CC BY
189
Синтез и анализ законов управления системой регулирования уровня в барабане газомазутного парового котла с учетом экономии
энергоресурсов.
Журавлев А.А., Шит М.Л., Попонова О.Б., Шит Б.М.
Синтез и анализ законов управления системой регулирования уровня в барабане газомазутного парового котла с учетом экономии энергоресурсов.
Исследована каскадная система поддержания уровня в барабане парового котла, отличительными особенностями которой являются изменяемая структура системы управления в зависимости от знака изменения нагрузки относительно предыдущего ее значения, а также введение блока модели вычисления уровня в барабане котла в зависимости от расхода питательной воды.
Sinteza $i analiza legilor de dirijare a sistemului de reglare a nivelului in tamburul cazanului de abur cu luarea in consideratie economisirii carburantilor.
Este cercetat sitemul de tip cascad de mentinere a nivelului in tamburul cazanului de abur, care se deosebe§te prin prezenta structurei variabile a sistemului de dirijare. Aceasta stuctura se modifica in dependents de semnul variatiei sarcinei de la valoarea precedenta ale acestei sarcini. in afara de aceasta in sistem este introdus blocul modelului de calcul al nivelului in tamburul cazanului in dependenta de debit al apei de alimentare a cazanului.
Design of the control law of the steam drum boiler level taking into consideration energy economy.
The cascade system for maintaining the level in the steam boiler drum was investigated. Main features of the system are it’s variable structure which changes depending on the load variation relative to its previous value, and the use of the model of the drum level in dependence of the feedwater flow rate.
1. Объект исследования.
Математические модели барабанных котлов разработаны многими исследователями [1-11]. В основу данной статьи положены работы [2,3,8].
На величину уровня в барабане влияет много факторов: расход пара и его температура, расход питательной воды и ее температура, давление в барабане, которое, в свою очередь, зависит от расхода пара и питательной воды, расхода топлива, рециркулирующих газов, давления клапанов турбины и других параметров[1,4.6,8]. Основными факторами являются расход воды и расход пара. Изменение уровня в барабане котла можно определить по следующей формуле [2].
dh AGAG" 1
dt Fd(y'-y") Fd(y'-y")
V
dPd
(V-V)
dy" dPd
dpd 1 dV"
dt
■ +
Fd dt
(1)
пара.
Вычисление передаточной функции котла по уровню в зависимости от расхода Как показано в [8] зависимость, связывающая V" и С", имеет вид:
-j-+ AV" = аъ aG" ; а6 = а5 /F; Т = -1; А3 * (0,2 - 0,4)с~1; Г * (5-2,5)с;
а5 =
0,68V 0,68-0,2F 0,136V dV" a5pt,G а6рлС
G
G
G
dt Fd (Tp + 1) Tp + l
(2)
Переходя к изображениям по Лапласу, получим, что передаточная функция уровня котла по отношению к основным возмущениям имеет следующий вид:
И =
ка =■
Тр + 1 1
0”+^-0'+каРа Р
РАу'-у")
V
I ду'
дРа
ду"
дРа
(3)
где,С',С",рс1 -являются приращениями соответствующих им величин расходов и давлений относительно номинального режима работы котла.
Влияние основных факторов на уровень характеризуется таким явлением, как «набухание» уровня котла в начале периода изменения нагрузки котла, что отражено в передаточной функции (3). Физическая природа этого явления объясняется образованием в объеме воды паровых пузырей большого размера из-за снижения давления над зеркалом испарения при увеличении расхода пара. Эта масса пузырей поднимает уровень и указывает на необходимость изменения подачи воды в котел. В то время как при возросшей нагрузке котел необходимо питать водой, этот ложный импульс может привести к упуску воды из котла. Влияние давления котла необходимо рассматривать при учете работы системы подачи топлива в котел, которая требует поддержания давления в котле в заданном диапазоне. Поэтому, в дальнейшем влияние давления рассматривается как влияние возмущения с ограниченной амплитудой. Влияние температуры питательной воды на уровень проявляется в виде запаздывания при изменении расхода питательной воды [12].
2.Критерий качества управления.
