автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез оптимального по минимуму расхода топлива алгоритма управления паровым котлом

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ВЫРАБОТКИ ПАРА

1.1. Обзор оборудования, используемого на тепловых станциях, для выработки пара

1.2. Анализ технологии выработки пара на ТЭЦ

1.3. Постановка задачи автоматизированного управления процессом выработки пара

Выводы.

2. АНАЛИЗ СПОСОБОВ СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ МНОГОСВЯЗНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

2.1. Анализ методов синтеза сложных многосвязных систем, моделирование физических процессов, проходящих на тепловых станциях, на этапе выработки пара

2.2. Топологический метод синтеза сложных систем.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ВЫРАБОТКИ ПАРА КОТЛОМ БКЗ-320-140 ПТ

3.1. Разработка топологической модели объекта.

3.2. Структурная идентификация процесса выработки пара.

3.3. Получение математической модели процесса выработки пара

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОГО АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫРАБОТКИ ПАРА.

4.1. Обоснование выбора метода оптимального управления процессом выработки пара

4.2. Выбор закона управления.

4.3. Разработка оптимального алгоритма управления.

Выводы.

5. АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОТЛОМ БКЗ-320-140 ПТ

5.1. Технические средства АСУТП в энергетике

5.2. Принципы построения адаптивной автоматизированной системы управления процессом выработки пара.

5.3. Организация оптимального управления тепловой станцией.

Выводы.

Актуальность работы. Основным оборудованием, вырабатывающим епловую энергию в промышленных и отопительных котельных, являются паровые : водогрейные котлы, и одной из главных задач при выработке тепловой энергии вляется экономия всех видов топлива.

Рациональное и безопасное сжигание топлива в котлах, в первую очередь, ависит от профессиональных знаний обслуживающего персонала, от грамотной и безопасной эксплуатации котлов и котельного оборудования.

При правильной эксплуатации котельных установок можно обеспечить бесперебойную и экономичную работу котлов и оборудования, уменьшить расходы [а их ремонт, сэкономить топливо.

Трудоемкие процессы, связанные с производством и распределением тепловой [ электрической энергии на современных энергетических станциях, в основном юханизированы, и труд человека состоит в том, чтобы управлять машинами, 1еханизмами и установками (перемещать регулирующие органы, включать и ыключать оборудование и т.п.) и наблюдать за их работой непосредственно или по [змерительным приборам.

Однако механизация, даже полная, круглосуточно работающего нергетического оборудования не избавляет человека от утомительного и однообразного труда по управлению основными и вспомогательными установками нергетических станций, а, что самое главное, не гарантирует их надежной и кономичной работы даже при высокой квалификации эксплуатационного [ерсонала. Это обусловило большое развитие автоматизации в современной нергетике. Теплоэнергетика, отличающаяся широкой механизацией ехнологических процессов, высокими параметрами рабочей среды, требованиями к очности их регулирования, а также наличием собственного источника энергии, вляется той областью науки и техники, где постоянно находят приложение методы еории и новые технические средства автоматического управления.

Попытки решить новые задачи по управлению с помощью существующего :омплекса традиционных и всеобъемлющих, но разрозненных технических средств •есперспективны. В настоящее время происходит бурное развитие производства лектронно-вычислительных машин. Особенно перспективны ЭВМ, риспособленные для сбора и переработке информации о работе промышленных бъектов. С помощью таких ЭВМ возможно решение задач по управлению и выдаче езультатов в виде советов оператору или сигналов-команд исполнительным стройствам, расположенным на объекте. Таким образом, часть функций по правлению и контролю сложными технологическими процессами, довольно начительная по объему, передается ЭВМ, в том числе: массовый контроль и игнализация, расчет численных значений технико-экономических показателей тдельных агрегатов и ТЭЦ в целом, оптимизация некоторых режимов работы борудования и др.

Наряду с ЭВМ продолжают широко использоваться системы индивидуального онтроля важнейших параметров, АСР отдельных участков технологического роцесса ТЭЦ, автономные системы дистанционного управления и автоматической епловой защиты энергетического оборудования.

