автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование и анализ частотно-регулируемого электропривода питательного насоса энергоблока с ВВЭР-1000

На правах рукописи

КАРЕВСКИЙ Дмитрий Валериевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПИТАТЕЛЬНОГО НАСОСА ЭНЕРГОБЛОКА

С ВВЭР-1000

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 ДЕК 2011

Воронеж -2011

005003918

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Бурковский Виктор Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Еременко Юрий Иванович;

кандидат технических наук Поваляев Виктор Александрович

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный

технический университет»

Защита состоится 28 декабря 2011 г. в 1000 часов в конференц - зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 28 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кононенко К.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важнейших элементов АЭС с ВВЭР является парогенератор, в котором за счет тепловой энергии, выделяемой в реакторе, образуется пар, подаваемый под большим давлением в паровую турбину. Производительность парогенератора в большой степени зависит от режима функционирования питательных насосов, обеспечивающих подачу воды в парогенератор. Эффективность работы последних с точки зрения энергопотребления определяется качеством управления и регулирования электропривода насоса. Например, питательные насосы энергоблока АЭС с ВВЭР-1000 потребляют около 1,5% производимой электроэнергии. В условиях неравномерности суточного графика нагрузок использование системы преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД) позволяет уменьшить этот показатель и тем самым увеличить выработку полезной энергии. Однако наряду с экономичностью большое значение имеет обеспечение надежной, безаварийной работы электростанции. Разработка способов и систем высоконадежного управления приводом насоса с учетом неравномерности нагрузки, а также возможного изменения внутренних параметров энергоблока дает возможность обеспечить высокий уровень качества и надежности всей паропроизводящей установки, а именно обеспечить неизменный уровень воды в парогенераторе во всех режимах работы энергоблока. В связи с этим задача дальнейшего совершенствования математических средств анализа, синтеза и регулирования питательных насосов на базе системы ПЧ-АД, обеспечивающих высокий уровень надежности и энергосберегающее управление сложными технологическими объектами в рамках систем водоснабжения тепловых генерирующих комплексов, является актуальной.

Тематика диссертации соответствует одному из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Программно-аппаратные электротехнические комплексы и системы» (ГБ2010.18 «Разработка моделей и алгоритмов энергосберегающего управления программно-аппаратными электротехническими комплексами и системами»).

Цель н задачи исследования. Целью работы является разработка средств повышения эффективности управления электроприводом питатель-

ных насосов на основе реализации метода частотного регулирования, обеспечивающих высоконадежную работу тепловых генерирующих комплексов в условиях повышенных требований безопасности и энергосбережения.

В соответствии с данной целью, в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Произвести анализ подходов к задаче поддержания уровня воды в парогенераторе при различных типах возмущения, разработать структурную модель объекта исследования, учитывающую характеристики элементов парогенераторной установки.

2. Разработать структурную модель объекта исследования, ориентированную на анализ динамических и статических свойств объекта исследования с максимальной точностью за счет учета характеристик элементов парогенераторной установки.

3. Разработать структуру системы управления питательным насосом энергоблока, с включением в контур управления регулятора с переменной структурой, а также датчика в контуре расхода пара, обеспечивающего требуемую реактивность системы.

4. Разработать регулятор с переменной структурой, позволяющий улучшить энергетические показатели и показатели надежности энергоблока и осуществить его адаптацию к специфическим особенностям объекта управления.

5. Провести исследования на основе моделирования режимов работы парогенераторной установки по программам р2 = const и р2 = var. Осуществить сравнительный анализ разработанных моделей с ПИ-регулятором и регулятором с переменной структурой при отработке случайных возмущающих воздействий и выявить характерные особенности каждой модели. Провести вычислительные эксперименты и сравнительный анализ с архивными данными.

6. Разработать комплекс программно-аппаратного обеспечения системы управления питательным насосом энергоблока, обеспечивающий требуемые показатели точности и быстродействия.

Методы исследования. В работе использовались методы теории электропривода, теории автоматического управления, теории теплоэнерге-

тики, численные и аналитические методы решения дифференциальных уравнений, теории моделирования.

Научная новнзна. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

- разработана математическая модель объекта управления, отличающаяся комплексным учетом процессов, протекающих в парогенератор-ной установке;

- предложена структура системы управления питательным насосом энергоблока, отличающаяся включением в контур управления регулятора с переменной структурой, а также датчика в контуре расхода пара, обеспечивающего требуемую реактивность системы;

- предложен регулятор с переменной структурой и осуществлена его адаптация к специфическим особенностям объекта управления, который обеспечивает существенное улучшение энергетических показателей и показателей надежности работы энергоблока;

- разработана структурная модель объекта исследования, позволяющая провести анализ динамических и статических свойств объекта исследования с максимальной точностью за счет учета характеристик элементов парогенераторной установки средствами инструментальной системы моделирования;

- предложен комплекс программно-аппаратного обеспечения системы управления питательным насосом энергоблока, обеспечивающий требуемые показатели точности и быстродействия.

Практическая значимость работы. Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

- структура системы питательных насосов обеспечивает поддержание номинальной мощности энергоблока при выходе из строя любых двух основных питательных насосов;

- разработанная система поддержания уровня воды в парогенераторе позволит более достоверно получать информацию о процессах в парогенераторе за счет применения непосредственного измерения расхода пара;

- внедрение регулируемого электропривода питательного насоса, обеспечивающего устойчивую работу во всем диапазоне регулирования без ухудшения его динамических характеристик, позволит сократить потери энергии на собственные нужды.

Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры автоматики и информатики в технических системах ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» при изучении дисциплин «Моделирование электроприводов» и «Системы управления электроприводами».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика, энергосберегающие технологии» (Липецк, 2004), Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2011), научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава и аспирантов кафедры автоматики и информатики в технических системах Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2006-2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем предложены: [5, 6, 7] - обоснование и целесообразность разработки электропривода питательного насоса; [8] -структурная схема трехимпульсной системы регулирования уровня для объектов с «эффектом вскипания»; [1] - математическая модель системы регулирования уровня при частотном управлении питательным насосом; [2] - математическая модель электропривода питательного насоса с регулятором переменной структуры; [3, 4] - анализ влияния возмущающих воздействий на работу питательного тракта энергоблока, исследование модели электропривода питательного насоса в условиях неравномерности нагрузки.

Структура ч объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из НО наименований. Основная часть работы изложена на 175 страницах, содержит 64 рисунка и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертации, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены направления внедрения энергосберегающих технологий при производстве электроэнергии, показана необходимость привлечения энергоблоков АЭС к участию в регулировании графика нагрузки. Рассмотрены особенности работы питательных насосов и их место в структуре механизмов собственных нужд энергоблока. На рис. 1 предложена структура системы питательных насосов, обеспечивающая работу энергоблока на номинальной мощности при выходе из строя любых двух основных насосов. Произведен сравнительный анализ способов регулирования подачи насосов.

Рис. 1. Структура системы питательных насосов

Проанализированы аспекты частотного регулирования производительности как наиболее перспективного способа. Выбраны оптимальные законы частотного управления применительно к регулированию произво-

г- М М

дительности насоса r = a Ju = const., —sl = const, —- = const. где

К, К

напряжение в относительных единицах; a-Jl.- относительное

Y~u. L

значение частоты; ц =_относительное значение момента. Для насосов

М.

оптимальной характеристикой частотного управления является значение максимальной производительности (момента) при максимальной скорости и номинальном напряжении на статоре, когда ограничивается ток статора или суммарные потери в двигателе на уровне, предусмотренном паспортными данными двигателя.

Во второй главе разработано математическое описание питательного контура парогенератора, включающее в себя математические модели асинхронного двигателя, насоса и паропроизводящей установки с формированием компьютерных моделей в среде Ма^аЬ. На рис. 2 представлена структурная схема АД.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема линеаризированного АД

Для расчета параметров математической модели питательного насоса применялся метод электрогидравлической аналогии. Полная схема замещения насоса представлена на рис.3.

Рис. 3. Полная схема замещения питательного насоса

После подстановки паспортных конструктивных и режимных параметров математическая модель выглядит следующим образом:

Л 2.123-10

1—-(/,„-4.292-Ю-- ч„)

<к

1

, , 1.207-Ю-4 —+ 21.774-0, Л 1.111-10"' I Л

1

Л 4.654 10"4 1 0 9д =9.

Л„-1.ПЫ0

л

Питательную сеть парогенератора можно представить в виде апериодического звена, объединенного со звеном запаздывания:

(п) = —!!_' \vinl = 1__12-р-Т где параметры к и Т опре-

Тр + 1 ^ р2 -Т2 +6 р Т + 12

деляются экспериментально. Передаточная функция 1Уин,(р) парогенератора как объекта регулирования уровня (давление Р = 6,28 МПа, величина

запаздывания г = 40 с) имеет вид: цг гр\ _ 2720 1 -•»/>.

Р<7.-Гя) Р

Проведены исследования электропривода по критериям оптимального регулирования и максимальной производительности насоса. Обобщенный критерий оптимальности замкнутых систем частотно-регулируемого асинхронного электропривода в статических режимах имеет

вид: ^ = £:1-/1+<;г.4р + с,т + с4-- + С5-—— + с6--— = Л^т1П •

1} СОЗ(р Г)С05<Р При заданных ограничениях тока статора /', = /, = , отно-

* I |()ОП ш '

н

снтельный моменту = шах в случае

Построенные математические модели функциональных частей комплекса адекватны друг другу по уровню принятых допущений. Определены коэффициенты разработанной математической модели комплекса, соответствующие реальной установке. Также обоснован выбор типа преобразователя частоты.

В третьей главе методом математического моделирования проведены исследования статической и динамической устойчивости с учетом больших инерционных масс при пуске двигателя.

1 - • (л + УЯ2 -1)

и>

1 -5„(я + л/яг-])-

'г2 л,

-1

где д = ^«р - перегрузочная способность при М = М , к = ■ М„ с сог

Для увеличения быстродействия системы при отработке различных типов возмущений предложено ввести в систему регулирования уровня воды в парогенераторе дополнительный сигнал по расходу пара. Разработана структурная схема трехнмпульсной АСР с непосредственным измерением расхода пара, представленная на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема трехнмпульсной АСР уровня воды

Дифференциальное уравнение, описывающее поведение уровня Я, в приращениях имеет вид:

Л 1 2 Л

где Я- уровень в барабане, отсчитываемый от среднего положения, мм; Д<2 - изменение тепловыделения в первом контуре, кДж; ЛИ7- изменение расхода питательной воды, кг/с; АО - изменение расхода пара, кг/с; /•" - площадь зеркала испарения в парогенераторе, м2; Уп - объем пара под

зеркалом испарения, м3.

Рассмотрены типы регуляторов для различных программ регулирования мощности энергоблока. Предложен регулятор с переменной структурой и разработан алгоритм его работы.

