувати означен вище статичнi похибки, а динамiчнi похибки зменшити у 2-3 рази.
2. З метою зменшення статичних похибок, зумовлених зоною нечутливосп виконавчих механiзмiв, запропоновано запатентовану структуру регулятора, яка забезпечуе змшне значення сумарного коефщенту тдсилення основного контуру регулювання. При цьому в дiапазонi малих значень керуючого сигналу забезпечуеться максимальний коефщент тдсилення, що забезпечуе вихщ iз зони нечутливостi, потiм, з метою збереження необхщних запасiв стшкосп системи, витримуеться визначений часовий дiапазон нульового значення коефiцiента пiдсилення, i далi забезпечуеться перехiд до номшальних значень параметрiв. Запропонований засiб зменшуе статичнi похибки, зумовленi нечутливiстю мехашчних елементiв, мiнiмум у три рази.
3. З метою зменшення систематичних похибок давачiв зворотнього зв'язку запропоновано виключити з контуру регулювання давач положення вщачного золотника (при цьому необхщна якють регулювання забезпечуеться вщповщними додатковими контурами у структурi основного регулятора, побудованого на принципах зворотшх задач динамши), i додатково ввести у контур регулювання запатентований блок корекцп систематичних похибок давача головного зворотнього зв'язку (положення сервомотора). Зменшення шструментально! похибки давача забезпечуеться шляхом порiвняння в електронному мшропроцесорному пристро! фактичних показань давача зi значеннями його високоточно! градуювально! характеристики. Таке ршення забезпечуе зменшення систематичних похибок давача на 1-1,5 %.
4. З метою зменшення статичних i динамiчних похибок, зумовлених дискретизашею сигналiв у мiкропроцесорнiй системi керування, запропоновано нову науково обгрунтовану методику визначення максимально допустимих значень квантування керуючих сигналiв за часом i за рiвнем. Запропонована методика дозволяе практично лшвщувати негативний вплив дискретизаци керуючих сигналiв на точнiсть регулювання частоти та потужносп
Функцiональну схему прецизшного регулятора САР Ч i М, побудованого на означених вище принципах, наведено на рис. 8. За експертними ощнками, такий регулятор забезпечуе тдвищення точносп регулювання частоти та потужносп турбогенераторних установок з 0,3 до 0,05 % {, таким чином, забезпечити показники якостi виробляемо! електроенергн на рiвнi дiючих мiжнародних стандартiв [10].
Рис. 8. Функцюнальна схема прецизшного швидкодшчого регулятораелектронно-
гiдравлiчного контуру САР Ч i М
Структурно-параметричний синтез ушфжованого прециз1йного регулятора частоти та потужност1 турбогенераторних установок
Структурно-параметричний синтез ушфшованого прецизiйного регулятора частоти та потужност парових турбiн, е завершальним етапом створення системно! науково-техшчно! i нормативно! бази, спрямовано! на пщвищення показникiв якостi електроенерги.[11]
Для структурно-параметричного синтезу прецизшного регулятора вихщну лшеаризовану систему рiвнянь динамiки гiдравлiчного виконавчого мехашзму САР Ч i М представимо у виглядк
X з,=У з,
Т У з + 2 \ зТзУ з + X з = К хг К
хоз1
ззз
Тгц Xгц + Xгц = КхКоз Xз або у векторно-матричнш формi:
х = АХ + ьи, де X = [хгц;Хз;у]
X - вектор параметрiв стану об'екта; Х гц - перемщення штока гщроцилшдра (сервомотора);
Хз i Уз - перемщення i швидкiсть вщачного золотника.
А =
А11 А12 А
13
А А А
21 22 23
ААА
31 32 33
- матриця об'екта керування з елементами
Ац
Т
1 К
; А12 = ~Т; А23 =1; А32 =—ч; А33 =
гц
1
Т
гц
т 3
2^ з . --?
Тз
А13 = А21 = А22 = А31 = 0; и = г; вектор керуючих дш;
Т
ь = [0;0;ьг]Т,
(23)
(24)
(25)
Ь = КХКX03 / Т3 - матриця (вектор) керування.