В результате на тепловых электростанциях сложились следующие втоматизированные системы управления технологическими процессами в паровом отле:

1. Регулирование процессов горения и парообразования:

- регулирование давления перегретого пара Рп п и тепловой нагрузки п;

- регулирование избытка воздуха в топке (содержания СЬ, %) за пароперегревателем, влияющего на экономичность процесса горения;

- регулирование разрежения в верхней части топки 8Т.

2. Регулирование перегрева пара.

3. Регулирование питания паровых котлов.

4. Регулирование непрерывной продувки и расхода корректирующих добавок шловой воды.

До сих пор автоматизация теплоэнергетических установок шла по пути оздания отдельных контуров управления, в то время как такой объект управления, :ак паровой котел, является многоконтурным и многосвязным. Автономные локальные) АСР парового котла выполняют непрерывное и достаточно :ачественное регулирование отдельных технологических процессов, т.е. решают астные задачи оптимизации, но не предназначены для решения задач оптимизации >аботы парового котла в целом, не говоря уже об оптимизации работы в целом всей эц.

Цель диссертационной работы. К основным задачам диссертационной >аботы относятся:

- исследование процесса выработки пара котлом как объекта управления;

- постановка задачи синтеза системы управления процессом выработки пара паровым котлом;

- разработка топологической модели объекта управления - котла;

- решение задачи структурной идентификации модели объекта управления с помощью теории С-графов;

- решение задачи параметрической идентификации модели объекта управления методом регрессионного анализа (разработка математической модели котла в стационарном режиме);

- обоснование оптимального алгоритма управления котлом;

- разработка алгоритма оптимального управления котлом по минимуму расхода топлива на единицу выработанного и отданного потребителям пара, при работе в определенном режиме и ограничениях на управление;

- разработка принципа адаптивного управления котлом.

Методы исследования. В процессе синтеза оптимального алгоритма 'правления паровым котлом использовались методы теории систем многосвязного 'правления, методы теории графов, матричного исчисления, методы »егрессионного анализа, симплекс-метод.

Результаты работы получены с помощью программного пакета Matlab 5.2 и гакета прикладных программ "Синтез", предназначенного для автоматизированного фоектирования в аналитическом виде систем управления топологическим методом, 'асчёт коэффициентов модели, и поиск оптимальных решений производились с юмощыо программы Excel из пакета программ Microsoft Office.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- процесс выработки пара предлагается рассматривать как многосвязный объект управления;

- в постановке задачи синтеза системы управления процессом выработки пара барабанным котлом;

- в использовании топологических методов при структурной идентификации работы котла;

- в разработке математической модели котла в стационарном режиме;

- в разработке регрессионной модели технологического процесса выработки пара;

- в разработке оптимального алгоритма управления котлом по минимуму расхода топлива на единицу выработанного и отданного потребителям пара, при работе в определенном режиме и ограничениях на управление;

- метод реализации оптимального алгоритма управления котлом по минимуму расхода топлива на единицу выработанного и отданного потребителям пара;

- проведенные исследования служат основой для организации на базе существующего оборудования системы адаптивного автоматизированного управления котлом. Этот этап исследования является начальным в осуществлении многоуровневого оптимального управления теплоэнергетическим хозяйством в целом.

Достоверность результатов диссертации основывается на использовании общепризнанных теоретических аппаратов исследования. Результаты, полученные в ;иссертационной работе, и сформулированные выводы находятся в соответствии с огикой физических рассуждений.

Практическая ценность. Исследования выполнялись в рамках госбюджетной ематики "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления 1ногосвязнь1ми объектами" (КОД ГРНТР1 271919), выполняемой Братским осударственным техническим университетом по направлению "Теория, методы и редства автоматизации систем переработки информации и управления".

Результаты диссертационной работы позволили оценить возможность 'рганизации оптимального управления технологическими процессами :ротекаюгцими на тепловых энергетических станциях, с дальнейшей реализацией лгоритма управления на АСУ ТП внедряемых на ТЭЦ-6.