5 = = 0- уравнение гиперповерхности переклю-

чения. Можно рассматривать 5(х,,х2»—»*„) как отклонение изображаю-

/-/С

щей точки от этой гиперповерхности. $— < о - уравнение существования

скользящего режима. Уравнение гиперплоскости скольжения Б в виде линейной комбинации фазовых координат системы имеет вид:

п

Х2'-"'Хп) " У, С,Х, >

1=1

где С, - некоторые коэффициенты, определяющие положение гиперповерхности переключения в пространстве.

И'(.т)=|.х1| + |л:2|+...+|.гл| - норма вектора фазовых координат,

5'=-^(|х,|+|л:2|+...+]х„])5/яп5 - условие существования скользящего режима, то есть система будет входить в скользящий режим при любых значениях начальных условий.

Уравнения возмущенного движения парогенератора имеют вид:

¿1 =

х3 =и(х„х2),

где лг, - расход пара; х2 - давление в трубопроводе на участке от насоса до

парогенератора; х3 - значение уровня в парогенераторе; Х4 - расход воды. Выражение для закона управления имеет вид:

1/= дг, | + |;с21 1) signS-k^c -2к1сх1 ■ При работе энергоблока на скользящем давлении пара уменьшается величина противодавления в питательном тракте, что позволяет снизить напор, развиваемый питательным насосом, а следовательно, и потребляемую мощность.

Четвертая глава посвящена исследованию электропривода насоса на основе компьютерного моделирования. Для построения структурной схемы модели парогенератора экспериментальным путем были получены разгонные кривые по уровню при подаче на него возмущений расходом питательной воды и расходом пара. Произведено сравнение разработанных моделей с ПИ-регулятором (рис. 5) и с регулятором с переменной структурой (рис. 7) при отработке случайных возмущающих воздействий и выявлены характерные особенности каждой модели.

Рис. 5. Структурная схема модели объекта по программе р2 = const

На рис. 6 представлены графики изменения расхода воды а) и уровня б) в результате переходного процесса в парогенераторе при возмущении изменением расхода пара на 20 кг/с со скоростью 1 кг/с/с.

Рис. 6. Изменення а) расхода воды и б) уровня при возмущении

Рис. 7. Структурная схема модели объекта по программе рг = уаг

На рис. 8 представлены графики изменения расхода воды а) и уровня б) в результате переходного процесса в парогенераторе при возмущении изменением расхода пара на 50 кг/с со скоростью 1,5 кг/с/с.

Рис. 8. Изменения а) расхода воды и б) уровня при возмущении

Результаты экспериментальных исследований, проводившихся на пятом энергоблоке НВ АЭС, приведены на рис. 9,10.

Рис. 9. Нанесение возмущения задатчиком расхода пара (-10% и +10%)

12

325 мо 275 250 225

175 150 155 100 75 50

I. им

— вода МЛк,

? ? 8 ? ? П. ! ? 5 8 5 8 8 ? Я ? ; В : у ? 8 5 5 8 П 8 У « 5 |

?20

Т. с

Рис. 10. Нанесение возмущения расходом воды (-10% и +10%)

По результатам эксперимента виден схожий характер переходных процессов при различных видах возмущений. Величина отклонения уровня воды в парогенераторе по результатам моделирования и по экспериментальным данным не превышает 50 мм, что является допустимым. Быстродействие системы при использовании электропривода насоса с регулятором переменной структуры не хуже, чем в случае с турбоприводом насоса.

Схему с рг = уаг целесообразно применять в том случае, когда нагрузка изменяется по заранее известной программе, а схему рг = сопх! - в режимах сброса и наброса нагрузки. При применении разработанной модели регулятора питания насоса быстродействие не ухудшилось: время выхода насоса на установившуюся характеристику составляет « 200 с. Уровень воды в парогенераторе при возмущениях по разным каналам (расход пара, расход воды) не выходит за пределы допустимого. Статическая ошибка уровня при программе рг = уаг объясняется новым значением установившегося давления в парогенераторе.

В заключении изложены основные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований. Проведена комплексная

оценка эффективности внедрения частотно-регулируемого электропривода питательного насоса, которая показала, что экономический эффект выражается не только в количественном сокращении потребления электроэнергии на собственные нужды, но и в повышении надежности установки в целом. Применение преобразователей частоты на электростанциях позволяет обеспечить новые важные в эксплуатации энергоблоков возможности:

- позволяет оптимизировать уровни нагрева поверхностей парогенераторов при разгрузках энергоблоков за счет уменьшения температурных перекосов, что не только повышает надежность их работы, но и увеличивает ресурс;

- позволяет энергоблоку экономично проходить режим "скользящих" параметров пара, что обеспечивает маневренность и высокую эффективность топливоиспользования в этом режиме;

- облегчает режим самозапуска (рестарта) электроприводов собственных нужд при глубоких колебаниях напряжения в системе электроснабжения или его кратковременных исчезновениях с последующим восстановлением;

- в часы максимальной нагрузки в энергосистеме обеспечивает дополнительное повышение мощности энергоблока вследствие исключения дросселирования;

- повышает в целом ресурс тепломеханического и электрического оборудования, увеличивает межремонтные периоды.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структурная модель объекта исследования, позволяющая провести анализ динамических и статических свойств объекта исследования с максимальной точностью за счет учета характеристик элементов парогенераторной установки.

2. Предложена структура системы управления питательным насосом энергоблока, отличающаяся включением в контур управления регулятора с переменной структурой, а также датчика в контуре расхода пара, обеспечивающая требуемую реактивность системы.

