автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка унифицированных математических моделей тепломеханического оборудования электростанций для тренажеров

На правах рукописи

Р Г Б ОД ВИНОГРАДОВ АНДРЕЙ ЛЬВОВИЧ

РАЗРАБОТКА УНИФИЦИРОВАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ДЛЯ

ТРЕНАЖЕРОВ

Специальность 05.14.14 Тепловые электрические станции (тепловая часть)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-ИВАНОВО-1997

и'

Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук Каекин B.C. Научный консультант: кандидат технических наук Рабенко B.C.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шувалов С.И.

кандидат технических наук Охотин В.В.

Ведущая организация: АОЗТ "ТРЭЛЕКС" (г.Москва)

Защита состоится мая 1997 г. в .li.часов на заседании

диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций К 063.10.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: г.Иваново, ул.Рабфаковская, д.34, корп. Ж., ауд. №

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим отсылать по адресу: 153003, г.Иваново, ул.Рабфаковская, д.34, Ученый Совет ИГЭУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "Qf?." апреля 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета профессор, доктор технических на

МОШКАРИН А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы:

Проблема подготовки персонала для обеспечения безопасной, безаварийной г экономичной работы энергетических установок была всегда весьма актуальной. Созданию системы специатизированной подготовки работников электростанций сопутствовал целый ряд обстоятельств социально-экономического и производственного характера. Это нехватка квалифицированных специалистов в целом по отрасли, отставание вузовской и специально-технической подготовки от потребностей практики наращивание мощностей оборудования, автоматизация управления, разуплотнение графика электрической нагрузки и т.д. В настоящее время система подготовки персонала энергопредприятий построена на базе учебно-тренировочных пунктов (УТП). созданных (или создаваемых) на всех крупных электростанциях. Эти подразделения как правило, не имеют в своем составе достаточного количества методистов, математиков, программистов и поэтому не могут самостоятельно заниматься разработкой новых, более эффективных форм обучения.

Повышение качества профессионапьного мастерства работников энергетики на современном этапе связывается с компьютеризацией процесса подготовки оперативного и эксплуатационного персонала электростанций. Компьютерная техника (прежде всего персональные электронно-вычислительные машины (ПЭВМ)), при наличии эффективного программного, математического и методического обеспечения, действительно предоставляет во многих случаях единственную возможность смоделировать соответствующие условия оперативной деятельности и создать надлежащую учебную среду. Создание эффективного и универсального математического обеспечения, ориентированного на использование в учебном процессе, требует выработки общих принципов его разработки и применения, создания унифицированных алгоритмов математических моделей оборудования.

Эта задача осложняется тем, что невозможно разработать эффективное математическое обеспечение учебного процесса без учета вопросов методики, внедрения новых методов и форм обучения специалистов, особенностей технологии производства электроэнергии.

Учитывая изложенное, можно сделать вывод о том, что разработка комплексного научно-методического подхода к созданию и применению математических моделей, ориентированных на применение в компьютеризированном процессе подготовки персоната в энергетике, разработка типовых алгоритмов математических моделей оборудования электростанций, а также широкой библиотеки самих моделей, помогающей разработчикам быстро и качественно создавать тренажерные и обучающие программы, являются акту&чьными задачами теплоэнергетики.

Цели работы:

-разработка теоретических основ создания унифицированных математических моделей энергетического оборудования, применяемых в процессе подготовки персонала с использованием ПЭВМ;

-разработка унифицированных имитационных математических моделей тепломеханического оборудования электростанций (ТМО), ориентированных на применение в тренажерных и обучающих компьютерных программах;

-практическая разработка компьютерных программ для тренировки, обучения и проверки знаний персонала в энергетике.

Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи:

-выявлены основные возможности компьютеризированной системы обучения при подготовке специалистов для энергетики;

-на основе анализа существующих концепций организации профессионального обучения, подходов к созданию математических моделей сложных систем, а также методов их практической реализации предложен комплексный подход к разработке унифицированных математических моделей ТМО для тренажерных и обучающих компьютерных задач;

-разработана библиотека унифицированных имитационных математических моделей элементов тепловой схемы электростанции для тренажерных и обучающих компьютерных задач;

-создан широкий набор тренажерных, обучающих и контролирующих компьютерных программ, функционирующих на основе динамических имитационных моделей оборудования электростанции.

Научная новизна:

1.Предложен комплексный подход к разработке унифицированных математических моделей ТМО для тренажерных, обучающих и контролирующих компьютерных задач, применяемых для подготовки персонала электростанций, включающий в себя методические и научные принципы создания математических моделей, требования к ним, способы оценки границ и объема моделирования, методы оценки адекватности моделей.

2.Разработана библиотека унифицированных имитационных математических моделей ТМО ТЭС и АЭС; ориентированных на применение в компьютерных тренажерных и обучающих программах; отличающихся наличием в них логических структур, позволяющих изменять их режимные, динамические, методические, обучающие и контролирующие характеристики в зависимости от целей и задач обучения.

Практическая ценность:

1.Создан широкий набор компьютерных программ для теоретической подготовки, тренажа и проверки знаний оперативного персонала ТЭС и АЭС.

2.Разработаны учебные задачи, отражающие специфику работы оборудования блоков 300 Мвт ТЭС и 1000 Мвт АЭС в нормальных режимах работы и аварийных ситуациях.