Как отмечается в [13], система поддержания уровня в барабане котла или, как ее еще называют, «система питания котла» должна обеспечить удержание уровня в допустимых пределах:
1) при стационарном режиме (при отсутствии резких возмущений по расходу пара (нагрузке)) максимально допустимые отклонения по уровню не должны превышать ±20мм;
2) при скачкообразном возмущении по нагрузке на 10% (исходная нагрузка - номинальная) максимально допустимые отклонения не должны превышать ±5 0мм;
Для оценки влияния расхода отдельных факторов на изменение уровня
dp
рассмотрим значение величины производной давления по времени —, приведенное в
Л
работе [3] в виде: м
Как видно из вида уравнения скорость изменения давления р или пропорциональная ей скорость изменения уровня зависят от соотношения расходов количества теплоты, воспринимаемой поверхностью экранных труб без учета тепла, идущего на экономайзер и пароперегреватель (()) и - Ом) изменения расхода пара и питательной воды. Если интеграл от разности величин ((2$1 — 0\\’), модуля разности АО" к''- АС'//'или интеграл от квадрата этой разности будет минимальной в течение переходного процесса регулирования, следовательно, для минимизации возмущения по
давлению, величина теплоты также будет минимальной, так как все котлы оборудованы системой стабилизации давления пара в котле. Следовательно, величины критериев
I I
,/ = || (АО"И"- АО'И') | ¿/г или Л = АО'И')2ёт или
Л= \{АО"И"-АО'И')с1т (4)
О
будут характеризовать экономию тепловой энергии при поддержании уровня в котле при действии возмущений и при условии выполнения ограничений по амплитудам расхода в переходных процессах.
3. Синтез законов управления и исследование их функционирования.
Котел, как объект регулирования уровня представляет собой сумму интегрирующего звена и инерционного звена при воздействии сигнала расхода пара, интегрирующего звена при воздействии расхода питательной воды, пропорционального звена по сигналу давления пара в барабане котла. Воздействие температуры питательной воды проявляется в виде запаздывания сигнала по расходу питательной на входе блока модели, которая отражает изменение уровня в барабане котла.
При синтезе системы был использован метод многометодных процедур выбора рационального управления, который заключался в выборе одного закона управления из группы законов, используемых для объектов заданного типа. Структурная схема «классической» системы управления уровнем имеет вид [14] (рис. 1).
Рис.1
В этой схеме внутренний контур представляет собой следящую систему, где сигналом задания и основным возмущением уровня является расход пара. Как видно из схемы, имеется запаздывание между внутренним контуром и объектом управления по каналу расхода питательной воды (передаточная функция \¥е( р) = е ,п). Величина этого запаздывания для котлов среднего давления находится в диапазоне 30-40с. и ухудшает качество регулирования. На схеме приняты следующие обозначения: И/г~! - передаточная функция регулятора во внешнем контуре; \¥(Л - передаточная
функция регулятора во внутреннем контуре; 1¥г - передаточная функция
регулирующего клапана; - передаточная функция объекта управления внутреннего
контура - участка трубопровода от сужающего устройства до регулирующего клапана. Эта передаточная функция представляет собой инерционное звено первого порядка }¥0(р) = К/(Тр + 1). В рассматриваемом нами случае К = 1,Т = 0,4с.
~передаточные функции котла как объекта регулирования уровня по
каналам расхода пара, воды и давления в барабане котла; Рю - давление в барабане котла; (7ЛТ - расход пара; Ст - расход питательной воды.
Исследованы следующие каскадные системы регулирования:
1. Система с дискретным ПИ - регулятором во внешнем контуре[14] и П - регулятором во внешнем контуре (стандартное решение).
2. Система с дискретным ПИ - регулятором во внутреннем контуре и ПИД-регулятором во внешнем контуре и обратной связью по модели сигнала питательной воды (с учетом ее запаздывания по каналу уровня), подаваемой на вход внутреннего контура.
3. Система с нелинейным цифровым регулятором во внутреннем контуре, использующем знаковую производную, и с инерционной обратной связью, и ПИД-регулятором во внешнем контуре при наличии обратной связи по модели сигнала питательной воды (с учетом ее запаздывания по каналу уровня), подаваемого на вход внутреннего контура.