3. Предложен регулятор с переменной структурой и осуществлена его адаптация к специфическим особенностям объекта управления, который

обеспечивает существенное улучшение энергетических показателей и показателей надежности энергоблока.

4. Проведены исследования на основе моделирования режимов работы парогенераторной установки по программам р2 = const и

рг = var. Произведено сравнение разработанных моделей с ПИ-регулятором и с регулятором с переменной структурой при отработке случайных возмущающих воздействий и выявлены характерные особенности каждой модели. Проведены натурные эксперименты.

5. Предложен проект комплекса программно-аппаратного обеспечения системы управления питательным насосом энергоблока, обеспечивающий требуемые показатели точности и быстродействия.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Каревский Д.В. Моделирование системы регулирования уровня воды в парогенераторе при частотном управлении приводом питательного насоса / Д.В. Каревский, B.J1. Бурковский // Системы управления и информационные технологии: науч.-техн. журнал. 2006. №4.1 (26). С. 153-157.

2. Каревский Д.В. Математическая модель электропривода питательного насоса с регулятором переменной структуры / Д.В. Каревский, B.JI. Бурковский // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. № 2. С. 48-51.

3. Каревский Д.В. Модель влияния возмущающих воздействий на электропривод питательного насоса энергоблока / Д.В. Каревский, А.И. Зайцев // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал. 2011. №1 (21). С. 8-11.

4. Каревский Д.В. Математическая модель системы управления питательным насосом в условиях влияния переменной нагрузки / Д.В. Каревский, А.И. Зайцев, B.J1. Бурковский // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал. 2011. №1 (21). С. 47-50.

Статьи и материалы конференций

5. Каревский Д.В. Анализ законов управления при частотном регулировании / Д.В. Каревский, B.JI. Бурковский // Электроэнергетика, энер-

госберегающие технологии: сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Липецк, 2004. С. 64-66.

6. Каревский Д.В. Анализ потерь энергии при изменении расхода и напора / Д.В. Каревский, В.Л. Бурковский // Промышленная информатика: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2005. С. 140-144.

7. Каревский Д.В. Электропривод питательного насоса при частотном регулировании / Д.В. Каревский, В.Л. Бурковский // Промышленная информатика: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2006. С. 96-103.

8. Каревский Д.В. Моделирование и исследование системы регулирования уровня в объекте с эффектом «вскипания»/ Д.В. Каревский // Информационные технологии моделирования и управления: науч.-техн. журнал. 2006. №8 (33). С. 1065-1072.

9. Каревский Д.В. Управление процессом поддержания уровня воды в парогенераторе на основе регулятора с переменной структурой / Д.В. Каревский, В.Л. Бурковский // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал. 2007. №1. С. 11-14.

10. Каревский Д.В. Моделирование и анализ регулируемого электропривода питательного насоса энергоблока АЭС / Д.В. Каревский, В.Л. Бурковский // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. Воронеж, 2011. С. 99.

Подписано в печать 24.11.2011. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № 300 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Введение. .;.;.л.;.!.;. :Л

Глава 1 Анализ возможности повышения энергоэффективности оборудования, энергоблока АЭС.,.V.

1.1 Обзор современных исследований по внедрению энергосберегающих технологий при производстве электроэнергии-.'.

1.2 Работа энергоблока АЭС при полной и частичной нагрузке.

1.3 Описание объекта исследования.

1.3.1 Питательные насосы в структуре механизмов собственных нужд энерго: блока!:...,.:.

1.3.2 Выбор типа привода питательного насоса.

1.4 Анализ частотного регулирования производительности.

1.4.1 Работа насоса на сеть с противодавлением.

1.4.2 Способы регулирования производительности насоса.•. 1.

1.4.3 Критерии оптимального регулирования. электропривода механизма с вентиляторной характеристикой. .,. .•.

1.4.4 Определение режимов максимальной производительности электропривода ;; насоса.

Б в оды •.*■> • • >* *.« •>• • •»• • • ■ • • > ■ > • >'• ■ ■ >•>••■• ■ •• •• ••» • ■ »•,»»•»• > • »,•»• • .<«• • • * • ■ 60»

Глава 2 Математическое моделирование й анализ электропривода питательного насоса..

2.1. Математическая модель асинхронного двигателя.

2.2. Математическая модель центробежного насоса.;.

2.3. Математическое описание паропроизводящей установки.92.;

2.3.1 Модель трубопровода.,.;.:.'.92.

2.3.2 Модель парогенератора.'.•.93.

2.4 Выбор типа преобразователей для частотно-регулируемых электроприводов.;!:.; .V.:.;.;.

Выводы .;.;.;.V.;.;.;.ЛОЗ

Глава 3 Исследование системы автоматического управления электроприводом питательного насоса по схеме ПЧ-АД.

3.1 Анализ статической и динамической устойчивости систем ПЧ-АД.

3.2 Учет больших инерционных масс при пуске двигателя.

3.3 Структура автоматической системы регулирования мощности.

3.3.1 Особенности различных программ регулирования мощности.

3.3.2 Трехимпульсная АСР уровня воды в парогенераторе.

3.3.3 Выбор и принцип работы датчиков измеряемых параметров.

3.4 Синтез регуляторов при различных программах регулирования.

Выводы.

Глава 4 Разработка и исследование структурной модели электропривода питательного насоса.

4.1 Синтез структурной модели электропривода в пакете Matlab.

4.1.1 Применение регулятора по программе р2 = const.