3.Практические разработки внедрены в УТП Костромской ГРЭС, Балаковской и Калининской АЭС, в учебный процесс ИГЭУ.

Автор защищает:

1.Комплексный подход к разработке математических моделей для тренажерных, обучающих и контролирующих задачах на базе ПЭВМ, предназначенных для подготовки и повышения квалификации персонала электростанций, а также обучения студентов вузов.

2.Унифицированные математические модели оборудования ТЭС и АЭС.

3.Практические разработки тренажерных, обучающих и контролирующих компьютерных задач для обучения персонала в энергетике.

Достоверность результатов исследования подтверждается:

-использованием при разработке математических моделей уравнений, описывающих фундаментальные физические законы;

-соответствием параметров моделируемых в разрабатываемых тренажерах процессов реальным для данного оборудования как в нормальных, так и в аварийных режимах его эксплуатации.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Респу бликанской научно-методической конференции "Методические и технические проблемы использования ТСО в учебном процессе вуза" (г.Сумы, 1989 г.); на Всесоюз ных и международных научно-технических конференциях "Состояние и перспективь развития электротехнологии" (г. Иваново, 1989, 1991 гг.); на Всесоюзных научно-технических совещаниях, проводимых ВНИИАЭС, "Вопросы создания системь подготовки эксплуатационного персонала АЭС" (1989-1992 гг.); на Всесоюзной научно-методической конференции "Использование вычислительной техники в учебноу процессе" (г.Челябинск, 1989 г.); На Российской научно-технической конференшп: "Повышение надежности и маневренности оборудования тепловых и атомных электростанций" (Санкт-Петербург, 1994 г.). Программные разработки внедрены в учебный процесс УТП Калининской и Балаковской АЭС, Костромской ГРЭС, ИГЭУ включены в отраслевой фонд "Программные и методические средства для подготовки персонала электроэнергетики" РАО "ЕЭС РОССИИ".

Публикации. По результатам исследований и разработок опубликовано 12 печатных работ, 5 программных продуктов зарегистрированы в Государственном фонде алгоритмов и программ (ГосФАП).

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список литературы из 107 наименований и приложение. Основной матерна.' изложен на 150 страницах машинописного текста. Работа содержит 30 иллюстрации г 5 таблицы. Общий объем работы составляет 160 страниц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированг цель исследования, указана научная новизна и практическая ценность, а также изло жены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе определены роль и место компьютерных тренажерных обучаюши. систем в процессе подготовки персонала электростанций, а также студентов вузов.

Показана роль эксплуатационного персонала в обеспечении безаварийности, безопасности и надежности работы энергетического оборудования, обоснована необходимость его постоянной подготовки и тренировки.

Анализ опыта эксплуатации ТЭС и АЭС показывает, что более 50% аварий оборудования происходит по вине персонала. Основная причина ошибочных действий -недостаточная квалификация оператора и, как следствие, его психологическая неустойчивость, приводящая к растерянности и стрессовому состоянию при внезапне возникающих аварийных ситуациях. Отсюда вытекает необходимость непрерывно! оперативной подготовки персонала энергопредприятий, начиная с институтской скамьи. Комплексная система непрерывной подготовки персонала схематично показана на рис.1.

Первоочередной задачей подготовки персонала является задача научить его ориентироваться в сложных ситуациях аварийных и переходных режимов. Составным! частями этого умения являются способность мгновенно оценить ситуацию и прогнозировать ее развитие по наблюдаемым параметрам, выявить самые существенные стороны происходящих процессов и найти правильные решения при ликвидации аварийных ситуаций.

[ Руководство УТП ~| I Психологи, медики, методисты, инструкторы, вспомогательный персонал I | Система планирования и контроля качества подготовки персонала]

АОС по энергоблоку на базе ПЭВМ

Рис. ¡.Комплексная система непрерывной подготовки персонала в учебно-тренировочном пункте

В связи со спецификой работы энергетического оборудования (особенно для атомных электростанций), возможности тренировки на действующем оборудовании сильно ограничены. Поэтому процесс подготовки персонала энергопредприятий невозможен без обучения на тренажерах.

Современный этап развития обучающих технологий невозможен без использования компьютерных форм обучения. Применение персональных компьютеров в процессе тренировки персонала дает неоспоримые преимущества по сравнению с тренировками, основанными на применении только полномасштабных тренажеров как с экономической точки зрения:

-стоимость компьютерного класса намного ниже стоимости полномасштабного тренажера;

-потребление энергии системой персональных компьютеров составляет незначительную долю энергии, потребляемой крупными машинами, используемыми в полномасштабных тренажерах,

так и в п*шне повышения качества учебного процесса:

-возможность организации непрерывного и планомерного тренажа без отрыва от производства;

-возможность параллельного обучения и тренировки;

-возможность подбора сценария тренировки индивидуально для каждого обучаемого;

-динамика поведения оборудования может изучаться в любом классе, оснащенном персональными компьютерами.

Сравнительная диаграмма эффективности подготовки персонала, составленная нами по данным внедрения компьютерных обучающих систем на различных электростанциях приведена на рис. 2.

-I - полномасштабный физический -тренажер:

- компьютерная ароматизированная обучающая система на базе ПЭВМ

Рис.2.Экспертная оценке эффективности подготовки персонсыа

На основании литературных источников в работе делается вывод, что хотя работы то созданию компьютерных тренажеров для подготовки персонала энергопредприя-гий ведутся достаточно давно, до сих пор не создано унифицированное проблемно-ориентированное математическое обеспечение, позволяющее интенсифицировать разработки в этой области.

