Минимизация энергетических затрат при управлении параллельной работой инерционных объектов на общую нагрузку

Актуальность работы.

Системы управления, в которых исполнительные устройства работают параллельно на общую нагрузку, на практике находят широкое распространение. К таким системам можно отнести следящие системы (приводы) [15, 16, 64] с несколькими исполнительными двигателями, передающими свои развиваемые моменты нагрузке через последнюю общую ступень силового редуктора. Другим примером могут служить электростанции, в которых синхронные генераторы работают на общую электрическую сеть. При этом паровые турбины, которые вращают роторы синхронных генераторов, являются совместно с парогенераторами параллельно работающими системами стабилизации частоты вращения [12]. Сюда также можно отнести параллельно работающие системы бесперебойного питания [56, 30−33, 35]. В трубопроводном транспорте параллельно работающие на общую трубу компрессоры (например, газоперекачивающие агрегаты (ГПА)), также работают на общую нагрузку [28,29, 51]. Во всех перечисленных примерах одним из важнейших требований, предъявляемым к системам, является их энергетическая эффективность или способность работы на максимуме КПД в разных режимах работы и при разбросе параметров между отдельными параллельно работающими исполнительными элементами или системами.

Характерной особенностью рассматриваемых исполнительных элементов, а так же и систем с подобными элементами является их инерционность. Под инерционным объектом в данной работе будем понимать объект, одна из постоянных времени которого существенно превалирует над остальными. В этом случае динамика такого элемента достаточно хорошо описывается дифференциальным уравнением 1 -го порядка для рабочей полосы частот.

Подобное свойство может быть естественным, например для исполнительного двигателя постоянного тока при якорном управлении, либо может быть реализовано за счет настройки параметров, например, при управлении частотой вращения синхронного двигателя с помощью частотного регулятора. В дальнейшем будем называть подобные элементы и системы, параллельно работающие на общую нагрузку инерционными исполнительными элементами или объектами.

В системах управления встречаются различные исполнительные устройства. Устройства такого типа включают: электрические двигатели, электрические, пневматические или гидравлические приводы, релейные устройства, электростатические двигатели, хватающие механизмы роботов, приводы их движущихся частей, а также многие другие. Все они воздействуют на процесс в соответствии с получаемым ими управляющим воздействием. Соответственно, их функционирование связано с превращением энергии из одного вида в другой. В реальной жизни такое превращение почти всегда происходит с некоторым коэффициентом полезного действия, значение которого всегда меньше единицы. Это значит, что часть подводимой к исполнительному устройству энергии теряется, т. е. переходит не в нужную форму, а в некоторую побочную, чаще всего — в тепло.

Если количество теряемой энергии относительно невелико, то КПД исполнительного устройства, зачастую, не очень важно учитывать по сравнению с другими его свойствами, например весом, компактностью, быстродействием и т. п. Однако если мощность исполнительных устройств измеряется в десятках мегаватт, то КПД имеет высокое экономическое значение. В таких случаях экономия даже единиц процентов мощности — это хороший результат. К таким объектам можно отнести парогенераторы, газоперекачивающие агрегаты и другие объекты. В таком случае возникает вопрос об их энергетической эффективности. Энергетическая эффективность — это рациональное использование энергетических ресурсов, т. е. достижение экономически оправданной эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) при существующих ограничениях. Энергетическая эффективность главным образом направлена на полезное расходование энергии.

Как правило, работа упомянутых выше высокомощных исполнительных устройств и систем проходит в стационарных условиях. К примеру, для тех же парогенераторов в составе АЭС допускаются только небольшие и достаточно медленные изменения условий работы. Для электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ГГТА) также невозможен быстрый набор или сброс мощности ввиду того, что на частотных преобразователях в случае изменения частоты вращения привода ГГТА выделяется большое количество тепла, которое не успевают отвести.

Повышению энергетической эффективности систем с инерционными объектами, параллельно работающими на общую нагрузку, посвящено много работ [12, 29, 40, 72−74, 77 ]. Однако известные работы, как правило, нацелены на повышение энергетической эффективности конкретных систем и не носят обобщающего характера. В данной работе делается попытка получения обобщающих результатов по построению алгоритмов управления параллельно работающими на общую нагрузку инерционными объектами с целью повышения энергетической эффективности их работы. При этом основное внимание, естественно, сосредотачивается на энергоэффективности работы инерционных исполнительных устройств в стационарном режиме их работы в составе систем стабилизации, что позволяет учитывать их текущее техническое состояние с целью повышения их КПД.