4.1.2 Применение регулятора по программе р2 — var

4.2 Анализ рабочих характеристик электропривода при отработке случайных возмущающих воздействий.

4.3 Расчет сокращения энергопотребления при участии энергоблока в регулировании графика нагрузки.

Выводы.

Актуальность темы Одним из важнейших элементов АЭС с ВВЭР является парогенератор; в котором за счет тепловой энергии, выделяемой в реакторе, образуется пар,, подаваемый, под большим давлением в паровую турбину.Производительность парогенератора в большой степени зависит от режима функционирования пита1 тельных насосов, обеспечивающих подачу воды в парогенератор: Эффективность работы последних, с точки зрения'энергопотребления, определяется качеством управления и регулирования электропривода насоса. Например, питательные насосы-'энергоблокаАЭС • сВВЭР-1000 потребляют около 1,5% произ-. водимой электроэнергии. В:-условиях неравномерности суточного графика нагрузок использование системь1 преобразователь, частоты — асинхронный двигатель (ПЧ-АД) позволяет.уменьшить, этот показатель; и тем самым увеличить выработку'полезной энергии. Однако,„наряду.с экономичностью, большое значение играет обеспечение. надежной, безаварийной* работы электростанции. Разработка способов и систем высоконадежного управления; приводом насоса с* учетом неравномерности нагрузки, а также возможного изменения'внутренних, параметров энергоблока дает возможность обеспечить высокий .уровень: качества и.надежности всей паропроизводящей установки ■ а- именно обеспечить • неизменный. уровень.воды в парогенераторе во всех режимах работы энергоблока. В* связи, с*, этим задача-, дальнейшего^ совершенствования., математических средств« анализа; синтеза.» регулирования^ питательных насосов ,на базе системы, ПЧ-АД^. обеспечивающих, высокий уровень надежности / и: .энергосберегающего управления-,сложными- технологическими-.объектами в рамках' систем' водоснабжения тепловых генерирующих комплексов является актуальной.'

Тематика; диссертации соответствует одному из. оснрвных научных направлений Воронежского- государственного технического университета «Программно-аппаратные электротехнические' комплексы. и . системы» (ГБ2004.18 «Разработка информационных технологий автоматизированного проектирования и управления-сложными электромеханическими системами»). Цель и. задачи исследования. Целью работы является разработка средств повышения эффективности управления электроприводом питательных .' насосов' на основе -' реализации метода частотного регулирования, обеспечивающих высоконадежную работу тепловых генерирующих комплексов в условиях повышенных требованиибезопасности и энергосбережения.

В соответствии с данной целью, в работе, поставлены и решены'следую-щиезадачи: ' ;. • • • • ■

1 .Произвести анализ подходов к задаче, поддержания уровня, воды в парогенераторе при различных типах возмущения, разработать структурную модель объекта исследования;, учитывающую характеристики., элементов пароге-нераторной установки.

•• '"1. Разработать структурную-мод ёль. объекта исследования; .ориентированную на. анализ динамических* и статических свойств объекта-исследования с максимальной точностью за. счет, учета' характеристик элементов парогенера-торной установки; '• . ■ • . .•-••

3. Разработать .структуру системы, управления питательным насосом энергоблока, с включением' в контур- управления регулятора: с переменной структурой,, а также Сдатчика в. контур расхода пара, обеспечивающую требуемую.реактивность системы;. '.-'•. .

4V Разработать регулятор с переменной структурой, позволяющий улучшить энергетические:показатели и показатели надежности.-энергоблока и- осуществить его адаптацию к специфическим особенностям объекта управления; •

5. Провести.исследования на основе моделирования режимов работы па-рогенераторной .установки по программам р2 =.const й р2 = var. Осуществить сравнительный анализ разработанных моделей с ПИ-регулятором и с регулятором с переменной структурой при- отработке случайных.возмущающих воздействий и выявить характерные особенности каждой модели. Провести вычислительные эксперименты и сравнительный анализ с архивными данными. • -6. Разработать комплекс, программнр-аппаратного обеспечения .системы управления1, питательным насосом энергоблока, обеспечивающий; требуемые показатели точности и быстродействия. ' . V.

Методы исследования. В работе использовались методы теории элек-•. троприво'да, теории автоматического управления; теории теплоэнергетики, чис- • ленные и .аналитические методы решения дифференциальных уравнений, теории «моделирования::

Научная новизна. В! работе получены следующие; результаты, отличающиеся научной новизной:. •

- . - разработана математическая* модель объекта.-,управления^, отличающаяся- комплексным учетом/ процессов протекающих в парогенераторной. установке;' ■ . . ' Л .'■'.,.- ' •■/ . . ' ' : ' • ' . • • ■ "

-■ предложена структура системы: управления, питательным насосом энергоблока, отличающаяся включеыием в контур управления регулятора с переменной структурой, а также датчика в контуре расхода пара, обеспечивающая требуемую реактивность системы; ■ . ; • /

- предложен; регулятор с переменной: структурой и-осуществлена; его адаптация к специфическим особенностям объекта управления, который обеспечивает. существенное .улучшение энергетических показателей и показателей надежности работы энергоблока;

- разработана структурная модель объекта исследования; позволяющая провести: анализ; динамических, и статических; свойств объекта исследования с максимальной, точностью за счет учета характеристик элементов парогенера торной'установки средствами инструментальнойсистемы моделирования; ':;-'"

- предложен комплекс программно-аппаратного обеспечения . системы управления: питательным насосом^ энергоблока,, обеспечивающий требуемые показатели точности и быстродействия.