Вторая глава посвящена разработке комплексного подхода к созданию унифицированных математических моделей для компьютерных обучающих систем и тренажеров, применяемых в процессе профессионатьной подготовки кадров в энергетике.

Основное отличие таких моделей заключается в том, что в их основу положен шухуровневый принцип (рис. 3). Нижний уровень составляют математические моде-ш физических процессов и оборудования энергоблока, верхний уровень - педагоги-1еский сценарий развития той или иной эксплуатационной ситуации, с тем чтобы на :аждом шаге обучаемый принимал решения, осуществлял выбор между альтернативными вариантами оперативных действий.

Если алгоритм математических моделей верхнего уровня практически в каждом случае оригинален (он зависит от целей и задач тренировки, требований учебной программы • и преподавателя) и, таким образом, каждый раз должен создаваться по-новому, то при создании моделей нижнего уровня можно использовать унифицированные алгоритмы и сами модели, построенные по определенному принципу.

°ис.З.Принципиальная тренажера

схема компьютерного

В настоящей работе рассматриваются модели нижнего уровня - модели технологического процесса (назовем их - математические модели компьютерных тренажероЕ (ММКТ)).

Указанные модели разрабатываются на основе комплексного подхода, включающего:

1.Методических основ построения математических моделей для тренажеров;

2.Научных требований для создания математических моделей тренажеров;

3.Технических принципов создания математических моделей;

4.Методики определения границ и объема моделирования;

5.Методики оценки адекватности математических моделей

В качестве методической основы создаваемых математических моделей нами приняты три наиболее разработанные концепции профессионального обучения:

1..Алгоритмический метод, разработанный и предложенный А.Г.Чачко. В его основу положено составление некоторого алгоритма профессиональной деятельности различных категорий персонала и перенесение этого алгоритма на структуру учебногс курса. Недостатком этого метода, применительно к энергетике, является то, что однс целое - оперативное мышление - разбивается на ряд отдельных частей (наблюдение, получение информации, анализ, принятие решения, выполнение действий), хотя этот подход вполне применим при подготовке отдельных категорий персонала электростанций.

2.Психологическая концепция П.Я. Гальперина. Здесь, по мнению автора, наиболее убедительно решена задача формирования оперативного мышления. П.Я. Гальпериным был предложен принцип, состоящий в том, что исследование деятельности есть ее конструирование, создание в процессе формирования таких условий, которые обеспечивают полную ориентировку человека в осваиваемой деятельности. Недостатком данной концепции является то, что автор не рассматривает вопросов организации интенсивного обучения, т. е. самоподготовки обучаемых.

3.Концепция интенсивного обучения A.A. Золотарева. Предусматривает проектирование преподавателем такой деятельности обучающихся, при которой качество обучения, определяемое его целью, достигается ценой собственных усилий обучающихся, позволяет организовать эффективный процесс самоподготовки.

На основе синтеза основных положений указанных концепций, цели создания ММКТ для персонала обслуживающего ТМО ТЭС и АЭС можно определить следующим образом:

1.Имитация реальных процессов и элементов оборудования энергоблока, его информационного поля и органов управления.

2.Обучение и тренировка персонала, а также контроль его знаний.

На основе этих целей автором разработаны требования, предъявляемые к математическим моделям тренажеров:

1.Построение математических моделей должно базироваться на основе математического описания физических процессов, происходящих в реальном объекте.

2.Моделирование переходных процессов должно производиться в реальном масштабе времени, не исключая возможности ускорения или замедления процессов при воспроизведении моделируемых процессов на ЭВМ.

3.Моделирование всех реакций оборудования необходимо производить с такой степенью достоверности, чтобы обучаемому трудно было отличить работу модели от работы реального оборудования (включая работу защит и блокировок).

4.Математическая модель должна обеспечивать выполнение задачи из различных исходных состояний, определяемых инструктором (преподавателем).

5.Информация, предоставляемая моделью, должна соответствовать информации, которую имеет оператор БЩУ (включая аварийную сигнализацию, сообщения обходчика и персонала других цехов), а в режиме обучения должна превышать ее за счет разбора ошибок обучаемого и рекомендаций для дальнейших действий.

6.Модель должна удовлетворять требованиям обучения и контроля, т.е. обеспечивать связь с моделью верхнего уровня и обучающей оболочкой.

7.Модель должна быть, по возможности, унифицированной для целого ряда однотипных аппаратов.

8.Модель должна сама настраиваться при ее использовании на ПЭВМ, имеющих различные характеристики.

В работе сформулированы основные принципы построения математических моделей дм обучающих и тренажерных задач:

¡.Модель должна отвечать целям и задачам обучения при помощи данного тренажера.

2.Математическая модель должна быть подобна объекту-оригиналу, т.е. должна описывать лишь интересующие обучаемого его свойства с необходимой точностью, выбор способа моделирования при этом зависит от целей и задач данного тренажера.

3.Модель сложной системы должна строиться из моделей составляющих ее элементов (модульный принцип построения).

4.Модель должна быть открытой (т. е. обеспечивать связь с "'внешней средой" и другими моделями).

5.Математическая модель тренажерной задачи должна строиться по принципу ''минимизации ресурсов".

Границы и объем моделирования технологических процессов определяются исходя из целей и задач конкретного тренажера.

