CC BY
4
The article proposes a methodology for the formation of strategies for additional control of the technical condition of objects of technological equipment of start-up complexes using robotic systems. The methodology is based on the use of three-dimensional scalable voxel models and a frame-production approach. The application of the methodology will significantly increase the completeness of the control of the technical condition of the technological equipment of the launch complexes in the event of the occurrence and development of emergency situations in the process ofpreparing for the launch of a space rocket.
Key words: ground processing equipment, frame, voxel, technical condition monitoring.
Borovskoy Evgeniy Pavlovich, candidate of technical sciences, research assistant, evgeniy_borovskoy@rambler. ru, Russia, Mirniy, Centre (information and analytical support for testing and use of rocket and space tools) management of the 1 State test cosmodrome of the Ministry of Defense of the Russian Federation,
Kuznetsov Alexander Borisovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Kokhanovskiy Andrey Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Nikolaev Aleksei Yurievich, candidate of technical sciences, deputy head of the research and testing centre for research and testing work, head of the research department, aleksei_nikolaev@internet. ru, Russia, Mirniy, Centre (information and analytical support for testing and use of rocket and space tools) management of the 1 State test cosmodrome of the Ministry of Defense of the Russian Federation,
Shilkin Vyacheslav Petrovich, deputy head of the research department, head of the laboratory, [email protected], Russia, Mirniy, Centre (information and analytical support for testing and use of rocket and space tools) management of the 1 State test cosmodrome of the Ministry of Defense of the Russian Federation
УДК 004
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-5-467-468
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ
ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
К.В. Лицин, Д.А. Гнедков, А.Д. Морев, Д.В. Некипелов
В настоящее время во многих энергосистемах применяются газотурбинные установки. Они предназначаются для преобразования химической энергии сжигания газовоздушной смеси в механическую энергию вала. Такая установка играет важную роль в современных энергосистемах, обеспечивая надежность и гибкость электроснабжения, при генерации электроэнергии, особенно во время пиковых нагрузок, а также в качестве резервных источников энергии. Поэтому актуальность разработки автоматизированной системы регулирования подачи газовоздушной смеси заключается в повышении эффективности работы оборудования, обеспечении безопасности, снижении выбросов вредных веществ, энергосбережении и гибкости системы. Разработана система автоматизации исследуемой газотурбинной установки. Предложена структурная схема автоматизации с выбранным оборудованием. Проведено исследование разработанной модели автоматизированной системы регулирования подачи газовоздушной смеси. На базе типового моделирования технологического процесса были проанализированы основные зависимости, которые получены в автоматизированной системе с различными регуляторами. Использованы прогностические модели регуляторов. Разработанная система модернизации окупится за 2 года и имеет индекс окупаемости 1,46.
Ключевые слова: газотурбинная установка, регулятор температуры, регулятор частоты вращения, регулятор ускорения, программируемый контроллер, архитектура системы автоматизации.
Введение и постановка задач. Газотурбинная установка — это машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии и(или) электрической энергии в механическую, посредством сжигания природного газа и состоящая из одного или нескольких компрессоров, теплового устройства, для нагрева рабочего тела, одной или нескольких турбин, системы регулирования и необходимого дополнительного оборудования [2,3,9].
Сегодня область использования газотурбинных установок расширились на малую энергетику. За счёт особенности использования их в различных климатических условиях появилась возможность расширить и географию их использования [1-8].
У газотурбинных установок имеется множество преимуществ, среди которых:
- высокая степень автоматизации всех процессов;
- невысокая стоимость;
- маневренность (способность к быстрому запуску и остановке)
- малая удельная масса и габариты;
- большой ресурс работы;
- меньшее содержание вредных веществ в выхлопных газах. [4,7,9,10].
Но также у газотурбинных установок есть недостатки, связанные с автоматизацией процессов, такие как:
- слишком большая величина времени, затраченного на ремонты существующих вариантов автоматизации;
- отсутствие объединенной системы удобного и своевременного контроля за характеристиками технологического процесса, так как установка систем регулирования сторонних брендов влечёт за собой рассогласование систем управления;
- излишнее привлечение большого количества персонала различной квалификации для устранения неполадок и контроля.