Настоящие исследования служат основой для дальнейшего развития шогосвязной системы управления процессом выработки пара и позволят вести >птимальное управление процессом по другим критериям оптимальности или в ругих режимах. С увеличением информации об объекте управления, существует озможность выбора другого канала управления для реализации оптимального правления котлом.

Полученные результаты могут использоваться для создания системы втоматизированного проектирования (САПР) систем регулирования и управления [аровым котлом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-ехнических конференциях Братского государственного технического университета 19 научно-техническая конференция — Братск, 1998; 20 - Братск, 1999) и на [аучно-практической конференции Иркутскэнерго (Иркутск, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 татьи, 4 тезиса докладов.

В первой главе дан анализ способов выработки пара и сформулирована задача втоматизированного оптимального управления процессом выработки пара по ■ыбранным критериям.

Во второй главе проведен анализ способов синтеза систем управления ложными многосвязными объектами

В третьей главе разрабатывается математическая модель процесса выработки [ара барабанным котлом.

Для выявления взаимосвязей параметров котла был проведен ряд кспериментов, учтен опыт работы групп ПТО на ТЭЦ-6, проработан большой >бъем технологической литературы.

Получены модели: ) Вт=0.0435*02(л)+0.0587*02(п)+1 .313*Dn п+0.0987*Р„ п rnn-0.00162*GB :) Тмцп=0.581 *ТП]]-0.00281 *DW]p(pTn-i)-0.0139*DBnp(pTn-2)+

0.13 3 *DBnp(p [■■n-3)-0.0644*DBnp(PTn-4)+0*JD впр(аварийный)

0.127¥ТП,допо(1сгт1)+0.14îi:T1I допо(1ст т2)+0-122*Тп допо(1сттЗ)+0-124^Тп допо(1стт4) ) 02=0.000919*GB+0.274*BT+0.0157*Pn.n.rnn-0.713*Dn.n D1; ,,=0.00139*G[r0.00293*Gn В-0.0414*ТП В+0.00588*РП в+0.0678*Вт-1.0*Q„ п Тп п= -25.329*ВТ+4.2*Р„ пл nn+4.19*DnЛ1-0.0199*Gn.B

В четвертой главе разработан алгоритм оптимального управления котлом и обоснован выбор метода оптимального управления процессом выработки пара. Считывая характер процесса выработки пара, где контроль некоторых ехнологических параметров и выдача управляющих воздействий на объект [роизводится дискретно, в качестве математического аппарата для алгоритма оптимального управления был выбран симплекс-метод.

Вычисления проводились при помощи программного продукта Microsoft Excel, ходящего в программный пакет Microsoft Office.

В диссертационной работе предложена концепция универсального алгоритма оптимального управления, которая позволяет разработать на базе существующего [рограммного обеспечения и приведенных алгоритмов оптимального управления, истему автоматического проектирования(САПР) систем управления паровыми :отлами.

В пятой главе разработана структура адаптивной автоматизированной истемы управления паровым барабанным котлом. Были рассмотрены современные ехнические средства АСУТП, проведен анализ измерений технологических [араметров. Эти исследования определяют структуру автоматизированной системы •правления.

Структура адаптивной автоматизированной системы управления процессом :ыработки пара основана на изучении структуры объекта управления, методе юлучения математических моделей расхода топлива, избытка кислорода, 9 емпературы перегретого пара, количества вырабатываемого пара, температуры геталла пароперегревателя, и определении экстремумов в задаче с ехнологическими ограничениями по поиску оптимального решения.

Изложенные принципы управления котлом могут послужить основой для 'рганизации оптимального управления котло-турбинным цехом, при условии их дльнейшего развития. Этому способствует техническая организация АСУ ТП.

125 Выводы:

1. Из обзора средств АСУТП, применяемых на тепловых станциях видно, что измерение технологических параметров производится с достаточной точностью для внедрения алгоритмов управления процессами, протекающими на тепловых станциях. Достоинством современных измеряющих средств АСУТП является направленность их на совместное использование с ЭВМ.

2. Наличие необходимых средств АСУТП при разработке алгоритмов по адаптивному управлению позволяет создать адаптивную автоматизированную систему управления процессами, протекающими в паровых котлах. Приведён обобщённый алгоритм работы такой системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Определены цели автоматизированного управления паровым котлом.