Практическая значимость работы. Практическую, ценность: диссертационной работы составляют:

-.структура системы питательных насосов обеспечивает поддержание номинальной мощности энергоблока при выходе из строя любых двух основных, питательных насосов;. ; •

•- разработанная; система, поддержания уровня воды в парогенераторе позволит более достоверно получать информацию о процессах в парогенераторе зй:счетприменениянепосредственногоизмерёниярасхода пара;

-^внедрение регулируемого электропривода питательного насоса; обеспечивающего устойчивую; работу .во всём диапазоне; регулирования; без; ухудшения- его динамических характеристик позволит сократить потери энергии на собственные нужды., Реализация результатов» работы. Полученные теоретические и экспе-рйментальные: результатыдиссертационной работы; внедрены в учебный; процесс кафедры автоматики и информатики в .технических системах Воронежского: государственного технического университета при изучении дисциплин «Моделирование электроприводов» и «Системы управления электроприводами». -: • . , Апробация* работы. Основные положения? диссертационной работы докладывались .на, Всёроссийской научноттехнической; конференций «Электроэнергетика, энергосберегающие технологии». (Липецк, .2004); на Всероссийский конференции «Новые- технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении; производстве» (Воронеж. 2011), на научно-технических конференциях, профессорско-преподавательского состава и - аспирантов кафедры, автомат тики .и .инфбрматики в. технических,-системах ВГТУ (Воронеж, 2006-2010); а также на научных семинарах кафедры« автоматики и информатики -в технических системах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано'. 10 научных. работ,в.том числе. 4 —в изданиях, рекомендованных В АК РФ.

• :'В работах, опубликованных в соавторстве лично-соискателем предложены :в. [5, 6, 7] обоснование и целесообразность разработки электропривода питательного насоса; в [8] структурная схема трехимпульсной: системы, регулирования. уровня.для объектов с «эффектрм вскипания»; в [1] математическая модель системы регулирования уровня при частотном управлении питательным насосом; в" [2]. математическая: модель электропривода питательного насоса с регулятором переменной структуры; в [3, 4] анализ влияния возмущающих воз: действий на работу питательного: тракта энергоблока;. исследование, модели электропривода'питательного насоса в условиях неравномерности нагрузки. ■ • •'. • Структура и объем; работы. Диссертация состоит из введения;, четырёхглав, заключения;: списка литературы из 110'наименований, материал изложен на 163 страницах и содержит 64 рисунка, 3 таблицы й 1 приложение.

Выводы:

1. В результате моделирования и исследования работы двух схем регулирования подачи питательной воды можно сделать вывод о том, что вследствие запаздывания по каналу измерения расхода пара система р2 = уаг обладает большей инерцией по сравнению с системой р2 — соп& . Величина запаздывания т х 40 с.

2: Схема при программе регулирования рг = уаг обладает большей экономичностью и позволяет снизить скорость вращения питательного насоса при отработке одного и того же задания регулятора; мощности. Это обусловлено . тем, что питательному насосу необходимо создать напор меньше номинального. ' • .'. . : ' ■ ; 3. Схему с р2 — уаг целесообразно применять в том случае, когда на грузка изменяется по заранее известной, программе, а схему р2 = рот! - в- режимах сброса и наброса нагрузки.

4. При применении разработанной модели регулятора питания насоса быстродействие не ухудшилось: время выхода насоса на установившуюся характеристику составляет. ^ • 200 с. Уровень'воды в' парогенераторе при возмущениях по разным каналам (расход пара, расход воды) не выходит за пределы • допустимого. Статическая, ошибка уровня при: программе рг = уаг объясняется новым значением установившегося давления в парогенераторе. 5. Проведена комплексная оценка эффективности внедрения частотно; регулируемого электропривода питательного насоса,.которая показала.что экономический эффект выражается не только в количественном сокращении потребления электроэнергии на собственные нужды, но й в повышении надежности установки в целом/. \ .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кроме ^известных количественных оценок энергосбережения^ применение-преобразователей частоты для механизмов собственных нужд АЭС .позволяет обеспечить новые важные в эксплуатации энергоблоков возможности:,

- позволяет оптимизировать уровни нагрева поверхностей парогенераторов. при: разгрузках энергоблоков, за счет уменьшения температурных перекосов, что не только повышает надёжность их работы; но и увеличивает ресурс; .

• г позврляет экономично проходить энергоблоком режим "скользящих" параметров; пара,^что: обёспечивает. маневренность=и: высокую, эффективность, в этом режиме;. ;.'-. .'•■ - в часы максимальной нагрузки в энергосистеме, обеспечивает дополнительное повышение; мощности энергоблока, вследствие исключения дросселирования; ■. ".'.'. ■ , . .■•'. - повышает в целом,ресурс тепломеханического и электрического оборудования, увеличивает межремонтныё:периоды; , В связи,с медленно меняющимися-режимами работы питательного насоса определяющими факторами; являются статические характеристики. Наибольшее проявлёние .динамики привода происходит при пуске двигателя, с большими инерционными массами. • . ' ' ; • • .-■■'.