Целью диссертационной работы является изучение возможностей минимизации энергетических затрат при управлении параллельной работой инерционных объектов на общую нагрузку.

Научная новизна.

1. Показано, что при параллельной работе на общую нагрузку однотипных инерционных исполнительных устройств в составе единой системы стабилизации максимальный достигаемый КПД получается при одинаковых уставках для исполнительных устройств независимо от величины общей нагрузки.

2. Получены аналитические выражения для определения коэффициентов перераспределения нагрузки, обеспечивающих максимальное значение КПД, при параллельной работе исполнительных устройств на общую нагрузку в составе единой системы стабилизации.

3. Доказана возможность достижения максимума энергетической эффективности систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными инерционными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров за счет использования дополнительного экстремального регулятора.

Практическая значимость.

1. Применение дополнительного экстремального регулятора в составе системы стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при наличии разброса параметров между ними обеспечивает автоматическое поддержание максимального значения КПД системы в стационарном режиме работы и при этом нет необходимости в периодической диагностике текущих параметров исполнительных устройств.

2. Разработанная имитационная модель параллельно работающих электроприводных газоперекачивающих агрегатов позволяет проводить полунатурные исследования работы цеховых регуляторов и строить комплексные тренажеры для отработки и настройки различных режимов работы компрессорного цеха.

Задачи исследования.

1. Анализ свойств систем управления и стабилизации с параллельно работающими однотипными исполнительными устройствами в зависимости от их связи с общей нагрузкой.

2. Исследование устойчивости систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при различных вариантах управления отдельными исполнительными устройствами в составе системы.

3. Исследование энергетической эффективности систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при различных вариантах их управления отдельными исполнительными устройствами в составе системы.

4. Исследование энергетической эффективности систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров.

5. Исследование возможности использования дополнительного экстремального регулятора в составе регулятора системы стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров с целью автоматического выведения работы системы на максимум КПД для стационарного режима.

6. Разработка имитационной модели электроприводного газоперекачивающего агрегата для использования ее в составе комплексного тренажера с целью проведения полунатурных испытаний различных вариантов цеховых регуляторов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов содержания, заключения, списка литературы и приложения с актом использования полученных результатов.

4.4. Выводы.

Данная глава носит практический характер. В ней описаны применения полученных в предыдущих главах результатов к практическим задачам.

Центральное место таких задач занимает управление газоперекачивающими агрегатами, объединяемыми в компрессорные цеха. Описание этих объектов и их специфика даны в начале главы.

Используя известную модель ГПА для стационарного режима, учитывающую нелинейный характер нагрузочных статических характеристик ГПА, показывается возможность использования данной модели в составе комплексного тренажера для полунатурного моделирования и отработки вариантов управления и стабилизации. Имитационное моделирование параллельной работы ГПА на общую трубы с учетом нелинейного характера их статических характеристик, а так же возможного разброса параметров показывает совпадение общих выводов, полученных во втором и третьем разделах. В результате сравнения структуры моделей нагнетателя ГПА и двигателя постоянного тока, а также положенных в их основу зависимостей, приводится вывод о возможности рассмотрения нагнетателя ГПА как инерционного объекта, а компрессорного цеха, состоящего из параллельно работающих на одну трубу ГПА, как системы параллельно работающих инерционных объектов. В качестве параметра нагрузки для ГПА и КЦ выступает приведенный объемный расход газа, а в качестве параметра производительности — степень сжатия газа. Соответственно, на компрессорный цех могут быть распространены все выводы глав 2 и 3, касающиеся систем параллельно работающих инерционных объектов.

Последняя часть данной главы посвящена вопросам практического применения вышеупомянутых моделей, а также проверке применимости выводов глав 2 и 3 к КЦ.

Первой решенной задачей является проверка мнения большинства технологов о том, что для минимизации потребляемой мощности КЦ нагрузку необходимо распределить так, чтобы вывести все, кроме одного, ГПА на максимумы КПД по их заводским характеристикам, а один оставить для стабилизации требуемой выходной величины КЦ. Данная задача была решена путем моделирования в пакете 81тиНпк КЦ, состоящего из идентичных ГПА. В результате показано, что такая система имеет более высокое энергопотребление для всех значений нагрузки, чем система с равномерным распределением нагрузки по ГПА, за исключением единственной точки, в которой режимы работ рассматриваемых систем совпадают. Таким образом, ещё раз были подтверждены как вывод о возможности рассмотрения КЦ как системы параллельно работающих инерционных объектов, так и вывод главы 2 о распределении нагрузки в системах с идентичными объектами.