3.1Система с дискретным ПИ - регулятором во внутреннем контуре и ПИД-регулятором во внешнем контуре и обратной связью по модели сигнала питательной воды (с учетом ее запаздывания по каналу уровня), подаваемой на вход внутреннего контура.
График, иллюстрирующий работу стандартного регулятора, приведен на рис. 5.
Переходный процесс исследуемого регулятора апериодический, время переходного процесса при достижении нулевого уровня составляет ориентировочно 6,5 минут. Показатели качества, (расход теплоты на нагрев излишков питательной воды при сбросе нагрузки) ниже по сравнению со стандартным регулятором по критерию минимума теплоты на 9,8%, общий ход штока регулирующего клапана меньше, чем у стандартного регулятора на 15,3%.
С ростом давления пара от 500 до 1000 кПа показатели качества переходного процесса изменяются незначительно. Установлено, что с ростом периода колебаний давления пара при давлении 1000 кПа расход теплоты, затрачиваемой на стабилизацию давления пара в котле при условии поддержания уровня в требуемых границах, заметно не возрастает. Рассматриваемая система снижает износ регулирующей трубопроводной арматуры на 13% раза, если износ оценивать по общему пути, пройденному штоком регулирующего клапана в переходном процессе.
Таким образом, чтобы при набросах нагрузки получить выигрыш в экономии энергии необходимо коэффициент при интегральной составляющей обнулять и расширять зону нечувствительности внешнего регулятора, а при сбросах давать то значение, которое обеспечивает требуемые показатели качества процесса.
5.5 5
4.5 4
STEAM FLOW
-1
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
5000
5000
10000
15000
L Іл і і Lj , і. І і CONTROL ACTION | ill L ! 1
fff
10000
15000
LEVEL
-
5000
10000
15000
Рис. 2
Рассмотрим работу системы с дискретным ПИ - регулятором во внутреннем контуре и ПИД-регулятором во внешнем контуре
Рис.3
3.2. Система с нелинейным цифровым регулятором во внутреннем контуре, использующем знаковую производную, и с инерционной обратной связью, и ПИД-регулятором во внешнем контуре при наличии обратной связи по модели сигнала питательной воды (с учетом ее запаздывания по каналу уровня), подаваемого на вход внутреннего контура.
Структурная схема блока знаковой производной приведена на рис. 4:
Рис. 4 Структурная схема блока знаковой производной Звено со знаковой производной описывается следующей системой уравнений.
тт л ^ тт ч & Л
и о = 1, если 5 > г г/ — > 0; ио = — 1, еслг/ 5 < -г г/ — >0;
сії с/1
и о = 0, если— < 0 или если 1IIо |< 0;
Л її’
(5)
Регулятор обеспечивает снижение расхода теплопотребления при сбросах нагрузки на 45% по сравнению с серийным регулятором. Таким образом, если при сбросах нагрузки использовать регулятор со знаковой производной, а при набросах нагрузки дискретный ПИ-регулятор, то снижение теплопотребления в переходных процессах может составить 23-26% по сравнению с использованием серийного регулятора при снижении износа регулирующей арматуры на 12-14%.
-4
-4.5
-5
-5.5
-6
I
2
1
0
-1
-2
I
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
| STEAM FLOW I
CONTROL ACTION
1
'I Iffll П 1 11 r I Г Г ПТП" ! ! T
Рис. 5
Из рисунка виден характер переходного процесса. Максимальное отклонение уровня не превышает 20мм. Время установления переходного процесса приблизительно 8 минут. Применение системы управления уровнем с ПИД-регулятором во внешнем контуре и системы управления уровнем с использованием знаковой производной эффективно при сбросах нагрузки и при условии, что период повторения изменений заданий по расходу пара больше времени установления заданного значения уровня (времени переходного процесса соответствующей системы).
В случае, когда изменения нагрузки идут часто, целесообразно применение системы, описанной в разделе 3.2.
3.2. Система регулирования уровня с изменяемой структурой с учетом требований экономии энергоресурсов при управлении.
В этой системе происходит смена во внутреннем контуре каскадной системы регулирования уровня дискретного ПИ-регулятора на регулятор со знаковой производной в зависимости от знака приращения сигнала задания нагрузки. При набросе расхода пара используется структура 1, а при сбросе структура 2.
Рассмотрим работу регулятора с изменяемой структурой (рис. 6) при действии переменного по знаку возмущения.