Проанализировав; программы регулирования мощности. энергоблока: .-= сот1 (постоянная температура- в первом: контуре), р2 = соп81 (постоянное давление во. втором контуре), Р2 = Уаг (скользящее* давление), можно: сделать вывод о целесообразности применёния-последней в рёжиме следования за нагрузкой." Устранение потерь на дросселирование в- регулировочных клапанах турбины .при. частичных нагрузках позволяет повысить тепловую экономичность блока с ВВЭР-1000 на 2%. При.работе энергоблока на скользящем давлении пара уменьшается . величина противодавления в. питательном тракте, что позволяет снизить напор, развиваемый питательным насосом;- а, следовательно, и потребляемую мощность. В. результате моделирования и исследования работы двух схем регулирования подачи питательной воды можно сделать вывод о том, что вследствие запаздывания по каналу измерения расхода пара система р2 = var обладает большей инерцией по сравнению с системой р2 — const. Величина запаздывания т « 40 с. Однако применение непосредственного измерение расхода пара с помощью пневмометрической трубки, вместо косвенного метода, применяемого в настоящее время, позволяет улучшить динамику работы системы регулирования подачи питательной воды. По результатам исследования полученных моделей быстродействие не ухудшилось: время выхода насоса на установившуюся характеристику составляет « 200 с. Уровень воды в парогенераторе при возмущениях по разным каналам (расход пара, расход воды) не выходит за пределы допустимого. Статическая ошибка уровня при программе р2 = var объясняется новым значением установившегося давления в парогенераторе. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что схему с р2 — var целесообразно применять в том случае, когда нагрузка изменяется по заранее известной программе, а схему р2 = const - в режимах сброса и наброса нагрузки.

1. Регулирование энергоблоков: Учеб. пособие / В.А. Иванов, Н.С.

2. Ротач В.Я. Теория, автоматического управления теплоэнергетическими процессами: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат. 1985. 296 е.,

3. ИЛ. '•' .'. .' • ' .' ■ . .• '.'.''

4. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под общ; ред. 15.А. Григорьева, В.М. Зорина. — 2-е изд. перераб. -М.:- Энерго-атомиздат,1989.-608 е., ил. . . . ' :

5. Отчет об испытаниях на 3-ем энергоблоке НВ АЭС, 2002 г.

6. Идентификация, динамических параметров электроприводов. Пив-няк:Г,Г.,;Бешта А.С: Электричество. 2002, №11, с. 29-31

7. Потери мощности асинхррнного.двигателяв частотно-управляемых электроприводах.с широтно-ймпульсной модуляцией. Волков А.В. Электро- . техника. 2002, № 8,с.2-9 •'. " . ' ; .

8. Особенности энергопотребления комплектных приводов на базе преобразователей частоты с асинхронными двигателями, с. короткозамкнутым ротором. Адрианов М.В>, Радйонов Р.В. Электротехника. 2002, № .11, с. 6-10

9. Ключев В.И: Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. -560 е., ил.-■ 14.-Рудаков.В!В., Столяров И:М., Дартау В.А. Асинхронные электррт приводы с векторньш управлением. — Л.: Энергоатомиздат,• 1987 •'"'

10. Фролов Ю:М. Обобщенная электрическая машина-в электроприводе: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж, гос. техн-. ун-т, 2001.17.1 с. ■ .

11. Козлов М., Чистяков А: Эффективность внедрения систем с частотно-регулируемыми- прйводами//Современные средства автоматизации. 2001, № i. C. 76-82. ' v

12. Современная прикладная теория управления: Новые классы регуляторов технических систем/Под ред. A.A. Колесникова. — Таганрог; Изд-во ТРТУ, 2000. Ч. 3.

13. Справочник по автоматизированному' электроприводу/ Под .ред. В.'А. Елисеева и A.B. Шинянскош. М;: Энергоатомиздат, 1983! 448 с.

14. Карелин В. Я.; Насосы и насосные станции: учеб. для вузов / В. Я. Карелин, А. В. Минаев. 2-изд., перераб. и доп. — М.':. Стройиздат,. 1986. -320с. V.' • Г-.л. V. . • , •. . . . -.

15. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О.В. Слежановский, JI.X. Дац-ковский, И.С. Кузнецов и др. М.: Энергоатомиздат, 1983. 256 с.

16. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами / Р.Т.Шрейнер, Ю.А.Дмитренко. Кишинев: Штиинца, 1982. 224 с.

17. Эпштейн ИИ. Автоматизированный электропривод переменного тока / И.И.Эпштейн. М.: Энергоатомиздат, 1982. 192 с.

18. Будов В.М. Насосы АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1986, 232 с.

19. Вихарев Ю.В., Вознесенский В.А., Денисов В.П. Реакторная установка ВВЭР-1000: особенности проекта, итоги пуска пятого блока HB АЭС и пути дальнейшего совершенствования установки // Атомная энергия. 1981. Т.50. Вып.2. С.87

20. Григорьев В.А., Зорин В.М. Тепловые и атомные электрические станции М.: Энергоатомиздат, 1982. 317 с.

21. Кривченко Г.И. Гидравлические машины: Турбины и насосы М.: Энергоатомиздат, 1983. 284 с.

22. Кузнецов Н.М., Канаев A.A., Копп И.З. Энергетическое оборудование блоков АЭС. JL: Машиностроение, 1979. 405 с.

23. Малюшенко В.В., Михайлов А.К. Энергетические насосы: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1981. 228 с.

24. Острейковский В.А. Эксплуатация атомных станций. М.: Энергоатомиздат, 1999. 312 с.

25. Пак П.Н., Белоусов А .Я., Пак С.П. Насосное оборудование атомных станций Под общ. ред. Пака П.Н. М.: Энергоатомиздат, 2003. 449 с.

26. Иванов В.А Регулирование энергоблоков. Ленинград: Машиностроение 1982. 312 с.