Границы устанавливаются на основании требований к математическим моделям гренажеров, сформулированным выше, и должны учитывать:

-состав и моделируемые режимы работы ТМО;

-состав учебных задач;

-максимальное возможное возмущение, которое может внести обучаемый в рабо-гу математической модели при помощи имитируемых в тренажере органов управле--шя;

Принципы определения объема моделирования технологических процессов можно 1редставить таблицей 2.1.

Таблица 2.1. Объем моделирования технологических процессов

Процессы Объем

Гидродинамические Учет наличия в схеме моделируемых трактов нагреваемой и греющей среды: а)всего состава запорно-регулируюшей арматуры, включая дренажные вентили и воздушники (с целью адекватного управления процессами); б)постоянных и переменных гидравлических сопротивлений, влияющих прежде всего на формирование состояния режима работы оборудования по параметрам, регистрируемым на информационных полях; в)изменения плотностей среды по гидравлическому тракту; г)нивелирных уровней

Массообмена Учет всех массообменных потоков и их направлении в зависимости от режима работы оборудования

Теплообмена Учет нестационарности теплообмена

К определению адекватности математической модели предложено также подходит! с точки зрения режимного подхода (таб. 2.2).

Таблица 2.2.Уровни установления адекватности ММКТ_

Уровень установления адекватности И ММ и параметрической идентификации Режимы работы оборудования

1-й уровень (основной) Нормальные режимы эксплуатации (уставки защит, блокировок, сигнализации не достигаются)

2-й уровень (дополнительный) Режимы работы оборудования при достижении отдельных уставок защит, блокировок, сигнализации

3-й уровень (экспертный) Аварийные режимы работы оборудования

Оценка адекватности ММКТ выполняется в границах нормальных режимов эксплуатации оборудования с привлечением данных: -тепловых испытаний; -гидравлических испытаний; -экспресс-испытаний;

•инструкций по эксплуатации оборудования; -гарантийных характеристик завода-изготовителя; -карты уставок защит, блокировок, сигнализации; -технических характеристик оборудования.

Для режимов нормальной эксплуатации оборудования осуществляется параметри ческая идентификация ММКТ по условиям: -динамики процессов;

-адекватности параметров состояния отдельных единиц оборудования (элементе] технологической схемы);

-степени формализации математического описания отдельных элементов схемы 1 процессов.

Определение адекватности ММКТ за пределами норматьных режимов работы обо рудования затруднено глубокими нарушениями процессов гидродинамики, массооб мена и теплообмена. Оценка адекватности ММКТ в этих случаях возможна путе.1 привлечения дополнительных научно-исследовательских данных, а также путем экс пертного оценивания на базе некоторой статистической гипотезы, построенной, на пример, с привлечением опытных технологов, имеющих большой опыт эксплуаташп данного оборудования.

Для целей обучения физико-технологические свойства модели могут быть описа ны следующими количественными характеристиками:

V - объем моделируемого технологического оборудования объекта - перечень мо делируемых компонентов объекта, с которыми оператор имеет прямые или косвен ные связи.

Е - подробность моделирования - перечень физических процессов, протекаюши в каждом технологическом компоненте.

Л - погрешность воспроизведения моделью технологических параметров, харак теризующих моделируемые процессы.

Применяя характеристики V, Е, Д£, А&, условия адекватности модели объект можно записать в виде следующих соотношений:

1) К, * К; 2 )ЕМ<Е0;

Ъ)тах{\уМ1 - уы\} ¿А,; А)тах{\ум1-уы\} >Л^(Т),

где Ум, Уд - обозначения требуемого и воспроизводимого объектом моделирования: Е, Е0 - обозначения требуемой и воспроизводимой моделью подробности моделирования; Ущ, уд/ - оценка реатьного значения технологического параметра и значение этого же параметра, воспроизводимого моделью для /-го состояния объекта.

Величина допустимой статической погрешности устанавливается в размере (1-3)% номинального значения параметра.

Величина допустимой динамической погрешности варьируется в очень широких пределах (5 - 60%), а в некоторых стандартах не регламентируется.

По мнению автора, объективную оценку адекватности динамических характеристик реального объекта и его математической модели можно получить также методом экспертного оценивания. В этом случае критерием адекватности может служить следующая формула: отсутствие визуальных различий между управлением имитируемых на тренажере оборудованием и его реальным прототипом.

Во второй главе рассмотрены также вопросы построения компьютерных обучающих комплексов с точки зрения использования в них тренажеров.

Укрупненно, учебный курс можно разбить на три основные этапа.

¡.Теоретическая подготовка.

Основу данного этапа составляет компьютерное учебное пособие (КУП). КУП предназначено для общетеоретической подготовки обучаемых, а также для изучения конструкции и схем включения оборудования. Оно представляет собой информационно-обучающую иерархическую структуру изложения учебного материала с элементами текущего контроля. Изложение материала в компьютерном учебном пособии, основанном на использовании системы ключевых слов и активных полей, позволяет связаться с любыми другими обучающими модулями. Использование КУП - прогрессивный и удобный способ для планомерного усвоения большого количества информации. Возможный вариант построения компьютерного учебного пособия приведен на рис. 4.

Рис. 4.Варианты методического построения компьютерного учебного пособия

На этом этапе могут быть использованы тренажеры основных принципов (ТОП) -компьютерная лабораторная работа.