Рiшення зворотно! задачi динамжи для еквiвалентного об'екта керування дае наступний вираз для закону керування:
=
iy V)
Г 0 + Г
, £ + г 2 £2 + Г 3 £3
(27)
£(£) £(Со+С £+С2£2 + Сз£3 + £)
Структурну схему регулятора, вщповщного закону керування (27), наведено на рис. 9.
Рис. 9. Структурна схема астатичного регулятора, побудованого на основi розв'язання зворотньо! задачi динамжи
В статичному режимi (Б = 0) передавальна функщя замкнуто! системи
Хгц(£) Ь0 Ь0
Ж3 (£) =
= Ь0 =1
+ Ь0 Ь0
хгц (£) а з0 а р0 + Ь0 Ь0
Це означае, що статична похибка системи з синтезованим регулятором дорiвнюе нулю, незважаючи на наявнють перетiкань робочо! рiдини в сервомоторт Наявнiсть 1% внутрiшнiх перетжань обумовлюе статичну похибку регулювання положення сервомотора до 0,1%. Таким чином, запропонований регулятор робить систему астатичною i дозволяе пщвищити п точнють на 0,1 %.
На рис. 10 наведен перехiднi характеристики базового об'екта i об'екта iз запропонованим регулятором, параметри якого оптимiзованi за критерiем мiнiмуму iнтеграла вiд добутку абсолютного значення похибки на час. Система iз запропонованим регулятором мае час першого узгодження 0,12 с. i час регулювання 0,7 с, а базовий об'ект, вщповщно, 0,3 с i 1,5 с. Таким чином, запропонований регулятор забезпечуе бшьш шж дворазове пiдвищення швидкоди в порiвняннi з базовим варiантом.
Отримаш спiввiдношення дозволяють забезпечити оптимальнi значення параметрiв прецизiйних регуляторiв CАР Ч i П парових турбiн, !х практичне налагодження у процесi експлуатаци i, вiдповiдно, доведення показникiв якосп електроенерги, виробляемо! тепловими i атомними електростанщями, до рiвня мiжнародних стандарпв.
При цьому пiдвищення точносп регулювання потужностi турбогенераторних установок е^валентно пiдвищенню ККД енергоблоку за рахунок забезпечення вщповщносп мiж виробляемою i споживаною потужнiстю (при цьому мае мiсце вiдповiдна економiя палива на одиницю виробляемо! електроенерги).
Рiчний економiчний ефект вiд тдвищення ККД енергоблоку може бути ощнений наступним чином:
д» Ц * Ц
Э, = N ,'Т у и Г 'ТЧ • * Ц „ ), грн / 'к ,
де N, - номiнальна потужнiсть енергоблоку, кВт; Ту - кшьюсть годин використання встановлено!' потужностi, год/рiк; ц - вартють виробляемо!' електроенергл, грн/кВтгод; П - базове (номiнальне значення) ККД енергоблоку;
Ащ - збшьшення ККД за рахунок пiдвищення точност регулювання (пiдвищення ступеня вiдповiдностi вироблено!' i споживано!' потужностi).
Рис. 10. Порiвняння перехiдних характеристик базового об'екта i системи з прецизiйним статичним регулятором на основi зворотних задач динамши: 1 - базовий об'ект; 2 - об'ект з запропонованим регулятором
Для енергоблоку потужшстю = 1000 МВт з базовим значенням ККД щ = 0,33, при Ту = 7000 год / рш i вартостi електроенергл 12 ценив за кВт-год рiчний економiчний ефект
вiд пiдвищення точностi регулювання з 0,3 % ^вень, що забезпечувався б гiдравлiчними системами регулювання) до 0,06 % ^вень, що забезпечуватиметься електрогiдравлiчними системами регулювання з використанням розроблених рiшень), з е^валентним пiдвищенням ККД на Ап = 0,24 %, становить порядку 20 млн грн.
Одночасно тдвищуеться яюсть (стабiльнiсть частоти) вироблено!' електроенергл ^ вiдповiдно, 1! конкурентоспроможнiсть i прибуток вщ реалiзацii на зовнiшнiх ринках, а також
утворюсться значний економiчний ефект у споживачiв електроенерги за рахунок пщвищення надiйностi, термiну служби та якосп функцiонування електричних приладiв [9].