2. В результате проведенных исследований на ТЭЦ-6, на котле БКЗ-320-140 ПТ, были определены необходимые для процесса синтеза системы управления технологические параметры.

3. На основе предложенного топологического метода разработан С-граф процесса выработки пара, получена матрица системы, характеризующая зависимости технологических параметров. Решена задача структурной идентификации зависимостей расхода топлива, количества кислорода за пароперегревателем, расхода перегретого пара, температуры перегретого пара и температуры металла пароперегревателя.

4. Методом наименьших квадратов найдены регрессионные коэффициенты полученной модели, т.е. решена задача параметрической идентификации зависимостей расхода топлива, количества кислорода за пароперегревателем, расхода перегретого пара, температуры перегретого пара и температуры металла пароперегревателя.

5. Разработан оптимальный алгоритм управления по минимуму расхода топлива при минимальных излишках выработанного пара, с учетом существующих ограничений на технологические параметры.

6. Для нескольких стационарных режимов рассчитаны оптимальные значения технологических параметров.

7. На базе алгоритма оптимального управления разработана схема адаптивной автоматизированной системы управления паровым барабанным котлом БКЗ-320-140 ПТ.

1. Алпатов Ю. Н., Большаков Ф. Г., Крутилин Д. А. Графический ввод в компьютер С-графа.//Труды Братск, госуд. индустр. ин-та: Материалы XX научно-техн. конференции. В 2 т.: Братск: БрИИ, 1999 Т.1. - с.127.

2. Алпатов Ю. Н., Большаков Ф. Г., Крутилин Д. А. Разработка алгоритма понижения порядка матричного уравнения. Братск, 1999. - 7 с. Рукопись представлена Братск, индустр. ин-том. Деп. в ВИНИТИ 21 июня 1999, № 1993-В99.

3. Алпатов Ю. Н., Большаков Ф. Г., Крутилин Д. А. Разработка программы графического ввода в компьютер С-графа. Братск, 1999.6 с. Рукопись представлена Братск, индустр. ин-том. Деп. в ВИНИТИ 21 июня 1999, № 1994-В99.

4. Алпатов. Ю.Н Синтез систем управления методом структурных графов. Иркутск,Изд-во Иркут.ун-та, 1988 . -144с.

5. Большаков Ф. Г., Крутилин Д. А. Вычисление определителя матрицы в символьном виде.//Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XIX научно-техн. конференции. Братск: БрИИ, 1998. с. 63-64.

6. Быков Ю.М. Основы обработки информации в АСУ химических производств: Теория и расчет информационных подсистем. П.: Химия, 1986. - 152 с.

7. М.Вавилов А.А.,Имаев Д.Х.,Родионов В.Д. и др. Машинные методы расчета систем автоматического управления. Л.:ЛЭТИ, 1978. - 114 с.

8. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. 2-е изд., перераб. М.:Энергия, 1980.- 312 с.

9. Зубов В.И. Теория оптимального управления. П.: Судостроение., 1966, 351 с.п.Ильинский Н.Ф.,Цаценкин В.К. Приложение теории графов к задачам электромеханики. М.: Энергия, 1968. -232 с.

10. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управленияв пространстве состояний. М.: Наука, 1975, 432 с.

11. Калман Р., Фалб.П., Арбиб. М, Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971. 400 с.

12. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1979. - 399 с.

13. Кенинг Г., Блекуэлл В. Теория электромеханических систем. М.: П.: Энергия , 1965. -423 с.

14. Клер А. М. Деканова Н. П. И др. Математическое моделирование и оптимизация в задачах оперативного управления тепловыми электростанциями. Н.: Наука, 1997.-120с.

15. Клюев A.C. Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. М.: Энергия, 1977. -400с.

16. Козлов В.Н., Куприянов В.Е., Зазовский B.C. Вычислительные методы синтеза систем автоматического управления. П.: ЛГУ, 1989.

17. Красовский A.A. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. М.: Наука, 1973, 558 с.