Представленные недостатки предлагается устранить за счёт разработки более надёжной и прогнозируемой системы с быстрой и простой взаимозаменяемостью компонентов.
Объектом работы выступает система регулирования подачи газовоздушной смести газовой турбины (ГТ) General Electric 6001 M, расположенная на Челябинской ТЭЦ-1.
Целью статьи является разработка системы регулирования подачи газовоздушной смеси газотурбинной установки для минимизации затрат на топливо. Для достижения цели были сформулированы и поставлены следующие задачи:
- разработать систему автоматизации для системы регулирования подачи газовоздушной смеси;
- разработать и исследовать математическую модель газотурбинной установки
Автоматизированной системы регулирования подачи газовоздушной смеси. Архитектура предлагаемой автоматизированной системы регулирования подачи газовоздушной смеси представлена на рисунке 1.
На уровне ввода/вывода исполнительный механизм, представлен клапанной системой регулирования подачи топлива VOITH 1/H. Эта система связанна с контрольно-измерительными приборами электронной системой управления клапанами подачи.
Рис. 1. Архитектура автоматизированной системы
Контрольно-измерительное оборудование в свою очередь представлено датчиками температуры газовоздушной смеси, блоком импульсных датчиков скорости вращения ротора турбины П-1115, датчиками положения клапанов системы регулирования (абсолютный энкодер EP50) и датчиками давления Измеркон 35 XTC.
Сигнал с датчиков передается по кабельной системе с помощью цифрового промышленного протокола HART. Импульсный датчик скорости передает значение скорости турбины на электронную систему. Устройства полевого уровня соединяются со следующим уровнем, уровнем автоматического управления.
Уровень управления представлен программируемым логическим контроллером Siemens SIMATIC S1512, который получает показания с датчиков и формирует управляющий сигнал на исполнительный механизм. Также сигнал подается на промышленный коммутатор, связывающий контроллер и уровень диспетчерского управления посредством технологии Ethernet.
На операторском уровне находятся АРМ и локальный шкаф управления. Автоматизированные рабочие места находятся в общем командном пункте управления газотурбинной установкой. Для более оперативного контроля над технологическим процессом панель управления расположена в турбинном цехе, вблизи турбоагрегата. Данный уровень позволяет вести контроль за показателями системы и своевременно реагировать на экстренные ситуации и изменения технического задания.
Разработка модели автоматизированной системы регулирования подачи газовоздушной смеси. При моделировании турбины нужно учитывать различные параметры, включая топливо, воздух, вращение, температуру и давление. Выходные переменные включают мощность турбины, выхлоп, температуру и сжатие компрессора.
Основная задача моделирования газовой турбины заключается в имитации ключевых характеристик регулирующих систем, влияющих на динамику работы агрегата, а также в определении зависимости максимальной мощности турбины от частоты электросети [11-13].
Современные системы управления турбинами играют значимую роль в стабилизации параметров электросети. Сами системы управления довольно сложны, поэтому важно детально изучить регуляторы, влияющие на работу турбины. Среди основных регуляторов можно выделить регуляторы температуры, частоты вращения и ускорения с учетом соответствующих лимитов и диапазонов изменения параметров.
Мощность газовой турбины меняется с помощью регулятора скорости, но есть ограничения: быстродействие системы управления турбиной, особенности конструкции клапанов и компрессора, а также необходимость поддерживать постоянную температуру выхлопных газов.
Скорость изменения расхода топлива ограничена требованием стабильного горения газа. Это ограничивает быстрое изменение мощности турбины из-за медленного регулирования расхода воздуха. Одна из особенностей имеющихся в настоящее время моделей заключается в том, что они не позволяют ограничивать скорость изменения положения топливного клапана. Поэтому требуется ввести ограничения на скорость изменения мощности турбины в модели.