ТОП выполняется на базе математической модели и предназначен для закрепления теоретических знаний и формирования комплексных первичных навыков по обслуживанию оборудования тепловой схемы блока в различных режимах работы и упраатения им.

2.Обучение ведению режимов эксплуатации (этап тренажерной подготовки).

Данный уровень предполагает формирование у обучаемых навыков конкретных действий по. ведению нормальных, переходных и аварийных режимов эксплуатации конкретного оборудования энергоблока.

Основу данного этапа составляют функционально-аналитические тренажеры (ФАТ). В отличие от ТОП, который предназначен для отработки первичных оперативных навыков и не привязан (как правило) к конкретному оборудованию, ФАТ строится на основании математической модели реального оборудования и отражает реальные особенности упраатения им.

3.Контроль знаний.

Контроль усвоения теоретических знаний производится на базе различных экспертных систем (вопросников), а контроль практических навыков оперативной работы осушестатяется на основе тренажерах задач.

Таким образом, все формы, методы, этапы профессиональной подготовки в энергетике на базе компьютерных систем предполагают возможность и необходимость применения динамических задач, функционирующих на базе математических моделей реального оборудования электростанции.

В работе предложена следующая организация подготовки персонала с применением тренажеров:

-после теоретического курса осушестатяется практическое освоение навыков работы с оборудованием на тренажерах основных принципов, что позволяет наглядно увидеть принципиальные основы работы оборудования энергоблока, а также освоить основные принципы управления им;

-следующий этап - изучение эксплуатации конкретного энергоблока в нормальных и аварийных ситуациях, где в качестве тренажерной базы используются функционально-аналитические тренажеры по конкретному оборудованию;

-заключительный этап - отработка обучаемыми оперативных навыков на полномасштабных тренажерах в составе оперативной смены.

Такая организация применения тренажеров в процессе подготовки персонала обеспечивает формирование необходимых операторских навыков при эффективном использовании различных типов тренажеров на разных стадиях подготовки и подтверждается работами специалистов США и других стран.

Третья глава посвяшена разработке унифицированных динамических имитационных моделей ТМО для тренажерных задач.

Предлагаемые математические модели создавались на основе комплексного подхода, описанного выше. Они представляют собой конгломерат математических уравнений, описывающих технологические процессы, и логических структур, позволяющих изменять режимные, динамические, методических, обучающих и контролирующих характеристики модели в зависимости от целей и задач обучения на данном тренажере (рис. 5).

—I Математическая модель элемента тепловой схемы для тренажера

Рис.5.Укрупненная структура состава математической модели для компьютерногс функционально-аналитического тренажера

Этапы создания ММКТ можно представить следующим образом'. -постановка задачи;

-анализ теоретических основ процессов, происходящих в моделируемом оборудовании;

-анализ целей и задач обучения на данном тренажере;

-составление структуры математической модели в виде совокупности подсистеи-(блоков);

-составление математической модели для каждого блока;

-составление ачгоритма расчета;

-параметрическая идентификация модели;

-проверка адекватности модели;

-моделирование процесса на ЭВМ;

-экспертная оценка полученной математической модели.

Для упрощения и сокращения длительности процесса создания математических моделей для тренажеров автором разработана библиотека унифицированных математических моделей ТМО электростанции. В состав ее входят:

1.Модели поверхностных подогревателей.

2.Модель смешивающего подогревателя.

3.Модель конденсатора.

4.Модели различных типов запорной и регулирующей арматуры.

5.Модели насосов, эжекторов, тяго-дутьевых механизмов.

6.Комплексная модель управления запорно-регулируюшей арматурой.

7.Модель сепаратора (для влажно-паровых установок).

8.Модель работы аварийной сигнализации.

9. Модель работы защит и блокировок.

10.Модели гидравлических сетей.

Все перечисленные модели, в свою очередь, созданы на основе еще более элементарных унифицированных математических моделей, также входящих в библиотеку, и. таким образом, могут быть легко дополнены и модифицированы.

Основные особенности разработанных имитационных математических моделей, входящих в библиотек^', следующие:

1.Модели ориентированы на применение в учебном процессе.

Они собирают информацию об ошибках, допущенных обучаемым в процессе тренировки, обрабатывают и накапливают ее для последующего использования моделью верхнего уровня с целью оценки действий обучаемого.

2. Модели ориентированы для применения в тренажерах.

Они построены по принципу минимизации ресурсов, т.е. используют минимум ресурсов ЭВМ по памяти и времени, сохраняя при этом достаточную степень адекватности с реальными процессами и предоставляя всю полноту информации о моделируемом процессе. Запуск моделей возможен из любого исходного состояния как в режиме реального времени, так и в замедленном/ускоренном режимах. Модели предусматривают возможность отката (возврата назад) и заморозки (паузы), работу в различных режимах контроля и обучения.

3.Модели предоставляют разработчику возможность быстрого и качественного создания тренажерных задач различной степени сложности и назначения.

Это достигается:

а)унифицированностью разработанных моделей;

б)полнотой библиотеки моделей, включающей в себя модели практически всех основных элементов тепловой схемы электростанции, а также модели процессов управления и контроля параметров работы оборудования;

в)легкостью связи отдельных моделей между собой благодаря наличию в библиотеке типовой моделей разветвленных гидравлических сетей.