Рис. 6
На этом рисунке W - логический блок переключения коэффициентов и структур регуляторов Жу и ШС2 в зависимости от сигнала нагрузки, К - коэффициент усиления
отрицательной обратной связи по разности сигналов расхода воды и ее модели с учетом запаздывания.
Рассмотрим работу стандартного регулятора, при таком же виде возмущения (рис. 10).
—1 Steam flow
-5
і
2
1
0
-1
-2
I
0.02
0
-0.02
-0.04
5000
5000
10000
15000
10000
CONTROL ACTION
I П11 і I I 1 t 1 1 і Ї !
fit! Л ГШШІШІШГШ ft ! f 1 1 1 1 1 1
15000
! —~ > pVEL
5000
10000
15000
Рис 7. Графики работы стандартного регулятора при знакопеременных возмущениях
Рис. 8. Графики работы комбинированного регулятора при знакопеременных
возмущениях.
Экономия тепловой энергии за время переходного процесса составляет - 26,9%, а снижение износа регулирующего клапана - 4,2%. Регулятор со знаковой производной уступает первому варианту, как по экономии тепловой энергии, так и по износу регулирующего клапана.
Закон управления подсистемой питания барабанного газомазутного котла, построенный на базе каскадной системы с дискретным ПИ-регулятором во внутреннем контуре, и ПИД-регулятором во внешнем контуре и использованием сигнала обратной связи по расходу питательной воды на входе в котел и ее модели, в которой учитывается запаздывание в воздействии расхода питательной воды на уровень в котле, обеспечивает (при выполнении требований к точности поддержания уровня) экономию тепловой энергии за счет сокращения нагрева «излишков» питательной воды на 25,5% по сравнению со стандартным регулятором, выполненным в виде каскадной системы, у которой во внутреннем контуре также имеется дискретный ПИ-регулятор, а во внешнем контуре П-регулятор.
Система с ПИД-регулятором во внешнем контуре и компенсацией запаздывания с использованием модели запаздывания расхода воды на котел обеспечивает снижение на 13% общего пути, пройденного штоком регулирующего клапана при переходных процессах, что снижает износ регулирующей трубопроводной арматуры.
Выводы
Синтезирована система управления уровнем воды в барабане парового газомазутного котла, позволяющая экономить энергоресурсы в переходных процессах. Отличительными особенностями новой системы являются: изменяемая структура системы управления в зависимости от знака изменения нагрузки относительно предыдущего ее значения, наличие в структуре системы блоков: модели вычисления уровня в барабане котла в зависимости от расхода питательной воды, позволяющего
учесть запаздывание изменения уровня; отрицательной обратной связи внутреннего контура каскадной системы по сигналу расхода модели питательной воды; во внешнем контуре системы вместо П-регулятора ПИД-регулятора; блока знаковой производной, охваченного отрицательной инерционной обратной связью во внутреннем контуре каскадной САР.
Исследование системы при действии различных возмущений показало, что переходные процессы имеют апериодический характер, время переходного процесса не превышало 10 минут. Величина колебаний уровня не превышала ±20мм при скачкообразном изменении расхода пара на ±5...±10 т/час (нормированной величиной скачкообразности является ±10% от их максимальной производительности). Указанные величины соответствуют требованиям нормативов.
В результате исследований установлено, что при набросе нормированной скачкообразной нагрузки обеспечивается экономия тепловой энергии на 1,4% по сравнению со стандартным регулятором, при сбросе нагрузки экономия составляет 27% на каждый переходный процесс.
Кроме того, предложенная система обеспечивает снижение износа регулирующей трубопроводной арматуры на 12-14% за счет уменьшения общего пути, пройденного штоком регулирующего клапана.
Литература
1. Иванов В.А. Регулирование энергоблоков. - Л.: Машиностроение, 1982.-311с.
2. Astrom K.D., R.D. Bell “Drum-boiler dynamics”. Automatica, 36(2000) 363-378.
3. Шумская Л.С. Изменение уровня в барабанных котлах при нестационарных режимах. Теплоэнергетика, №6, 1954, с.35-39.