На рисунке 2 изображены стандартные контуры регулирования газовой турбины.
Управление запуском
<3
Управление
остановом
Регулятор ускорения
£ ство
Устройство выбора ци н. ндстройи^
Регулятор
скорости
Топливо Воздух Темп наружи воздуха -Атмосферное давление
Газовая турбина
■ Уставка по ускорению
регулятор температуры
ВНА
Устаьна мо мощности^скорости Измеренная ял. мощность
-О Механическая мощность {Рт} -О И1 мер темп. вых. газов (Тх) —О Иинер. частота вращения
Уставка ограничения па температуре
Уставка ограничения по температуре (учет вна|
Рис. 2. ¿Алгоритм управления газовой турбиной
Пусковой и остановной регуляторы выполняют сложные операции, такие как очистка газового тракта, поддержание и изменение режимов горения, необходимых температурных режимов нагрева/охлаждения, скорости разгона/остановки и т.д. Они используются только при выключенном генераторе и не влияют на процессы в энергетической системе.
Регулятор температуры (рисунок 3) контролирует температуру газовой турбины в разных режимах работы. При увеличении нагрузки на генератор увеличивается расход топлива, а расход воздуха изменяется медленнее из-за особенностей работы турбины. В этом случае регулятор температуры ограничивает подачу топлива при превышении максимальной температуры. Для турбин, работающих в составе парогазовых установок, регулятор поддерживает постоянную температуру выхлопных газов в широком диапазоне нагрузок. Для этого измеряется текущая температура TE и сравнивается с предельным значением TR. Отклонение температуры подается на регулятор, который управляет расходом топлива и воздуха для поддержания температуры выхлопных газов. Схема измерения и регулирования температуры представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема измерения и регулирования температуры в модели ГТ
Система регулирования и подачи топлива включает в себя сервопривод регулирующего клапана и саму топливную систему. Она позволяет подавать топливо в камеру сгорания. Процессы горения топлива и вывода продуктов сгорания имитируются звеньями запаздывания. Модель ГТ состоит из отдельных блоков, включающих апериодические звенья, алгебраические зависимости и запаздывающие элементы. Значения параметров определяются эмпирически путем сравнения осциллограмм момента, расхода топлива, температуры выхлопов и скорости модели с аналогичными показателями реального объекта. С помощью автоматического регулятора скорости поддерживается
469
заданная частота вращения турбины и генератора. Наличие вращающихся масс приводит к варМощность турбины изменяется с запаздыванием из-за инерции вращающихся масс. Структурная схема двухвальной газовой турбины показана на рисунке 4.
Рис.4. Структурная схема двухвальной ГТУ
Система регулирования работает следующим образом: сжатый воздух из компрессора проходит через трубопровод и поступает в камеру сгорания, где также подается топливо, количество которого регулируется автоматическим регулятором скорости. Регулятор получает информацию о скорости турбины от специального датчика. После камеры сгорания смесь воздуха и топлива попадает на турбину высокого давления, где часть воздуха возвращается в компрессор для увеличения давления, а остальная часть используется для вращения силовой турбины. Силовая турбина через редуктор соединена с синхронным генератором.
Автоматический регулятор возбуждения отвечает за возбуждение генератора. Он получает напряжение от трансформатора и передает его на обмотку возбуждения.
Прогностические алгоритмы, настраивающие систему управления с помощью времени прогноза, позволяют улучшить имеющиеся типы регуляторов. Это важно при необходимости быстрого ввода турбины в эксплуатацию. В качестве модели турбины предлагается к использованию разработанная модель (рисунок 5).
В ходе моделирования газотурбинной установки были рассмотрены ключевые характеристики регулирующих систем, которые оказывают влияние на динамику работы агрегата. К ним относятся регуляторы температуры и частоты вращения. Чтобы ограничить термическое воздействие на компоненты турбины, необходимо поддерживать допустимый уровень температуры выхлопных газов турбины. Для этого используется ограничение расхода топлива и регулирование расхода воздуха как функции расхода топлива и уровня нагрузки. Далее с помощью автоматического регулятора скорости поддерживается заданная частота вращения турбины и генератора [14]. В связи с данными параметрами модель ГТ состоит из отдельных блоков, включающих апериодические звенья, алгебраические зависимости и запаздывающие элементы.