Используемый метод моделирования технологических процессов; исходя из разработанных требований; определяется кругом решаемых в тренажере задач. Например, модель сепаратора, в большинстве случаев, достаточно представить как "черный яшик" и описать уравнением

0сп=0(1-т]спу), (1)

где С? - расход пара на сепаратор; Осп - расход пара за сепаратором; Т]сп - КПД сепаратора, определяемый эмпирически; у - влажность пара перед сепаратором.

Модель поверхностного теплообменника построена на основе уравнений материального и теплового балансов, а также количества движения для потока рабочего тела:

х !

й{УРс) / (Н = - | (56 / 5 х)йх = - <?,; (2)

х I -1

* I х I

с1(Ур скс) / сИ = - | [8(в Н) / Ьх]йх + (5 е / Ъх)йх =

* 1-1

= с,.,*,., - + (3)

сЦС ¡Ах}) / сИ = Р - р,) - Т, (4)

где ви и Gj - расходы рабочего тела на границах участка; д^=3()/3х - количество теплоты, передаваемой за единицу времени рабочему телу внутренней поверхностью трубы единичной длины; И - энтальпия; I - время; Т - сила гидравлического сопротивления движению.

Для решения дифференциальных уравнений использовался метод Рунге-Кутга-Фельдберга с автоматическим выбором шага расчета.

В четвертой главе описан опыт создания тренажерных обучающих систем на примере компьютерного обучающего комплекса "Конденсационная установка блока 300 МВт", созданного по заказу Костромской ГРЭС при участии автора и введенного в эксплуатацию в УТП этой станции.

Комплекс компьютерных обучающих, контролирующих и тренажерных программ ■'Конденсационная установка энергоблока 300 МВт" предназначен для подготовки эперативного персонала ТЭС по следующим должностям: -обходчик турбины (MOTO); -машинист энергоблока (МЭБ); -старший машинист энергоблока (СМБ); -начальник смены котло-турбинного цеха (НС КТЦ).

Первая часть комплекса программ содержит краткие сведения о назначении, принципе действия, устройстве поверхностного конденсатора и влиянии контролируемых параметров конденсационной установки на эффективность работы паротур-Зиннои установки в целом. Эта часть представляет собой компьютерное пособие, шеющее многоуровневую иерархическую структуру и модульный принцип построе--шя.

В состав данной части входят следующие самостоятельные разделы, объединенные ->бщим меню:

-назначение и принцип работы; -вакуум в конденсаторе; -переохлаждение конденсата; -устройство конденсатора; -шарикоочистка конденсатора; -контрольные вопросы.

Вторая часть комплекса направлена на изучение структуры оперативных схем сонденсационной установки путем постепенного трансформирования принципиаль-юй схемы в оперативную при одновременном изучении назначения каждого нового элемента схемы и типового построения, обвязки элемента схемы.

В состав данной части входят аедующие самостоятельные разделы, объединенные ющим меню:

-принципиальная схема энергетического блока; -оперативная схема тракта основного конденсата; -оперативная схема эжектируюшей установки; -оперативная схема циркуляционного водоснабжения. Каждый раздел выполнен в двух независимых вариантах:

а)в информационно-обучающем виде без контроля знаний;

б)в виде диалогового контроля знаний с получением итоговой оценки.

При изучении оперативных схем путем последовательного трансформирования [ринципиальной схемы в оперативную преследуются следующие цели обучения-.

а)показать отличие оперативной схемы от принципиальной;

б)научить обучаемого правильно, поэлементно, "читать" оперативную схему и в е состоянии видеть режим работы оборудования;

в)показать назначение и место каждого элемента схемы в общем технологическом роиессе;

г)показать типовую (обязательную) обвязку элементов схемы (насос, подогрева-ель, фильтр, регулирующий клапан и т.п.);

д)обосновать типовое размещение первичных датчиков контрольно-измерительных приборов;

е) научить правильной эксплуатационной терминологии.

Материал данного раздела можно изучать последовательно, выборочно или по заданию инструктора.

Третья часть комплекса выполнена в виде функционально-аналитического компьютерного тренажера "Обслуживание схемы регенерации низкого давления со смешивающим ПНД турбоустановки К-300-240 ЛМЗ".

Рис.6. Основной экран аналитического тренажера

Компьютерный тренажер позволяет получить теоретические навыки по управле нию конденсационной установкой и оборудованием системы регенерации низкоп даатения как составной части единого технологического процесса обслуживания тех нологической установки. Обучающая часть тренажера представлена комплексов учебных задач по типовым операциям, наиболее характерным и часто ветре чающимся при оперативном обслуживании данного оборудования паротурбинно] установки.

Учебно-тренировочные задачи, реализуемые на тренажере, предполагают достп жение следующих целей:

-отработку основных навыков управления технологическим процессом;

-выявление закономерностей работы отдельных узлов и элементов схемы основ ного конденсата при различных режимах работы энергоблока:

-распознавание аварийных ситуаций и принятие правильных решений для их ло кализации.

Направленность учебно-тренировочных задач, реализуемых на компьютерном тре нажере:

¡.Ознакомление с принципами управления элементами тренажера и общими во просами эксплуатации схемы основного конденсата.

2.Контроль работы оборудования схемы при изменении нагрузки энергоблока автоматическом режиме.

3.Управление режимом работы схемы при изменении нагрузки энергоблока в аЕ тематическом режиме.

4.Управление режимом работы турбины и элементами схемы основного конден-эта при изменении паропроизводительности котла.

5.Организация переключений по насосному оборудованию.