27. Стефании Е.П. Основы построения АСУ ТП. М.: Энергоиздат, 1982. 352 с.

28. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика парогенераторов М.: Энер-гоиздат, 1982. 408 с.

29. Автоматизация настройки систем управления/ В.Я. Ротач. В.Ф. Кузищин, A.C. Клюев и др.; под ред. В.Я. Ротача. М.: Энергоатомиздат, 1984. 272 с.

30. Теория систем с переменной структурой/ C.B. Емельянов, В.И. Уткин, В.А. Таран и др.; под ред. C.B. Емельянова. М.: Наука, 1970. 592 с.

31. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. Заведений. M.: ACADEMA, 2006. 272 с.

32. Ключев В. И. Теория электропривода: учеб. для вузов — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2001. 704 е.: ил.

33. Алиев И. И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: учеб. пособие для вузов — 2 — изд., доп. М.: Высшая школа, 2000. 255 с.

34. Жбанников В. В., Сыромятников В. И. Инструкция по эксплуатации системы теплоснабжения ТЦ-5 блока TIB АЭС. Нововоронеж, 2007. 62 с.

35. Ключев В. И. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 360 е.: ил.55.0нищенко Г.Б., Юньков M.F. Электропривод турбомеханизмов. М.: Энергия, 1972 г. с ил.

36. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974. 169 с.

37. Аракелян А.К., Шепелин A.B. К динамике режимов пуска и останова электроприводов турбомеханизмов. Электричество, 1998. №8. с. 35-42.

38. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В.А. Частотно-управляемый асинхронный электропривод с оптимальным регулированием абсолютного скольжения. Электромеханика, 1970. №6. с. 676-681.

39. Шрейнер Р.Т., Кривицкий М.Я. Оптимальное по минимуму потерь частотное управление асинхронным электроприводом в электромеханическом переходном процессе. . Электромеханика, 1975. №1. с. 75-82.

40. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В;А. Оптимальный по минимуму потерь закон частотного управления асинхронным электродвигате-лем.,Энергетика,.1969: №8. с. 25г30. . ;• . ■"■:■;

41. Д.В.- Каревский, В.Л: Бурковский Математическая; модель электропривода питательного насоса с регулятором переменной структуры. Вест-, ник ВГТУ т. 4.'№ 2. 2008. С. 48751. .

42. Д.В. Каревский,.В.Л. Бурковский Анализ потерь энергии при изменений; расхода1 и\напора. Промышленная информатика: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2005! С. 140-144.

43. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочник под редакцией Л.С.Клюева. М.: Энергоатомиздат,,1989; 368с. . ' . \ ' . ' ' ' '■''•

44. Герасимов С.Г. Теоретические основы автоматического регулирования тепловых процессов, 4.1. — Мг: Выспг. шк<, 1967- •

45. Добкин В.М., Дулеев -Е!М1, Фельдман Е.П. Автоматическое: регулирование на электростанциях: —,М.: Госэнергоиздат, 1959.

46. Корнилов.Ю.Г.,Пивень В.Д. Основы теории автоматического регулирования в применении к теплосиловым установкам. — М.: Машгиз, 1977.,86. ' Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов.—М.: Госэнергоиздат, 1960.

47. Стефани Е.Г1. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. Изд. 2.-М.: Энергия, 1972. .88'.-- Ротач: В.Я. Теоретические основы-, автоматического регулировав ния теплоэнергетических процессов. -М.: МЭИ, 2004.

48. Методические указания- по объему технических измерений, сигнализации и автоматического регулировйния на тепловых электростанциях. -М.: СПО Союзтехэнерго, 2004 (РД 34.35.107-03).

49. Терехов В.М. Элементь1 автоматизированного электропривода — М.: Энергоатомиздат, 1987, 224с.. 97'. Йванов.Г.М-.,-.Онищенко.Г.Б. Автоматизированный электропривод в химической промышленности. • . . •

50. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Вентильные каскады; и двигатели двойного питания —М.: Энергия, 1979, 174с. .

51. Москаленко В.В.; Автоматизированный электропривод — М.: Энер-.гоатомиздат, 1986, 416с. '• •: • '.' •' ••' ' ■ ' • ■ '■ •" ■. •;' :

52. В. А. Григорьев; В. М. Зорин. Тепловые и атомные электрические станции. Справочная серия. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Изд-во: Энер-гоатомиздат, 2-е изд., перераб., 1989 г., 608. с. .

53. Демченко В.А. Автоматизация и моделирование процессов АЭС. и ТЭС. Одесса "Астроггринт", 2001 г. 305стр.

54. Плетнев Г.П. Автоматическое управление и защита теплоэнергетических установок электростанций.- Энергоатомиздат 1986г. 344с.

55. Рассохин Н.Г. Парогенераторные установки атомных электростанций Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1987. -384с.

56. Стерман JI.C. Тепловые и атомные электростанции Учебник для вузов. 2-е изд., исп. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1982 г. - 456 с.

57. Автоматизированный электропривод промышленных установок под ред. Г. Б. Онищенко. М.: РАСХН - 2001. - 520с

58. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. и др. Электропривод мощных тур-бомашин. М.: Энергоатомиздат, 1978, 274с.

59. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод Учебное пособие по курсу "Типовые решения и техника современного электропривода" М.: Издательство МЭИ, 2002г. - 79с.

60. Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов. Учебник для студентов, обучающихся по специальности «Электропривод и автоматизация пром. установок». Изд. 3-е, переработ. и доп., М., «Энергия», 1976.488 с.