Применение управляющих вычислительных машин (УВМ) в целях оптимизации режима работы парогенератора

Рассмотрим задачу оптимизации режима работы парогенератора (на примере котла ТГМ-96) с помощью УВМ [3].

Вычислительное устройство автоматически вычисляет КПД парогенератора, и, выполняя функции экстремального регулятора (в нем реализуется алгоритм экстремального управления), непосредственно воздействует на органы управления парогенератора. Целью оптимизации является нахождение и поддержание режима работы парогенератора, соответствующего максимальному значению КПД.

Как уже известно, для наиболее эффективного процесса горения в топку парогенератора одновременно с топливом должно подаваться определенное количество воздуха. Это оптимальное количество воздуха зависит от многих факторов, влияющих на режим работы парогенератора (состава топлива, условий перемешивания воздуха с топливом, условий теплообмена в различных поверхностях нагрева парогенератора, нагрузки парогенератора, температуры питательной воды и т. д.).

За критерий оптимальности режима работы парогенератора можно принять КПД, максимальное значение которого соответствует наибольшей эффективности сжигания топлива и, следовательно, будет соответствовать оптимальной подаче воздуха в топку парогенератора.

Значения КПД, необходимые в дискретные моменты времени вычисляются автоматически в цифровом вычислительном устройстве, куда требуемые для этого показания нужных параметров поступают от соответствующих датчиков непрерывной информации через преобразователи аналог-код. Датчики имеют аналоговый унифицированный выходной сигнал 0…5 мА, линейно зависящий от измеряемой величины. Опрашиваются датчики вычислительным устройством в дискретные моменты времени /" (/? = 1,2,…). Период опроса составляет т.

Сигналы, поступающие от датчиков, преобразуются в двоичный код и обрабатываются в соответствии с алгоритмом вычисления КПД.

Мгновенные значения КПД r (t_n=n-x) вычисляются по следующей формуле:

где 6_ВЫХ(0 — общая выработка тепла; Q_T(t_n) — количество тепла, вносимое топливом.

Значение g_Bblx (/") определяется из равенства где Ql*(t_n) — выработка тепла брутто котлом в дискретные моменты.

t = t_n Л — теплоэлсктричсский эквивалент; Э? ^н(/_/?) — расход электроэнергии на собственные нужды котла в моменты t = t".

Значение выработки тепла брутго для парогенератора ТГМ-96 можно определить из выражения.

где D и О^г_п — расход перегретого пара соответственно по первому и второму паропроводу; ij_t и — теплосодержание перегретого пара соответственно по первому и второму паропроводу; D_B — расход питательной воды; /_в — теплосодержание питательной воды; /_б — теплосодержание котловой воды в барабане.

В выражении для КПД выработка тепла определяется равенством.

где #"(/") — расход натурального топлива на котел в моменты t = t_n; Q"  — низшая тепловая способность топлива, подаваемого в моменты t = t, r

Упрощенная схема для расчета КПД парогенератора приведена на рис. 2.37. Вычисляемое значение КПД г|(/") является выходной координатой котла как объекта оптимизации, а входной координатой можно считать коэффициент избытка воздуха а*. Исследования формы зависимости КПД парогенератора от коэффициента избытка воздуха показали, что эта зависимость унимодальна (рис. 2.37) и имеет экстремальный характер.

Рис. 2.37. Схема для расчета КПД парогенератора по каналу КПД — коэффициент избытка воздуха, экстремальная характеристика

Снижение КПД справа от максимума объясняется увеличением потерь тепла с уходящими газами и увеличением потерь на тягу и дутье. Уменьшение КПД слева от максимума объясняется появлением химического недожога топлива. Дрейфу экстремальной характеристики соответствует изменение условий работы парогенератора, в том числе не поддающихся определению изменений его параметров. При этом также может изменяться и форма самой кривой, т. е. экстремальная характеристика может становиться более или менее выпуклой.

Структурная схема системы автоматической оптимизации парогенератора после пренебрежения менее существенными инерционностями при определении передаточной функции котла может быть приведена к виду, изображенному на рис. 2.38.

В динамическом отношении канал оптимизации может быть представлен двумя последовательно соединенными инерционными звеньями первого порядка.

В результате снятия переходных характеристик парогенератора были определены постоянные времени инерционных звеньев — они оказались равными 7] = 255 с, Т₂ = 110 с. Помеха (p (f), представляющая собой стационарный случайный процесс с ограниченной дисперсией и математическим ожиданием, равным нулю, складывается с выходным сигналом г| объекта. Экстремальный регулятор ЭР реализован как вычислительное устройство с жестким алгоритмом управления, на который подается выходной сигнал r|_D, пропорциональный динамическому значению КПД.

Рис. 2.38. Структурная схема системы оптимизации

Для объектов подобного рода в настоящее время разработаны алгоритмы работы быстродействующих САО с учетом конкретной структуры объекта и действия высокочастотных помех. Однако в настоящем случае могут быть применены и САО, принцип работы которых был изложен в первой главе. Действительно, рассмотрим САО, изображенную на рис. 2.39. В этом теоретическом случае, когда передаточная функция формирующего устройства _у{р) равна обратной передаточной функции линейной части объекта, т. е. _y[p) = /W (/?), происходит полная компенсация динамики объекта и поиск экстремума идет по статической характеристике объекта.

Если передаточная функция _у(р) приблизительно равна /W (p),.

то в этом случае поиск экстремума будет улучшен ввиду частичной компенсации динамики объекта.

Рис. 2.39. Структурная схема С АО

Для нашего случая формирующее устройство имеет передаточную функцию.

Следует отметить, что практически звено с такой передаточной функцией выполнить невозможно, т. к. в выражение (2.5) входят чистые производные от входного сигнала объекта. Реальная передаточная функция формирующего устройства будет иметь вид:

Если Т- «7J (например, Т‘.<0,1−7)), то влияние инерционности формирующего устройства достаточно мало.

Вернемся к оптимизации процесса горения парогенератора ТГМ-96. Структурная схема оптимизации топочного режима парогенератора представлена на рис. 2.40.

Вычислительное устройство воздействует на направляющие аппараты двух дутьевых вентиляторов для шагового изменения входного параметра а (подача воздуха в парогенератора осуществляется по двум каналам). Для управления направляющими аппаратами в вычислительной установке организуется следящий контур, который приводит положение направляющих аппаратов в соответствие с уставками У, и У₂" вырабатываемыми вычислительным устройством.

Информация о положении направляющих аппаратов вентиляторов поступает в вычислительное устройство от специальных датчиков перемещения, установленных в исполнительных механизмах дистанционного управления направляющих аппаратов. Получаемые в каждом шаге новые значения уставки Y_]k и Y_2k сравниваются при этом с минимально допустимым значением уставки. Если Y_ik < y_min (/=1, 2), то уставки остаются неизменными. Если же Y_ik > y_min (/=1, 2), новое значение уставки записывается в ячейку следящего контура, который устанавливает новое положение направляющего аппарата.

Рис. 2.40. Структурная схема системы оптимизации:

1 — следящий контур; 2, 3 — блок проверки уставки на минимум; 4 — блок вычисления дискретных значений КПД; 5 — блок выработки управляющих воздействий (экстремальный регулятор)