18. Крутилин Д.А. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для синтеза систем управления топологическим методом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Братск. 1999 - 27с.

19. Кузнецова Н. В. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) М.: Энергия, 1973.-296с.

20. Курицкий, Поиск оптимальных решений средствами Excel 7.0. BHV -СанктПетербург, 1997, 384с.

21. Летов A.M. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969, 359 с.

22. Математическая теория оптимальных процессов./ Л.С.Понтрягин, В.Г.Болтянский, Р.В. Гамкрелидзе и др. М.: Наука. 1969., 384 с.

23. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы. -Наука, 1971. -416 с.

24. Мелса Дж. Программы в помощь изучающим теорию линейных систем управления. М.: Машиностроение, 1981.-200 с.

25. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. М.: Изд-во иностр. Лит. 1963. -619 с.

26. Плетнёв Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 368с., ил.

27. Плетнёв Г.П. Автоматическое регулирование и защитатеплоэнергетических установок электрических станций. М.: Энергия, 1976. -424с.зв. Попырин Л. С. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок. М.: Энергия, 1978.-416с.

28. Попырин Л. С., Самусев В. И., Эпельштейн В. В. Автоматизация математического моделирования теплоэнергетических установок. -М.: Наука, 1981.-236с.

29. Поцелуев A.B. Статический анализ и синтез сложных динамических систем. М.: Машиностроение, 1984.

30. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз, 1962, 884 с.

31. Райцын Т.М. Синтез САУ Методом направленных графов. Л.: Энергия; 1970. - 94 с.

32. Римский Г.В., Таборовец В.В. Автоматизация исследований динамических систем. Минск: Наука и техника, 1978. - 33 с.

33. Румшинский Л.З. Элементы теории вероятностей. М.: Наука, 1976. -240 с.

34. Сачков В.Н. Введение в комбинаторные методы дискретной математики. М.,: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.-384.

35. Солодов A.B. Методы теории систем в задаче непрерывной линейной фильтрации. М.: Наука, 1976. 262 с.

36. Солодовников В.В., Бирюков В.Ф., Тумаркин В.И. Принцип сложности в теории управления. М.: Наука, 1977. - 340 с.

37. Солодовников В.В., Семенов В.В., Немель М., Недо Д. Расчет систем управления на ЦВМ. М.: Машиностроение, 1979. - 660 с.

38. Сучилин A.M. Применение направленных графов к задачам электроники. Л.: Энергия, 1971. - 128 с.

39. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. М.: Наука, 1975, 279 с.

40. Ту Ю. Современная теория управления. М.: Машиностроение. 1971, 472 с.

41. Турусов С.Н. Симплекс метод как математический аппарат для алгоритмов оптимального управления процессами электролизного производства. // Экология. Образование. Здоровье./ Труды международной научно-практической конференции,- Иркутск, 2000, 4 с.

42. Цвынар Людвиг. Пуск паровых котлов: Пер. с польск. М.: Энергоиздат, 1981.-312с., ил.

43. Чаки Ф. Современная теория управления. М.: Мир, 1975,424 с.

44. Чернецкий В.И. Анализ точности нелинейных систем управления. -М.: Машиностроение, 1969, 346 с.132

45. Чернецкий В.И., Дидук Г.А., Потапенко A.A. Математические методы и алгоритмы исследования автоматических систем. П.: Энергия, 1972, 372 с.

46. Чхартишвили Г.С.,Чхартишвили Л.П.,Клюкин К.Г. Цифровое моделирование динамических задач в АСУТП// Сб.научн. тр./Моск.энерг.ин-т. М.: МЭИ, 1975, вып.243.

47. Шальман М.П. Автоматизация крупных тепловых электростанций. -М.: Энергия, 1974. -240с.

48. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Оценивание параметров и состояния.//под ред. Н.С.Райбмана. М.: Мир, 1975. -676 с.

49. Юдин Д.Б., Гольштейн Е.Г. Задачи и методы линейного программирования транспортного типа. М., «Наука», 1969.

50. Юренев В. Н., Лебедева П. Д. Теплотехнический справочник. М.: Энергия, 1976.-896с.