Особенности тепловых агрегатов

Конспект лекций

Составители: доц. Михайловский Н.В., доц. Потап О.Е.

Днепропетровск 2008

СОДЕРЖАНИЕ

1 Тепловые агрегаты как объекты управления

Большинство тепловых объектов, таких как котлы, реакторы, турбины, парогенераторы и пр., являются слож­ными многоэлементными агрегатами.

Расчет статических и динамических характеристик при их конструировании осуществляется по прибли­женным физико-математическим моде­лям, не учитывающим всей совокуп­ности влияющих величин, действующих в реальных условиях, и всех связей существующих внутри объекта.

В силу этих причин вводую в эксплуатацию таких устройств предшествуют стендовые или промышленные испытания, ставящие своей целью определение оптимальных режимов работы оборудования с учетом действующих ограничений со стороны условий и режимов работы их элементов, продиктованных надежностью и безопасностью функционирования.

Учитывая значительное число влияющих факторов и ограничений, при разработке автоматизированных систем управления тепловыми агрегатами (АСУ ТА) возникает необходимость решать задачу оптимального управления.

Процесс работы теплового объекта мож­но представить в виде структурной схемы, изображенной на рисунке 1. На вход технологического объекта посту­пают регулируемые X1, Х2 и нерегулируемые величины Х₃, X₄. Так, расход воды, воздуха, газообразного и жидкого топ­лива на котлах является измеряемой и регулируемой величиной, тогда как качество топлива (его влажность, теплотворная способность) подлежит только периодическому лабораторному контролю.

Совокупность Yi образует множество выходных величин, харак­теризующих качество и количество про­изведенной объектом продукции. Та­кими величинами у котлов являются расход пара и его параметры: темпе­ратура, давление, солесодержание и пр.

Величины Z_U представляют собой контролируемые в промежуточных или конечных точках объекта параметры, влияющие на экономичность технологического процесса или надежность работы элементов. К числу таких параметров у котлов относятся содержание кислорода в уходящих газах и их температура, температура пара в промежуточ­ной точке пароперегревателя и т.п.

Рисунок 1.1 – Структурная схема теплового агрегата

Полученная в результате обработки данных целевая функция F (Xi, Zi, yi) представляет собой записанные в аналитической или графической форме соотношения меж­ду заданными нерегулируемыми Х₃, Х₄ и регулируемыми Х₁, Х₂ входными и выходными У₁, У₂, У₃, У₄ величинами и связанными с ними Z₁, Z₂, Z₃.

В про­цессе управления могут определяться целевые функции отдельных элемен­тов f (Xi, Z_u, Yi), которые зависят от перечисленных выше величин. Целевые функции объекта и его элементов служат основой для разработки алгоритмов управления объектом и диагно­стики состояния его элементов.

Разработке АСУ ТА предшествует изучение объекта и его математической модели, основанной на физико-химических соотношениях, лежащих в основе протекающих в нем технологических процессов. Это изу­чение завершается определением круга измеряемых параметров, точек их наи­более представительного контроля, выбором средств измерения с учетом необходимой точности измерения кон­кретной величины.

При промышлен­ных исследованиях теловых агрегатов в основном используются эксплуатационные приборы, и только для измерения основных пара­метров применяются специальные при­боры, имеющие повышенную точность и индивидуальную градуировку. В ря­де случаев организуется дополнитель­ный контроль параметров, которые в эксплуатационных условиях не изме­ряются.

Например, при проведении балансо­вых испытаний котла с целью определения КПД брутто по прямому балан­су для измерения разно­сти давлений на сужающих устройствах используются переносные дифферен­циальные манометры, специальными термоэлектрическими термометрами производится измерение температуры перегретого и вторичного пара. При исследовании режимов топочного про­цесса с помощью оптических пиромет­ров или специальных термоэлектричес­ких термометров измеряются темпера­туры в топке, которые в эксплуатаци­онных условиях не контролируются.

Для большинства тепловых объек­тов характерны низкие скорости протекания технологических процессов, поэтому при определении статических характеристик объектов инерционность средств измерения не оказывает влия­ния на результаты измерения. При управлении работой газовых турбин, двигате­лей вопросы согласования динамичес­ких характеристик средств измерения и синхронизации многопараметричес­кой регистрации являются одними из основных. В значительной мере это распространяется также на испытания технологических объектов, ставящих своей целью определение динамических характеристик, необходимых для разра­ботки алгоритмов автоматического регулирования.

Одним из существенных моментов функционирования теплоэнергетических объектов является наличие высокого уровня помех, обу­словленных пульсацией контролируе­мых и неконтролируемых величин. Для снижения влия­ния этих помех в теплоэнергетике широко и эффективно ис­пользуются методы статистической обработки теплотехнических парамеров.

Для большинства теплоэнергетических объектов известны матема­тические соотношения, вытекающие из физической сущности процесса и свя­зывающие зависимые и независимые переменные. При этом задача получения эмпирических моделей тепловых процессов сводится к нахождению оце­нок коэффициентов преобразования, зависящих от конкретных режимов работы оборудования, вида топлива, сырья, т.е. факторов, которые трудно учесть при проектировании оборудова­ния.

В ряде случаев из-за большого чис­ла влияющих величин, многообразия и сложности протекающих процессов ап­риорная математическая модель, связывающая зависимые и независимые величины, отсутствует. В результате экспериментального исследования оп­ределяются простейшие эмпирические соотношения между величинами (урав­нения регрессии), отражающие количественную сторону процесса, но не вскрывающие их физической сущности. Так, если на целевую функцию оказы­вают влияние n изменяемых величин X_i, то простейшее уравнение регрессии имеет вид –

F (Xi) = Bo + ∑ Bi Xi + ∑ Bij Xi Xj + ∑ Bii Xi² .

При обработке полученных данных рассчиты­ваются оценки коэффициентов урав­нения регрессии Bij проверяется уровень их значимости и производит­ся проверка адекватности эмпирической модели полученным результатам исследования.

Эффективность работы си­стем управления технологическими процессами в значительной мере за­висит от полноты и достоверности пер­вичной информации. Применение средств измерения с унифицирован­ным выходным сигналом позволяет осу­ществить наиболее рациональное по­строение измеритель­ных информационных систем.

Значение таких систем особен­но возрастает при многократном использовании унифицированного сиг­нала первичных преобразователей в различных подсистемах АСУ ТА, что ведет к сокращению числа используе­мых приборов и снижению эксплуата­ционных расходов. Естественно, что при этом резко повышаются требова­ния к надежности и метрологическим характеристикам приборов, а также к условиям их эксплуатации.