Висновки
1. Використано аналiз юнуючо!! науково-техшчно!! та нормативно! бази щодо показникiв якостi електроенерги i систем автоматичного регулювання частоти та потужносп турбогенераторних установок. Показано, що до тепершнього часу вiдсутнi системнi науково-техшчш i нормативнi методи i засоби, що забезпечували б можливють доведення цих показниюв до рiвня мiжнародних стандартiв.
2. З метою виконання аналiзу причин i факторiв, що впливають на показники якостi регулювання частоти та потужносп турбогенераторних установок (^ вiдповiдно, виробляемо! енерги), розроблено уточнен математичнi моделi електрогiдравлiчних виконавчих механiзмiв з урахуванням всiх основних процеав i елементiв, що мають суттевий вплив на точнiсть регулювання. Достовiрнiсть розроблених математичних моделей тдтверджено циклом натурних експериментальних дослiджень, що виконувались на дшчих турбогенераторних установках АЕС Украши.
3. На основi розроблених математичних моделей виконано детальний аналiз показникiв статично! та динамiчноi точностi регулювання частоти та потужносп парових турбш, визначено резерви, техшчш можливостi та основнi практичш напрямки 1'х пiдвищення до рiвня дiючих мiжнародних стандартiв.
4. Вперше розроблено детальну класифiкацiю усiх видiв статичних i динамiчних похибок регулювання частоти та потужносп турбогенераторних установок, як суттево впливають на якють виробляемо! електроенерги. Запропоновано нову ушфшовану структуру прецизiйного регулятора, який забезпечуе компенсащю або суттеве зменшення всГх видiв похибок i вiдповiдне пщвищення точносп регулювання.
5. На основi математичних моделей, iдентифiкованих за результатами експериментальних дослщжень, виконано структурно-параметричний синтез прецизшного регулятора основного контуру САР Ч i П i оптимiзацiю його параметрiв за критерiем мЫмуму iнтегралу вiд добутку абсолютного значення сумарно! похибки на час. Такий регулятор дае можливють повнютю компенсувати статичш похибки регулювання, зумовленi витоками i перетоками робочо! рiдини i статичними навантаженнями у елементах електрогiдравлiчного виконавчого механiзму, а також у 2-3 рази зменшити динамiчнi похибки, зумовлеш швидкiсним статизмом, випадковими збуреннями i шумами у системi регулювання.
6. Розроблено ряд запатентованих практичних науково-техшчних ршень, що забезпечують суттеве пщвищення точносп регулювання частоти та потужносп парових турбш. Зокрема: зааб забезпечення змшного коефщенту пiдсилення основного контуру регулювання з метою зменшення статичних похибок, зумовлених зонами нечутливосп елеменпв виконавчих механiзмiв; мiкропроцесорний коригуючий пристрш, що забезпечую компенсацiю систематичних шструментальних похибок давача зворотнього зв'язку.
7. Розроблено нову наукову методику вибору перiодiв дискретносп мiкропроцесорних систем керування, яю забезпечують практичну компенсащю негативного впливу квантування керуючих сигналiв на точнють регулювання.
8. Розроблеш науково-техшчш ршення здатнi забезпечити пщвищення точносп регулювання частоти та потужносп турбогенераторних установок електростанцш вщповщно, стабiльностi частоти виробляемо! електроенергГ!) у 5-6 разiв (з 0,3 до 0,05-0,06 %); доведення цих показниюв до рiвня мiжнародних стандартiв. При цьому очшуваний сумарний економiчний ефект вщ пiдвищення якостi електроенергГ! i ККД енергоблокiв складае до 20 млн. грн. на рк.
Сукупнють виконаних дослiджень i розробок складае нову науково-техшчну i нормативну базу для полшшення якостi електроенергГ! шляхом пщвищення точносп регулювання частоти та потужносп парових турбш ТЕС i АЕС. На основi дослщжень
розроблено проект нормативного документу (галузевого стандарту) з створення прецизшних САР Ч i П парових турбш.