6.Отработка действий машиниста энергоблока при ликвидации типовых аварий-ых ситуаций.

Динамика моделируемых процессов, внешнее оформление рабочего места, пане-ей управления и сигнализации максимально возможно имитируют рабочее место ператора по данному составу оборудования.

Взаимосвязь оператора с тренажером приближена к реальной и включает: -"вращение" переключателей; -"нажатие" кнопок; •

-набор кода при избирательном управлении арматурой или насосами; -обращение с оперативной связью;

-"загорание ламп" при сборке электросхем привода электрифицированной арма-уры или электровыключателей механизмов;

-"загорание световых табло" при отклонении контролируемых параметров от норы пли отключениях турбины, котла, энергоблока;

-переход с одного видеофрагмента на другой, имитирующий перевод взгляда опе-атора с одной панели на другую;

-обращение к сервисным программам, имитирующим обращение оператора к со-тветствующей документации на рабочем месте или другому оперативному лицу.

Методически сценарии учебных задач (тренировок) построены таким образом, то требуют от обучаемого безошибочных действий и четкой последовательности вы-олнения операций на каждом этапе поставленной задачи. Ошибочные действия омментируются, а ошибки суммируются и заносятся в итоговый протокол. В случае зубых или систематических ошибок тренировка прекращается, так как считается, то обучаемый к решению поставленной задачи не готов.

Цель обучения с помощью данного тренажера - это не только обучение основам пра-'.иьного выполнения оперативных переключений, но и соблюдение эксплуатационной дис-иплины в сочетании с умением взаимодействовать с персоналом смены.

Комплекс компьютерных программ сопровождается методическими указаниями, осящими рекомендательный характер, по применению составных частей комплекса учебном процессе подготовки оперативного персонала ТЭС.

Данный комплекс компьютерных программ используется при подготовке студен-эв и учащихся энергетических специальностей по соответствующим профилю дис-иплинам и отдельным разделам учебных дисциплин.

Обучающий комплекс был внедрен в УТП Костромской ГРЭС, на факультете по-ышения квалификации ИГЭУ, включен в отраслевой фонд "Программные и мето-пческие средства для подготовки персонала электроэнергетики" АО "ЕЭС РОС-ИИ", где получил высокие оценки как по качеству предлагаемой информации, так по методике ее представления.

Точность и полнота моделирования соответствуют требованиям, предъявляемым моделям данного класса. Статическая погрешность по основным показателям не ревышает 1,5% (рис.7). Динамическая точность и полнота моделирования также яв-иотся удовлетворительными, что подтверждается отзывами опытных технологов остромской ГРЭС, проводивших экспертизу.

0.05 Р„ кгс/слг V.х »¡¡/ч ц,-12С

0.04

0.03

ОкТ,

400 500 600 Вакуум в конденсаторе

230 210

Ро кгс/см2 Условие:

/

/

/ Со 1

500 700

Температура питательной воды

400 600 800

Давление острого пара

Рис.7. Сравнение моделируемых и реальных параметров работы блока

- • данные эксплуатации

..........данные расчета

Заключение

В работе рассмотрены вопросы создания унифицированных имитационных ма тематических моделей для компьютерных тренажерных и обучающих задач приме няемых для подготовки персонала в энергетике.

В процессе исследования получены следующие научные и практические результг

ты:

1.На основе анализа существующих методов создания математических моделе тренажеров предложен комплексный подход к созданию унифицированных матемг тических моделей энергетического оборудования, применяемых в процессе компыс теризированной подготовки и тренажа персонала электростанций. Он включает в се бя методические и научные принципы создания математических моделей, требовани к ним, способы оценки границ и объема моделирования, методы оценки адекват ности моделей.

2.Разработку математического обеспечения компьютерных тренажеров предлс жено проводить на основе принципа минимизации ресурсов ПЭВМ, включающем: -использование моделей требуемой точности и полноты; -применение режимного подхода к моделированию;

-создание технологических программных систем характеризуемых изменяемо структурой, модульностью, применением методов эквивалентирования, агрегатировэ

ния и декомпозиции, самонастраиваемостью к различным типам машин и переменным шагом расчета.

3.Создана библиотека унифицированных математических моделей ТМО, обеспечивающая минимальные трудозатраты при разработке имитационных моделей для тренажерно-обучающих компьютерных задач.

4.Создан и внедрен широкий набор обучающе-тренажерных программ для компьютеризированной подготовки персонала тепловых и атомных станций' а также студентов вузов. В их числе можно отметить следующие:

-обучающий комплекс "Конденсационная установка энергоблока 300 Мвт"; -функционально-аналитический тренажер "Эксплуатация энергоблока 300 МВт."

-обучающий комплекс "СПП-1000";

-функционально-аналитический тренажер "Турбоустановка К-1000-60/1500"; -обучающий комплекс "Маслосистема турбины К-1000"; -обучающий комплекс "Система регулирования турбины К-1000", а также ряд других задач.