Моделирование типового технологического процесса. При моделировании технологического процесса возможны различные виды настройки регулятора по желаемым характеристикам переходного процесса.
На рисунке 6 представлены графики зависимости скорости вращения ротора от времени при подключении дополнительной нагрузки с единичным коэффициентом усилителя без прогностических регуляторов, кривая отмечена цифрой 1 и с прогностическими регуляторами, кривая отмечена цифрой 2.
На рисунке 7 представлена осциллограмма напряжения генератора при подключении дополнительной нагрузки. В первом случае показана система без прогностических регуляторов, а во втором с их использованием.
Скорость вращения ротора генератора, о.е.
1.01 1.005
0.995 0.99 0.985
Рис. 6. График зависимости скорости вращения ротора от времени (для АРС коэффициент усилителя 1)
1.02
0.98 0.96 0.94 0.92 0.9 0.88 0.86
Рис. 7. График зависимости напряжения от времени
Заключение. В результате проведения работы была осуществлена разработка системы регулирования подачи газовоздушной смести газовой турбины General Electric 6001 M. Автоматизированная система регулирования позволила минимизировать простои оборудования и более быстро и точно регулировать скорость вращения ротора турбины с помощью инновационных регуляторов с предсказанием. Для системы автоматизации регулирования скорости также были разработаны основные схемы, необходимые для построения САУ.
Разработанная система модернизации окупается за 2 года и имеет индекс окупаемости 1,46, что свидетельствует о том, что система экономически эффективна и целесообразна к внедрению в производство.
Список литературы
1.Сладковский Д.А. Кузичкин Н.В. Энергосберегающие схемы теплоэлектроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий на базе газотурбинных технологий. // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). №17. 2012. С. 110-112.
2.Тищенко Н.И. Достоинства и недостатки газотурбинных электростанций // «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки» №2 (18). 2018. С. 10-15.
3.Изотова В.М. Газотурбинные установки // Вестник магистратуры. № 11 (98). 2019. С. 31-32.
4.Скиба М.В. Тенденции развития рынка газотурбинных установок // Вестник Самарского государственного университета. Серия «Экономика и управление». 2015. № 9 (131). С. 156-164.
5.Abhishek Kumar Sharma, Ankit Kumar, Ranendra Roy, Bijan Kumar Mandal, Ankit Singhania Improvement of Gas Turbine Power Plant Performance: A Review // International Journal of Innovative Research in Engineering & Management (IJIREM) ISSN: 2350-0557, V.4, I. 3, 2017.
6.Хондошко Ю.В. Использование газовых турбин для комбинированного производства энергии в энергосистемах России // Вестник Амурского государственного университета. Серия: Естественные и экономические науки. 2022. №99. С. 62-65.
7.Буланин В.А. Использование газовых турбин для комбинированного производства энергии. // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 1 (47). 2020. С. 8-18.
8.Кавалеров Б.В., Бахирев И.В., Килин Г.А., Маталасова Е.А. О задачах исследования адаптивного управления электростанциями на базе конвертированных авиационных ГТУ // Вестник ПНИПУ. №11. 2014. С. 67-80.
9.Фаддеев А.М. Факторы и предпосылки размещения газотурбинных и парогазовых электростанций в России // Вестник Московского университета. Серия 5. География. №3. 2014. С. 40-48.
10. Иванов И.В., Струговец С.А., Чечулин А.Ю. Перспективы использования газотурбинных технологий в энергетике России // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. Т. 13, № 1 (34). С. 26-31.
11. Лицин К.В., Морозков Д.А. Исследование алгоритмов идентификации синхронного двигателя с обмоткой возбуждения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 7. С. 363-367.