Перелж лтратури
1. Рекомендации по разработке систем автоматического регулирования тепловых электростанций (ВТИ, ПО «Союзтехэнерго», Атомтеплоэлектропроект)
2. Влияние качества системы автоматического регулирования частоты и мощности паровых турбин на эксплуатационную надежность и безопасность энергоблоков АЭС / Г. И. Канюк, С. Ф. Артюх: програма IV-i' м1жнародно! науково-техшчно' конференцп «Керування режимами роботи об'екпв електричних систем - 2008» (КРЕС-2008) 1нститут електродинам1ки НАН Укра'ни. Мшстерство освии i науки Укра'ни. Донецький нацюнальний технiчний унiверситет, 9-11 жовтня 2008р.- Донецьк. - С. 3.
3. Канюк Г. И. Повышение качества технических характеристик системы автоматического регулирования частоты и мощности (САР Ч и М) паровых турбин / Г. И. Канюк // Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования. Сборник научных трудов Института проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины. - Харьков, 2003. - Т.1. - С. 55-58.
4. Синтез прецизионного быстродействующего регулятора элетронно-гидравлического контура управления положением регулирующих клапанов паровых турбин / Г. И. Канюк, Е. Н. Близниченко, А. В. Андреев, Л. И. Загребельная: збiрник тез доповщей XXXVIII науково-практично' конференцп науково-педагопчних пращвнишв, асшранпв та сшвробггаишв Укра'нсько' iнженерно-педагогiчноi академп. - Харшв, 2005. - С. 71.
5. Stengel R. F. Stochastic optimal control: theory and application / R. F. Stengel. - New York: Wiley, 1986. -
638 p.
6. Близниченко Е. Н. Повышение точности электрогидравлического следящего привода путем нелинейной коррекции статической характеристики гидрораспределителя / Г. И. Канюк, Е. Н. Близниченко// Схщно-£вропейський журнал передових технологш. - Харшв, 2005 - Вип.2/2(14). - С. 52-55.
7. Близниченко О. М. Оптимальное энергосберегающее автоматизированное управление турбокомпрессорными агрегатами / Монография/ Г. И. Канюк, С. Ф. Артюх, Е. Н. Близниченко, М. А. Попов -Харьков: ООО «Типография Мадрид». - 2014. - 144 с.
8. Влияние дискретности цифрового регулятора на качество регулирования турбин // Теплоэнергетика.-1991. - N 9. - С. 24-28.
9. Канюк Г. И. Модели и методы структурного и параметрического синтеза прецизионных электрогидравлических следящих систем автоматизированных испытательных стендов / Рукопись/ Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация процессов управления / Г. И. Канюк // Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт». - Харьков, 2009.
10. Александров С. С. Автоматичне керування рухомими об'ектами i технолопчними процесами: Шдручник у 3-х томах. Том 1. Теорiя автоматичного керування / С. С. Александров, Е. П. Козлов, Б. I Кузнецов. / За заг. ред. Александрова С. С. - Харшв: НТУ «ХП1», 2002. - 490 с.
11. Fletcher R. Practical Methods of Optimization / R. Fletcher. - Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2006. -
436 p.
References
1. Recommendations for the development of automatic control systems of thermal power plants (VTI, PA "Soyuztehenergo" Atomteploelektroproekt), [Rekomendatsii po razrabotke sistem avtomaticheskogo regulirovaniya teplovyh elektrostantsyy (VTI, PA "Soyuztehenergo" Atomteploelektroproekt)].
2. Kaniuk, G., Artyukh S. (2008), Influence of the quality of the automatic frequency control and power steam turbines to operational reliability and safety of NPP. Program IV-th International scientific conference "Managing objects modes of electrical systems - 2008" (KRES 2008) Institute of Electrodynamics of NAS of Ukraine. Ministry of Education and Science of Ukraine. Donetsk National Technical University [Vliyanie kachestv sistemy avtomaticheskogo regulirovaniya chastoty i moshchnosti parovyh turbin na ekspluatatsionnuyu nadezhnost energoblokov AES. Programa 4-i mizhnarodnoi naukovo-tekhnichnoi konferentsii "Keruvannya rezhymamy roboty ob'yektiv energetychnykh system. Institut elektrodinamiki NAN Ukrayini. Ministerstvo osviti I nauki Ukrayini. Donetskiy natsionalniy tehnichniy universitet.]. , 9-11 October 2008 r. - Donetsk. - C.3.