5.Разработан набор учебных задач для отработки оперативных действий в штатных и аварийных режимах эксплуатации энергоблоков 300 Мвт ТЭС и 1000 Мвт АЭС темам:

-обслуживание насосов турбоустановки К-300-240; -обслуживание системы регенерации турбоустановки К-300-240; -обслуживание системы питания турбоустановки К-300-240; -обслуживание конденсатора турбоустановки К-300-240; -обслуживание сепаратора-пароперегревателя турбоустановки К-1000-60/1500-2;

-обслуживание маслосистемы турбоустановки К-1000-60/1500-2; -обслуживание системы регулирования турбоустановки К-1000-60/1500-2.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1.Каекин B.C., Рабенко B.C., Виноградов A.JI. Обучающий программный комплекс "Назначение и принципы работы сепараторов-пароперегревателей(СПП) тур-юустановок АЭС" (комплекс программных средств) / ГосФАП, N'50910000137, 1989.

2.Каекин B.C., Рабенко B.C., Виноградов А.Л. Обучающая программа Эксплуатация сепараторов-пароперегревателей(СПП) турбоустановок АЭС" / ГосФАП, N'509.1000.0138, 1989.

3.Каекин B.C., Рабенко B.C., Виноградов А.Л. Обучающая программа Назначение сепараторов пароперегревателей (СПП) турбоустановок АЭС" / Гос-Е>АП, N'509.1000.0139, 1989.

4.Каекин B.C., Рабенко B.C., Виноградов А.Л. Обучающая программа Эксплуатация турбоустановки К-1000-60/1500-2" / ГосФАП, N'509.1000.0140, 1989.

5.Каекин B.C., Рабенко B.C., Виноградов А.Л. Обучающая программа Дроссельное парораспределение турбин" / ГосФАП, N'509.1000.0141, 1989.

6.Рабенко B.C., Виноградов А.Л. Компьютерный тренажер "Эксплуатация турбо-:тановки К-1000-60/1500-2" // Современное состояние, проблемы и перспективы нергетики и технологии в энергостроении: Тез. докл. Рсесоюз. науч.-техн. конф. "IV енардосовские чтения". В 2 т. / Иван, энерг. ин-т. - 1989.

7.Рабенко B.C., Виноградов А.Л. Автоматизированная обучающая система Эксплуатация турбоустановки К-1000-60/1500-2" // Методические и технические

проблемы использования TCO в учебном процессе вуза: Тез. докл. Респ. науч.-метод, конф. / Сумский филиал Харьк. политехи, ин-та. - г.Сумы, 1989.

8.Рабенко B.C., Виноградов A.J1., Солдатов И.М. . Автоматизированная обучающая система "Эксплуатация турбоустановки К-1000-60/1500-2" // Вопросы создания системы подготовки эксплуатационного персонала АЭС. и обеспечения ее полномасштабными тренажерами и специальными техническими средствами: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. совещ. / Нововоронежский УТЦ, ВНИИАЭС. - г.Нововоронеж, 1989.

9.Каекин B.C., Рабенко B.C., Виноградов А.Л. Компьютерные тренажеры лабораторного практикума // Использование вычислительной техники в учебном процессе:

Тез. докл. науч.-практ. семинара / Челяб. гос. ун-т. - Челябинск, 1989.

Ю.Каекин B.C., Рабенко B.C., Виноградов A.JI., Автоматизированная обучающая система "СПП-1000" для УТП АЭС // Актуальные проблемы подготовки персонала АЭС: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. совещ / Смоленский УТЦ, ВНИИАЭС. -г.Десногорск, 1991.

П.Каекин B.C., Рабенко B.C., Виноградов A.JI. Автоматизированная обучающая система "Сепаратор-пароперегреватель" // Состояние и перспективы электротехнологии: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. "V Бенардосовские чтения" / Иван, энерг. ин-т. - Иваново, 1991.

12.Каекин B.C., Рабенко B.C., Шошин В.Г., Виноградов A.JI., Программная оболочка для создания автоматизированных обучающих систем // Актуальные проблемы подготовки персонала АЭС: Тез. докл. IV Всесоюз. науч.-техн. совещ. / Нововоронежская АЭС, ВНИИАЭС. - г.Нововоронеж, 1992.

П.Каекин B.C., Коротков В.Ф., Никологорский В.В., Фомичев A.A., ВиноградоЕ А.Л., Степанов В.Ф. О подходе к автоматизации проектирования тренажеров // Повышение надежности и маневренности оборудования тепловых и атомных электростанций: Тез. докл. науч.-техн. конф. / Санкт-Пербург. гос. техн. ун-т. - Спб., 1994.

14.Каекин B.C., Коротков В.Ф., Рабенко B.C., Никологорский В.В., ВиноградоЕ А.Л., Степанов В.Ф., Фомичев A.A. Программно-методический комплекс автоматизированных обучающих систем // Компьютерные технологии в высшем образовании Тез. докл. Респ. науч.-техн. конф. / Санкт-Пербург. ин-т точной механики и оптики - Спб., 1994.

15.Рабенко B.C., Поспелов A.A., Щебнев B.C., Виноградов А.Л. Компьютерны« тренажеры для подготовки персонала энергопредприятий // Тр. ИГЭУ. Вып. 1 С. ЮОн-105. - Иваново, 1997.

16.Рабенко B.C., Поспелов A.A., Щебнев B.C., Виноградов А.Л. Определение границ и объема модели компьютерного тренажера для подготовки оперативного персонала энергопредприятий // Тр. ИГЭУ. Вып. 1. С.105-^107. - Иваново, 1997.

17.Рабенко B.C., Виноградов А.Л., Сухов М.Н. Имитационные математические модели компьютерного тренажера для подготовки оперативного персонала энергопредприятий // Тр. ИГЭУ. Вып. 1. С.107-й 11. - Иваново, 1997.