4. Шумская Л.С. Номограммы для определения постоянных времени по давлению и уровню в барабанных котлах при нестационарных режимах. «Автоматическое регулирование и управление энергетических установок». Труды ЦКТИ, вып. 147, Л. 1977, с.45-69.
5. Шумская Л.С. О влиянии циркуляции жидкости и пара на изменение давления и уровня в барабанном котле при нестационарном режиме. «Автоматическое регулирование». Под общ. Ред. А.Л.Канаева. Труды ЦКТИ, книга 19, вып.2. 1951 г., с.95-122.
6. Сенькин В.И., Поборчий В.С. Анализ уравнений динамики барабанного парового котла с естественной циркуляцией. Автоматическое регулирование. Труды ЦКТИ., книга 36. Машгиз, М.-Л., 1960, с. 11-46.
7. Рущинский В.М. Математическая модель барабанного котлоагрегата. Труды ЦНИИКА, выпуск 16. Энергия, М., 1967, с.32-64.
8. Хутский Г.И. Приспосабливающиеся системы автоматического управления для тепловых электрических станций. Наука и Техника», Минск, 1968, 184 с .
9.Пивень В.Д., Богданов В.К., Ганжерли Э.И., Заманский А.М. Автоматизация энергетических блоков. Энергия, М.-Л., 1965.351 с.
10. Александрова Н.Д., Давыдов Н.И. Динамическая модель циркуляционного контура барабанного котла. Теплоэнергетика, №2, 1993, с. 14-18.
11. Бабенко Ю.А. и др. Передаточные функции барабанных парогенераторов ТП-170 и ТП-220 как объектов регулирования уровня. Известия ВУЗов «Энергетика», №7, 1973, с.74-77.
12.Model-Free Adaptive Control of Steam Drum Level, http://www.cybosoft.com/cybopap2.pdf
13. Клюев А.С., Лебедев А.Т., Новиков С.И. Наладка систем автоматического регулирования барабанных паровых котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 280с.
14. Клюев А.С., Товарнов А.Т. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов. М., Энергия, 1970, 270с.
15. Наплатаров К.Х. Оптимизация управления процессами горения в промышленных установках. Автоматика и телемеханика, №1, 2000 г., с.177-186.
Условные обозначения:
// — изменение уровня воды в барабане котла относительно весового уровня; AGприращение расхода пара; AGприращение расхода питательной воды; //"-энтальпия пара; //'-энтальпия питательной воды; V -объем пара над зеркалом испарения; V -водяной объем котла; V - геометрический внутренний объем труб и барабана. GM - ’’активный” вес металла кипятильных труб, коллекторов и барабана; у - удельный вес воды; у -удельный вес сухого насыщенного пара; см - теплоемкость металла; г-теплота парообразования; / -энтальпия сухого насыщенного пара; i -энтальпия воды; pd - давление пара в барабане котла; Fd - площадь поверхности «зеркала» испарения воды в барабане котла; t - время.
Журавлев А.А., к.т.н, заведующий лабораторией микропроцессорных систем управления Института энергетики АНМ, область научных интересов: применение современных методов разработки и исследования микропроцессорных систем управления технологических процессов, автоматизированный учет и распределение энергоресурсов, автор 72 научных публикаций, в том числе двух могографий и 10 авторских свидетельств. e-mail: ieasm@cc .acad. md.
Шит М.Л. - , к.т.н, ведущий научный сотрудник лаборатории микропроцессорных систем управления Института энергетики АНМ, область научных интересов: синтез систем управления по критерию экономии энергоресурсов, системы управления в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве, системы управления мобильными объектами, автор 45 научных публикаций и 15 авторских свидетельств., e-mail: ieasm@cc .acad. md.
Попонова О.М.- научный сотрудник лаборатории микропроцессорных систем управления Института энергетики АНМ, область научных интересов: автоматизация технологических процессов,
преобразовательная техника. Автор 20 научных публикаций и 1 авторского свидетельства, e-mail: ieasm@cc.acad.md
Шит Б.М. - программист лаборатории микропроцессорных систем управления Института энергетики АНМ, соискатель Института Проблем Управления (ИПУ РАН, г. Москва), область научных интересов: проектирование систем управления в экономических и технических системах, сетевое программирование, автор 9 научных публикаций, e-mail: ieasm@cc.acad.md,