3. Kanyuk, G. Improving the quality of the technical characteristics of the system of automatic control of frequency and power (ACS H and M) steam turbine. Improvement turbines methods of mathematical and physical modeling. Collection of scientific papers of the Institute of Mechanical Engineering Problems. AN Podgorny NAS Ukrainy [ Povyishenie kachestva tehnicheskih harakteristik sistemy avtomaticheskogo regulirovaniya chastotyi i moschnosti (SAR Ch i M) parovyih turbin. Sovershenstvovanie turboustanovok metodami matematicheskogo i fizicheskogo modelirovaniya. Sbornik nauchnyih trudov Instituta problem mashinostroeniya im. A.N. Podgornogo NAN Ukrainyi.] Kharkiv, 2003. - T.1. - S. 55-58.
4. Kaniuk, G., Bliznichenko, E., Andreev, A., Zagrebelnaya, L. Synthesis of high-speed precision control email-hydraulic position control loop control valves steam turbines: book of abstracts HHHVIII Scientific Conference Scientific and pedagogical staff, graduate students and employees of Ukrainian Engineering and Pedagogical
Academy. [ Sintez pretsizionnogo byistrodeystvuyuschego regulyatora eletronno-gidravlicheskogo kontura upravleniya polozheniem reguliruyuschih klapanov parovyih turbin. Zbirnik tez dopovidey HHHVIII naukovo-praktichnoyi konferentsiyi naukovo-pedagogichnih pratsivnikiv, aspirantiv ta spivrobitnikiv Ukrayinskoyi inzhenerno-pedagogichnoyi akademiyi.] Kharkov, 2005. - P.71.
5. Stengel R. F. Stochastic optimal control: theory and application / R. F. Stengel. - New York: Wiley, 1986. -
638 p.
6. Kaniuk, G., Bliznichenko E. Increasing the accuracy of the electro-hydraulic servo drive by nonlinear static characteristic correction control valve. Eastern European journal of advanced technologies. [Povyishenie tochnosti elektrogidravlicheskogo sledyaschego privoda putem nelineynoy korrektsii staticheskoy harakteristiki gidroraspredelitelya. Shidno-Evropeyskiy zhurnal peredovih tehnologiy] - Kharkov, 2005. - Vip.2 / 2 (14). - P. 52-55.
7. Kaniuk, G., Artyukh, S., Bliznichenko, E., Popov, M. Optimal energy-efficient automated management of turbo-compressor units. (Monograph).[ Optimalnoe energosberegayuschee avtomatizirovannoe upravlenie turbokompressornyimi agregatami. Monografiya. OOO «Tipografiya Madrid».] Kharkiv: LLC "Typography Madrid." -2014. - 144 p.
8. Effect of discrete digital controller to control quality turbines. Teploenergetika. [Vliyanie diskretnosti tsifrovogo regulyatora na kachestvo regulirovaniya turbin. Teploenergetika.]1991. - N 9. - P. 24-28.
9. Kanyuk G .I . Models and methods of structural and parametric synthesis of precision electro-hydraulic servo systems of automated test benches / manuscript / thesis for the degree of doctor of technical sciences, specialty 05.13.07 - automation of management processes. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". [Modeli i metodyi strukturnogo i parametricheskogo sinteza pretsizionnyih elektrogidravlicheskih sledyaschih sistem avtomatizirovannyih ispyitatelnyih stendov / Rukopis/ Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni doktora tehnicheskih nauk po spetsialnosti 05.13.07 - avtomatizatsiya protsessov upravleniya. Natsionalnyiy tehnicheskiy universitet «Harkovskiy politehnicheskiy institut»]. - Kharkov. - 2009.
10. Aleksandrov, S. S. Automaticity keruvannya Rukh ob'ektami i tehnologichnimi Process: Pidruchnik in 3 volumes. Volume 1. Teoriya automaticity keruvannya. For zag. Ed. Aleksandrov, S. S. - Kharkiv: NTU "KhPI", [Avtomatichne keruvannya ruhomimi ob'ektami i tehnologichnimi protsesami: Pidruchnik u 3-h tomah. Tom 1. Teoriya avtomatichnogo keruvannya. Za zag. red. Aleksandrova S.S. - HarkIv: NTU «HPI»,] 2002. - 490 p.
11. Fletcher R. Practical Methods of Optimization / R. Fletcher. - Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2006. -
436 p.
Поступила в редакцию 06.11 2014 г.