12. Лицин К.В., Морковник Д.А. Разработка блока ограничения наброса мощности газо-поршневых установок // Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области. 2023. Т. 1. № 1 (40). С. 82-85.
Напряжение, о е.
13. Litsin K.V., Morkovnik D.A. Development of digital twin of slag forming mix feeder on the basis of algorithm for calculation of temperature difference of metal and slag // Steel in Translation. 2022. Т. 52. № 9. С. 869-873.
14. Бахмисов О.В. Обоснование выбора математических моделей газотурбинных и парогазовых установок для расчётов переходных процессов в электроэнергетической системе: диссертация ... кандидата технических наук: 05.14.02. М., 2018. 135 с.
Лицин Константин Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет),
Гнедков Дмитрий Андреевич, студент, [email protected], Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет),
Морев Алексей Дмитриевич, студент, valera_kryukov_1999@mail. ru, Россия, Челябинск, ЮжноУральский государственный университет (национальный исследовательский университет),
Некипелов Данил Владиславович, студент, danilapexgod@mail. ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)
DEVELOPMENT OF AUTOMATED SYSTEM OF GAS-AIR MIXTURE SUPPLY REGULATION K.V. Litsin, D.A. Gnedkov, A.D. Morev, D.V. Nekipelov
Nowadays gas turbine units are used in many power systems. They are designed to convert the chemical energy of combustion of gas-air mixture into mechanical shaft energy. Such installation plays an important role in modern power systems, providing reliability and flexibility of power supply, in power generation, especially during peak loads, and as backup power sources. Therefore, the relevance of developing an automated system for regulating the supply of gas-air mixture is to improve the efficiency of equipment operation, ensure safety, reduce emissions of harmful substances, energy saving and flexibility of the system. An automation system for the gas turbine plant under study has been developed. A block diagram of automation with selected equipment is proposed. A study of the developed model of an automated gas-air mixture supply control system was carried out. Based on standard modeling of the technological process, the main dependencies that were obtained in an automated system with various regulators were analyzed. Predictive models of regulators were used. The developed modernization system will pay for itself in 2 years and has a payback index of 1.46.
Key words: gas turbine plant, temperature regulator, speed regulator, acceleration regulator, programmable controller, system architecture automation.
Litsin Konstantin Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (national research university),
Gnedkov Dmitry Andreevich, student, dmitry_gnedkov02@mail. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University),
Morev Alexey Dmitrievich, student, [email protected], Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University),
Nekipelov Danil Vladislavovich, student, danilapexgod@mail. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University)
УДК 681.5.013
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-472-473
ПОДХОД К СБОРКЕ ПЭД В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ МРП
Э.И. Хусаинов, В.З. Ковалев, О.В. Архипова
В регионах с развитой нефтедобычей основным потребителем электроэнергии является погружной электродвигатель (ПЭД). Межремонтный период (МРП) ПЭД оказывает существенное влияние на себестоимость добычи нефти. В связи с этим, задача повышения МРП является актуальной. Установлено что, основной причиной выхода из строя ПЭД является пробой изоляции в пазу статора. Виновником которой, является локальный перегрев обмотки статора ПЭД. Обосновано рассмотрение ПЭД в качестве набора взаимодействующих элементарных электрических машин (ЭЭМ). Причиной локального перегрева ПЭДа является вариации механических характеристик ЭЭМ, вследствие разброса активных сопротивлений комплектующих их пакетов роторов. Рассмотрены подходы к решению отмеченной проблемы. Обоснованы требования к построению инновационной методики сборки ПЭД, позволяющей увеличить МРП, по прогнозу, на 15-30%, при одновременном повышении энергетических показателей.
Ключевые слова: межремонтный период, погружной электродвигатель, локальный перегрев, пакеты ротора, оптимизация.
Введение. В северных и арктических районах основным механизированным способом добычи нефти являются установки электроцентробежных насосов (УЭЦН). Средняя глубина скважин в данных регионах приближается к 3 км [1,2]. Это обусловливает большую долю затрат электроэнергии на нефтедобычу. В результате доля