Следующая задача касается построения имитатора на базе моделей ГПА и КЦ для применения в тренажере диспетчера КЦ. Данный тренажер позволяет проводить моделирование работы КЦ в изменяющихся по заданию преподавателя условиях работы и отрабатывать ученику навыки управления КЦ. Для этого математическое описание моделей ГПА и КЦ было реализовано в виде программных компонентов на языках МЭК 61 131−3, применяемых в программируемых логических контроллерах. Это позволяет с легкостью использовать созданный код практически в любых системах реального времени. Для создания тренажера специалистам фирмы ЭЛНА достаточно реализовать интерфейсы преподавателя и ученика. При этом выбор аппаратных средств остается за ними.

Последней решенной задачей является задача минимизации энергопотребления КЦ, состоящего из разнотипных агрегатов или агрегатов с неизвестными характеристиками. Основные проблемы заключаются в том, что для поиска распределения нагрузки, обеспечивающего минимальное энергопотребление КЦ, во-первых необходимо знать точные характеристики всех нагнетателей, а во-вторых, даже зная их, процесс поиска такого распределения является очень трудоемким из-за нелинейности характеристик ГПА. Соответственно, опираясь на ранее полученные выводы, для решения этой задачи было решено применить модифицированы экстремальный регулятор. Модификация ЭР заключается в вводе дополнительного контроля за приведенными объемными расходами и оборотами приводов ГПА. Приведенный объемный расход каждого из ГПА контролируется с целью недопущения режима помпажа, а также вентиляторного режима. Обороты приводов контролируются ввиду технологических ограничений на область их допустимых значений. Для моделирования была построена модель КЦ, состоящая из трех агрегатов с различными характеристиками, а также встроенным экстремальным регулятором. В результате моделирования было показано, что экстремальный регулятор должен работать в стабильных условиях работы КЦ, а также снижение потребляемой механической мощности примерно на 1%. Тем не менее ожидается, что этот показатель в реальности при контроле электрической мощности может достигать больших значений, т.к. использующиеся модели е учитывают характеристики приводов ГПА.

Таким образом, в данной главе были подтверждены выводы предыдущих глав, а также с их помощью решен ряд полезных практических задач.

Заключение

.

В рамках данной диссертационной работы были рассмотрены проблемы повышения КПД систем с параллельно работающими на общую нагрузку различными инерционными исполнительными устройствами.

В результате были получены следующие новые научные и практические результаты:

1. Проведен анализ свойств и математических описаний систем управления и стабилизации с параллельно работающими однотипными исполнительными устройствами в зависимости от их связи с общей нагрузкой и показана возможность с единых позиций нахождения оптимальных управляющий сигналов для исполнительных устройств, обеспечивающих максимум КПД всей системе.

2. Исследована устойчивость систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при различных вариантах управления отдельными исполнительными устройствами в составе системы и показана возможность проведения исследований по поиску оптимальных управляющих воздействий с использованием статических нагрузочных характеристик исполнительных устройств с целью максимизации КПД системы.

3. Исследована экономическая эффективность систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при различных вариантах управления отдельными исполнительными устройствами в составе системы и показано, что оптимальным вариантом управления однотипными исполнительными устройствами, при котором достигается максимальный КПД системы при различных значениях общей нагрузки, является равномерное распределение этой нагрузки между ними.

4. Исследована энергетическая эффективность систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров и показана связь между максимумом КПД системы конкретными значениями параметров исполнительных устройств.

5. Исследована и показана возможность использования дополнительного экстремального регулятора в составе общего регулятора системы стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров с целью автоматического выведения работы системы на максимум КПД для стационарного режима.

6. Разработана имитационная модель параллельно работающих электроприводных ГПА в составе компрессорного цеха для использования ее в составе комплексного тренажера с целью проведения полунатурных испытаний различных вариантов цеховых регуляторов и отработки вариантов управления параллельно работающими на общую трубу ГПА с целью минимизации энергетических затрат на перекачку газа.